Software

Besser gekühlte Prozessoren leben länger

Alexandra Francois-Saint-Cyr, Senior Application Engineer, Mechanical Analysis Division, Mentor Graphics Corporation, Wilsonville/USA

Bild 3: Vergleich der Luftgeschwindigkeit mit Gehäusen des Wettbewerbs.
Der Vergleich von Ergebnissen der Strömungssimulation in Elektronikgehäusen mit realen Messwerten zeigt, dass die Simulation das erste Prototyping bei der Gehäuseentwicklung effizient unterstützen kann. Gezielt lässt sich auf diese Weise die Strömungsverteilung und damit die Kühlung der Leiterplatten und Komponenten verbessern. Das Plus: Die Elektronik lebt länger und den Entwicklern bleibt mehr Zeit für die Feinarbeit, wenn sie Simulationswerkzeuge zu Rate ziehen.

Moderne Prozessoren können zwar riesige Datenmengen verarbeiten, bei unzureichender Kühlung aber auch ziemlich schnell zerstört werden. Kühlmaßnahmen sind deshalb ein wichtiger Faktor in der ›Designgleichung‹. Entwickler von Racks und Gehäusen, die solche Prozessoren enthalten, müssen also die Strömungsverhältnisse beschreiben, vorhersagen und testen können, um eine optimale Luftführung sicherzustellen. Genau diese Möglichkeit bietet die CFD-Analyse, die numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics – CFD). Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen in Elektronikgehäusen und Einschubrahmen für Wechselplatinen lassen sich so präzise berechnen.
Simulationsergebnisse für Strömungs- und Temperatur-Werte müssen dabei iterativ immer wieder mit Messungen an Hardware-Prototypen verglichen werden. Nur mit diesem iterativen Vorgehen lässt sich gewährleisten, dass die vorhergesagten Kühleigenschaften auch wirklich erreicht werden. Bei Designzyklen und Erprobung sollten CFD-Simulation und physikalische Messungen deshalb eine gleichberechtigte Rolle spielen. Damit wird ein System gegenseitiger Kontrolle geschaffen, das verhindert, dass falsche Annahmen durch den gesamten Designprozess hindurch aufrechterhalten werden.

Anzeige

Mit Hilfe der CFD-Applikation Flotherm von Mentor Graphics konnte auf diese Weise ein Gehäuse- und Backplane-Hersteller ein neues Tower-Gehäuse mit neun Steckplätzen entwickeln, testen und verifizieren. Rechtzeitig ließen sich per Simulation bezüglich Architektur und Mechanik die richtigen Entscheidungen treffen, die Einfluss auf die Luftströmung im Gehäuse haben. Gleichzeitig überwachte und erfasste ein Messsystem die tatsächliche Strömung in einem Hardware-Prototypen. Dieser bildete dann die Basis für die folgende Phase, in der das neue Gehäuse-Design mit dem ähnlicher Geräte von Wettbewerbern verglichen wurde.

Für das Verständnis der Luftströmung durch das Tower-Gehäuse per CFD-Analyse ist es wichtig, dass das zugrundeliegende Modell angemessen detailliert ist. Die wesentlichen Aspekte hierfür sind:

Lüfterdruck: Lüfter erzeugen eine Luftströmung, indem sie Luft entweder in ein Gehäuse hineinblasen oder – weiter verbreitet – aus dem Gehäuse heraus saugen. Dabei ist es wichtig, die Geschwindigkeits- und Druckverteilung der Luft im Gehäuse zu untersuchen, wenn die Lüfter die Luft über Barrieren oder über Streuwege bewegen müssen.

Aufbau der Ventilatoren: Das CFD-Gehäusemodell wäre nicht vollständig, würde man nicht Lüftereinschübe und Lüfter selbst im Szenario mit berücksichtigen.

Blockierungen und Stauungen der Luftströmung: Um die Richtung der Luftströmung exakt zu erfassen, müssen Strömungshindernisse wie Kartenführungen und Dummy-Leiterplatten explizit modelliert werden.

Druckverluste: Die unter Umständen zahlreichen Quellen für Druckverluste im System können leicht berechnet werden, wenn die Lage der Ein- und Austrittsöffnung des Gehäuses genau bekannt ist.

Ist all das berücksichtigt, ist die Verwendung einer sinnvollen und möglichst realitätsnahen Lüfterkennlinie sicherlich der entscheidende Faktor, um eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulations- und den Messergebnissen sicherzustellen. Bibliotheken mit Ventilatoren verschiedener Hersteller, die in modernen CFD-Lösungen wie Flotherm enthalten sind, bieten exakte physikalische Modelle, die in entsprechend realistischen Systemmodellen münden. Kann ein Entwickler auf solche bestehenden und bewährten Ressourcen zugreifen, bleibt ihm mehr Zeit für die Feinarbeit am Produktdesign.

In der vorliegenden Erprobung entwickelte der Gehäuse-Designer zunächst ein relativ einfaches Systemmodell des Tower-Gehäuses, das dennoch alle oben genannten Punkte berücksichtigt (Bild 1). Dies ist der Software-›Prototyp‹. Ein möglichst einfach gehaltenes Modell verringert die CFD-Rechenzeit, was wiederum die Gesamtproduktivität steigert. Zudem gestattet es die auf diese Weise kürzere Zyklus-Zeit den Entwicklern, alternative Designvorschläge selbst innerhalb eng gesteckter Termingrenzen auszuprobieren.

Die Hardware-Messungen am Prototypengehäuse waren eher konventionell. Um die Strömungsgeschwindigkeiten zu messen und mit den Ergebnissen der CFD-Analyse zu vergleichen, wurden drei Sensoren auf Abstandshaltern montiert und entlang einer Mittellinie auf jeder Dummy-Platine im Testgehäuse platziert. Nachdem die Lüfter ihre normale Drehzahl erreicht hatten, wurde die Aufnahme der Daten gestartet. Diese wurden anschließend gemittelt, um die durchschnittliche Luftgeschwindigkeit durch jeden Karteneinschub zu bestimmen. Dann wurde der Volumendurchsatz für jeden Karteneinschub berechnet und mit den Durchflussraten des CFD-Modells verglichen.

Die Übereinstimmung zwischen simulierter und gemessener Luftgeschwindigkeit in jedem Karteneinschub ist im Allgemeinen gut (Bild 2), jedoch haben die Slots 3 und 6 einen größeren Fehleranteil (etwa 7 %) im Vergleich zum Gehäusedurchschnitt (rund 2,5 %). Eine detaillierte Fehleranalyse für jeden Einschub zeigt, dass dieser Unterschied dem Einfluss der Lüfternabe zuzuschreiben ist, die sich genau über den betroffenen Einschüben befindet. Die Luftströmung in diesem spezifischen Gehäusebereich ist ausgesprochen komplex. Um die notwendige Auflösung liefern zu können, benötigt die CFD-Analyse ein feineres Netz, das heißt, eine feinere Diskretisierung des durchströmten Raums. Dennoch zeigen die Simulationsergebnisse, wie effizient dieser Ansatz die reale Luftströmung in einem per Zwangskonvektion gekühlten Elektronikgehäuse vorhersagen kann.

Überraschenderweise nutzen nur wenige Gehäuseentwickler diese Möglichkeit, obgleich sie sich damit einen Wettbewerbsvorteil verschaffen können (Bild 3). Im genannten Beispiel half die in einem frühen Stadium des Designprozesses durchgeführte Simulation den Ingenieuren, die Luftströmung und Wärmeübertragung im Gehäuse zu verbessern. Die in jedem Gehäuseeinschub gemessene Luftgeschwindigkeit wurde dazu mit denjenigen in zwei Wettbewerbergehäusen verglichen. Zu sehen ist, dass das neue Gehäuse im Vergleich zu den Wettbewerbern einen höheren Luftstrom durch seine Einschübe liefert.

Strömungsgeschwindigkeit und Luftdurchsatz sind ein Schlüssel zu einem guten Gehäusedesign, die Kontrolle über die Temperaturen ein anderer. Bei Systemgehäusen ist es ein gängiges Designziel, dass sich die durch das Gehäuse strömende Luft um maximal um 10 °C erwärmt. Einer der Gründe für eine Begrenzung des Temperaturanstiegs in einem Gehäuse mit absaugenden Lüftern ist die erhebliche Verringerung der Lebenserwartung, wenn erwärmte Luft über die Nabe geführt wird. Vergleicht man den Temperaturanstieg des Tower-Gehäuses mit dem der Wettbewerber bei einer 30 W-Last pro Einschub in allen Gehäusen (Bild 4), ist ersichtlich, dass selbst in den am besten belüfteten Einschüben der Wettbewerbsgehäuse (Slot 6 beziehungsweise 7) die angestrebte Temperaturerhöhung von 10 °C nur knapp erreicht wird (13,1 °C für Slot 6 und 9,7 °C für Slot 7). Das Gehäuse des Designprojekts erzielte dagegen die gewünschte Temperatur in jedem Einschub. -co-

Mentor Graphics (Deutschland) GmbH, München, Tel. 089/57096-0, www.mentor.com

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

3D-CAD

Uni Tokio entwickelt Kunstherz mit CAD

Kunstherz-Pioniere entwickeln das erste vollständig künstliche Herz mit PTC Creo. Die 3D-Modellierungsfunktionen sowie bei der numerischen Strömungssimulation sind aus Sicht des Forscherteams ausschlaggebend, um bis zum Jahr 2016 das erste...

mehr...
Anzeige

Software

Alles im Fluss dank Strömungssimulation

Dr. Philipp Grieb, TaufkirchenDas Lübecker Traditionsunternehmen Mankenberg forciert die Strömungssimulation, um neue Produktentwicklungen im Bereich der Industriearmaturen bereits am Bildschirm als digitale Prototypen strömungstechnisch zu...

mehr...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem SCOPE Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite