Einseitig eingepresste Rohre
Einseitg eingepresste Kupfer‑, Aluminium‑, oder Edelstahlrohre für hohe Verlustleistungen. (...)
Wärmeleitfähigkeit von Metallen und Kühlwerkstoffen: Werte, Tabelle und Formel
Die Wärmeleitfähigkeit λ entscheidet, wie gut ein Werkstoff Wärme abführt. Diese Übersicht liefert Definition, Formel und eine Tabelle mit λ-Werten für die Kühltechnik.
Was ist Wärmeleitfähigkeit? Definition
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut ein Material Wärme leitet. Ihr Formelzeichen ist λ (Lambda), die Einheit Watt pro Meter und Kelvin, W/(m·K). Ein hoher λ-Wert steht für guten Wärmetransport, etwa Kupfer mit rund 400 W/(m·K). Ein niedriger Wert steht für gute Dämmung, etwa Luft mit etwa 0,026 W/(m·K).
- Formelzeichen: λ (Lambda). Übliche Synonyme sind Wärmeleitzahl und Wärmeleitkoeffizient.
- Einheit: W/(m·K), also der Wärmestrom durch 1 m Materialdicke bei 1 K Temperaturunterschied.
- Faustregel: hoher λ-Wert bedeutet guter Wärmeleiter (Metalle), niedriger λ-Wert bedeutet guter Dämmstoff (Luft, Schaum).
- Abgrenzung: λ ist eine Materialkonstante. Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) und Wärmewiderstand hängen zusätzlich von Geometrie und Dicke ab.
Wärmeleitfähigkeit berechnen: Formel und Rechenbeispiel
Die Wärmeleitfähigkeit folgt aus dem Fourierschen Gesetz. Aus einem gemessenen Wärmestrom lässt sich λ so bestimmen:
λ = (Q̇ · d) / (A · ΔT) - Q̇: Wärmestrom [W]
- d: Dicke des Materials [m]
- A: durchströmte Fläche [m²]
- ΔT: Temperaturdifferenz [K]
Beispiel: Eine 10 mm dicke Aluminiumplatte (λ = 200 W/(m·K)) mit 0,01 m² Fläche bei 5 K Differenz überträgt Q̇ = λ · A · ΔT / d = 200 · 0,01 · 5 / 0,01 = 1000 W.
Der Wärmewiderstand einer Schicht ergibt sich daraus zu R_th = d / (λ · A) in K/W. Anders als λ hängen R_th und der U-Wert zusätzlich von Geometrie und Dicke ab.
Wärmeleitfähigkeit-Tabelle: Werte wichtiger Werkstoffe
Die Tabelle listet typische λ-Werte bei rund 20 °C, absteigend sortiert und auf Metalle und Kühlwerkstoffe fokussiert. Report-Werte und allgemeine Physik-Konstanten sind gekennzeichnet.
| Material | Wärmeleitfähigkeit λ (W/(m·K)) | Bedeutung für die Kühlung |
|---|---|---|
| Silber | ~429 | Höchste Leitfähigkeit aller Metalle, für die Serie zu teuer und daher nur Referenzwert. |
| Kupfer (rein) | ~400 (398-401) | Bester praktisch nutzbarer Wärmeleiter, ideal für Hotspots, Kupfer-Inlays und Wärmespreizer. Schwer und teuer. |
| Hochleitfähige Kupferlegierungen (z. B. CuCrZr, CuAg) | 305-394 | Nur wenig unter Reinkupfer, gefragt wo hohe Leitung und höhere Festigkeit zusammenkommen. |
| Aluminium (rein) | ~235 | Sehr guter Leiter bei geringem Gewicht, Basis der meisten Kühlkörper. |
| Aluminium-Legierungen (Kühlkörper) | 125-210 (typ. 150-200) | Standardwerkstoff für Kühlkörper und Cold Plates: leicht, günstig, strangpress- und zerspanbar. |
| Graphit | 130-160 techn. (bis 2000 in Schichtebene) | Anisotrop und leicht, hohe Leitung in der Schichtebene zur Wärmespreizung. |
| Sinterkeramik (AlN, BN) | 100-200 | Leitet Wärme und isoliert zugleich elektrisch, ideal nahe empfindlicher Schaltungen. SiC ist dagegen ein Halbleiter. |
| Messing | ~110 (ca. 80-120) | Mittlere Leitfähigkeit, eher für Anschlüsse und Fittings. Stark legierungsabhängig. |
| Stahl (unlegiert) | ~50 | Deutlich schlechter Leiter, strukturell statt thermisch eingesetzt. |
| Kupfer-Nickel (CuNi) | ~20-50 | Deutlich niedrigere Leitfähigkeit als Reinkupfer, wegen der Korrosionsbeständigkeit für Rohre und korrosive Kühlmedien gewählt. |
| Edelstahl (V2A/V4A, austenitisch) | ~15-16 | Schlechter Wärmeleiter, aber sehr korrosionsbeständig, für Kanäle und Rohre in Kombination mit einem Alu-Grundkörper. |
| Wärmeleitpaste/-pad (TIM) | ~1-12 | Füllt Mikrospalte an Kontaktflächen und senkt den Übergangswiderstand. Produktabhängig, Herstellerwert prüfen. |
| Wasser (Kühlmedium) | ~0,6 | Transportiert Wärme über Konvektion, nicht über Leitung. Referenz für die Flüssigkeitskühlung. |
| Luft | ~0,026 | Sehr schlechter Leiter, deshalb muss Wärme aktiv abgeführt werden. |
Wärmeleitfähigkeit von Kupfer (ca. 400 W/(m·K))
- Reinkupfer leitet mit rund 398 bis 401 W/(m·K) und ist nach Silber der beste praktisch nutzbare Wärmeleiter.
- COOLTEC setzt Kupfer gezielt als Inlay und Wärmespreizer ein, um Hotspots zu entschärfen.
- Nachteile sind das hohe Gewicht und der Materialpreis, deshalb kommt Kupfer meist punktuell statt flächig zum Einsatz.
Wärmeleitfähigkeit von Aluminium (ca. 235 W/(m·K))
- Reinaluminium erreicht rund 235 W/(m·K). Kühlkörper-Legierungen liegen je nach Legierung bei 125 bis 210 W/(m·K), typisch 150 bis 200.
- Aluminium ist der Standardwerkstoff für Kühlkörper und Cold Plates: leicht, günstig, strangpressbar und gut zerspanbar.
- Eloxieren schützt die Oberfläche vor Korrosion, ohne die Wärmeleitung nennenswert zu mindern.
Kupfer oder Aluminium? Materialvergleich für Kühlkörper
Beide Werkstoffe dominieren den Kühlkörperbau. Die Tabelle stellt die entscheidenden Eigenschaften gegenüber.
| Kriterium | Kupfer | Aluminium |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit | ~400 W/(m·K) | ~200 W/(m·K) |
| Gewicht | hoch (dichtes Material) | gering |
| Materialpreis | höher | günstiger |
| Korrosion | beständig, oxidiert langsam | mit Eloxalschicht sehr beständig |
| Fertigung | aufwendiger zu zerspanen | gut zerspan- und strangpressbar |
Kupfer gewinnt bei hoher Wärmedichte und knappem Bauraum, Aluminium bei Gewicht und Kosten. COOLTEC kombiniert beides über Kupfer-Inlays im Aluminium-Grundkörper: hohe Leitfähigkeit genau dort, wo die Wärmelast am größten ist.
Edelstahl, Messing und weitere Werkstoffe
Auch schlechte Wärmeleiter haben ihren Platz im Kühlsystem, wenn andere Eigenschaften zählen.
- Edelstahl (V2A/V4A) leitet mit nur rund 15 bis 16 W/(m·K), ist dafür sehr korrosionsbeständig und eignet sich für medienführende Kanäle und Rohre.
- In Kombination mit einem Aluminium-Grundkörper vereinen Edelstahl-Kanäle Beständigkeit und Wärmeabfuhr.
- Messing und Stahl dienen eher als Anschluss- und Strukturwerkstoffe, nicht zur Wärmeabfuhr.
- Graphit leitet in der Schichtebene bis zu 2000 W/(m·K) und eignet sich zur Wärmespreizung. Sinterkeramiken wie AlN und BN leiten Wärme und isolieren zugleich elektrisch, SiC ist dagegen ein Halbleiter.
Hohe oder niedrige Wärmeleitfähigkeit: was ist besser?
- Es gibt kein pauschales gut oder schlecht. Der Zielkonflikt lautet Wärme abführen gegen Wärme dämmen.
- Für Kühlung und Elektronik ist ein hoher λ-Wert erwünscht.
- Für Dämmung ist ein niedriger λ-Wert gefragt.
- Bei reinen Metallen sinkt λ mit steigender Temperatur leicht. Bei Gasen und amorphen Stoffen steigt sie, bei kristallinen Keramiken sinkt sie meist.
Die richtige Materialwahl für Ihre Kühlung
In der Praxis entscheidet nicht λ allein, sondern das Zusammenspiel mehrerer Anforderungen.
- Neben der Wärmeleitfähigkeit zählen Korrosionsbeständigkeit, Gewicht, Kosten und Fertigbarkeit.
- Wärmeleitmaterialien (TIM) wie Wärmeleitpaste und -pads füllen Mikrospalte an Kontaktflächen und senken den thermischen Übergangswiderstand.
- COOLTEC fertigt Cold Plates, stranggepresste Aluminium-Kühlkörper und Lösungen mit Kupfer-Inlay und legt sie auf Ihren Anwendungsfall aus.
Weiterführende Rechner und Themen
Häufige Fragen zur Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut ein Material Wärme leitet. Ihr Formelzeichen ist λ (Lambda), die Einheit W/(m·K). Metalle wie Kupfer haben hohe Werte (~400 W/(m·K)), Dämmstoffe und Luft (~0,026 W/(m·K)) sehr niedrige.
Die SI-Einheit ist Watt pro Meter und Kelvin: W/(m·K). Sie beschreibt den Wärmestrom, der durch 1 m Materialdicke bei 1 K Temperaturunterschied fließt. Synonyme sind Wärmeleitzahl oder Wärmeleitkoeffizient.
Silber leitet mit ~429 W/(m·K) am besten, ist für den Serieneinsatz aber zu teuer. In der Praxis ist Kupfer mit ~400 W/(m·K) der beste nutzbare Wärmeleiter, gefolgt von Aluminium (~235 W/(m·K)).
Reinkupfer liegt bei etwa 398 bis 401 W/(m·K), meist mit ~400 W/(m·K) angegeben. Damit ist Kupfer nach Silber der beste praktisch nutzbare Wärmeleiter, ideal für Hotspots, Kupfer-Inlays und Wärmespreizer.
Reinaluminium erreicht ~235 W/(m·K). Kühlkörper-Legierungen liegen legierungsabhängig bei 125 bis 210 W/(m·K), typisch 150 bis 200. Aluminium ist der Standardwerkstoff für Kühlkörper, weil es leicht, günstig und strangpressbar ist.
Kupfer leitet etwa doppelt so gut, ist aber schwerer und teurer. Aluminium ist leichter, günstiger und einfacher zu fertigen. Bei hoher Wärmedichte und knappem Bauraum gewinnt Kupfer, sonst Aluminium. COOLTEC kombiniert beides über Kupfer-Inlays im Aluminium-Grundkörper.
Über die Formel λ = (Q̇ · d) / (A · ΔT): Wärmestrom Q̇ [W] mal Dicke d [m], geteilt durch Fläche A [m²] und Temperaturdifferenz ΔT [K]. Umgestellt liefert Q̇ = λ · A · ΔT / d den Wärmestrom durch ein Bauteil.
Das hängt vom Ziel ab: Für Kühlung und Elektronik ist ein hoher λ-Wert erwünscht, für Dämmung ein möglichst niedriger. Es gibt kein pauschales gut oder schlecht, entscheidend ist Wärme abführen gegen Wärme dämmen.
Die Legierungselemente Chrom und Nickel stören die Gitterstruktur und behindern den Elektronentransport, daher nur ~15 bis 16 W/(m·K). Dafür ist Edelstahl sehr korrosionsbeständig und eignet sich für medienführende Kanäle und Rohre, oft kombiniert mit einem Alu-Grundkörper.
λ ist eine reine Materialeigenschaft in W/(m·K). Der U-Wert in W/(m²·K) beschreibt ein ganzes Bauteil und hängt zusätzlich von Dicke und Geometrie ab. λ ist also die Grundgröße, aus der U-Wert und Wärmewiderstand abgeleitet werden.
Bei reinen Metallen sinkt λ mit steigender Temperatur leicht ab. Bei Gasen und amorphen Stoffen steigt sie dagegen, bei kristallinen Keramiken sinkt sie meist. Für Auslegungen genügt daher meist ein Referenzwert bei 20 °C.
λ ist das Formelzeichen der Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K). Ein hoher λ-Wert steht für guten Wärmetransport (Metalle), ein niedriger für gute Dämmung. In der Kühltechnik gilt: je höher λ des Werkstoffs, desto besser die Wärmeabfuhr.
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