Coolness durch Thermoanalyse von Baugruppen und Gehäusen

Elektronische Komponenten werden immer kleiner und leistungsstärker. Mikroprozessoren mit 100W Verlustleistung sind heute keine Seltenheit mehr. Physikalischen Gesetzen der derzeitigen Halbleitertechnologie folgend, werden sie dabei mit steigender Leistung auch immer heißer. Durch die Miniaturisierung verringert sich zudem die wärmeabgebende Oberfläche, immer mehr Wärme muss von immer kleineren Flächen abgeführt werden. Ohne hinreichende Kühlung können die Bauteile nur unterhalb ihrer Nennleistung arbeiten. Hohe Temperaturen verkürzen darüber hinaus die Lebensdauer, schlimmstenfalls kann das Bauteil in kürzester Zeit zerstört werden. Zudem können sich die Komponenten in Gehäusen, Racks oder Schränken gegenseitig aufheizen, was zu weiterem \’Temperaturstress\‘ führen kann. Thermoanalyse Mittels Thermoanalyse lässt sich die Wärmeentwicklung und das Strömungsverhalten der Luft in komplexen Systemen schnell und präzise abbilden. So kann bereits vor dem Zusammenbau eines Prototypen das Grunddesign getestet und mit der Berechnung verschiedener Szenarien die ideale Konfiguration ermittelt werden. Ebenso lassen sich Extremsituationen, beispielsweise die erhöhte Wärmeentwicklung durch zugesetzte Filtermatten oder durch den Ausfall eines Lüfters, kostengünstig simulieren. Bedingt durch die Einbaulage können selbst an sich unkritische Bauteile Probleme verursachen. Beispielsweise dann, wenn vorgelagerte größere Bauteile den Luftstrom abschirmen oder wenn sie am äußeren Rand des Luftstroms ungenügend gekühlt werden. Mit 3D-Darstellungen und der Möglichkeit, jede beliebige Schnittebene zu visualisieren, sind solch kritische Konfigurationen und da­durch verursachte Temperaturextreme schnell und sicher lokalisierbar. Im Gegensatz zu Tests mit realen Prototypen im Wärmelabor liefert eine Simulation schnelle Ergebnisse, ohne Bauteile zu gefährden. Zusätzlich ergeben sich Einsparungspotenziale bei der Dimensionierung der Filter, Lüfter und Kühlkörper: Da alle Komponenten eines Systems ideal platziert sind und daher optimal gekühlt werden, müssen diese nicht überdimensioniert werden. Dies wiederum wirkt sich positiv auf die Robustheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des gesamten Systems und der damit gesteuerten Anwendung aus. Die Thermoanalyse bietet einen weiteren Vorteil: Die Simulation berücksichtigt die tatsächlichen Umweltbedingungen am Einsatzort des Systems, wie Meereshöhe, Luftfeuchtigkeit oder (beispielsweise erhöhte) Umgebungstemperaturen. Dies ist mit Temperaturmessungen an Prototypen nicht möglich. Außerdem wird vermieden, die Messung des Wärmeaustauschprozesses durch die Messvorrichtung selbst, z.B. durch Sensoren, Kabel oder offene Abdeckungen für Zu- und Ableitungen, zu verfälschen. Datenmodellierung und Ergebnis-Interpretation Eine Thermoanalyse umfasst drei Phasen: Datenmodellierung, Designüberprüfung sowie Interpretation und Dokumentation der Ergebnisse. Wirklichkeitsnahe Resultate lassen sich aber nur mit einer sorgfältigen Datenmodellierung und einer fundierten Interpretation der Resultate erzielen. Dazu braucht der Anwender vertiefte Kenntnisse der Funktionsweise der Thermoanalyse-Software. So kann es durchaus vorkommen, dass anhand der Druck- und Volumenstrom-Daten ein Betriebspunkt ermittelt wird, der außerhalb des optimalen Arbeitsbereichs der Lüfter liegt. Die Lüfter würden überhitzen und deren Lebensdauer sich damit verkürzen. Die Hersteller von Thermosimulations-Software bieten in der Regel Komponentenbibliotheken zur Software an. Diese Modelle der Komponenten sind jedoch meist stark vereinfacht, was zu verfälschten Ergebnissen führen kann. Speziell bei engen Platzverhältnissen vermögen die zu stark vereinfachten Geometrien und linearisierten Kennlinien der Lüfter die realen Verhältnisse nur ungenügend wiederzugeben. Konkret bedeutet dies, dass die Resultate auf Grund einer als homogen vorausgesetzt und berechneten Luftverteilung besser ausfallen, als dies der Realität entspricht; denn in Wirklichkeit liegen einzelne Komponenten außerhalb des errechneten Luftstroms und werden nur ungenügend gekühlt. Die Fachspezialisten der Elma schöpfen aus einer langjährigen praktischen Erfahrung und aus zahlreichen Thermoanalyseprojekten: Sie korrigieren solche Ungenauigkeiten bereits bei der Datenmodellierung. Ein breites Spektrum an Dienstleistungen Elma bietet ein breites Spektrum an Thermosimulations-Dienstleistungen. Thermoanalysen werden seit Jahren erfolgreich für die eigenen Produkte und für zahlreiche Kundenentwicklungen durchgeführt. Neben den Elma Standardsystemen werden auch nach unterschiedlichsten Standards und für vielfältige Einsatzgebiete spezifizierte Systeme, kundeneigene Entwicklungen und Produkte, Kleinserien, Prototypen und Leiterplatten analysiert und optimiert. Vorhandene Daten aus dem CAD-System der Kunden können direkt übernommen und weiterverarbeitet werden. Die Fachspezialisten verfügen über langjährige Erfahrung in der Beratung und Durchführung von komplexen Thermoanalyse-Projekten. Der Kunde erhält dadurch ein optimal abgestimmtes System, dessen Betrieb auch unter extremen Bedingungen gesichert ist.