Was ist ein Kühlkörper, und wie funktioniert er?

Wenn Sie schon einmal einen Blick in das Innere eines Computers geworfen haben, sind Ihnen bestimmt diese seltsam aussehenden Metallstücke aufgefallen. Diese Teile werden "Kühlkörper" genannt Ohne sie wären unsere Computer deutlich weniger leistungsfähig. Aber was genau ist ein Kühlkörper, und wie funktioniert er?

Was ist ein Kühlkörper?

Ein Kühlkörper ist ein Metallstück, das auf einem wärmeerzeugenden Computerteil angebracht ist. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Wärme von der Komponente, an der er befestigt ist, wegzuleiten und sie an die Umgebungsluft abzugeben. Kühlkörper können dies erreichen, weil sie über eine große thermische Masse verfügen, d. h. die Eigenschaft eines Materials, Wärme zu absorbieren und zu speichern.

Sie finden Kühlkörper auf allen wichtigen Komponenten wie Ihrer CPU, Grafikkarte und einigen Teilen des Motherboards. Kühlkörper sind ein optionaler Bestandteil einiger Komponenten wie RAM und M.2 NVMe-Laufwerke, wo sie die Leistung und Stabilität leicht verbessern, indem sie diese Komponenten kühler halten. Da diese Speichergeräte jedoch von vornherein nicht viel Wärme erzeugen, sind Kühlkörper nicht wirklich notwendig. Günstige RAM-Module verzichten oft auf Kühlkörper und geben die Einsparungen an Sie weiter.

Kühlkörper sind für CPUs, Grafikkarten und Hauptplatinen unerlässlich. Ohne Kühlkörper würde Ihr Computer nicht richtig funktionieren. Wenn Sie z. B. versuchen, einen Computer ohne CPU-Kühler zu betreiben, wird er überhitzen und in wenigen Sekunden abgeschaltet. Er könnte sogar durchbrennen und dauerhaft nicht mehr funktionieren; er ist einfach nicht dafür ausgelegt, ohne eine Art Kühlkörper zu funktionieren.

Eine CPU verfügt über Milliarden von winzigen Transistoren, die den Elektronenfluss manipulieren, um das Verhalten elektrischer Signale zu steuern, und dabei eine Menge Wärme erzeugen. Noch schlimmer ist, dass sich die Wärme in einem winzigen Bereich, dem CPU-Die (dem Kern des Prozessors), konzentriert. Wenn die Wärme nirgendwo hingehen kann, z. B. zum Kühlkörper, überhitzt die CPU und schaltet sich ab.

Eine Hauptplatine muss einen Kühlkörper auf dem Chipsatz haben, um die Gesamtstabilität des Systems zu gewährleisten - so gut wie jede moderne Hauptplatine hat einen Chipsatz-Kühlkörper. Viele Hauptplatinen haben auch Kühlkörper an den Spannungsreglermodulen (VRMs) und M.2 NVMe. Grafikkarten beherbergen eine GPU, VRAM (Speicher) und VRMs. Diese Komponenten werden gemeinsam von einem einzigen Kühlkörper abgedeckt, der oft von einem oder mehreren Lüftern begleitet wird.

Unabhängig von der Komponente und dem Typ haben alle Kühlkörper denselben Zweck, nämlich die Wärme von der Komponente abzuleiten und über eine größere Fläche zu verteilen. Kühlkörper verbessern die Lebensdauer, Leistung und Stabilität der Komponenten, auf denen sie angebracht sind, erheblich.

Arten von Kühlkörpern

Kühlkörper gibt es in allen möglichen Formen, Größen, Materialien und Ausführungen. Die einfachsten Kühlkörper sind flache, relativ dünne Metallstücke. Sie werden oft auf RAM-Modulen verwendet, um eine bessere Wärmeableitung als bei einem reinen RAM-Modul zu gewährleisten. Der gängigste Typ sind jedoch Lamellenkühlkörper, die dünne Rippen haben, die wie Reihen aussehen. Das Metallquadrat rechts in der folgenden Abbildung ist ein Beispiel für einen einfachen Kühlkörper mit Lamellen auf einem Motherboard-Chip.

Diese Art von Design vergrößert die Oberfläche des Kühlkörpers, was die Wärmeableitung erheblich verbessert. Sie finden Lamellenkühlkörper auf Ihrer CPU, Grafikkarte und Teilen des Motherboards. Bei Komponenten, die viel Wärme abgeben, werden Kühlkörper in der Regel von einem Lüfter begleitet, der die Wärmeableitung unterstützt

Kühlkörper mit Lüfter werden in der Regel als "aktive Kühlung" bezeichnet, solche ohne Lüfter als "passive Kühlung" Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, sind aktive Kühllösungen wesentlich effektiver, nehmen aber auch mehr Platz in Anspruch und sind daher in der Regel für CPUs und Grafikkarten reserviert. Einige Hauptplatinen, wie das Asus ROG X570 Crosshair VIII Hero, verwenden eine aktive Kühlung für den Chipsatz, um eine etwas bessere Stabilität zu erreichen, aber das ist eine Overkill-Lösung für Enthusiasten.

Wie Kühlkörper funktionieren

Alle Kühlkörper funktionieren nach demselben Prinzip: Eine Komponente erwärmt sich, die Wärme wird mit Hilfe eines Thermal Interface Materials (TIM) auf den Kühlkörper übertragen und allmählich über den Kühlkörper verteilt. Der Kühlkörper gibt die Wärme an die Umgebungsluft ab, entweder passiv oder mit Hilfe eines Lüfters. Alle diese Prozesse laufen gleichzeitig ab.

Die genaue Funktionsweise von Kühlkörpern ist jedoch etwas kompliziert. Einige Computerteile verwenden Dampfkammern anstelle von Kühlkörpern, oder sie sind integriert, um die Wärmeübertragung zwischen der heißen Komponente und dem Kühlkörper zu unterstützen. Bei Flüssigkeitskühlern wird eine Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet, um die Wärme von der Komponente abzuleiten. Zur besseren Veranschaulichung der Funktionsweise von Kühlkörpern nehmen wir das Beispiel eines typischen Aftermarket-CPU-Luftkühlers.

Wärmeübertragung von Ihrer CPU auf die Grundplatte

Ein Kühlkörper hat eine meist flache Oberfläche auf einer Seite, die mit der heißen Komponente, in diesem Fall der CPU, in Kontakt kommt. Wir nennen diesen Teil des Kühlers die Grundplatte. Die Wärme wird von der CPU mit Hilfe der Wärmeleitpaste oder, seltener, eines Wärmeleitpads auf den Kühlkörper übertragen. Die Erklärung, warum Wärme auf einen Kühlkörper übertragen wird, ist im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu finden, der besagt, dass sich Wärme von einem wärmeren zu einem kälteren Objekt bewegt.

Heatpipes leiten die Wärme an die Lamellen weiter

Aftermarket-CPU-Kühler verwenden häufig Heatpipes, um die Wärme schnell und effizient von der CPU wegzuleiten. Heatpipes bestehen in der Regel aus Kupfer oder Aluminium und enthalten eine Art Flüssigkeit. Die CPU erwärmt die Flüssigkeit im Inneren der Heatpipe, die dann verdampft und durch den Rest der Heatpipe wandert. Die Heatpipes stehen in direktem Kontakt mit den Kühlkörperlamellen, und die Wärme wird langsam auf diese übertragen.

Während dies geschieht, kondensiert der Dampf im Inneren der Heatpipe und wird wieder flüssig. Er sammelt sich an den Innenwänden des Wärmerohrs und sickert dank der Kapillarwirkung langsam zur Bodenplatte hinunter. Die Flüssigkeit ist nun wieder bereit, den Zyklus zu wiederholen. Billigere CPU-Kühler, wie z. B. die serienmäßigen AMD- und Intel-Kühler, haben keine Heatpipes zur Unterstützung der Wärmeübertragung. Stattdessen wird die Wärme langsam von der dicken Bodenplatte auf die Kühlrippen übertragen.

Lüfter blasen Luft ein, um die Lamellen und Heatpipes kühl zu halten

Je nach Konfiguration können Sie verschiedene Lüfterkonfigurationen verwenden, um eine optimale Kühlleistung zu erzielen. Bei einem Einzellüfter können Sie einen Abluftlüfter verwenden, der die heiße Luft vom Kühlkörper wegdrückt, oder einen Ansauglüfter, der die kühle Luft über die Kühlrippen drückt. Oder Sie können zwei Lüfter kombinieren, um eine hocheffektive Push-Pull-Konfiguration zu erhalten.

Faktoren, die die Effektivität des Kühlkörpers beeinflussen

Mehrere Faktoren können die Effizienz eines Kühlkörpers beeinflussen. Auch wenn ein 30-Dollar- und ein 60-Dollar-CPU-Kühler auf den ersten Blick ähnlich aussehen, kann es doch einige wesentliche Unterschiede im Design geben, die die Leistung beeinflussen. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die wichtigsten Faktoren, die die Leistung eines Kühlkörpers beeinflussen:

• Größe: Ein größerer Kühlkörper verfügt über mehr thermische Masse, so dass er mehr Wärme aufnehmen kann, bevor die CPU heiß werden kann. Außerdem hat er in der Regel eine größere Oberfläche, um die Wärmeableitung zu verbessern.
• Material: Kupfer hat im Verhältnis zu seinem Gewicht eine größere thermische Masse als Aluminium, was bedeutet, dass es mehr Wärme speichern kann, aber es ist auch ein teureres Material. Auch zwischen den verschiedenen Aluminiumlegierungen gibt es erhebliche Unterschiede in der thermischen Masse.
• Wärmerohre: Je mehr Wärmerohre und je größer sie sind, desto besser. Außerdem sind Kupfer-Heatpipes besser als Aluminium-Heatpipes.
• Lüfter: Die Qualität, Geschwindigkeit, Größe und Anzahl der Lüfter hat einen erheblichen Einfluss darauf, wie schnell der Kühlkörper abkühlen kann. Denken Sie daran, dass schnellere Lüfter auch lautere Lüfter bedeuten, achten Sie also lieber auf Größe und Qualität.
• Material der thermischen Schnittstelle: Je besser Ihr TIM ist, desto schneller kann es die Wärme von der CPU weg und auf den Kühlkörper übertragen. Dabei kann es sich um eine Wärmeleitpaste, Flüssigmetall oder ein Wärmeleitpad handeln. Besser wärmeleitende Materialien liefern bessere Ergebnisse. Denken Sie daran, dass die Qualität hier eine große Rolle spielt, daher ist es am besten, wenn Sie online nach Leistungsvergleichen suchen.
• Anpressdruck: Der Kühlkörper sollte fest gegen die CPU drücken, um Mikrospalte zwischen Kühlkörper und CPU zu minimieren. Vermeiden Sie jedoch zu starken Druck, da sonst der CPU-Deckel brechen könnte.
• Umgebungstemperatur: Die Temperatur im Gehäuse und im Raum beeinflusst die Temperatur des Kühlkörpers und damit auch der CPU erheblich.

Ohne Kühlkörper hätten unsere CPUs eine schlechte Leistung und müssten häufig ausgetauscht werden. Sie sind jedoch bei weitem nicht die einzige Methode zur Kühlung von PC-Teilen. Wenn Sie an einer alternativen Kühllösung interessiert sind, die mit Kältemitteln arbeitet, lesen Sie unseren Artikel über Peltier-Kühler.