Die Grundlagen von Kühlkörpern:Wie funktionieren sie?

Sie müssen kein MIT-Absolvent sein, um zu wissen, dass elektronische Geräte und Maschinen beim Betrieb Wärme erzeugen. Unbeaufsichtigt kann diese Situation schnell zu einer Überhitzung des Gerätes und damit zu Fehlfunktionen führen. Wenn Sie nicht schnell genug reagieren, kann diese Fehlfunktion zu dauerhaften Schäden führen.

Um eine Überhitzung zu vermeiden, enthalten die meisten Geräte Kühlkörper, Komponenten, die für das Wärmemanagement innerhalb des Geräts verantwortlich sind. Sie funktionieren, indem sie Wärme von lebenswichtigen Bereichen der Maschine oder eines Geräts wie der Zentraleinheit (CPU) ableiten und es kühl und funktionsfähig halten.

Interessanterweise werden Kühlkörper, obwohl sie eine entscheidende Rolle für den ordnungsgemäßen Betrieb Ihrer elektronischen Geräte spielen, oft übersehen, wahrscheinlich aufgrund ihrer eher geringen Größe. Wenn Sie mehr über diese wundersamen Komponenten erfahren möchten, liefert Ihnen dieser Leitfaden alle wesentlichen Informationen, die Sie benötigen, um zu verstehen, was Kühlkörper sind und wie sie funktionieren.

Lassen Sie uns gleich hineinsinken (Wortspiel beabsichtigt).

Was ist ein Kühlkörper?

Beginnen wir damit, genauer zu erklären, was ein Kühlkörper ist. Einfach ausgedrückt handelt es sich um eine Komponente, die als passiver Wärmetauscher fungiert und die Temperatur eines mechanischen oder elektronischen Geräts reguliert.

Dazu wird die Arbeitsfläche des Geräts vergrößert und die Wärme von einer wärmeerzeugenden Komponente auf eine Flüssigkeit mit niedriger Temperatur übertragen. Auf diese Weise wird die Wärme vom Gerät weggeleitet, sodass es ohne Überhitzung funktioniert.

Aufgrund ihrer fantastischen Kühleigenschaften werden Kühlkörper in zahlreichen Branchen eingesetzt, darunter auch in der CNC-Bearbeitung. Typischerweise werden sie zur Kühlung von Computerkomponenten – normalerweise CPU und GPU – und Leistungstransistoren oder Lasern verwendet.

Wie werden Kühlkörper gebaut?

Der Bedarf an einer größeren Oberfläche wirkt sich erheblich darauf aus, wie Kühlkörper gebaut werden. Ein typischer Kühlkörper besteht aus einer Basis, die mit sehr schmalen Rippen oder Stiften verbunden ist. Auf diese Weise können Kühlkörper so viel Oberfläche wie möglich in einem bestimmten Volumen unterbringen.

Größe und Form der Rippen variieren jedoch zwischen verschiedenen Kühlkörpern. Darüber hinaus haben sie einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Kühlkörpers. Wir können unterscheiden zwischen:

• Pin-Fin-Kühlkörper. Solche Kühlkörper haben Stifte, die sich von ihrer Basis erstrecken. Sie haben die größte Oberfläche unter den verschiedenen Arten von Kühlkörpern und funktionieren am besten in Gehäusen mit geringem Luftstrom. Die Stifte haben normalerweise eine zylindrische, elliptische oder quadratische Form.
• Plate-Fin-Kühlkörper. Ein Lamellenkühlkörper hat rechteckige Rippen, die sich von seiner Basis erstrecken. Solche Kühlkörper sind häufiger als Pin-Fin-Systeme und funktionieren am besten mit unidirektionalem Luftstrom.
• Kühlkörper mit ausgestellten Rippen. Flared-Fin-Systeme sind eine Variation von Plate-Fin-Kühlkörpern. Sie haben eine ausgestellte Rippenanordnung (daher der Name), die den Strömungswiderstand verringert.

An einigen Kühlkörpern sind auch Lüfter und Gebläse angebracht. Diese werden als aktive Kühlkörper bezeichnet. Wir werden später in diesem Artikel mehr darüber sprechen.

Wie funktioniert ein Kühlkörper?

Kühlkörper verwenden einen Wärmeleiter, der der Wärmequelle Wärme entzieht und sie zu ihrer Oberfläche zieht, die dann mit der Kühlluft oder -flüssigkeit in Kontakt kommt. Der gesamte Prozess umfasst vier grundlegende Schritte:

1. Die Quelle erzeugt Wärme. Die Quelle kann jedes System sein, das beim Betrieb Wärme erzeugt und für eine ordnungsgemäße Funktion gekühlt werden muss. Es kann ein mechanisches, elektrisches, chemisches, nukleares, solares oder Reibungssystem sein.
2. Wärme wird von der Quelle weg transportiert. Durch natürliche Wärmeleitung bewegt sich Wärme in den Kühlkörper und von der Quelle weg. Dieser Vorgang steht in direktem Zusammenhang mit der Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kühlkörpers. Aus diesem Grund werden häufig Materialien wie Aluminium oder Kupfer zum Bau von Kühlkörpern verwendet. Sie haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit.
3. Wärme wird über den gesamten Kühlkörper verteilt. Die Wärme wandert dann durch den Kühlkörper und bewegt sich von einer Umgebung mit hoher Temperatur in eine Umgebung mit niedriger Temperatur. Für den Kühlkörper bedeutet dies, dass sein Wärmeprofil nicht konsistent ist. Daher sind Wärmesenken in Richtung der Quelle typischerweise heißer und in Richtung ihrer Enden kühler.
4. Der Kühlkörper leitet Wärme ab. Der letzte Schritt beinhaltet die Ableitung der Wärme vom Kühlkörper. Es hängt stark vom Temperaturgradienten der Spüle und ihrer Kühlflüssigkeit (normalerweise Luft oder elektrisch leitfähige Flüssigkeit) ab. Die Flüssigkeit strömt über die Oberfläche des Kühlkörpers und leitet Wärme durch thermische Diffusion und Konvektion an die Umgebung ab. Hierbei ist wichtig zu beachten, dass der Kühlkörper keine Wärme abführt, wenn die Umgebungstemperatur nicht kühler als der Kühlkörper ist.

Die verschiedenen Arten von Kühlkörpern

Wenn wir von Kühlkörpern sprechen, unterscheiden wir drei Grundtypen von Kühlkörpern – passiv, aktiv und hybrid. Mehr dazu weiter unten.

Passive Kühlkörper

Passive Kühlkörper beruhen auf natürlicher Konvektion. Das bedeutet, dass nur der Auftrieb heißer Luft einen Luftstrom über die Kühlkörperoberfläche erzeugt. Aus diesem Grund benötigen passive Kühlkörper beim Abführen von Wärme keine sekundäre Stromversorgung oder Steuersysteme. Andererseits sind sie bei der Übertragung von Wärme aus einem System nicht so effizient und effektiv wie aktive Kühlkörper.

Aktive Kühlkörper

Im Gegensatz zu passiven Kühlkörpern verlassen sich aktive Kühlkörper nicht nur auf natürliche Konvektion. Sie verwenden Zwangsluft, um den Flüssigkeitsfluss über den beheizten Bereich zu erhöhen. Sie tun dies mit einem Lüfter, Gebläse oder einer ganzen Objektbewegung.

Ein typisches Beispiel für die Funktionsweise eines aktiven Kühlkörpers ist der Lüfter in Ihrem PC, der sich einschaltet, wenn Ihr Computer anfängt, warm zu werden. Der Lüfter zwingt Luft dazu, über den Kühlkörper zu strömen, wodurch ungeheizte Luft über seine Oberfläche strömen kann. Aus diesem Grund erhöht sich der gesamte Wärmegradient im gesamten Kühlkörpersystem, wodurch mehr Wärme aus dem Gerät entfernt wird.

Hybrid-Kühlkörper

Wie der Name schon sagt, vereinen Hybridkühlkörper die Eigenschaften von passiven und aktiven Kühlkörpersystemen. Interessanterweise sind Hybridsysteme nicht so beliebt wie passive oder aktive Kühlkörper. Sie verlassen sich auch oft auf dedizierte Steuerungssysteme, um das Gerät basierend auf bestimmten Temperaturanforderungen zu kühlen.

Wenn das System bei kühleren Temperaturniveaus arbeitet, bleibt die Quelle der Umluft (ein Lüfter oder ein Gebläse) inaktiv und kühlt das System passiv. Das aktive System beginnt erst zu arbeiten, wenn das Gerät höhere Temperaturen erreicht, wodurch die Kühlleistung des Kühlkörpers erhöht wird.

Welche Materialien werden zur Herstellung von Kühlkörpern verwendet?

Wie gesagt, das Material des Kühlkörpers muss eine natürliche Wärmeleitfähigkeit bieten. Aus diesem Grund werden Kühlkörper normalerweise entweder aus Aluminium oder Kupfer hergestellt, wobei das Material von der Anwendung, der Wärmeintensität, der Produktionsmethode und dem Budget bestimmt wird.

• Aluminium. Typischerweise verwenden Hersteller von Kühlkörpern Aluminium 1050, 6060, 6061 oder 6063. Ersteres ist sehr wärmeleitfähig, aber es fehlt an Festigkeit, während die restlichen drei weniger leitfähig sind, aber stärkere mechanische Eigenschaften bieten. Aus Kostengründen werden die günstigsten Kühlkörper aus einer Aluminiumlegierung hergestellt.
• Kupfer. Kupfer bietet eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit. Tatsächlich ist es doppelt so förderlich wie Aluminium. Darüber hinaus ist es korrosionsbeständig, antimikrobiell beständig und bietet andere wünschenswerte Eigenschaften. Aus diesem Grund gelten Kupferkühlkörper als High-End, da sie teurer als Aluminiumkühlkörper und im Allgemeinen schwieriger in der Herstellung sind.

Wie werden Kühlkörper hergestellt?

Die Herstellung von Kühlkörpern umfasst mehrere Prozesse und Produktionstechnologien, wie z. B. Aluminiumextrusion, Druckguss oder CNC-Fräsen. Sie werden normalerweise hergestellt mit:

• Fräsen. Fräsen ist der subtraktive Prozess des Schneidens von Material aus einem rohen Werkstück. Es ist auch eine kostengünstige Möglichkeit, Kühlkörper schneller herzustellen.
• Extrusion. Es ist der Prozess, heiße Metallknüppel durch eine Stahlmatrize zu zwingen. Extrusion ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Kühlkörpern, da sie als schnell, effektiv und daher wirtschaftlicher gilt.
• Casting. Beim Gießen wird geschmolzenes Metall in eine Form gegossen und ist eine weitere beliebte Methode zur Herstellung von Kühlkörpern aus Kupfer und Aluminium. Solche Kühlkörper weisen eine höhere Komplexität auf und bieten verbesserte mechanische Eigenschaften.
• Schälen. Auch als Flämmen bekannt, ist das Schälen ein Prozess, bei dem Material in Scheiben geschnitten wird. Schälen wird normalerweise bei der Herstellung von Kühlkörpern mit Plattenrippen und ausgestellten Rippen verwendet, die eine dünnere und präzisere Rippenplatzierung ermöglichen.
• 3D-Druck. 3D-gedruckte Kühlkörper sind zu einer praktikablen Alternative zu ihren herkömmlich hergestellten Gegenstücken geworden. Der Hauptgrund dafür sind die jüngsten Fortschritte in der additiven Kupferfertigung, die den 3D-Druck zu einer erschwinglicheren Methode bei der Herstellung von Kühlkörpern gemacht haben.

Welche Faktoren beeinflussen die Kühlkörperleistung?

Mehrere Faktoren können die Leistung eines Kühlkörpers beeinflussen und ob er Wärme effektiv von einer bestimmten Komponente (z. B. einer CPU oder GPU) ableiten kann. Diese Variablen sind:

• Die Größe des Kühlkörpers
• Die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kühlkörpers (Aluminium vs. Kupfer),
• Die Form, das Volumen und die Flossenanordnung
• Die Luftstromrate,
• Die Größe der Kanäle zwischen den Lamellen.

Die Leistung kann auch vom Typ des Kühlkörpers abhängen. Aktive Kühlkörper gelten als effektiver, weshalb sie normalerweise in Geräten verwendet werden, die eine schnellere Kühlung erfordern.

Schlüsselmitnahmen

Hoffentlich haben Sie nach dem Lesen unseres Leitfadens ein besseres Verständnis dafür, wie wichtig Kühlkörper sind und wie sie funktionieren. Sie sind zwar klein, aber ihre Wirkung auf die Leistung eines elektrischen oder mechanischen Geräts ist unglaublich, sie verhindern eine Überhitzung und stellen sicher, dass sie auf dem höchstmöglichen Niveau funktionieren.