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Erkenntnisse für den allgemeinen Einsatz III
Kleine Ursache, große Wirkung
Heatpipe als eingeschränktes Hilfsmittel
Ein praktisches Hilfsmittel
um die zusätzliche Dimension eines Kühlkörpers besser nutzbar zu machen ist die Heatpipe. Sie überwindet diese regressive
Erscheinung eines großen Kühlkörpers und befördert die Abwärme schnell an die entlegenen Stellen des Kühlers. So dass diese
als zusätzliche Wärmequellen fungieren können. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Fläche der Wärmequelle wächst,
wobei gleichzeitig die zu überwindende Distanz reduziert wird. Gut umgesetzt kann dies sogar eine Vervielfachung der
Kühlleistung bewirken. Das sorgt dafür, dass praktisch überall wo die Heatpipe einsetzt, ein größerer Temperaturunterschied
besteht, was eine gute Kühlleistung bedingt.
Doch sinnvoll sind Heatpipes nur unter bestimmten Umständen. So z.B. auf größerer
Distanz. Desto größer die Distanz, desto größer die Wärmequelle für den Kühler und desto effektiver die Kühlleistung.
Entsprechend gilt aber auch der Umkehrschluss, dass eine kleine Heatpipe weniger effizient ist. Dies kann sich in extremen
Situationen sogar zu einem Nachteil entwickeln, wenn die Heatpipe überfordert wird. Bedingt wird dies durch zwei Umstände.
Zum einen durch eine zu hohe Abwärme und zum anderen durch eine zu geringe Abstrahlfläche des Kühlers. Beides sorgt dafür,
dass die Heatpipe überhitzt und damit eine Wärmestau provoziert. Tritt dieser Fall ein, dann nimmt die
Heatpipe effektiv keine weitere Abwärme auf. Wie sollte sie auch, dass eingeschlossene Gas besitzt im
besten Fall eine 1000-mal schlechtere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer und würde nun wie eine optimale Wärmedämmung fungieren.
Konventionelle Kühler ohne Heatpipe, also praktisch das rohe Metall, würde mit einer steigenden Abwärme auch mehr Wärme
abführen. Selbst wenn die Hitze
so gewaltig ist, dass das Metall sich verflüssigt, würde der Wärmestrom mit steigender Temperatur noch weiter zunehmen,
bis dann schließlich das Metall verdampft. Heatpipes sind nicht so zuverlässig. Für sie gilt eine optimale Betriebstemperatur
die stark eingeschränkt ist. Nicht zu kalt und nicht zu heiß soll es sein. Nur in diesem Rahmen funktioniert die Heatpipe
wie gewünscht. Die gute Nachricht ist aber, dass für unsere Verhältnisse dieser Spielraum dann
doch sehr groß ist und dass das Limit nach oben hin sehr weit reicht. In der PC-Technik ist es fast schon
ausgeschlossen, dass es erreicht wird. Zumindest bei Chipsatz-Kühlern besteht kaum diese Gefahr.
Die Effizienz von Heatpipes ist nicht einheitlich festgeschrieben. Sie ist abhängig
von mehreren Faktoren:
Das verwendete Metall: Gängig sind Aluminium und Kupfer, wobei Kupfer wegen seiner höheren Wärmeleitfähigkeit zu bevorzugen ist.
Die Trägersubstanz: Klassischerweise kommen Gase oder Flüssigkeiten zum Einsatz. Letztere müssen verdampfen, um wirkungsvoll zu sein. Dabei
helfen auch die vorherrschenden Druckverhältnisse.
Der Innendruck: Typischerweise kommt ein Unterdruck zum Tragen, der die Verdampfungstemperatur einer Trägersubstanz herabsetzt. Wodurch
die Wirkung einer Heatpipe schon sehr früh einsetzen kann. Durch das Verdampfen steigt der Druck wieder an. Je wärmer das Gas,
desto höher der Druck. Und je höher der Druck, desto besser die Wärmeleitfähigkeit des Gases.
Die Länge und der Durchmesser: Je länger und größer die Heatpipe, desto schneller der Abtransport der Abwärme. Gleichzeitig steigt auch die Fläche für die Abgabe und
Aufnahme der Wärme.
Die innere Beschaffenheit: Eine rauhe Inneseite erhöht ebenfalls die Auf- und Abgabefläche
Die äussere Beschaffenheit: Eine gute Anbindung an die tatsächliche Kühler-Oberfläche ist entscheidet, um die Wärme schnell an die umgebende Luft abzuführen. (qualitative Verarbeitung)
Kühlung: Aktiv vs. Passiv
Wie schon zuvor zu lesen war, ist ein
großer Wärmeunterschied am Kühler für seine Effektivität relevant. Da sich die Luft mit ihrer schlechten
Wärmeleitfähigkeit isolierend auswirkt, kann der Kühler nur noch auf die Konvektion vertrauen. Diese arbeitet aber sehr
träge, so dass die direkt umgebende Luft – die den Kühler umgibt – nur wenig kühler ist, als der Kühlkörper selbst. Zwar
wirken in einem passiven System noch andere Komponenten, die mittels Konvektion zu einer gemeinsamen Luftbewegung
verschmelzen, doch effektiv kann dies nicht als Vorteil, sondern als Nachteil gewertet werden. Denn gerät der Kühlkörper
ins Zentrum dieser erwärmten Luft, dann sinkt der Temperaturunterschied noch weiter und die Kühlleistung verschlechtert
sich.
Es ist daher kaum erstaunlich dass selbst ein kleiner oder langsamer Lüfter zu
besseren Resultaten führen kann. Er versorgt den Kühler nicht nur mit frischer und somit kühlerer Umgebungstemperatur,
sondern beschleunigt auch noch die Konvektion. Obwohl die Lufttemperatur nicht absinkt, wirkt sich dieser Luftstrom wie
eine allgemein niedrigere Umgebungstemperatur aus. Das steigert wiederum den Temperaturunterschied und der Wärmestrom
arbeitet dann auch bei niedrigeren Temperaturen mit gleichem Durchsatz. Hinzu kommen noch Verwirbelungen und der
Anpressdruck auf der Oberfläche des Kühlkörpers, dass wiederum alle zuvor genannten Eigenschaften verstärkt. Sehr
wahrscheinlich finden sich in der Strömungslehre noch weitere
Gesetzmäßigkeiten, die beweisen, dass ein Lüfter die Kühlleistung eines Kühlkörpres fördert. Doch allein schon aus
praktischer Erfahrung wird niemand die kühlverstärkende Eigenschaft eines Lüfters bestreiten wollen. Somit ist und
bleibt ein Lüfter das A und O eines jeden Kühlers.
10.12.07 [zk]
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