Der Kühlkörper ist ein wesentlicher Bestandteil elektronischer Geräte. Er entfernt die Wärme von den elektrischen Komponenten, indem er sie in die umgebende Luft abgibt. So verhindern Kühlkörper das Überhitzen von Komponenten, die zu Ausfällen oder Zerstörungen führen können.
In der Regel aus Metallen mit hohen Wärmeableitungskoeffizienten, wie Aluminium oder Kupfer, hergestellt, verbessern Kühlkörper die Stabilität und Haltbarkeit von Geräten, indem sie deren Betriebstemperaturen regulieren. Sie werden in CPUs, Leistungstransistoren und anderen Hochleistungselektroniksystemen eingesetzt, bei denen die Wärmeableitung entscheidend ist.
Was ist ein Kühlkörper?
Ein Kühlkörper ist ein metallisches Objekt, das auf einem Chip, wie z.B. einem CPU, platziert wird und seine Hauptfunktion besteht darin, Wärme zu bewältigen. Er funktioniert, indem er die Wärme vom Bauteil aufnimmt und sie durch Metallrippen abkühlt, die den Chip kühlen. Ein Kühlkörper ist ein passives Gerät; es hat keine beweglichen Teile. Es wird jedoch oft mit einem Lüfter verwendet, der heiße Luft in die entgegengesetzte Richtung bläst. Darüber hinaus kann er in ein Flüssigkeitskühlungssystem integriert werden, das die Wärme durch Rohre an einen anderen Ort transportiert.
Anwendungen von Kühlkörpern in der Elektronik
Einige der häufigsten Verwendungen von Kühlkörpern sind wie folgt:
- Leistungsverstärker: In Leistungsverstärkern werden Kühler eingesetzt, um die Temperatur der Transistoren zu senken. Sie helfen, die Wärme abzuleiten und verhindern, dass die Transistoren durch Wärme beschädigt oder beeinflusst werden, wodurch ihre Stabilität gewährleistet wird.
- CPUs In Computern werden Kühlkörper verwendet, um CPUs und Grafikkarten abzukühlen. Diese Komponenten erzeugen beim Ausführen verschiedener Verarbeitungsaufgaben viel Wärme, und Kühlkörper sind nützlich, um diese Wärme schnell abzuleiten, um die Leistung der Hardware zu vermeiden oder sie sogar zu beschädigen.
- Optoelektronik: Einige Geräte, wie LEDs und Laser, benötigen Kühlkörper, um die übermäßige Wärme zu verwalten, die sie erzeugen. Wenn sie nicht ausreichend gekühlt werden, können diese Komponenten überhitzen, was ihre Effizienz und Wirksamkeit definitiv verringern wird. Kühlkörper ermöglichen die Temperaturkontrolle und ermöglichen es den Geräten, langfristig wie erwartet zu funktionieren.
Toleranzen des Kühlkörpers
| Faktor | Typische Toleranz |
| Dimensionaltoleranz | ±0.1 mm to ± 0.5 mm |
| Ebenheit | ± 0.05 mm to ± 0.1 mm over 100 mm |
| Rechtwinkligkeit | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Parallelität | ± 0.1 mm per 100 mm |
| Oberflächenfinish (Ra) | 1.6 µm to 3.2 µm |
| Lochposition | ± 0,1 mm |
| Finnenstärke | ± 0,1 mm |
| Finnenabstand | ± 0,1 mm |
| Wärmeleitfähigkeit | ± 5% |
| Gewichtstoleranz | ± 5% |
Arten von Kühlkörpern erklärt
Kühlkörper sind in der Regel optimal für elektronische Geräte, um Wärme zu steuern und abzugeben. Sie gibt es in verschiedenen Kategorien, abhängig von Faktoren wie dem Fluss, dem Material und der Ausrichtung der Lamellen. Hier sind die beiden Hauptkategorien:
Aktive Kühlkörper
Aktive Kühlkörper gelten als sehr effizient. Sie sind direkt mit der Stromquelle des Geräts verbunden und nutzen die Technik der erzwungenen Konvektion, bei der Luft oder eine Flüssigkeit über die heißen Komponenten zirkuliert, um den Wärmetransfer zu erleichtern.
Aktive Kühlkörper werden normalerweise in GPUs und CPUs eingesetzt, bei denen die Wärmeabfuhr kritisch ist. Einige Designs integrieren auch Flüssigkeitskühlungssysteme, um ihre Kühlsysteme zu verbessern. Die Lüfter werden in der Regel an der Seite oder oben am Kühlkörper montiert und sind am Kühlprozess beteiligt.
Passive Kühlkörper
Passive Kühlkörper verlassen sich in der Regel auf Konvektionsströme, um Wärme vom Bauteil abzuleiten. Im Gegensatz zu aktiven Kühlkörpern benötigen sie keine zusätzliche Energie oder Teile wie Lüfter, um zu arbeiten. Sie hängen von den Konvektionsströmen ab, die um das Gerät erzeugt werden, um den Kühlprozess der erzeugten Wärme zu unterstützen. Während aktive Kühlkörper besser beim Kühlen sind, sind passive Kühlkörper günstiger und benötigen keine elektrische Energie, um zu funktionieren.
Darüber hinaus werden diese Kühlkörper normalerweise in Geräten eingesetzt, die keine hohe Wärmeableitung erfordern, wie Mikrocontroller, Mikroprozessoren und Chipsätze. Aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit werden passive Kühlkörper in kosten- und leistungsempfindlichen Anwendungen eingesetzt.
Die Wahl zwischen einem aktiver und passiver Kühlkörper ist ein wichtiger Faktor bei der Gerätekonstruktion. Aufgrund der Kühlgebläse benötigen aktive Kühlkörper keine große Oberfläche zur Wärmeabgabe. Im Gegensatz dazu benötigen passive Kühlkörper mehr Oberfläche, um Wärme abzustrahlen, da es keine Möglichkeit gibt, Luft durch den Kühlkörper zu zwingen, außer durch Konvektion.
Kühlkörper bestehen hauptsächlich aus Aluminium oder Kupfer, wenn elektronische Komponenten gekühlt werden. Unten ist die Verteilung jedes Materials:
Kupfer
Kupfer wird für Kühlkörper bevorzugt, da es eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, die ungefähr doppelt so hoch ist wie die von Aluminium und zwischen 200 und 400 W/m-K liegt. Diese hohe Leitfähigkeit macht Kupfer zum besten Wärmeleiter auf die bestmögliche Weise. Kupfer ist jedoch viel schwerer und teurer als Aluminium. Außerdem ist es weniger flexibel und formbar, sodass es nicht in die gewünschte Form und Gestalt gebracht werden kann.
Aluminium
Aluminium wird für Wärmeableiterprodukte verwendet, weil es im Vergleich zu anderen verfügbaren Metallen leicht und erschwinglich ist. Seine hohe Wärmeleitfähigkeit, etwa die Hälfte von Kupfer, bedeutet jedoch, dass es nicht für den Wärmeübertrag genutzt werden kann. Aluminium ist leicht zu verarbeiten, leicht und kann in dünne, aber ausreichend starke Bleche hergestellt werden. Der Wärmeübertragungskoeffizient hängt jedoch von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab.
Design-Tipps für Wärmeableiter
Das Design des Wärmeableiters ist einer der kritischsten Schritte, die abgeschlossen werden müssen, um eine ordnungsgemäße Wärmeableitung in der Elektronik zu gewährleisten. Hier sind die wichtigsten Faktoren, die berücksichtigt werden sollten:
- Materialauswahl: Die Art des verwendeten Materials hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Kühlkörpers:
- Thermische Interfacematerialien (TIMs): TIMs setzen sich zwischen dem Kühlkörper und den Komponenten ein und besitzen eine relativ geringe Wärmebeständigkeit, um den Wärmeübergang zu verbessern. Materialien wie Mica werden verwendet, da sie bessere Leiter als Luft sind.
- Wärmeableitermaterialien Aluminium und Kupfer sind die bevorzugten Materialien für Kühlkörper. Aluminium wird aufgrund seiner niedrigen Kosten, geringen Dichte und Formbarkeit gewählt, während Kupfer eine bessere Wärmeübertragung bietet und korrosionsbeständig ist. Wenn diese Metalle kombiniert werden, entsteht einer der besten Kühlkörper, ein Material zur Wärmeableitung.
Die Materialien, die im Kühlkörper verwendet werden, können Wärme übertragen, was die Zuverlässigkeit der Gerätekomponenten verringern würde, die anfällig für Hitzeschäden sind.
Techniken, die bei der Herstellung von Kühlkörpern verwendet werden.
Normalerweise gibt es drei Hauptfertigungsmethoden, die üblicherweise zur Herstellung von Aluminium-Kühlkörpern verwendet werden:
CNC-Bearbeitung ist eine fortschrittliche Fertigungstechnik, die Fräsen, Bohren, Schleifen und Drehen umfasst. Diese Methode bietet Flexibilität, da man Teile mit bestimmten Designeigenschaften bis hin zu minimaler Toleranz von +/- 0,005'' entwickeln kann. CNC-Bearbeitung eignet sich besonders gut für die Herstellung von Kühlkörpern mit komplexen und komplizierten Formen. Diese genau entwickelten Kühlkörper sind ideal für Anwendungen, bei denen eine hohe Wärmeableitung und eine komplexe Struktur erforderlich sind. Allerdings macht die Genauigkeit und Präzision der CNC-Bearbeitung sie teurer als andere Schneidverfahren.
Extrusion
Extrusionsmethoden beinhalten das Zwingen des Materials, wie Aluminiumlegierungen, durch eine geformte Öffnung oder Matrize, um ein gewünschtes Querschnittsprofil zu erreichen. Die Extrusion bietet Erschwinglichkeit und Effektivität bei der Herstellung von Kühlern. Der Extrusionsprozess eignet sich besonders gut zur Herstellung spezifischer Kühlkörper, da er leicht Aluminiumlegierungen wie 6063 mit hoher Wärmeleitfähigkeit formen kann. Ein Nachteil der Extrusionsmethode ist jedoch die maximale Breite der Kühlkörper, die entwickelt werden können, was die Größe des Kühlkörpers begrenzen kann.
Druckguss
Die Druckgussverfahren beinhalten das Einlegen einer Aluminiumlegierung in einen Ofen, das Schmelzen und das Pressen in eine Form unter Druck. Diese Methode ist im Design sehr flexibel, bietet gute thermische Eigenschaften und ist relativ kostengünstig für die Massenproduktion. Thermische Güsse eignen sich hervorragend für Dicke und auf natürlicher Konvektion basierende Systeme oder Anwendungen. Der Druckgussprozess eignet sich besonders gut zur Herstellung dünner, starker und komplexer Geometrien von Kühlkörpern und wird häufig zur Herstellung komplexer Kühlkörperstrukturen verwendet.
Kühlkörperstrukturen
Lassen Sie uns die Strukturen von Kühlkörpern untersuchen, indem wir drei verschiedene Typen betrachten: Einige Typen von Kühlkörpern umfassen Kaltplatten, Pin-Fin-Kühlkörper und Platten-Fin-Kühlkörper.
Kaltplatten
In der heutigen Welt benötigen die meisten elektronischen Geräte ausgeklügelte Kühlsysteme, um die thermischen Herausforderungen von Hochleistungsschaltungen zu bewältigen. Kaltplatten, einschließlich flüssiger, werden in Hochleistungslasern, Brennstoffzellen, Batteriesystemen, Motorsteuerungen, medizinischen Geräten usw. eingesetzt. Diese Kühlsysteme kühlen ein bestimmtes Bauteil, indem sie Wärme von diesem Bauteil auf ein zirkulierendes Fluid übertragen. Dieses Medium überträgt die Wärme an einen entfernten Wärmetauscher, wo die Wärme an die Atmosphäre oder an eine andere Flüssigkeit in einem zweiten Kühlsystem abgegeben wird.
Pin-Fin-Kühlkörper
Pin-Fin-Kühlkörper können durch ein Extrusionsdesign beschrieben werden, bei dem ein Cluster von Pins bereitgestellt wird. Diese Pins, die zylindrisch, elliptisch oder quadratisch im Querschnitt sein können, ragen von einem zentralen Hub auf oder heraus. Obwohl die Herstellungskosten von Pin-Fin-Kühlkörpern relativ niedrig sind, sind sie weniger effektiv als andere Kühlkörper. Pin-Fin-Kühlkörper haben eine geringere Wärmeabfuhrkapazität als andere Kühlkörper und werden daher weniger häufig angewendet als zum Beispiel Lamellenkühlkörper.
Platten-Fin-Kühlkörper
Platten-Fin-Kühlkörper bestehen aus geraden Finnen, die erheblich zur Erhöhung der Oberfläche des Kühlkörpers beitragen. Sie verbessern die Wärmeabfuhr. Ihre Struktur ermöglicht es, die Wärme effizient vom Bauteil abzuleiten, was sie zu einem effizienten Kühlsystem macht. Die Fertigungsmethoden von Platten-Fin-Kühlkörpern sind vielfältig, und diese Kühlkörper können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Sie werden häufig auf der Außenseite von Gehäusen und Abdeckungen mechanischer Geräte angewendet und sind eine der einfachsten und effektivsten Kühlmethoden. Sie erzeugen keinen Lärm und benötigen nur minimale Energiequellen.
Schlussfolgerung
Das Design des Kühlkörpers ist entscheidend für die Effizienz und Lebensdauer elektronischer Geräte. Ein gutes Kühlkörperdesign kann die Wärmeabfuhr erheblich verbessern und die Wärmeeffekte auf die Bauteile reduzieren. Daher ist es wichtig, zwischen den verschiedenen Arten von Kühlkörpern und ihren zugehörigen Designparametern zu unterscheiden, um eine effektive Kühlungslösung zu entwickeln.
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