2.1 Die Investition

Aug 7th, 2010 by Stefan Fassbinder

Die Alternative bestand aus einem Netzteil, das ganz ohne Lüfter auskommt. Wie ist das möglich, wenn konventionelle Modelle dermaßen beblasen werden müssen? Da in der Elektrotechnik in aller Regel der Einsatz mehr aktiven Materials zu einer besseren Effizienz führt, kommen nur zwei Maßnahmen in Frage, die beide voll ausgeschöpft werden müssen:

Mehr Aluminium: Die Oberflächen der Kühlkörper müssen bedeutend vergrößert werden, um mit natürlicher Konvektion eine hinreichende Wärme-Übergabe an die Umgebungsluft zu erreichen, auch wenn und obwohl die Wirkung durch die enge Einbausituation des Netzteils im PC die Wärmeabfuhr zusätzlich behindert.

Mehr Kupfer: Die Leiterquerschnitte insbesondere in den Wicklungen der leistungselektronischen Wandler müssen bedeutend vergrößert werden, um die Verlustleistung zu minimieren, denn nur Wärme, die gar nicht erst entsteht, muss auch nicht abgeführt werden.

Nun muss ein solches Netzteil aber die Normmaße einhalten, um austauschkompatibel zu sein, und ein konventionelles Netzteil ist schon ziemlich voll gepackt (Bild 2). Da ist so viel Raum zur Vergrößerung der kühlenden Oberfläche nicht vorhanden. Einigen Platz gewinnt man dadurch, dass der große Lüfter entfallen kann.

Bild 7: Voll im Trend: Kühlkörper aus Kupfer – denn hier entscheidet eher der Wert als der Preis

Im industriellen Bereich, z. B. auf Fachmessen wie der alljährlich Ende Mai bis Anfang Juni in Nürnberg stattfindenden PCIM, lässt sich eine Tendenz zum Einsatz von Kupfer statt Aluminium für Kühlkörper beobachten. Auf den ersten Blick erscheint das unsinnig, denn obwohl die thermische ebenso wie die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ≈ 50% größer ist als die des Aluminiums, ist doch weniger der Wärmefluss innerhalb des Werkstoffs, als vielmehr der Wärmeübergang an die Luft der Engpass. Der Wärmeübergangskoeffizient ist schlecht, und die Wärmekapazität von Luft ist auf das Volumen bezogen gering. Der Querschnitt der Luftkanäle muss daher um ein Vielfaches größer ausgelegt sein als der der Kühlrippen (Bild 7), und die Leistungsfähigkeit eines Kühlkörpers steht und fällt mit seiner Oberfläche und der Strömungs-Geschwindigkeit der Luft, weniger mit der inneren Wärmeleitfähigkeit. Deswegen lässt sich die Wärmeleistung auch durch Zwangsbelüftung vervielfachen, bzw. die Oberfläche lässt sich hierdurch auf einen Bruchteil reduzieren. Da selbst aus Aluminium gefertigte Kühlkörper schon ziemlich teuer sind, von Kupfer ganz zu schweigen, kann ein Lüfter im Preis für das gesamte Kühlsystem niedriger liegen als ein größerer Kühlkörper. Was das für die Kosten bedeutet, wenn der Lüfter stehen bleibt und in der Folge der ganze Rechner nachher beim Kunden den Dienst einstellt, steht auf einem anderen Blatt, nicht auf dem Preisschild (man sollte »Kostenschilder« an deren Stelle einführen – das wäre einmal eine sinnvolle EU-Verordnung).

Bild 8: In tragbaren Notebook-PCs werden heute trotz des höheren Gewichts und der erheblich höheren Materialkosten überwiegend Kühlkörper aus Kupfer eingesetzt, um etwas Volumen einzusparen

Und doch setzt sich der Kühlkörper aus Kupfer immer weiter durch, auch ganz ohne EU-Verordnung. Dies ist auf den Trend zur Miniaturisierung zurück zu führen, denn der Übergang von Aluminium auf Kupfer ermöglicht, wenn schon nicht mehr als das, so doch immerhin eine der höheren Wärmeleitfähigkeit entsprechende Verringerung der Materialstärke (Bild 7). Selbst wenn die Auswirkungen auf die Größe des gesamten Kühlkörpers nur gering sind, werden die höheren Kosten und das größere Gewicht jetzt auch in Produkten für das Büro und für den privaten Endkunden zusehends häufiger in Kauf genommen. Etwa in tragbaren Notebook-PCs werden heute überwiegend Kühlkörper aus Kupfer eingesetzt (Bild 8), obwohl hier neben dem Volumen auch das Gewicht eine kritische Größe darstellt und von dem im Kilogramm teureren Kupfer zwar an Volumen etwas weniger, aber an Masse deutlich mehr benötigt wird.

Bild 9: Konventionelles, angeblich »superleises« PC-Netzteil (420 W) mit »hohem Wirkungsgrad«

Tabelle 1: Gegenüberstellung von Masse und Leistung für das konventionelle und das lüfterlose Netzteil

Nichtsdestoweniger kommt das hier betrachtete PC-Netzteil ohne Lüfter und mit Kühlkörpern aus Aluminium zurecht. Trotz niedrigerer Nennleistung bringt es sogar etwas mehr Gewicht auf die Waage als das konventionelle Netzteil (Bild 9). In Tabelle 1 findet sich ein Vergleich der Material-Intensität. Es zeigt sich, dass in das lautlose Netzteil (Bild 10) 41% mehr Material pro Watt Nennleistung eingebaut wurden, um zum vollkommen lautlosen Betrieb zu gelangen.