Was macht ein Kühlkörper?
Kühlkörper sind eine der häufigsten Formen des Wärmemanagements in der Technik, in Maschinen und sogar in natürlichen Systemen. Diese Komponenten sind so allgegenwärtig, dass sie selbst von Personen, die mit der Technologie vertraut sind, leicht übersehen werden können. Wir gehen auf die grundlegenden Funktionsprinzipien von Kühlkörpern ein, stellen aktive und passive Kühlkörperkonfigurationen vor und besprechen, wie einige Benutzer Kühlkörper in ihren Anwendungen implementieren.
Was ist ein Kühlkörper?
Ein Kühlkörper ist eine Komponente, die den Wärmefluss von einem heißen Gerät erhöht. Dieses Ziel wird durch die Vergrößerung der Arbeitsoberfläche des Geräts und der Menge der Kühlflüssigkeit erreicht, die über die vergrößerte Oberfläche strömt. Je nach Konfiguration der einzelnen Geräte finden wir eine Vielzahl von Kühlkörpern mit Unterschieden bei Ästhetik, Design und maximaler Leistungsfähigkeit. Im Bild oben in diesem Artikel sehen Sie einen Kühlkörper mit geraden Lamellen.
Wie funktioniert ein Kühlkörper?
Ein Kühlkörper funktioniert, indem er Wärme von einer kritischen Komponente wegleitet. Fast alle Kühlkörper erfüllen diese Aufgabe in vier grundlegenden Schritten:
1. Die Quelle erzeugt Wärme. Bei dieser Quelle kann es sich um jedes System handeln, das Wärme erzeugt und für seine ordnungsgemäße Funktion die Abfuhr dieser Wärme erfordert, wie etwa:
- Mechanisch
- Elektrisch
- Chemisch
- Nuklear
- Solar
- Reibung
2. Die Wärme wird von der Quelle weggeleitet. Auch Wärmerohre können diesen Prozess unterstützen, aber wir werden diese Komponenten separat behandeln. Bei Anwendungen mit direktem Kühlkörperkontakt gelangt die Wärme durch natürliche Wärmeleitung in den Kühlkörper und von der Quelle weg. Die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermaterials wirkt sich direkt auf diesen Prozess aus. Aus diesem Grund werden bei der Konstruktion von Kühlkörpern am häufigsten Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium verwendet.
3. Die Wärme verteilt sich im gesamten Kühlkörper. Die Wärme wandert auf natürliche Weise durch den Kühlkörper und zwar über den Wärmegradienten von einer Umgebung mit hoher Temperatur zu einer Umgebung mit niedriger Temperatur. Dies bedeutet letztendlich, dass das thermische Profil des Kühlkörpers nicht konsistent ist. Daher sind Kühlkörper häufig an der Quelle heißer und an den Enden kühler.
4. Die Wärme wird vom Kühlkörper weggeleitet. Dieser Prozess basiert auf dem Temperaturgradienten des Kühlkörpers und seinem Arbeitsfluid – meist Luft oder eine nicht elektrisch leitende Flüssigkeit. Das Arbeitsfluid strömt über die Oberfläche des warmen Kühlkörpers und nutzt Wärmediffusion und Konvektion, um Wärme von der Oberfläche weg und in die Umgebung abzuleiten. Auch in dieser Phase ist ein Temperaturgradient erforderlich, um die Wärme vom Kühlkörper abzuleiten. Wenn die Umgebungstemperatur nicht kühler ist als die des Kühlkörpers, findet daher keine Konvektion und damit keine Wärmeabfuhr statt. In diesem Schritt wird auch die Gesamtoberfläche des Kühlkörpers am vorteilhaftesten genutzt. Eine große Oberfläche bietet eine vergrößerte Fläche für Wärmediffusion und Konvektion.
Aktive Kühlkörper vs. passive Kühlkörper
Kühlkörper werden am häufigsten in aktiven, passiven oder hybriden Konfigurationen verwendet.
- Passive Kühlkörper verlassen sich auf natürliche Konvektion, d. h., der Auftrieb heißer Luft allein bewirkt den Luftstrom, der über das Kühlkörpersystem erzeugt wird. Diese Systeme sind vorteilhaft, da sie keine sekundäre Stromversorgung oder Steuerungssysteme benötigen, um die Wärme aus dem System abzuführen. Allerdings sind passive Kühlkörper bei der Wärmeübertragung aus einem System weniger effektiv als aktive Kühlkörper.
- Aktive Kühlkörper nutzen einen gerichteten Luftstrom, um den Strom der Kühlflüssigkeit über den heißen Bereich zu erhöhen. Der gerichtete Luftstrom wird am häufigsten durch einen Ventilator, ein Gebläse oder sogar durch die Bewegung des gesamten Objekts erzeugt – beispielsweise bei der Kühlung des Motors eines Motorrads durch die Luft, die an den im Motor integrierten Kühlrippen entlang strömt. Ein Beispiel für einen Lüfter, der einen gerichteten Luftstrom über einen Kühlkörper erzeugt, ist der Lüfter in Ihrem PC, der sich einschaltet, nachdem Ihr Computer warm geworden ist. Der Lüfter presst Luft über den Kühlkörper, wodurch mehr nicht erwärmte Luft über die Oberfläche des Kühlkörpers strömen kann. Dadurch erhöht sich der gesamte Wärmegradient über das Kühlkörpersystem und mehr Wärme kann aus dem Gesamtsystem entweichen.
- Hybrid-Kühlkörper vereinen einige Aspekte von passiven und aktiven Kühlkörpern. Diese Konfigurationen sind weniger verbreitet und basieren häufig auf Steuerungssystemen, die das System je nach Temperaturbedarf kühlen. Wenn das System auf kühleren Niveaus arbeitet, ist die Quelle des gerichteten Luftstroms inaktiv und das System wird lediglich passiv gekühlt. Sobald die Quelle höhere Temperaturen erreicht, wird der aktive Kühlmechanismus aktiviert, um die Kühlkapazität des Kühlkörpersystems zu erhöhen.
Beliebte Kühlkörper
Wie bereits erwähnt, sind Kühlkörper in Computern am häufigsten in CPUs zu finden. Beispielsweise verfügt der Jetson Nano über einen großen Kühlkörper zur Kühlung der integrierten Quad-Core-ARM-A57-CPU und der 128-Core-NVIDIA-Maxwell-GPU, die beide große Mengen Wärme erzeugen und eine außergewöhnliche Kühlung erfordern, um eine thermische Drosselung zu vermeiden.
Es gibt handelsübliche Kühlkörper zum Kühlen der meisten gängigen Chipgrößen. Einige Kühlkörper sind speziell dafür ausgelegt, die thermische Belastung eines bestimmten Chips oder Geräts optimal zu bewältigen. Lernen Sie noch heute Wärmemanagement-Kühlkörper von Boyd Corporation, Wärmemanagement-Kühlkörper von Advanced Thermal Solutions und Wärmemanagement-Kühlkörper von Same Sky (formerly CUI Devices) kennen.
