Die Sache mit Kühlkörpern – Was ist entscheidend?

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Eigentlich ganz einfach – Die Wirkungsweise eines Kühlkörpers

Angeregt durch die kürzliche Teilnahme eines Vortrags zum Thema Kühlkörper, möchte ich hier eine Zusammenfassung geben und dabei in ganz bewährter praxisnaher Form die Zusammenhänge darstellen.
Was kennzeichnet einen guten Kühlkörper? Ist eine große Oberfläche wichtig, oder muss er schwarz sein? Welche Rolle spielt die Form oder gar das Gewicht?  Welche Lösungen sind sinnig, bzw. welche unsinnig?
Der Vortrag war derart anschaulich, dass ich die folgende Aussage wage: 50% der Billig-LED-Lampen glänzen mit futuristischen Kühlkörper-Konstruktionen ohne brauchbare Wirkung!

Grundsätzlich gilt: Der Kühlkörper hat die Aufgabe die Verlustwärme der z.B. LED möglichst gut an die Umgebung abzugeben, um so die Betriebstemperatur des Bauteils niedrig zu halten. Für die Dimensionierung und Berechnung geben Hersteller von Kühlkörpern den jeweiligen Wärmewiderstand in Kelvin/Watt (K/W) an.
Darf die LED am Gehäuse bspw. nicht wärmer als 80°C werden und die max. Umgebungstemperatur liegt bei 50°C, so benötigt es bei einer angenommenen LED-Verlustleistung von 2W einen Kühlkörper mit diesen Daten: (80-50)K/2W= 15K/W.

Dieser Wärmewiderstand wird bestimmt durch drei Arten der Wärmeübertragung: Konduktion, Konvektion und Radiation.

Jeder dieser drei Arten gilt es eigens zu beachten.

Konduktion:

Damit ist die eigentliche Wärmeübertragung in festen Materialen gemeint. Alu und Kupfer sind hervorragend Wärmeleiter. Bei ausreichender Materialdicke sind Temperaturunterschiede auch auf langen Wegen kaum feststellbar. Man spricht hier von Wärmespreizung. Durch entsprechenden Materialeinsatz wird die Wärme von der LED oder COB auf einen größeren Bereich verteilt. Dies ist meist mit einem sehr geringen und häufig fast vernachlässigbaren Wärmewiderstand möglich. Insbesondere Leiterplatten mit Alu-Kern zeigen die Eigenschaft, die Wärme auch seitlich zu verteilen (zu spreizen). Wohin gehend Leiterplatten mit z.B. FR4 Material die Wärme erst über die Anhäufung von vielen Durchkontaktierungen „vertikal“ von der LED auf den darunterliegenden Kühlkörper leiten müssen.

Ist die Wärmeenergie nun gut verteilt, sind die Voraussetzungen für den ersten wichtigen Entwärmungsvorgang durch Konvektion gegeben.

Konvektion:

Allgemein bekannt ist die Tatsache, dass vorbeiströmende Luft kühlt. Wir Menschen genießen bei heißem Wetter eine leichte Brise welche auch einen Kühlkörper abkühlt.

Konvektion eines Kühlkörpers
Konvektion eines Kühlkörpers

Voraussetzung jedoch ist Luftströmung, welche z.B. bei Einbau in ein geschlossenes Gehäuse kaum gegeben ist – da hilft auch der beste Lüfter nicht. Doch Luftströmung funktioniert auch ohne Lüfter, allerdings abhängig von Bauform und Einbaulage. Diese sollte möglichst so gestaltet sein, dass eine Kaminwirkung entsteht. D.h. es wird ein Temperaturunterschied, z.B. entlang von Kühlrippen von innen nach außen, benötigt. Jeder der schon mal ein Kaminfeuer entfacht hat, kennt das. Zu Beginn bei schwacher Flamme „zieht“ der Kamin noch nicht wirklich. Es qualmt vor sich hin. Erst wenn das Feuer gut brennt entsteht ein „Sog“, eine Luftströmung.
Achtung: Ein stark überdimensionierter Kühlkörper ermöglicht ggf. keine eigenentstehende Konvektion, da der dafür notwendige Temperaturunterschied um eine Luftströmung in Bewegung zu setzten einfach zu hoch ist.

Große Oberflächen an denen die Luft vorbeistreichen kann, sind von Vorteil.

Unnütz sind meist innenliegende Oberflächen, welche durch die äußeren Kühlrippen bereits vor Luftbewegung geschützt sind. Stellen Sie sich hierzu eine dichtstehende Menschenmenge mit 10-20 Person vor, die im Wind steht. Nur die äußeren Personen spüren den Wind. Ähnliche Konstruktionen gibt es viel bei Kühlkörpern. Hierbei könnten die inneren Elemente meist ohne Nachteil entfernt werden.

alternative Formen eines Kühlkörpers
Großer Durchmesser mit kurzen Elementen sind ungünstig für gute Konvektion (inks).
Bessere Wirkung mit lang und schmal erzielt (bei vertikaler Einbauweise)

Und Achtung: Die Datenblattangabe der Hersteller beschreibt meist den Wert der wirkungsvollsten Einbaulage. Nur um wenige Grad gedrehte Montage verschlechtert bereits die „Kaminwirkung“ und somit den Anteil der Konvektion erheblich.

Gut, dass es noch eine weitere Wirkungsweise eines Kühlkörpers gibt, nämlich die der Radiation.

Radiation:

Eine heiße Herdplatte strahlt Wärme ab. Den physikalisch umgekehrten Weg kennt man bei einem sonnenbestrahlten Auto. Hier ist in erster Linie die Oberfläche des Autos relevant. Allgemein ist bekannt, dass sich weiße Autos weniger aufwärmen als schwarze. Diesen umgekehrten Weg der Absorption von Energie nennt man Radiation. Es sind die gleichen physikalischen Eigenschaften einer Oberfläche, die bestimmen, wie gut Wärme abgestrahlt oder aufgenommen wird.

Relevant ist jedoch nicht die Farbe des Materials bzw. Oberfläche, denn diese wird nur durch unser Auge beschrieben. Wärmestrahlung findet im Infrarotbereich statt. Also bei Wellenlängen im Bereich von ca. 800nm. D.h. ein weißer Kühlkörper kann bei richtiger Wahl der Oberfläche gleich gute Eigenschaften aufweisen, wie ein, in unseren Augen, schwarzer Kühlkörper.

Wichtig für eine gute Radiation ist, dass die Abstrahlung frei und ungehindert stattfinden kann. Eng aneinander sitzende Kühlrippen behindern sich gegenseitig.

Auf was ist also zu achten?

  • Gutes, wärmeleitendes und ausreichendes Material von der Wärmequelle zu den Kühlrippen
  • Kühlrippen möglichst für wirkungsvolle Luftströmung optimiert.
  • Große Oberflächen nach Aussen für ungehinderte Abstrahlung der Wärme in den Raum.

Weniger attraktiv sind diese Lösungen:

  • Bei Unverhältnismäßigkeit von Materialeinsatz zu Größe der Kühlrippen
  • Mit Kühlrippen, welche Lamellen ähneln. (vgl. Auto Luftfilter)
  • Mit Blechartige Kühlrippen
Kühlkörper mit kurzen RippenKühlkörper ohne WärmespreizungKühlkörper mit dünnen Rippen
  • Übertrieben gute Konduktion (Wärmespreizung)
  • Zu kurze Kühlrippen
  • –> Schlechte Konvektion
  • –> Schlechte Radiation
  • Keine Wärmespreizung
  • Zulange und zu dünne Wärmepfade
    –> Schleche Konduktion
  • Zu eng –> Keine Radiation
  • Dünne Rippen –>  Schlechte Konduktion
  • Rippen zu eng –> Schlechte Konvektion und Radiation.
  • Keine Kaminwerk möglich

Interessant war auch die Tatsache, dass Kühlkörper hergestellt über Strangpressen einen niederen und somit besseren Wärmewiderstand haben, als welche über Druckguss-Herstellung. Grund dafür ist die jeweilig erforderliche Zusammensetzung des Materials.

Quelle: Vielen Dank an die Fa. MechaTronix (Hersteller von Kühlkörpern) für die Bereitstellung des Bildmaterials.

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http://www.all-electronics.de/das-richtige-kuehlkoerperdesign/
http://www.elektronikpraxis.vogel.de/waermemanagement/articles/511125/

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2 Gedanken zu “Die Sache mit Kühlkörpern – Was ist entscheidend?”

  1. Danke für die Blumen.
    Ja es ist immer leichter Beispiel zu finden, wie es nicht sein soll. Doch wie es wirklich aussehen sollte, würde ein Buch füllen. Es gibt endlos viele Anwendungen mit unterschiedlichen Gegebenheiten. Gerne können wir konkrete Fälle besprechen und versuchen die beschriebenen Ansätze dann auf die Herausforderung anzuwenden. Das Ergebnis wäre dann sicherlich wieder ein spannender Blogbeitrag. vg, TR

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