Was ist ein Kühlkörper und wie funktioniert er? Die Antworten sind hier

Was ist ein Kühlkörper?

Zunächst einmal, was ist ein Kühlkörper? Bei einem sogenannten Heatsink handelt sich um einen passiven Wärmetauscher, der die von elektronischen oder mechanischen Geräten erzeugte Wärme an ein flüchtiges oder flüssiges Medium (in der Regel Luft oder ein flüssiges Kühlmittel) weiterleitet und dann vom Gerät ableitet, um die Temperatur des Geräts zu regulieren.

In Computern werden Kühlkörper zur Kühlung von CPUs, GPUs, bestimmten Chipsätzen und RAM-Modulen verwendet. Diese Kühlkörper werden in Hochleistungs-Halbleiterbauelementen (wie Leistungstransistoren) und optoelektronischen Bauelementen (wie Lasern und LEDs) verwendet, bei denen die Wärmeableitungskapazität der Komponente selbst nicht ausreicht, um ihre Temperatur zu regulieren.

Das Design des Kühlkörpers maximiert die Oberfläche, die mit dem umgebenden Kühlmedium (z. B. Luft) in Kontakt ist. Die Luftgeschwindigkeit, die Materialauswahl, das Design der Vorsprünge und die Oberflächenbehandlung sind Faktoren, welche die Leistung des Kühlkörpers beeinflussen.

Auch die Befestigungsmethode des Kühlkörpers und das Material der thermischen Schnittstelle wirken sich auf die Chiptemperatur des integrierten Schaltkreises aus. Wärmeleitkleber oder Wärmeleitfett können die Leistung des Kühlkörpers verbessern, indem sie den Luftspalt zwischen dem Kühlkörper und dem Wärmeverteiler auf dem Gerät füllen. Der Kühlkörper ist normalerweise aus Aluminium oder Kupfer gefertigt.

Kühlkörper übertragen die Wärmeenergie von den Hochtemperaturgeräten an das Niedertemperatur-Fluidmedium. Bei dem flüssigen Medium handelt es sich in der Regel um Luft, es kann aber auch Wasser, Kältemittel oder Öl sein. Handelt es sich bei dem flüssigen Medium um Wasser, wird die Wärmesenke gewöhnlich als Kühlplatte bezeichnet. In der Thermodynamik ist eine Wärmesenke ein Wärmespeicher, der Wärme absorbieren kann, ohne die Temperatur wesentlich zu verändern.

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Wie funktioniert e

Nachdem Sie einige Informationen über den Kühlkörper erhalten haben, möchten Sie vielleicht wissen, wie so etwas funktioniert. Eigentlich funktionieren fast alle Kühlkörper in vier grundlegenden Schritten:

1. Die Quelle erzeugt Wärme. Bei der Wärmequelle kann es sich um jedes System handeln, das Wärme erzeugt und wo die Wärme abgeführt werden muss, damit es ordnungsgemäß funktioniert, z. B. mechanisch, elektrisch, chemisch und so weiter.
2. Die Wärme wird von der Wärmequelle übertragen. Bei Anwendungen, die direkt mit dem Kühlkörper in Berührung kommen, gelangt die Wärme durch natürliche Leitung in den Kühlkörper und wird von der Wärmequelle abgeleitet. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kühlkörpers wirkt sich direkt auf diesen Prozess aus. Aus diesem Grund werden für die Konstruktion von Kühlkörpern in der Regel Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, wie z. B. Kupfer und Aluminium.
3. Die Wärme wird über den gesamten Kühlkörper verteilt. Die Wärme durchläuft den Kühlkörper auf natürliche Weise durch natürliche Wärmeleitung, die sich durch ein Wärmegefälle von einer Umgebung mit hoher Temperatur zu einer Umgebung mit niedriger Temperatur bewegt. Dies bedeutet letztlich, dass die Wärmeverteilung des Kühlkörpers ungleichmäßig ist. Auf diese Weise erwärmt sich der Kühlkörper in der Regel in der Nähe der Quelle und kühlt zum Ende des Kühlkörpers hin ab.
4. Die Wärme wird aus dem Kühlkörper abgeführt. Dieser Prozess hängt vom Temperaturgefälle und dem Arbeitsmedium des Kühlkörpers ab. Auch in dieser Phase ist der Temperaturgradient ausschlaggebend für die Wärmeabfuhr aus dem Kühlkörper. Wenn also die Umgebungstemperatur nicht kühler ist als die des Kühlkörpers, findet keine Konvektion und damit keine Wärmeabfuhr statt. Außerdem bietet die große Oberfläche einen größeren Bereich, in dem Wärmediffusion und Konvektion auftreten können.

Aktive Kühlkörper gegenüber Passive Kühlkörper

Passive Kühlkörper beruhen auf natürlicher Konvektion, was bedeutet, dass nur der Auftrieb der heißen Luft den Luftstrom über das Kühlkörpersystem erzeugt. Diese Systeme haben den Vorteil, dass sie keine sekundäre Stromversorgung oder ein Kontrollsystem brauchen, um die Wärme aus dem System abzuführen. Passive Kühlkörper sind jedoch nicht so effizient bei der Ableitung von Wärme aus dem System wie aktive Kühlkörper.

Aktive Kühlkörper verwenden forcierte Luft, um den Flüssigkeitsstrom durch Bereiche mit hohen Temperaturen zu erhöhen. Solch eine forcierte Luft wird normalerweise durch die Bewegung eines Ventilators, eines Gebläses oder sogar des gesamten Objekts erzeugt. Ein Beispiel für ein Gebläse, das forcierte Luft auf einem Kühlkörper erzeugt, ist, wenn der Computer heiß wird und sich der Lüfter im PC einschaltet.

Das Gebläse drückt Luft durch den Kühlkörper, wodurch mehr nicht erhitzte Luft über die Oberfläche des Kühlkörpers strömt, wodurch der Gesamt-Wärmegradient des gesamten Kühlkörpersystems erhöht wird und mehr Wärme aus dem gesamten System entweichen kann.