CADFEM INFOPLANER 1/<strong>2007</strong>Thermisches Management mit ANSYS IcepakDie DELTAIDL GmbH ist ein Ingenieurdienstleistermit Spezial-Know-how in der Simulation von Tempe-ratur- und Strömungsvorgängen zur Kühlung elek-tronischer Bauelemente und Systeme. Das ProgrammANSYS Icepak spielt dabei eine wichtige Rolle.DELTA IDL mit Sitz in Greifswald ist einhoch spezialisiertes Ingenieurbüro. DieSchwerpunkte liegen auf Temperatur- undStrömungssimulationen in der Elektronikentwicklung sowie inder Entwicklung konzeptioneller Lösungen im Bereich Wärmemanagement,Bauteil- und Geräteklimatisierung in nahezu allenBranchen. Das Unternehmen und viele seiner Kunden, zu denenneben Siemens und der Deutschen Telekom einige weitere GlobalPlayer zählen, sind international ausgerichtet.CFD-Simulation – ein Muss im PlanungsundEntwicklungsprozess komplexer SystemeDer Trend ist eindeutig: Mit dem permanent wachsenden Leistungsvermögender Bauelemente in der Leistungselektronik, beigleichzeitig zunehmender Volumenkonzentration in Gehäusen,steigen auch die Anforderungen an das Wärmemanagement derProdukte.Hinzu kommen komplexe geometrische Anordnungen von Bauteilen,Einbauten und Systemen zueinander, die eine rein theoretischeBeurteilung der Temperatur- und Strömungsverhältnisseschwierig machen. Einflüsse, wie Rezirkulation, Überlagerung undAbschattung bleiben oft unerkannt, Ergebnisse sowie Annahmenwerden signifikant verfälscht.Gegengesteuert werden kann hier durch CFD-Analysen auf demGebiet der Elektronikkühlung. Als Ingenieurdienstleister setzt dieDELTA IDL GmbH auf das Programm ANSYS Icepak, das durchdie Übernahme von Fluent im vergangenen Jahr zu einem neuenMitglied in der ANSYS Familie geworden ist. DELTA IDL kann aufdiesem Gebiet auf eine langjährige Erfahrung zurückgreifen.Temperatur- undStrömungsverteilung imBaugruppenträger(hohe Packungsdichte)Die Vorteile der Simulation mit ANSYS Icepak liegen auf derHand: Bereits in der Konzeptphase und Vorentwicklung kanndas prinzipielle Verhalten von Produkten und Prototypen alsEntscheidungsvorlage dargelegt werden. Schlussfolgerungenaus den Erkenntnissen verbessern deren Einsatz sowie Nutzenund tragen nicht zuletzt zur Produktsicherheit und Lebensdauerbei. Sich ändernde Parameter, Standort- und Klimasimulationenkönnen virtuell in kürzester Zeit realisiert werden. Das spart Zeitund Kosten.Warum ANSYS Icepak?Ein grundlegendes Wissen in Verbindung mit der geeignetenCFD-Software gewährleistet eine zuverlässige Berechnung dergesuchten Parameter. DELTA IDL hat sich beim Vergleich derzur Verfügung stehenden Alternativen aus mehren Gründen fürANSYS Icepak als Analyse-Werkzeug entschieden.Ein wesentlicher Punkt war das sehr gut strukturierte Programm-Handling. Maßgeblich war auch die Möglichkeit, komplexereModellstrukturen, wie z.B. Einbaubedingungen in der Automobilbranche,betrachten zu können und ggf. auf Fluent, derBasissoftware, frei von allen Geometrieeinschränkungen, zugreifenund damit weitergehende Betrachtungen durchführen zukönnen. Zudem überzeugt das Tool im täglichen Umgang undwird kontinuierlich weiterentwickelt.22Thermische Simulation StromversorgungsmodulUntersuchungen zum Kühlkörperdesign mittels CFDAnwendungen & Technologie
CADFEM INFOPLANER 1/<strong>2007</strong>ANSYS Icepak ermöglicht die Betrachtung komplexer physikalischerProbleme. Vielseitige Lösungsmöglichkeiten von Strömungs-und Entwärmungsproblemen können so in nahezuallen Bereichen elektro- und gerätetechnischer Anwendungenuntersucht werden. Auch die Anwendbarkeit des Tools auf ganzandere Bereiche, wie z.B. der Gebäudesimulation, ist möglich.Mittels dreidimensionaler Betrachtung werden Einblicke in dasVerhalten von Strömungen, Temperatur und Druck unter Berücksichtigunglaminarer und turbulenter Vorgänge, Wärmeleitung,Wärmestrahlung und Konvektion sowie stofflicher und physikalischerParameter möglich. Transiente Analysen geben Einblickein das Betriebsverhalten von Anlagen und Systemen, wodurchsich z.B. kritische Zustände und Bedingungen, wie Lüfterausfalloder Umgebungsvariablen, simulieren lassen.Die Erstellung und Bewertung des Untersuchungsgegenstandeswird durch moderne grafische Verfahren unterstützt.Anwendungsbeispiel KühlkörperdimensionierungAm Beispiel der Kühlkörperdimensionierung lassen sich die Möglichkeitenund der effizente Einsatz von ANSYS Icepak darstellen.Grundsätzlich können wir drei Vorgehensweisen zur Auslegungvon Kühlkörpern ausmachen. Immer noch weit verbreitetist die konventionelle Auslegung per Hand. Mittels Berechnungund Abschätzung werden über Netzwerkgleichungen die thermischenWiderstände ermittelt, die es ermöglichen, auf vergleichendeWeise einen Kühlkörper, z.B. aus dem Katalog, zuwählen. Aber ein solches Näherungsverfahren hat seine Tücken.So ist das tatsächliche Verhalten unter Einbaubedingungen oftnur sehr schwer einschätzbar. Auch sind Strömungsverhältnissenicht reproduzierbar und die sekundäre Wärmeleitung und Wärmestrahlungsowie die Beeinflussung durch Nachbarbauteilewerden nicht berücksichtigt.Wie eine anschließende Messung zeigt, weichen Theorie undPraxis dann oft weit voneinander ab. Mittels Messung, als zweitegängige Methode, ist eine Korrektur sicherlich möglich. Jedochist die Messung eine Wiedergabe des jeweiligen Ist-Zustandes amausgewählten Messpunkt. Erkenntnisse und Ableitungen aus denErgebnissen setzen viel Erfahrung und Vorstellungskraft voraus.Die Messung bietet keine optimale Aussage zum Konvektionsverhalten,der Wärmeverteilung oder möglicher Reserven. Bis zumgewünschten Ziel bedingen „Trial and Error“ oft aufwendigeMessreihen und Maßnahmen.Die Kühlkörperdimensionierung mittels CFD-Simulation ermöglichtmit dem Anspruch höchster Genauigkeit die Einbeziehungaller relevanten Randbedingungen und Einflussgrößen.Zeitgleich, realitätsnah und unter Berücksichtigung nahezu allerAbhängigkeiten werden in einem Zug der thermische Widerstand,Stoff- und Wärmeleitwerte, Konvektion, Strahlung undWärmeleitung betrachtet. Unter Berücksichtigung eines genauenDesignabbildes (CAD-Daten), realer Einbaubedingungen (z.B.Gehäuse, Lüfter, …) und realer Einbaulage (Umgebungsbedingungen,Schwerkraftvektor) werden Strömungsverhalten undDruckverlust genauestens bestimmt. So lassen sich z.B. demArbeitspunkt angepasste Lüfter auswählen.Stationäre Betrachtungen ermöglichen so schnelle Aussagen zuKühlleistung, Rückschlüsse auf Sperrschicht- und Oberflächentemperaturund geben Aufschluss über Einspar- und Optimierungspotentiale.Transiente (zeitabhängige) Berechnungen geben z.B. Aufschlussüber das Erwärmungs- und Abkühlverhalten oder das Verhaltenbeim Fahren von Betriebszuständen.Ergebnisse von Zustandwerten, Optimierungen und Variantenstehen schnell für Entscheidungen zur Verfügung.Wo geht die Reise hin?Seit mehr als sechs Jahre bewegt sich DELTA IDL erfolgreich indiesem Aufgabenumfeld. Als Dienstleister mit dem geschildertenSpezialwissen blickt das Unternehmen optimistisch in die Zukunft,denn der Bedarf danach steigt. Aber gerade in solch speziellenAnwendungsfeldern wie der Strömungssimulation und der Wärmefeldberechnungist die Anschaffung des Equipments und dieMitarbeiterqualifizierung durchaus mit signifikanten Investitionenverbunden.Diejenigen, die sich für den Einsatz von ANSYS Icepak im eigenenUnternehmen entscheiden, werden von DELTA IDL unterstütztund auf dem Weg begleitet.Selbstverständlich besteht als einer der ersten Icepak-Anwenderin Deutschland eine besondere Beziehung zu den Entwicklern,die auch in der neuen Struktur – unter dem ANSYSDach – beibehalten und gepflegt werden soll. DELTA IDL siehtseine Aufgaben innerhalb einer Partnerschaft mit CADFEM inder Unterstützung der Kunden bei Einstieg, Support und Projekten.Untersuchungen und Optimierung zur temperaturabhängigenBauteilanordnung auf einem BoardAutorAndre Runge, DELTA IDL GmbHAnsprechpartner bei CADFEM für ANSYS IcepakUdo KillatTel. +49 (0)8092-7005-23E-Mail ukillat@cadfem.de23Anwendungen & Technologie