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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wärmewiderstand Alukasten


Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Hallo,

ich wollte einen Aluminiumkasten auch als Kühlkörper "missbrauchen"
Leider verzweifen ich an der Berechnung.
Laut Wikipdia hat Alu eine Wärmeleitfähigkeit von 221 W/mK

http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeleitf%C3%A4...
mein Gehäuse hat eine Gesamtoberfläche von 0,25m²
Nun komme ich mit der Formel auf irre Werte.
Ich brauche annähernd die Gehäusetemperatur bei Pab von 30Watt
(nur Schätzungsweise, genau geht eh nicht, denn der FET liegt nicht 
genau Zentral)
Hilft mir bitte jemand auch die Sprünge? ;)

Gruß Anselm

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Abmessungen des Kastens sowie Materialdicke wären da wichtiger zu wissen 
um helfen zu können.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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230x280x110 mm
Wanddicke sind 4mm

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Anselm 68 schrieb:
> 230x280x110 mm
> Wanddicke sind 4mm


Dann kannst Du um zumindest grob den Wäremwiderstand abzuschätzen die in 
der Literatur gängigen Diagramme für Wärmewiderstand von Kühlkörpern 
nutzen.

Als vorsichtige Schätzung komme ich da beim Ablesen auf ca. 2K/W. (ca. 
240 x 240, 4 mm, Al blank)

Da diese Diagramme aber von einer einfachen Platte ausgehen und Du ja 
mehr Oberfläche hast, dürfte der Wert vorsichtig geschätzt eher 
niedriger liegen.


Lackierung, Beschichtung des Gehäuses: erhöht dann den Wert wieder.

So mal als ganz grober Anhaltswert.

Alternative ist: Widerstand auf's Gehäuse schrauben, Thermometer 
installieren, 30W Heizleistung am Widerstand abfackeln, Thermometer 
erneut ablesen.

Aber daran hast du vermutlich auch gedacht.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Japp, Testlauf gibt es morgen.
Hab mir auf Lochraster eine KSQ gebaut mit einem 180W FET im Alu-Gehäuse 
;)
Mal sehen wie warm es wird...

Autor: Michael O. (mischu)
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Ich habe das Gefühl dass Du keine Ahnung hast was Du tust.

W/mK ist die Einheit "Watt pro (Meter Kelvin)" des Wärmeleitwerts lambda

Man stelle sich einen Quader Vor der Querschnittsfläche A und der Länge 
l.
An der einen Strirnseite wird vollflächig eine Wärmeleistung eingeprägt 
und an der anderen Stirnseite wieder entnommen. Dann kann man die 
Temperaturdifferenz zwischen den beiden Punkten mit dem Abstand l 
ausrechnen:

dT = P  lambda  A / l
bzw.
Rth = lambda * A / l

Der Wärmeleitwert von 220 W/mK bezieht sich auf reines Aluminium, 
Legierungen haben einen deutlich schlechteren Wert. 
Strangpresslegierungen liegen bei 180 W/mK und Druckgusslegierungen bei 
ca. 150 W/mK.

Das lambda / Rth des Aluminiums hilft dir aber so gut wie garnicht um 
dein Gehäsue zu charakterisieren.
Eigentlich möchtest Du ja den Rth zwischen dem Transistor/MOSFET und der 
Luft haben. Das Aluminium dient hier zur Wärmespreizung auf eine große 
Oberfläche. Um das ordentlich zu berechen benötigt man wohl eher eine 
Simulation....

Ohne etwas rechen zu können vermute ich, dass die Wandstärke nicht 
ausreichen wird, die 30W breit genug zu spreizen. Damit hättest Du auf 
der Gehäusewand einen Hotspot (kannst Dir wahrscheinlich von Außen die 
Foten verrennnen).
Ich würde Dir empfehlen den KK zunächst auf eine 5-10mm dicke, 100mm x 
100mm große Alu-Platte zu setzen und dann mit dem Gehäuse (incl. 
Interfacematerial) zu verbinden.

Autor: der mechatroniker (Gast)
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> Lackierung, Beschichtung des Gehäuses: erhöht dann den Wert wieder.

Komisch, meine Kühlkörper sind alle schwarz.

Im ernst: der Vorgang ist komplex, weil die Beschichtung die Kühlung 
durch Konvektion verschlechtert, aber die durch Strahlung verbessert. 
Welcher Effekt überwiegt, hängt ab von:
* Schichtdicke
* Luftströmung (erzwungene Konvektion vorhanden? Strömungshindernisse, 
Lage (horizontal/vertikal)
* Andere Wärmestrahlungsquellen in der Umgebung? (Was gut abstrahlt, 
absorbiert auch gut)

Als Faustregel: Unter 08/15-Bedingungen kommt man mit einer dünnen 
Schicht schwarzen Lacks oder auch Lötstopplack geringfügig besser weg.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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der mechatroniker schrieb:
>> Lackierung, Beschichtung des Gehäuses: erhöht dann den Wert wieder.
>
> Komisch, meine Kühlkörper sind alle schwarz.

Das mag ja wohl bei Dir so sein. Aber Deine KK sind nicht dick mit 
PU-Lack überzogen.
Oder mit Nextel beschitet.

Oder was man sonst so bei Gehäusen des öfteren vorfindet.

Dämmert es Dir nun?

Autor: Jens G. (jensig)
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@der mechatroniker (Gast)
jo - genau so ist es - und idealerweise sollte der Lack nicht glänzen, 
sondern matt/rauh sein.
Schwarze KK sind nicht wegen der Optik schwarz, sondern wegen dem 
besseren Abstrahlverhalten bei häheren Temp.-Differenzen zur Umgebung 
...

Autor: igitt (Gast)
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>beschitet.

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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Danke Michael für die Erklärung.
Mal sehen was mein Testaufbau Morgen erbringt.

Gruß Anselm

Autor: Kai Klaas (Gast)
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@Andrew
>Als vorsichtige Schätzung komme ich da beim Ablesen auf ca. 2K/W. (ca.
>240 x 240, 4 mm, Al blank)

Ich komme auf einen ähnlichen Wert. Allerdings gilt der Wert für eine 
vertikale Platte, an der die Luft frei strömen kann. Bei einer 
horizontalen Platte erhöht sich der Wert um den Faktor 1,3. Und ist die 
Platte schwarz, reduziert sich der Wert um den Faktor 0,7.

@Anselm
>Ich brauche annähernd die Gehäusetemperatur bei Pab von 30Watt
>(nur Schätzungsweise, genau geht eh nicht, denn der FET liegt nicht
>genau Zentral)

Die Temperatur des Gehäuses an der Kontaktstelle zum FET ist also 
näherungsweise 2K/W x 30W = 60K höher als die Umgebungstemperatur! An 
dieser Stelle hast du also einen Hot-Spot.

Du mußt bedenken, daß die Wärmeabgabe des Gehäuses an diesem Hot-Spot am 
effizientesten ist, weil hier der Temperaturunterschied zur 
Umgebungsluft am größten ist. Deshalb sollte gerade an diesem Hot-Spot 
die Wärmeabfuhr möglichst unbehindert sein. Hast du also die Wahl, 
deinen FET am Boden deines Gehäuses anzuornden, der in der Regel auf 
einer nicht gut wärmeleitenden Unterlage liegt oder an einer der Luft 
gut zugänglichen Seitenwand, dann ist die Seitenwand immer zu 
bevorzugen, auch wenn sie eine kleinere Fläche aufspannt.

Kai Klaas

Autor: Anselm 68 (anselm68)
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So, Testlauf über Nacht.

30W Abgabeleistung
Temperaturen bei Ta = 26°:
HotSpot (mit IR Kamera gemessen) 65°
1cm neben dem FET 55°
Mitte des Kastens 41°
Luft im Kasten dito

Also nurnoch eine Aluplatte rein (mit Ausfräsung genau unterm FET)

Anselm

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Fein, freut mich das es so funktioniert. Dann mal gutes Gelingen.

Aber vielleicht mal überdenken ob ein Warnhinweis auf dem Kasten nicht 
sinnvoll ist (sofern dieser Kasten zugänglich ist).
Direktes Anfassen von Metall über 50 Grad Celsius wird als sehr 
Schmerzhaft empfunden.

Und die hast Du schnell erreicht im Sommer bei Ta >= 30 Grad Celsius.

Autor: Michael O. (mischu)
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Schwarze Gehäuse sind super, solange man keine direkte Sonnenbestrahlung 
auf das Gehäuse hat - denn leider ist der Effekt der Strahlung 
reversibel ....

Ich würde nochmal überlegen unter welchen Umweltbedingungen das Gehäuse 
eingesetzt werden soll:
1. Tambient max (Lufttemperatur)
2. Tcase ohne MOSFET Leistung bei Bestrahlung
3. Tcase max bei Bestrahlung incl. MOSFET Verlustleistung
4. Tjunction max des FET

Damit kannst Du Dir dein Rth direkt ermitteln und weißt ob es reicht.

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