Der Hit­ze-Simu­la­tor

Patrick Hart­mann weiß genau, wann es zu heiß wird. Denn der Exper­te für Ther­mo­si­mu­la­ti­on kann mit Hil­fe sei­nes Simu­la­ti­ons­tools in Gehäu­sen leis­tungs­hung­ri­ge Wärm­ent­wick­ler auf­spü­ren, bevor denen die Pus­te aus­geht und sie das Zeit­li­che seg­nen.

Wär­me wird ein zuneh­mend wich­ti­ge­rer Fak­tor bei der Ent­wick­lung von elek­tri­schen Gerä­ten. Immer mehr Leis­tung soll in immer klei­ne­ren Gehäu­sen Platz fin­den und dabei noch zuver­läs­sig über Jah­re funk­tio­nie­ren. Kli­ma­for­schung im Detail – Patrick Hart­mann ist Mit­ar­bei­ter einer Abtei­lung, die für die Ent­wick­lung und Pro­duk­ti­on von Kunst­stoff­ge­häu­sen zustän­dig ist.

Elek­tro­nik im engen Kor­sett

Kunst­stoff hat als Gehäu­se ein­fach enorm vie­le Vor­tei­le“, führt der 29-jäh­ri­ge Inge­nieur aus. „Es ist leicht, iso­liert, ist ein­fach zu bear­bei­ten und bie­tet viel mehr gestal­te­ri­sche Frei­hei­ten als Metall.“ Kein Wun­der, dass die Gehäu­se­fer­ti­gung bei Phoe­nix Con­tact eine lan­ge Tra­di­ti­on hat.

Patrick Hart­mann erklärt die Vor­tei­le der Kunst­stoff­ge­häu­se

Doch Kunst­stoff hat zwei gra­vie­ren­de Nach­tei­le. Es lei­tet Wär­me nur sehr schlecht ab und ist hit­ze­emp­find­lich. Na und, mag sich der tech­nisch Unbe­darf­te fra­gen. Ist doch egal, denn im Inne­ren der Gehäu­se ste­cken doch nur elek­tro­ni­sche Bau­tei­le. „Die sind aber auch hit­ze­emp­find­lich“, erklärt der sym­pa­thi­sche Exper­te gedul­dig. „Kon­den­sa­to­ren kön­nen aus­trock­nen, CPUs über­hit­zen, die Bau­tei­le an Lebens­dau­er ver­lie­ren oder gan­ze Anla­gen und Fer­ti­gungs­stra­ßen ihren Betrieb ein­stel­len. Im schlimms­ten Fal­le dro­hen offe­ne Feu­er. Man den­ke nur an bestimm­te Bau­rei­hen eines korea­ni­schen Han­dy­her­stel­lers, für die es sogar Flug­ver­bo­te gab.“

Von wel­chen Tem­pe­ra­tu­ren reden wir denn eigent­lich? „Wäh­rend in einem nor­ma­len Schalt­schrank schnell mal 60 °C erreicht wer­den kön­nen, lie­gen die Tem­pe­ra­tu­ren in Gehäu­sen deut­lich höher. Hier sind 85 bis 90 °C kei­ne Sel­ten­heit.“

In gro­ßen Schalt­schrän­ken kann es schnell 60° warm wer­den

Hit­ze weg­rech­nen

Patrick Hart­mann weiß genau, wovon er spricht. Er beschäf­tig­te sich schon in sei­ner Mas­ter­ar­beit als Dua­ler Stu­dent mit dem Ther­mo­ma­nage­ment in Kunst­stoff­ge­häu­sen. „In immer klei­ne­ren Gehäu­sen wer­den immer leis­tungs­fä­hi­ge­re Pro­zes­so­ren und Bau­tei­le ein­ge­baut. Die­ser Trend hält unge­bro­chen an, wird sogar im Zei­chen von 5G und Embed­ded Sys­tems über alle Berei­che der Indus­trie und Elek­tro­nik noch wach­sen.“

Im gro­ßen Schalt­schrank ist das The­ma Hit­ze noch rela­tiv ein­fach zu lösen. „Man mon­tiert ein­fach alle Bau­tei­le, die eine hohe Wär­me­ab­ga­be haben, nach oben. Im Zwei­fel baut man noch eine Lüf­tung ein, die die Hit­ze absaugt.“ Pro­blem im Gehäu­se­bau: Der Platz ist viel gerin­ger, ergo die Leis­tungs­dich­te höher. Und der Kos­ten­druck deut­lich grö­ßer. Also gilt es, sich im engen Kunst­stoff­man­tel anders gegen auf­wal­len­de Hit­ze zu ver­tei­di­gen. „Hier muss man genau wis­sen, wo Hit­ze ent­steht. Und dann ent­we­der Lüf­tungs­schlit­ze ein­pla­nen, Bau­tei­le anders posi­tio­nie­ren oder Kühl­kör­per ein­set­zen, die die Wär­me abfüh­ren.“

Womit wir bei der Spe­zi­al­dis­zi­plin des Blom­ber­gers sind – der Ther­mo­si­mu­la­ti­on. „Meist haben Ent­wick­ler ein Gehäu­se aus­ge­wählt, ihre Kom­po­nen­ten ver­baut, alle Anschlüs­se rea­li­siert und erst in der Test­pha­se gemerkt, dass das Gehäu­se zu heiß wur­de. Dann muss auf­wän­dig und mit ziem­lich gro­ber Ther­mo­gra­fie gemes­sen wer­den, um die Hot­spots zu iden­ti­fi­zie­ren. Dann wird das Gehäu­se modi­fi­ziert und erneut getes­tet. Das ist auf­wän­dig und teu­er.

Küh­len Kopf bewah­ren

Wir haben eine Mög­lich­keit ent­wi­ckelt, mit stan­dar­di­sier­ten Bau­tei­len und Wer­ten die Ent­ste­hung von Wär­me­quel­len schon im Engi­nee­ring zu simu­lie­ren. Unse­re Kun­den geben an, wel­ches Gehäu­se sie gewählt haben, in wel­cher Umge­bung es ein­ge­setzt wird und wel­che Kom­po­nen­ten im Gehäu­se zum Ein­satz kom­men. Die ord­nen wir in der Simu­la­ti­on pas­send an. Wenn nötig, raten wir zur Gehäu­se­mo­di­fi­ka­ti­on, etwa mit Lüf­tungs­schlit­zen, oder wir emp­feh­len den Ein­satz eines Kühl­kör­pers.“ Hart­mann fügt hin­zu: „Mitt­ler­wei­le sind wir soweit, dass wir mit der Simu­la­ti­on den Labor­ver­such qua­si erset­zen kön­nen.“

Viel Platz gibts hier wenig

Die Exper­ten sind noch einen Schritt wei­ter gegan­gen: „Eine sol­che ther­mi­sche Simu­la­ti­on kann der Kun­de auch für unser neu­es Gehäu­se­sys­tem ICS selbst online initia­li­sie­ren. Zunächst kon­fi­gu­riert er das Gehäu­se nach sei­nen Anfor­de­run­gen und defi­niert anschlie­ßend sei­ne ther­mi­schen Rah­men­be­din­gun­gen inklu­si­ve Wär­me­quel­len selbst. Die Simu­la­ti­on läuft dann bei uns auto­ma­tisch ab, wird über ein stan­dar­di­sier­tes Ver­fah­ren aus­ge­wer­tet und dem Kun­den mit­tels eines Ergeb­nis­be­rich­tes per Mail zu Ver­fü­gung gestellt. Damit erhof­fen wir uns vie­le neu­gie­ri­ge Nut­zer, die ihre ers­ten ther­mi­schen Unter­su­chun­gen auch vir­tu­ell selbst durch­füh­ren kön­nen.“

In der Qua­li­täts­kon­trol­le

Das The­ma besitzt gro­ßes Poten­zi­al. Der­ma­ßen ent­wi­ckel­tes Gehäu­se beweh­ren sich bereits in der Pra­xis: „Einer unse­rer Kun­den hat ein Gehäu­se für ein Mul­ti Chan­nel Moni­to­ring Sys­tem benö­tigt. Mit die­sem Gerät wer­den gro­ße Wälz­la­ger, etwa in Wind­tur­bi­nen oder Schiffs­an­trie­ben, über­wacht. Hier haben wir nicht nur die Ther­mo­si­mu­la­ti­on des pas­sen­den Gehäu­ses durch­ge­führt und so die opti­ma­le Anord­nung von Bau­tei­len und Anschluss­tech­nik fest­ge­legt, son­dern gleich auch noch den pas­sen­den Kühl­kör­per ent­wi­ckelt, um in den rau­en Bedin­gun­gen vor Ort für einen zuver­läs­si­gen Betrieb der Kom­po­nen­ten zu sor­gen.“

Phoe­nix Con­tact ICS-Gehäu­se
Kon­fi­gu­ra­tor

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