Die durch joulesche Erwärmung erzeugte Wärme kann zu einem Temperaturanstieg führen, den es zu überwachen und zu steuern gilt – unabhängig davon, ob danach eine Wärmeabfuhr per Konvektion oder Konduktion erfolgt. Mit dem passenden Tool, das im Webinar Optimierung der Wärmeleistung resistiver Bauteile mit digitalem Modell  erklärt wird, geht das schnell, einfach und ganz ohne spezifische Vorkenntnisse. Hier zunächst ein paar Hintergrund-Informationen zur Problematik.

Konduktion und Konvektion

Konduktion (Wärmeleitung) und Konvektion sind in der Regel die primären Mechanismen, die die Wärmeübertragung während eines Prozesses oder in einem Gerät bestimmen. Die Konduktion erfolgt durch feste Komponenten wie Motoren und Drähte, während die Konvektion durch Strömungskanäle wie zum Beispiel einen offenen Raum für die Luftströmung um eine Wärmequelle herum erfolgt.

Webinar

Das Webinar „Optimierung der Wärmeleistung resistiver Bauteile mit digitalem Modell“ findet am 26. November 2019 von 14 bis 15 Uhr statt. Wie die Erstellung eines Multi­physikmodells aussieht und wie sich eine Simulations-Applikation für das eigene Unternehmen praktisch entwickeln lässt, demonstriert Phillip Oberdorfer, Technical Marketing Manager bei Comsol Multiphysics, in dem kostenlosen Webinar. Moderiert wird das Webinar von Dr.-Ing. Nicole Ahner und Alfred Vollmer, die beide im Redaktionsteam von all-electronics arbeiten. Zum Webinar können Sie sich hier anmelden.

Die Simulationsergebnisse zeigen die Beiträge von konduktivem Wärmestrom (oben links), konvektivem Wärmestrom (oben rechts) und Oberflächenradiosität (unten links) zum Gesamtwärmestrom (unten rechts) eines Kühlkörpers.

Die Simulationsergebnisse zeigen die Beiträge von konduktivem Wärmestrom (oben links), konvektivem Wärmestrom (oben rechts) und Oberflächenradiosität (unten links) zum Gesamtwärmestrom (unten rechts) eines Kühlkörpers. Comsol

Konvektion wird oft über Lüfter erzwungen, und Kühlkörper nutzen die Konvektion, um Energie von temperaturempfindlichen Bereichen wegzuleiten. Der Wärmestrom q‘ (W) hängt von den zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen ab, die den Übertragungsmodus definieren. Die Konduktion resultiert aus der Übertragung von Energie durch Elektronenbewegungen und Molekülschwingungen und tritt in stationären festen oder flüssigen Medien auf, wenn ein Temperaturgradient vorliegt. Das Fourier-Gesetz besagt, dass der Wärmestrom proportional zum Temperaturgradienten ist, multipliziert mit der Wärmeleitfähigkeit k (W⁄(m2∙K)).

q“ = -k · ∇T

Die konvektive Kühlung an einer Oberfläche wird durch die Fluidbewegung induziert und resultiert aus der Energieübertragung durch Massen- oder makroskopische Bewegungen des Fluids. Erzwungene oder freie (natürliche) Konvektion tritt auf, wenn der Fluidstrom durch äußere Einwirkungen oder die Auftriebskräfte verursacht wird. Die als Newton‘sches Gesetz der Kühlung bekannte Ratengleichung wird als Randbedingung für Konvektionsprobleme verwendet.

q“ = -h · (Ts – T)

Der Parameter h (W⁄(m2∙K)) ist der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient: Dabei ist Ts(K) die Oberflächen- und T(K) die Fluidtemperatur. Zusätzlich kann auch Strahlung zur Wärmeübertragung eines Objekts beitragen, sie tritt zwischen opaken (undurchsichtigen) Oberflächen bei unterschiedlichen Temperaturen mit oder ohne weitere teilnehmende Medien auf. Die Nettorate der Strahlungswärmeübertragung von einer Oberfläche wird durch die Differenz zwischen ihrer Abstrahlleistung und der von ihr empfangenen Strahlung ermittelt:

q“ = -(ε ·σ · TS4 – α · G)

Dabei ist ϵ (dimensionslos) der Emissionsgrad, σ (W(⁄m2∙K4)) die Stefan-Boltzmann-Konstante, α (dimensionslos) das Absorptionsvermögen und G (W⁄m2) ist die empfangene Strahlung. Die drei genannten Arten der Wärmeübertragung können simultan auftreten und sollten in den meisten Thermomanagementanwendungen Berücksichtigung finden. Das Bild zeigt, inwieweit jeder Wärmeübertragungsmechanismus zum Gesamtwärmestrom in einem numerischen Modell eines Kühlkörpers beiträgt.