Hallo Leute,
ich hätte da mal eine Frage bzgl. dem Anstieg der Umgebungstemperatur
bei Betrieb einer Elektronik.
Wie kann man ausrechnen, um wieviel die Temperatur innerhalb eines
definierten Gehäuses bei definierten Bauteilen mit definierten Strömen
und definierter Außentemperatur steigt?
Hintergrund: Bei Bauteilen ist ja immer diese schöne Operating
Temperature angegeben. Angenommen die beträgt 140°C. Wenn ich nun schon
eine Ambient Temperature von 135°C außerhalb des Gehäuses habe, dann
muss ich ja noch die Temperatur draufrechnen, die durch die
Leistungsaufnahme der Elektronikkomponenten innerhalb des Gehäuses
entsteht. Dadurch habe ich im Gehäuse eine noch höhere Temperatur - ist
doch richtig oder?
Danke schon mal im Voraus.
D. Fries schrieb:> [...]> Wie kann man ausrechnen, um wieviel die Temperatur innerhalb eines> definierten Gehäuses bei definierten Bauteilen mit definierten Strömen> und definierter Außentemperatur steigt?
Glaub mir, wenn Du schon so fragst, dann willst Du das gar nicht so
genau ausrechnen. Thermodynamik ist sehr komplex.
> [...]> Wenn ich nun schon> eine Ambient Temperature von 135°C außerhalb des Gehäuses habe, dann> muss ich ja noch die Temperatur draufrechnen, die durch die> Leistungsaufnahme der Elektronikkomponenten innerhalb des Gehäuses> entsteht. Dadurch habe ich im Gehäuse eine noch höhere Temperatur - ist> doch richtig oder?
Das ist richtig. Das Gehaeuse gibt aber gleichzeitig Energie an die
Umgebung ab, wodurch (zumindest im geschlossenen System) auch die
Umgebungstemperatur steigt... Wenn Du's wirklich ganz genau wissen
willst, dann schau Dir mal die Hauptsaetze der Thermodynamik an.
Im Zweifel ist Messen der einfachere Ansatz. ;)
Volker
D. Fries schrieb:> Wie kann man ausrechnen, um wieviel die Temperatur> und definierter Außentemperatur steigt?
Die Temperatursteigerung ist unabhängig von der Außentemperatur, das
reduziert die Zahl der Parameter schon mal.
... schrieb:> Die Temperatursteigerung ist unabhängig von der Außentemperatur, das> reduziert die Zahl der Parameter schon mal.
In der grauen Theorie vielleicht, wenn man das Gehaeuse als
(thermodynamisch) geschlossenes System betrachtet. In der Praxis gibt's
das natuerlich nicht.
Joe G. schrieb:> Ganz einfach.>> 1. Wärmestrom = thermische Leistung im Gerät> 2. Wärmestrom= Temperaturdifferenz / thermischer Widerstand> 3. thermischen widerstand des Gehäuses bestimmen> 4. Umgebungstemperatur festlegen> 5. Nach Geräteinnentemperatur umstellen und ausrechnen> 6. fertig - Meister!
Was natuerlich auch nur (ansatzweise) stimmt, wenn die
Umgebungstemperatur immer auf exakt dem gleichen Wert gehalten wird
(also die vom Gehaeuse abgegebene Energie wiederum abgibt).
Volker
Volker Schulz schrieb:> Was natuerlich auch nur (ansatzweise) stimmt, wenn die> Umgebungstemperatur immer auf exakt dem gleichen Wert gehalten wird> (also die vom Gehaeuse abgegebene Energie wiederum abgibt).
Wer möchte, kann ja den Raum mit in die Rechnung nehmen. Wenn es draußen
Winter ist, und nur das Gerät heizt, wird es ganz schön kalt (siehe
Beispiel).
> Wenn ich nun schon eine Ambient Temperature von 135°C außerhalb> des Gehäuses habe, dann muss ich ja noch die Temperatur> draufrechnen, die durch die Leistungsaufnahme der> Elektronikkomponenten innerhalb des Gehäuses entsteht. Dadurch> habe ich im Gehäuse eine noch höhere Temperatur - ist doch> richtig oder?
Natürlich.
Da du ein vollkommen geschlossenes Gehäuse hast, ist die Berechnung
einfach:
Du brauchst nur die Leistungsaufnahme der Schaltung und den
Wärmewiderstand des Gesamtgehäuses zur Umgebung.
Bei beispielsweise 1 K / W Wärmewiderstand und 1 W Leistungsaufnahme
wird es im Gehäuse 1 GradC wärmer sein als draussen, Achtung, die
Wärmeübergangswiderstände der Oberflächen sind meist das bestimmende.
Wir warm dann einzelne Bauteile sind, kannst du weiter rechnen, denn die
Gehäuseinnentemperatur ist dann DEREN "ambient temperature".
Joe G. schrieb:> Volker Schulz schrieb:>> Was natuerlich auch nur (ansatzweise) stimmt, wenn die>> Umgebungstemperatur immer auf exakt dem gleichen Wert gehalten wird>> (also die vom Gehaeuse abgegebene Energie wiederum abgibt).>> Wer möchte, kann ja den Raum mit in die Rechnung nehmen. Wenn es draußen> Winter ist, und nur das Gerät heizt, wird es ganz schön kalt (siehe> Beispiel).
Ich wollte nicht sagen dass Du Unrecht hast, nur darauf hinweisen dass
es nur dann relativ einfach zu berechnen ist, wenn man einiges
simplifiziert (so wie Du das gemacht hast und auch MaWin gerade). Das
geht dann aber auf Kosten der Genauigkeit und schon lohnt sich der ganze
Aufwand unter Umstaenden nicht mehr. ;)
Volker
Ein überschlägiger Ansatz:
Die Wärmeleitfähigkeit
Luft im Gehäuse ---> Gehäuse ---> Luft außerhalb des Gehäuses
beträgt angenähert 3W / (m**2 * K) (Wärmeleitfähigkeit des
Gehäusematerials wesentlich größer als Wärmeleitfähigkeit der
Gehäuse-Luft-Übergänge). Das Ganze gilt bei "ruhender" Luft.
Bernhard
Wahnsinn wie schnell man hier immer wieder gute Antworten bekommt :-)
Ich danke euch vielmals.
Mir reicht eine überschlägige Rechnung vollkommen aus, d.h. ich gehe
auch von stehender Außenluft und konstanter Außentemperatur aus. Ich
brauchs nicht aufs Zehntel Grad genau.
Ich will einfach wissen, wie hoch die Maximaltemperatur in diesem
Gehäuse ist bei einer festen Außentemperatur und konstanter
Leistungsaufnahme der Elektronikschaltung.
Ich werde also mal versuchen herauszufinden welchen thermischen
Widerstand das Gehäuse hat, um die Temperaturdifferenz ausrechnen zu
können.
Als thermischen Gesamtwiderstand nehme ich dann zweimal den Widerstand
von Gehäuse-Material zu Luft an, oder?
Volker Schulz schrieb:> ... schrieb:>> Die Temperatursteigerung ist unabhängig von der Außentemperatur, das>> reduziert die Zahl der Parameter schon mal.>> In der grauen Theorie vielleicht, wenn man das Gehaeuse als> (thermodynamisch) geschlossenes System betrachtet. In der Praxis gibt's> das natuerlich nicht.
Was hat das jetzt mit einem (thermodynamisch) geschlossenes System zu
tun?
Die Temperatursteigerung ist alleine durch innen erzeugt Wärme und
Wärmeübergangswiderstand nach Außen bestimmt. Die Außentemperatur spielt
keine Rolle. Wenn es Außen 10 K wärmer ist, wird es drinnen auch 10 K
wärmer.
D. Fries schrieb:> Als thermischen Gesamtwiderstand nehme ich dann zweimal den Widerstand> von Gehäuse-Material zu Luft an, oder?
Nein, nur einmal. Er beinhaltet schon die Mantelfläche des Gehäuses.
... schrieb:> Was hat das jetzt mit einem (thermodynamisch) geschlossenes System zu> tun?> Die Temperatursteigerung ist alleine durch innen erzeugt Wärme und> Wärmeübergangswiderstand nach Außen bestimmt. Die Außentemperatur spielt> keine Rolle. Wenn es Außen 10 K wärmer ist, wird es drinnen auch 10 K> wärmer.
Eben. Nur wenn die Umgebungstemperatur < Gehaeusetemperatur ist, kann
das Gehause aber Energie abgeben und zwar nur so lange, bis
Umgebungstemperatur = Gehaeusetemperatur ist. Dass die
Umgebungstemperatur (an der Oberflaeche des Gehaeuses) konstant bleibt
ist praktisch unmoeglich (zumindest solange das Gehause noch Energie
abfuehrt).
Volker
Bernhard R. schrieb:> Die Wärmeleitfähigkeit> Luft im Gehäuse ---> Gehäuse ---> Luft außerhalb des Gehäuses> beträgt angenähert 3W / (m**2 * K)
Hallo Bernhard,
der Wert ist wirklich 3 W/(m²K).
Oder anders gerechnet, wenn ich 10W abführen will und mein Gehäuse ein
Würfel mit 10cm Kantenlänge ist dann hätte ich
deltaT = 10W/ (6 * 0,1²m² 10W 3(W/m²K)) = 10 / (6 * 0,01 * 3) K =
10K/0,18 also ungefähr 60K.
Kommt das hin?
Gruß Udo
Volker Schulz schrieb:> Eben. Nur wenn die Umgebungstemperatur < Gehaeusetemperatur ist, kann> das Gehause aber Energie abgeben und zwar nur so lange, bis> Umgebungstemperatur = Gehaeusetemperatur ist. Dass die> Umgebungstemperatur (an der Oberflaeche des Gehaeuses) konstant bleibt> ist praktisch unmoeglich (zumindest solange das Gehause noch Energie> abfuehrt).
Konkret gehe ich von einer maximalen Umgebungstemperatur von 140°C aus
und möchte wissen, wie warm die Luft im Gehäuse maximal werden kann.
Wo kommen denn diese 3 W/(m²K) her? Ist es hier egal aus welchem
Material das Gehäuse ist und wie dick es ist?
Entschuldigung für das Doppel-Posting.
Eine Frage habe ich noch:
Welchen Wert setze ich denn für die Fläche ein? Die
Gehäuseinnenoberfläche, die Gehäuseaußenoberfläche oder den Mittelwert
aus beiden? Je dicker das Gehäuse ist desto größer ist ja der
Unterschied.
D. Fries schrieb:> Konkret gehe ich von einer maximalen Umgebungstemperatur von 140°C aus> und möchte wissen, wie warm die Luft im Gehäuse maximal werden kann.
Die 140°C helfen dir wenig. Du mußt wissen, welche Leistung das
Bauelement abgibt. In meiner obigen Gleichung also das Qp
D. Fries schrieb:> Welchen Wert setze ich denn für die Fläche ein? Die> Gehäuseinnenoberfläche, die Gehäuseaußenoberfläche oder den Mittelwert> aus beiden? Je dicker das Gehäuse ist desto größer ist ja der> Unterschied.
Die Gehäuseausßenoberfläche. Die Temperaturdifferenz durch Wärmeleitung
durch das Gehäuse vernachlässigen wir mal.
Joe G. schrieb:> Die 140°C helfen dir wenig. Du mußt wissen, welche Leistung das> Bauelement abgibt. In meiner obigen Gleichung also das Qp
Ja, das habe ich mittlerweile verstanden, danke ;-)
Klar, die Leistungsaufnahme der Schaltung kenne ich.
Muss nur noch rausfinden welchen Wärmedurchgangskoeffizient das
Gehäusematerial hat, damit ich weiß, ob ich mit den überschlägigen
3W/m²K rechnen kann.
D. Fries schrieb:> Wo kommen denn diese 3 W/(m²K) her? Ist es hier egal aus welchem> Material das Gehäuse ist und wie dick es ist?
3W / (m**2 * K) ist der Wärmeleitwert für 2 hintereinander geschaltete
Wand-Luft-Übergänge - jeweils 6W / (m**2 * K). Steht in jedem
Tabellenwerk für Bauingenieure und Bauhandwerker. Der berühmte k-Wert
von Wänden, Türen und Fenstern entspricht genau diesem Wärmeleitwert.
Material und Dicke der Gehäusewand spielen erst dann eine Rolle, wenn
der Wärmeleitwert des Gehäuses entsprechend niedrig wird (dicke Wände
aus schlecht wärmeleitendem Material).
Bernhard
Hallo,
U-Wert = 3W/qmK ?
Du hast doch vielleicht 3 Übergänge Feststoff-Luft.
Schaltungsbausteine an Gehäuseluft, (alpha= 5,7 W/qmK bei ruhender Luft
)
Gehäuseluft -- Gehäuseaußenwand,
--( Vernachlässigtes Gehäuse Alu 270 W/qmK, Edelstahl 15 W/qmK )
Gehäuseaußenwand--Außenluft
U-Wert = 5,7/3 = 1,9 W/qmK
Zur Schaltung müsste man wissen, ob nur der Strom der elektronischen
Schaltung relevant ist.
Wenn sich alles nur innerhalb der Kiste abspielt ist es ja gut, wenn
aber z.B. Leistungshalbleiter für einen Motor mit zig Ampere geschaltet
werden, sind deren Durchlassverluste+Schaltverluste wohl dominant.
Vielleicht hilt das hier, wenn die Dicke der inneren Luftschicht bekannt
ist:
http://www.zukunft-haus.info/fileadmin/zukunft-haus/documents/berechnungen/uebergangswiderstaende_luftschichten.pdf
Aus Seite 2 ist eine Tabelle mit 1/k-Werten
Aber es geht dort um Gebäude, des erkennt man auch daran, dass als
äußerer Übergangsleitwert 0,04 == 20 W/qmK angenommen ist, dazu braucht
es schon Wind.
Das ist wohl geeigneter:
http://www.schweizer-fn.de/stoff/wuebergang_gase/v2_wuebergang_gase.htm
@feinmechaniker:
Du hast wohl die Wärmeübertragungsvorlesung geliebt ;-)
Prandtl Nusselt Grashof, da wird einem ja schwindelig
Horst Hahn schrieb:> @feinmechaniker:> Du hast wohl die Wärmeübertragungsvorlesung geliebt ;-)
Darf ich ehrlich sein?
Ich hatte keine Vorlesung in Wärmeübertragung. Es gibt jedoch Bücher und
lesen hatte ich auch schon recht frühzeitig gelernt.
Horst Hahn schrieb:> Wenn sich alles nur innerhalb der Kiste abspielt ist es ja gut, wenn> aber z.B. Leistungshalbleiter für einen Motor mit zig Ampere geschaltet> werden, sind deren Durchlassverluste+Schaltverluste wohl dominant.
Es gibt kein wirklich dominantes Bauteil.
Die mittlere Leistungsaufnahme beträgt 0,39W.
Ich habe nun den Wärmewiderstand des Materials herausgefunden: 0,27
W/mK. Diesen muss ich durch die Materialdicke teilen, damit ich auf den
Wärmedurchgangskoeffizient [W/m²K] komme, richtig?
Angenommen die Dicke ist 3mm, dann erhalte ich einen
Wärmedurchgangskoeffizient von 90 W/m²K.
So wie ich das sehe, kann ich diesen also vernachlässigen.
Bei 0,39W Leistung und einer Gehäuseoberfläche von 5000mm² komme ich
also auf einen Temperaturanstieg von 26°C.
Horst Hahn schrieb:> Du hast doch vielleicht 3 Übergänge Feststoff-Luft.
Ich möchte aber eigentlich nur die Lufttemperatur im inneren des
Gehäuses wissen, da sich darauf ja die in den Datenblättern der
Elektronikbauteile angegebene Operating Temperature bezieht.
D. Fries schrieb:> Ich habe nun den Wärmewiderstand des Materials herausgefunden: 0,27> W/mK. Diesen muss ich durch die Materialdicke teilen, damit ich auf den> Wärmedurchgangskoeffizient [W/m²K] komme, richtig?> Angenommen die Dicke ist 3mm, dann erhalte ich einen> Wärmedurchgangskoeffizient von 90 W/m²K.> So wie ich das sehe, kann ich diesen also vernachlässigen.
Was du gerade ausgerechnet hast, ist die Temperaturdifferenz durch
Wärmeleitung. Du hast die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials
genutzt. Der größere Anteil ist jedoch die Konvektion. Du mußt also den
(thermischen) Konvektionswiderstand benutzen oder bestimmen.
Joe G. schrieb:> Was du gerade ausgerechnet hast, ist die Temperaturdifferenz durch> Wärmeleitung. Du hast die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials> genutzt. Der größere Anteil ist jedoch die Konvektion. Du mußt also den> (thermischen) Konvektionswiderstand benutzen oder bestimmen.
Aber ich habe doch nun mit den 3W/m²K gerechnet.
Bzw. wenn ich die 90W/m²K noch dazu rechne, komme ich auf 2,9W/m²K.
Wozu brauche ich denn nun diesen thermischen Konvektionswiderstand? Ich
gehe drinnen als auch draußen von stehender Luft aus - das sollte doch
dann der Worst Case sein, den ich haben will?
Joe G. schrieb:> Schreib doch bitte nochmal genau auf was du rechnest. Ich komme mit> deinen Werten auf ein delta T von 0.867 K.
Du hast mit 90 W/m²K gerechnet. Dieser Wert ist aber nur auf das
Gehäusematerial bezogen ohne die Luftübergänge!
Wärmewiderstand des Gehäusematerials: 0,27 W/(mK)
mittlere Gehäusewandstärke: 0,0025 m
Wärmedurchgangskoeffizient Gehäuse: 0,27 W/(mK) / 0,0025 m = 108 W/(m²K)
Wärmedurchgangskoeffizient Luft - Gehäuse: 6 W/(m²K)
Gesamtwärmedurchgangskoeffizient Luft - Gehäuse - Luft:
1 / ( 1 / 6 W/(m²K) + 1 / 6 W/(m²K) + 1 / 108 W/(m²K) ) = 2,92 W/(m²K)
Gehäuseoberfläche: 5000 mm² = 0,005 m²
mittlere Leistungsaufname: 0,392 W
resultierende Temperaturdifferenz:
0,392 W / ( 0,005 m² * 2,92 W/(m²K) ) = 26,8 K
