Wärmeableitung

Die thermische Belastung von elektronischen Bauelementen, Baugruppen und Geräten erhöht deren Ausfallrate. Je geringer die Temperatur ist, desto geringer ist die Ausfallrate. Es gibt Untersuchungen nach denen die Ausfallrate bei der Halbierung der Betriebstemperatur um den Faktor 5 bis 10 sinkt. Daher spielt die Wärmeableitung für die Ausfallsicherheit eine entscheidende Rolle.

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CPU-Kühlkörper mit Axial-Lüfter, Foto: Mercateo

Es gibt verschiedene Methoden um die Wärme von Bauteilen und Platinen abzuleiten. Dazu gehört die Konvektion, das ist die Ableitung der Oberflächenwärme der Bauteile in die Luft oder in Flüssigkeiten. Man unterscheidet dabei zwischen natürlicher und erzwungener Konvektion. Bei der natürlichen Konvektion erwärmt sich die Luft über dem Bauteil und steigt in die Höhe. Dadurch entsteht ein Luftstrom. Bei der erzwungenen Konvektion erzeugt ein Lüfter einen Luftstrom, der die Wärme von dem Bauteil abführt.

Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen Materialien

Eine andere Methode der Wärmeableitung ist die Wärmeleitung. Dabei durchfließt der Wärmestrom ein Material, dessen Wärmeleitfähigkeit (Lambda) entscheidend ist für die Wärmeableitung. Die Wärmeleitfähigkeit ist der Kehrwert des Wärmewiderstands und wird in W/mK angegeben und sagt aus welcher Wärmestrom in Watt (W) durch einen Würfel von einem Meter (m) Kantenlänge fließt, wenn der Temperatur-Unterschied auf beiden Seiten des Würfels ein Kelvin (K) beträgt. Kupfer und Aluminium haben nach Diamant die höchsten Wärmeleitwerte, weswegen sie häufig Kühlkörpern eingesetzt werden.

Strangkühlkörper, Foto: Westfalia.de

Die Wärmestrahlung ist ein weiteres Prinzip der Wärmeableitung. Danach strahlen warme Körper Wärmestrahlen ab, kalte Körper absorbieren die Wärmestrahlen. Die Wärmestrahlen sind in ihren Eigenschaften vergleichbar dem sichtbaren Licht, sie können emittiert, reflektiert und absorbiert werden. Wichtig für die Wärmeemission und -absorption ist die Oberflächenbeschaffenheit der Materialien. Besonders hohe Emissions- und Absorptionseigenschaften haben mattschwarze Oberflächen, weswegen Kühlkörper entsprechend lackiert oder oxydiert sind.