Wärmemanagement

Wie sieht der ideale Kühlkörper aus?

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Die drei Arten der Wärmeübertragung

In der Berechnung der Wärmeübertragung sind drei Bereiche zu berücksichtigen: Konvektion, Konduktion und Radiation. Die Übertragungsart, die in den meisten Anwendungen den höchsten Anteil an der Wärmeübertragung ausmacht, ist die Konvektion. Physikalisch gesehen ist dies der Wärmetransport eines Körpers zu einem sich bewegendem Fluid (Flüssigkeit, Luft, Gas). Berechnen lässt sich dies durch Gleichung 1:

q = h·As·∆Tconv (Gl. 1)

Hierbei bedeuten die einzelnen Variablen: q = Wärmeübertragung [W]; h = Wärmeübergangskoeffizient [W/m²K]; As = Wärmeabgebende Oberfläche [m²]; ∆Tconv = Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und der umgebenden Luft [K].

Unter der Konduktion, auch als Wärmeleitung bezeichnet, versteht man den Wärmetransport innerhalb eines Körpers. Berechnet wird die Wärmeleitung nach Gleichung 2.

q = k·A·∆Tcond·1/l (Gl. 2)

mit den einzelnen Variablen: k = Wärmeleitwert des Materials [W/mK]; A = Querschnittsoberfläche [m²]; ∆Tcond = Temperatur­unterschied zwischen Oberfläche und Umgebungsluft [K]; l = Distanz der Wärmeübertragung innerhalb des Körpers [m].

Die Radiation oder auch Wärmestrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung und wird mittels Gleichung 3 berechnet:

q = ε·σ·A·(TS4 –Tα4) (Gl. 3)

Hierbei bedeuten die einzelnen Variablen: ε = Oberflächenemission; σ = Stefan-Boltzmann-Konstante, 5,6704·10–8 [W/m²K4]; TS = Oberflächentemperatur [K]; Tα = Temperatur der Umgebungsluft [K].

Der Faktor der Wärmestrahlung spielt in Abhängigkeit des Temperaturbereiches in den meisten Fällen nur eine untergeordnete Rolle, da der Temperaturunterschied zwischen der umgebenden stehenden Luft und der Oberflächentemperatur sehr gering ist.

Bei Anwendungen, in denen eine passive oder eine aktive Entwärmung eingesetzt wird, ist die Temperatur der Betriebsumgebung wichtig. Als Betriebsumgebung werden die Temperatur und die Luftströmung bezeichnet, die den Kühlkörper umgeben. Die Entwärmung wird umso effektiver, je größer die Temperaturdifferenz zwischen Kühlkörper und Umgebungstemperatur ist. Es kann mehr Wärme und somit eine größere Leistung abgeführt werden.

Geschlossene Gehäuse können den Wärmeaustausch mit der Umgebung verhindern. Daher sollten bei Anwendungen innerhalb von geschlossenen Gehäusen die Kühlkörper mit dem Gehäuse verbunden oder die Gehäuse direkt als Kühlkörper verwendet werden (Bild 1). Eine Verbesserung der Entwärmung kann über den Einsatz von zusätzlichen Lüftermotoren erzielt werden.

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