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Wärmemanagement Elektrogehäuse richtig kühlen

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Joachim Gräfer / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Die Miniaturisierung von Elektromechanik und Elektronik führt zu immer höheren Packungsdichten – das wirkt sich auf die Erwärmung der Elektronik aus. Phoenix Contact unterstützt mit passiven Kühlkörpern und Thermosimulationen.

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Im Gehäusebereich sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt – bei hoher Packungsdichte muss gekühlt werden.
Im Gehäusebereich sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt – bei hoher Packungsdichte muss gekühlt werden.
(Bild: Phoenix Contact)

Elektronik-Leergehäuse müssen weit mehr als nur die Leiterplatte mit der elektronischen Schaltung aufnehmen. Die elektrischen Anschlüsse zur Energieversorgung und Signalführung müssen von außen in das Gehäuse zur Leiterplatte und wieder zurückgeführt werden. Das Gehäuse soll möglichst kompakt sein – und dabei einen Schutz gegen das Eindringen von Schmutz sowie gegen das versehentliche Berühren spannungsführender Teile im Innern bieten. Und dann ist da noch das Problem mit der Wärme. Wenn auf der Leiterplatte Prozessoren mit hohem Leistungsvermögen oder sogar Leistungshalbleiter mit nicht vermeidbarer Verlustleistungsabgabe eingesetzt werden, könnte es zu heiß werden.

Lüftungsschlitze, Gebläse, Kühlrippen

Eine Möglichkeit, Wärme abzuführen, besteht darin, die physikalische Strömungsrichtung auszunutzen. Das Gehäuse wird mit Lüftungsschlitzen versehen, sodass es auf der Tragschiene – wie in einem Kamin – von kühlender Umluft durchströmt wird. Die am Bauteil entstehende Verlustwärme wird nach oben abgeführt. Wichtig ist die Breite der Lüftungsschlitze: Unter 2 mm haben sie fast keine Wirkung, über 2,5 mm schränken sie den gewünschten Berührungsschutz ein. Beim ICS-Gehäuse (Industrial Case System) von Phoenix Contact können Seitenteile mit Lüftungsschlitzen beliebig platziert werden.

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Auch die Wahl eines breiteren Gehäuses ist für die Zirkulation der Kühlluft und für die Wärmeabfuhr von Vorteil. Die physikalischen Durchströmungseffekte können zudem durch aktive Elemente unterstützt werden – etwa durch einen Lüfter. Dieser bewirkt, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Gehäuse stark steigt und deutlich mehr Wärmeenergie abgeführt werden kann. Nachteil des Lüfters ist das Ausfallrisiko, viele Gerätebetreiber wollen auch keine beweglichen Komponenten in ihren Applikationen. Mit der Kühlluft gelangt zudem ein nicht zu vernachlässigender Schmutzanteil in das Gehäuse, zusätzlich ist der Energiebedarf des Lüfters zu beachten.

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Reicht die normale Konvektion der durchströmenden Luft durch das Gehäuse zur Kühlung nicht aus, werden passive Kühlkörper in Betracht gezogen – aus wärmeleitfähigen Metallen wie Kupfer oder Aluminium. Um die Oberfläche des Kühlkörpers zu vergrößern, wird der Rohkühlkörper aus Aluminium im Strangpressverfahren mit Rippen ausgeführt.

Gehäuse mit neuer Führungs- und Einschubtechnik

Diese Betrachtungen flossen bei der Konzeption des ICS-Gehäuses ein, das in den Breiten 20 mm, 25 mm und 50 mm erhältlich ist. Das Gehäusesystem ist mit einer neuartigen Führungs- und Einschubtechnik ausgestattet. Die bestückte Leiterplatte, auf der die erforderliche Anschlusstechnik aufgebracht ist, wird mittels systemeigener Führungstechnik in das offene Gehäuseunterteil eingeschoben und verrastet. Beispielhafte Anschlusstechnik sind hier Grundleisten für den Steckeranschluss, RJ45- und USB-Anschlüsse für Industrie-4.0- Anwendungen sowie D-Sub- und Antennenanschlüsse.

Das Montagesystem begünstigt die Integration des Kühlkörpers, der in der maximalen Gehäusebreite direkt auf der Leiterplatte platziert und mit dem zu kühlenden Bauelement thermisch leitend verbunden wird. Anschließend wird die bestückte Leiterplatte mit dem festmontierten Kühlkörper als Gesamtpaket in das Gehäuse eingeschoben. So wird durch Konvektion ein Vielfaches an Leistung – im Vergleich zur Anwendung ohne Kühlkörper – aus einem 50 mm breiten Gehäuse abgeführt.

Bei einer Wärmequelle mit 85 °C auf einer Leiterplatte und thermischer Kopplung mit einem Kühlkörper aus Aluminium kann bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C eine Verlustleistung von maximal 28 W abgeführt werden. Bei 40 °C sind es 15 W und bei 60 °C noch 6 W. Für eine gute Wärmeabgabe sollte der Hotspot am Kühlkörper möglichst mittig platziert sowie thermisch optimal angebunden sein.

Veranstaltungstipp

Die Cooling Days bieten geballtes Wärmemanagement-Knowhow und stellen zahlreiche neue Technologien und Produkte vor.

Mit Simulation wärmekritische Bauteilpositionierungen vermeiden

Die Simulation ermöglicht es, wärmekritische Bauteilpositionierungen zu vermeiden und geeignete Entwärmungsmaßnahmen in den Leiterplatten-Layouts und Geräten zu berücksichtigen. Für die Simulation und Unterstützung bei der Auslegung des Thermomanagements bietet Phoenix Contact dem Entwickler einen abgestuften Service.

Bereits die Angaben in den Datenblättern für Elektronik und Leergehäuse geben Aufschluss darüber, ob das Gehäuse die zu erwartende Verlustleistung ohne zusätzliche Maßnahme abführen kann. Sind Abschätzung und Auslegung unzureichend, stellt der Entwickler sein Gehäuse und die gewünschte Anschlusstechnik im Online-Gehäusekonfigurator zusammen. Als Ergebnis erhält er die Stückliste, 3D-Daten und PCB-Out­line. Für eine kostenfreie Simulation kann der Interessent bis zu drei Hotspots eingeben. Alle Informationen einschließlich der Daten für die spätere Kontaktaufnahme werden automatisch in einer XML-Datei hinterlegt und an das Simulationstool übertragen. Hier werden die Daten eingelesen, verarbeitet, und im vorbereiteten Ausgabeformat an den Kunden versendet.

Simulations-Support von Phoenix Contact

Wird ein Simulations-Support gewünscht, bietet sich Phoenix Contact als Entwicklungspartner für die thermischen Optimierung an – etwa wenn mehr als drei Hotspots für die Wärmeentwicklung betrachtet werden müssen oder wenn die Wärmeabfuhr in der eingegebenen Konstellation nicht ausreicht.

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* Dipl.-Ing. Joachim Gräfer arbeitet im Produkt-Marketing Electronics Enclosures, Device Connector Solutions bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.

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