Phoenix Contact Gehäuse als Schlüsselfaktor beim Wärmemanagement

Bild 1: Gehäusefamilie ICS mit modularer Einschubtechnik – das Gehäuse mit der Baubreite 50 mm (Mitte) verfügt über einen integrierten Kühlkörper.
Bild 1: Gehäusefamilie ICS mit modularer Einschubtechnik – das Gehäuse mit der Baubreite 50 mm (Mitte) verfügt über einen integrierten Kühlkörper.

Da der Trend zur Miniaturisierung in der Elektronik ungebrochen ist, steigen die Packungsdichten bei in etwa gleichbleibenden Verlustleistungen. Dadurch kann es der Elektronik schnell zu warm werden. Dem Gehäuse kommt daher beim Wärmemanagement eine Schlüsselrolle zu.

Elektronikleergehäuse müssen weit mehr als nur die Leiterplatten mit der elektronischen Schaltung aufnehmen. Die elektrischen Anschlüsse zur Energieversorgung und Signalführung müssen von außen in das Gehäuse zur Leiterplatte und wieder zurückgeführt werden. Das Gehäuse soll möglichst kompakt sein und gleichzeitig das Innenleben davor schützen, dass Schmutz oder Wasser eindringt, sowie Menschen oder Tiere davor, spannungsführende Teile im Innern versehentlich zu berühren.

Und da ist dann noch das Problem mit der Wärme. Wenn auf der Leiterplatte leistungshungrige Prozessoren oder sogar Leistungshalbleiter mit nicht vermeidbarer Verlustleistungsabgabe eingesetzt werden, könnte es zu heiß werden.

Eine Möglichkeit, Wärme abzuführen, besteht darin, die physikalische Strömungsrichtung auszunutzen. Das Gehäuse erhält dann entsprechende Lüftungsschlitze, sodass es auf der Tragschiene – wie im Kamin – von kühlender Umluft durchströmt wird. Die am Bauteil entstehende Verlustwärme wird nach oben abgeführt. Die thermisch beanspruchten Bauteile sollten in der Nähe der unteren Lüftungsschlitze angebracht sein, damit sie mit »Frischluft«, das heißt, möglichst kühler Luft, angeströmt werden. Gleichzeitig dürfen diese Hotspots andere thermisch empfindliche Bauelemente jedoch nicht beeinträchtigen.

Wichtig ist auch die Breite der Lüftungsschlitze: Unter 2 mm haben sie fast keine Wirkung, und über 2,5 mm schränken sie den gewünschten Berührungsschutz ein. Bei der Gehäusereihe ICS (Industrial Case System) von Phoenix Contact lassen sich Seitenteile mit Lüftungsschlitzen beliebig platzieren (Bild 1).

Grundsätzliches zum Wärmemanagement

Besteht die Möglichkeit, ein breiteres Gehäuse einzusetzen, wirkt sich das positiv auf die Zirkulation der Kühlluft und für die Wärmeabfuhr aus, da diese Maßnahme Wärmestaus vermeiden hilft. Die physikalischen Durchströmungseffekte können zudem durch aktive Elemente unterstützt werden – etwa durch einen Lüfter. Dieser bewirkt, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Gehäuse stark steigt und deutlich mehr Wärmeenergie abgeführt werden kann.

Nachteil des Lüfters ist das Ausfallrisiko, viele Gerätebetreiber wollen auch keine beweglichen Komponenten in ihren Applikationen. Mit der Kühlluft gelangt zudem ein nicht zu vernachlässigender Anteil an Schmutz in das Gehäuse, und zusätzlich ist der Energiebedarf des Lüfters zu beachten. Denkbar ist auch der Einsatz von Peltier-Elementen, die aufgrund der Leistungsaufnahme und der erreichbaren Kühlleistung jedoch nur eingeschränkt geeignet sind.

Reicht die normale Konvektion der durchströmenden Luft durch das Gehäuse zur Kühlung nicht aus, werden passive Kühlkörper in Betracht gezogen, die aus wärmeleitfähigen Metallen wie Kupfer oder dem leichteren Aluminium bestehen. Um die Oberfläche des Kühlkörpers deutlich zu vergrößern, erhält der Rohkühlkörper aus Aluminium im Strangpressverfahren noch Kühlrippen.

Diese Betrachtungen sind bei der Konzeption für das Wärmemanagements des ICS-Gehäuses eingeflossen, das nun in den Breiten 20 mm, 25 mm und 50 mm zur Verfügung steht. Das Gehäusesystem zeichnet sich durch eine besondere Führungs- und Einschubtechnik aus. Die bestückte Leiterplatte, auf der die erforderliche Anschlusstechnik aufgebracht ist, wird mittels systemeigener Führungstechnik in das offene Gehäuseunterteil einfach eingeschoben und verrastet. Beispielhafte Anschlusstechnik sind hier Grundleisten für den Steckeranschluss, RJ45- und USB-Anschlüsse für Industrie-4.0-Anwendungen sowie D-Sub- und Antennenanschlüsse.

Durch das Montagesystem lässt sich ein Kühlkörper, der in der maximalen Gehäusebreite direkt auf der Leiterplatte platziert und mit dem zu kühlenden Bauelement thermisch leitend verbunden wird, leichter integrieren. Anschließend wird die bestückte Leiterplatte mit dem festmontierten Kühlkörper als Gesamtpaket in das Gehäuse eingeschoben. Auf diese Weise lässt sich durch Konvektion ein Vielfaches an Leistung – im Vergleich zu einer Anwendung ohne Kühlkörper – aus einem 50 mm breiten Gehäuse abführen.

Bei einer Wärmequelle mit +85 °C auf einer Leiterplatte und thermischer Kopplung mit einem Kühlkörper aus Aluminium kann bei einer Umgebungstemperatur von +20 °C eine Verlustleistung von maximal 28 W abgeführt werden. Bei +40 °C sind es 15 W und bei +60 °C immerhin noch 6 W. Für eine gute Wärmeabgabe sollte der Hotspot am Kühlkörper möglichst mittig platziert sowie thermisch optimal angebunden sein (Bild 2). angewendet.

Simulation, Auslegung, Erprobung

Aber wie kann das thermische Verhalten eines Gehäuses mittels Software simuliert und im Entwurf des beabsichtigten Hardware-Aufbaus analysiert werden? Die Simulation ermöglicht es, wärmekritische Bauteilpositionierungen zu vermeiden und geeignete Entwärmungsmaßnahmen in den Leiterplatten-Layouts und Geräten zu berücksichtigen. Für die Simulation und Unterstützung bei der Auslegung des Wärmemanagements bietet Phoenix Contact dem Entwickler einen abgestuften Service.

Bereits die Angaben in den Datenblättern für Elektronik und Leergehäuse geben Aufschluss darüber, ob das Elektronikgehäuse die zu erwartende Verlustleistung ohne zusätzliche Maßnahme abführen kann. Sind Abschätzung und Auslegung auf dieser Basis unzureichend, stellt der Entwickler sein Gehäuse und die gewünschte Anschlusstechnik im Online-Gehäusekonfigurator zusammen – als Ergebnis erhält er die Stückliste, 3D-Daten und Umriss der Leiterplatte (PCB Outline). Im Simulationswerkzeug definiert er Lage, Orientierung und Umgebungstemperatur des späteren Gerätes im Schaltschrank. Danach platziert er die einzelnen Hotspots per »drag and drop« auf der Leiterplatte und definiert die zu erwartende maximale Erwärmung dieser Bauteile.

Für eine kostenfreie Simulation kann der Interessent bis zu drei Hotspots eingeben. Alle Informationen einschließlich der Daten für die spätere Kontaktaufnahme werden automatisch in einer XML-Datei hinterlegt und per Internet an das Simulationswerkzeug übertragen (Bild 3). Dieses liest die Daten ein, verarbeitet diese und versendet die Resultate im vorbereiteten Ausgabeformat an den Kunden.

Wünscht der Kunde individuelle Unterstützung bei der Simulation, steht Phoenix Contact als Entwicklungspartner bei der thermischen Optimierung der Applikation zur Verfügung – etwa wenn mehr als drei Hotspots für die Wärmeentwicklung zu betrachten sind oder wenn die Wärmeabfuhr in der eingegebenen Konstellation nicht ausreicht. Dort wird dann in verschiedenen Simulationsstudien die Position der Hotspots optimiert und eine verbesserte Entwärmungsstrategie empfohlen. Eine Möglichkeit kann hier der Einsatz von Kühlkörpern sein.

Fazit

Gestiegene Packungs- und Leistungsdichten in der Elektronik machen eine effiziente Entwärmung in zahlreichen Elektronikgehäusen erforderlich. Dabei steht der Elektronikentwickler vor einer Herausforderung, für die viele Anbieter von Gehäusen und Komponenten bislang keine Lösung hatten. Mit einem neuen Simulationstool von Phoenix Contact kann der Interessent Hotspots auf der Leiterplatte platzieren und Eigenschaften definieren. Als Ergebnis der Simulation erhält er das Wärmeprofil seiner Elektronikauslegung. Mit den Simulationsergebnissen kann er Ausfallrisiken analysieren und mit Entwärmungsmaßnahmen gegensteuern.

Zudem steht die auf das Elektronikgehäuse ICS zugeschnittene Kühlkörpertechnologie ICE zur Verfügung. Damit erschließen sich für den Anwender neue Applikationsfelder bei Elektronikleergehäusen aus Kunststoff – wie der Einsatz von Embedded-Systemen und Leistungselektroniken für Motorsteuerungen mit hoher Wärmentwicklung.