Effizientes Wärmemanagement mit Heatpipes

Heatpipes sind 2-Phasen-Wärmeleiter, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation transportieren, wodurch sie sehr effizient über längere Strecken Wärme abführen können.

Eine Heatpipe (deutsch: Wärmerohr) ist ein 2Phasen-Wärmeleiter in Form eines hermetisch abgeschlossenen, röhrenförmig Metallkörpers, der Wärme auch über längere Strecken mit geringem Verlust leitet. Bekannt sind die langen Metallröhrchen vor allem aus Prozessor-Kühlern, wo sie die Wärme von der Bodenplatte zu den Lamellen eines Kühlkörpers transportieren. Das geschieht, indem die Wärme an einem Ende der Heatpipe (Verdampfer) aufgenommen und am anderen Ende (Kondensor) an die Umgebung abgegeben wird. Für den Transport im quasi adiabatischen Teil wird latente Wärme genutzt, also Verdampfung bzw. Rekondensation. Vakuum in Innern des Rohrs setzt die Verdampfungstemperatur herab.

Eine Heatpipe besteht aus drei Bestandteilen: Einem dünnwandigen Rohr, einer Einlage namens Wick und einer Dampfkammer. Diese ist mit einem Arbeitsmedium gefüllt – je nach Arbeitstemperaturbereich flüssig oder gasförmig. Erhitzt sich die Heatpipe an einem Ende, verdampft der flüssige Teil des Arbeitsmediums. Es entsteht ein Druckgefälle, das den Dampf an das andere – kühle – Ende der Heatpipe transportiert. Dort kondensiert er und gibt die Wärme von Innen an die Wand ab. Von dort wird die Wärme an eine Wärmesenke bzw. die Umgebung abgegeben. Das Arbeitsmedium ist nun wieder flüssig und fließt durch Schwerkraft und Kapillarkräfte wieder zum warmen Ende der Heatpipe zurück. Dort beginnt der Kreislauf von vorne.

Dadurch, dass sich sowohl die dampfförmige als auch die flüssige Phase des Arbeitsmediums innerhalb der Heatpipe befinden und damit im geschlossenen Volumen, entsteht ein Nassdampfgebiet. Die Temperaturunterschiede entlang der Heatpipe sind deshalb sehr gering (quasi isotherm), sodass nur ein geringer Wärmewiderstand (delta T) besteht. Eine Heatpipe kann Wärme daher mit sehr geringem Verlust über längere Strecken transportieren.

Das Rohr selbst besteht in der Regel aus einem gut wärmeleitenden Material, wie zum Beispiel hochreines Kupfer. Ausschlaggebend für die Funktionsweise sind jedoch vor allem das Wick sowie das Arbeitsmedium, auf die im Folgenden genauer eingegangen wird.

Wie oben beschrieben befindet sich innerhalb einer Heatpipe zum einen das Wick, zum anderen das Arbeitsmedium, durch dessen Verdampfen erst die Funktion der Heatpipe hergestellt wird. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Heatpipe sind beide Elemente:

Das wärmeleitende Wick dient dazu, Kapillarkräfte zu erzeugen. Diese sind notwendig, damit das Arbeitsmedium nach der Kondensation wieder an das sich erhitzende Ende der Heatpipe zurückgeführt wird. Die Lage der Heatpipe im Betrieb hat Einfluss auf die Art und das Design der Innenstruktur der Heatpipe. Bei gegen die Schwerkraft arbeitenden Heatpipes besteht das Wick in der Regel aus gesinterten Kupferpartikeln oder einem feinmaschingen Kupfergeflecht (Mesh). Generell gilt: Umso feiner die Struktur ist, desto größer müssen die Kapillarkräfte sein. Für waagerechte Heatpipes eignen sich auch einfache Längsrillen (Grooves).

Für die Funktion der Heatpipes ist das verwendete Arbeitsmedium essenziell. Es sollte über eine große Oberflächenspannung und Verdampfungsenthalpie verfügen, gleichzeitig aber eine möglichst geringe Viskosität aufweisen. Bei HALA arbeiten wir mit Heatpipes in der Regel mit Wasser als Arbeitsmedium, dessen Verdampfungsenthalpie mit 40,66 kJ/mol sehr hoch ist. Bei Tieftemperaturanwendungen wird Ammoniak verwendet, das über eine sehr hohe Verdampfungsenthalpie von 23,35 kJ/mol verfügt.

Neben röhrförmigen Heatpipes gibt es Flach-Heatpipes, genannt Vapor Chambers (Dampfkammern), kurz VC. Im Gegensatz zu röhrenförmig Heatpipes, werden die flachen Vapor Chambers nicht als Wärmetransporter eingesetzt, sondern als Wärmespreizer.

Eine Vapor Chamber arbeitet nach dem gleichen Wirkprinzip wie eine Heatpipe, nur in flach. Es handelt sich also nicht um ein röhrenförmiges Bauteil, sondern um ein flaches, das Wärme ebenfalls mittels Verdampfung ableitet. Daher wird sie häufig als Flach-Heatpipe genannt. Vapor Chambers können aber auch aus 2 Halbschalen aus Kupfer aufgebaut sein, die dicht verbunden sind und in deren Innern sich Sinter- und Sockelstrukturen befinden.

Da Vapor Chambers über eine sehr große Auflagefläche verfügen, spricht man von einem Wärmespreizer. Vapor Chambers werden zum Beispiel dazu verwendet, in Notebooks die Abwärme, die bei einem kleinen Chip als thermischer Hot Spot entsteht, gleichmäßig auf einen großflächigen Kühlkörper zu verteilen.

Die Funktionsweise der Vapor Chamber unterscheidet sich nur unwesentlich von der einer klassischen, röhrenförmigen Heatpipe. Der Hauptunterschied ist die größere Auflagefläche, die dafür sorgt, dass die VC mehr direkte Kontaktpunkte zu Hot Spot artigen Wärmequellen haben kann. So kann punktuell entstehende Wärme auf eine größere Fläche homogen verteilt werden, und der Kühlkörper ist ebenfalls über deutlich mehr Kontaktpunkte angebunden.

Beliebt sind Vapor Chambers für Anwendungen wie Laptops. Jahrelang wurde aus Kostengründen jedoch auch hier mit klassischen Heatpipes gearbeitet. Ob sich eine Vapor Chamber oder eine „klassische“ Heatpipe besser eignet, hängt neben der Anwendung auch heute noch maßgeblich von der benötigten Auflage ab.

Eine Zwischenlösung sind mehrere in einer Metallplatte aus Aluminium oder Kupfer eingebettete Heatpipes, die zusammen mit dem Metall eine wärmespreizende Oberfläche bilden.

Das Prinzip einer Heatpipe wurde oben schon erläutert: Sie ist ein sehr schneller geschlossener Wärmeleiter und kann Wärme mit sehr geringem Verlust über lange Strecken leiten. Damit das funktioniert, muss dafür gesorgt werden, dass sich am einen Ende der Heatpipe eine effiziente Wärmesenke befindet. Das ist in der Regel eine Kühleinrichtung in Form eines Kühlkörpers ohne oder aktiv mit Lüfter oder einer Wasserkühlung, der durch die Heatpipe mit der Wärmequelle verbunden wird.

Vereinfacht gesagt sind Heatpipes gekoppelte Kühlkörper also als kleines autarkes Wärmemanagementsystem, das in der Praxis um weitere Wärmemanagement Komponenten ergänzt wird, um eine optimale Anbindung zu erreichen.

Dank einer Vielzahl an Ausführungen sind Heatpipes in vielen Branchen verbreitet:

• Automobilbranche (z.B. LED-Scheinwerfer, Antriebsstrang,
• Batterien für E-Fahrzeuge, Infotainment, E-Mobilität)
• Industrietechnik (z.B. Industrienotebooks,
• Hochleistungscomputer und Prozessoren, Server, Grafikkarten,
• Gaming, IoT-Produkte, Kamerasysteme, Hochleistungs LED)
• Stromversorgung (z.B. Spannungswandler, Stromversorgungen)
• Consumer Electronics
• Verteidigung, Rüstung und Luft-, Raumfahrt

Hauptgrund für die weite Verbreitung von Heatpipes sind deren Variationsmöglichkeiten:
Die klassischen röhrenformigen Heatpipes können zum Beispiel gebogen werden, sodass Ecken und Kanten kein Problem darstellen. Sie können zudem mit eckigem oder abgeflachtem Querschnitt hergestellt und dadurch auch als Direktkontakt Heatpipe-Kühlkörper verwendet werden. Werden sie für Kleinanwendungen wie Smartphones, Handheld-Konsolen, Fernbedingungen oder Powerbanks in besonders kleinen Maßen gefertigt, spricht man von Nano-Heatpipes. Bei diesen Anwendungen wird allerdings auch immer häufiger auf hauchdünne Vapor Chambers von weniger als 0,5 mm Dicke zurückgegriffen. Bei komplexeren Systemen können Vapor Chambers und Heatpipes auch gekoppelt als Hybridlösungen realisiert werden, um die Kühlung zu dezentralisieren.

Ein spezielle Ausbildung sind zylinderförmige Heatpipes, sogenannte Heat Columns mit Sinterfüllung, die einen so großen Durchmesser haben, dass die Wärme in den Boden direkt eingebracht werden kann und der Kühlkörper um den Zylinder als Fin Stack oder Extrusionsbauteil verbunden ist. Durch ihr großes Volumen lassen sich Verlustleistungen weit über 100 Watt transportieren.

Ein Sonderfall sind Hochtemperatur-Heatpipes, die Hitze von bis zu 850 ° Celsius übertragen. Diese kommen zum Beispiel bei der Biomassevergasung oder Spritzgussanlangen zum Einsatz. Als Arbeitsmedium wird hier in der Regel Natrium verwendet.

Vorweg: Eine Heatpipe ist genau genommen kein Kühlsystem. Eine Heatpipe ist Teil eines Kühlsystems, wenn dafür gesorgt wird, dass sich am einen Ende der Heatpipe eine Wärmesenke befindet, an die die transportierte Wärme abgegeben werden kann. Ist das nicht der Fall, erhitzt sich das Rohr einfach nur und die Wärme wird nicht geleitet – sie kann dann schließlich nicht abgegeben werden. Die Heatpipe funktioniert also nur, wenn sie korrekt eingebaut wird und ist dann bestenfalls Teil eines Kühlsystems, nicht aber selbst eines.

Ein Kühlsystem – oder Wärmemanagementsystem, wie wir bei HALA es nennen – ist ein System, das darauf ausgelegt ist, die Überhitzung von Anwendungen zu verhindern, die meist elektronisch und/oder mechanisch arbeiten. Dazu wird die Abwärme, zum Beispiel mittels Heatpipes, vom Entstehungsort abgeleitet und einer Wärmesenke zugeführt. So bleibt die Leistungskomponente innerhalb der Betriebstemperatur und kann optimal arbeiten.
Bei der Verwendung von Heatpipes ist zu beachten, dass es sich dabei um geschlossene Systeme handelt. Die Einhaltung des angegebenen Temperaturbereichs ist daher essenziell – ansonsten kann es passieren, dass sich die Heatpipe durch den hohen Innendruck verformt. Runde Heatpipes sind formbedingt weniger temperatursensibel (bis über 200 °C) als unverstärkte flache Heatpipes oder Vapor Chambers (geometrieabhängig bis 110 °C). Damit die Heatpipe also ihren Effekt entfalten kann, muss sie zu den Gegebenheiten der jeweiligen Anwendung passen. Eine individuelle Design-To-Cost Ausrichtung auf die Anwendung verhindert auch, dass eine zu komplizierte Lösung verwendet und Geld verschwendet wird.

Zu den Heatpipes müssen in Kühlsystemen Gap-Filler oder Wärmeleitfolien, Wärmeleitpads oder Phase-Change-Material verwendet werden, um die Verlustwärme in den Verdampfer – der kritischere Übergang – und aus dem Kondensator bestmöglich zu leiten. Was im Einzelfall die beste Wahl für die Anwendung ist, hängt von einigen Faktoren ab, die wir im Folgenden aufführen.

Heatpipes finden Anwendung in der Automobilindustrie, der Industrieelektronik und in der Verteidigungs- sowie Luftfahrttechnik.

Wer Heatpipes kaufen möchte, findet online eine große Auswahl an verschiedenen Ausführungen: Am bekanntesten sind wohl die röhrenförmige Heatpipes mit rundem Querschnitt. HALA bietet individuelle Designs von Heatpipe Assemblies mit röhrenförmigen Heatpipes mit eckigem oder abgeflachtem Querschnitt sowie Flach-Heatpipes (Vapor Chambers, VC) oder Heat Colums an.
Um die passende Heatpipe für Ihre Anwendung zu finden, sollten Sie die folgenden Faktoren beachten:

1. zu transportierende Wärmeleistung und Art der Wärmquelle
2. Art der Wärmeabfuhr (Wärmesenke)
3. Kontakt mit der Leistungskomponente
4. Positionierung und Lage der Heatpipe

Dazu kommen natürlich noch die üblichen projektbezogenen Rahmenbedingungen wie Budgetvorgaben (Design-to-Cost), Herstellbarkeit (Design to Manufacture) und die Produktionsmenge Ihres Projekts.
Um unter Berücksichtigung aller Faktoren die optimale Wärmeleitlösung für Ihr Projekt zu finden, ist es essenziell, systematisch vorzugehen: Denn Wärmemanagement ist nicht mit einer Heatpipe abgehakt, sondern erfordert ein umfassendes System, in dem jedes Detail stimmt.
Daher lassen sich alle oben genannten Heatpipe Module individuell kombinieren. In unserem Sortiment finden Sie zudem Wärmeleitmaterialien zur entsprechenden Ergänzung, wie zum Beispiel Wärmeleitfolien für minimale Bond Lines, die den Kontakt optimieren.
Kontaktieren Sie uns am besten direkt – wir beraten Sie jederzeit kostenlos und ganz bequem online.

HALA bietet maßgeschneiderte Lösungen für das Wärmemanagement mit einer breiten Palette an Heatpipes und Vapor Chambers, die auf spezifische Anforderungen zugeschnitten sind.