Thermomanagement-Serie, Teil 1

Thermische Analyse am Beispiel eines Steuergehäuses

14.03.2001 | Autor / Redakteur: Johannes Adam* / Claudia Mallok

Der steigende Integrations- und Miniaturisierungsgrad der Komponenten und Baugruppen sowie erhöhte Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit machen effizientes Wärmemanagement immer wichtiger. Unsere Serie für professionelles Thermomanagement diskutiert verschiedene Aspekte der Elektronikkühlung. Überraschende Effekte in der klassischen Gehäuseklimatisierung machen den Anfang.

Die Frage, die sich bei der Auswahl eines Schaltschrankes oder eines Gehäuses immer stellt, ist die nach der Innenraumtemperatur bei gegebener Verlustleistung bzw. nach der abführbaren Verlustleistung bei vorgegebener zulässiger Maximaltemperatur. Üblicherweise liegt die maximal erlaubte Lufttemperatur im Innenraum bei ca. 60 bis 70°C.

Zudem ist die Lufttemperatur des Innenraums nicht eine bestimmte Zahl, sondern man hat es immer mit einer inhomogenen Verteilung zu tun. Dementsprechend wird im Schrank oder Gehäuse Stellen geben, zu denen keine Kühlluft gelangt oder es können sich Rezirkulationszonen bilden, an denen sich die Wärme staut.

Die thermischen Verhältnisse im Gehäuseinneren lassen sich mit Flotherm simulieren wie in Bild 1 zu sehen ist. Im Bild ist die Flotherm-Simulation eines einfachen Steuergehäuses mit fünf stilisierten, gleichartigen Leiterplatten dargestellt. Im oberen Bild wird Luft links unten eingeblasen. Links oben befindet sich die einzige Auslassöffnung. Eine Rezirkulation bildet sich links von der ersten Leiterplatte und hat dort eine lokal erhöhte Lufttemperatur zur Folge.

Dass es bei ungeschickter Anordnung und Auswahl der Lüfter zu ungünstigen Verhältnissen kommen kann, zeigt Bild 1 unten. Hier sind die Verhältnisse für ein Gehäuse mit umgedrehter Luftrichtung berechnet worden, wobei die Luft links unten abgesaugt wird. Man sieht im ersten Luftkanal, dass sich die Auftriebsströmung gegen die Lüfterströmung durchsetzen kann. Im vierten Kanal kommt es zur Überhitzung.

An einem konkreten Beispiel soll nun die direkte Simulation erfolgen. Als Anwendungsbeispiel geben wir Ausschnitte aus einer Studie wieder, die 1999 von Flomerics, NL Deutschland, für die Bernstein AG in Hille durchgeführt wurde. Es wurden verschiedene Gehäusekonzepte für das Steuergehäuse CC-4000 mit Flotherm durchgerechnet. Typische Bilder aus dieser Studie haben wir an anderer Stelle bereits gezeigt: ein Industrie-PC mit der Verlustleistung P wurde schematisch, aber realistisch, modelliert und in ein geschlossenes, freihängendes Gehäuse mit Schutzart IP 65 montiert.

Mit der Software in das Gehäuse „hineinschauen“

Flotherm hat die interne und externe Luftzirkulation sowie die Temperaturen der Luft und in Festkörpern konsistent auf Grund von Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung berechnet. Ausgehend von dieser einfachen Grundkonfiguration wurden fünf weitere Konzepte untersucht: zusätzliche Innenlüfter, zusätzliche Außenlüfter, äußere Berippung sowie innere Berippung.

Wir stellen uns die Frage, wie gut Gl. (4) zu den berechneten komplexen Temperaturfeldern passt. In der Originalauswertung der Studie wurden 2 x 5 Messvolumina um den Industrie-PC gelegt und für jeden dieser Bereiche Extrem- und Mittelwerte der Lufttemperatur berechnet.

Bild 2: Die Auswertung der Flotherm-Simulationen für die Bernstein Konzepte 1,2,3,4 und 6 bei P=100 W ergeben: so etwas wie eine Lufttemperatur im Gehäuse gibt es nicht
Bild 2: Die Auswertung der Flotherm-Simulationen für die Bernstein Konzepte 1,2,3,4 und 6 bei P=100 W ergeben: so etwas wie eine Lufttemperatur im Gehäuse gibt es nicht

Eine grafische Übersicht gibt die Auswertung der Flotherm-Simulationen für die Bernstein Konzepte 1, 2, 3, 4 und 6 bei P=100 W gibt Bild 2. Für jeden Modelltyp sind die Minimal-, die Maximal- und die mittlere Lufttemperatur von 10 (virtuellen) Messbezirken im Innern des Steuergehäuses CC-4000 eingetragen. Die mittlere Temperatur bestimmt sich aus vielen Temperaturknoten innerhalb eines Messbezirks.

Es fällt sofort auf, dass es so etwas wie eine Lufttemperatur im Gehäuse nicht gibt. Der Wert den Gl. (4) für die Innentemperatur dieses Gehäuses liefert beträgt 47°C (Abmessungen des CC-4000 wie in Beispiel 2). Dieser Wert wird von einigen Modellen im Mittel ziemlich genau bestätigt, andere sind wärmer oder kälter, je nach der Effektivität der zusätzlich angebrachten Belüftungsmethoden oder Berippungen. Soweit könnten wir also mit Gl.(4) zufrieden sein.

Bild 3: Mittlere Lufttemperaturen im Gehäusekonzept 1 in jeweils 10 Messbezirken bei verschiedenen Verlustleistungen. Mit zunehmenden Verlustleistungen werden die Streuungen in den Messbezirken wesentlich größer.
Bild 3: Mittlere Lufttemperaturen im Gehäusekonzept 1 in jeweils 10 Messbezirken bei verschiedenen Verlustleistungen. Mit zunehmenden Verlustleistungen werden die Streuungen in den Messbezirken wesentlich größer.

Mit zunehmenden Verlustleistungen werden die Streuungen in den Messbezirken allerdings wesentlich größer, wie in Bild 3 zu sehen ist. Die Steigung der Trendgeraden passt zu einem k » 4,5 W/m²K. Der empirisch gefundene Wert von k = 4,5 ist kleiner als der Standardwert 5,5. D.h. Gl. (4) hätte speziell für die höheren Verlustleistungen eine zu niedrige Temperatur vorhergesagt.

Bild 4: Detailansicht der berechneten Luftbewegung des Gehäusekonzepts 1 für P=100 W. Die Pfeillänge macht eine Aussage über die lokale Luftgeschwindigkeit, die Pfeilfarbe über die lokale Lufttemperatur.
Bild 4: Detailansicht der berechneten Luftbewegung des Gehäusekonzepts 1 für P=100 W. Die Pfeillänge macht eine Aussage über die lokale Luftgeschwindigkeit, die Pfeilfarbe über die lokale Lufttemperatur.

Die Stärke der numerischen Simulation mit Flotherm liegt darin, dass man in das Gerät „hineinschauen“ und die Strömungs- und Temperaturverteilungen beobachten kann. Aus der Analyse der berechneten Strömungspfeile in Bild 4 sehen wir, dass auf Grund der speziellen Strömungsbedingungen in der oberen Hälfte des Gehäuses der Hauptteil des Wärmeaustausches stattfindet, da dort hohe Temperaturunterschiede zwischen innen und außen herrschen.

*Dr. Johannes Adam ist Mitarbeiter bei Flomerics Ltd. Filderstadt.

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