Unterschied Aluminium Blank zu Aluminium Eloxiert

  • Ich hatte hier schon mal nachgefragt -> Link

    Hat sich schon mal jemand damit auseinandergesetzt oder weiß wo etwas dazu zu finden ist,
    wie verhält sich die Wärmeableitung von Aluminium blank zu Aluminium eloxiert?
    Mir geht es hier um die Materialbeschaffenheit! Die Farbe ist hier außen vor!


    Die Antworten passten aber irgendwie nicht zu meinen Messwerten.


    Also habe ich das mal Messtechnisch untersucht.
    Fotos vom Versuchsaufbau kann ich euch leider nicht präsentieren!


    Ausgangslage war die Kühlung einer LED-Platine mit ca. 3,5W.
    Zum Testen hatte ich die auf einen Kühlkörper montiert und war mit der Temperaturentwicklung auch zufrieden. Aber die Form des KK passte nicht für den Einbauzweck. Also aus einem Stück Alu einen passenden KK kreiert der passte und von den Kühleigenschaften (Oberfläche) auch deutlich besser sein sollte als der Test KK.
    Nach der Montage und einer ersten Messung kam die Ernüchterung. Der neue KK war bedeutend schlechter. Deshalb dann auch die obige Frage. Die Antworten machten zwar Sinn aber auch die verfügbare Literatur konnte nicht wirklich gewinnbringend weiterhelfen. Die Erklärungen passten einfach nicht zu meinen Messwerten.


    Also habe ich eine Messreihe gemacht mit verschiedenen Alusorten in blank und eloxiert.
    Der Messaufbau bestand aus einem 24V 30W Gleichspannungsschaltnetzteil sowie zwei der LED-Platinen mit jeweils ca. 3,5W (Abweichung untereinander minimal) parallel angeschlossen mit gleicher Kabellänge.
    Als Messgerät kam ein kalibriertes 3 Kanal Temperaturmessgerät zum Einsatz.


    Untersucht wurde der Test KK in blank und eloxiert, der neue KK in blank und eloxiert sowie ein Aluprofil aus dem Baumarkt in blank und eloxiert.


    Gemessen wurde jeweils eine Sorte parallel in blank und eloxiert, so dass die Raumtemperatur keinen Einfluss auf das Messergebnis hat.


    Die drei Messdurchgänge ergaben jeweils einen Temperaturunterschied zwischen dem blanken Teil und dem eloxierten Teil von ca. 8°C. Zu Gunsten des eloxierten Teils. Die Temperaturen beziehen sich auf die Oberflächentemperatur des KK. Sind aber analog auch in dem Verhältnis am Tc Punkt der Platine gemessen worden. Die Temperatursensoren waren jeweils an der gleichen Stelle fest mit dem KK verbunden. Der Tc Punkt wurde nur zur Kontrolle gemessen. Die Messzeit war ausreichend lang um die Temperaturen in einem stationären Zustand messen zu können.


    Fazit:
    Bei meiner Messung hat sich gezeigt, dass bei zwei identischen Kühlkörpern die Eloxalschicht für eine Verbesserung der Kühleigenschaften des KK sorgt. In meinem Fall bei einer zugeführten Leistung von ca. 3,5W und einer Raumtemperatur von ca. 24°C waren die eloxierten KK bzw. Aluteile und damit auch die LED-Platine im Durchschnitt um ca.8°C kälter als bei der nichteloxierten Lösung.

  • Oha! Interessant!
    Dass die gleichen Temperaturunterschiede auch an der Platine gemessen wurden, schliesst ja schonmal aus, dass der vermeintlich schlechtere Wärmeübergang von Platine zum Kühlkörper ursächlich ist. Bei ~4W und 8K Temperaturdifferenz wären das ja auch 2K/W, was viel zu hoch wäre. Realistisch müssten da bei den von iceananas genannten Werten um die 2*10^-4 K/W rauskommen...(R=s/(lambda*A) ~~ 10*10^-6/(28*16*10^-4) K/W bei 10µm Schichtdicke und 4cmx4cm Auflagefläche). Da muss es doch irgendwo Untersuchungen zu geben?! Kann mir nicht vorstellen, dass das (zumindest von den KK-Herstellern) noch keiner gemacht hat.

  • Hallo,


    also mich hätte jedes andere Ergebnis überrascht.
    Die eloxierte Oberfläche ist wesentlich größer, als eine glänzende.
    Denselben Effekt kann man feststellen wenn die Oberfläche beispielsweise durch Sandstrahlen vergrößert wird.
    Daraus ergibt sich der Rest.


    Viele Grüße

  • mhh das ergebnis macht soweit sinn, wenn es um die Wärmeabgabe geht, aber bei R_th wäre ich doch sehr verwundert wenn eine Verbindung "rauherer" oberflächen einen geringeren R_th haben sollten als wenn 2 polierte flächer aufeinanderstoßen.


    das ergebnis hier würde auch gegen die erfharungen aus der overclocker szene sprechen, die schon seit jahrzehnten mit hochglanzpolierten Kontaktflächen arbeitet und den geringeren R_th dieser übergänge mannigfach nachgewiesen hat.

  • Mir geht es hier um die Materialbeschaffenheit! Die Farbe ist hier außen vor!


    Wieso ist das auch in deinen Versuchen außen vor? Ein Messaufbau Foto wäre vielleicht doch recht sinnvoll... eine schwarze Oberfläche kann doch mehr Energie durch die Wärmestrahlung wegbringen... hab zwar gerade nicht auf dem Schirm welche Größenordnungen, aber evtl. macht das den Unterschied...


    Ansonsten:


    Garfi: seh ich auch so... jedenfalls beim Übergang mit der Luft
    rbt: seh ich auch so... jedenfalls beim Übergang LED - Kühlkörper... aber gibt ja noch Wärmeleitpaste die hier sicherlich verwendet wurde...


    Grüße


    Basti

  • Wieso ist das auch in deinen Versuchen außen vor? Ein Messaufbau Foto wäre vielleicht doch recht sinnvoll... eine schwarze Oberfläche kann doch mehr Energie durch die Wärmestrahlung wegbringen... hab zwar gerade nicht auf dem Schirm welche Größenordnungen, aber evtl. macht das den Unterschied...

    Dazu kann ich auch ein wenig Theorie beitragen:


    Die Formel für den Wärmestrom Q', der zwischen einem schwarzen Körper (=idealisiert für ein schwarzes Aluprofil) und der Umgebung ausgetauscht wird, lautet:


    Q' = epsilon * sigma_s * A * (T1^4 - T2^4).


    - epsilon ist der Emissionsgrad, beim ideal schwarzen körper ist der Wert 1
    - sigma_s ist die Stefan-Bolzmann-Konstate mit sigma_s = 5.67*10^-8 W/(m²K^4)
    - A ist die Oberfläche vom Profil
    - T1 ist die Temperatur des Profils
    - T2 ist die Umgebungstemperatur


    Man sieht schon auf dem ersten Blick, dass die Wärmestrahlung in der Größenordnung keine Rolle spielt.

  • Man sieht schon auf dem ersten Blick, dass die Wärmestrahlung in der Größenordnung keine Rolle spielt.


    Sieht man das? Ich seh das nicht... habs mal durchgetippt...


    60°C Kühlkörper
    20°C Raumtemperatur


    Q = 1 * 5.67*10^-8 W/(m²K^4) * A * (60^4-20^4)


    Q = A * 0,72576


    Natürlich ist A recht klein, da m²... na, dann wird das wohl nix...

  • Hm, wenn ich bei Fischer nachlese
    (letzte Seite) dann behaupten die, dass ein "naturfarbener" KK etwa
    10-15% schlechter kühlt (Rth größer) als ein schwarzer. Was bei denen
    jetzt naturfarben heißt, ob eloxiert oder blank weiß ich nicht, tippe
    aber auf ersteres. Sollte diese Annahme zutreffen, so muss die
    Wärmeabstrahlung doch durchaus relevant sein.

  • Es wird die Farbe und Oberflächenstruktur sein. Aus welchem Grund sollte sonst der Großteil der Kühlkörper schwarz eloxiert sein?
    Zudem denke ich das Fischer ein klein wenig von der Materie versteht.


    Zitat

    Q' = Emissionsgrad * sigma_s * A * (T1^4 - T2^4).

    Bei der Wärmestrahlung muss man sich doch eigentlich nur mal den Emissionsgrad von Alu anschauen, blank ~0,15, eloxiert 0,55 ..... schwarz eloxiert vermutlich noch höher. Und hochglanzpoliert irgendwo < 0,1. Also alleine eloxiert zu blank hat somit eine ca. 3,5-fache Wärmestrahlung. Macht also doch einiges aus.


    Wie groß jetzt jedoch der Anteil der Wärmestrahlung ist, weiß ich nicht. Der Großteil der Wärme dürfte jedoch über Konvektion abgeführt werden.

  • mhh das ergebnis macht soweit sinn, wenn es um die Wärmeabgabe geht, aber bei R_th wäre ich doch sehr verwundert wenn eine Verbindung "rauherer" oberflächen einen geringeren R_th haben sollten als wenn 2 polierte flächer aufeinanderstoßen.


    das ergebnis hier würde auch gegen die erfharungen aus der overclocker szene sprechen, die schon seit jahrzehnten mit hochglanzpolierten Kontaktflächen arbeitet und den geringeren R_th dieser übergänge mannigfach nachgewiesen hat.

    Stimmt für polierte Oberflächen! Bei zwei hochglanz polierten Flächen wird der Wärmeübergang sicherlich besser sein. Aber:
    Bei den Kühlkörpern die hier meistens für Led Konstruktionen verwendet werden ist man sehr sehr weit weg von hochglanz poliert. Schon minimale Unebenheiten können für einen deutlich schlechteren Wärmeübergang auf größerer Fläche sorgen.
    Bei eloxierten Oberflächen oder auch sandgestrahlten hast du sehr viele kleine Erhöhungen die sich in die Kontaktfläche der Led-Platine "bohren". Das bewirkt einen deutlich besseren Wärmeübergang als normale "glatt" erscheinende Oberflächen.


    Aber Beweise oder Theorie kann ich leider nicht anbieten.

  • Die Temperaturen werden in der Regel in Kelvin angegeben - in dem Fall vergrößert sich der Faktor von 0.726"/m² auf c.a. 279W/m². Allerdings ist die Kühlfläche in der Regel sehr klein und auch epsilon ist eigentlich nicht 1, sondern 0,5 oder ähnlich, von daher ist das ganze bei für LEDs gesunden Temperaturen nicht wirklich relevant.

    Hm, wenn ich bei Fischer nachlese
    (letzte Seite) dann behaupten die, dass ein "naturfarbener" KK etwa
    10-15% schlechter kühlt (Rth größer) als ein schwarzer. Was bei denen
    jetzt naturfarben heißt, ob eloxiert oder blank weiß ich nicht, tippe
    aber auf ersteres. Sollte diese Annahme zutreffen, so muss die
    Wärmeabstrahlung doch durchaus relevant sein.

    Bei Fischer wird aber von einer maximalen Bauteiltemperatur von c.a. 160°C (z.B. Transistoren) ausgegangen. Da die Wärmestrahlung mit der vierten Potenz wächst, macht sie da schon was aus. Aber bei c.a. 60°C eben weniger.

    Bei der Wärmestrahlung muss man sich doch eigentlich nur mal den Emissionsgrad von Alu anschauen, blank ~0,15, eloxiert 0,55 ..... schwarz eloxiert vermutlich noch höher. Und hochglanzpoliert irgendwo < 0,1. Also alleine eloxiert zu blank hat somit eine ca. 3,5-fache Wärmestrahlung. Macht also doch einiges aus.


    Wie groß jetzt jedoch der Anteil der Wärmestrahlung ist, weiß ich nicht. Der Großteil der Wärme dürfte jedoch über Konvektion abgeführt werden.

    Nunja, mit dem ersten Teil hast du Recht. Aber das 3,5fache von "fast nichts" ist eben immer noch "fast nichts"... DASS die Wärmestrahlung einen Teil ausmacht bestreite ich ja nicht.

    Bei eloxierten Oberflächen oder auch sandgestrahlten hast du sehr viele kleine Erhöhungen die sich in die Kontaktfläche der Led-Platine "bohren". Das bewirkt einen deutlich besseren Wärmeübergang als normale "glatt" erscheinende Oberflächen.

    Der Unterschied zwischen Sandstrahlen und Eloxieren ist aber, dass das Eloxal eine andere chemische Zusammensetzung hat und wie eine Schutz/Isolierschicht auf dem eigentlichen Material liegt. Da diese Isolierschicht eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit hat, sollte der Wärmedurchgang auf jeden Fall, wenn auch minimal, schlechter sein.

  • Die Temperaturen werden in der Regel in Kelvin angegeben - in dem Fall vergrößert sich der Faktor von 0.726"/m² auf c.a. 279W/m². Allerdings ist die Kühlfläche in der Regel sehr klein und auch epsilon ist eigentlich nicht 1, sondern 0,5 oder ähnlich, von daher ist das ganze bei für LEDs gesunden Temperaturen nicht wirklich relevant.


    Ohh, stimmt mit den Kelvin... dann ist es ja doch einiges mehr...
    Nur, wenn die Kühlfläche klein ist, dann sollte auch die Verlustleistung klein sein... Daher sollte das doch ähnlich anwachsen... Daraus konnte sich dann sicher die Firma Fischer mit der Konstante zufrieden geben...

  • Naja, bei vielen Lamellenkühlkörpern dürfte die Fläche gar nicht so klein sein.
    Das Problem ist aber, dass gerade bei diesen Kühlkörpern die abgegebene Wärmestrahlung von der gegenübeliegenden Lamelle wieder aufgenommen wird.
    Das macht eine vernünftige Berechnung der abgegebenen Strahlungsleistung wohl nahezu unmöglich.
    Weiterhin wird durch diesen Effekt der Nutzen für den Kühlkörper nochmals drastisch reduziert.


    Gruß

  • Naja, bei vielen Lamellenkühlkörpern dürfte die Fläche gar nicht so klein sein.
    Das Problem ist aber, dass gerade bei diesen Kühlkörpern die abgegebene Wärmestrahlung von der gegenübeliegenden Lamelle wieder aufgenommen wird.
    Das macht eine vernünftige Berechnung der abgegebenen Strahlungsleistung wohl nahezu unmöglich.

    Dito. Man kann als effektive Strahlungsfläche höchstens die projizierten Flächen des Kühlkörpers hernehmen.. und das ist meist nicht mehr so viel.