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CTX Thermal Solutions GmbH

Einfluss des Kühlmitteldurchsatzes: Eine weitere Serie von Strömungssimulationen wurde mit unterschiedlichen Durchsatzraten am Einlass des Kühlwassers erstellt. Zwar variierte die Gesamttemperatur des Systems mit der Durchflussrate, die Temperaturverteilung am Wärmetauscher selbst blieb jedoch relativ gleichmäßig. Dies zeigt den Vorteil einer Lösung, in der das Kühlwasser aktiv gepumpt wird, denn es ermöglicht, eine nahezu isotherme Randbedingung im gesamten System zu erreichen.

Einfluss des Kontaktwiderstandes: Eine Vergleichsstudie untersuchte das Verbindungsmaterial für das thermische Interface. Die Simulationen wurden für eine Palette von Kontakt-Wärmeübergangskoeffizienten berechnet, wie sie typische, industriell eingesetzte Interface-Materialien bieten. Auch hier ist der Trend linear. Bild 5 zeigt die isothermen Konturen eines Untermoduls mit sehr schlechtem Wärmeübergang. Das Bild verdeutlicht die weite Spreizung der Temperaturen mit den niedrigsten Temperaturen an der Stelle, wo die Platine mit der Kühlung verbunden ist.

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Der wärmste Punkt befindet sich an der Komponente mit der höchsten Wärmeentwicklung, die sich nahe am Bereich der Luftströmung befindet. An dieser Stelle ist der Einfluss der geringen Wärmeübertragung sehr groß, was einen großen Wärmegradienten über das Untermodul zur Folge hat.

Thermisches Durchgehen und Lüfterausfall: Mit dieser Simulation wird das thermische Durchgehen wegen defekter Komponenten im System modelliert. Bild 6 zeigt das Ergebnis mit einer defekten Komponente – beispielsweise aufgrund eines Fertigungsfehlers oder eines internen Kurzschlusses – auf einer Platine. Die defekte Komponente ist aufgrund ihrer sehr hohen Temperatur leicht zu erkennen.

Ein typischer Grund für das Versagen eines gekühlten elektronischen Systems ist der Ausfall eines Lüfters. Dies bedingt ein re­dundantes System, z.B. einen Reservelüfter. Um die Auswirkungen eines Lüfterausfalls zu simulieren, wurden CFD-Simulationen mit unterschiedlichen Luftströmen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen wie erwartet, dass mit der Annäherung der Lüfterdrehzahl an den Stillstand die Temperaturen sehr stark steigen. Die Ergebnisse entsprechen auch den Trends der Studien [5] und [6].

Simulationen des Wärme- und Strömungsverhaltens in einer Elektronikkomponente mit sehr starkem Leistungsaufkommen ermöglichen es, neuartige Kühlstrategien auf Systemebene zu untersuchen.

Die Ergebnisse deckten sich mit bestehenden Studien und die Herangehensweise zeigte, wie schnelle und kosteneffiziente Untersuchungen von Szenarien für neue Kühllösungen durchgeführt werden können. Dies hilft bei der Arbeit an den ständig steigenden Anforderungen, mehr Leistung in kleineren Baugrößen zu liefern.

Literatur

[1] K.R. Anderson, M. Devost, W. Pakdee, N. Krishnamoorthy: “STAR-CCM+ CFD Simulations of Enhanced Heat Transfer in High-Power Density Electronics Using Forced Air Heat Exchanger and Pumped Fluid Loop Cold Plate Fabricated from High Thermal Conductivity Materials,“ Journal of Electronics Cooling and Thermal Control, 2013, 3, 144-154

[2] “Thermacore k-Core Data Sheet,” 2013: http://www.thermacore.com/products/kcore.aspx

[3] F. P. Incropera & D. P. Dewitt: “Heat Transfer,” Mc- Graw-Hill, New York, 1991

[4] G. Ellison: “Thermal Computations for Electronics - Conductive, Radiative, and Convective Air Cooling,” CRC Press, Boca Raton, 2011

[5] I. Tari & Y. Fidan-Seza: “CFD Analyses of a Notebook Computer Thermal Management System and a Proposed Passive Cooling Alternative,” IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 33, No. 2, 2010, pp. 443-452

[6] M. A. Ismail, M. Z. Abdullah & M. A. Mujeebu: “A CFD Based Analysis on the Effect of Free Stream Cooling on the Performance of Micro Processor Heat Sinks,” International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 35, No. 6, 2008, pp. 771-778

[7] Y. A. Cengel: “Heat Transfer - A Practical Approach,” McGraw-Hill, New York, 2010

* Dr. Kevin R. Anderson ist Professor am Simulationslabor im Fachbereich Maschinenbau der California State Polytechnic University in Pomona / USA.

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