Luftkühlung und Kühlkörper

Die Luftkühltechnik ist nicht stehen geblieben. Inzwischen gibt es immer mehr Gehäuse, die mit 120mm-Lüftern ausgerüstet werden können. Lüftersteuerungen sind erschwinglich und in vielen Varianten zu haben. Nachdem bei CPU-Kühlern schon lange der Kampf um geringste Lautstärke bei höchster Leistung tobt, gibt es inzwischen auch für die gängigen Hochleistungs-Grafikkarten leise Luftkühler. Zusammen mit einer Schwingungsdämpfung für die großen Gehäusewände kann man also auch mit Luftkühlung ein leises System bauen. Die niedrigen Temperaturen einer Wasserkühlung erreicht man damit zwar nicht, dies ist aber auch nicht unbedingt nötig. Ausreichend ist es deutlich unter der maximalen Betriebstemperatur zu bleiben.

Lüftermaße

Die gänigsten Lüftergrößen im PC-Bereich sind (in mm)

40x40 60x60 80x80 120x120 und auch 160x160

Je nach angegebener Leistung sind diese mit 3 pin Stecker oder auch als 12v molex Stecker zu haben.

 

Kühlkörper

Anwendungen

Kühlkörper finden Verwendung in der Leistungs-Elektronik und in Computern, vor allem zur Kühlung von Leistungshalbleitern z.B. in Elektrolokomotiven, in Endstufen von HiFi-Verstärkern, in Netzteilen, für Peltier-Elemente in Kühltaschen, oder auch für Prozessoren.

Dimensionierung

Art und Größe des Kühlkörpers ist abhängig von der weiterzuleitenden Wärmeleistung, der Kontaktfläche zwischen Wärmeerzeuger und Kühlkörper, der Temperaturdifferenz und der Luftströmung (natürliche Konvektion oder Ventilator).

passive Kühlkörper

Ein passiver Kühlkörper wirkt vorrangig durch Konvektion: Die Umgebungsluft wird erwärmt, wird spezifisch leichter und steigt damit auf, wodurch kühlere Luft nachströmt. Bei der passiven Kühlung und höheren Temperaturen spielt auch die Wärmestrahlung eine Rolle, weshalb die Oberfläche von Kühlkörpern im Elektronikbereich oft eloxiert werden. Dadurch erhöht sich im relevanten Wellenlängenbereich (um 10µm) der Emissionsgrad auf nahe eins. Eine Schwarzfärbung der Eloxalschicht hat dagegen keinen Einfluss auf die Wärmeabstrahlung.
Das am häufigsten für passive Kühlkörper verwendete Material ist Aluminium.
Gründe sind:

* geringer Materialpreis
* leichte Verarbeitung (Strangpress-Profile)
* geringe Dichte
* hohe Wärmekapazität
* befriedigende Wärmeleitfähigkeit

Kupfer hat zwar eine höhere Wärmeleitfähigkeit, ist jedoch schwerer, teurer und schwierig zu bearbeiten. Es kommt daher vorwiegend für aktive Kühler zur Anwendung.

aktive Kühlkörper

Ein aktiver Kühlkörper besitzt einen Lüfter, der durch einen (Elektro-)Motor angetrieben wird, und immer einen Luftstrom liefert. Um den Leistungsbedarf und die Geräuschbildung zu mindern, können diese Lüfter mit einer temperaturabhängigen Drehzahlregelung ausgerüstet sein. Kühlkörper mit Zwangskühlung erreichen bei gleichem Materialaufwand etwa bis zur sechsfachen Leistung eines Passivkühlers und können daher sehr kompakt gebaut werden. Nachteile sind der Lärm, außerdem die Überhitzungsgefahr durch Verstauben, Verschmutzungen oder Lüfterausfall. Deshalb werden solche Aggregate häufig mit Überwachungsschaltungen für die Lüfterdrehzahl, den Luftstrom oder die Temperatur ausgestattet. Aktivkühler weisen oft eine sehr viel feinere Verrippung als passive Kühler auf und sind wegen des hohen Strömungswiderstands für reine Konvektionskühlung meist nicht geeignet.

Heatpipes

Insbesondere bei engen Platzverhältnissen werden Heatpipes eingesetzt, um die Wärme zunächst fortzuleiten. Am "kalten" Ende der Heatpipe befindet sich dann der eigentliche Kühlkörper bzw. Wärmetauscher.
Das Heatpipe-Prinzip wird in Notebooks und sehr kompakten Leistungselektronik-Baugruppen eingesetzt, zunehmend auch zur Kühlung von Baugruppen wie Grafikkarten, Chipsätzen und natürlich Prozessoren in leistungshungrigen Personalcomputern.
Ein weiteres Einsatzgebiet sind Satelliten und Raumfahrt, da hier keine Luft zur Wärmeabfuhr vorhanden ist.

Wärmeleitpaste

Die bei der Montage verbleibenden Unebenheiten der Oberflächen führen zu Lufteinschlüssen, die - wegen der vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit der Luft - zu so genannten Wärmenestern führen. Zum Ausgleich dieser Unebenheiten und um eine bessere Wärmeleitfähigkeit an der Übergangsstelle vom wärmeentwickelnden Bauteil zum Kühlkörper herzustellen, wird vor Montage meist spezielle Wärmeleitpaste aufgetragen oder Wärmeleitpads verwendet. Ist eine isolierte Montage (galvanische Trennung) erforderlich, kommen Scheiben aus Glimmer, Keramik (Al2O3, BeO), Silikongummi oder speziellem Kunststoff Polyimid ("Kapton" ®) zum Einsatz. Letztere können ihrerseits wachsbeschichtet sein, sodass bei erster Erwärmung eine innige Verbindung durch das schmelzende Wachs entsteht.