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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Berechnung des R_th eines selbstentworfenen Kühlkörpers


Autor: Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite
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Hallo,

ich möchte einen Kühlkörper entwerfen, der an bestimmte Bauraumvorgaben 
angepasst ist und einen möglichst kleinen R_th aufweist. Dieser soll 
dann später zur Entwärmung einer Leistungselektronik (Wechselrichter) 
dienen.

Bevor jemand fragt, warum ich nicht aus den Leistungsdaten (Strom, 
R_DSon, etc...) bestimme welchen Kühlkörper ich brauche: Ich habe den 
definierten Bauraum und möchte wissen, welchen Strom die einzelnen 
Halbbrücken vertragen, ohne dass die Chips verdampfen.

Um möglichst schnell eine ungefähre Abschätzung machen zu können möchte 
ich daher den R_th aus den geometrischen Daten berechnen/simulieren.

Kennt jemand ein Tool (im besten Fall natürlich als 
Freeware/Studentenversion), mit dem eine solche Berechnung/Simulation 
möglich ist?

Damit das ganze nicht zu einfach wird (wie z.B. hier 
http://www.r-theta.com/rtools_front.html) gibt es noch folgende zwei 
Angaben zur Kühlkörpergeometrie:

    * runde Grundfläche
    * Konzentrische Kühlrippen

Über konstruktive Anworten würde ich mich freuen,

Gruß, der Icke

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite

>ich möchte einen Kühlkörper entwerfen, der an bestimmte Bauraumvorgaben
>angepasst ist und einen möglichst kleinen R_th aufweist. Dieser soll
>dann später zur Entwärmung einer Leistungselektronik (Wechselrichter)
>dienen.

Naja, das ist aber nicht so ganz trivial.

>definierten Bauraum und möchte wissen, welchen Strom die einzelnen
>Halbbrücken vertragen, ohne dass die Chips verdampfen.

Das sollte man eher messen. Jaja, mit Super CAD & Co kann man das 
simulieren, aber das ist bestenfalls die halbe Wahrheit.

>Über konstruktive Anworten würde ich mich freuen,

Man sollte / muss irgendwann auch mal messen. Das macht man z.B. 
dadurch, indem man den MOSFET seiner Wahl als Temperatursensor und 
Heizelement benutzt. Dann nimmt man eine Konstantstromquelle und 
geht in den Klimaschrank. Dort misst man die Flußspannung der 
Inversdiode bei mehreren Temperaturen, z.b. 60, 90, 120°C (ausrechend 
Zeit zum Temperieren des MOSFETs lassen!), dauraus erhält man eine 
Kalbibrierfunktion Uf = f(T). Danach befestigt man den MOSFET am zu 
messenden Kühlkörper exakt wie im zukünfigen Einsatz.

Dann speist man den MOSFET über ein starkes Netzteil die Inversdiode mit 
Strom, und zwar soviel, dass die entsprechende Verlustleistung des 
realen Betriebs entsteht (Strom und Spannung messen!). Wenn das nicht 
reicht (niedrige Flußspannung!) muss man den MOSFET im Normalbetrieb 
regeln, um ausreichend Verlustleistung zu erzeugen. Jetzt wird der 
MOSFET warm. Per Relais/Schalter schaltet man dann schnell auf die 
Konstantstromquelle um, um die Flußspannung zu messen. Daraus erhält man 
die echte Sperrschichttemperatur. Die Berechnung des Wärmewiderstands 
ist dann einfach, siehe Artikel Kühlkörper.

MfG
Falk

Autor: Volker Zabe (vza)
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Hallo,
wenn du dein Kühlkörper halbwegs in 2-Dimensionen beschreiben kannst,
könnte dir femm weiterhelfen.

http://www.femm.info/wiki/HomePage

Autor: Fralla (Gast)
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Suche in der Ansoft ANSYS hilfe nach "Thermal Tutorial", da geht sowas. 
Und wenn dir Zeichnen in Ansys zu blöd ist nimm was anderes (Solid 
Works, Catia) und konvertiere.
Dei Bedinung von ANSYS erfordert jedoch einige Geduld und ist nicht so 
trivial, aber wenn du es mal checks ist Rth Berechnung nichts 
unmögliches.
In meiner Bude werden ständig Kühlkörper/Gehäuse/Schaltschränke 
simmuliert, wenn man da ständig Fräßen, Aufbauen und mit belegtem 
Klimaschrank Messen würde gäbe es uns nicht mehr. Diejenigen die 
Ausschließlich mit der FEM-Simulation Arbeiten kommen sehr gut an die 
Realität ran, aber die haben jahre bis jahrzehnte Erfahrung.

Aber klar Messen muss auch sein, wenn man Die DC-Sourcen, Voltmeter, 
Thermoschreiber, Klimaschränke mit LabView oder ähnlichem Automatisiert 
ists auch nicht mehr so viel Arbeit.

Autor: Falk Brunner (falk)
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http://download.ansoft.com/software/index.cfm

Man könnte die freie Version von Maxwell 2D nehmen, die kann 
rotationssymetrische Strukturen elektrisch simulieren. Wenn man dann 
über ein Abbildung das ins Thermische übersetzt, könnte das klappen. So 
in der Art

1V = 1K
1A = 1W

MFG
Falk

Autor: MaWin (Gast)
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Bauen, definierte Verlustleistung drauf und Temperaturerhöhung messen.

So bist du viel genauer als die Katalogangaben, die eh gelogen sind.

Es gibt ein paar Konstruktionsgrundlagen z.B. Oberflächenbeschaffenheit, 
Abstand der Rippen, Dicke der Rippen, möglichst Erzielung eines 
Kamineffektes beim Einbau, die man nachlesen könnte.

Zumindest was zum optimalem Abstand der Rippen je nach 
Anströmgeschwindigkeit hatte ich mal gelesen, aber man kann ja die known 
good Dimensionen an vorhandenen Kühlkörpern ablesen.

Autor: Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite
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Danke schonmal für die Antworten!

Das Simulation und Realtität zwei verschiedene Paar Schuhe sind ist mir 
klar. Dennoch bietet eine Simulation in der Regel eine ungefähre 
Schätzung, nach der man allgemein abschätzen kann, ob gewissen Ziele 
überhaupt realistisch zu erreichen sind.
Und wie Fralla schon ganz treffend geschrieben hat ist die Güte der 
Simulaion abhängig von der Zeit und der Erfahrung die man in ein solches 
Vorhaben steckt. Außerdem wäre die Simulation im Vergleich zur Fertigung 
eines solchen KK deutlich günstiger (sofern Freeware).

Mit "femm" werde ich mich mal auseinandersetzen (Danke für den Link), 
bei Maxwell 2D bbin ich eher skeptisch, da meines Wissens damit 
Rotationskörper beschrieben werden können, was sich aber mit 
"konzentrische Kühlrippen" nicht vereinbaren lässt (sofern ich jetzt 
nicht einem massiven Denkfehler zum Opfer fall).

@Falk

Den von dir beschriebenen Vorgang zur Rth-Messung hatte ich auch schon 
gefunden, leider ist er für mein Vorhaben aber nicht ganz so einfach 
umzusetzen. Ich verwende keinen klassischen MosFET meiner Wahl sondern 
drei parallel auf ein DCB gebondete Dies. Den Rth davon kenne ich 
ausreichend genau.

Zusammengefasst heißt das also, ich kenne die Leistungsschalter, ich 
kenne die Thermische Anbindung an den KK und ich brauche eine Näherung 
des Rth für einen KK um daraus Rückrechnen zu können, welche Verluste 
ich mir im System erlauben darf (auch wenn die Richtung der 
Lösungsfindung sicher nicht dem Standard entspricht).

Danke, der Icke

Autor: Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite
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Was ich vergessen habe zu erwähnen: Der Kühlkörper soll durch einen 
Luftstrom zusätzlich entwärmt werden, die genaue Durchflussmenge kenn 
ich im Moment aber noch nicht.

der Icke

Autor: Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite
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So, jetzt hab ich auch meinen Denkfehler gefunden:

> "konzentrische Kühlrippen"

Die Kühlrippen sollen radial angeordnet sein, nicht konzentrisch. Die 
konzentrische Anordnung ließe sich im 2D natürlich sehr wohl als 
Rotationskörper beschreiben...

Gibts es ansonsten noch Ideen und Hinweise, die mir weiterhelfen 
könnten?

Danke, der Icke

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite

>bei Maxwell 2D bbin ich eher skeptisch, da meines Wissens damit
>Rotationskörper beschrieben werden können, was sich aber mit
>"konzentrische Kühlrippen" nicht vereinbaren lässt (sofern ich jetzt
>nicht einem massiven Denkfehler zum Opfer fall).

Doch, das geht schon. Ist ja schliesslich echt rotationssymetrisch.
Was man nicht (einfach) simulieren könnte wären radiale Kühlrippen

>umzusetzen. Ich verwende keinen klassischen MosFET meiner Wahl sondern
>drei parallel auf ein DCB gebondete Dies. Den Rth davon kenne ich
>ausreichend genau.

Na dann nimm einen MOSFET mit bekanntem R_JC, den kann man dann 
rausrechnen.

MFG
Falk

Autor: Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite
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> Doch, das geht schon. Ist ja schliesslich echt rotationssymetrisch.
> Was man nicht (einfach) simulieren könnte wären radiale Kühlrippen

Hatte ich in dem Beitrag davor schon geschrieben, die Kühlrippen liegen 
radial. Ich hatte mich da vorher vertan...

Mein Hauptgrund für eine Simulation ist definitiv der Kostenfaktor. 
Einen solchen KK fräsen/erodieren zu lassen ist nicht gerade günstig, 
nur um eine grobe Abschätzung der Machbarkeit zu erhalten...

Gruß

Autor: Fralla (Gast)
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Wie gesagt mit Ansys Multiphysics ist soetwas möglich, auch mit 
Materialgradienten, Strömung, Abstrahlung. Mit der Multiphysics Version 
kann man auch Magnetfelder, deren Kraftwirkung, elektrische Feldstärken, 
Wärme, Mechanik simulieren.

Wir verwenden ub ein und dieselbe Software für Wärveberechnungen, 
Kraftwirkung auf Stromschienen im Kurzschluss, elektrische 
Feldverteilung. Es wäre unmögliche jede Kunstruktion aufzubauen, in 
Klimaschrank zu werfen, 20kA durzujagen, den wenn sich was verbiegt, 
wegschmilzet ists für die Tonne.
Soll nur zeigen was damit möglich ist, Feld eines KK auf Potential kann 
auch sehr interessant sein.
Nur einen kompletten Umrichter in allen diesen Bereichen 
durzusimmulieren macht jemand mit 15 Jahren Erfahrung in FEM 
Simulationen. Das dauert dann aber auch nicht so lange da man das Rad 
nicht immer neu Erfinden muss (Libarys). Prototypen Bau ist da 
unmöglich, für einen geschossen IGBT kann derjendige vl schon mal 2 Tage 
simulieren.

Aber einen einzelnen KK desen Quellen man kennt ist auch für Anfänger 
möglich. Das Wesen der FEM sollte mal aber mal verstehen.

Jedenfalls musst du schon damit rechen dich 1-2 Wochen hinzusetzen und 
Tutorials durcharbeiten, etc. Hauptsächlich tippt man in der 
Komandozeile und schreibt Skripte. Denn die Mechanik des KK ist das 
geringste Problem.

http://www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys/IT/Con...

MFG

Autor: Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite
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> Jedenfalls musst du schon damit rechen dich 1-2 Wochen hinzusetzen und
> Tutorials durcharbeiten, etc. Hauptsächlich tippt man in der
> Komandozeile und schreibt Skripte. Denn die Mechanik des KK ist das
> geringste Problem.

Die Zeit bin ich durchaus bereit zu opfern, einfach deshalb, weil mich 
das Thema privat auch interessiert. Ich bin ja schließlich nicht 
Entwickler für Leistungselektronik geworden weil ich mich privat für 
Mode und Lifestyle begeistere, sondern eben für Technik und Elektronik. 
Und da lernt man gern dazu...^^

Also dann nochmal Danke an alle für die Hilfe,

der Icke

Autor: Bernd (Gast)
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Fralla schrieb:
> Wie gesagt mit Ansys Multiphysics ist soetwas möglich, ...

Und woher, wenn nicht teuer kaufen? Für diese eine Berechnung ist das 
sicherlich etwas kostspielig für eine Privatperson(?).

Ich persönlich kann ebenfalls FEMM empfehlen, obwohl ich damit bis jetzt 
nur Magnetfelder berechnet habe...

Autor: Andreas K. (derandi)
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Widerstand drauf, Kühlkörper damit beheizen, nachmessen?

Autor: Reiner S. (chickstermi) Benutzerseite
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> Widerstand drauf, Kühlkörper damit beheizen, nachmessen?

Wie ich oben bereits beschrieben habe existiert der Kühlkörper bisher 
nur im PC. Die Fertigung ist alles andere als kostengünstig, deshalb 
vorher die Idee mit der Simulation/Berechnung...

Autor: Fralla (Gast)
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>Und woher, wenn nicht teuer kaufen?
Wenns nur für privat ist muss man es ja nicht kaufen... Wenns nur zum 
privaten experimentiren ist, störts niemanden. Möchte jetzt nimmanden 
anstiften..

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