Hitzefrei für alle
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die Theorie
Für die Wärme-Abführung in einem PC stehen drei Prinzipien zur Verfügung: Wärmeleitung (Konduktion), Wärmeströmung (Konvektion) und Wärmestrahlung. Die Wärmeleitung beschreibt den Wärmefluss innerhalb eines Stoffes, zum Beispiel eines Kühlkörpers.Wichtig sind Materialien mit einer guten Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und Aluminium. Eine Alternative sind effizientere „Heatpipes“.
Die Wärmeströmung basiert auf dem Prinzip, die Wärme-Energie eines Körpers über eine Grenzfläche an das umgebende Medium – in der Regel Luft – abzugeben. Die Luft wird dann zusammen mit der aufgenommenen Wärme abtransportiert. Für die abgegebene Wärmeleistung bei der Konvektion gilt folgende Gleichung:
Φ = A • (T – TUmgebung) • α
Der Wärmestrom Φ in Watt ist proportional zur Kühlkörper-Oberflache, der Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und umgebender Luft und dem Wärme-Übergangskoeffizient α. Bei einer freien Konvektion liegt der Wert für α bei etwa 20, kann mit einem Lüfter (erzwungene Konvektion) aber auf bis zu 100 erhöht werden. Der Verzicht auf einen Lüfter reduziert die Konvektion deutlich. Eine größere Wärme-Abführung ist dann nur mit einer größeren Grenzfläche zu realisieren. Dies spiegelt sich in der Rippenstruktur von Kühlkörpern wider. Lüfterlose IPCs haben deshalb sehr große gerippte Kühlkörper, die den geringen Wärme-Übergangskoeffizienten kompensieren sollen.
Bei der Wärmestrahlung wird die Wärme in Form von elektromagnetischer Strahlung im Infrarot-Bereich abgegeben. Hier gilt die Gleichung:
Φ = A • (T4 – T4 Umgebung) • ε • σ
ε ist der Emissionskoeffizient der strahlenden Fläche, und σ ist die „Stefan-Boltzmann-Konstante“. Die Wärmestrahlung hängt neben der strahlenden Fläche überproportional – in der vierten Potenz – von der Temperaturdifferenz zwischen Körper und Umgebung an. Allerdings sind die Temperatur-Unterschiede bei der Kühlung eines Industrie-PC relativ gering, weshalb die Wärmestrahlung nur mit 10% bis maximal 30% zum Wärmetransport beitragen kann. Neben einer Vergrößerung der strahlenden Fläche durch Kühlrippen lässt sich die Wärmestrahlung durch eine höhere Emissionsfähigkeit der Oberfläche verbessern: Bei blankem Metall liegt ε bei etwa 0,1 bei dunklen Flächen bei 0,9; ideal schwarz: 1,0. Deshalb sind Kühlkörper meist matt schwarz lackiert.
