Ein Kühlkörper ist ein passiver Wärmetauscher, der die von einem elektronischen oder mechanischen Gerät erzeugte Wärme an ein flüssiges Medium, häufig Luft oder ein flüssiges Kühlmittel, überträgt, wo sie vom Gerät abgeleitet wird und so die Temperaturregulierung des Geräts ermöglicht. In Computern werden Kühlkörper zur Kühlung von CPUs, GPUs und einigen Chipsätzen und RAM-Modulen verwendet. Kühlkörper werden bei anderen Hochleistungshalbleiterbauelementen wie Leistungstransistoren und Optoelektronikgeräten wie Lasern und Leuchtdioden (LEDs) verwendet, bei denen die Wärmeableitungsfähigkeit der Komponente selbst nicht ausreicht, um ihre Temperatur zu mäßigen.
Vorteile des Kühlkörpers
Effiziente Wärmeableitung
Einer der Hauptvorteile eines Kühlkörpers ist seine Fähigkeit, die von elektronischen Bauteilen erzeugte Wärme effizient abzuleiten. Kühlkörper bestehen in der Regel aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Aluminium oder Kupfer, die Wärme schnell absorbieren und vom Gerät ableiten. Dadurch wird verhindert, dass die Komponenten hohe Temperaturen erreichen, die sie möglicherweise beschädigen könnten.
Verlängerte Gerätelebensdauer
Durch die effektive Wärmeableitung tragen Kühlkörper dazu bei, die Lebensdauer elektronischer Geräte zu verlängern. Übermäßige Hitze kann zu Komponentenausfällen führen und die Gesamtzuverlässigkeit des Geräts beeinträchtigen. Kühlkörper spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung optimaler Betriebstemperaturen, gewährleisten die Langlebigkeit des Geräts und verhindern vorzeitige Ausfälle.
Kompaktes und leichtes Design
Kühlkörper sind kompakt und leicht konzipiert und eignen sich daher für verschiedene elektronische Geräte mit begrenztem Platzangebot. Ihr kleiner Formfaktor ermöglicht eine einfache Integration in Geräte, ohne dass sie wesentlich schwerer oder sperriger werden. Dieser Vorteil ist besonders wichtig für tragbare Geräte wie Laptops und Smartphones, bei denen Platz- und Gewichtsbeschränkungen von entscheidender Bedeutung sind.
Vielseitigkeit und Kompatibilität
Kühlkörper sind vielseitig und mit verschiedenen elektronischen Geräten und Komponenten kompatibel. Sie können individuell angepasst und an bestimmte Geräte angepasst werden und sorgen so für eine effiziente Wärmeableitung in verschiedenen Anwendungen. Diese Vielseitigkeit ermöglicht den Einsatz von Kühlkörpern in einer Vielzahl von Branchen, darunter Automobil, Luft- und Raumfahrt, Telekommunikation und mehr.
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Welche Arten von Kühlkörpern gibt es?
Passive Kühlkörper
Passive Kühlkörper basieren auf natürlicher Konvektion, was bedeutet, dass die Fähigkeit heißer Luft, zu schweben, den Luftstrom erzeugt, der über den Kühlkörper erzeugt wird, und sie benötigen keine sekundäre Stromversorgung oder Steuersysteme, um die Wärme abzuleiten. Allerdings sind passive Kühlkörper bei der Wärmeableitung aus einem System nicht so effektiv wie aktive Kühlkörper.
Aktive Kühlkörper
Aktive Kühlkörper nutzen Druckluft, die{0}üblicherweise durch einen Lüfter, ein Gebläse oder sogar durch die Bewegung des gesamten Objekts erzeugt wird{1}}, um den Flüssigkeitsstrom durch den heißen Bereich zu erhöhen.
Dies ist so, als würde sich der Lüfter Ihres PCs einschalten, nachdem dieser warm geworden ist. Der Lüfter drückt Luft über den Kühlkörper, wodurch mehr ungeheizte Luft über die Oberfläche des Kühlkörpers strömen kann. Dadurch erhöht sich der gesamte Wärmegradient über den Kühlkörper, wodurch mehr Wärme entweichen kann.
Hybrid-Kühlkörper
Hybrid-Kühlkörper vereinen die Eigenschaften passiver und aktiver Kühlkörper. Diese Konfigurationen sind weniger verbreitet und verwenden häufig Steuerungssysteme, um das System basierend auf den Temperaturanforderungen zu kühlen.
Wenn das System auf kühleren Niveaus betrieben wird, ist die Zwangsluftquelle inaktiv und kühlt das System nur passiv. Sobald die Quelle höhere Temperaturen erreicht, greift der aktive Kühlmechanismus ein, um die Kühlleistung der Senke zu erhöhen.
Die Schlüsselkomponenten eines Kühlkörpers
Base
Eine Kühlkörperbasis ist typischerweise ein flacher Block oder eine Platte aus Material mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit. Die Basis hat typischerweise eine gleichbleibende Querschnittsdicke, sie kann jedoch auch so gestaltet sein, dass sie ein Querschnittsprofil aufweist, das die Wärmeübertragung für die spezifische Geometrie der Wärmequelle optimiert. Der Sockel wird normalerweise mit Montagematerial und Wärmeleitpaste an der Wärmequelle befestigt.
Flossen
Aus der Kühlkörperbasis herausragende Rippen sind für die Wärmeübertragung an die umgebende Flüssigkeit verantwortlich. Diese Rippen sollen die Oberfläche optimieren, die der Kühlkörper der Flüssigkeit bietet. Je größer die Oberfläche, desto schneller ist die Wärmeübertragungsrate.
Die Lamellen können entweder einen integralen Bestandteil der Basis bilden oder mit verschiedenen Techniken, beispielsweise durch ein Kompressionsverfahren, separat befestigt werden. Die Form und Anordnung der Rippen kann die Wärmeübertragungsrate erheblich verbessern.
Wärmerohre
Ein Wärmerohr ist so konzipiert, dass es Wärme entlang seiner Achse überträgt. Wärmerohre können durch Presspassung, Löten und wärmeleitendes Epoxidharz in Standard-Kühlkörper und Wärmeverteiler integriert werden, um deren Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern. Sie funktionieren, indem sie Wärme über einen Phasenwechselmechanismus übertragen, der dazu führt, dass Flüssigkeit an der Wärmequelle verdampft und sich dann entlang der Achse des Wärmerohrs bis zu dem Punkt bewegt, an dem sie abkühlt und sich durch Kondensation wieder in eine Flüssigkeit verwandelt.
Wärmeschnittstellenmaterial
Wärmeleitmaterialien oder Wärmeleitpasten werden verwendet, um die Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle und der Basis des Kühlkörpers deutlich zu verbessern, indem sie alle Luftporen zwischen der Wärmequelle und dem Kühlkörper füllen. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter, daher erhöht das Füllen von Luftspalten mit einem wärmeleitfähigeren Material die Kühleffizienz eines Kühlkörpers. Wärmeleitpasten können aus Metall, Keramik oder Silikon bestehen, wobei Wärmeleitpaste auf Metallbasis am effektivsten ist.
Montagezubehör
Kühlkörper können mit verschiedenen Montagemethoden sicher an ihren Zielwärmequellen befestigt werden. Bei kleineren Kühlkörpern wird ein Klebstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, um den Kühlkörper direkt auf eine Wärmequelle zu kleben. Diese Methode wird typischerweise bei kleineren PCB-Komponenten verwendet. Bei größeren Kühlkörpern können normale Schrauben verwendet werden, alternativ kommen federbelastete Druckstifte zum Einsatz, um den Anpressdruck zwischen Wärmequelle und Kühlkörper zu optimieren.
Methoden zur Herstellung von Kühlkörpern
Schälen:Dabei wird Metall in Scheiben geschnitten. Es handelt sich um eine gängige Fertigungsmethode zur Herstellung von Plattenrippen für Kühlkörper. Mit dieser Methode können Sie dünnere und dicht gepackte Flossen erzeugen.
Die Kühlkörper weisen eine gewisse Oberflächenrauheit auf, wodurch die Gesamtoberfläche vergrößert wird.
Besetzung:Dabei wird geschmolzenes Metall in eine Form gegossen. Anschließend lässt man die Metallschmelze erstarren, bevor man sie aus der Form entnimmt. Druckguss-Kühlkörper weisen eine hohe Komplexität auf. Sie verfügen außerdem über gute mechanische Eigenschaften.
Extrusion:Es handelt sich um eine schnelle, effiziente und kostengünstige Methode zur Herstellung von Kühlkörpern. Dabei werden heiße Metallbarren mithilfe einer Stahlmatrize gepresst. Dies ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Aluminiumkühlkörpern. Kühlkörper aus extrudiertem Aluminium werden in der Regel vor der Verwendung eloxiert.
Kaltschmieden:Mit dieser Methode wird Material bei einer Temperatur hergestellt, die unter der Rekristallisationstemperatur des Materials liegt.
Da Aluminium einen minimalen Verformungswiderstand und eine hohe Plastizität aufweist, eignet sich dieses Verfahren zur Herstellung von Aluminiumkühlkörpern.
Durch Kaltschmieden werden hochpräzise Kühlkörper hergestellt. Sie können damit Rundstift- und Ellipsenstift-Kühlkörper herstellen. Außerdem weisen geschmiedete Kühlkörper eine ausgezeichnete Mikrostrukturintegrität auf.
Stempeln:Dabei wird eine Aluminiumform gestanzt, die sich mit einigen speziellen Werkzeugen unter einer pneumatischen Presse bewegt. Diese Methode eignet sich für Großserienproduktionen. Es werden auch Teile mit relativ kleinen Abmessungen hergestellt.
Wie funktioniert ein Kühlkörper?
Anhand der Definition von Senke oder Wärmesenke können wir versuchen zu verstehen, dass diese einfache Wärmeübertragung von der Quelle zur Senke bei jeder Art von Senke in vier grundlegenden Schritten erfolgt.
Wärme wird von der Quelle erzeugt
Als Quelle kann jedes System dienen, das Wärme erzeugt und deren Abfuhr für den ordnungsgemäßen Betrieb erfordert.
Dazu gehören verschiedene Prozesse und Maschinen, die in der Industrie, in der Elektronik, in Chemielabors, bei Solarmodulen und sogar bei elektrischen Widerständen in leitenden Geräten verwendet werden.
Wärme strahlt vom Ursprung aus
Anwendungen, die in direktem Kontakt mit dem Kühlkörper stehen, nutzen die natürliche Wärmeleitung, um Wärme von der Quelle zum Kühlkörper zu übertragen.
Dieser Prozess wird unmittelbar durch die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials beeinflusst.
Die am häufigsten verwendeten Materialien für den Bau von Spülen sind solche mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer und Aluminium.
Die Oberfläche der Spüle ist beheizt
Wenn sich Wärme über den Wärmegradienten von einem Hochtemperaturbereich in einen Niedertemperaturbereich bewegt, leitet sie die Wärme auf natürliche Weise von der Quelle durch die Senke.
Dadurch werden Senken näher an der Quelle häufig heißer und weiter entfernt kühler.
Wärmeenergie verlässt die Senke
Dieses Verfahren hängt vom Temperaturgradienten des Kühlkörpers und des Arbeitsmediums ab, bei dem es sich typischerweise um Luft oder eine Flüssigkeit handelt, die nicht elektrisch leitend ist.
Wärmekonvektion und Wärmediffusion werden vom Arbeitsmedium genutzt, wenn es sich über die Oberfläche der warmen Senke bewegt, um Wärme von der Oberfläche an die umgebende Luft zu übertragen.
Die Anwendungen von Kühlkörpern
Computerprozessoren
Computerprozessoren (CPUs) erzeugen im Betrieb eine große Menge Abwärme. Sie verwenden häufig Kupferkühlkörper mit einem aktiven Lüfter. Kühle CPUs können effektiver arbeiten.
LED-Beleuchtung
LED-Leuchten erzeugen nicht die gleiche Wärme wie eine Glühbirne. Allerdings erzeugt die Elektronik, mit der eine LED funktioniert, viel Abwärme, die abgeführt werden muss. Kleine LEDs verwenden häufig passive Kühlkörper.
Leistungselektronik
Netzteile wandeln Wechselstrom in Gleichstrom für die Unterhaltungselektronik um. Dieser Umwandlungsprozess ist ineffizient und erzeugt etwas Abwärme, die die Lebensdauer des Netzteils verkürzen kann. Kühlkörper in der Leistungselektronik verwenden manchmal eine Hybridkühlung und verwenden Aluminiumkühlkörper, um die Kosten zu senken.
Automobilindustrie
Neben den Kühlkörpern, die in den Steuerschaltkreisen von Fahrzeugen verwendet werden, werden Kühlkörper auch zur Kühlung von Elektromotoren während des Betriebs sowie zur Kühlung von Bordladegeräten von Elektrofahrzeugen eingesetzt.
Luft- und Raumfahrtindustrie
Kühlkörper finden sich in Steuerschaltkreisen, die in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden. Sie werden auch in Raumfahrzeugen eingesetzt, um Wärme in das Vakuum des Weltraums zu übertragen. Diese Wärmesenken übertragen die Wärme jedoch ausschließlich durch Strahlung, da es im Weltraum keine Wärmeübertragungsflüssigkeit gibt.
Unterhaltungselektronik
In der Unterhaltungselektronik werden in großem Umfang Kühlkörper eingesetzt, um Geräte kühl zu halten und effizient zu betreiben. Typische Beispiele sind die Kühlkörper in Computern und Mobiltelefonen.
So wählen Sie den richtigen Kühlkörper aus
Fouriers Gesetz der Wärmeleitung
Grundsätzlich ist die Idee eines Kühlkörpers recht einfach: Durch die Anbringung eines Kühlkörpers an einer Komponente, die eine große Menge Wärmeenergie erzeugt, vergrößern Sie effektiv die Oberfläche dieser Komponente. Die Komponente, die sich auf einer höheren Temperatur befindet, überträgt dann Wärmeenergie an die Umgebung mit niedrigerer Temperatur.
Kühlkörperdesign
Das am häufigsten für Kühlkörper verwendete Material ist Aluminium. Denn Aluminium bietet gute Wärmeleiteigenschaften. Darüber hinaus wird die häufigste Art von Aluminium-Kühlkörpern durch Strangpressen hergestellt --, bei dem Aluminium gezwungen wird, durch eine geformte Matrize zu fließen. Dies ist in der Regel ein kostengünstiges Herstellungsverfahren und bietet Leistungsqualitäten, die für die meisten Anwendungen geeignet sind. Es ist jedoch anzumerken, dass die Extrusionsmethode zur Herstellung von Kühlkörpern ihre Grenzen hat, insbesondere wenn es um die Größe geht. Dies liegt vor allem daran, dass die Extrusionsbreite begrenzt ist. Wenn große Kühlkörper benötigt werden, beispielsweise für die Turbinen eines Kraftwerks, werden diese typischerweise durch Kleben hergestellt (mehrere Komponenten werden Stück für Stück aufgebaut und miteinander verbunden).
Kupfer-Kühlkörper
Ein weiteres beliebtes Material für Kühlkörper ist Kupfer. Kupfer verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit (ca. 400 W/m·K für reines Kupfer, was etwa dem Doppelten von Aluminium entspricht). Es ist außerdem korrosionsbeständig. Der Nachteil ist, dass es viel dichter als Aluminium und daher schwerer ist, was es zu einer schlechten Wahl für Anwendungen macht, bei denen es auf das Gewicht ankommt. Es ist auch viel teurer als Aluminium.
Wärmewiderstand des Kühlkörpers
Die Wahl eines Materials für Ihren Kühlkörper hängt weitgehend von einem Faktor -- dem Wärmewiderstand ab. Der Wärmewiderstand ist die Fähigkeit der Wärme, von Ihrem Bauteil in die Umgebung zu fließen. Sie müssen den Widerstand im gesamten Design berücksichtigen. Zum Beispiel der Widerstand der Komponente gegenüber ihrer Verpackung, der Verpackung gegenüber dem Klebematerial, dem Klebematerial gegenüber dem Kühlkörper und dem Kühlkörper gegenüber der Luft. Wenn alle diese Zahlen addiert werden, erhalten Sie einen Gesamtwärmewiderstand und helfen Ihnen zu verstehen, welches Material Sie wählen sollten und wie groß Ihr Kühlkörper sein sollte. Sie können den Wärmewiderstand auf viele Arten verringern -- indem Sie Materialien ändern, das Design der Rippen vergrößern oder ändern, Wärmeleitpaste für die Wärmeübertragung anstelle von doppelseitigem Klebeband usw. verwenden.
Aktiver Kühlkörper vs. passiver Kühlkörper
Eine weitere Designüberlegung besteht darin, ob Sie einen aktiven oder passiven Kühlkörper verwenden möchten. Ein passiver Kühlkörper beruht einfach auf der Ableitung der Strahlungswärme und der natürlichen Luftbewegung, um Wärmeenergie abzuleiten. Ein aktiver Kühlkörper nutzt eine zusätzliche Komponente -- wie einen Lüfter oder eine Pumpe --, um aktiv Wärmeenergie abzuführen und zu verdrängen. Es überrascht nicht, dass aktive Kühlkörper effektiver sind als passive Kühlkörper mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften.
So warten Sie Kühlkörper, um ihre Lebensdauer zu verlängern
Zunächst muss auf die Nutzung des Kühlkörpers und die Lagerumgebung geachtet werden. Wenn Sie einen Kühlkörper längere Zeit nicht verwenden, sollte er sicher aufbewahrt werden. Bei der Wahl des Lagerortes müssen wir auf korrosive Stoffe wie Säuren oder Laugen achten. Diese Materialien könnten in größerem Ausmaß zu Korrosion am Kühlkörper führen und wir sollten diese Art der Belastung möglichst vermeiden.
Zweitens ist es erforderlich, die Reinigung des Kühlkörpers sicherzustellen. Nachdem Sie einen Kühlkörper längere Zeit verwendet haben, kann es sein, dass sich zwischen den Kühlrippen eine große Menge Staub und Schmutz ansammelt. Wenn Sie ihn nicht rechtzeitig reinigen, sammelt sich der Staub an und es ist unvermeidlich, dass die gesamte Kühlleistung dieses Kühlkörpers beeinträchtigt wird. Für die Geräte, die eine Kühlung benötigen, könnte dies eine nicht zu ignorierende Bedrohung darstellen. Daher ist es notwendig, den Kühlkörper regelmäßig umfassend zu reinigen.
Darüber hinaus ist es bei der Durchführung relevanter Korrosionsschutzbehandlungen erforderlich, eine Vielzahl damit zusammenhängender Aspekte zu berücksichtigen. Wenn wir uns beispielsweise bei der Auswahl von Frostschutzmitteln und der Oberflächenbeschichtung nicht an die vorgeschriebene Norm halten, kann es sein, dass der Kühlkörper korrodiert und nicht mehr verwendet werden kann.
FAQ
F: Was ist der Zweck eines Kühlkörpers?
F: Was ist ein Kühlkörper in der Informatik?
F: Warum sollten Sie den Kühlkörper nicht entfernen?
F: Wird zur Kühlung ein Kühlkörper verwendet?
F: Was ist ein besserer Lüfter oder Kühlkörper?
F: Was ist die beste Form für einen Kühlkörper?
F: Was sind die Kriterien für das Kühlkörperdesign?
F: Wie läuft die Kühlkörperextrusion ab?
F: Was ist das Fett auf dem Kühlkörper?
F: Wie pflegt man einen Kühlkörper?
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