Elektronikkühlung

Effiziente Kühlung für präzise Laser

Üblichrweise werden elektronischen Bauteile gekühlt, indem sie an einen Aluminiumkühlkörper angebunden werden, der über einen Ventilator mit Außenluft angeströmt und gekühlt wird.

Deshalb sollte in diesem Projekt untersucht werden, wie sich die Wärmeverteilung innerhalb der Multilayer-Leiterplatte verhält und welche Strömungen in ihrem Gehäuse auftreten. Da es bei Abmessungen von 2 x 1 x 1 Zentimeter nicht möglich war, die Temperaturverteilung im Inneren des Gehäuses zu erfassen – mit Messgeräten wäre ohnehin keine Verteilungsanalyse über den kompletten Innenbereich möglich gewesen – wurde ein entsprechendes Simulationsmodell erstellt.

Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Temperaturspitzen in einer der Schichten der Leiterplatte und an der Außenfläche des Gehäuses. Mit Hilfe der CFD-Simulation konnte bei unterschiedlichen Außenbedingungen exakt ermittelt werden, an welchen Stellen und unter welchen Bedingungen es dort zu Problemen kommt.

Im nächsten Schritt wurden dann per Simulation verschiedene Lösungsansätze virtuell „erprobt“, ohne dass dafür aufwändige Testreihen nötig gewesen wären. Somit konnten durch geschicktes Kontaktieren der Leiterplatte mit dem Außengehäuse Schmelzgefahren gebannt werden und das Gehäuse weist nun eine deutlich verbesserte Temperaturverteilung auf (Abbildung 3). Sowohl die exakte Schwachstellenermittlung als auch die zielgerichtete Optimierung der Wärmeverteilung und Strömung waren nur mittels Strömungssimulation möglich.

Ermittlung von Hotspots in einem Lichtschranken-Modul mittels Strömungssimulation
Abbildung 1: Temperaturspitzen nach längerer Betriebszeit in einer Schicht der Leiterplatte
Strömungssimulation: Temperaturverteilung an der Außenfläche des Gehäuses
Abbildung 2: Temperaturverteilung an der Außenfläche des Gehäuses

CFD-Strömungssimulation: Verbesserte Temperaturverteilung nach der Optimierung
Abbildung 3: Verbesserte Temperaturverteilung nach der Optimierung

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