Hallo,
ich habe einen luftgekühlten speziellen Frequenzumrichter (10kW) in
einer Abschlussarbeit gebaut. Da es jetzt auch in einer rauen Umgebung
eingesetzt werden soll und zwar ohne Umhausung, will ich im Rahmen eins
Forschungsprojekts komplett umbauen, damit dieser luftgekühlt IP67
geschützt ist.
Die Kühlung für den aktuellen Aufbau zu überschlagen / zu rechnen war
für mich machbar. Leider habe ich keinerlei Erfahrung mit dichten
Gehäusen.
Was ich schon in Erfahrung bringen konnte:
- Elektronik sitzt in einem dichten Gehäuse (Metall) und der Kühlkörper
ist die Schnittstelle zur Außenwelt (D.h. es müssen alle Bauteile welche
gekühlt werden müssen schon mal auf eine Seite)
- Der Lüfter außen muss den Umgegebungsbedingungen standhalten
- Es kann in dem abgeschlossenen Gehäuse ein weiterer Lüfter eingesetzt
werden, um die Luft zirkulieren zu lassen.
Mir ist klar, dass alles hardwaretechnische neu gemacht werden muss.
Fragen:
- Gibt es hierzu Literatur?
- Wie geht man sowas als Anfänger am besten an?
- Gibt es Appnotes / dokumentierte Beispiele?
- Wie kann ich die Luft "innen" ohne Lüfter kühlen
- Wie Kühle ich Bauteile, welche nur eine geringe Abwärme erzeugen?
Eigentlich ist es ja identisch mit einer Wasserkühlung.
Vielen Dank für eure Tipps und Erfahrungen.
Ein Gerät mit ip67 hat keinen Lüfter zum wegkühlen, höchstens intern zum
verteilen.
1 Verluste minimieren.
2 Wärme abführen, über Oberfläche (z.b. Kühlrippen), heatpipes, externen
wasser- oder Luftanschluss
3 Bauteile nach Temperaturbereich gruppieren, platzieren, Bauteile mit
hoher Maximal-Temperatur.
Du wirst im Inneren von abgeschlossenen Gehäusen Probleme mit
Restfeuchte bekommen, die bei niedrigen Temperaturen kondensiert.
Dagegen gibts Trockenpatronen.
fchk
Rüdiger S. schrieb:> - Gibt es hierzu Literatur?
Ja wie für jeden Standard bspw.: - DIN EN 60529 (VDE 0470-1):2014-09
Schutzarten durch Gehäuse (IP-Code) - gibt es ein Dokument das diesen
beschreibt. Interessanterweise ist IP nicht gleich IP, da das für
verschiedenen Geräteklassen und Länder leicht unterschiedlich definiert
ist. Die Wikipedia ist da ein guter Anfang:
https://de.wikipedia.org/wiki/Schutzart#Normung> Wie geht man sowas als Anfänger am besten an?
Ein Leergehäuse für die entsprechende Schutzart besorgen, alles
reinpacken samt Temperaturlocker und feuchtesensor (Etikett). zusammen
bauen, mit Wasserstrahl bearbeiten, Fehlerstrom messen.
Dann zerlegen,geloggte Daten überprüfen, Sichtkontrolle Dichtungen auf
Beschädigungen.
Das Ganze am besten zu zweit machen und gegenseitig auf alle Probleme
hinweisen (passendes Werkzeug, übermäßige Kraftanstrangung, fehlende
Kontrollmöglichkeiten) und notieren. Transparentes Gehäuse oder
Sichtfenster am Prototyp macht sich gut um zu schauen, ob beim
Zusammenbau nicht was gequetscht wird.
Fürs Untertauchen gibt es eine Testprozedure, nach der man das Gerät
erst aufzuheizen muss bevor man es untertaucht. Das verschärft das Ganze
nochmal.
Beachten das Dichtungen Frost schlecht vertragen (Explosion Space
shuttle Challanger), Sonnenlicht und Chemikalien nicht mögen und Altern
bis zum Staubzerfall.
Natürlich nutzt man bei Bestellung des Leergehäuses die Kundenberatung
und bestellt nicht 'blind' per Internet. Bspw.
https://www.okw.com/de/Produkte/IP65-IP66-IP67-Geh%C3%A4use.htm
Hauptproblem sollten die Kabeldurchführungen und Gehäuse-Stossstellen
sein. Es sind schon airbusse abgestürzt, weil man vor dem Start mit
Druck -Spritzwasser reinigte und dabei Sensoren blockierte
(https://www.airliners.de/staatsanwalt-airbus-crew-absturz/21531).
Über das geänderte Entwärwungskonzept haben schon Andere geschrieben.
C. A. Rotwang schrieb:> ... Temperaturlocker ...
Kannst du vielleicht mit kurzen Worten erklären, was das sein soll?
Wozu soll die Temperatur eingesperrt werden?
An meinem Outdoor-SolarWechselrichter ist ein Abgedichtetes gehäuse
verbaut. Rückseitig zur wand vollflächig ein Rippenkühlkörper. Durch
Kamineffekt im Kühlkörper sowie hohen Wirkungsgrad sind auch bei 13,2kW
Wirkleistungsdurchsatz keine Lüfter außen notwendig.
@TO
Vielleicht kannst Du mit Wärmerohren (sog. Heatpipe) etwas Vernünftiges
anfangen. Da kriegst Du die Wärme gut von der Quelle weg und sie sind
mechanisch dicht.
@Wolfgang
Da geilt er sich an einem Schreibfehler auf...
Du armes Schwein.
:(
Rüdiger S. schrieb:> was für ein typ ist das?
Naja, Rippenkühlkörper dürftest Du ja irgendwie noch kennen. Es ist nur
schade, dass Du 0 Informationen zu Deiner Frage gibst.
Für die Größenordnung solltest Du doch zumindest sagen, ob es um 10W,
100W oder 1000W geht (die 10kW sind egal, jede Verteilerdose das in
Zigarettenschachtel-größe und IP 67).
Ob es um die Größe einer Zigarrenkiste, eines Umzugskartons oder eines
Kleinwagen geht.
Und ob und wie die Wärme weggeht, also ob es einen Kühlkreislauf gibt,
ob es 30, 60 oder 95° Umgebungstemperatur sind.
Willkommen in der Realitaet. Schoen, dass du so ein interessantes
Abschlussprojekt hattest und erfolgreich abschliessen konntest.
Der Teil, welcher jetzt kommt ist allerdings ungleich schwieriger,
zäher, und langwieriger.
Erst mal schauen, wie geht die Waerme weg. Unter welchen
Umweltbedingungen geht die Waerme noch weg.
Unter welchen Umweltbedingungen sollte es denn noch laufen ? Nein, 20-30
Grad, nichtkondensierend reichen nicht. Etwas wirst du noch drauf legen
muessen. Was moechte dein Markt. Mal schauen was die Konkurrenz kann,
schauen, was der Kunde will.
Es reicht nicht. Du kriegst die Waerme nicht immer gut weg. Nicht nur
der Temperaturbereich ist wichtig, vielleicht moechte man auch noch
etwas Flexibilitaet in der Spannung haben, zB Netzspannung+-20%.
Also vielleicht ein Gehaeuse mit mehr Oberflaeche. Allenfalls nochmals
einen Prototypen bauen, diesmal mit Fokus auf Abwaerme vermindern. Nach
dem 3. Prototypen im 5. Gehause kannst du abschaetzen wie sich Kosten
und Aufwand fuer das Gehaeuse zum Aufwand in der Elektronik verhalten.
Guenstig Herstellen bei 20 Stueck ist etwas anderes wie guenstig bei
10000 Stueck.
Jetzt schon einplanen .. es gibt noch EMV vorschriften, wieviel Dreck
darf so ein Umrichter rauslassen. Das eribt dann nochmals ein paar
Prototypen.
Eine anspruchsvolle Aufgabe fuer einen Absolventen. Viel Glueck. Du bist
hoffentlich nicht alleine. Alleine wird's nicht gehen.
Rüdiger S. schrieb:> Hallo,>> ich habe einen luftgekühlten speziellen Frequenzumrichter (10kW) in> einer Abschlussarbeit gebaut.
Dann hast du sicherlich auch die Schaltpläne und Leiterplattendaten die
du hier nun posten solltest.
A. S. schrieb:> Naja, Rippenkühlkörper dürftest Du ja irgendwie noch kennen. Es ist nur> schade, dass Du 0 Informationen zu Deiner Frage gibst.
Nein ich meine den PV-Wechselrichter... ich will mal schauen wie es
andere machen, ob man schnittzeichnungen findet etc., mir möglichst
viele Beispiele anschauen, ganz toll wäre eine Vorlesung / Appnote etc.
wo sowas behandelt wird.
A. S. schrieb:> Für die Größenordnung solltest Du doch zumindest sagen, ob es um 10W,> 100W oder 1000W geht (die 10kW sind egal, jede Verteilerdose das in> Zigarettenschachtel-größe und IP 67).
Ist doch ziemlich egal... ich will ja lernen wie es geht. Das ne
Verteildose keine Verlustleistung macht ist mir klar.. Verstehe die
Frage nicht so ganz. Wenn du die Verluste meinst, dann bin ich mit 3%
bei 10kW im schlechtesten Betriebspunkt dabei.
A. S. schrieb:> Ob es um die Größe einer Zigarrenkiste, eines Umzugskartons oder eines> Kleinwagen geht.
Zwei Schuhkartons :-)
A. S. schrieb:> Und ob und wie die Wärme weggeht, also ob es einen Kühlkreislauf gibt,> ob es 30, 60 oder 95° Umgebungstemperatur sind.
Im Moment 65 Grad und ich blase die Umgebungsluft durch.
Joggel E. schrieb:> Es reicht nicht. Du kriegst die Waerme nicht immer gut weg. Nicht nur> der Temperaturbereich ist wichtig, vielleicht moechte man auch noch> etwas Flexibilitaet in der Spannung haben, zB Netzspannung+-20%.> Also vielleicht ein Gehaeuse mit mehr Oberflaeche. Allenfalls nochmals> einen Prototypen bauen, diesmal mit Fokus auf Abwaerme vermindern. Nach> dem 3. Prototypen im 5. Gehause kannst du abschaetzen wie sich Kosten> und Aufwand fuer das Gehaeuse zum Aufwand in der Elektronik verhalten.> Guenstig Herstellen bei 20 Stueck ist etwas anderes wie guenstig bei> 10000 Stueck.>> Jetzt schon einplanen .. es gibt noch EMV vorschriften, wieviel Dreck> darf so ein Umrichter rauslassen. Das eribt dann nochmals ein paar> Prototypen.
Es geht wirklich nur ums Gehäuse, den Rest habe ich auf dem Schirm.
Ja, eben. Die Frage, die du erarbeiten musst : wie kriegst du die Waerme
ohne Luefter weg. Im Temperaturbereich der's dann sein soll. Dazu musst
du neue Prototypen bauen.
Weshalb ohne Luefter ? Weil Luefter nicht die Zuverlaessigkeit haben und
mit IP67 sowieso nicht. Also muss die Verlustleistung nochmals runter.
Ja, beginne mal mit einem Fraeskoerper. Eine mechanische Werkstatt in
der Umgebung kann den fuer dich Fraesen. Falls die Umgebungsluft das
zulaesst, aus Alu.
Du wirst einige Prototypen bauen bis du da bist wo du sein moechtest.
Joggel E. schrieb:> Ja, beginne mal mit einem Fraeskoerper. Eine mechanische Werkstatt in> der Umgebung kann den fuer dich Fraesen. Falls die Umgebungsluft das> zulaesst, aus Alu.>> Du wirst einige Prototypen bauen bis du da bist wo du sein moechtest.
:-)
Wärmeverluste kann man doch super gut rechnen ... Ein gefrästets Gehäuse
kann keiner bezahlen. Trotzdem Danke.
> Wärmeverluste kann man doch super gut rechnen..
Oh. super, dann ist ja alles gut. Dann bring doch
mal die Kurven. Welche Leistung muss bei welcher Temperatur weg ?
In welcher Groessenordnung darf das Gehaeuse denn kosten ?
Joggel E. schrieb:>> Wärmeverluste kann man doch super gut rechnen..>> Oh. super, dann ist ja alles gut. Dann bring doch> mal die Kurven. Welche Leistung muss bei welcher Temperatur weg ?> In welcher Groessenordnung darf das Gehaeuse denn kosten ?
Es ging mir doch eher um allgemeine Tipps appnotes Beispiele etc.,
auf was man achten sollte.
Ich kann doch jetzt nicht irgendein Gehäuse fräsen, was mir ersten null
komm nichts bringt und zweitens ohne Ende Geld kostet.
Wie teuer? wie immer, möglichst billig, Gehäuse muss aus Blech/Metall
sein.
Rths kann ich rechnen und das die Leistungshalbleiter auf einen KK
kommen der nach außen angebunden ist ist auch klar. Alle Werte gibt es
im Datenblatt oder Lastenheft.
Es müssen ca. 300 Watt bei 65 Grad weg.
Mir geht es ehr um die Hilfsschaltungen, die viell. nur 2 Watt machen
aber nicht wirklich nach außen angebunden sind etc. bzw. wie man sie
anbindet etc.
Rüdiger S. schrieb:> Mir geht es ehr um die Hilfsschaltungen, die viell. nur 2 Watt machen> aber nicht wirklich nach außen angebunden sind etc. bzw. wie man sie> anbindet etc.
Du hast nicht viele Möglichkeiten.
1) Vergießen
2) Dickes Wärmeleitpad (gleicht Höhenunterschiede aus)
3) Leiterplatte dickeres Kupfer oder mehr Lagen.
Da braucht man keine Literatur zu das kann man alles einfach berechnen
und testen.
Vorher solltest du natütlich mit Thermofühler messen welche Temperatur
die Bauteile erreichen und dann die Junction Temperatur berechnen und
mit Datenblatt abgleichen.
Mit Halbleiter einfach auf einen kuehlkoerper nach Aussen ist nichts.
Resp nicht so einfach. Die Datenblattwerte kannst du gleich in die Tonne
werfen. Ein Kuehlkoerper ist definiert mit Rippen senkrecht montiert,
unbehindert, unten und oben noch ein Fuss fuer Konvektion frei. Hast du
das so ? Natuerlich nicht. Stroemungsgeschwindigkeit ? Hast du auch
nicht. Mit einem Blechgehaeuse kriegst du keine 300W weg. Denn 300W
bedeutet Oberflaeche, und Struktur. Ein flaches Blech hat zuwenig
Oberflaeche. Struktur willst du nicht. Bedeutet die 300W sind zuviel.
Die muessen weniger werden. Auf wieviel auch immer du mit 2 Schuhkartons
wegbringst. Also nimm mal diese 2 Schuhkartons, mach eine Heizung rein
und versuch die Waerme wegzubringen.
Ohne Luefter. Denn Luefter machen's nicht lange.
Für innen gibt es auch Wärme leitende Vergussmassen,
die elektr. isolieren. Nicht ganz billig z.B. von Keratherm.
Ich habe GFL 3030 verwendet: 0,4 K/W(!). Da kam es mir aber auf
niedrigste K/W an und dass die Masse nach dem "aushärten" weich bleibt.
Du solltest härtere Vergussmassen verwenden - wer suchet, der findet...
Aber wenn schon ein gefrästes Kühlkörpergehäuse aus Alu zu teuer ist,
tsss.
Man muss es ja nicht gleich richtig machen - wegen der Erfahrung ;-)
Schau dir mal ein paar käufliche Kleingehäuse und Steckverbinder mit
IP67 an. Wenn die Dinger nicht zusätzlich irgendwelche
MIL-Spezifikationen erfüllen, ist die Abdichtung oft erschreckend
einfach realisiert (hier und da ein O-Ring, Dichtschnur,
geschlossenzelliger Moosgummi, evtl. teilweiser Verguss usw.). Das
bekommt man bei eigenen Gehäusen mit etwas Nachdenken auch ohne
Anleitung hin, auch zuzüglich Kühlkörper.
Es handelt sich ja nur um einen Wechselrichter für draußen und nicht um
ein U-Boot.
Wenn's dann nach einigen Versuchen nicht geht, oder nicht in
wirtschaftlich vertretbarem Umfang (zu teuer), scheibe den Umrichter an
als 1kW mit 10 facher Ueberlast fuer 10sek.
Rüdiger S. schrieb:> - Elektronik sitzt in einem dichten Gehäuse (Metall) und der Kühlkörper> ist die Schnittstelle zur Außenwelt (D.h. es müssen alle Bauteile welche> gekühlt werden müssen schon mal auf eine Seite)> - Der Lüfter außen muss den Umgegebungsbedingungen standhalten> - Es kann in dem abgeschlossenen Gehäuse ein weiterer Lüfter eingesetzt> werden, um die Luft zirkulieren zu lassen.
Bau blos keinen Lüfter ins abgeschlossene Innere von dieser Kiste. Das
wäre geplante Obsoleszenz und hat überhaupt keinen Nutzen, außer dass du
mehr Wärme im Inneren behälts statt diese nach außen abzutransportieren.
Umso größer dein Temperaturgefälle ist, umso besser geht das mit dem
Wärmetransport. Wenn du am inneren, wo die Wärme entsteht, durch einen
Lüfter kühlst, reduzierst du das Temperaturgefälle. Dann hast du innen
heiße Luft und das Metall vom Kühlkörper bleibt kalt. Die Wärme der
innen gefangenen Luft wird man dann nur schwer wieder "ins" Metall
bekommen. Den außeren Lüfter würde ich nach Möglichkeit auch vermeiden
wollen. Bewegliche Teile sind einfach anfällig (oder teuer) in dieser
Umgebung
Frank K. schrieb:> Du wirst im Inneren von abgeschlossenen Gehäusen Probleme mit> Restfeuchte bekommen, die bei niedrigen Temperaturen kondensiert.> Dagegen gibts Trockenpatronen.
Dafür gibt es auch spezielle Membran-Ventile in IP67 und mehr, welche
sowohl für Druck- aus auch Feuchtigkeitsausgleich sorgen. Haben bei uns
gut funktioniert.
C. A. Rotwang schrieb:> Fürs Untertauchen gibt es eine Testprozedure, nach der man das Gerät> erst aufzuheizen muss bevor man es untertaucht. Das verschärft das Ganze> nochmal.
Es gibt meines Wissens für IP67 (oder IP66?) auch zwei unterschiedliche
Testprozedere. Einmal Untertauchen und einmal Beschuss mit Druckwasser.
Beides sollte bestanden werden, da IP67 (Untertauchen 1 m) nicht
automatisch IP66 (Strahlwasser von allen Seiten) bestätigt/enthält!
Rüdiger S. schrieb:> Outdoor-SolarWechselrichterRüdiger S. schrieb:> Nein ich meine den PV-Wechselrichter... ich will mal schauen wie es> andere machen, ob man schnittzeichnungen findet etc
Da wirst du nicht viel finden. Ich kenne aufs erste keinen
PV-Wechselrichter, die IP67 erfüllen! Alle sind maximal bis IP65, was ja
auch ausreichend gegen Regen ist. Da ist dann auch ein Lüfter einfach
integrierbar, der die Luft ohne Wasser, z.B. durch eine
Labyrinthdichtung am unteren Teil vom Gehäuse, von außen ansaugt.
Rüdiger S. schrieb:> Wenn du die Verluste meinst, dann bin ich mit 3%> bei 10kW im schlechtesten Betriebspunkt dabei.Rüdiger S. schrieb:> Zwei Schuhkartons :-)>> Im Moment 65 Grad und ich blase die Umgebungsluft durch.Rüdiger S. schrieb:> Es müssen ca. 300 Watt bei 65 Grad weg.
Die nächste Frage ist noch was die maximal zulässige Temperatur deiner
Bauteile ist und wie gut diese thermisch angebunden werden können. Wenn
du maximal ~125°C an den Last-Bauteilen und ~100°C auf der Platine
akzeptieren möchtest und nur eine mittelmäßige thermische Anbindung
hast, wirst du schätzungsweise allein einen Kühlkörper in der Dimension
eines Schuhkartons benötigen. Wir haben hier ein Projekt in etwa der
Größe zweier Schuhkartons und können manche Bauteile im oben genannten
Bereich halten, obwohl wir "nur" 100 Watt Verlust und 60°C haben.
Allerdings sind unsere Kühlrippen relativ klein (Einfrästiefe ~2 cm) und
die thermische Anbindung von manchen Bauteilen nicht besser machbar.
Rüdiger S. schrieb:> Es ging mir doch eher um allgemeine Tipps appnotes Beispiele etc.,> auf was man achten sollte.
Wie schon weiter oben von jemandem erwähnt, wirst du so etwas nicht
finden und wenn dann nur sehr allgemein. Das ist ja Sinn einer
derartigen Arbeit, sich all das zu erarbeiten und zu entwickeln ;)
D. C. schrieb:> Du hast nicht viele Möglichkeiten.> 1) Vergießen> 2) Dickes Wärmeleitpad (gleicht Höhenunterschiede aus)> 3) Leiterplatte dickeres Kupfer oder mehr Lagen.
Du musst wirklich alles versuchen, um die thermische Anbindung zu
optimieren.
- Stell dich darauf ein, dass deine gesamte Platine nach einiger
Laufzeit die gleiche, hohe Temperatur haben wird! Daher auch
Temperaturbereich von scheinbaren Low-Power-Bauteilen berücksichtigen,
wärmeabhängige Toleranzen etc.
- Statt dickeren Wärmeleitpads sind Gapfiller noch besser. Ist zwar mehr
Aufwand zum Auftragen, füllt aber auch größere Spalte auf und hat teils
einen noch besseren Wärmeleitwert. Wärmeleitpads dürfen zudem nur bis zu
einem gewissen Grad komprimiert werden, Gapfiller quillt dann einfach
zur Seite raus und passt sich besser an
- Wo möglich kannst du mal den Einsatz von Graphen-Pads prüfen. Die
haben unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit "durch" das Pad (oben nach
unten) und "über" das Pad (in die Fläche). Ist also ideal um lokale
Hotspots, z.B. von einen Transistor, auf eine große Fläche eines
Aluminium-Kühlers zu verteilen. Beispiel wäre z.B. das Panasonic PGS
(700 bis 1950 W/mK in der Fläche), gibt aber noch viele andere
Hersteller
- Noch toller und einer Masterarbeit würdig wären nano-modifizierte
Graphene Pads (?). Es gibt da wohl spezielle Typen welche tatsächlich
wie eine thermische Diode arbeiten, also Wärme nur in eine Richtung
leiten! Wird in manchen Formula Student Electric Autos zur Akku-Kühlung
genutzt ;) Das ist ideal um weniger heiße Bauteile nicht durch andere
Bauteile aufzuheizen
- Verwende bei der Platine überall mindestens die doppelte Kupferdicke,
also außen 70 um, innen 35 um, soweit möglich. Zum einen bringst du so
die Wärme besser von den Bauteilen weg, zum anderen reduzierst du die
Erwärmung im Inneren durch Leitungsverluste. Verzinnen ist noch eine
weitere Möglichkeit, um weniger Bahnwiederstand "geschenkt" zu bekommen.
Kupferflächen mit Potential kann man großzügig mit GND-Kupferflächen auf
anderen Lagen überschneiden lassen. GND-Flächen dann auch thermisch ans
Gehäuse anbinden. Das bringt die Platinentemperatur gut nach unten, je
nach Fall 10 - 20 °C
