Einseitig eingepresste Rohre
Einseitg eingepresste Kupfer‑, Aluminium‑, oder Edelstahlrohre für hohe Verlustleistungen. (...)
Wärmewiderstand berechnen
Der thermische Widerstand Rth ist der zentrale Kennwert bei der Kühlkörperauslegung. Geben Sie Verlustleistung und Temperaturgrenzen ein: Der Rechner ermittelt den erforderlichen Rth sofort.
Warum ist der Wärmewiderstand entscheidend?
Jedes elektronische Bauteil hat eine maximale Betriebstemperatur, die nicht überschritten werden darf. Der Kühlkörper muss die entstehende Verlustleistung so abführen, dass diese Grenze eingehalten wird. Der thermische Widerstand Rth (Einheit: K/W) beschreibt, wie effizient ein Kühlkörper das leistet: Je kleiner der Rth, desto mehr Wärme kann bei gleicher Temperaturdifferenz abgeführt werden.
Rth-Rechner
W
°C
°C
Einheit des Wärmewiderstands: Kelvin pro Watt (K/W)
Der Wärmewiderstand Rth wird in Kelvin pro Watt (K/W) angegeben, gleichbedeutend mit °C/W. Der Wert gibt an, um wie viel Kelvin sich ein Bauteil pro Watt abgeführter Verlustleistung erwärmt. Ein Rth von 0,1 K/W bedeutet: Bei 100 W Verlustleistung steigt die Temperatur um 10 K gegenüber dem Kühlmedium. Je kleiner der K/W-Wert, desto leistungsfähiger der Kühlkörper.
Formel und Herleitung
ΔT = T_max − T_0 Die Temperaturdifferenz ergibt sich aus der maximalen Bauteiltemperatur minus der Umgebungs- oder Vorlauftemperatur des Kühlmediums.
R_th = ΔT / P_V Der erforderliche thermische Widerstand ergibt sich aus der Temperaturdifferenz dividiert durch die Verlustleistung. Einheit: K/W.
Gesamtwärmewiderstand: die Widerstandskette
Der berechnete Rth ist der Gesamtwärmewiderstand vom Bauteil bis zum Kühlmedium. In der Praxis setzt er sich aus mehreren in Reihe geschalteten Teilwiderständen zusammen:
R_th,ges = R_th,JC + R_th,CH + R_th,HA - R_th,JC – Sperrschicht zu Gehäuse (junction-to-case, aus dem Bauteil-Datenblatt)
- R_th,CH – Gehäuse zu Kühlkörper (Wärmeleitpaste, Isolierscheibe, Kontaktübergang)
- R_th,HA – Kühlkörper zu Umgebung bzw. Kühlmedium (der auslegbare Anteil)
Jeder Übergang addiert sich. Der Kühlkörper muss so ausgelegt werden, dass die Summe aller Teilwiderstände den erforderlichen Gesamt-Rth nicht überschreitet.
Berechnungsbeispiel aus der Praxis
Ein IGBT-Modul hat eine maximale Sperrschichttemperatur von 70 °C. Die Verlustleistung beträgt 2.000 W, die Kühlwasservorlauftemperatur 20 °C.
-
ΔT = 70 °C − 20 °C = 50 K -
R_th = 50 K / 2.000 W = 0,025 K/W
Der erforderliche Gesamtwärmewiderstand beträgt 0,025 K/W. Dieser Wert ist nur mit Flüssigkeitskühlung erreichbar.
Richtwerte: typischer Wärmewiderstand nach Kühlart
Die folgende Tabelle ordnet typische Rth-Bereiche der jeweils geeigneten Kühltechnologie zu. Sie hilft, den berechneten Wert schnell einzuordnen und die passende Kühlstrategie zu wählen.
| Erforderlicher Rth | Geeignete Kühlart | Typische Anwendung |
|---|---|---|
| > 0,2 K/W | Standard-Luftkühlkörper | Geringe Verlustleistung, ausreichend Bauraum und Luftstrom |
| 0,05 – 0,2 K/W | Hochleistungs-Luftkühlung (Bondfin, Pinfin) | Mittlere Verlustleistung, begrenzter Bauraum |
| < 0,05 K/W | Flüssigkeitskühlung (Monopress, Structureflow) | Hohe Leistungsdichte, IGBT-Module, Umrichter |
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Häufige Fragen
Der Wärmewiderstand Rth ist eine Systemkenngröße, die angibt, wie stark sich ein Bauteil pro Watt Verlustleistung erwärmt. Er wird in Kelvin pro Watt (K/W) gemessen. Ein niedriger Wert bedeutet, dass viel Wärme bei geringer Temperaturdifferenz abgeführt wird – der Kühlkörper arbeitet effizient.
Der Wärmewiderstand wird in Kelvin pro Watt (K/W) angegeben, gelegentlich auch in °C/W – für Temperaturdifferenzen sind beide Einheiten gleichwertig. Der Wert beschreibt die Temperaturerhöhung pro Watt abgeführter Verlustleistung.
Die Wärmeleitfähigkeit λ (W/mK) ist eine Materialeigenschaft und gibt an, wie gut ein Stoff Wärme leitet. Der Wärmewiderstand Rth (K/W) ist eine Systemeigenschaft und beschreibt, wie viel Temperaturdifferenz für eine bestimmte Wärmeleistung im Gesamtsystem entsteht. Rth hängt von Material, Geometrie, Kontaktübergängen und Strömungsverhältnissen ab.
Nein. Der Rechner berechnet den gesamten erforderlichen Wärmewiderstand vom Bauteil zum Kühlmedium. In der Praxis setzt sich dieser Wert aus mehreren Teilwiderständen zusammen: Halbleiter → Gehäuse → Wärmeleitpaste → Kühlkörper → Kühlmedium. Jeder dieser Übergänge muss in einer detaillierten Auslegung berücksichtigt werden.
Ein sehr kleiner Rth (< 0,05 K/W) bedeutet, dass sehr viel Wärme auf kleinem Temperaturunterschied abgeführt werden muss. Das ist mit Luftkühlung praktisch nicht erreichbar. Flüssigkeitskühlung ist in diesem Fall erforderlich. COOLTEC bietet verschiedene Bauweisen von Monopress bis Structureflow an.
Die Berechnung ist eine erste Abschätzung auf Basis vereinfachter Annahmen. Sie eignet sich zur Vordimensionierung und Einschätzung der Kühlstrategie. Für die endgültige Auslegung sind Thermosimulationen, Messungen und konkrete Geometriedaten erforderlich.
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