Solectron spart durch Simulation 3 Monate und 40.000 USD bei der Entwicklung der Kühlung einer Aussenantenne


Die Ergebnisse der Simulation zeigen die Lufttemperatur an verschiedenen Stellen im Inneren der Außenantenne.

December 2005

Die Firma Solectron konnte bei der Entwicklung einer WiFi-Außenantenne erhebliche Einsparungen an Zeit und Kosten für den Bau und die Erprobung von Prototypen erzielen. Möglich wurde dies durch eine Rechnersimulation der Kühlung der Antenne. „Wir haben die Software FloTHERM zur thermischen Simulation von Flomerics dazu eingesetzt, die Entwicklung bezüglich der Kühlung schon vor dem Bau des ersten Prototypen zu optimieren und zu überprüfen," erklärte hierzu Robert Raos, Mechanikingenieur bei Solectron. „Das Ergebnis war, dass bereits der erste Prototyp alle Spezifikationen unserer Kunden erfüllte. Auf dieses Weise haben wir mindestens drei Monate und 40.000 USD einsparen können, die sonst für die Erprobung und die Behebung von Problemen am ursprünglichen Entwicklungskonzept angefallen wären."

Der Zugangspunkt für die drahtlose Kommunikation über WiFi ist dazu vorgesehen, außen auf einem Mast montiert zu werden, um große Gebäude, z.B. Hotels, zu versorgen. Das Gerät erzeugt eine interne Verlustleistung von 200 W. Die Sonneneinstrahlung bewirkt eine weitere Aufheizung mit etwa vergleichbarer Leistung. Die maximal zulässige Temperatur im Elektronikmodul beträgt 66 °C auf der Grundlage einer maximalen Umgebungstemperatur von 46 °C. Weitere Einschränkungen ergeben sich aus dem vorgegebenen Maximalgewicht von ca. 5 kg und maximalen Kosten von 120 USD für die Bauteile zur Kontrolle der Temperatur.

Raos untersuchte vier verschiedene Kühlverfahren, einschließlich einer thermoelektrischen Kühlung, eines auf einer Platte montierten Klimageräts, des Einsatzes von Latentwärmespeichern und einer Luftkühlung mit einem Wärmetauscher. Die von ihm gewählte Lösung zur Luftkühlung arbeitet mit Lüftern im Inneren des Geräts, die einen Luftstrom über die inneren Rippen eines Kühlkörpers leiten, und externen Lüftern, die die äußeren Rippen dieses Kühlkörpers mit der Umgebungsluft kühlen. Die Wärmeübertragung erfolgt durch eine Kombination aus Konvektion zwischen der Luft und den Rippen sowie Wärmeleitung zwischen den inneren und äußeren Rippen des Kühlkörpers. Dadurch können sich die Außenluft und die Luft im Inneren des Geräts nicht vermischen.

„Ich habe für die Analyse der Kühlleistung FloTHERM gewählt, weil es von Grund auf für die Simulation der Kühlung in der Elektronik ausgelegt ist und viele verschieden Optionen bietet, um bei der Erstellung der Modelle für die elektronischen Bauteile Zeit zu sparen," führte Raos hierzu aus. So gab Raos die Konstruktionsparameter der Leiterplatten, Kühlkörper und Lüfter auf der FloTHERM.PACK-Website von Flomerics ein, um die zugehörigen Kompaktmodelle zu erzeugen. Anschließend übertrug er die Modelle in sein eigenes Systemmodell, ohne die genaue Geometrie der Bauteile umständlich eingeben zu müssen. Das Kompaktmodell lieferte eine sehr gute Näherung des thermischen Verhaltens der Bauteile. Als das Systemmodell vollständig war, ließ Raos die Berechnung ausführen, die ihm Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und –richtungen an jedem Punkt innerhalb des Gehäuses lieferte.

Die Simulation des ersten Entwurfs ergab, dass die Temperatur in einigen Bereichen des Gehäuses und auf der Leiterplatte selbst die zulässigen 66 °C überschritt. Raos überarbeitete daraufhin die Geometrie des Gehäuses und des Kühlkörpers und wiederholte die Analyse mehrmals, bis die Konstruktion in allen Punkten den Anforderungen des Kunden entsprach. Der erste gebaute Prototyp erfüllte bei den Messungen alle Vorgaben des Kunden. „Die Simulation hat uns sehr dabei geholfen, in kürzester Zeit eine Konstruktion zu finden, die genau das leistet, was der Kunde verlangt," berichtet ein zufriedener Raos.

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