Temperaturmanagement in Elektronikgehäusen.

Eine der grundlegenden Herausforderungen bei Elektronikgehäusen ist die Wärmeableitung, die mit der Erwärmung elektrischer und damit mechanischer Elemente im Inneren der Gehäuse verbunden ist.

23.09.2021
 

In den meisten Fällen werden die kritischen Temperaturen der einzelnen Komponenten nicht überschritten. Kommen die Komponenten jedoch an ihre Leistungsgrenzen, muss für eine ausreichende Wärmeübertragung zur Temperaturabsenkung gesorgt werden, da sonst das Gerät beschädigt werden kann.

Leere Elektronikgehäuse müssen viel mehr aufnehmen als nur eine Leiterplatte mit elektronischen Schaltungen. Der Stromanschluss und die Signalanschlüsse müssen zur Platine und wieder heraus gehen. Gehäuse sollten so kompakt wie möglich sein und gleichzeitig Schutz vor Verschmutzung und versehentlichem Berühren spannungsführender Teile gewährleisten. Elektromechanische und elektronische Miniaturisierung führt zu immer höheren Packungsdichten Werden auf Leiterplatten leistungsstarke Prozessoren oder andere Leistungskomponenten eingesetzt, die viel Wärme abführen, kann es zu einer Überhitzung des Systems kommen.

Dank passiver Kühlkörper, die für die ICS-Gehäusefamilie entwickelt wurden, können die fertigen Geräte in Anwendungen eingesetzt werden, die für den Betrieb unter Hochtemperaturbedingungen ausgelegt sind. Durch thermische Simulationen unterstützt Phoenix Contact auch die Optimierung von Leiterplattenlayouts.


Abbildung 1: Miniaturisierung hat ihre Grenzen – höhere Packungsdichten erfordern Kühlung

Lüftungsschlitze, Lüfter und Kühlrippen

Eine der Wärmeableitungsoptionen nutzt die physikalische Richtung des Luftstroms. Das Gehäuse ist mit Belüftungslöchern ausgestattet, so dass es bei Montage auf einer Hutschiene von Kühlluft durchströmt werden kann. Die entstehende Verlustwärme wird nach oben abgeführt. Thermisch belastete Komponenten sollten in der Nähe der unteren Lüftungsöffnungen installiert werden, damit „frische Luft“ um sie herum zirkulieren kann. Gleichzeitig sollen diese Hotspots andere temperaturempfindliche Bauteile nicht beeinträchtigen.

Die Breite der Lüftungsschlitze spielt eine entscheidende Rolle. Unter 2 mm sind die Abstände praktisch wirkungslos, ab 2,5 mm begrenzen sie den gewünschten Berührungsschutz. Über die ICS-Gehäuselinsen können je nach Bedarf Seitenelemente mit beliebig vielen Belüftungsöffnungen gestülpt werden.



Abbildung2:
Die ICS-Gehäusefamilie mit modularer Push-in-Technologie - das 50 mm breite Gehäuse verfügt über einen integrierten Kühlkörper.

Um die Kühlluftzirkulation zu verbessern und einen Wärmestau zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, ein breiteres Gehäuse zu wählen. Die Zirkulation kann auch durch aktive Elemente wie Ventilatoren unterstützt werden. Sie bewirken, dass die Luftströmungsgeschwindigkeit im Gehäuse schnell ansteigt, wodurch viel mehr Wärme abgeführt werden kann. Der Nachteil des Ventilators ist das Ausfallrisiko und der Energieverbrauch. Die Kühlluft lässt auch einen erheblichen Teil der Verunreinigungen in das Gehäuse eindringen. Viele Gerätehersteller zögern, bewegliche Komponenten in ihre Anwendungen aufzunehmen. Auch Peltier-Module sind eine mögliche Lösung, die jedoch aufgrund ihres Stromverbrauchs und der möglichen Kühlleistung nur bedingt nutzbar sind.

Reicht die normale Konvektion der durch das Gehäuse strömenden Luft zur Kühlung nicht aus, bieten sich passive Kühlkörper aus wärmeleitenden Metallen wie Kupfer oder leichterem Aluminium an. Hohlen Aluminiumkühlkörpern werden häufig Rippen hinzugefügt, um die Oberfläche des Kühlkörpers deutlich zu vergrößern.


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