Wärmesimulation mit CFD-Software Wie man Embedded Systeme wärmetechnisch richtig auslegt

Durch den Aufbau eines virtuellen Prototypen sollte im Entwicklungszyklus einer Ticketbox ein Kühlkonzept erarbeitet werden. Der Beitrag zeigt die einzelnen Schritte mit der CFD-(Computational-Fluid-Dynamics-)Simulations-Software 6SigmaET.

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Embedded System ist ein Schlagwort, welches in allen Industriezweigen zu hören ist. Verschiedenste Funktionsgruppen werden zu einem Gesamtsystem zusammengefügt. In diesem Artikel befassen wir uns mit einem derartigen Systemverbund, einem Ticketing-Gerät für den öffentlichen Personenverkehr. Solche Geräte sind meist mit vielen Funktionen ausgestattet, welche zu einer hohen Packungsdichte vieler Einzelmodule (Bluetooth, GPS, WLAN, Netzteil, Prozessorboard, etc.) führen.

Neben den Herausforderungen der Elektromagnetischen Verträglichkeit (Funkbereiche, Interferenzen, Störsignale) gilt hier meist das Wärmemanagement als eigener Projektzweig in der Entwicklungsphase. Ob das Gerät Spritzwasser gefährdet ist oder im Fahrzeug in der prallen Sonne auf dem Armaturenbrett liegt/befestigt ist – ein ausgeklügelter Verbund von Materialwahl, Gehäusearchitektur und Wärmeleittechnik steckt heutzutage in jedem Board-Rechner.

So auch bei den Produkten der Aachener Niederlassung von IVU, eines Technologieunternehmens aus Berlin, welches zur Bewältigung der thermischen Anforderungen die CFD-Simulationssoftware 6SigmaET eingesetzt hat. Durch den Aufbau eines virtuellen Prototyps sollte im Entwicklungszyklus der Ticket.box ein Kühlkonzept erarbeitet werden. Das Gehäuse hat die Aufgabe, die Elektronik in einer Fahrzeugumgebung wie Busse und Straßenbahnen vor Vibrationen, Stößen, Staub und Schmutz zu schützen.

Des Weiteren dichtet es gegen Spritzwasser ab und leitet Flüssigkeit, welche durch die obere Öffnung (Druckausgabe) eindringt, nach außen ab. Dabei ist zu beachten, dass durch die Aufheizung der Elektronik, eine maximal geforderte Außenwand-Temperatur wegen Verbrennungsgefahr nicht überschritten werden darf. Diese Anforderung, kombiniert mit direkter Sonneneinstrahlung und einem offen zugänglichen Funktionsbereich (Touchscreen, Barcodescanner, Druckausgabe), galt als besondere Herausforderung an die Entwickler.

Für das Simulationsmodell standen 3-D-CAD-Daten (STEP) sowie Daten aus dem E-CAD-System (IDF) zur Verfügung (Bilder 1a -1d). Hinzu kamen manuelle Eingaben der Verlustleistungen in Watt sowie der Materialdaten. Da zu diesem Zeitpunkt keine Detaildaten zu dem Touch-Display zur Verfügung standen, wurde dieses nach Erfahrungswerten als Ersatzmodell aufgebaut und mit der gemessenen Leistung definiert.

Das Gerät unterteilte sich somit in folgende Funktionsgruppen: Barcodeleser, Druckwerk, Fahrkartenleser, Modem, GPS, Bluetooth, Kommunikator, Mainboard A, Mainboard B sowie Prozessormodul M und XL.

Als Umgebung wurden im ersten Schritt die Laborbedingungen mit 20°C Umgebungsluft definiert. In späteren Worst-Case-Szenarien (Lufttemperatur bis zu 70°C) wurde dieses virtuelle Modell auch mit zusätzlicher Sonneneinstrahlung simulativ geprüft.

Erste Betrachtungen der Simulationsergebnisse fokussierten auf die Temperaturverteilung im Gerät sowie die Wärmeabfuhr an die Umgebung (Bilder 2 und 3).

Nach einer genaueren Analyse der Wärmeflüsse und dem nutzbaren Kühlpotenzial im Gerät wurde eine weitere Simulationsvariante definiert. Diese hatte das Ziel, die Verlustleistungsträger breiter im Gerät zu fächern und somit zu einer besseren Temperaturdurchmischung zu gelangen.

Gleichzeitig wurde das Modem im hinteren Geräteteil (hier war das Gehäuse am kühlsten) durch ein Pad und einem ausgeformten Metallstempel aus dem Gehäuse direkt mit der Außenhülle verbunden. Dies sollte zu einer schnelleren Wärmeableitung an das Gehäuse führen (Bilder 4 und 5).

Den gleichen Vorteil versprach man sich durch die Neupositionierung der Hauptverlustleistungsträger auf der Unterseite des Mainboard A und der direkten Anbindung an den Aluminiumfuß (Bild 6).

Durch die 3-D-Darstellung der Wärmespreizung (Bild 7) war eine saubere Dimensionierung der Stempelquerschnitte der Bodenplatte möglich. Auch konnte hier ein praxisrelevanter, thermischer Widerstand für die benötigten Wärmepads festgelegt werden.

Ein großer Vorteil solch einer simulativen Betrachtung war auch das Ideenpotenzial, welches schnell und unkompliziert virtuell getestet werden konnte. Hierzu zählte die Betrachtung der Materialwahl für das Gehäuse sowie eine Auslotung der optimalen Platinenpositionen im Gesamtgerät. Interessant waren die Ergebnisse der Kombinationen Kunststoffgehäuse/Aluminium-Fuß und Aluminiumgehäuse/Aluminium-Fuß im Vergleich zu sehen.

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