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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Zusammenhang Luftstrom - Wärmewiderstand


Autor: Manuel (Gast)
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Hallo !

Aus dem Artikel Kühlkörper entnehme ich folgendes:
>Luft hat eine Wärmekapazität von ungefähr 1kJ/kg/K was bedeutet, daß für die 
Erwärmung von 1kg Luft um 1K eine Energiemenge von 1kJ = 1000Ws erforderlich ist. 
D.h. für den kontinuierlichen Abtransport von 100W Wärme werden mindestens 100g 
Luft pro Sekunde benötigt, wenn man diese nur um 1K erwärmen will. Um also 100W 
von einem Kühlkörper abzuführen, der sich hier im Beispiel um 8K erwärmen darf, 
sind 100W / 8K = 12,5g Luft pro Sekunde erforderlich. Ein Gramm Luft hat ein 
Volumen von etwa 0,77l, d.h. bei 12,5 g muss der Lüfter 9,6 l/s bzw. 34,5 m^3/h 
liefern, die dann auch durch den gesamten Kühlkörper geblasen werden müssen.

Meine Frage nun:
Ist der Zusammenhabng in der Praxis auch wirklich so linear dass eine 
Verdopplung des Luftstromes auch eine halbwierung des Wärmewiderstandes 
Rth verursacht ?

Auf einem Kühlkörper befinden sich insgesamt 3 Lüfter auf den gesamten 
Kühlkörper verteilt. Jeder hat einen Luftstrom von 90 m3/h.
Nun mmöchte ich diese durch Lüfter mit 200m3/h ersetzten.
Kann ich nun wirklich mit einer halberung des Wärmewiderstandes rechnen 
?

Autor: der mechatroniker (Gast)
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Da gibts ne abgefahrene Formel in Büchern, mit einer 0.662-ten Potenz 
oder so (ist wohl empirisch ermittelt, weil den genauen Mechanismus noch 
niemand auf der Welt verstanden hat). Hab gerade leider nichts zum 
Nachschlagen zur Hand, wie sie genau lautet.

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Schon mal deshalb nicht weil der Kühlkörper auch einen 
Wärmeleitwiderstand hat, und der Übergang vom Chip auf das 
Bauteilgehäuse und vom Gehäuse auf den KK.
Und der Wärmewiderstnd des Kühlkörpers wirkt sich ganz schnell ganz 
stark aus wenn Du einen Kühlkörper der für normale 
Konvektion/Strahlungskühlung gemacht ist über einen Luftstrom kühlst.
Schau Dir mal Kühlkörper an, die speziell für Lüfterkühlung spezifiziert 
sind. Deutlich kürzere Lamellen bei dickerer Grundfläche.

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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U.R. Schmitt schrieb:
> dickerer Grundfläche

Sorry sollte natürlich "dickerem Materialquerschnitt" heissen.

Autor: Manuel (Gast)
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Der Kühlkörper ist bereits für Lüfterbetrieb ausgelegt. Dicke 
Grundplatte und viele Lamellen

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Manuel (Gast)

>Ist der Zusammenhabng in der Praxis auch wirklich so linear dass eine
>Verdopplung des Luftstromes auch eine halbwierung des Wärmewiderstandes
>Rth verursacht ?

Nein. Das bezieht sich nur auf den Luftstrom und dessen 
Wärmetransportfähigkeit. Aber zum Gesamtsystem gehört auch noch der 
Kühlkörper sowie der Wärmeübergang vom IC zum Kühlkörper. Und dessen 
Wärmewiderstand ändert sich nicht.

>Nun mmöchte ich diese durch Lüfter mit 200m3/h ersetzten.
>Kann ich nun wirklich mit einer halberung des Wärmewiderstandes rechnen
>?

Nein.

MFG
Falk

Autor: Manuel (Gast)
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Ist mir schon klar das sich nicht das sich die Übergänge von IC zu 
Kühlkörper nicht verbessern.
Mir gehts nur um den Rth des Kühlkörpers + Lüfter. Ob ich hier mit einer 
halbwierung rechnen kann ... Also Statt 0,1 K/W - 0,05 K/W.
Wärmewiderstände der Übergänge bleiben erhalten - klar.

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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>Mir gehts nur um den Rth des Kühlkörpers + Lüfter. Ob ich hier mit einer
>halbwierung rechnen kann ... Also Statt 0,1 K/W - 0,05 K/W.

Auch das nicht. Überleg doch mal: Du bläst doppelt so viel Luft in der 
gleichen Zeit durch. Das heisst doch da der Druck sich nicht signifikant 
ändert, daß die Luft soppelt so schnell durchströmt. Also wird sie sich 
nicht genauso stark aufheizen wie vorher. Aber nur in diesem Fall 
hättest Du die Verdopplung.
Ob Du jetzt aber beim 1,7 fachen Wäremtransport, oder nur dem 1,5 oder 
1,3 fachen landest weiss ich nicht.

Autor: Stephan (Gast)
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Manuel schrieb:
> Mir gehts nur um den Rth des Kühlkörpers + Lüfter. Ob ich hier mit einer
> halbwierung rechnen kann ... Also Statt 0,1 K/W - 0,05 K/W.
> Wärmewiderstände der Übergänge bleiben erhalten - klar.

Nein.

1. Der Wärmeübergang an der Oberfläche (KK-Luft) steigt nicht linear mit 
der Geschwindigkeit sondern eher mit v^(0.5...0.7).

2. Die Verteilung im KK (die dicken Teile) und auch von der Basis in die 
Spitzen der Lamellen kommt nicht mehr mit. Gegenüber dem Fall im 
Datenblatt sind weit von der Quelle entfernte Flächen zu kalt und tragen 
nur wenig bei.
Die effektiv genutzte Kühlfläche wird also geringer.

3. Nummer 2 ist weniger tragisch wenn deine Wärmequellen schön verteilt 
sind. Der Effekt der kühlen Spitzen und heißen Basis der Lamellen bleibt 
aber.

Autor: Peter Roth (gelb)
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Und der Wärmeübergang vom Kühlkörper zur Luft ist stark von der 
Strömungsart abhängig. Bei laminarer Strömung schlecht, bei turbulenter 
Strömung bis zu 5x besser. Stichwort Reynolds-Zahl.

Weil die entstehenden Luftwirbel die sogenannte Grenzschicht zerstören, 
die fast ruhend direkt am Kühlkörper sonst eine Isolierschicht bildet.

Ein Konvektions-Kühlkörper kann deshalb mit einem starken Lüfter 
ordentlich gepimpt werden. Je lauter der Luftstrom zischt, umso besser.

Grüße, Peter

Autor: Stephan (Gast)
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Peter Roth schrieb:
> Bei laminarer Strömung schlecht, bei turbulenter
> Strömung bis zu 5x besser.

Da liegt der Standard-Lüfter sicher schon drüber. Die wären sonst schön 
blöd.
Wenn ich durch etwas mehr Lärm nen Faktor 5 besser werde, dann verkauf 
ich das auch so.

Autor: Wolfgang-G (Gast)
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>Mir gehts nur um den Rth des Kühlkörpers + Lüfter. Ob ich hier mit einer
>halbwierung rechnen kann ... Also Statt 0,1 K/W - 0,05 K/W.
>Wärmewiderstände der Übergänge bleiben erhalten - klar.

Man spricht in diesem Fall von der Wärmeübergangszahl α .
Mein alter PUSCHMANN / DRAHT –Technische Wärmelehre- gibt für
Luft, Gase, überhitzter Dampf für α an

(Ruhe)                2...8    kcal/m² h grd
(strömend)  2 + 10 Wurzel w    kcal/m² h grd

w ist die Strömungsgeschwindigkeit in m/s

Da hier noch die alten Maßeinheiten (Ausgabe 1961) verwendet werden, ist 
eine Umrechnung notwendig.
MfG

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