Thermische Simulation & Klimatisierungs­konzepte

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PRAXISNAH, EFFIZIENT & INNOVATIV

Wir entwickeln, optimieren und verifizieren Klimatisierungskonzepte im Kundenauftrag. Wo technische Anlagen, komplexe Systeme und Leistungselektronik sicher und fehlerfrei funktionieren müssen, ist eine optimal geregelte Entwärmungslösung unverzichtbar. Die thermische Simulation bildet hierbei das Fundament. Durch die professionelle Nutzung von 3D-Simulationssystemen können wir den Kältebedarf eines Produkts, einer bestimmten Komponente oder eines gesamten Systems präzise berechnen und schnelle sowie verlässliche Ergebnisse liefern.

Unser primäres Ziel ist die signifikante Verlängerung von Lebenszyklen elektronischer Bauteile und ganzer technischer Anlagen bei gleichzeitig minimalem Energieeinsatz und reduziertem Wartungsaufwand. Die Physik hinter diesen Prozessen ist komplex, doch Delta IDL macht sie für Sie durch Visualisierung von Ursache und Wirkung sichtbar.

Kürzere Time-to-Market durch numerische Analyse

Der Wettbewerbsdruck in der modernen Industrie erfordert immer kürzere Entwicklungszyklen. Ein schnelleres Time-to-Market entscheidet oft über den kommerziellen Erfolg neuer Produkte. Durch die Analyse mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) entfällt die Notwendigkeit, für jede Iteration teure und zeitaufwendige physische Prototypen zu bauen. Die Vorteile der numerischen Simulation auf einen Blick:

  • Standort-/Klimasimulation: Realistische Vorhersage der thermischen Leistung ohne realen Materialeinsatz.
  • Prototypen-Optimierung: Schnelle Ermittlung und Bewertung kritischer Bereiche (Hotspots).
  • Simultanes Engineering: Einfache Optimierung mittels simultaner Bauteiländerung direkt am Rechner.
  • Bestandsprüfung: Einfache und kostengünstige Verifizierung bereits bestehender Produkte und Anlagen.
  • Datengestützte Basis: Schnelle Ergebnisse schon auf Basis standardisierter CAD-Daten und -Modelle.
  • Ressourcenschonung: Massive Kosten- und Zeiteinsparungen bei der Entwicklung, bei Werkzeugen, im Musterbau, beim Materialeinsatz und durch den Wegfall aufwendiger physischer Messungen.

Grundlagen der Wärmeübertragung: Thermodynamik im Fokus

Um das Wärmemanagement effektiv zu steuern, müssen die drei grundlegenden Mechanismen der Wärmeübertragung verstanden und berechnet werden. Jedes Bauteil und jedes System interagiert auf dynamische Weise mit seiner Umgebung.

Wärmeleitung (Konduktion)

Die Wärmeleitung beschreibt den Wärmetransport innerhalb von festen Materialien oder zwischen Bauteilen, die im direkten Kontakt stehen. Die Materialeigenschaften, insbesondere die spezifische Wärmeleitfähigkeit, spielen hier die entscheidende Rolle.

Wärmeströmung (Konvektion)

Konvektion ist die Wärmeübertragung durch die Strömung von Fluiden, in der Regel durch Luft oder flüssige Kühlmedien. Wir unterscheiden zwischen freier (Auftrieb durch temperaturbedingte Dichteunterschiede) und erzwungener Konvektion (durch Lüfter oder Pumpen). In vielen Geräten ist die erzwungene Konvektion die primäre Methode zur Wärmeableitung.

Wärmestrahlung

Jedes Objekt emittiert thermische Strahlung in Abhängigkeit von seiner Temperatur und Oberflächenbeschaffenheit. Besonders bei hohen absoluten Temperaturen, fehlender Konvektion oder im Vakuum kann die Strahlung einen signifikanten Anteil der gesamten Wärmeübertragung ausmachen und muss zwingend in die Simulationen einfließen.

Ursachen und Risiken: Thermische Spannungen

Temperatur ist nicht nur eine Einflussgröße für die elektronische Leistungsfähigkeit, sondern auch für die mechanische Sicherheit. Wenn Materialien erwärmt werden, dehnen sie sich aus. Dieser Prozess ist durch spezifische Ausdehnungskoeffizienten definiert. Werden Bauteile aus unterschiedlichen Materialien (zum Beispiel auf einer Leiterplatte) wechselnden Temperaturgradienten oder starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, dehnen sie sich unterschiedlich stark aus.

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Ursachen und Risiken: Thermische Spannungen
FEM-Simulation zur strukturmechanischen Bewertung

FEM-Simulation zur strukturmechanischen Bewertung

Während die CFD-Analyse Strömungen und Temperaturen berechnet, kann die Finite-Elemente-Methode (FEM-Simulation) dazu dienen, die daraus resultierenden mechanischen Auswirkungen auf das Design zu ermitteln. Wenn wir die Temperaturverteilung eines Objekts kennen, können die Belastung und das Verhalten der Materialien unter Hitze genau berechnet werden. Dies kann essenzielle Informationen für die Konstruktion liefern, um Schwachstellen frühzeitig durch angepasste Geometrien oder alternative Materialien zu beheben.

Thermische Simulation: Typische Einsatzgebiete

Thermische Simulation & Klimatisierungskonzepte

Gehäuseklimatisierung

Für die Klimatisierung und Sicherstellung der Funktionalität von Systemintegrationen können wir durch unsere Erfahrung und mit Hilfe von 3D-Simulationssystemen schnelle Ergebnisse liefern. Dies ist besonders in Bereichen wichtig, in denen sensible Anlagen in Geräten, Gehäusen und Containern oder unter extremen Außen- und/oder Innenbedingungen betrieben werden.

Konstruktion & Entwicklung

Elektronikkühlung

Durch hohe Verlustleistungen wachsen auch die Anforderungen an das Wärmemanagement. Die CFD-Analyse in der Elektronikkühlung bezieht sich auf nahezu alle Bereiche der Komponenten-, Board-, Gehäuse-, Schrank- sowie Lüfterauslegung. Nur durch eine detaillierte Temperaturverteilungsanalyse lassen sich kritische Hotspots rechtzeitig vermeiden.

Beratung & Support

Lüftermanagement

Betriebszustände, Effizienz und Strömungsfelder können über die jeweilige Kennlinie — unter numerisch exakter Einstellung des realen Arbeitspunktes — ermittelt werden. Dies ist hilfreich bei der gezielten Auswahl von Lüftertypen und erleichtert die Anpassung oder Optimierung von Systemen. Die richtige Luft-Führung ist hierbei entscheidend für die gesamte Leistungsfähigkeit.

Beratung & Support

Kühlkörperdimensionierung

Die Kühlkörperdimensionierung mittels CFD ermöglicht es, alle relevanten Randbedingungen und Einflussgrößen zeitgleich, realitätsnah und unter Berücksichtigung nahezu aller Abhängigkeiten zu betrachten. So können wir schnelle Aussagen zur Kühlleistung treffen, noch bevor der erste Prototyp aus Kupfer oder Aluminium gefertigt wird.

Herausforderungen im heutigen Wärmemanagement

Durch extrem hohe Verlustleistungen und immer kleinere Baugrößen wachsen die Anforderungen an moderne Wärmemanagementlösungen rasant. Ingenieure stehen regelmäßig vor der Herausforderung, enorme Wärmelasten auf engstem Raum abzuführen. Zu den größten Problemen gehören Hotspots, thermische Beeinflussung durch benachbarte Wärmequellen sowie ineffiziente Luftströmungen, Rezirkulation und/oder Luftkurzschlüsse. Nur eine tiefgehende Berechnung und Optimierung kann hier eine dauerhaft störungsfreie Funktion sicherstellen.

Herausforderungen im heutigen Wärmemanagement

Unser CFD-Projektablauf: Schritt für Schritt zur Lösung

Um höchste Qualität, Transparenz und Kosteneffizienz zu garantieren, folgen wir einem strikt standardisierten Projektablauf. Dieser strukturierte Prozess stellt sicher, dass alle relevanten physikalischen Randbedingungen berücksichtigt werden.

1. Kundenanfrage und Machbarkeitsprüfung

Jedes Projekt beginnt mit Ihrer Kundenanfrage. Sie stellen uns erste Informationen zum Projekt, Modellskizzen und grundlegende Randdaten zur Verfügung. Daraufhin führen wir eine Machbarkeitsprüfung durch – in vielen Fällen auch direkt vor Ort an Ihren Anlagen oder in Ihrem Gebäude.

2. Detaillierte Angebotserstellung

Auf Grundlage der Erstinformationen erstellen wir ein transparentes Angebot. Dieses beinhaltet einen Projektplan mit einer detaillierten Abschätzung des Aufwands, der Zeit und möglicher Varianten.

3. Bereitstellung der Geometriedaten und thermischen Randparameter

Nach der Auftragserteilung bilden Ihre Projektdaten das Fundament unserer Simulation. Für einen effizienten Ablauf differenzieren wir dabei zwischen der unabdingbaren mechanischen Basis und den flexibleren Parametern:

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4. Rechenmodell- und Netzgenerierung

In diesem Abschnitt erfolgt die eigentliche Modellierung. Wir generieren das Rechenmodell und das Rechennetz (Meshing). Hierbei werden die CAD-Daten aufbereitet, Daten abgeglichen und fehlende Parameter durch unsere Experten ergänzt.

5. Ist-Stand-Analyse der Modelle

Der erste Rechenlauf liefert im Ergebnis die Ist-Stand-Analyse und deckt das aktuelle thermische Verhalten des angedachten Systems auf. Diese Resultate dienen als Ausgangspunkt für alle weiteren Maßnahmen und Techniken zur Produktoptimierung und Temperaturabsenkung.

6. Optimierung und Variantenbetrachtung

Ausgehend von der Ist-Stand-Bewertung erarbeiten wir konkrete Optimierungsvorschläge und führen systematische Variantenbetrachtungen durch. Hierbei passen wir gezielt Parameter wie Kühlkörpergeometrien, Materialien, Lüfterpositionen oder Gehäuseöffnungen an.

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7. Ergebnispräsentation und Dokumentation

Transparenz ist uns wichtig. Wir präsentieren Ihnen die Berechnungsergebnisse (auf Wunsch vor Ort in Ihren Betriebsgebäuden). Die Darstellung umfasst das Modell, die Auflistung aller Randparameter und eine ausführliche Erläuterung der Ergebnisgrafiken (unter anderem Temperaturverteilung und Strömungsvektoren).

Individuelle Evaluation Ihrer Projektanforderungen

Individuelle Evaluation Ihrer Projektanforderungen

Jedes thermische System unterliegt spezifischen physikalischen Bedingungen. Gerne evaluieren wir die technische Machbarkeit und die Anforderungen Ihres individuellen Projekts in einem direkten Austausch. Kontaktieren Sie uns, um Ihre konkreten thermischen Herausforderungen oder vorliegende CAD-Daten unverbindlich zu diskutieren.

Für ein erstes fundiertes Verständnis unserer Methodik haben wir im Folgenden die Antworten auf die grundlegendsten Fragen rund um die CFD-Analyse zusammengefasst:

FAQ: Häufig gestellte Fragen zur thermischen Simulation

1. Was genau ist eine thermische Simulation (CFD-Analyse)?
Eine thermische Simulation, oft als CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) bezeichnet, ist ein computergestütztes Verfahren zur Berechnung und Visualisierung von Temperaturverteilungen, Wärmeströmen und Fluidströmungen (wie Luft oder Wasser) in und um feste Objekte. Sie hilft Ingenieuren, das Wärmemanagement virtuell zu optimieren, bevor physische Prototypen gebaut werden.
2. Ab welchem Entwicklungsstadium lohnt sich der Einsatz einer Simulation?
Der Einsatz lohnt sich so früh wie möglich. Idealerweise wird die Simulation bereits in der Konzept- oder frühen Konstruktionsphase eingesetzt. Je früher thermische Probleme (Hotspots) identifiziert werden, desto kostengünstiger lassen sie sich beheben. Doch auch bei bereits fertiggestellten Projekten erschließt eine nachträgliche Analyse wertvolle Optimierungspotenziale und steigert dadurch die Funktions- sowie Designsicherheit.
3. Welche Daten werden für eine aussagekräftige Simulation benötigt?
Wir benötigen als Grundlage mechanische Daten wie 3D-Modelle oder CAD-Daten. Zudem sind Angaben zur Verlustleistung der Komponenten, zu den gewünschten Randparametern (wie Umgebungstemperatur) und idealerweise Informationen zu den geplanten Materialien und Lüfterkennlinien wichtig.
4. Was passiert, wenn mir nicht alle thermischen Daten meiner Bauteile vorliegen?
Das ist in der Praxis oft der Fall. Wenn spezifische Herstellerangaben oder Materialkennwerte fehlen, können unsere Experten für unbekannte Parameter auf fundierte Mittelwerte, Schätzungen und branchenspezifische Erfahrungswerte zurückgreifen, um das Modell dennoch sehr realitätsnah aufzubauen.
5. Wie spielen thermische Strömungssimulation (CFD) und Strukturmechanik (FEM) zusammen?
Die CFD-Software berechnet mittels Strömungssimulation primär, wie sich Fluide (Gase/Flüssigkeiten) bewegen und wie sich Temperaturen verteilen. Die Strukturmechanik-Simulation nutzt für die Berechnung meist die Finite-Elemente-Methode (FEM), um basierend auf diesen Temperaturdaten zu prüfen, ob thermische Spannungen zu mechanischer Verformung, Rissen oder Bauteilversagen führen können.
6. Wie hilft die Simulation bei der Reduzierung von Entwicklungsressourcen?
Da das thermische Verhalten am Rechner simuliert wird, müssen weniger physische Prototypen gebaut werden. Das spart Material, Werkzeugkosten und teure Mess- und Laborzeiten. Zudem können verschiedene Design-Varianten innerhalb kürzester Zeit virtuell durchgespielt und verglichen werden.
7. Können auch bestehende, bereits installierte Anlagen optimiert werden?
Ja, das ist möglich. Die thermische Simulation eignet sich hervorragend zur Ist-Stand-Analyse bestehender Systeme, die beispielsweise im Feld unter thermischen Problemen leiden. Wir bauen das System virtuell nach, analysieren die Fehlerquelle und entwickeln minimalinvasive Nachrüstlösungen (zum Beispiel geänderte Luftführungen oder zusätzliche Lüfter).
8. Wie lange dauert ein typisches CFD-Projekt?
Die Effizienz einer thermischen Simulation wird maßgeblich durch die Qualität der bereitgestellten Daten und die definierte Zielsetzung bestimmt. Während wir fokussierte Machbarkeitsprüfungen oft sehr kurzfristig realisieren, erfordern tiefgreifende Systemoptimierungen eine iterative Abstimmung der Varianten. Unser strukturierter Projektablauf garantiert dabei maximale Transparenz: Den genauen Projektplan definieren wir gemeinsam im Vorfeld, um eine punktgenaue Übergabe der Ergebnisse sicherzustellen.

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