Heatpipes machen Laptops, wie wir sie heute kennen, erst möglich - dabei wissen viele gar nicht, wie sie funktionieren

Querschnitt einer Heatpipe mit deutlich sichtbarem Kapillargeflecht. (Bild: Wikipedia)

Jeder, der oder die sich auch nur ein wenig mit der Hardware des eigenen Rechners beschäftigt, stößt eher früher als später auf den Begriff Heatpipe. Ihr findet sie etwa bei Grafikkarten, CPU-, Grafikkarten-Kühlern, Smartphones und natürlich in Notebooks. Doch was hat es mit einem solchen Wärmerohr eigentlich auf sich?

Die Heatpipe hat die Kühlung revolutioniert

Ein typisches Kühlsystem in einem Notebook.

Die Überschrift mag euch im ersten Moment übertrieben vorkommen, aber tatsächlich wären moderne Rechner ohne die unscheinbare Heatpipe nicht denkbar. Ohne Wärmerohr wäre die ganz klassische Kühlung ein Kühlkörper, der direkt auf dem Bauteil, das Abwärme emittiert, platziert wird. Darauf kommt ein Lüfter, der mit der angesaugten Luft die aufgeheizten Kühllamellen des Kühlkörpers heruntergekühlt. 

Da bei einem Notebook die Höhe beziehungsweise die Dicke des Gehäuses bauartbedingt stark begrenzt ist, könnte man nur extrem flache Kühler einbauen. Heutige CPUs und GPUs ließen sich mit einer solchen Kühllösung in einem mobilen Rechner definitiv nicht betreiben.

Um eine Abwärme von 100 Watt oder noch mehr in einem flachen Notebook zu bändigen, muss die Wärme also vom Entstehungsort weg und zu einem Ort wo es ausreichend Platz für Kühlkörper gibt, geführt werden.

Dabei gibt es jetzt zwei Möglichkeiten: Zum einen wäre es möglich, die Abwärme mithilfe eines flüssigen Kühlmediums abzutransportieren. Das Kühlmedium, beispielsweise destilliertes Wasser, nimmt die Wärme auf und transportiert sie zu einem Wärmetauscher (Radiator), der die Hitze an die Umgebung abgibt. Das ist das Prinzip einer klassischen Wasserkühlung.

Das Problem erkennt ihr sicher schon selbst: Eine komplette Wasserkühlung ohne externe Komponenten in ein Notebook einzubauen ist recht schwierig, wenn der Rechner am Ende nicht dick wie ein Aktenkoffer sein soll. Bleibt also noch Option Nummer zwei: die Heatpipe.

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Funktionsweise

Eine Heatpipe besteht aus einem luftdichten Metallrohr, im IT-Bereich ist es meist Kupfer, das rund sein kann, wie etwa bei einem CPU-Kühler oder flach und breit wie in einem Notebook. Das Funktionsprinzip ist dabei immer das gleiche. 

Heatpipes bei einem Tower-CPU-Kühler (Bild: bequiet)

Gefüllt ist das Wärmerohr mit dem sogenannten Arbeitsmedium. Dabei kann es sich zum Beispiel um Wasser oder Alkohol handeln. Neben der Flüssigkeit befindet sich im Rohr noch ein Metallgeflecht, das eine Kapillarstruktur bildet. 

Ein Teil der Heatpipe liegt auf oder unmittelbar an der Wärmequelle, in unserem Fall befindet sie sich über einer CPU. Wird der Rechner eingeschaltet, beginnt der Prozessor zu arbeiten und wird heiß.

Die im Inneren des Wärmerohres befindliche Flüssigkeit vollzieht nun einen Phasenwechsel. Das heißt nichts anderes, als dass sich ihr Zustand von flüssig zu gasförmig ändert. 

Funktionsweise einer Heatpipe (Bild: Fraunhofer IPM | Fraunhofer ISE)

Das verdampfte Medium breitet sich anschließend in Richtung der kalten Seite der Heatpipe aus. Befindet sich die Wärmequelle in der Mitte der Heatpipe, dehnt sich das verdampfte Arbeitsmedium nach beiden Seiten aus, dieses Prinzip kommt auch bei vielen Notebooks zur Anwendung. 

An der kalten Seite angekommen, wird die aufgenommene Wärme an angelötete Wärmetauscher abgegeben und das Arbeitsmedium kondensiert. Durch die Kapillarwirkung des im Inneren der Heatpipe befindlichen Metallgeflechts gelangt das Kondensat wieder zurück zur Wärmequelle und der beschriebene Prozess beginnt erneut.

Zu beachten ist dabei, dass eine Heatpipe selbst nicht kühlt. Sie nimmt lediglich Wärme von einem Punkt auf und transportiert sie zu einem anderen Punkt, an dem sie an einen Kühlkörper abgegeben wird.

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Vorteile

• Im Vergleich zu einem Rohr aus solidem Alu oder Kupfer arbeitet eine Heatpipe durch ihre hohe Wärmeleitfähigkeit deutlich effizienter. 
• Eine Heatpipe arbeitet komplett passiv und benötigt daher für die Weiterleitung der Abwärme weder eine Pumpe noch einen Lüfter.
• Da die Heatpipe passiv funktioniert, ist sie komplett wartungsfrei und unterliegt keinem Verschleiß.
• Wärmerohre lassen sich hinsichtlich Form und Größe flexibel fertigen. Ein Einsatz ist so auch bei besonders engen Platzverhältnissen möglich. 
• Die Flüssigkeit, die im Inneren einer Heatpipe verwendet wird, ist flexibel auf die Umgebungsbedingungen anpassbar. So kann etwa Ammoniak statt Wasser bei extrem niedrigen Temperaturen eingesetzt werden. 

Vapor Chamber

Grundsätzlich arbeitet eine Vapor Chamber nach dem gleichen Prinzip wie eine Heatpipe. Der große Unterschied liegt darin, dass die Vapor Chamber eine deutlich größere Auflagefläche zur Wärmequelle aufweist. Aber auch die Anbindung an die Kühlkörper ist im Vergleich zu einer Heatpipe größer. 

Daraus resultiert bei der Vapor Chamber eine höhere Wärmeleistung als es bei der Heatpipe der Fall ist. Da sie in der Herstellung komplexer und teurer als ein normales Wärmerohr ist, findet man eine Vapor Chamber meist nur in teuren Notebooks.

Interessiert ihr euch dafür, wie die Hardware in eurem Rechner funktioniert oder ist das eher weniger relevant?