A megbízható működés titka:a termikus egyensúly

Az elektronikai tervezés még nem is oly régen véget ért egy működő deszkamodell vagy jobb esetben egy szerelt NyÁK-lap-prototípus elkészítésével. A „dobozolás” a mechanikai tervezőre várt, akinek csak halvány fogalmai voltak az elektronika termikus viszonyairól. Ma, amikor a készülékek egyre kisebbek, hordozhatók vagy viselhetők, az elektronikai tervezésnek szerves részévé vált a termikus méretezés is – és ez utóbbi is sokszor az „egyszemélyes tervezőcsapat” feladata.

Forró nyarunk volt és sokáig tartott. Jómagam is foglalkoztam azzal, hogy a nyári forróságban is hatékonyan végezzem a munkám: megfelelő mennyiségű folyadékot fogyasztottam, klimatizált helyiségben tartózkodtam. Ha mégis nagyon melegem lett, fáradékony lettem és visszaesett a teljesítményem is – éppen úgy, ahogy ez a környezetemben található és engem kiszolgáló elektronikai berendezésekkel történt, kezdve az okostelefonommal. Ezek a megfelelő hőmérsékleten kifogástalanul tették a dolgukat, de amint túlmelegedtek, visszaesett a teljesítményük és bizonytalanná vált a működésük. Hasonlóan az emberi testhez, az elektronika megbízható működésének is előfeltétele a termikus egyensúly.
Mindenkinek évekbe telhet, amíg megtalálja azt a módszert, ami neki kánikulában a legjobb. De a hardvermérnököknek a mai rövid fejlesztési idők mellett nincsenek éveik a próbálgatásra. Ha a tesztelési fázisban kiderül, hogy a készülék burkolatán rántottát lehet sütni, már késő. A szűkös költségkeretek sem engedik meg a tévutakat, az esetleges „újratervezést”. Ráadásul a tervezett eszköznek széles hőmérsékleti tartományban kell megbízhatóan működnie. A problémán csak a legritkább esetben segít még egy hűtőborda vagy egy „nagyobb” ventilátor beépítése. Nagy sorozatban előállított termékek esetében pedig a termékek visszahívása felbecsülhetetlen károkat okozhat.
A termikus egyensúly kérdése ugyanígy megoldandó feladat a kis sorozatban előállított, precíz berendezések esetében is, mint például az orvosi műszereknél, a repülőgép-, hadi vagy űripar célberendezéseinél: ha az űrben borul fel a termikus egyensúly és emiatt a tervezettnél hamarabb merül le az akkumulátor, akkor bizony gyorsan jön az elhíresült rádióüzenet: „Houston, van egy problémánk”.

Az orvosi műszerek zömét – jó esetben – klimatizált, egyenletes hőmérsékletű szobában használják. Gondolhatnánk, hogy ilyen körülmények között nem merülhet fel termikus probléma. A mai eszközök pontossága, érzékenysége azonban egyre nagyobb, egyre több jelet kell begyűjteni és feldolgozni, és ez egyre nagyobb számítási teljesítményű hardvert követel. A nagyobb pontosság és érzékenység is csak úgy érhető el, ha a szenzorok jól definiált környezetben működnek, és a követelmények egyike a szűk, gyakran 1 foknál nem szélesebb megengedett hőmérséklet-ingadozás. És mi történik, ha nem klimatizált a helyiség vagy „fázós”, aki a berendezést működteti? A tervezőknek kell gondoskodniuk arról, hogy minden az előírt hőmérséklet-tartományban működjön.

Az autónk kiválasztása során nagy hangsúlyt fektetünk a beépített biztonsági „kütyükre”. Az alapeszközökön túl (ABS, tempomat, stb.) vannak további extrák, mint a sávtartó elektronika, az automatikus fényszóró, a holttérfigyelő vagy parkolást segítő elektronika, stb., és ez a listának még csak az eleje. Megfigyelhető, hogy szinte minden extra nevében benne van, hogy elektronika. Korábban a motor hűtése és a meleg elvezetése volt a legfőbb kihívás az autó termikus egyensúlyának beállításakor. Mára azonban a beépített elektronikai eszközök működési feltételeinek biztosítása jelent kihívást, amit az is súlyosbít, hogy az elektronikus egységeknek egy fagyos téli éjszakán áthűlt, és egy órák óta a tűző nyári napon parkoló autóban is megbízhatóan kell működniük.
Viszonylag könnyen kiszámolható például egy PC házában a processzor által termelt hő, amelyet ventilátorral kell elvezetni. Ha nem elég, ráteszünk egy nagyobbat, hely végül is van elegendő a házban. Mára azonban már a PC sem a régi: kisebb házban, zajtalanul kell a hőelvezetést megoldani. A rendszerek általában egyre bonyolultabbak – és főleg kisebbek. Egy mobiltelefonban vagy egy SSD-ben hely sincs egy ventilátor beépítésére; hordozható, teleptáplálású készülékekben pedig nem engedhető meg, hogy a drágán tárolt energiát ilyesmire pazaroljuk.
Látható tehát, hogy az elektronikai tervezés ma már gyakorlatilag nem választható el a termikus méretezéstől. Eközben az elektronikai tervezőcsapatok létszáma rohamosan csökken, kevés a lehetőség „specialisták” foglalkoztatására – miközben egyre rövidebb idő marad a piacképes termék kifejlesztésére. Az ellentmondás szembeötlő.
A fejlesztők számára a megoldást a végeselemes módszer egyre szélesebb körű elterjedése és alkalmazása hozta meg, mely mára nem csak és kizárólag a professzorok, kutatók és magasan képzett mérnökök kiváltsága. A módszer nem csak a mechanikában, hanem az áramlástan és a hőtan területén is bizonyított. Sőt a különböző területek együttes vizsgálata az összetett szimulációkkal a komplex rendszerek működését is képes valósághűen vizsgálni.
Korábban a fejlesztési folyamat során az elkészült terveket legyártották és kipróbálták. Hiba esetén javították, vagy újrakezdték az egészet. A végeselemes módszert kezdetben a véglegesnek hitt termék vizsgálatára vetették be – vagyis a fejlesztés vezérelte a végeselemes vizsgálatot. Ha a termék megfelelőnek bizonyult, a vizsgálat eredménye mindenkit megnyugtatott, de ha nem, akkor kétszeresen dobtunk ki pénzt a prototípusgyártásra és a szimulációra.

Az elmúlt évek tapasztalatai azt bizonyítják, hogy akkor a leghatékonyabb egy folyamat, ha a végeselemes szimulációs eszközöket már az előtervek elkészítésekor kezdik használni. Az első egyszerű vizsgálatok mintegy az irányvonal megerősítése, a mérnöki koncepció helyességének valószínűsítése érdekében történnek. A fejlesztés későbbi fázisában – a végleges verzióhoz közeledve, de még a prototípusgyártás előtt – egyre összetettebb vizsgálatok kerülnek sorra, itt már a végeselemes szakemberek hatékony közreműködésével. A végeselemes tervezési és szimulációs módszerek szoftveres támogatásával az egyes fázisokban már a végeselemes vizsgálat vezérelheti a fejlesztést. Több verzió vizsgálható meg, hatékonyabb a fejlesztés, elkerülhetők a költséges „zsákutcák” – és ami a legfontosabb, a prototípus tesztelésekor már csak a végső finomítási lépések maradnak hátra.
A termikus egyensúlyi vizsgálatok esetében is olyan megoldásra van szükség, amely képes a teljes elektronikát, a mechanikai és termikus környezettel együtt, komplexen vizsgálni. Olyan módszerre van szükség, amely nem csupán az egyes elemek által megtermelt hőt képes modellezni, hanem az áramlástani folyamatok numerikus szimulációja (Computational Fluid Dynamics – CFD) segítségével a hőelvezetés kérdéseire is választ ad, és képes a különböző mozgások és hatásaik, (pl. ventilátorok viselkedése) elemzésére. Célszerű, ha a szoftver kezeléséhez – komplex szolgáltatásai ellenére – nem kell „pilótavizsgát tenni” és a fejlesztő mérnökök már a fejlesztés első fázisában képesek felhasználni a fejlesztés irányának meghatározásához. És végül: az sem baj, ha integrálható a jól megszokott CAD és PLM rendszerekbe.
A látszólag ellentmondásos igényeket a Mentor Graphics FloTherm és FloEFD termékei maradéktalanul teljesítik. A neves CAD-rendszerekbe (CATIA, NX, CREO) integrált megoldások népes felhasználói tábora körében végzett felmérés szerint a nagy többségük azért választotta ezt a megoldást, mert gyorsan, szinte önállóan megtanulható a használata, integrált megoldás lévén teljes mértékben támogatja a szimulációvezérelt fejlesztési folyamatot, és végül a megoldások megtérülési ideje rendkívül rövid.

A termikus egyensúly fenntartása nem elérhetetlen, csupán kell egy hatékony eszköz, amellyel megvalósítható. További információk a Mentor Graphics honlapján (https://www.mentor.com/products/mechanical/) találhatók. A magyarországi referenciákról és a gyakorlati, felhasználói tapasztalatokról a 2017. október 10-én megrendezendő Mentor Graphics Felhasználói Fórum előadásaiból tudhatnak meg többet az érdeklődők.

EDMD Solutions Kft.
1087 Budapest, Könyves Kálmán krt. 76.
Tel.: +36 1 461 9000 • E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.edmd.hu

Még több EDMD