Strömung im Kühlmodul
Einleitung
Das beschriebene Projekt stammt aus dem Jahr 2002. Beachten Sie bitte die blockstrukturierten Netze, die damals von Hand erstellt wurden.
Zur Kühlung elektronischer Bauteile in Fahrzeugen wird die in der Elektronik anfallende Wärme durch einen Kühlkörper an die Kühlflüssigkeit, ein Wasser-Glykol-Gemisch, abgegeben. Bei der Auslegung des Kühlkörpers muss neben einer ausreichenden Kühlkapazität auch auf einen möglichst geringen Druckverlust beim Durchströmen des Kühlmoduls geachtet werden.
Ziel dieser Untersuchung ist es, für ein existierendes Kühlmodul das Strömungsfeld und die Druckverluste mittels numerischer Simulation zu bestimmen. Der Wärmehaushalt ist nicht Gegenstand der Untersuchung.
Aufgabenstellung / Berechnung
Durch die zunehmende Leistungsdichte elektronischer Bauteile entsteht eine zunehmende Wärmemenge, die es abzuführen gilt, um eine Überhitzung der elektronischen Bauteile zu vermeiden.
Hierbei sollte beim vorliegenden Beispiel auch die Strömung durch die Spalte zwischen Trennwand und Deckel berücksichtigt werden.
Die Wärmeabfuhr der Elektronik an der Deckeloberseite sollte möglichst gleichmäßig sein, um zu hohe Temperaturgradienten zu vermeiden.
Der Druckverlust sollte bewertet und optimiert werden.
Ergebnisse
Die Untersuchung ergab, dass die Strömung von erheblichen Verlusten geprägt ist. Das Strömungsfeld zeigte eindeutig, dass im mittleren und hinteren Bereich des Kühlmoduls die Kühlwirkung geringer ist als im vorderen Bereich. Als Maßnahmen wurde vorgeschlagen, den Spalt zwischen Trennwand und Deckel abzudichten, auf die Bypassströmung über die Trennwand zu verzichten und das gesamte Kühlmodul zu durchströmen.
Um die hohen Druckverluste bei ausreichender Kühlung zu reduzieren, kann dabei auf einen Teil der Kühlrauten verzichtet werden. Die Maßnahmen konnten erfolgreich umgesetzt werden.
Aktueller Stand
Zwischenzeitlich werden bei vergleichbaren Untersuchungen die Verlustwärmen der elektronischen Elemente mit berücksichtigt und die Strömungsberechnung ggf. auch transient mit Berücksichtigung der Temperaturen und Phasenumwandlungen durchgeführt.
Die Vernetzung erfolgt dabei automatisiert unter Berücksichtigung der thermischen Grenzschichten in einem Bruchteil der Zeit. Eine grobe Bewertung kann aber nach wie vor anhand einer reinen Strömungsbetrachtung erfolgen.
Mit freundlicher Genehmigung der Conti Temic microelectronic GmbH, Nürnberg