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Berechnung einer passiven Elektronikkühlung

Als ein Beispiel für den hilfreichen Einsatz der CFD-Simulation soll im Folgenden die Untersuchung und Verbesserung der Wärmeabfuhr an einer Platine gezeigt werden.

Gerade im Bereich der Elektronik-Kühlung bietet die CFD-Simulation große Vorteile, da sie die Fertigung von Prototypen erspart und es erlaubt, so einfach wie frühzeitig die Kühlwirkung der Anordnung zu untersuchen.

Um den Einsatz eines Lüfters zu vermeiden, soll untersucht werden, ob eine rein auf freier Konvektion basierende Kühlung ausreichend ist. Über den Prozessor, einzelne Transistoren und weitere Bauteile werden insgesamt 40 Watt Wärmeleistung in das System eingebracht.

Die Ausgangs-Geometrie weist ein Lochblech auf der Gehäuse Ober- und Unterseite auf, um die nötige Kühlluft durch das Gehäuse-Innere zu führen.

1. Illustration
Ansicht der Platine mit Gehäuse von unten

2. Illustration
Platine mit Lochblech Gehäuse

Ausgangslage

Ziel der CFD-Simulation ist die Ermittelung der maximalen Bauteil-Temperaturen an der Platine.

Die Simulation wird mit OpenFOAM durchgeführt. Dabei sind folgende Besonderheiten von Interesse:

  • Gehäuse und Platine werden als Wärme leitende Festkörper modelliert
  • Die Wärmeleistung der Komponenten wird durch entsprechende Randbedingungen in das System eingebracht
  • Der Luftraum im und um das Gehäuse wird als kompressibles Fluid simuliert

Das Modell erlaubt somit, die Festkörper-Wärmeleitung und die freie Konvektion in der umgebenden Luftströmung und deren Zusammenwirken zu betrachten.

Eine Simulation des Ausgangs-Zustandes zeigt einen auftretenden Volumenstrom von 6.12 m³/h, sowie Temperaturen, die sehr nahe am kritischen Belastungsmaximum von 80 °C liegen.

Im folgenden finden Sie eine genaue Analyse der Ergebnisse:

Ein Querschnitt zeigt das Geschwindigkeitsprofil durch die Platine.

Die Zu- und Abströmung (und damit auch die gesamte Durchströmung) werden maßgeblich durch die Lage der Gehäuseöffnungen beeinflusst. Dies macht sich vor allem innerhalb des Gehäuses bemerkbar (1):

Eine leicht erhöhte 2te Ebene auf der Platine wird nur minimal unterströmt (2).

Die Geschwindigkeit der „Unterströmung“ der Platine ist gering (3). Dies hat keine weitere Auswirkung auf die Kühlung der Platinenteile an der Oberfläche.

3. Illustration
Geschwindigkeitsverteilung in einem Schnitt durch die Platine

4. Illustration
Geschwindigkeitsverteilung + Bauteile

6. Illustration
Platinengehäuse mit Gitter statt Lochblech

Es ist zu erkennen, dass der untere Teil der Platine besser gekühlt wird (4). Begründet ist dies durch die Tatsache, dass frisch zugeführte Luft noch keine Wärme aufgenommen hat und folglich eine größere Kühlwirkung auf die Platine ausübt, als die bereits aufgewärmte Luft.

Die Geschwindigkeiten stellen sich dementsprechend ebenfalls ein. Die erhöhten Geschwindigkeiten bei (5) sind sowohl in der Verengung des Fließquerschnitts um die größeren Bauteile begründet als auch durch die geringere Dichte auf Grund der höheren Lufttemperatur. Die unterschiedlich starke Kühlung ist an den Bauteiltemperaturen erkennbar (5).

Ebenfalls ist dort zu sehen, dass die Temperaturen der obersten Bauteile im kritischen Bereich liegen (6).

Die Kühlung der Platine ist dementsprechend nicht ausreichend, da die Temperatur der Bauteile stellenweise den vorgegebenen Grenzwert von 80°C überschreiten.

Optimierung des Designs

Um die maximalen Bauteiltemperaturen zu senken, soll nun eine Optimierung durchgeführt werden. Dabei sind allerdings folgende Randbedingungen zu beachten:

  • das Platinendesign soll nicht verändert werden
  • weiterhin soll ein Lüfter vermieden werden

Die gefundene Lösung soll durch den Übergang auf ein Gitter anstelle eines Lochbleches im Gehäuse den Druckverlust der Zuströmung verringern. Dadurch soll ein höherer Kühlluft-Massenstrom erzeugt werden und folglich sollen geringere (Maximal-) Temperaturen an den Bauteilen auftreten.

Folgende Ergebnisse konnten so erzielt werden:

7. Illustration:
Gehäuse mit Lochgitter

8. Illustration:
Gehäuse mit Gitter

9. Illustration:
Gehäuse mit Lochgitter: Geschwindigkeiten + Bauteiltemperaturen

10. Illustration:
Gehäuse mit Gitter: Geschwindigkeiten + Bauteiltemperaturen

Zu-und Abströmgeschwindigkeiten konnten verbessert werden (1). Auch die Geschwindigkeiten zwischen den Ebenen haben sich verbessert. So sollte dort weniger Wärmestau und unnötig hohe lokale Übertemperaturen entstehen, die dann weiter getragen werden (2). An der Platinenunterseite hat sich keine nennenswerte Veränderung gezeigt (3).

Durch den erhöhten Kühlluftvolumenstrom stellen sich wie erwartet niedrigere Temperaturen an der Platine ein. Während nach wie vor der untere Bereich (4) besser gekühlt wird als der obere Bereich (5) sind nun die Spitzentemperaturen an einigen Bauteilen im oberen Bereich niedriger (6). Ebenfalls wurden die Temperaturen an allen Bauteilen gesenkt.

Eine finale Gegenüberstellung der Bauteiltemperaturen zeigt eine deutliche Reduzierung der Spitzentemperaturen an den ehemalig kritischen Bauteilen (6). Sowie niedrigere Temperaturen aller anderen Bauteile (beispielsweise (5)). Dieser Effekt zeigt sich vor allem im oberen Bereich der Platine.

11. Illustration:
Gehäuse mit Lochgitter: Bauteiltemperaturen

12. Illustration:
Gehäuse mit Gitter: Bauteiltemperaturen

Optimieren auch ohne CFD

Gerade in der Konzeptphase ist es wichtig, strömungmechanische Eigenschaften zu analysieren und zu optimieren.

Dabei genügt es oft, das Design mit strömungmechanischem Sachverstand zu begutachten, um bereits erste Lösungen zu finden, ohne eine CFD-Simulation durchführen zu müssen.

Auf Basis unserer jahrelangen Erfahrung die wir in unterschiedlichsten Projekten und Branchen gesammelt haben, unterstützen wir sie gerne

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FAQ’s

Wie groß ist das Verbesserungs-Potenzial einer strömungsmechanischen Analyse?
Das ist a priori natürlich nicht sicher zu beurteilen, jedoch kann man aus unserer Erfahrung sagen, daß bei erstmaliger Anwendung einer Strömungsanalyse per CFD auf ein Produkt in der Regel Verbesserungen der Performance im zweistelligen Prozentbereich erreicht werden. – Und nebenbei zahlreiche Ideen für weitere Verbesserungen des Produktes entstehen!

CFD oder Versuch? – CFD und Versuch!
Diese zwei Herangehensweisen stehen nicht etwa in Konkurrenz, sie ergänzen sich hervorragend! Die CFD-Analyse leifert vor allem in frühen Entwicklungsstadien einen wichtigen Beitrag zur Entscheidung zwischen verschiedenen Konzepten und eine erste Optimierung vor dem Bau der Prototypen. Mit zunehmendem Reifegrad von Prototypen wird dann der Versuch die zu bevorzugende Alternative, weil er zu diesem Zeitpunkt oft günstiger und sicherer Erkenntnisse über die gesamte Performance des Gerätes liefert.
Ausnahme: Einzelstücke oder sehr teure bzw. komplexe Strukturen oder sehr kurze Entwicklungszeiten. Also Situationen, in welchen die Konstruktion bereits ab der ersten Ausführung funktionieren muß: Hier ist wesentlich mehr Simulations-Aufwand auch in späteren Entwicklungsphasen gerechtfertigt.

Welchen Nutzen bringt mir eine CFD-Simulation bei Temperatur-Problemen?
Kühlung / Heizen / Temperierung : Sobald es nicht um die reine Wärmeleitung in einem Festkörper geht, sondern ein sich bewegendes Fluid involviert ist – und sei es nur die umgebende Luft – macht eine Simulation der Strömungsvorgänge bei diesem Wärme-Austausch großen Sinn: Konvektiver Wärmetransport (also Aufnahme der Wärme durch ein vorbeiströmendes Fluid) ist meist der Haupt-Einfluß für die Temperierung einer Komponente oder eines Gerätes – und nebenbei die häufigste industrielle Anwendung für Strömungen überhaupt!