Was sind Kühlkörper und wie werden sie hergestellt?

Elektronische Geräte wie PCs erzeugen beim Betrieb Wärme. Strom fließt durch die verschiedenen Drähte und Komponenten des Geräts und trifft auf Widerstand wie es geht, und dieser Widerstand erzeugt Wärme , wodurch die Temperatur des Geräts schnell ansteigt.

Unkontrolliert kann diese Hitze katastrophale Folgen für das Gerät haben:Komponenten wie die Zentraleinheit (CPU) sind zerbrechlich und halten extrem hohen Temperaturen nicht stand; Überhitzung kann daher zu Fehlfunktionen oder dauerhaften Schäden führen.

Glücklicherweise vermeiden viele elektronische und mechanische Geräte dieses Problem, indem sie Kühlkörper verwenden (oder Kühlkörper):spezielle Komponenten, die Wärme ableiten von wichtigen Bereichen des Geräts, um es kühl und funktionsfähig zu halten.

Trotz ihrer geringen Größe sind Kühlkörper unglaublich wichtige Komponenten und können auf viele verschiedene Arten hergestellt werden. Dieser Artikel befasst sich mit der Funktionsweise von Kühlkörpern, den Vorteilen von Kühlkörpern, den verschiedenen Arten von Kühlkörpern und der Herstellung von Kühlkörpern.

Was ist ein Kühlkörper?

Ein Kühlkörper ist eine Art passiver Wärmetauscher dessen Funktion es ist, die Temperatur zu regulieren eines elektronischen oder mechanischen Geräts. Es überträgt Wärme von einer wärmeerzeugenden Komponente auf eine Flüssigkeit (Luft oder flüssiges Kühlmittel), wodurch die Wärme vom Gerät weg abgeleitet werden kann.

Kühlkörper funktionieren, indem sie einen Wärmeleiter verwenden, um Wärme von einer Wärmequelle abzuziehen und sie zu ihrer eigenen großen Oberfläche zu ziehen, die mit dem Kühlmedium, d. h. Luft oder einer anderen Flüssigkeit, in Kontakt kommt. Die Notwendigkeit einer großen Oberfläche ist der Grund, warum Kühlkörper normalerweise aus einer Basis bestehen, die mit einer Reihe sehr schmaler Rippen oder Stifte verbunden ist:Diese Form ist die beste Möglichkeit, so viel Oberfläche wie möglich in ein gegebenes Volumen einzupassen.

Kühlkörper werden in einer Reihe von Branchen häufig zum Kühlen von Computerkomponenten wie CPUs und GPUs sowie von Leistungstransistoren und Lasern verwendet.

Um zu bestimmen, ob ein Kühlkörper benötigt wird – und welche Art von Kühlkörper –, muss die maximale Sperrschicht-Betriebstemperatur eines Schaltkreises festgelegt werden. Wenn die Betriebstemperatur überschritten wird, führt dies zu Fehlfunktionen oder Bruch von Teilen. Im Allgemeinen benötigen Komponenten mit einer niedrigeren maximalen Betriebstemperatur (oder solche, die einfach viel Wärme erzeugen) effektivere Kühlkörper.

Vorteile von Kühlkörpern

Die Kernfunktion eines Kühlkörpers besteht darin, die Temperatur zu regulieren und Überhitzung zu vermeiden. Dies bietet Vorteile wie die folgenden:

• Überhitzung verhindern
• Verhindern Sie den Ausfall oder Bruch von Teilen
• Liefert Wärme, falls die Temperatur zu weit abfällt

Arten von Kühlkörpern

Kühlkörper bestehen im Allgemeinen aus einer festen Basis, aus der Vorsprünge herausragen. Die Form und Größe dieser Vorsprünge beeinflusst jedoch die Leistung des Kühlkörpers. Zu den gängigsten Kühlkörpervarianten gehören:

• Pin-Fin-Kühlkörper :Pin-Fin-Kühlkörper haben Stifte, die von der Basis ausgehen. Sie bieten die größte Oberfläche aller Kühlkörpertypen und eignen sich am besten für Situationen mit geringem Luftstrom (oder zufälligem/multidirektionalem Luftstrom). Die Stifte können verschiedene Formen haben:
  • Zylindrisch
  • Ellipsenförmig
  • Quadrat
• Platinenkühlkörper :Häufiger als Pin-Fin-Kühlkörper haben Plate-Fin-Kühlkörper rechteckige Rippen, die sich von der Basis erstrecken. Sie sind die beste Art von Kühlkörper, wenn der Luftstrom in eine Richtung erfolgt.
• Kühlkörper mit ausgestellten Rippen :Eine Variante des Plate-Fin-Kühlkörpers, Kühlkörper mit ausgestellten Lamellen haben eine Anordnung mit ausgestellten Lamellen und verringern den Strömungswiderstand.

Einige Kühlkörper haben angebrachte Lüfter , und Kühlkörper dieses Typs können als aktive Kühlkörper oder lüftergekühlte Kühlkörper bezeichnet werden. Diejenigen ohne Lüfter können als passive Kühlkörper bezeichnet werden. Lüfter sorgen für einen konstanten Luftstrom, der die Funktionalität des Kühlkörpers verbessert.

Kühlkörpermaterialien

Kühlkörper bestehen in der Regel aus Aluminiumlegierungen oder Kupfer, wobei das Material normalerweise durch Anwendung, Wärmeintensität, Produktionsmethode und Budget bestimmt wird.

Aluminium Kühlkörper bestehen normalerweise aus Aluminium 1050 (sehr wärmeleitend, aber geringe Festigkeit) oder Aluminium 6060, 6061 oder 6063 (weniger leitfähig, aber mit besseren mechanischen Eigenschaften). Die günstigsten Kühlkörper bestehen im Allgemeinen aus einer Aluminiumlegierung.

Kupfer Kühlkörper bieten eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit – es ist doppelt so leitfähig wie Aluminium – sowie Korrosionsbeständigkeit, antimikrobielle Beständigkeit und andere wünschenswerte Eigenschaften. Dies macht Kupferkühlkörper zu einer erstklassigen Wahl; Kupfer ist jedoch sowohl teurer als Aluminiumlegierungen als auch im Allgemeinen schwieriger zu formen.

Methoden zur Befestigung von Kühlkörpern

Die Kühlkörper-Befestigungsmethode ist die Art und Weise, wie der Kühlkörper an der Komponente montiert wird, deren Temperatur er zu regulieren versucht, z. die CPU eines Computers.

Zu den Befestigungsmethoden gehören wärmeleitfähiges Klebeband (für Kühlkörper mit geringer Masse), Epoxidharz (starke, aber irreversible mechanische Verbindung), Clips, Z-Clips in Drahtform, Druckstifte aus Messing/Kunststoff oder Abstandshalter mit Gewinde (für sehr große Kühlkörper).

Faktoren, die die Kühlkörperleistung beeinflussen

Mehrere Variablen beeinflussen, wie ein Kühlkörper funktioniert und wie effektiv er Wärme von einer Komponente wie einer CPU ableitet. Zu den wichtigen Leistungsfaktoren des Kühlkörpers gehören:

• Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials (z. B. Kupfer- oder Aluminiumlegierung)
• Die Größe des Kühlkörpers
• Typ, Anzahl und Anordnung der Rippen auf dem Kühlkörper
• Die Größe der Kanäle zwischen den einzelnen Finnen
• Der Wärmedurchgangskoeffizient
• Die Luftdurchflussrate

Wie man Kühlkörper herstellt

Wie baut man einen Kühlkörper? Das hängt von mehreren Faktoren ab, wie z. B. der Größe und dem Material Ihres Kühlkörpers und der Art des Herstellers, der ihn herstellt. Die Herstellung von Kühlkörpern kann tatsächlich eine Reihe von Produktionstechnologien umfassen, einschließlich Gießen und CNC-Fräsen.

Extrusion

Extrusion, das Verfahren, bei dem heiße Metallknüppel durch eine Stahlmatrize gepresst werden, ist die gebräuchlichste Methode zur Herstellung von Aluminiumkühlkörpern. Es ist eine schnelle, effektive und wirtschaftliche Methode zur Herstellung von Kühlkörpern aus duktilen Materialien wie Aluminium 1050. Kühlkörper aus extrudiertem Aluminium werden normalerweise vor der Verwendung eloxiert.

Skiving

Das Schälen oder Flämmen, der Prozess des Schneidens von Material in Scheiben, ist ein üblicher Herstellungsprozess für die Herstellung von Kühlkörpern mit Lamellen und aufgeweiteten Rippen. Das Verfahren ermöglicht dünnere und dichter gepackte Rippen als die Extrusion und bietet auch eine ebene oder Oberflächenrauhigkeit, die die Gesamtoberfläche leicht vergrößert.

Casting

Gießen, das Gießen von geschmolzenem Metall in eine Form, ist eine weitere Möglichkeit, Kühlkörper aus Aluminium oder Kupfer herzustellen. Druckguss-Kühlkörper können eine hohe Komplexität aufweisen und bieten hervorragende mechanische Eigenschaften. Druckguss wird manchmal auch zur Herstellung von Zinkkühlkörpern verwendet.

Fräsen

Fräsen, der subtraktive Prozess des Schneidens von Material aus einem Rohling, ist eine kostengünstige Möglichkeit, Kühlkörper mit praktisch jeder geometrischen Form aus Materialien wie Aluminiumlegierungen herzustellen. Gefräste Kühlkörper (oder maschinell bearbeitete Kühlkörper) sind möglicherweise teurer als Alternativen, insbesondere in großen Mengen, aber sie können auch sehr schnell hergestellt werden. Erfahren Sie mehr über die Aluminiumbearbeitung.

3D-Druck

Jüngste Fortschritte in der additiven Kupferfertigung haben 3D-gedruckte Kühlkörper zu einer praktikablen Alternative zu ihren traditionellen Gegenstücken gemacht. Zu diesem Zweck wurden Pulverbettfusions- und gerichtete Energieabscheidungstechnologien am erfolgreichsten eingesetzt.

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