CFD simulačné nástroje pre návrh chladenia

Návrh moderného elektronického zariadenia predstavuje multidisciplinárnu výzvu, ktorej zvládnutie si vyžaduje často až nadľudské schopnosti. Okrem samozrejme vnímaných vedomostí z elektroniky, použitých pri obvodovom návrhu, cez pridružené znalosti z teórie elektromagnetického poľa, ktoré sú potrebné pri návrhu vysokofrekvenčných častí DPS, až po komplexné znalosti z oblasti šírenia tepla potrebné pri riešení tepelného manažmentu zariadenia. Aj keď v praxi je možné návrh rozdeliť na čiastkové úlohy pre jednotlivých špecialistov, parciálne riešenia sa ovplyvňujú. Takže ak návrhár DPS navrhne „nezmysel“, následný špecialista už to nezachráni a celý návrh sa vracia na začiatok, čo stojí drahocenný čas. Preto je nutné v celom procese brať do úvahy aj nasledujúce kroky a mať aspoň základný prehľad o danej problematike. Čím skôr je problém identifikovaný, tým skôr je vyriešený a celý proces je potom rýchlejší a lacnejší (obr. 1) [1].

Obr. 1 Využitie simulácií v skorých fázach vývoja prináša významné úspory času a financií [1].

Je samozrejme možné prípadné problémové záležitosti so špecialistom konzultovať a moderné komunikačné technológie v zásade umožňujú okamžité spojenie s každým, zároveň však prinášajú zrýchlenie procesu, čo sa v praxi prejaví ďalším tlakom na zrýchlenie procesu kvôli konkurencieschopnosti. Navyše tu ostáva problém iného uhla pohľadu. Kým návrhár na skoršom stupni rieši len koncepčné záležitosti, následný špecialista už danú oblasť rieši detailne. V takomto prípade sa ťažko hľadá spoločná reč. Kým špecialita automaticky rieši problém do detailov, špecialistovi „nižšieho“ stupňa návrhu stačí konzultovať len koncepciu, aby nevytvoril problém, ktorý by si vyžiadal zásadnú zmenu návrhu. V takýchto prípadoch je návrhárom veľmi nápomocný systém, umožňujúci priebežné simulácie s riadenou presnosťou. Kým v počiatkoch návrhu postačuje konštruktérovi celkový pohľad s možnosťou identifikácie problémových oblastí, v pokročilom stupni návrhu potom môže špecialista riešiť detaily a ladiť, samozrejme, už s potrebnou presnosťou. Významným benefitom je, ak všetky tieto simulácie môžu prebiehať v jednom systéme a teda spolu s postupom návrhu zariadenia sa odovzdávajú aj jednotlivé medzivýsledky. Následný špecialista je potom schopný posúdiť aj kvalitu predchádzajúcich simulácií a prípadne využiť ich výsledky.

Jednou z oblastí generujúcich pri návrhu takýto typ problémov je odvod tepla z elektronických zariadení. Každý konštruktér síce vie, že elektronika produkuje teplo a pri výkonnejších aplikáciách je potrebné ju chladiť (všeobecne existuje aj povedomie o základných princípoch a sú skoncipované návrhové pravidlá, ktoré dobre fungujú v klasických typoch konštrukcií), no rýchly vývoj v tejto oblasti núti konštruktérov k obchádzaniu týchto pravidiel, pretože pri ich dodržaní už nieje technicky možné zariadenie skonštruovať. Navyše, neustály tlak na miniaturizáciu presúva konštrukcie do vyšších energetických hustôt, pre ktoré klasické pravidlá už nefungujú. Často je z priestorových dôvodov nutné umiestniť do blízkosti zdrojov tepla komponenty, ktoré sú zvýšenou teplotou negatívne ovplyvňované, a tepelnú izoláciu je nutné vyriešiť inak. Napríklad vhodne usmerneným prúdom vzduchu. V tamto prípade sa však už dostávame do oblasti, ktorej „nikto od elektroniky nerozumie“. Teda každý vie, že pridaním ventilátora sa teplotné pomery zlepšia, ale o koľko, alebo dokonca ako bude vnútri prúdiť vzduch, už posúdiť nedokážeme. Výborným pomocníkom v tejto oblasti sú CFD  simulácie, no vzhľadom na komplexnosť problematiky bývajú tieto softvérové nástroje zložité a laikom nepoužiteľné. Podobne, existujúce nástroje pre termálne simulácie pre elektroniku poskytujú výbornú predstavu o teplotných poliach v simulovanom zariadení, zvládajú aj prúdenie vzduchu, ich použitie je však rovnako náročné.

Pre tieto „interdisciplinárne“ použitia boli vyvinuté simulačné nástroje FloTHERM XT a FloEFD z dielne Mentor, A Siemens Business. Ponúkajú možnosť komplexných simulácií v oblasti teplotného manažmentu elektronických zariadení. Aj keď technológia modelovania je mierne odlišná, filozofia použitia v celom procese vývoja ostáva spoločná. Oba programy umožňujú efektívne simulácie rozloženia teploty v navrhovanom zariadení aj na základe čiastkovej konštrukcie. Umožňujú efektívne zhodnotenie zvažovaných variantov konštrukcie na základe prípadových štúdií. Samozrejme, oba programy zohľadňujú všetky spôsoby šírenia tepla a výsledky simulácií sú teda veľmi blízke skutočnosti [1,2].

FloTherm XT je špecializovaný nástroj pre návrh a optimalizáciu chladenia v komplexných elektronických systémoch v rámci všetkých odvetví priemyslu od spotrebnej elektroniky cez IT, automotive až po aerospace. Je evolúciou produktu FloTHERM, oproti ktorému prináša mnohé vylepšenia umožňujúce efektívnejšiu prácu pri návrhu chladenia (obr. 2). Najvýznamnejšou je integrácia profesionálneho MCAD systému, ktorý umožňuje efektívnu prácu s komplexnou geometriou používaných komponentov. Z „materského“ systému si FloTHERM XT zachováva možnosť práce s pokročilými modelmi puzdier komponentov, ktoré sú využiteľné pri práci s výkonovou elektronikou alebo pri presných simuláciách teploty výkonných výpočtových čipov, zo sesterského FloEFD zase efektívny a automatický proces mriežkovania. Nástroj EDA Bridge umožňuje import návrhu DPS až na úrovni jednotlivých vodivých ciest, čo umožňuje modelovať joulové straty v kritických miestach. Významným zrýchlením pri optimalizácii návrhu je technológia SmartParts umožňujúca efektívne variácie parametrov komponentov ovplyvňujúcich chladenie (geometria chladičov, výkon ventilátorov a podobne).

Obr. 2 Integrácia s profesionálnym MCAD systémom umožňuje efektívnu prácu aj s objektmi komplexných geometrických tvarov [2].

FoTHERM XT umožňuje priamy import modelov z „materskej“ rodiny FloTHERM, integrácia profesionálneho MCAD systému umožňuje jednoduchú prácu s mechanickými súčasťami zariadenia a vďaka EDA Bridge je v podstate integrovaný do návrhových systémov DPS. Vo verzii FloTHERM XT for PADS predstavuje plne integrovaný nástroj, ktorý je návrhárovi k dispozícii „na jeden klik“ [2].

FloEFD predstavuje špičku v oblasti CFD simulačných nástrojov. Je určený na všeobecné použitie vo všetkých odvetviach priemyslu, kde umožňuje riešiť široké spektrum problémov spojených s prúdením tekutín. Je dodávaný ako Plug-In modul pre MCAD systémy Siemens NX, CATIA, Creo, SolidEdge a SolidWorks. Je koncipovaný ako jednoducho použiteľný nástroj pre simulácie v záujmovej oblasti. Unikátnu technológiu predstavuje mriežkovanie v kartézskych súradniciach, vďaka čomu je celý proces tvorby mriežky používateľsky prívetivý a je možné ho plne automatizovať. Potrebná presnosť je dosahovaná zjemnením mriežky okolo detailov (obr. 3) a funkciou zjemňovania mriežky počas výpočtu, ak sa objavia turbulentné oblasti v neočakávaných oblastiach. V záujmových oblastiach je, samozrejme, možné ľubovoľne definovať lokálnu výpočtovú mriežku. Adaptívna mriežka spolu s definovaním cieľov výpočtu, respektíve nastavením podmienok pre ukončenie, umožňuje riadenie presnosti výpočtu. Teda v prípade požiadavky na rámcovú simuláciu, pre celkovú predstavu o navrhovanej koncepcii alebo pri prípadových štúdiách, nie je potrebné dlho čakať na výsledky. Po overení koncepcie, respektíve výbere vhodnej možnosti, je možné simuláciu spustiť s jemnejšou mriežkou a získať tak podrobné výsledky. Významnou výhodou je integrácia do MCAD systému, keď každá zmena v dizajne sa okamžite prejaví aj na simulovanom modeli, ktorý nie je nutné nijako konvertovať a tak simulácie prebiehajú vždy na aktuálnom modeli [1].

Obr. 3 Mriežkovanie v kartézskych súradniciach zjednodušuje proces generovania mriežky a umožňuje jeho plnú automatizáciu aj pri komplexných tvaroch [3].

Aj keď je FloEFD určený pre všeobecné využitie vo všetkých oblastiach priemyslu, je vďaka faktu, že dominantným procesom pri chladení je prenos tepla prúdením vzduchu možné jeho efektívne využitie pri riešení problémov s teplotným manažmentom ľubovoľného zariadenia. Modelovanie šírenia teploty v pevných a kvapalných látkach, ich zmesiach, efektov pri kondenzácii či odparovaní spolu so simuláciou voľných povrchov kvapalín dáva možnosti simulácie chladenia tak vzduchom, ako aj prúdením kvapaliny (obr. 4). Kvalitné radiačné modely so zohľadnením vlnových dĺžok uzatvárajú fyziku prenosu tepla. Program umožňuje modelovanie príspevku slnečného ohrevu v závislosti od zemepisnej lokality, dátumu, času a stavu oblačnosti [1].

Obr. 4 FloEFD je možné využiť aj pri návrhu kvapalinového chladenia elektronických systémov.

Pre špecializované oblasti použitia sú k programu dodávané moduly Electronic Cooling, LED, HVAC a Advanced, ktoré obsahujú rozšírenie základnej databázy materiálov a modelov pre danú oblasť použitia. Pre oblasť chladenia je to široká databáza materiálov používaných v elektronike (materiály pre puzdrá IO, plasty, lamináty pre DPS...), modely ventilátorov, termoelektrických chladičov, tepelných trubíc a špeciálny model pre DPS (definuje sa počet vrstiev, hrúbka každej vrstvy a percentuálne pokrytie meďou). Modul LED obsahuje kombinované termálne a fotometrické modely svetelných diód. Je výkonným nástrojom pri návrhu osvetľovacích aplikácií nielen s LED. Modul HVAC umožňuje modelovanie komfortných parametrov prostredia, kvality vzduchu a jeho kontaminácie či transportu a usadzovania pevných častíc. Modul Advanced rozširuje možnosti simulácií o procesy prebiehajúce pri spaľovaní, prúdení nadzvukovými a hypersonickými rýchlosťami a podobne [3].

V prípade potreby je možné využiť FloEDA bridge na generovanie podrobných modelov DPS s nastaviteľnou úrovňou podrobnosti. Od jednoduchého „box“ modelu až po detailný model vrátane topológie vodivých vrstiev (obr. 5), ktorý umožní podrobné modelovanie šírenia tepla v záujmovej oblasti DPS aj so zohľadnením teplotnej závislosti a vrátane joulových strát na prúdovo kritických spojoch [4].

Obr. 5 Nástroj FloEDA bridge umožňuje import geometrie DPS až na úrovni topológie vodivých vrstiev [4].

V súčasnosti má návrhár k dispozícii veľké množstvo simulačných nástrojov, pričom je možné povedať, že dnes už všetky dosahujú potrebnú presnosť. Odlišuje ich však praktická využiteľnosť a začleniteľnosť do procesu návrhu. Aj ten najpresnejší simulačný nástroj je prakticky nevyužiteľný, ak je jeho použitie zložité. Pre praktickú využiteľnosť je viac ako vysoká presnosť dôležitá vysoká disponibilita a možnosť jednoduchých každodenných simulácií pri overovaní navrhovaných riešení. Spomenuté simulačné nástroje sú určené pre riešenie rovnakých problémov, líšia sa však spôsobom nasadenia. Skrátka, keď dvaja robia to isté, nie je to to isté.

Odkazy:
[1] Mentor, A Siemens Business: FloEFD product overview
[2] Mentor, A Siemens Business: FloTHERM XT product overview
[3] Mentor, A Siemens Business: FloEFD Modules & Bridges
[4] Mentor, A Siemens Business: FloEDA Bridge for FloEFD product datasheet