CFD-Analyse komplexer Systeme Was man über Thermomanagement wissen sollte

Autor / Redakteur: André Runge* / Kristin Rinortner

Klimatisierungskomponenten wie Kühlkörper, Lüfter, Wärmetauscher und Klimageräte sind meist suboptimal eingesetzt. Kunden, Lieferanten und Hersteller vertrauen oft primären Leistungsdaten, die im Anwendungsfall häufig nicht erreicht werden. Eine Anpassung und Optimierung mittels CFD-Simulation ermöglicht eine optimale Integration und verbessert Lebensdauer, Design- und Funktionssicherheit.

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Scalable Cooling System (SCS-Baureihe) – Skalierbare Wärmetauschermodule – Auslegung und Gestaltung nach Maß
Scalable Cooling System (SCS-Baureihe) – Skalierbare Wärmetauschermodule – Auslegung und Gestaltung nach Maß
( Archiv: Vogel Business Media )

Aufgrund des ständig wachsende Leistungsvermögens der Bauelemente in der Leistungselektronik bei gleichzeitig zunehmender Kompaktheit und Volumenkonzentration in Gehäusen steigen auch die Anforderungen an das Wärmemanagement. Hinzu kommen komplexe geometrische Anordnungen von Bauteilen, Einbauten und Systemen zueinander, die eine rein theoretische Beurteilung der Temperatur- und Strömungsverhältnisse schwierig, nahezu unmöglich machen. Einflüsse, wie Rezirkulation, Überlagerung und Abschattung bleiben unerkannt, die die Ergebnisse sowie Annahmen nachhaltig verfälschen.

Möglichkeiten mittels CFD-Simulation

Bei der Elektronikkühlung wird deswegen zunehmend die CFD-Analyse (Computational fluid dynamics – numerische Strömungsdynamik) eingesetzt. Die Vorteile liegen auf der Hand. Bereits in der Konzeptphase und Vorentwicklung kann das prinzipielle Verhalten von Produkten und Prototypen als Entscheidungsvorlage dargelegt werden. Schlussfolgerungen aus den Erkenntnissen verbessern deren Einsatz bzw. Nutzen und tragen nicht zuletzt zu Produktsicherheit und Lebensdauer bei.

Der Einfluss sich ändernder Parameter, Standort- und Klimasimulationen lassen sich virtuell in sehr kurzer Zeit durchtesten. Grundlegende Kenntnisse zum Wärmemanagement in Verbindung mit der geeigneten CFD-Software gewährleisten eine zuverlässige Berechnung der gesuchten Parameter.

Mittels dreidimensionaler Analyse werden Einblicke in das Verhalten von Strömungen, Temperatur und Druck unter Berücksichtigung von laminaren und turbulenten Vorgängen, Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion sowie stofflichen und physikalischen Parameter möglich. Transiente Analysen geben Aussagen zum Betriebsverhalten von Anlagen und Systemen. So können z.B. kritische Zustände und Bedingungen wie Lüfterausfall oder Umgebungsvariablen simuliert werden.

Am Beispiel der Kühlkörperdimensionierung lassen sich die Möglichkeiten und der effiziente Einsatz von CFD-Simulationen sehr deutlich darstellen.

Drei Methoden um Kühlkörper auszulegen

Grundsätzlich gibt es drei Vorgehensweisen beim Auslegen von Kühlkörpern. Immer noch weit verbreitet und seine Berechtigung hat die konventionelle Auslegung per „Hand“. Mittels Berechnung und Abschätzung werden in der Regel über Netzwerkgleichungen die thermischen Widerstände ermittelt, über die schließlich der Kühlkörper, z.B. aus dem Katalog, ausgewählt wird.

Dieses Näherungsverfahren hat seine Tücken. Oft nicht oder nur schwer einschätzbar ist das tatsächliche Verhalten unter Einbaubedingungen. Strömungsverhältnisse sind nicht reproduzierbar, ebenso werden sekundäre Wärmeleitung und Wärmestrahlung sowie der Einfluss von Nachbarbauteilen nicht berücksichtigt. Deswegen weichen dann Theorie und Praxis häufig weit voneinander ab.

Mittels Messung, als zweiter gängiger Methode, ist eine Korrektur der theoretischen Werte sicherlich möglich. Jedoch ist die Messung eine Wiedergabe des jeweiligen Iststandes an ausgewählten Messpunkten. Erkenntnisse und Ableitungen aus den Ergebnissen setzen viel Erfahrung und Vorstellungskraft voraus. Die Messung bietet keine optimale Aussage zum Konvektionsverhalten, der Wärmeverteilung oder möglicher Reserven. Bis zum gewünschten Ziel bedingen „Trail and Error“ oft aufwendige Messreihen und Maßnahmen.

Höchste Genauigkeit durch Simulation

Bild 1: Kombination von Kühlkörperoptimierung und Lüfteraus- legung in einer Stromversorgungseinheit (Archiv: Vogel Business Media)

Die Kühlkörperdimensionierung mittels CFD-Simulation bietet die höchste Genauigkeit und bezieht alle relevanten Randbedingungen und Einflussgrößen ein. Zeitgleich und realitätsnah werden bei der Simulation der thermische Widerstand, Stoff- und Wärmeleitwerte, Konvektion, Strahlung und Wärmeleitung berechnet, wobei nahezu alle Abhängigkeiten berücksichtigt werden können. Auf der Grundlage eines genauen Designabbildes (CAD-Daten), realer Einbaubedingungen (z.B. Gehäuse, Lüfter etc.) und realer Einbaulage (Umgebungsbedingungen, Schwerkraftvektor) lassen sich Strömungsverhalten und Druckverlust genau bestimmen. So können z.B. dem Arbeitspunkt angepasste Lüfter ausgewählt werden.

Stationäre und transiente Berechnungen

Bild 2: Thermisches Management in einem Baugruppenträger, bestückt mit Leiterkarten und Lüfter (Archiv: Vogel Business Media)

Stationäre Betrachtungen ermöglichen schnelle Aussagen zu Kühlleistung, Rückschlüsse auf Sperrschicht- und Oberflächentemperatur und geben Aufschluss über Einspar- und Optimierungspotenziale. Transiente (zeitabhängige) Berechnungen geben z.B. Aufschluss über das Erwärmungs- und Abkühlverhalten oder das Verhalten beim Fahren von Betriebszuständen. Ergebnisse von Zustandwerten, Optimierungen und Varianten stehen schnell für Entscheidungen zur Verfügung.

Lüfterverlustleitung – schwer abschätzbar und oft vernachlässigt

Bild 3: Simulation von Lüftern und Lüfteranwendungen zum Bestimmen von Leistungsparametern (Archiv: Vogel Business Media)

Lüfter tauchen in Wärmebilanzen unzureichend, fehlerhaft oder gar nicht auf. Ein Grund dafür ist, dass der jeweils den Einbaubedingungen geschuldete Wirkungsgrad sich nicht ohne weiteres oder nur mit größerem Messaufwand bestimmen lässt. Rückschlüsse auf die tatsächliche Lüfterleistung, einschließlich der Wärmeverlustleistung sind oft bei wechselnden Randbedingungen, z.B. unterschiedlicher Bestückung in Baugruppenträgern oder Folgebaugruppen, am Ort des Geschehens schwer möglich.

Der Weg zur Verlustleitung führt über den der Gerätekennlinie geschuldeten Arbeitspunkt. Da sich ohne umfangreiche Analyse des Arbeitspunktes die Lüfterverlustleistung nicht genau bestimmen lässt, wird diese oftmals vernachlässigt oder geschätzt. Aufwendige Messungen zum Bestimmen des Strömungswiderstandes und des Arbeitsbereiches haben darüber hinaus den Nachteil, dass oftmals nicht alle Konfigurationen berücksichtigt werden können.

Schnell und hinreichend genau kann man mittels Simulation (CFD) die Strömungswiderstände nachbilden und so den Arbeitspunkt eines Lüfters bestimmen und in geeigneten CFD-Tools auslesen. Anhand der Lüfterdaten (Datenblatt) und des ermittelten Arbeitspunktes lassen sich die für den Wärmehaushalt entsprechend relevanten Parameter berechnen (siehe Anhang).

*André Runge ist Geschäftsführer des auf Wärmemanagement spezialisierten Ingenieurdienstleisters DELTA IDL in Greifswald.

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