Thermische Simulation Simulieren statt probieren

Hot-Spots, im Simulationsmodell rot dargestellt, kann man durch Simulation aufdecken.
Hot-Spots, im Simulationsmodell rot dargestellt, kann man durch Simulation aufdecken.

Je öfter Standardkühler an ihre Grenzen geraten, desto eher lohnt sich eine thermische Simulation bzw. eine spezifische Kühllösung. Frühzeitig eingebunden, können thermische Probleme nicht nur früh erkannt, sondern auch die ein oder andere Entwicklungsschleife eingespart werden.

Gehört thermische Simulation in der Systementwicklung heute zum Standard?

Dipl. Ing. Stefan Rusnak, Entwicklungsingenieur der EKL AG aus Leutkirch verneint das. »Aber sie rückt immer mehr in den Vordergrund, da Standardkühler angesichts der immer höheren Anforderungen an Kühllösungen meist an ihre Grenzen geraten«. Gründe dafür sind die stetig zunehmende Verlustleistungen von elektronischen Komponenten, die die Anforderungen an die Kühllösungen mitwachsen lassen: »Je komplexer und anspruchsvoller das System ist, desto mehr lohnt sich eine thermische Simulation bzw. spezifische Kühllösung«, erklärt Rusnak.

Durch die Simulation eines Systementwurfs lassen sich Temperaturentwicklungen und Strömungsbedingungen visualisieren. Eine optimale Kühllösung lässt sich so schneller und zuverlässiger vorhersagen, als durch viele Entwicklungsschleifen. Eine Vernachlässigung des thermischen Managements hingegen kann - im schlimmsten Fall - auch zum Scheitern eines Projekts führen.

Wenn thermische Probleme bereits im Vorfeld aufgedeckt und vermieden werden, bleiben Entwicklungskosten transparent und planbar: Die Prototypenphase wird verkürzt, Hot-Spots im System frühzeitig aufgedeckt, der Systemaufbau optimiert (etwa die Größenreduzierung bei gleicher Leistung, Anordnung von Bauteilen, Größe und Anzahl von Lüftungsschlitzen im Gehäuse o.ä.). Am Ende steht ein System mit einer im Idealfall leistungs- und kostenoptimierten Kühllösung.

Stefan Rusnak: »Der Kunde kann somit nicht nur den zeitlichen Aufwand der Prototypentests reduzieren, sondern erhält zum Schluss eine Kühllösung, die an die Anforderungen des Systems angepasst ist«. EKL bietet thermische Simulationen für alle elektronische Bauteile, die entwärmt werden müssen, in Bereichen wie PC, LED, Leistungselektronik oder Messtechnik, auch für bestehende Systeme. Sie dienen zum einen dazu, thermische Probleme aufzudecken und zu beheben, zum anderen können Kühllösungen im Hinblick auf Kosten und Leistung optimiert werden.

Wie funktioniert eine thermische Simulation?

Dafür wird zunächst anhand der Rahmendaten ein Simulationsmodell aufgebaut. Bei bestehenden Systemen wird der Systemaufbau mit der bestehenden Kühllösung in das Simulationsmodell übernommen und simuliert. Um daraus zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, braucht das Simulationsprogramm vorab 3D-Daten, die aus dem Modell abgeleitet werden müssen.

Bei Neuentwicklungen wird basierend auf den Rahmendaten ein erster Kühllösungsentwurf konstruiert und anschließend simuliert. Stefan Rusnak: »Ausgehend von dem ersten Entwurf werden dessen Simulationsergebnisse analysiert und das Design schrittweise weiterentwickelt, bis die optimale Kühllösung vorliegt.«

Folgende Informationen sind für eine thermische Simulation notwendig: die thermischen Leistungen der Komponenten, die Umgebungstemperatur, 3D-Daten des Systems, Materialien der Komponenten, Zielvorgaben hinsichtlich der Temperaturen sowie ob ein Lüfter zum Einsatz kommen soll oder nicht.

EKL hat sowohl seine Entwicklungsabteilung als auch Rechenleistung ausgebaut, um Kunden für Entwicklung, Prototypenbau, Vorserienfertigung und Serienfertigung und die thermische Simulation im Vorfeld besser beraten zu können.

Zum Einsatz kommt die Simulationssoftware FloEFD von Mentor Graphics, die auf CFD-Methoden basiert. Je nach Anwendung gibt es die Entwicklungspakete Basic, Plus und Premium, die neben der Konstruktion der Kühllösung auch die Thermosimulation beinhalten. Je nach Komplexität des Projektes kann eines der Pakete ausgewählt werden. »Dafür bieten wir bereits im Vorfeld einen kostenlosen Systemcheck an«, sagt Stefan Rusnak. Je nach Verlauf sind während der Simulationsphase Erweiterungen oder Reduzierungen auf andere Pakete möglich.