Thermisches Design – Walmate Thermal

Was ist ein thermisches Design?

Thermisches Design lässt sich als systematischer Designansatz definieren, der in der Anfangsphase der Wärmemanagementplanung implementiert wird. Kernstück ist die Nutzung fortschrittlicher Softwaretools zur Durchführung umfassender computergestützter Simulationsanalysen mit dem Ziel, zuverlässige theoretische Daten zu generieren. In der Praxis beginnt diese Methode mit der Identifizierung wichtiger Variablen, die die thermische Leistung beeinflussen, wie z. B. Material- und Strukturparameter von Kühlkörpern, das Design der Strömungskanäle von Flüssigkeitskühlplatten, Drehzahl und Luftvolumen von Lüftern sowie Materialeigenschaften, Wärmequellenintensität und Umgebungsbedingungen. Ingenieure passen diese verschiedenen Parameter dann in der Simulationssoftware an und erstellen mehrere virtuelle Szenarien, die reale Betriebsumgebungen nachbilden – beispielsweise testen sie die Auswirkungen verschiedener Wärmeableiter Größen auf lokale Temperaturen oder die Änderung der Kombination von Kühlmitteldurchflussraten in Flüssigkeitskühlplatten und die Betriebsleistung des Lüfters, um Änderungen in der Gesamteffizienz der Wärmeableitung des Systems zu beobachten.

Der Zweck des thermischen Designs.

Der Zweck des thermischen Designs besteht darin, potenzielle Risiken einer Chipüberhitzung zu identifizieren und optimale Lösungen zu finden. Dabei werden Softwareberechnungen zur Unterstützung der Produktprototypentwicklung eingesetzt, die Ergebnisse durch abschließende Tests verifiziert und auf Grundlage dieser Erkenntnisse weitere Optimierungen vorgenommen. Vielen Ingenieuren – insbesondere Einsteigern – ist jedoch der Sinn von thermischem Design und Simulation unklar. Sie beginnen oft damit, Aufgaben lediglich zu erledigen, ohne die Ziele und Anforderungen zu verstehen. Dieser Ansatz führt zu Problemen wie fehlenden Voraussetzungen oder der Verwendung falscher Methoden, was zu erheblicher Zeitverschwendung führt. Letztendlich können sie sogar die Gültigkeit ihrer Ergebnisse in Frage stellen. Daher besteht das ultimative Ziel des thermischen Designs für elektronische Produkte darin, die optimale Projektlösung durch theoretische Berechnungen, Simulationsanalysen und experimentelle Tests kontinuierlich zu verfeinern. Dies gewährleistet den langfristig stabilen Betrieb elektronischer Produkte und verhindert Gerätestörungen durch Überhitzung der Komponenten.

Die Bedeutung und der Wert des thermischen Designs.

Mit anderen Worten: Warum ist eine thermische Design-Simulationsanalyse erforderlich? Dies spiegelt sich hauptsächlich in drei Aspekten wider: Kostensenkung, Verkürzung der Forschungs- und Entwicklungszyklen sowie Verbesserung der Produktzuverlässigkeit und Wettbewerbsfähigkeit. Kostensenkung zeigt sich vor allem in der Reduzierung der Kosten für hin- und hergehende Probenahmen und des Zeitaufwands für wiederholte Tests. Verkürzung der Forschungs- und Entwicklungszyklen, schnelle Validierung von Wärmeableitungslösungen (wie Kanalführung und Materialauswahl) in virtuellen Umgebungen und Reduzierung der Probenahmezeiten. Ein bestimmtes Unternehmen konnte die Schutzzeit vor thermischem Durchgehen durch Simulation von 58 Sekunden auf 220 Sekunden verlängern, ohne dass wiederholte Probeproduktionen erforderlich waren. Verbesserung der Produktzuverlässigkeit und Wettbewerbsfähigkeit. Wir wissen, dass Konstruktionsfehler oder Auswahlprobleme zu anormalem Gerätebetrieb führen. Wenn wir Konstruktionsfehler im Voraus erkennen, thermische Schwachstellen elektronischer Komponenten im Gerät identifizieren und deren Design optimieren und verbessern, wird dies die Zuverlässigkeit des Produkts in rauen Umgebungen erheblich steigern und seine Wettbewerbsfähigkeit verbessern.

Walmate kann Kunden bei der Erstellung eines thermischen Kühlkörperdesigns unterstützen.

Wir sind in der Lage, unseren Kunden thermische Designdienstleistungen anzubieten für Temperatur fällt. Wenn ein Kunde einen Chip auswählt, können uns seine Ingenieure normalerweise die Spezifikationen des Chips mitteilen, beispielsweise seine Wärmeleistung in Watt. Unsere Ingenieure führen dann theoretische Berechnungen durch, um die geeignete Kühlkörperlösung zu bestimmen. Die Größe des Kühlkörpers wird weitgehend durch diese Berechnungen bestimmt. Bei Chips mit hohem Stromverbrauch ziehen wir oft Lösungen mit erzwungener Konvektion in Betracht. Umgekehrt sind Designs mit natürlicher Konvektion für Chips mit geringem Stromverbrauch normalerweise ausreichend. Durch diese theoretischen Berechnungen können wir die erforderliche Länge, Breite, Höhe und Oberfläche des Kühlkörpers schätzen. Dann simulieren wir verschiedene Luftströmungsraten und -drücke, um die maximale Temperatur zu berechnen, die der Chip in Kombination mit dem entworfenen Kühlkörper erreichen würde. Dieser theoretische Designansatz hilft Kunden, viel Entwicklungszeit und -kosten zu sparen, indem unnötiges Ausprobieren mit physischen Prototypen vermieden wird.

Walmate kann Kunden bei der thermischen Gestaltung einer Flüssigkeitskühlplatte unterstützen.

Wir können auch eine thermische Lösung entwerfen, die Folgendes beinhaltet: Flüssigkeitskühlplatten für Kunden. Wenn der Chip eines Kunden mit extrem hoher Leistung arbeitet und die Kühlleistung herkömmlicher Kühlkörper in Kombination mit Fangreifen wir auf Flüssigkeitskühlplatten zurück und nutzen dabei die hohe spezifische Wärmekapazität von Wasser. Dieses Design ermöglicht die Zirkulation von Wasser bzw. Kühlmittel durch das Innere der Flüssigkeitskühlplatte, wodurch große Wärmemengen effektiv übertragen und abgeleitet werden: Die vom Chip erzeugte Wärme wird vom Kühlmittel absorbiert, das dann von einer Wasserpumpe abgepumpt wird, um die angesammelte Wärmeenergie abzuführen. Bei der Entwicklung solcher Flüssigkeitskühlplatten beginnen wir mit dem theoretischen Leistungsbedarf, um eine geeignete Lösung zu konstruieren, einschließlich der Gestaltung von Mikrokanälen im Bereich direkt unter dem Chip. Durch wiederholte Parameteranpassungen und Simulationen können wir die vom Kunden angegebene Zieltemperatur erreichen. Dieser Ansatz spart zudem erhebliche Kosten und Entwicklungszeit. Das thermische Design ist daher bei der Entwicklung von Flüssigkeitskühlplatten von entscheidender Bedeutung, insbesondere angesichts der hohen Herstellungskosten solcher Komponenten. Durch den Einsatz von Software für Simulation und Analyse können wir die Forschungs- und Entwicklungskosten drastisch senken und den Prozess so effizient und kostengünstig gestalten.

Häufig gestellte Fragen zum thermischen Design

Wie erstellt man ein thermisches Kühlkörperdesign?

Bei der thermischen Analyse eines Kühlkörpers muss in der Regel geklärt werden, ob es sich um natürliche oder erzwungene Konvektion handelt. Bei natürlicher Konvektion muss der Kühlkörper den Raum zwischen den Lamellen, den Raum für den Strahlungswärmeaustausch, vollständig berücksichtigen. Gleichzeitig müssen Schwerkraft und Strahlung als Parameter berücksichtigt werden. Daher sind diese beiden Parameter – Schwerkraft und Wärmestrahlung – bei der thermischen Auslegung von großer Bedeutung. Normalerweise sollte die Oberfläche des Kühlkörpers schwarz sein und sein Emissionsgrad üblicherweise auf 0.8 eingestellt sein. Bei einem Kühlkörper mit erzwungener Konvektion hingegen sollte die PQ-Kurve des Lüfters mithilfe des importierten Systemmodells analysiert werden. In diesem Szenario müssen Strahlung und Schwerkraft für den Kühlkörper nicht berücksichtigt werden. Zusammenfassend sind diese beiden Faktoren im Allgemeinen die wichtigsten Überlegungen bei der Auslegung eines Kühlkörpers.

Wie erstellt man ein thermisches Design für eine Flüssigkeitskühlplatte?

Beim Entwurf einer Flüssigkeitskühlplatte müssen wir normalerweise das Material berücksichtigen und ob Mikrokanäle erforderlich sind – was durch die Leistungsdichte innerhalb der begrenzten Fläche bestimmt wird. Einfach ausgedrückt: Wenn eine 100×100 große Fläche eine thermische Leistung von über 1 Kilowatt bewältigen muss, ist das Design der Mikrokanäle am Boden der Wärmequelle unerlässlich. Dadurch kann die Kühlflüssigkeit vollständig Wärme mit den Mikrokanälen austauschen und große Wärmemengen effektiv ableiten. Daher ist das Design der Strömungskanäle ein zentraler Aspekt beim Entwurf einer Flüssigkeitskühlplatte. Außerdem muss die Gesamtlänge des Strömungskanals berücksichtigt werden, wobei zwei entscheidende Parameter besonders zu beachten sind: Druckdifferenz und Strömungswiderstand. Diese Parameter sind für den Kühler des Endbenutzers von entscheidender Bedeutung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir diese drei Aspekte (Material, Notwendigkeit der Mikrokanäle und strömungskanalbezogene Parameter) umfassend bewerten müssen, um ein optimales Design zu erreichen.

Wie erstellt man ein thermisches Design für einen Heatpipe-Kühlkörper?

Beim Entwurf eines Heatpipe-Kühlkörpers müssen wir in der Regel die Heizleistung bestimmen und Heatpipes mit dem passenden Durchmesser auswählen. Gängige Durchmesser sind beispielsweise 6 mm, 8 mm oder 9.52 mm. Bei geringer Leistung und relativ großer Fläche – also ausreichend Platz für die Heatpipes – können wir in der Regel Heatpipes mit einem Außendurchmesser von 6 mm wählen. Bei begrenztem Platz müssen wir Heatpipes mit einem größeren Durchmesser, beispielsweise 9.5 mm, wählen. Denn Heatpipes mit unterschiedlichen Durchmessern können innerhalb einer effektiven Länge unterschiedliche Wärmemengen abführen. Daher legen wir die Wärmeleitfähigkeit von Heatpipes erfahrungsgemäß auf 12,000 bis 15,000 W/(m·K) fest. Dies kommt den Parameterwerten in praktischen Anwendungen recht nahe und weist nur geringe Abweichungen auf. Der einzige Unterschied besteht darin, dass in tatsächlichen Anwendungen die Schwerkraft eine Rolle spielt. Deshalb gibt es relativ große Unterschiede zwischen der Wärmesimulation von Heatpipes und der tatsächlichen Situation. Dies muss daher im Designprozess möglichst vermieden werden. Der Einfluss der Schwerkraft auf Heatpipes im späteren praktischen Einsatz muss bereits im Frühstadium berücksichtigt werden.

Wie erstellt man ein thermisches Design für einen Kühlkörper mit geschälten Lamellen?

Bei der Entwicklung eines Kühlkörpers mit geschälten Lamellen ist das Material ein wichtiger Aspekt. Beispielsweise liegt die Wärmeleitfähigkeit von 1060-Aluminium typischerweise bei 240 W/(m·K), während die von 6063-Aluminium üblicherweise bei 187 W/(m·K) liegt. Dementsprechend müssen Dicke, Höhe und Abstand der Lamellen optimiert werden, um die optimalen Parameter zu finden. Soll der Kühlkörper extrem hohe Leistungen, beispielsweise über 1 Kilowatt, verarbeiten, sollte die Lamellendicke theoretisch über 1.0 mm liegen. Übersteigt die Lamellenhöhe 100 mm, ist aufgrund der übermäßigen Größe eine ausreichende Dicke erforderlich, um die Wärmeübertragung von der Unterseite zur Oberseite der Lamellen zu gewährleisten. In solchen Fällen legen wir die Lamellendicke in der Regel auf 1.5 mm fest und passen den Abstand entsprechend an. Theoretisch könnte ein optimaler Lamellenabstand zwischen 1.0 mm und 2.5 mm liegen, in der Praxis ist jedoch eine Dicke von 1.5 mm erforderlich, um die Wärmeleitung bis zur Oberseite der Lamellen zu gewährleisten. Natürlich erfordert eine präzise Kühlkörperkonstruktion eine umfangreiche Datenanalyse auf Basis praktischer Anwendungen.

Was sind die typischen Stufen des thermischen Designs?

Thermische Designsimulationen lassen sich typischerweise in vier Stufen einteilen. Die erste Stufe ist die Simulation auf Systemebene. Sie konzentriert sich auf die thermische Analyse des gesamten Systems, beispielsweise großer Schränke oder Geräte. Dabei werden das gesamte Temperatur- und Strömungsfeld simuliert und analysiert. Diese Art der Analyse ist in der Regel komplex. Beispielsweise muss bei einem großen Wechselrichterschrank, der eine erhebliche Wärmemenge erzeugt, die Auswirkung jeder einzelnen Wärmequelle auf das Gesamtsystem in der Simulation berücksichtigt werden. Anschließend folgt die Simulation auf Platinen- bzw. Modulebene. Dabei wird im Allgemeinen die Wärmeverteilung in einem einzelnen Kühlkörper, die Temperaturanalyse innerhalb eines Moduls und die Temperatursimulation von Komponenten analysiert. Der Schwerpunkt liegt hier auf der thermischen Analyse großer Hochleistungsmodule. Anschließend folgt die Simulation auf Leiterplattenebene. Dabei werden in der Regel das Layout der Kupferleiterbahnen auf der Leiterplatte und die Temperatur der Chips auf der Leiterplatte simuliert. Anders ausgedrückt: Beim Entwurf einer Leiterplatte wird die Rationalität der Leiterbahnführung an der Unterseite der Leiterplatte und die Platzierung der einzelnen Komponenten analysiert. Da sich auf der Leiterplatte eine Kupferschicht befindet, wirkt sich die erzeugte Wärme bei zu konzentriertem Design auf andere Komponenten aus. Daher ist eine vernünftige PCB-Simulationsanalyse für Elektronikingenieure sehr hilfreich, da sie ihnen dabei helfen kann, das PCB-Layout richtig anzuordnen. Die letzte Ebene ist die Simulation auf IC-Ebene. Diese Ebene konzentriert sich auf die Analyse des Temperaturfelds innerhalb eines Chips, d. h. der Verteilung der wärmeerzeugenden Komponenten innerhalb eines Chips, was für Verpackungsingenieure von entscheidender Bedeutung ist. Sie können in dieser Phase die von Tausenden gestapelten Chips erzeugte Wärme analysieren. Allerdings ist die Simulation auf IC- oder Chip-Ebene für Vorentwurfsingenieure sehr schwierig. Das liegt daran, dass Verpackungsfabriken normalerweise keine Parameter wie die tatsächliche Leistung innerhalb des Chips bereitstellen. Nur Branchenriesen wie Intel, IBM, IMD oder NVIDIA führen derartige Analysen durch. Im Allgemeinen finden die meisten unserer Simulationen auf IC-Ebene, PCB-Ebene, Modulebene und Systemebene statt. Jeder Ingenieur hat unterschiedliche Schwerpunkte, sodass auch seine Arbeitsprioritäten variieren.

Wie lässt sich das thermische Design eines Kühlkörpers optimieren?

Die Designoptimierung eines Kühlkörpers beginnt in der Regel mit der Leistung des Chips, um die Dicke der Kühlkörperbasis zu bestimmen, die entscheidend ist. Bei hoher Leistung (über 1 Kilowatt) muss die Basisdicke mehr als 12–15 mm betragen. Anschließend ist die Optimierung von Dicke, Höhe und Anzahl der Lamellen ebenso wichtig. Wenn die Lamellenlänge beispielsweise 300 mm überschreitet, ist es theoretisch ratsam, die Lamellen in der Mitte zu teilen. Dies erzeugt einen turbulenten Luftstrom und verbessert so die Effizienz der Wärmeableitung. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Optimierung des Luftkanals: Reduzierung des Windwiderstands im Kanal und Vermeidung von Kurzschlüssen im Luftstrom (wie z. B. die Bildung von Wirbeln), die eine erhebliche Menge an Luftvolumen verschwenden würden. Darüber hinaus sind Größe und Position der Ein- und Auslassöffnungen wichtig, insbesondere auf Systemebene. Eine gut gestaltete Öffnung ermöglicht einen effizienten Luftstrom und trägt dazu bei, im gesamten System eine angemessene Temperatur aufrechtzuerhalten. Allerdings müssen bei der Größe der Öffnung auch andere Umweltfaktoren berücksichtigt werden, beispielsweise die Staubvermeidung, was den Entwurfsprozess komplex macht.

Wie kann eine flüssigkeitsgekühlte Platte während des thermischen Designs optimiert werden?

Bei der Optimierung und Simulation des Designs einer Flüssigkeitskühlplatte muss in der Regel das gesamte Kühlsystem berücksichtigt werden, einschließlich Kühlmittel, Medium, Flüssigkeitskühlplatte und Wasserpumpe. Der erste Parameter ist die Auswahl eines geeigneten Kühlmittels. Optionen wie Ethylenglykol mit Wasser gemischt, Propylenglykol mit Wasser gemischt, Ethanol mit Wasser gemischt, Flüssigmetalle oder reines Wasser werden häufig in Betracht gezogen. Die Wahl des Kühlmittels ist für das gesamte Kreislaufsystem von entscheidender Bedeutung. Strukturell müssen wir die Anforderungen an die Wärmeaustauschleistung berücksichtigen. Das heißt, unter den festgelegten Bedingungen von Durchflussrate und Temperaturunterschied zwischen Einlass und Auslass streben wir eine Verbesserung der Wärmeaustauscheffizienz an. Darüber hinaus müssen die Anforderungen an Druckbeständigkeit und strukturelle Festigkeit der Oberfläche der Flüssigkeitskühlplatte berücksichtigt werden. Im Designprozess sollte die Dicke der Flüssigkeitskühlplatte optimiert werden. Weitere Faktoren wie Korrosionsschutz und Leckagesicherheit müssen ebenfalls berücksichtigt werden. Bei der thermischen Auslegung muss das Design der Abdeckung und der oberen/unteren Stirnflächen der Kühlplatte berücksichtigt werden. Falls ein Dichtungsstreifen verwendet wird, muss dessen Festigkeit berücksichtigt werden. Beim Schweißen muss der tatsächliche Verarbeitungsaufwand bewertet werden. Schließlich muss ein sinnvolles Konstruktionsschema entwickelt und optimale Produktionsprozesse eingeführt werden, um die Kosten zu senken. All diese Faktoren müssen bei der thermischen Auslegung berücksichtigt werden.

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