Wärmeabfuhr in der Elektronik: mit 12 Tabellen
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Braunschweig [u.a.]
Vieweg
1991
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MAXIMILIAN WUTZ
WAERMEABFUHR
IN DER ELEKTRONIK
MIT 150 BILDERN UND 12 TABELLEN
VIEWEG
IMAGE 2
VIII
INH ALTSVERZ EICHNIS
1 EINLEITUNG 1
1.1 DIE GRUNDSAETZLICHE BEDEUTUNG DER WAERMEABFUHR IN DER ELEKTRONIK .. 1
1.2 PHYSIKALISCHE GRUNDPRINZIPIEN DER WAERMEUEBERTRAGUNG 2
2 WAERMEUEBERTRAGUNG DURCH LEITUNG 3
2.1 WAERMELEITUNG UND STROMTRANSPORT 3
2.1.1 DIE QUANTITATIVE ANALOGIE VON WAERME- UND STROMLEITUNG 3
2.2 STROM- UND WAERMETRANSPORT IN RECHTWINKLIGEN KOERPERN 4
2.3 WAERMETRANSPORT IN KOMPLIZIERTEREN KOERPERN 9
2.4 STOFFWERTE DER WAERMELEITFAEHIGKEIT 9
3 WAERMEUEBERTRAGUNG DURCH KONVEKTION 12
3.1 DIE DEFINITION DES WAERMEUEBERGANGES VON EINER WAND AUF EIN FLUID
(WAERMEUEBERGANGS- UND WAERMEDURCHGANGSKOEFFIZIENT 12
3.2 DIE DEFINITION DER ZAEHIGKEIT 15
3.3 WAERMEUEBERGANG BEI DER PLATTE 16
3.3.1 WAERMEUEBERGANG BEI ERZWUNGENER STROEMUNG 16
3.3.1.1 DIE GRUNDGLEICHUNGEN FUER DIE WAERMEUEBERTRAGUNG . . .. 17 3.3.1.2
DAS KONZEPT DER GRENZSCHICHT 18
3.3.1.3 KENNGROESSEN (KENNZAHLEN) 19
3.3.1.4 DIE BESTIMMUNG DES WAERMEUEBERGANGSKOEFFIZIENTEN .. 21 3.3.2
WAERMEUEBERGANG BEI AUFTRIEBSSTROEMUNG 26
3.3.3 OBJEKTIVE KRITERIEN FUER DIE VEREINFACHUNG 30
3.3.4 ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DES KONVEKTIVEN WAERMEUEBER GANGES 31
3.4 WAERMEUEBERGANG IM ROHR, KANAL UND (RING)SPALT 32
3.4.1 WAERMEUEBERGANG BEI ERZWUNGENER STROEMUNG 33
3.4.1.1 HYDRAULISCHER DURCHMESSER 33
3.4.1.2 STROEMUNG UND WAERMEUEBERGANG IM EINLAUF 35
3.4.2 WAERMEUEBERGANG BEI AUF TRIEB SSTROEMUNG 37
3.5 WAERMEUEBERGANG BEI VERDAMPFUNG UND KONDENSATION 39
3.5.1 VERDAMPFUNG 41
3.5.2 KONDENSATION 46
4 WAERMEUEBERTRAGUNG DURCH STRAHLUNG 50
4.1 ENERGIEAUSTAUSCH ZWISCHEN FLAECHEN 52
4.2 WAERMEUEBERGANGSKOEFFIZIENT BEI STRAHLUNGSAUSTAUSCH 54
IMAGE 3
INHALTSVERZEICHNIS
IX
5 WAERMEUEBERTRAGUNG BEI GLEICHZEITIGEM AUFTRETEN DER EINZELNEN WAERMEUEBER
TRAGUNGSPHAENOMENE 56
5.1 STATIONAERE PROBLEME 58
5.1.1 LINEARE PROBLEME. DER DUENNE STAB 58
5.1.1.1 KEINE ENERGIEZUFUHR UEBER DIE FLAECHE 62
5.1.1.2 NUR ENERGIEZUFUHR UEBER DIE FLAECHE 65
5.1.2 FLAECHENHAFTE PROBLEME. DIE DUENNE PLATTE 69
5.1.2.1 DIE RECHTECKPLATTE 70
5.1.2.2 DIE KREISFOERMIGE PLATTE (KREISRIPPE) 70
5.1.3 RAEUMLICHE PROBLEME 79
5.1.3.1 RECHTECKPROBLEME 80
5.1.3.2 DAS ROTATIONSSYMETRISCHE PROBLEM 81
5.2 NICHTSTATIONAERE PROBLEME 84
5.2.1 KEIN RAEUMLICHER TEMPERATURGRADIENT. TRANSIENTER WAERMEWIDER STAND
84
5.2.2 RAEUMLICHER TEMPERATURGRADIENT BEIM PIATTENFOERMIGEN KOERPER 86
5.2.2.1 HALBUNENDLICHE KOERPER 96
5.2.3 DIE BIOTZAHL ALS KRITERIUM DES RAEUMLICHEN TEMPERATURGRADIEN TEN
99
6 ELEKTRISCHE ANALOGIEN UND ANDERE VERFAHREN ZUR LOESUNG VON WAERMEABLEIT
PROBLEME 100
6.1 POTENTIALTHEORIE 100
6.1.1 EIGENSCHAFTEN DES POTENTIALFELDES 100
6.1.2 KUGEL- UND ZYLINDERSYMMETRISCHE POTENTIALFELDER 102
6.1.3 MATHEMATISCHE FORMULIERUNG 104
6.1.3.1 WICHTIGE LOESUNGEN DER POTENTIALGSEICHUNG 105
6.1.4 ANWENDUNGEN AUF WAERMEQUELLEN DES CHIPS 108
6.2 ZEICHNERISCHE ABSCHAETZUNG DES STROEMUNGSFELDES. WAERMESPREIZ WINKEL
111
6.3 EXPERIMENTELLE AUSNUTZUNG DER ELEKTRISCHEN ANALOGIE 113
6.3.1 STATIONAERE WAERMEUEBERTRAGUNG 113
6.3.2 NICHTSTATIONAERE WAERMEUEBERTRAGUNG 116
6.3.2.1 AUFHEIZUNG VON PIATTENFOERMIGEN KOERPERN 116
6.3.2.2 TRANSIENTER WAERMEWIDERSTAND 119
6.4 NUMERISCHE LOESUNGSVERFAHREN 121
6.4.1 STATIONAERE PROBLEME 121
6.4.1.1 ENERGIEBILANZVERFAHREN 121
6.4.1.2 DIFFERENZENVERFAHREN. DOPPELINDIZIERUNG 127
6.4.1.3 ITERATIONSVERFAHREN. GAUSS-SEIDEL-APPROXIMATION . . .. 128
6.4.1.4 NUMERISCHES BEISPIEL 129
6.4.2 NICHTSTATIONAERE PROBLEME 133
6.4.2.1 DIFFERENZENVERFAHREN 133
6.4.2.2 BERECHNUNGEN NACH DEM ELEKTRISCHEN ANALOGIE MODELL 135
IMAGE 4
X
INHALTSVERZEICHNIS
7 PRAXIS DER WAERMEUEBERTRAGUNG DURCH KONVEKTION UND STRAHLUNG 139
7.1 WAERMEUEBERGANG BEI NATUERLICHER KONVEKTION (AUFTRIEBSSTROEMUNG) . ..
139 7.2 WAERMEUEBERGANG BEI ERZWUNGENER STROEMUNG 140
7.3 WAERMEUEBERGANG DURCH STRAHLUNG 142
8 WESENTLICHE GRUNDPRINZIPIEN ZUR VERBESSERUNG DER WAERMEABFUHR AN DIE
UMGEBUNG 143
8.1 WAERMESPREIZUNG 143
8.1.1 PRINZIP UND TECHNISCHE GRENZEN DER WAERMESPREIZUNG 143
8.1.2 ABSCHIRMEFFEKTE. ANGABEN FUER DEN PRAKTIKER 145
8.2 KUEHLKOERPER 152
8.2.1 KUEHLKOERPER FUER AUFTRIEBSSTROEMUNG 154
8.2.2 KUEHLKOERPER BEI ERZWUNGENER STROEMUNG 157
8.2.2.1 FLUIDSTROM, FLUIDERHITZUNG UND DRUCKVERLUST 158
8.2.2.2 VERDICHTUNGSARBEIT. LUEFTER 162
8.2.2.3 KONVENTIONELLE KUEHLKOERPER 164
8.2.2.4 HOCHLEISTUNGSKUEHLKOERPER 166
8.3 WAERMEPUMPEN UND THERMOELEKTRISCHE KUEHLUNG 168
9 TECHNISCHE LOESUNGEN ZUR WAERMEABFUHR IN DER ELEKTRONIK 171
9.1 GRUNDKONZEPTION 171
9.1.1 DAS UEBERTRAGUNGSMODUL IM GEHAEUSE 173
9.1.2 DER KONTAKTWAERMEWIDERSTAND 176
9.1.3 DER TRANSIENTER WAERMEWIDERSTAND 179
9.1.3.1 TRANSIENTER WAERMEWIDERSTAND BEI IMPULSBELASTUNG . .. 183 9.2 DIE
WAERMEABFUHR BEI LEISTUNGSHALBLEITERN 187
9.2.1 LEISTUNGSHALBLEITER MIT HOHEN VERLUSTEN 188
9.2.1.1 LUFTKUEHLUNG 188
9.2.1.2 WASSER- UND OELKUEHLUNG 192
9.2.1.3 VERDAMPFUNGSKUEHLUNG 194
9.2.2 LEISTUNGSHALBLEITER MIT MITTLEREN VERLUSTEN 196
9.2.3 LEISTUNGSHALBLEITER MIT KLEINEN VERLUSTEN 199
9.3 DIE WAERMEABGABE BEI INTEGRIERTEN SCHALTKREISEN (ICS) 201
9.3.1 WAERMEABFUHR AUSSERHAIB DER SCHALTKREISEBENEN 201
9.3.1.1 DIE KUEHLUNG EINZELNER BAUELEMENTE 207
9.3.2 WAERMEABFUHR IN DER SCHALTKREISEBENE 207
9.3.2.1 QUANTITATIVE BESCHREIBUNG 209
9.3.2.1.1 WAERMEQUELLEN AM KARTENENDE 209
9.3.2.1.2 WAERMEQUELLEN GLEICHMAESSIG UEBER DIE FLAECHE VERTEILT 212
9.3.2.1.3 WAERMEQUELLEN UNGLEICHMAESSIG UEBER DIE FLAECHE VERTEILT 215
9.3.2.2 WAERMEABFUHRVERBESSERUNG DURCH LUEFTER 215
9.3.2.3 WAERMEWIDERSTAND VON BAUTEILGEHAEUSEN 217
IMAGE 5
INHALTSVERZEICHNIS XI
10 STROENTUNGSVORGAENGE UND THERMODYNAMIK: GRUNDLAGE DES WAERMEUEBER GANGS
218
10.1 GESETZMAESSIGKEITEN VON FLUIDEN 218
10.1.1 DAS KONZEPT DES FLUIDS 218
10.1.2 KENNGROESSEN VON FLUIDEN 218
10.1.3 ZUSTANDSGROESSEN 220
10.1.4 DIE ZUSTANDSGIEICHUNGEN VON FLUIDEN 220
10.1.4.1 DIE ZUSTANDSGIEICHUNGEN IDEALER GASE 221
10.1.5 DIE FLUIDKENNGROESSEN IM STROEMUNGSFELD 223
10.1.5.1 LOKALE UND ZEITLICHE ABLEITUNG 223
10.2 GRUNDZUEGE DER THERMODYNAMIK 224
10.2.1 DER ERSTE HAUPTSATZ: INNERE ENERGIE UND ENTHALPIE 224
10.2.1.1 GESCHLOSSENE SYSTEME 224
10.2.1.2 OFFENE SYSTEME 226
10.2.1.3 DIE DISSIPATIONSARBEIT 227
10.2.2 KALORISCHE ZUSTANDSGIEICHUNGEN 227
10.2.3 DER ZWEITE HAUPTSATZ 228
10.2.4 SPEZIELLE PROZESSE 229
10.2.4.1 ADIABATISCHE PROZESSE 229
10.2.4.1.1 DER ADIABATISCH REVERSIBLE PROZESS 229
10.2.4.1.2 DER ADIABATISCH IRREVERSIBLE PROZESS 230
10.2.4.2 DIE GASVERDICHTUNG 230
10.2.4.3 DER CARNOTPROZESS. WIRKUNGSGRAD UND LEISTUNGSZIFFER . 232
10.2.4.4 VERDAMPFUNG UND KONDENSATION IM P, V UND T, S E DIAGRAMM 235
10.3 EINDIMENSIONALE STATIONAERE STROEMUNG 236
10.3.1 DEFINITION 236
10.3.2 DIE ERHALTUNGSSAETZE VON MASSE, IMPULS UND ENERGIE 237
10.3.2.1 MASSENERHALTUNGSSATZ 237
10.3.2.2 IMPULSERHALTUNGSSATZ 238
10.3.2.3 ENERGIESATZ 240
10.3.3 DIE ISENTROPE STROEMUNG 240
10.3.3.1 INKOMPRESSIBLE FLUIDE. BERNOUUEI GLEICHUNG. HYDRO STATISCHER
DRUCK 241
10.3.3.2 KOMPRESSIBLE FLUIDE (GASDYNAMISCHE FUNKTIONEN) . .. 242
10.3.3.3 INKOMPRESSIBILITAETSKRITERIUM FUER KOMPRESSIBLE FLUIDE . 246
10.3.4 STROEMUNG IM ROHR KONSTANTEN QUERSCHNITTS MIT REIBUNG 247
10.3.4.1 ROHRWIDERSTAND, WIDERSTANDSBEIWERT 247
10.3.4.2 DIE ERHALTUNGSSAETZE 248
10.3.4.3 INKOMPRESSIBLE FLUIDE 248
10.3.4.4 KOMPRESSIBLE FLUIDE 249
10.3.5 STROEMUNG IM ROHR KONSTANTEN QUERSCHNITTS MIT REIBUNG UND
WAERMEZUFUHR 253
10.3.5.1 INKOMPRESSIBLE FLUIDE 253
10.3.5.1.1 STROEMUNG MIT AUFGEPRAEGTEM GASSTROM 255
10.3.5.1.2 AUFTRIEBSSTROEMUNG 257
10.3.6 DIE ALLGEMEINE GLEICHUNG DER EINDIMENSIONAIEN STROEMUNG . . .. 259
IMAGE 6
XII INHALTSVERZEICHNIS
10.4 NICHTSTATIOOAERE STROEMUNG IM RAUM VON KOMPRESSIBLEN FLUIDEN 260
10.4.1 DER MASSENERHALTUNGSSATZ. KONTINUITAETSGLEICHUNG 260
10.4.2 DER IMPULSSATZ. NAVIER-STOKESCHE GLEICHUNGEN 261
10.4.3 DER ENERGIESATZ 262
10.5 STATIONAERE STROEMUNG IM RAUM VON INKOMPRESSIBLEN FLUIDEN 265
10.5.1 DIMENSIONSLOSE SCHREIBWEISE DER ERHALTUNGSSAETZE 266
10.5.1.1 ERHALTUNGSSAETZE UNTER VERWENDUNG VON KENNGROESSEN .. 266 10.5.2
KRUMMLINIGE KOORDINATENSYSTEME 267
10.5.2.1 ZYLINDERKOORDINATEN 268
10.6 ZWEIDIMENSIONALE STATIONAERE SCHICHTSTROEMUNG 270
10.6.1 LAMINARSTROEMUNG IM KANAL 270
10.6.2 LAMINARSTROEMUNG IM ROHR 272
10.7 AUSBREITUNG VON STOERUNGEN (SCHALLGESCHWINDIGKEIT) 273
ANHANG
I STOFFGROESSEN VON FESTSTOFFEN UND FLUIDEN 274
1.1 METALLE UND HALBLEITER 275
1.2 METALL-LEGIERUNGEN 276
1.3 ANORGANISCHE HARTSTOFFE 277
1.4 ANORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 277
1.5 ORGANISCHE ISOLIERSTOFFE 278
1.6 FLUIDE 279
1.6.1 FLUIDE BEI VERSCHIEDENEN TEMPERATUREN 280
1.6.1.1 WASSER 280
1.6.1.2 R113: CC!F 2 -CC1 2 F 281
1.6.1.3 TRANSFORMATORENOEL (FLUESSIGKEIT) 281
LITERATURVERZEICHNIS 282
SACHWORTREGISTER 285
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