Thermoanalysen können Entwicklungsprozesse erheblich verkürzen. Kritische Konfigurationen lassen sich bereits in der Designphase erkennen – noch bevor mit dem Aufbau der ersten Prototypen begonnen wird. So lassen sich Baugruppen und Gehäuse optimal auf die tatsächlichen Umgebungsbedingungen am Einsatzort auslegen. Thermoanalysen liefern jedoch nur dann verlässliche Ergebnisse, wenn die dafür verwendeten Modelle realitätsnah sind.
Dies – und die Interpretation der Simulationsresultate – setzt genaue Kenntnisse der Analysesoftware und langjährige Erfahrung voraus.
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Elektronische Komponenten werden immer kleiner und leistungsstärker. Mikroprozessoren mit 100 W 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 – der Weg zu schnellen
und sicheren Ergebnissen
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.
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Ausgangssituation: In der ursprünglich
geplanten Konfiguration erreicht der
Luftstrom im System nicht alle Bauteile – mit der Folge, dass diese überhitzen. |
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Mit einem spezifisch ausgelegten Luftleitblech
wird die Luftzirkulation im gesamten System
optimiert. Das Ergebnis: Alle Bauteile werden
gut gekühlt. |
Bedingt durch die Einbaulage können selbst an sich unkritische Bauteile Probleme verursachen. Beispielsweise dann, wenn vorgelagerte größere Bauteile den Luftstrom abschirmen oder wenn am äußeren Rand des Luftstroms ungenügend gekühlt wird. Mit 3D-Darstellungen und der Möglichkeit, jede beliebige Schnittebene zu visualisieren, sind solche kritischen Konfigurationen und dadurch verursachte Temperaturextreme schnell und sicher lokalisierbar.
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Ein Bauteil (rot) wird an seinem
vorgesehenen Einbauort wegen der
Abschirmung des Luftstroms durch
vorgelagerte Teile ungenügend gekühlt. |
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Mit einer Umplatzierung des kritischen
Bauteils wird seine optimale Kühlung
auf der Platine sichergestellt. |
Im Gegensatz zu Tests mit realen Prototypen im Wärmelabor liefert eine Simulation sehr schnell 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) Umgebungstemperatur. Dies ist mit Temperaturmessungen an Prototypen nicht möglich. Außerdem besteht keine Gefahr, die Messung des Wärmeaustauschprozesses durch die Messvorrichtung selbst, zum Beispiel durch Sensoren, Kabel oder offene Abdeckungen für Zu- und Ableitungen, zu verfälschen.
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Nicht alle Lüfterkennlinien sind linear.
Werden diese durch die vorgeschlagene
Linearisierung der Analysesoftware
zu stark vereinfacht, verfälscht dies
die Ergebnisse – bis hin zu falschen
Aussagen. |
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Bei einer um die Mittellage
"pendelnden" Kennlinie ist die von
der Analysesoftware vorgeschlagene
Linearisierung zulässig: Sie liefert
hier gute Ergebnisse und den richtigen
Arbeitspunkt des Lüfters, der nicht
zu dessen eigener Überhitzung führt. |
Datenmodellierung und Interpretation der Ergebnisse
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 führt. Speziell bei engen Platzverhältnissen vermögen die zu stark vereinfachten Geometrien und linearisierten Kennlinien der Lüfter die realen Verhältnisse nur ungenügend wiedergeben. Konkret bedeutet dies, dass die Resultate auf Grund einer als homogen vorausgesetzten 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 von 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 ATCA, ATR und COTS spezifizierte Systeme, kundenspezifische 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.
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