Physikalische Größen einmal ausführlich erklärt	Berichte/Tipps und Tricks

Wärme, Wärmeabfuhr von Kühlern

So seltsam es klingen mag, für eine Diskussion der Wärmeabfuhr von Kühlkörpern möchten wir mit dem altbekannten elektrischen Strom und Spannung beginnen. Dass eine CPU mit elektrischem Strom, Pardon Energie, versorgt wird, dürfte sich ja herumgesprochen haben. Mit einer Betriebsspannung von etwa 1,7 Volt und 35 Ampere ergibt sich eine Leistung von etwa P = U * I = 60 Watt. Leistung ist aber nichts anderes als Energie pro Zeit, da Wärme eine Form der Energie ist, und da elektrische Widerstände stets elektrische Energie in Wärmeenergie umsetzen, können wir davon ausgehen, dass eine CPU mit 60 Watt gut warm werden kann. Haben Sie schon einmal an eine 60 Watt Glühlampe gefasst? Da es nicht Sinn einer CPU ist, solche Temperaturen zu erreichen um das Gehäuseinnere in ein angenehmes Licht zu tauchen, muss eine effiziente Kühlung her. Weiterhin können Sie der Formel P = U * I direkt entnehmen, dass ein Vergrößern von U zwecks Übertakten auch eine größere Leistungsaufnahme nach sich zieht. Dieser höhere Energiebedarf äußert sich nicht nur in mehr Performance sondern auch in mehr Wärme, die zusätzlich abgeführt werden muss...

Um Wärme zu transportieren gibt es letztendlich drei Möglichkeiten: Wärmeströmungen (z.B. die Luftströmung einer Heizung, auch Konvektion genannt), Wärmestrahlung (Ahhh, Sonne mach mich braun!) und ..... jawohl... Wärmeleitung. So etwas machen die Kühlkörper, neben der Form - möglichst große Oberfläche um die Wärme an die Luft abzugeben - spielt hier auch das Material eine Rolle. Jedes Material hat eine eigene, spezielle Wärmeleitzahl, je höher deren Wert, um so besser wird Wärme(energie) transportiert. 

Letztendlich gibt die Wärmeleitzahl diejenige Menge an Energie (=Wärme) an, die pro Zeit und pro Meter und pro Grad Temperaturunterschied übertragen werden kann. Damit ist klar, dass das beste Material für einen High-End Kühler Silber ist. Dicht gefolgt von Kupfer und mit etwas Abstand Gold. Aber wer will da dann noch einen Kühler aus Gold haben? Wenn teuer, dann aber auch richtig: Diamant hat eine Wärmeleitfähigkeit von 20 W/cm K, allerdings ist diese Form des Kohlenstoffs nicht chemisch stabil - bei zu hohen Temperaturen können Sie mit dem entstandenen Grafit prima Strom leiten... (Für Eigenversuche übernehmen wir keine Haftung). Also kein Diamant. Auch kein Silber, auch zu teuer, ein guter Kühler sollte also aus Kupfer gefertigt sein.

Interessant ist jedoch die Wärmeleitpaste: Obwohl hochwertige Pasten zu über 80% aus Silber bestehen, liegt die Wärmeleitfähigkeit bei etwa einem 50igstel! Im Metall wird die Wärme hauptsächlich durch die freien Elektronen transportiert. Daher sind gute elektrische Leiter oft auch recht gute thermische Leiter. Im Falle der Pasten dürften die zusätzlichen Mischstoffe für den drastischen Abfall verantwortlich sein. Immerhin muss die Paste ja quasi "flüssig" sein... 

Letztendlich werben viele Kühlerhersteller und -verkäufer mit solchen Zahlen, um eine Kaufentscheidung herbeizuführen bringen diese Zahlen doch recht wenig Nutzen! Richtig vergleichbar werden Kühler damit ja nicht. Hier sollte der "Wärmewiderstand" betrachtet werden. Um diese für einen Kühler abzuschätzen, wird die durch den Kühler verursachte Temperaturdifferenz durch die Leistung des Prozessors geteilt. Korrekterweise müsste auch die Wärmeentwicklung des Lüfters mit einbezogen werden, diese ist jedoch mit wenigen Watt vernachlässigbar klein. Gute Kühler erreichen Widerstandswerte von 0,66 K/W. Anschaulich bedeutet das, dass für jedes zusätzliche Watt der CPU eine Temperaturerhöhung von 0,66 K bzw. Grad Celsius stattfindet. Je kleiner dieser Wert ist, um so besser. Diese Betrachtungsweise gilt jedoch nicht mehr für niedrige CPU Temperaturen (etwa Umgebungstemperatur) oder bei zu hohen Temperaturen.

Physikalische Größen Teil 3