Ratgeber

Kühlkörper zur Vermeidung von Überhitzung

Viele elektronische Bauteile erzeugen während des Betriebs eine nicht zu unterschätzende Abwärme. Damit es zu keinen Schäden durch Überhitzung kommt, werden Kühlkörper eingesetzt. Wie eine darauf basierende Kühlung funktioniert und worauf Sie bei der Anschaffung von Kühlkörpern achten sollten, erfahren Sie in unserem Ratgeber.



Was ist ein Kühlkörper und wofür wird er benötigt?

Leistungsstarke Halbleiter-Bauelemente haben gewöhnlich nur sehr geringe Abmessungen, erzeugen aber dennoch eine gewisse Abwärme. Auch besonders leistungsstarke LEDs benötigen eine zusätzliche Kühlung. Aufgrund der kleinen Oberfläche ist in vielen Fällen selbst ein kontinuierlicher Luftstrom nicht ausreichend, um die Abwärme zu senken oder abzuführen. Aus diesem Grund setzt man Kühlkörper ein. 

Mit ihren Rippen oder Verästelungen sorgen sie für eine Vergrößerung der Oberfläche und geben die aufgenommene Wärme darüber an die Umgebungsluft ab. 

Damit ein Profilkühlkörper möglichst effektiv arbeitet, kommt dem Material, aus dem er gefertigt wird, eine besondere Bedeutung zu. Wichtig ist, dass das verwendete Metall eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die meisten Kühlkörper bestehen daher aus Aluminium oder Kupfer.


Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ (Lambda) von Aluminium liegt bei 234, während der von Kupfer 398 beträgt. Noch bessere Wärmeleiter sind nur Silber (429 λ) und Diamant (2300 λ). Ein Einsatz als Kühlkörper ist allerdings schon aufgrund des Materialpreises nicht einmal ansatzweise wirtschaftlich. 

Aluminium und Kupfer haben beide spezielle Vorteile: Während Aluminium eine sehr gute Wärmeabgabe an die Umgebung bietet, weist Kupfer eine deutlich bessere Wärmeaufnahme und Wärmeleitfähigkeit auf. In unserem Sortiment finden Sie eine große Auswahl an verschiedenen Kühlkörpern und Kühllamellen für eine Vielzahl verschiedener Anwendungsbereiche.



Welche Bauarten von Kühlkörpern gibt es?

Passiver Kühlkörper

Eine einfachste Bauform stellt der passive Kühlkörper dar. Hier wird die Abwärme ohne zusätzlichen Lüfter an die Umgebung abgegeben. Aufgrund der guten Wärmeabgabe eignet sich Aluminium besonders gut für Kühlkörper dieser Bauart. 

Damit ein Alu-Kühlkörper sein volles Potenzial ausschöpfen kann, ist es wichtig, dass das Gehäuse, in dem sich das elektronische Bauteil befindet, über eine ausreichende Belüftung verfügt. Diese lässt sich entweder durch eine Zwangsbelüftung mit einem oder mehreren Lüftern oder über mithilfe des natürlichen Kamineffekts realisieren. Je höher die benötigte Wärmeabfuhr ist, desto größer muss die Oberfläche des Aluminium-Kühlkörpers in Form von Kühl-Rippen oder Verästelungen sein.


Aktiver Kühlkörper

Ein aktiver Kühlkörper wird von einem Lüfter unterstützt, der meist direkt auf den Kühlkörper geklemmt wird. Vergleicht man einen passiven Profilkühlkörper mit einem aktiven Modell der selben Größe, wird der aktive Kühler immer eine höhere thermische Verlustleistung abführen können. Wegen der guten Wärmeaufnahme bietet sich Kupfer für einen aktiven Profilkühlkörper an. 

Bei besonders anspruchsvollen Kühllösungen kann statt eines Lüfters auch eine Flüssigkeit als Kühlmedium verwendet werden. In diesem Fall ist der Kühlkörper innen hohl und wird von der Kühlflüssigkeit durchströmt. Eine Pumpe sorgt dafür, dass das Medium im Kühlkreislauf stetig zirkuliert. Am Kühlkörper wird die Wärme von der Flüssigkeit aufgenommen und an einen Wärmetauscher weitergeleitet. Dort erfolgt die Abgabe der Wärme an die Umgebungsluft.


Heatpipes

Die Effizienz eines Kühlkörpers lässt sich mit sogenannten Heatpipes steigern. Dabei handelt es sich um häufig U-förmig gebogene Röhren aus Kupfer, in denen sich eine Flüssigkeit befindet. 

Die vom zu kühlenden Objekt abgegebene Wärme bringt die Flüssigkeit zum Verdampfen. Der Dampf steigt nach oben an das kühle Ende der Heatpipe, wo er kondensiert. 

Während dieses Vorgangs wird die Wärme abgegeben. Anschließend sinkt die Flüssigkeit wieder nach unten und der Vorgang beginnt erneut.

1 = Zugeführte Wärme

2 = Flüssigkeit

3 = Aufsteigende Gase

4 = Wärmeabfuhr

5 = Kondensierte Flüssigkeit fließt zurück

 



Verschiedene Montagearten von Kühlkörpern

Kühlkörper können auf verschiedene Weise montiert werden. Alu-Aufsteck-Kühlkörper beispielsweise werden einfach auf ein Bauteil gesteckt. Meist ist ein Teil des Kühlerprofils federnd und hält so ohne weitere Hilfsmittel

Kleine Aluminium-Kühlkörper werden häufig direkt mit einem speziellen Wärmeleitkleber auf die Oberflächen der zu kühlenden Bauteile geklebt. Eine Demontage ist dann meist nur noch schwer möglichGrößere Profilkühlkörper montiert man dagegen entweder mit einer Klemmvorrichtung oder mit Schrauben

Bei der Installation ist zudem wichtig, dass sich zwischen dem Kühlkörper und der Oberfläche des Bauteils immer Wärmeleitkleber, ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste befindet. Dadurch wird ein optimaler Wärmeübergang zum Aluminium-Kühlkörper erreicht, zudem können kleine Unebenheiten der Oberfläche ausgeglichen werden. Ohne Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste sinkt die zur Verfügung stehende Kühlleistung drastisch. Das passende Zubehör finden Sie in unserem Produktprogramm.



Worauf sollte ich beim Kauf von Kühlkörpern achten?

Beim Kauf von Kühlkörpern gilt es darauf zu achten, dass die zur Verfügung stehende Kühlleistung für den vorgesehenen Zweck ausreichend ist. Die thermische Leistung eines Kühlkörpers hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Materials sowie von der Größe der Oberfläche ab. Der Wärmeleitfähigkeit wird immer mit Rth angegeben. 

Um den passenden Kühlkörper zu finden, müssen die zu erwartende Abwärme und die maximal zulässige Temperatur des zu kühlenden Objekts bekannt sein. Zudem sollte in der Berechnung, speziell bei passiven Kühlkörpern, unbedingt auch die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. 

Ebenfalls wichtig sind die Abmessungen des Kühlkörpers. Häufig sind die Platzverhältnisse sehr beengt, daher müssen Durchmesser und Höhe exakt abgestimmt sein.



Unser Praxistipp: Auf ausreichende Luftzirkulation achten!

Damit die in einem elektrischen Gerät entstandene Abwärme zuverlässig abgeführt werden kann, dürfen Lüftungsschlitze nicht verdeckt werden. Besonders wenn eine passive Kühlung besteht, ist es wichtig, dass rund um das Gerät ausreichend Platz ist, damit der natürliche Kamineffekt nicht behindert und eine Überhitzung vermieden wird.



Häufig gestellte Fragen zu Kühlkörpern

Ich habe keinen Platz für einen Kühler, der ausreichend Abwärme abführen kann. Was tun?

Ein solches Szenario entsteht häufig bei Notebooks. Sie haben in einem solchen Fall die Möglichkeit, die Wärme mit passend gebogenen Heatpipes von der Wärmequelle wegzuleiten und an einen Kühlkörper zu führen, der weiter entfernt liegt. 

Worauf muss ich bei der Montage eines Kühlkörpers achten?

Neben dem Auftragen von Wärmeleitpaste oder der Verwendung eines Wärmeleitpads ist vor allem bei größeren Kühlkörpern ein ausreichend starker Anpressdruck wichtig, um einen optimalen Wärmeübergang gewährleisten zu können.

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