De thermische huishouding van een systeem
Het belang van de thermische huishouding van een vermogenselektronica systeem en het kiezen van het juiste koelprofiel wordt soms onderschat. Vaak houden de ontwerpende ingenieurs zich vooral bezig met het kiezen van de juiste halfgeleiders en de besturingselektronica.
We willen benadrukken dat de thermische huishouding van het systeem van groot belang is. Inclusief de selectie van het juiste koellichaam of koelprofiel. In dit artikel leggen we uit hoe je het juiste luchtgekoelde koelprofiel selecteert.
Hoe een koelprofiel werkt
Een koelprofiel in een elektronisch systeem maakt het mogelijk om de thermische weerstand van het gehele systeem te verlagen. Daardoor wordt de door het apparaat bereikte temperatuur verlaagd. Dit wordt gedaan door de warmteafvoer van het elektronische apparaat (hete oppervlak) naar de koudere omgeving te verbeteren. Op dezelfde manier kan een koellichaam, door de maximale bedrijfstemperatuur van het apparaat te bepalen, een hoger vermogen dissiperen. De prestaties van een koelprofiel houden verband met de thermische weerstand [K/W]. Waarbij rekening wordt gehouden met de convectie- en stralingswarmte die van het koellichaam naar de omgeving wordt overgedragen.
De thermische weerstand is afhankelijk van verschillende factoren:
- Materiaal (thermische geleidbaarheid)
- vorm en grootte
- kleur
- oppervlakteafwerking (stralingsefficiëntie en contactweerstand)
- convectievermogen
- montagepositie van het koelprofiel (natuurlijke of geforceerde convectie).
Het is duidelijk dat hoe lager de thermische weerstand, hoe beter de prestaties van het koellichaam.
Berekening van de maximaal toegestane thermische weerstand
Met de onderstaande gegevens inzichtelijk is het mogelijk om de maximale thermische weerstandswaarde van het koellichaam te berekenen:
- De omgevingstemperatuur;
- Het maximale door het elektronische apparaat te dissiperen vermogen;
- De thermische weerstand van de junctiecontainer;
- De maximaal toegestane temperatuur.
De thermische weerstand tussen de houder voor het elektronische apparaat en het koellichaam is afhankelijk van het materiaal dat op het grensvlak wordt gebruikt om het contactoppervlak te homogeniseren (meestal siliconenvet). Daarom is het noodzakelijk om een koellichaam te selecteren met een thermische weerstandswaarde die minstens gelijk of kleiner is dan de berekende waarde.
Parameters voor thermische weerstand
In ons online productportaal en de Mecc.AL-catalogus worden de koelprofielen weergegeven, onderverdeeld naar type product en vorm, in oplopende volgorde naar maat (in millimeters). Voor elk profiel worden de volgende parameters aangegeven:
- Kg/mt: Profielgewicht (kilogram per meter)
- L: Lengte koelprofiel in millimeters, vast ingesteld om de weergegeven thermische weerstand te berekenen
- W: Breedte koellichaam in millimeters, vast ingesteld om de weergegeven thermische weerstand te berekenen
- RTH,N: Thermische weerstand [K/W] bij natuurlijke convectie berekend met een verschil bij een daling van 70°C naar de omgevingstemperatuur (25°C omgevingstemperatuur)
- RTH,F: Thermische weerstand [K/W] bij geforceerde convectie berekend met een luchtsnelheid van 3 m/s luchtsnelheid en een daling van 50°C naar het omgevingstemperatuurverschil (25°C omgevingstemperatuur). Voor een andere luchtstroomsnelheid raadpleegt u de grafiek “LUCHTSNELHEID CORRECTIEFACTOR” om de vermenigvuldigingsfactor te berekenen die moet worden toegepast op de gegeven thermische weerstand.
- Voor Profilmecc & ProfilmeccPlus en Brazed fins koelprofielproductlijnen toont het de thermische weerstand in een grafiek met geforceerde convectie door de luchtstroom te variëren bij specifieke koelprofiellengtes.
Metingen van thermische weerstand
De gerapporteerde thermische weerstandswaarden zijn afkomstig van tests die zijn uitgevoerd in een laboratorium bij een gecontroleerde temperatuur onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die tijdens gebruik in de praktijk. In het bijzonder: De warmtebron wordt gelijkmatig verdeeld over ongeveer 50% van het montageoppervlak en in het midden van het koelprofiel geplaatst met tussenkomst van siliconenvet. De temperatuur wordt gemeten op het oppervlak van het koelprofiel in de directe omgeving van de warmtebron via thermokoppels met lage thermische traagheid. Bij natuurlijke convectie zijn de vinnen van koelprofielen verticaal uitgelijnd voor maximale efficiëntie. Voor horizontale montage moet rekening worden gehouden met een toename van ongeveer 20% als onbehandeld koelprofieloppervlak. Voor de zwart geanodiseerde delen in natuurlijke convectie moet de thermische weerstandswaarde met ongeveer 10% worden verlaagd.
Naarmate de lengte van het koelprofiel toeneemt, neemt de thermische weerstand af volgens een niet-lineaire wet. De waarden van de thermische weerstanden zijn relatief ten opzichte van de aangegeven lengtewaarden; Raadpleeg voor verschillende lengtes de grafiek “Lengtecorrectiefactor” om de vermenigvuldigingsfactor te berekenen die moet worden toegepast op de thermische weerstand aangegeven in het profiel, zowel bij natuurlijke als bij geforceerde convectie. Voor koelprofielen met hoog rendement worden de thermische weerstandswaarden van samenstellen met een breedte (W) van ongeveer 100 mm weergegeven. Door de breedte van het koeprofiel te variëren, kan de thermische weerstandscurve op een lineaire manier worden benaderd, en daarom wordt door het verdubbelen van de breedte van het koelprofiel de thermische weerstand gehalveerd.
De gegevens in deze catalogus zijn afkomstig van nauwkeurig uitgevoerde laboratoriumtests en simulaties en moeten daarom als betrouwbaar worden beschouwd. Omdat de werkelijke gebruiksomstandigheden echter kunnen verschillen van die in het laboratorium, wordt aanbevolen een praktische controle uit te voeren van de omstandigheden waarin het koelprofiel zal worden gebruikt.
Materiaal en mechanische kenmerken
De lichtheid (2,7 g/cm3), de thermische geleidbaarheid (220 W/m*K) en de kneedbaarheid zijn de belangrijkste eigenschappen die aluminium tot het meest geschikte metaal maken voor onze warmteafvoersystemen. Tenzij anders vermeld zijn de kenmerken van de gebruikte geëxtrudeerde profielen:
- Chemische samenstelling: Aluminiumlegering EN AW-6060, 6061, 6063 of 6082, volgens EN 573-3 Europese regelgeving
- Mechanisch kenmerk: T5 of T6, volgens EN 755-2 Europese regelgeving
- Toleranties op afmetingen en vorm volgens EN755-9 Europese regelgeving
Specials
Mecc.Al produceert en levert de volgende mechanische varianten voor de elektronische industrie:
- Geëxtrudeerde commerciële profielen (platte staven, hoeken, vierkante staven, L- en U-profielen)
- Geëxtrudeerde dozen en koffers
- Behuizingen voor hoogfrequente technologie gemaakt van een volledig aluminium profiel
Heeft u product- of toepassingsspecifieke vragen over luchtgekoelde koelprofielen? Neem dan contact op met één van onze specialisten.
