Wärmemanagement Flashcards
Welche drei Hauptmotivationen können genannt werden für die Wärmetransport:
- Wärmeableitung zur Kühlung von elektrischen Bauelementen
- Thermische Koppelung für Messzwecke
- Zuverlässigkeit und Lebensdauer
Totale Verlustleistung P_tot(t)
P_tot(t) = u(t)⋅i(t)
Totale Verlustleistung ist Klemmenspannung mal Klemmstrom
Spezifische Wärmekapazität
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.
Wärmestrom
I_W =dQ_th/dt
Wärmestrom = der Ableitung der Wärmemenge gegen der Zeit
Welche 5 physikalische Mechanismen müssen für den Wärmetransport/Speicherung/usw unterschieden werden?
a) Wärmeleitung
b) Konvektion
c) Aggregatszustandsänderung
d) Wärmepumpmechanismen
e) Wärmestrahlung
Thermischen Widerstand
R_th = l/(λ⋅A)
Mit l = länge, λ = Wärmeleitfähigkeit, A = Querschnittsfläche
Wärmeleitung
Wärmetransport in einem Festkörper
ΔT = R_th⋅I_W
Temperaturdifferenz ist thermischen Widerstand mal Wärmestrom
Warum wird Fett zwischen Isolationsscheiben/-folie getan?
Verringert die thermische Kontaktwiderstände um circa 0,45K/W pro Fläche. Hier sind speziellen Wärmeleitpasten am besten.
Konvektion
Rth = 1/α⋅A
Mit Rth = thermische (Übergangs-) Widerstand, α = Wärmeübergangskoeffizient und A = Übergangsfläche
Klassen für „Operating Temperature Range“ laut [MO01]
Commertial 0°C bis 70°C
Industrial -40°C bis 85°C
Automotive -40°C bis 105°C
Millitary -55°C bis 125°C
Was ist ein Gängiges Kühlkörper material?
AlMgSi0,5
da sie bezogen auf ihren Preis und ihr Gewicht das beste Kosten / Nutzenverhältnis bezüglich Wärmeleitung bietet, am besten noch schwarz eloxiert.
Wie wird Aggregatszustandsänderung für Kühlung von Bauteile ausgenutzt
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.
Leistungszahl einer Kältemaschine
EER = I_zu / P
Energy Efficiency Ratio, EER ist Wärmestrom durch Hilfsleistung
EER_ideal
EER_ideal = T_zu / ( T_ab - T_zu) in Kelvin
Peltier-Effekt
Wärmetransport durch elektrische Strom
Warum triff das Peltier-Effekt in Metallen nicht aus und nur in Halbleiter?
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.
Wärmemenge
ΔQth = integral von t0 bis t1 über die Verlustleistung P_tot ΔQth = int_t0^t1 [ P_tot(t) dt ]
Wärmestrahlung
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
Wieso hat man kein hohe (um die 740 Watt) Verlustleistungen durch Wärmestrahlung bei Bauteilen die 65˚C besitzen? (A = 1m^2)
Weil der Umgebung auch zurück strahlt mit 300K! Die Berechnung ist dann folgendes:
Ι_W = ε⋅A⋅σ⋅(Th^4-Tk^4)
Ab welche Spannung kann man Glimmerfolie nicht mehr einsetzen und warum?
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.
Was ist die erste Schritt für die Indirekte Messung des Temperaturverlaufs TJ(t)
Kalibrierung des DUT
u_F = Tk/e ln(i_sens/I_s +1) bei i_C=0
Auf was muss man achten wenn man mit Thermocamera die Temperatur messen will?
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).
Wovon hängt die Temperatur in ein Bauteil ab?
Ort, Zeit, Wärmecapazität, Wärmeleitung und die Dichte.
Von welchen Parametern hängt der Wärmeübergangskoeffizient (alpha) ab?
dem verwendeten
Medium, der Strömungsgeschwindigkeit v bzw. der Art der Strömung, den geometrischen Verhältnissen, der Oberflächenbeschaffenheit und dem Material des abführenden Festkörpers
Warum leiten Metalle im allgemeinen die Wärme besser als Isolatoren?
Da die freien Elektronen die Wärme besser transportieren können.
Wieviel ist die Heatpipe besser als massives Kupfer?
100 bis 1000 mal bessere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, da sie zusätzlich die Energie der Aggregatszustandsänderung für den Wärmetransport nutzt.
Wie funktioniert eine Heatpipe? Nach welchem Prinzip?
- Prinzip der Aggregatszustandsänderung
- Kupferrohr mit Heizstelle und Kühlzone
- Flüssigkeit führt Wärme ab, Dampf kondensiert wieder und fließt durch Kapillarwirkung zurück
Von welchen typischen Parametern hängt der Emissionsgrad (alpha) ab?
Material, Temperatur, Spektralbereich, Oberflächenstruktur
Wie hängen Reflexions und Emissionsgrad zusammen?
p + alpha ( + theta) = 1
Nennen Sie 3 Wärmepumpemechanismen
Wärmepumpe, Stirling-Kühler und Petier-Element
Warum wird die Butterfly Struktur für therm. motiviertes Kupfer gewählt?
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.
Warum verwendet man Kühlrippen?
Da durch die größere Oberfläche mehr Wärme durch Konvektion abgegeben werden kann.
Warum ist der thermische Widerstand Zth eines Bauteils im gepulsten Betrieb abhängig von der Zeit und dem Tastverhältnis?
Der thermische Widerstand Rth ist abhängig von der Temperatur. Je nach Tastverhältnis wird das Bauteil länger erwärmt/abgekühlt.
Auf was ist die Zth-Kurve normiert? Welchen “Fehler” macht man durch die brauchbare Näherung in der Praxis?
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.
