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Messtechnik & EMV Luftstrom gegen einseitige Aufheizung

17.01.2014

Bei größeren Schaltschränken lässt es sich oft nicht vermeiden, dass Verlustwärme konzentriert oder einseitig entsteht, dadurch ergeben sich bei gleichförmiger Luftstromverteilung lokal hohe Temperaturen und die Leistungskomponenten werden beeinträchtigt. Eine geschickte Umverteilung von Luftströmen durch Erzeugen eines entsprechenden Gegendruckprofils löst das Problem.

Bei vier übereinander angeordneten Stromversorgungseinheiten konnten die Kühlrippen in der Rückwand so ausgestaltet werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit in einem kleinen Querschnittsbereich unter der kritischen Wärmequelle um den Faktor 1,5 größer ist als in dem übrigen Bereich – und das bei gleichzeitiger Reduzierung des lokalen thermischen Widerstands unter der Leistungskomponente. Es konnte eine gleichförmige Kühlung erreicht und das „Thermal Stacking“ verhindert werden. Die Auslegung erfolgte mit numerischen Methoden (computational fluid dynamics). Die vorhergesagten Werte wurden in Tests bestätigt.

Thermal Stacking vermeiden

Bei einer an für sich ausreichend dimensionierten Luftmenge und einem flächenmäßig überdimensionierten Hochleistungskühlkörper wurde eine ungleichförmige Lufterwärmung festgestellt. Bemerkenswert ist dabei, dass die Lufterwärmung unter der Leistungskomponente mit 384 W zu einer Luftausdehnung und -beschleunigung und somit zu erhöhtem Druckverlust und einer kontraproduktiven Drosselung des Luftdurchsatzes sorgt. Die ungleichförmige Lufterwärmung ist in dem System mit vier in Reihe angeordneten Einheiten fatal. Nach der dritten Einheit beträgt die Lufttemperatur auf der einen Seite 100 °C und auf der anderen Seite nur 57 °C. Die Aufgabenstellung lautete dabei, entweder die Wärme des kritischen Leistungsmoduls besser zu spreizen oder den Luftvolumenstrom umzuverteilen, so dass eine gleichmäßige Kühlung gewährleistet ist. Eine einzuhaltende Randbedingung war, den verfügbaren Gesamtdruckverlust von 500 Pa bei
275 m³/h nicht zu überschreiten.

Erzwungene Konvektion

Wegen der Zusatzanforderungen niedrigem Gewicht, bombensicherer Ausführung und kostengünstiger Herstellung wurden Wärmespreizmaßnahmen wie der Einsatz von Kupfer oder von Heat Pipes nicht berücksichtigt. Vielmehr wurde ein Aluminiumkühlkörper aus einem Stück, idealerweise als Extrusionsprofil, bevorzugt. Die erste Idee war, den Kühlrippenabstand zu variieren, so dass mehr Luft in dem Bereich unterhalb des kritischen Leistungsmoduls strömt. Leider ist eine Ausdünnung der Kühlrippen unterhalb des Leistungsmoduls kontraproduktiv, da Fläche zur Wärmeübertragung verloren geht. Für eine effektive Wärmeübertragung ist es sinnvoll, Kühlrippenfläche in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle, d.h. direkt unterhalb des Moduls, zu konzentrieren beziehungsweise zu maximieren. Die Lösung lag darin, Kühlrippen in der Länge, vor und hinter dem kritischen Leistungsmodul, wegzufräsen. Das optimale Verhältnis von Kühlrippenabstand zur Kühlrippenhöhe wurde in der Computersimulation errechnet.

Designdetails

Für die Besonderheit dieser Anwendung mit geteilten Kühlrippenbereichen, die von einem Kabelstrang getrennt werden, wurden in der Computersimulation unterschiedliche, „optimale“ Kühlrippenabstände berechnet, 4,6 bzw. 5,1 mm. Letztlich sind dies akademische Werte, die bei der Herstellung eines Extrusionsprofils mit zwei unterschiedlichen Bereichen nicht praktikabel wären und in Anbetracht der Genauigkeit der Eingabewerte z.B. für die Verlustleistung der einzelnen Komponenten oder der Genauigkeit der Druckverlustberechnung empirisch nicht als exaktes Optimum nachgewiesen werden könnten.

Die Basisplatte mit 10 mm Dicke hat einen begrenzten Wärmespreizeffekt, wie aus den abgegrenzten „Hot spots“ um die kritischen Leistungskomponenten zu erkennen war. Andere Designdetails sind nachrechenbar und müssen in der Praxis beachtet werden. So hat ein ursprünglich an den Rändern nicht abgedichteter, 16 mm breiter Bypass einen um 20 Prozent erhöhten Rth-Wert unter dem kritischen Leistungsmodul erzeugt. Dies zeigt erneut, wie wichtig die Konzentration der Kühlluft in der unmittelbaren Nähe der Wärmequelle ist.

Der Kabelstrang selbst stellt eine Strömungskontur dar, die in der Computersimulation stark vereinfacht wurde – mit einem dicken Teil, auf den die Strömung auftrifft, und einem dünnen Schwanz. Eine Einkleidung dieses Kabelstrangs zur Erzeugung einer glatten Strömungskontur hat Computersimulationen zufolge allein eine knapp 10-prozentige Reduzierung des Gesamtdruckverlustes gebracht.

Empirische Tests

Es empfiehlt sich bei neuen Designs, für die noch keine Erfahrungswerte vorliegen, numerisch vorhergesagte Werte mit Messwerten an Prototypen abzugleichen. Damit wird im ersten Schritt die Energie- und Massenbilanz überprüft. Im vorliegenden Fall mit relativ hoher, gut 4 kW Verlustleistung und entsprechend starkem Luftstrom von 270 m³/h kann man davon ausgehen, dass die Kühlluft die Verlustwärme komplett aufnimmt und über das Gehäuse keine Wärme aufgenommen oder abgegeben wird. Auch die Wärmestrahlung kann in solch einem Fall vernachlässigt werden. Bei der Computermodellierung muss darauf geachtet werden, dass insbesondere die Strömungskonturen, die wärmeleitenden Materialien und Geometrien und thermische Kontaktflächen detailgetreu und dem realen Aufbau entsprechend modelliert werden. Sind vorhergesagte und gemessene Temperaturen unterhalb einer Komponente innerhalb 2 bis 3 K Abweichung, kann man von einer guten Übereinstimmung sprechen. Dies war der Fall bei allen Komponenten, mit Ausnahme von einer nicht kritischen, die 10 K Abweichung aufwies, und so einen Hinweis darauf gibt, dass entweder die Kontaktierung nicht gut ausgeführt oder die Verlustleistung falsch berechnet wurde.

Bei Messungen im Windkanal zeigt sich, dass die kritische 122x60-mm²-Komponente wie gewünscht deutlich besser gekühlt wird als die beiden praktisch gleich großen 104x58-mm²-Komponenten. Des Weiteren wird deutlich, wie die ungleichmäßige Wärmequellenverteilung, die in diesem Test noch verstärkt wurde, indem die Verlustleistung an der kritischen Komponente um ca. 50 Prozent erhöht wurde, die Luftverteilung für die kritische Komponente negativ beeinflusst. In Abnahmetests konnte gezeigt werden, dass mit den angepassten Kühlkörpern des neu erstellten Extrusionsprofils das Thermal Stacking vermieden wird und die Leistungskomponenten mit ausreichend Sicherheitsmarge gut gekühlt werden. Darüber hinaus wurden Tests mit 50 g und 100 °C Umgebungstemperatur überstanden.

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