it s OWL Strategietagung 08. Dezember 2015 Paderborn www.its-owl.de
Notwendigkeit der Kühlung Verluste in elektronischen Bauteilen führen zur Erwärmung Verringerung der Lebensdauer und damit der Zuverlässigkeit Beeinflussung von elektrischen Parametern (Widerstand, etc.), sodass sich Schaltungen anders verhalten können als geplant Primäre Maßnahme: Verringerung der elektrischen Verluste durch effiziente Schaltungstopologien und Verwendung von hochwertigen Komponenten Sekundäre Maßnahme: Effiziente Kühlung der elektronischen Komponenten it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 2
Computational Fluid Dynamics Strömungs- und Wärmetransportphänomene lassen sich durch partielle Differentialgleichungen Beschreiben (Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie) Können meist nicht analytisch gelöst werden, daher numerische Lösung CFD Verwendung der kommerziellen Software Star-CCM+ von CD-adapco (Finite Volumen Methode) Nicht alle Phänomene können direkt simuliert werden (z.b. Turbulenz) Einführung von Approximationen durch Modelle Güte der Simulation hängt von Güte/Eignung der gewählten Modelle ab it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 3
Vorteile der Computational Fluid Dynamics Weniger experimentelle Untersuchungen notwendig, stattdessen virtuelle Experimente Optimierungsansätze können ohne Herstellung von Prototypen geprüft werden geringerer Kosten- und Zeitaufwand bei der Produktentwicklung bzw. Optimierung Ermöglicht die Untersuchung von Systemen bei Überschreitung von Leistungsgrenzen Untersuchung von Komponenten, die nach aktuellem Stand der Technik nicht oder nur sehr kostenintensiv herstellbar sind it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 4
Validierungsbeispiele (Kondensator) P diss =0,33W Wärmetransportmechanismen: o Konvektiver Wärmeübergang infolge hydrostatischen Auftriebs o Wärmestrahlung Simulation und Experiment stimmen gut überein: o Kondensator nahezu isotherm o Fehler in der Oberflächentemperatur des Kondensators ca. 2% it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 5
Validierungsbeispiele (Drossel) P diss =5,4W Wärmetransportmechanismen: o Konvektiver Wärmeübergang infolge hydrostatischen Auftriebs o Wärmestrahlung Simulation und Experiment stimmen gut überein: o Drahtwicklung und Kern nahezu isotherm o Fehler in der Oberflächentemperatur der Drossel (Platine) ca. 4% it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 6
Optimierungsbeispiel: Wasserkühlung eines On-Board-Ladegeräts Optimierungsmaßnahmen Optimierung des Kühlkanalverlaufs: o Möglichst gute Ankopplung der Wärmequellen an Kühlkanal (kurze Wärmeleitwege) o Optimierung von Krümmerradien (Druckverlust!) Wärmeübergangssteigerung im Kühlkanal (Rippen): o Identifizierung einer geeigneten Rippengeometrie Numerische Untersuchung verschiedener, aus Literatur entnommener Rippengeometrien Entwicklung einer neuen, anforderungsgerechten Rippengeometrie o Partielle Berippung des Kühlkanals Abbau von lokalen Hot-Spots Möglichst geringe globale Druckverlusterhöhung it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 7
Optimierungsbeispiel: Wasserkühlung eines On-Board-Ladegeräts Entwicklung einer neuen Rippengeometrie Aus Literatur: Strömungsabgewandte Dreiecksrippe stellte sich als die Beste heraus Problem: Herstellung kostenintensiv aufgrund der kleinen vorliegenden Radien (Fräsen) Neuentwickelte Rippe: Sägezahnform o Große Radien vglw. günstige Fertigung o Große hydrodynamische/thermische Anlaufstrecke o Im Mittel: 5% besserer Wärmeübergang bei 30% weniger Druckverlust (Energieeffizienz) Beste, der Literatur entnommene Rippe Neuentwickelte Sägezahnrippe it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 8
Optimierungsbeispiel: Wasserkühlung eines On-Board-Ladegeräts Gesamtsimulation des Ladegeräts Betrachtung des Falls ohne Berippung und mit partieller Berippung des Kühlkanals Berippung: Sägezahnrippe mit relativ großem Rippenabstand von 20 mm und einer Rippenhöhe von 1 mm Lokale Vorgabe von berechneten Verlustleistungen der elektronischen Komponenten it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 9
Optimierungsbeispiel: Wasserkühlung eines On-Board-Ladegeräts Gesamtsimulation des Ladegeräts Volumenstrom: 2 l/min (Wasser/Glykol) Eintrittstemperatur: T in = 50 C (Extremsituation) 15% niedrigere Übertemperatur durch Berippung des Kühlkanals it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 10
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit it s OWL Clustermanagement GmbH 08.12.2015 11