Wärmemanagement

Question 1

Welche drei Hauptmotivationen können genannt werden für die Wärmetransport:

Answer 1

• Wärmeableitung zur Kühlung von elektrischen Bauelementen
• Thermische Koppelung für Messzwecke
• Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Question 2

Totale Verlustleistung P_tot(t)

Answer 2

P_tot(t) = u(t)⋅i(t)

Totale Verlustleistung ist Klemmenspannung mal Klemmstrom

Question 3

Spezifische Wärmekapazität

Answer 3

Die spezifische Wärmekapazität c ist die Energie Qth, die notwendig ist, um ein kg eines Materials um ein Grad zu erwärmen: ΔQ_th = c⋅m⋅ΔT.

Question 4

Wärmestrom

Answer 4

I_W =dQ_th/dt

Wärmestrom = der Ableitung der Wärmemenge gegen der Zeit

Question 5

Welche 5 physikalische Mechanismen müssen für den Wärmetransport/Speicherung/usw unterschieden werden?

Answer 5

a) Wärmeleitung
b) Konvektion
c) Aggregatszustandsänderung
d) Wärmepumpmechanismen
e) Wärmestrahlung

Question 6

Thermischen Widerstand

Answer 6

R_th = l/(λ⋅A)

Mit l = länge, λ = Wärmeleitfähigkeit, A = Querschnittsfläche

Question 7

Wärmeleitung

Answer 7

Wärmetransport in einem Festkörper
ΔT = R_th⋅I_W
Temperaturdifferenz ist thermischen Widerstand mal Wärmestrom

Question 8

Warum wird Fett zwischen Isolationsscheiben/-folie getan?

Answer 8

Verringert die thermische Kontaktwiderstände um circa 0,45K/W pro Fläche. Hier sind speziellen Wärmeleitpasten am besten.

Question 9

Konvektion

Answer 9

Rth = 1/α⋅A

Mit Rth = thermische (Übergangs-) Widerstand, α = Wärmeübergangskoeffizient und A = Übergangsfläche

Question 10

Klassen für „Operating Temperature Range“ laut [MO01]

Answer 10

Commertial 0°C bis 70°C
Industrial -40°C bis 85°C
Automotive -40°C bis 105°C
Millitary -55°C bis 125°C

Question 11

Was ist ein Gängiges Kühlkörper material?

Answer 11

AlMgSi0,5
da sie bezogen auf ihren Preis und ihr Gewicht das beste Kosten / Nutzenverhältnis bezüglich Wärmeleitung bietet, am besten noch schwarz eloxiert.

Question 12

Wie wird Aggregatszustandsänderung für Kühlung von Bauteile ausgenutzt

Answer 12

Mittels Heatpipes:
Ein hermetisch verschlossenen Heatpipe mit circa 0,006 bar enthält eine Flüssigkeit (meist Wasser oder Ammoniak) die dann bei sehr geringen Temperaturen verdampfen kann. Die Kondensationswärme wird an einen Wärmesenke abgegeben (wo es kühler ist) und die Flüssigkeit fliest mit Hilfe von Gravitation oder Kapillarwirkung zurück zu die Wärmequelle.

Question 13

Leistungszahl einer Kältemaschine

Answer 13

EER = I_zu / P

Energy Efficiency Ratio, EER ist Wärmestrom durch Hilfsleistung

Question 14

EER_ideal

Answer 14

EER_ideal = T_zu / ( T_ab - T_zu) in Kelvin

Question 15

Peltier-Effekt

Answer 15

Wärmetransport durch elektrische Strom

Question 16

Warum triff das Peltier-Effekt in Metallen nicht aus und nur in Halbleiter?

Answer 16

Da Metalle eine wesentlich höhere Elektronendichte als Halbleiteraufweisen aufweisen, ein extrem hoher Stromfluss wäre nötig um pro Elektron eine ausreichende mittlere Geschwindigkeit zu erzwingen. Die ohmschen Verluste würden in diesem Fall zu einer Eigenerwärmung des Leiters führen welche den gewünschten Effekt verdecken würde.

Question 17

Wärmemenge

Answer 17

ΔQth = integral von t0 bis t1 über die Verlustleistung P_tot
ΔQth = int_t0^t1 [ P_tot(t) dt ]

Question 18

Wärmestrahlung

Answer 18

Ι_W = ε⋅A⋅σ⋅T^4
I_W gleich Wärmestrom
ε gleich Emissionsgrad [0..1]
A gleich Fläche
σ gleich Stefan–Boltzmann-Konstante
T gleich Temperatur

Question 19

Wieso hat man kein hohe (um die 740 Watt) Verlustleistungen durch Wärmestrahlung bei Bauteilen die 65˚C besitzen? (A = 1m^2)

Answer 19

Weil der Umgebung auch zurück strahlt mit 300K! Die Berechnung ist dann folgendes:
Ι_W = ε⋅A⋅σ⋅(Th^4-Tk^4)

Question 20

Ab welche Spannung kann man Glimmerfolie nicht mehr einsetzen und warum?

Answer 20

Für Spannungen über 50V werden Glimmerscheiben nicht verwendet, weil sie feine kaum sichtbare Haarrisse aufweisen können. In diesen Haarrissen tritt eine Feldüberhöhung auf, welche die elektrische Durchschlagfestigkeit der Luftgefüllten Risse übersteigt. Es kommt zu kleinen Mikroentladungsblitzen, welche das umgebende Glimmermaterial schädigen, bis die komplette Scheibe durchschlägt.

Question 21

Was ist die erste Schritt für die Indirekte Messung des Temperaturverlaufs TJ(t)

Answer 21

Kalibrierung des DUT

u_F = Tk/e ln(i_sens/I_s +1) bei i_C=0

Question 22

Auf was muss man achten wenn man mit Thermocamera die Temperatur messen will?

Answer 22

Das der Oberfläche ein möglichst höhe Emissionsgrad besitzt. Metalle haben meistens Emissionsgrade von unter 0,5, deswegen werden etwas mit ein hohe Emissionsgrad drauf kleben (zum Beispiel Plastik Kleber mit epsilon = 0.95, dies kann dann im Camera eingestellt werden).

Question 23

Wovon hängt die Temperatur in ein Bauteil ab?

Answer 23

Ort, Zeit, Wärmecapazität, Wärmeleitung und die Dichte.

Question 24

Von welchen Parametern hängt der Wärmeübergangskoeffizient (alpha) ab?

Answer 24

dem verwendeten
Medium, der Strömungsgeschwindigkeit v bzw. der Art der Strömung, den geometrischen Verhältnissen, der Oberflächenbeschaffenheit und dem Material des abführenden Festkörpers

Question 25

Warum leiten Metalle im allgemeinen die Wärme besser als Isolatoren?

Answer 25

Da die freien Elektronen die Wärme besser transportieren können.

Question 26

Wieviel ist die Heatpipe besser als massives Kupfer?

Answer 26

100 bis 1000 mal bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, da sie zusätzlich die Energie der Aggregatszustandsänderung für den Wärmetransport nutzt.

Question 27

Wie funktioniert eine Heatpipe? Nach welchem Prinzip?

Answer 27

• Prinzip der Aggregatszustandsänderung
• Kupferrohr mit Heizstelle und Kühlzone
• Flüssigkeit führt Wärme ab, Dampf kondensiert wieder und fließt durch Kapillarwirkung zurück

Question 28

Von welchen typischen Parametern hängt der Emissionsgrad (alpha) ab?

Answer 28

Material, Temperatur, Spektralbereich, Oberflächenstruktur

Question 29

Wie hängen Reflexions und Emissionsgrad zusammen?

Answer 29

p + alpha ( + theta) = 1

Question 30

Nennen Sie 3 Wärmepumpemechanismen

Answer 30

Wärmepumpe, Stirling-Kühler und Petier-Element

Question 31

Warum wird die Butterfly Struktur für therm. motiviertes Kupfer gewählt?

Answer 31

Bei der quadratischen Form würde die Wärme schneller abgeleitet werden aufgrund der größeren Fläche. Dadurch würde beim Löten das Lot nicht mehr schmelzen, daher macht die Butterfly Struktur den Chip wieder lötbar.

Question 32

Warum verwendet man Kühlrippen?

Answer 32

Da durch die größere Oberfläche mehr Wärme durch Konvektion abgegeben werden kann.

Question 33

Warum ist der thermische Widerstand Zth eines Bauteils im gepulsten Betrieb abhängig von der Zeit und dem Tastverhältnis?

Answer 33

Der thermische Widerstand Rth ist abhängig von der Temperatur. Je nach Tastverhältnis wird das Bauteil länger erwärmt/abgekühlt.

Question 34

Auf was ist die Zth-Kurve normiert? Welchen “Fehler” macht man durch die brauchbare Näherung in der Praxis?

Answer 34

Die Zth-Kurve ist für die Parameter Ta=0K und Iw= 1W ausgelegt. Durch die realen Wärmeströme und Temperaturen würde zusätzlich Wärmestrahlung als Transportmechanismus hinzukommen, die allerdings vernachlässigt werden kann.