Wärmebrücke konstruieren

[EDE-WOLF]

Hi Forum,

ich hab ein extrem spezielles Anliegen und eigentlich ist das kaum das richtige Board dafür...

Zum Szenario: Ich habe Aktivsubwoofer selbst gebaut. In den Subs stecken Digimodmodule, die natürlich warm werden. Die Module sind auf einer Aluplatte verschraubt, auf der wiederum ein Kühlkörper aufgebracht ist.

Jetzt habe ich aber das Gefühl, dass die ganze Sache doch zu heiß wird und ich eigentlich einen größeren Kühlkörper bräuchte. Dies ist aber nicht ohne weiteres möglich (Verstrebungen im Weg etc...) also habe ich überlegt einfach einen zweiten Kühlkörper in einiger Entfernung anzubringen und beide mit einer Art Wärmebrücke zu verbinden.

Da ein Bild mehr als 1000 Worte sagt:

Das ist das Konstrukt zu "Baustellenzeit". Da fehlt als noch besagter Kühlkörper, der unter den Connectoren angebracht ist (17x10x1,5cm). Den zweiten Kühlkörper würde ich nun gern auf der anderen Seite des mittleren Terminals anbringen und dann im inneren eine thermische Verbindung schaffen etwa mit Kupfer oder Alublech....

Mir fehlt hier jede Erfahrung:
1. Lohnt das überhaupt? Idee wäre den Wärmewiderstand zur Umgebung ca. zu halbieren (ich denke realistisch sind durch den Reihenwiderstand der Brücke eher knappe 2/3)
2. Wie muss so eine Brücke ausfallen? Kupfer oder Alu? Wie Dick sollte das blech sein? Ich würde das ganze gern mit Wärmeleitpaste und einer Verschraubung mit der vorhandenen Aluplatte verbinden

Intuitiv würde ich sagen: Da die Gesamten Metallverbindungen (Alu auf Alu, Kupfer auf Alu oder oder oder) sowieso das Metall selbst einen DEUTLICH kleineren Wärmewiderstand hat als der Übergang Kühlkörper - Umgebung (Datenblatt sagt: 1,7W/K bzw. entsprechend ca. 0,6K/W dürfte sich auch bei ner relativ langen Brücke (das werden schon ca. 15cm werden) und nicht perfekter Ausführung der Wärmewiderstand zur Umgebung merklich Verringern!

Da ich meiiiine immer mal wieder von ein paar Leuten gelesen zu haben, sie seien in der Entwicklung tätig: Ich bin dankbar für Tipps

 

[MS-SPO]

Da ein Bild mehr als 1000 Worte sagt:

Hm, ich stehe ein bischen auf dem Schlauch. Das Gehäuse wirkt wie Kunststoff, und die Wärmequelle sitzt links, hinter/unter des schwarzen Platte, die ... aus Metall / Kunststoff ist?

Mal nebenbei: Hast Du irgendwo Lüftunsgschlitze vorgesehen (Konvektion)? Sonst ist es ja so, als ob Du eine Glühbirne in einem verschlossenen Karton betreibst ... Das geht nicht lange gut.

Der Kühlkörper macht ja nichts anderes, als die Wärme abzuleiten UND sie der Luft zu übergeben (Wärmetransporte). Brücken in verschlossenen Behältern helfen da nicht wirklich. Daher bitte etwas Klärung

 

[EDE-WOLF]

OK dann nochmal so:
Hier ein Bild nochmal mit Kühlkörper


Das Gehäuse ist ein normales Lautsprechergehäuse aus Holz. Das Ampmodul sitzt innen auf einem Alublecht, außen drauf sitzt der Kühlkörper.

Ich überlege also auf der anderen Seite noch einen weiteren Kühlkörper anzubringen (ggf. sogar etwas größer) und diesen thermisch mit der Aluplatte (bzw. näherungsweise dann auch mit dem ersten Kühlkörper zu verbinden....

Ist das klarer geworden?

 

[MS-SPO]

Ist das klarer geworden?

Ja, danke.

Gut, dann hast Du je einen Wärmewiderstand zwischen Modul, der hier gezeigten Platte und zum dort montierten Kühlkörper. Da ist auf beiden Seiten Wärmeleitpaste angesagt (hast Du vermutlich schon aufgetragen).

Das Lautsprechergehäuse hat aber keine Belüftung? Die wäre wichtig (kalte Zuluft unten, warme Abluft oben, von Außen nicht zugestellt).

Um alles besser verfolgbar zu machen: Hast Du eine Möglichkeit, die Temperaturen an vielen Stellen zu messen? Also direkt am AmpModul, an nahen und ferneren Stellen des Alublechs, am Kühlkörper außen, im Lautsprecherinneren?
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Nebenbei: Ist das Blech lackiert? Blank wäre für die Wärmeleitung besser.
--- Beiträge wurden zusammengefasst ---
Nebenbei: Die Kühlrippen scheinen in der Mulde zu verschwinden. Das ist für die Konvektion natürlich nicht wirklich gut. Besser wäre es, wenn die Kühlrippen auch in die Luft ragen.

Ach so, und dann zieht die Wärme hoch zu den Steckern? Ist das wirklich gut?

 

[EDE-WOLF]

Also wenn ich mir n termisches Ersatzschaltbild (vereinfacht) bauen würde, dann würde das so aussehen:

(sorry verdreht....)

Der ganze rechte Teil soll neu! R_KU ist laut Datenblatt mit ca. 0,6K/W angegeben... entsprechend gehe ich davon aus, dass er deutlich größer als der Rest ist!
Um ne Idee zu bekommen: Die Bodenplatte des Ampmoduls ist aus Metall (vermutlich auch Alu) und hat eine Grundfläche von ca. 20cmx12cm und die ist vollflächig mit dem Alublech verbunden. Ich denke sowohl dieser als Übergang als auch der Übergang von Blech auf Kühlkörper (Fläche: 17cmx10cm, Wärmeleitkleber) sind im Vergleich zu den 0,6K/W verdammt gering oder nicht?

Das Gehäuse selbst hat einen Bassreflexport, der ist auch ziemlich groß - Fläche ca. 67*5cm. Das Innenvolumen beträgt ca. 125l
Nachteil - aber ich glaube akademischer Natur -: Der Bassreflexport befindet sich auf Bodenhöhe.
Temperaturen kann ich leider nur im Gehäuse "irgendwo" messen (also Luft) und allen Stellen, wo ich von außen dran komme...

Sowohl Blech als aus Kühlkörper sind schwarz eloxiert...
Ohne Kühlkörper gab es keine merklichen Hotspots auf der Aluplatte, die war gleichmäßig heiß
Die Kühlrippen sind in der Tat versenkt, ist thermisch nicht optimale - klar - aber aufgesetzt ist das völlig unpraktikabel! Wir reden hier von 15mm tiefe. Deshalb habe ich auch merkliche Abstände zu den "Rändern" gelassen...

EDIT: Zum Blech-Brück-Blech Stück käme noch der Wärmewiderstand der Brücke selbst... aber das lässt sich ja alles in einem zusammenfassen...

Mir gehts (glaub ich ) im wesentlichen um die Frage: Wie müsste die Verbindung zwischen beiden Kühlkörpern aussehen (innenliegend), damit der Wärmewiderstand dazwischen vernachlässigbar wird...

 

[MS-SPO]

Also wenn ich mir n termisches Ersatzschaltbild (vereinfacht) bauen würde, dann würde das so aussehen:

Was mir auffällt: Woher soll das Ersatzschaltbild oder der Amp "wissen", dass Innen kein Transportweg für Wärme existiert? Jedenfalls hast Du ihn nicht mitmodelliert. (Und es gibt ihn ja.)

Mir gehts (glaub ich ) im wesentlichen um die Frage: Wie müsste die Verbindung zwischen beiden Kühlkörpern aussehen (innenliegend), damit der Wärmewiderstand dazwischen vernachlässigbar wird...

Wenn Temperaturen kein (quantifizierbares) Problem ist ... warum glaubst Du, dass so ein Konstrukt noch nötig ist?

Magst Du nicht einmal die eine oder andere Temperatur nennen? Um 'mal 'was zu sagen: Leistungshalbleiter werden schon 'mal über 130 degC heiß im Inneren, je nach Konstruktion. Wenn Du jetzt nirgends 100 degC bemerkst, warum die Konstruktionen?

R_KU ist schön ... wie groß sind die anderen Werte? Warum sollte Deine Annahme auf der Skizze zutreffen?

Über die Lüftungsfrage magst Du nichts sagen? Auch 125 l sind irgendwann einmal warm oder heiß, je nachdem.

Intuitiv würde ich sagen: Da die Gesamten Metallverbindungen (Alu auf Alu, Kupfer auf Alu oder oder oder) sowieso das Metall selbst einen DEUTLICH kleineren Wärmewiderstand hat als der Übergang Kühlkörper -

Das hängt von vielen Randbedingungen ab. Oxidschichten beispielsweise.

Der Grund, warum ich nachfrage, ist einfach: Deine Frage war klar. Viele Angaben sind leider unvollständig, wenigstens optimistisch.

 

[EDE-WOLF]

Zunächst mal: Vielen Dank schonmal, dass du dich der Sache annimmst!

Damit man vielleicht ne bessere Idee bekommt: Modul ist eine Powersoft Digimod 1500, wobei nur ein Kanal die Box antreibt.

Was mir auffällt: Woher soll das Ersatzschaltbild oder der Amp "wissen", dass Innen kein Transportweg für Wärme existiert? Jedenfalls hast Du ihn nicht mitmodelliert. (Und es gibt ihn ja.)

Ist richtig. Letztlich liegt dieser parallel zum Rest, bekommt aber wiederum n "Offset" mit.

Der Amp erzeugt ja selbst Verlustleistung und liefert Leistung an die Speaker, die wiederum im wesentlichen verheizen. Kurzum: In erster Näherung wird die gesamte Leistung im innerer der Box umgesetzt.
Ich kann das gerade nicht wirklich quantifizieren, aber die Spezifikation des Ampmoduls wird mit "2,2A" stromaufnahme angegeben. Ich denke das ist ordentlich nach oben abgeschätzt. Ich denke wir dürfen von 400W Leistungsaufnahme ausgehen WENN BEIDE KANÄLE BETRIEBEN WERDEN. Das passiert derzeit nicht, sondern nur einer, also nach oben aufgerundet sagen wir mal in Näherung: 250W werden im Gehäuse unter Spitzenhardcorevolllast umgesetzt. Davon <50W (Datenblattangabe des Moduls bei 2 Kanäle Vollast) am Modul direkt und die restlichen 200W an den Speakern. Das innere der Box wird also zu wesentlichen Teilen von den Speakern aufgeheizt.

Der Wärmewiderstand zwischen Modul <> Luft im inneren Der Box dürfte eher so mittel ausfallen, die Luft im inneren aber deutlich Wärmer werden als die Luft außerhalb! Ich werde das am Freitag mal messen. Da kann ich den Quatsch mal ausfahren ohne Zeitdruck.
Der Wärmeübergang zwischen Luft im inneren und Alublech wird nicht sooo dolle sein: ca. 10cm*20cm flaches Alublech.

Ich machs mal kurz: Das Modul wird natürlich auch Wärme an die Innenluft abgeben können, die Temperaturdifferenz wird aber merklich kleiner sein als zur Außenluft...

Wenn Temperaturen kein (quantifizierbares) Problem ist ... warum glaubst Du, dass so ein Konstrukt noch nötig ist?

Ich habe die Konstruktion mal ausgefahren mit wirklich Pegel in einem normal temperierten Raum (ca. 26°) und da wurde der Kühlkörper WIRKLICH heiß.
Dabei habe ich noch NICHT den zweiten Kanal der Amps betrieben. Das ist so konstruiert (siehe Bild), dass man per Speakon einen zweiten Passivsub anschließen kann, der dann vom Modul mitversorgt wird.
In diesem Falle würde es dann nochmal merklich heißer werden befürchte ich. Das ganze noch in einer wärmeren Umgebung... da hab ich Sorge, dass es nicht mehr betriebssicher ist.

Magst Du nicht einmal die eine oder andere Temperatur nennen? Um 'mal 'was zu sagen: Leistungshalbleiter werden schon 'mal über 130 degC heiß im Inneren, je nach Konstruktion. Wenn Du jetzt nirgends 100 degC bemerkst, warum die Konstruktionen?

Kann ich tatsächlich gerade nicht... kann ich aber zum Wochenende hin nachliefern!

R_KU ist schön ... wie groß sind die anderen Werte? Warum sollte Deine Annahme auf der Skizze zutreffen?

Ich habe zwar nahezu keine praktische Erfahrung aber ich würde doch mal unterstellen dass eine thermische Verbindung von Alu auf Alu bzw. Metall auf Metall mit Wärmeleitpaste dazwischen eine ERHEBLICH bessere Verbindung darstellt als eine thermische Verbindung zwischen Alu (Kühlkörper) und Luft.
Ums nochmal deutlich zu sagen: Das Ampmodul ist vollflächig mit der Aluplatte verbunden und die Aluplatte vollflächig mit dem Kühlkörper.
Das heißt alle Flächen sind ungefähr gleich. Und da hälst du die Annahme für unrealistisch?

Über die Lüftungsfrage magst Du nichts sagen?

Ich verstehe nicht? Welche meinst du? Ich sage nach Möglichkeit zu allem was!

Auch 125 l sind irgendwann einmal warm oder heiß, je nachdem.

Das ist fein beobachtet Klar.. deshalb aus meine Ausführung oben...

Das hängt von vielen Randbedingungen ab. Oxidschichten beispielsweise.

Naja wir reden hier halt von dünnst lackiertem Metall (Ampmodul) und eloxiertem Alu...

Der Grund, warum ich nachfrage, ist einfach: Deine Frage war klar. Viele Angaben sind leider unvollständig, wenigstens optimistisch.

Das ist mir klar! Es ist ja gerade mein Problem, dass ich vieles aufgrund fehlender Erfahrung nicht quantifizieren kann. Hätte ich alle Größen, könnte ich mir das meiste auch selbst ausrechnen.


VIelleicht noch ein paar Angaben zum Datenblatt:

So sieht das Modul von oben aus, also Pi mal Daumen 20cmX10cm Fläche

Es ist durchaus für den Einbau IN Lautsprecher konzipiert.
Unter Vollast wird eine Verlustleistung von 50W angegeben.

 

[MS-SPO]

... kann ich aber zum Wochenende hin nachliefern!

Ok, das wird's klarer machen, wie die Verhältnisse in etwa sind.

Und da hälst du die Annahme für unrealistisch?

In der Praxis ist das Problem immer das, was in Formeln eher nicht auftaucht. Also Fett-, Schweiß- und Salzreste vom Einbau, verkanntete Flächen, eingeschlossene Fremdkörper wie Körnchen, unbenetzte Flächen, falsche Daten u.Ä.

Gut, ich verstehe, wir haben das Problem, die Abwärme von 2-4 100 W Glühbirnen aus so einer Box abzuführen. Und weil's ein Lautsprecher ist, bieten sich nicht beliebig viele Öffnungen an.

 

[EDE-WOLF]

In der Praxis ist das Problem immer das, was in Formeln eher nicht auftaucht. Also Fett-, Schweiß- und Salzreste vom Einbau, verkanntete Flächen, eingeschlossene Fremdkörper wie Körnchen, unbenetzte Flächen, falsche Daten u.Ä.

Natürlich hab ich alles möglichst gereinigt und mit Wärmeleitpaste versehen... Natürlich nicht unter Reinraumbedingungen

Gut, ich verstehe, wir haben das Problem, die Abwärme von 2-4 100 W Glühbirnen aus so einer Box abzuführen. Und weil's ein Lautsprecher ist, bieten sich nicht beliebig viele Öffnungen an.

Das ist elegant zusammengefasst!

 

[topo]

Ich hatte auch mal ein Projekt mit Powersoft DigiMod Modulen für BR Boxen in Planung.
Hier wollte ich zusätzliche Kühlung mittels eines Peltier-Elements aus einer Kühlbox erreichen.
Die konnte man günstig bei Conrad kaufen. Strom war ja in der Box vorhanden.
Leider hat sich das Projekt zerschlagen.
Aber ggf. hilft der Gedankenansatz.

Topo

 

[sir stony]

Der Kühlkörper scheint mir auch nicht optimal für dein Projekt zu sein, die Rippen sind sehr dick und weniger zahlreich, da ergibt sich eine höhere Wärmekapazität und eine geringere Wärmeabgabe gegenüber einem feiner gefächerten Modell. Das ist besser geeignet um eine intensive und eher punktuelle Wärmequelle mit hohem Delta abzuleiten als eine größerflächige, trägere, mit geringerem Delta, wie es in deinem Fall sein soll (Delta=Temp. Differenz).
Wärmeleitkleber ist auch so eine Sache... du hast zwar eine schöne, große Fläche zur Verfügung, aber hoher Anpressdruck und weniger Übergangsmaterial dazwischen ergibt eine bessere Wärmeleitung, also lieber den Kühlkörper von innen mit vier Schrauben durchs Blech befestigen und nur mit Leitpaste arbeiten. Hält auch besser auf die lange Sicht, so ein Subwoofer vibriert ja doch etwas...

 

[chris_kah]

Ich sehe folgende Möglichkeiten:
größerer Kühlkörper (wie oben schon erwähnt) mit mehr Kühlfläche
Oder noch eine Kupferplatte mit midestens 5mm Dicke, um die Wärme wegzuführen zum 2 Kühlkörper. Bringt aber vermutlihc weniger als ein besserer Kühlkörper.

Richtig Wärme transportieren kann man mit Heatpipes, die zusätzlich durch ihr Prinzip die zu kühlende Siete auf einer maximaltemperatur halten (Medium verdampft und kondensiert an anderer Stelel wieder). Die latente Wärme (Phasenübergang flüssig-> gasförmig) sorgt für gute Wärmeabfuhr bei ca 40-60 Grad (je nach Medium).
Allerdings ist das kein billiger Spaß, außer du findest irgendwo eine alte Grafikkarte (oder eine aus dem Ramschverkauf) auf der so etwas verbaut ist.

Auch eine Möglichkeit die Wärme wegzubekommen : den Kühlkörper mit einem Lüfter anblasen. Das bringt wesentlich mehr Wärmeabfuhr als die reine Konvektion (Faktor 3 - 5)

 

[EDE-WOLF]

Hallooo in die Runde und danke schonmal für die Beiträge....
Jaaa machen wir uns nix vor: Ein "perfektes Projekt" ist das nicht geworden.... aber ich muss gestehen, dass das das erste mal ist, dass ich ein Projekt im Bereich "Leistungselektronik" umgesetzt habe... bisher hab ich nur Kleinsignalzeug gemacht...

Das mit dem Kühlkörper war ggf. ein dummer Schnellschuss... das mag sein. Damit ihr mich nicht für völlig dämlich haltet würde ich euch aber gern kurz erklären, warum ich mir da relativ wenig gedanken bisher drum gemacht habe:

Bisher liefen die 4 Digimodmodule in einem 4HE Rack (auf Rackwanne geschraubt unten, darüber ne 1HE-Blende und darüber ein DCX). Das Rack war natürlich vergleichsweise gut belüftet aber bei 4(!) Modulen im Rack wurde die ganze Nummer eigentlich nie mehr als handwarm - zumindest wäre mir das in ca. 10 Jahren nicht aufgefallen). Also hab ich so für mich verbucht, dass diese Amps offenbar nur marginale Abwärme produzieren...
Daher der Schuss ins Knie! Ja war doof: Lehrgeld, zu spät

Die Sache mit dem Anschrauben ist prinzipiell klar. Ist nur auf Faulheit zurückzuführen, dass ich das ganze geklebt habe! Ich war nämlich so naiv, dass ich dachte es geht wahrscheinlich sogar ganz ohne Kühlkörper. Ich habe also die ganzen "Platten" fertig gemacht, Module aufgebracht, verschraubt, Platinen für Metering aufgebracht, verkabelt, Zugentlastungen dran gesetzt usw. was durchaus Zeit gekostet hat.... und dann hatte ich keiiinen Bock mehr die ganze Scheiße wieder auseinanderzunehmen um 2 Schrauben zu setzen.... Ja war doof! Aber ist jetzt so

Vielleicht nochmal zum Konzept (falls ich das bisher noch nicht sauber erklärt hab):
- Der (aktive) Subwoofer hat ein 2-Kanal-Ampmodul drin, bei dem nur 1 Kanal läuft bzw. diesen Sub versorgt!
In dieser Konstellation wirds zwar durchaus sehr warm, aber so, dass ich sagen würde: geht!

- Der zweite Ampkanal geht auf einen Speakonconnector, wo einer zweiter Passivsub angeschlossen werden kann und ab DIESEM Punkt traue ich dem Konstrukt nicht mehr...

Auch eine Möglichkeit die Wärme wegzubekommen : den Kühlkörper mit einem Lüfter anblasen. Das bringt wesentlich mehr Wärmeabfuhr als die reine Konvektion (Faktor 3 - 5)

Ey ganz ehrlich: Ich habe das die gaaanze Zeit ausgeschlossen, weils irgendwie komisch aussieht und beim Transport blöde ist, wenn ein Lüfter von außen zu sehen ist/beschädigt werden kann (Die Subs stehen mit der Front auf Rollbrettern, so dass ich beim Transport auf die Rückseite durchaus mal Monitore oder andere Kisten stapel, da hätte ich Sorge dass der Lüfter was abbekommt, aber als ich den Post heute nacht las, fand ich die Idee super:

Ich werde einfach einen Gehäuselüfter nehmen, den mit 4 Magneten versehen, und wenn ich eine Nummer hab, bei der wirklich die Passivbässe angedockt werden (ist so ca. 1 von 15), dann pack ich hinten die Lüfter drauf und gut....

Ey viiiiiiieeeeelen Dank für die Idee Chris.... eigentlich peinlich auf sowas nicht selbst gekommen zu sein...

Ich glauuuuube damit hat sich die Nummer hier erstmal erledigt (es braucht viele Facepalmsmileys!)

 

[MS-SPO]

 

[EDE-WOLF]

Ja... ehh funktioniert...

Ich habe heute nochmal einen Testaufbaue gemacht, indoor bei zugegenermaßen angenehmer Innentemperatur von 24°C (das ist ERHEBLICH geringer als das letzte mal, wo mir die Kühlkörper zu warm vorkamen).
Hab dann ca. 90 min ein Techno/Goa-DJ-Set auf Limit laufen lassen.

Ich habe ferner an zwei der 4 Subwoofer einen Gehäuselüfter gehängt, den ich quasi einfach "aufsetzen" kann. habe ich ohne betrieben.
Sieht dann etwas albern aber so aus:


Ergebnis: Die ohne wurden gehobenes Handwarm (50°C +/-), die Kühlkörper mit dem Gehäuselüfter drauf wurden kaum merklich warm!

Der damalige Test, aufgrund dessen ich etwas "besorgt" war, fand unter deutlich ungünstigeren Bedingungen statt: Open-Air Sonne knallte auf Box und es waren 38° Außentemperatur...

Meine Erkenntnis:
Bei angenehm temperierten Umgebungen ist alles kein Problem... wenns mal heiß werden sollte. clippe ich nach dem Aufbau 4 Lüfter hinten drauf und fertig!

Das scheint mir absolut praktikabel zu sein, einfach und günstig! Sieht etwas gewöhnungsbedürftig aus, aber so what!

Jetzt möchte ich mich nochmal explizit bei @chris_kah bedanken für die Idee und vor allem auch bei @MS-SPO , der sich hinter dem Kulissen per PN richtig Mühe gegeben hat sich reinzudenken!

Vielen Dank auf jeden Fall!
Ich bin gerade extrem froh jetzt funktionieren Aktiv-Subs zu haben Ich überleg das ganze Projekt nochmal in nem neuen Thread zu dokumentieren... schauen wir mal...

 

[MS-SPO]

Super

Jetzt möchte ich mich nochmal explizit bei @chris_kah bedanken für die Idee und vor allem auch bei @MS-SPO , der sich hinter dem Kulissen per PN richtig Mühe gegeben hat sich reinzudenken!

Vielen Dank + Gerne. Ich glaube, wir sind auch immer für einen Keks zu haben

Grüße + schöne Musik, Michael

 

[EDE-WOLF]

Diese "Keksnummer" ist hier bisher an mir vorbei gegangen! Aber ich hab dann mal spendiert

 

[MS-SPO]

Danke, @EDE-WOLF

 

[lini]

Das ist dann eine Endstufe mit "temperaturgesteuertem Lüfter" in der Version 2.0
Evtl kann ein passendes Schutzgitter am Lüfter nicht schaden.

 

[chris_kah]

Schön, dass es so funktioniert. Sicher die kostengünstigste Nummer. Und vielen Dank für die