Was ist ein Kühlkörper und wie funktioniert er?

Jun 27, 2023

Moderne elektronische Geräte sind heiß begehrt. So halten Kühlkörper sie für den Gebrauch kühl.

Überhitzung ist für Ihre Geräte problematisch; Deshalb ist die Wärmeableitung für die Temperaturregelung elektronischer Geräte oder ähnlicher Wärmequellen von entscheidender Bedeutung.

Kühlkörper werden in elektronischen Geräten verwendet, um Wärmeenergie an die Umgebung abzuleiten und Ihre Geräte zu kühlen. Aber was genau ist ein Kühlkörper und wie funktioniert er?

In der modernen Zeit sind wir von elektronischen Systemen und Geräten umgeben. Von einem Mikroprozessorchip bis hin zu einer Basisstation (BTS) für mobile Kommunikationssysteme benötigen elektronische Produkte zum Betrieb elektrische Energie.

Während ein Teil dieser Energie für den Betrieb des Geräts verwendet wird, wird der Rest (abhängig von der Effizienz des Geräts) größtenteils in Form von Wärme abgegeben.

Aufgrund der Miniaturisierung von Geräten können elektronische Geräte jedoch keine Wärme speichern und müssen diese Wärmeenergie an die Umgebung abgeben. Zu diesem Zweck werden häufig Kühlkörper verwendet.

Ein Kühlkörper ist ein Teil, das an einem heißen elektronischen Gerät angebracht wird, um dessen Wärme durch Leitung zu absorbieren und diese Energie dann durch Konvektion und Strahlung an die Umgebung abzugeben. Eine übliche Struktur eines Kühlkörpers ist wie folgt:

Elektronische Geräte sind so konzipiert, dass eine minimale Schnittstelle und wärmeleitende Materialien verwendet werden, um eine wärmeerzeugende Quelle und einen Kühlkörper zu verbinden, sodass sich keine Wärme im Inneren des Geräts ansammeln kann. Kühlkörper sind so konzipiert, dass sie einen Pfad mit geringem Wärmewiderstand zu Geräten zur Wärmeableitung bieten.

Kühlkörper bestehen aus wärmeleitenden Materialien, am häufigsten Aluminium (Wärmeleitfähigkeit: 237 W/m·K). Aluminium ist im Vergleich zu anderen wärmeleitenden Materialien wie Silber und Gold ein kostengünstiges Metall.

Die Wärme eines relativ kleinen Elektronikgehäuses wird durch Wärmeleitung von einer flachen Metallplatte absorbiert. Die Leitung wird häufig durch das Auftragen einer Wärmeleitpaste zwischen dem Außengehäuse des elektronischen Geräts und dem Kühlkörper erleichtert. Dies stellt einen ordnungsgemäßen physischen Kontakt mit der Paste mit hoher Wärmeleitfähigkeit sicher.

Die Wärme eines relativ kleineren Elektronikgehäuses soll sich durch Wärmeleitung auf die größere Kühlkörperoberfläche verteilen.

Allerdings leidet die Wärmeenergie unter einem sich ausbreitenden Wärmewiderstand, wenn eine kleinere Oberfläche der Wärmequelle in physischen Kontakt mit einer größeren Oberfläche des Kühlkörpers kommt. Deshalb ist es wichtig, den Ausbreitungswiderstand durch die Wahl der geeigneten Kontaktdicke der Grundplatte des Kühlkörpers zu kontrollieren.

Ein Kühlkörper mit minimalem Ausbreitungswiderstand sorgt dafür, dass die Wärme nahezu gleichmäßig auf der Grundplatte und den Lamellen verteilt wird. Dadurch wird die Oberfläche des Kühlkörpers effizient genutzt. Die Berechnung des Ausbreitungswiderstands liegt jedoch außerhalb des Rahmens dieses Artikels.

Auf der anderen Seite der Grundplatte des Kühlkörpers werden viele Metallrippen verwendet, um eine größere Oberfläche für die Wärmekonvektion bereitzustellen. Die Lamellen sollten nicht zu nahe beieinander platziert werden, da dies dazu führen kann, dass die Flüssigkeit, d. h. in den meisten Fällen die Luft, nicht frei zwischen den Lamellen strömen und die Wärme ableiten kann.

Die gleichmäßige Wärmeverteilung an der Kühlkörperbasis nutzt die gesamte von den Lamellen bereitgestellte Oberfläche, um Wärme entweder durch natürliche Konvektion oder erzwungene Luftkonvektion an die Umgebungsluft abzugeben.

Natürliche Konvektion ist ein Prozess, bei dem die Umgebungsluft die Wärmeenergie von den Kühlrippen des Kühlkörpers abführt, indem sie den natürlichen Flüssigkeitsfluss nutzt, also keinen Druck durch eine externe Quelle ausübt. Bei diesem Prozess ist der Fluss bzw. die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsmoleküle langsam.

Bei der erzwungenen Konvektionsmethode für den Wärmeaustausch wird ein Gebläse oder Lüfter verwendet, um die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses durch die Oberfläche der Kühlrippen des Kühlkörpers zu erhöhen. Es kann entweder ein DC- oder ein PWM-Lüfter verwendet werden.

Der erhöhte Luftstrom führt dazu, dass mehr Wärme vom Kühlkörper abgeführt wird. Normalerweise wird erzwungene Konvektion in Fällen eingesetzt, in denen viel Wärmeleistung abgeführt werden muss oder ein kleinerer Kühlkörper in einem Design vorgeschrieben ist.

Neben der Konvektion ist auch die Wärmestrahlung des Kühlkörpers sehr hilfreich bei der Wärmeabfuhr vom Kühlkörper. Üblicherweise sind Kühlkörper schwarz eingefärbt, was ihre Wärmeabstrahlungsfähigkeit erhöht.

Ein Kühlkörper ist ein unverzichtbares Gerät für den zuverlässigen Betrieb eines elektronischen Geräts. Ohne sie funktionieren unsere modernen Smartphones, leistungsstarken Computer und sogar LED-Leuchten aufgrund von Überhitzung nicht wie vorgesehen.

Ummara ist Mitarbeiterin bei MUO, deren Arbeit sich hauptsächlich auf Linux konzentriert. Sie hat einen Abschluss in Telekommunikationstechnik und schreibt seit etwa drei Jahren über Linux.