La causa principale della generazione del calore nei sistemi elettronici è ovviamente il passaggio di corrente elettrica attraverso un conduttore o un semiconduttore. A causa della resistenza del materiale viene dissipata una certa quantità di energia sotto forma di calore è un fenomeno fisiologico che è sempre presente e non può essere eliminato, alcuni componenti come i transistor o i LED durante il loro funzionamento producono quantità di calore veramente consistenti che devono essere gestite nella maniera migliore, il calore prodotto può portare almeno a due situazioni indesiderate, da una parte di può arrivare al malfunzionamento o al danneggiamento dei componenti elettronici che sono in grado di funzionare quando la temperatura rimane confinata in un campo ben preciso.

Se la temperatura sale sopra il limite di funzionamento come minimo il componente non risponde più come desiderato, al peggio il componente si danneggia e deve essere sostituito. Anche se la temperatura rimanesse comunque entro limiti di accettabilità per il componente può darsi che alcune superfici esterne del prodotto siano esposte all’interazione con l’ambiente esterno e con l’utente, pensiamo ad esempio a pulsantiere, pomelli, pannelli, se queste superfici diventano troppo calde c’è il rischio come minimo di pregiudicare il comfort termico se non nel caso peggiore di diventare pericolose per l’utente che interagisce col prodotto. La progettazione termica del prodotto si traduce quindi nel riuscire a costruire un percorso termico nel quale utilizzando vari sistemi di trasmissione del calore si riesce a spostare il calore dalla sorgente, dove nasce, a una zona selezionata per il suo smaltimento. Prendendo quindi atto che il calore viene prodotto e non può essere eliminato che cosa può fare il progettista per tenerlo sotto controllo? Ci sono varie strategie per gestire il sistema di raffreddamento, tutte si basano sul secondo principio della termodinamica, ovvero dal fatto che il calore si trasferisce spontaneamente da una zona ad alta temperatura ad una a bassa temperatura. Per creare quindi un percorso termico all’interno del dispositivo tra qualcosa di caldo e qualcosa di freddo si possono usare vari sistemi di trasferimento termico.

Da una parte la conduzione, ovvero metto il componente caldo a contatto con un corpo più freddo in grado di assorbirne il calore e portarlo da un’altra parte. C’è anche la convezione, ovvero il componente caldo è a contatto con un fluido a temperatura più bassa che esporta il calore e lo porta via lontano. Si possono utilizzare componenti speciali come ad esempio gli heat pipes, questi sono componenti che al loro interno utilizzano fenomeni fisici come la conduzione, la convezione e soprattutto il cambiamento di fase tra un fluido, tra un liquido che si trasformi in vapore per spostare efficacemente il calore da un punto all’altro del circuito. Tipicamente si salda un estremità al componente che produce calore l’altra estremità a un dissipatore o heatsink che si trova a una certa distanza, metto in evidenza la parola percorso, in quanto per migliorare il comportamento termico del prodotto si possono utilizzare sia sistemi e materiali che favoriscono lo scambio termico quindi che appunto aiutano a spostare il calore in una certa direzione sia come sistemi e materiali che ostacolano lo scambio di calore per evitare che appunto vado in altre direzioni. Questo viene fatto proprio per veicolare efficacemente il calore dalla zona di generazione alla zona di smaltimento desiderata. Queste cose le vedremo più nel dettaglio durante la dimostrazione.

Come vedremo tra pochi minuti le varie modifiche al progetto possono essere studiate attraverso la simulazione termo-fluidodinamica con un risparmio sostanziale in tempi e costi rispetto all’approccio sperimentale tradizionale trial&error.

Si tratta di un ambiente di analisi CFD per progettisti molto robusto e affidabile sviluppato da circa una ventina di anni. FloEFD utilizza un approccio differente rispetto ai software di analisi fluidodinamica tradizionali che prende il nome di Frontloading CFD, ovvero consente di mettere l’analisi fluidodinamica davanti alle altre fasi della progettazione. È in grado di fare tutto questo utilizzando un impianto matematico nella gestione del problema fluidodinamico differente rispetto ai software CFD tradizionali. Queste differenze permettono di semplificare drasticamente tutto il flusso di lavoro garantendo allo stesso tempo ottime prestazioni di calcolo e risultati accurati.
 
Rispetto agli strumenti CFD tradizionali FloEFD offre numerosi benefici

• Piena integrazione dell’ambiente di analisi CFD dentro il CAD, questo semplifica l’accesso alla tecnologia anche per i progettisti.
• Creazione automatica del dominio fluido, questo non vuol dire solo premere un bottone e pregare che il modello venga costruito, ma avere accesso a tutta una serie di strumenti per la diagnosi del modello e la visualizzazione del volume generato, per decidere se accettarlo oppure ridefinirlo con altre impostazioni.
• La tecnologia SmartCells, questo non è un semplice automatismo è proprio il cuore di tutta l’architettura del programma e grazie a queste celle che il solutore identifica autonomamente il volume del fluido e lo distingue dal volume dei componenti solidi. L’uso delle SmartCells è abbinato al solutore che gestisce in automatico i fenomeni turbolenti che avvengono nel flusso principale e quello che avviene vicino alle pareti come ad esempio lo scambio termico, tutto questo porta a calcoli molto stabili e veloci e con risultati veramente accurati.
• L’ambiente di post-processing integrato, molto intuitivo, che mette a disposizione del progettista tutte le misure che gli servono per prendere la decisione sul progetto.

Infine, dato che stiamo parlando di elettronica, ci sono dei moduli specifici, verticali, per gestire questa classe di problemi. Ad esempio oltre a modellare chip o a introdurre thermalpad e gli heatsink c’è un modulo per modellare i LED, c’è un modulo ad esempio per importare la geometria della PCB dal CAD elettronico. Per cui il flusso di lavoro risulta molto semplice e per chi opera in questo ambito.

È possibile simulare l’irraggiamento?
Si è possibile simulare l’irraggiamento, è possibile anche definire le proprietà ottiche dei vari corpi.
 
FloEFD funziona anche con Catia?
Certamente, esiste l’ambiente di analisi FloEFD anche all’interno di Catia, oppure esiste la versione per NX, oppure la versione per Creo che permette di avere il solito livello di integrazione tra CAD e CFD che avete visto all’interno di Solid Edge. Il flusso di lavoro è lo stesso, quindi diciamo i comandi della parte fluidodinamica sono esattamente gli stessi.
 
Quando avete modificato lo scambiatore il corpo sembrava diviso con due colori.
Si questo perché in quella fase li non avevamo ancora aggiornato la griglia, era semplicemente il plot di risultati vecchi con la nuova geometria del heat sink, per cui appunto i colori erano diversi. Non abbiamo fatto vedere la mesh aggiornata perché per come funziona FLoEFD la griglia viene generata in automatico al run time del solutore, quindi è un’operazione che viene fatta una tantum sul modello prima di lanciare la simulazione.
Avevamo istantaneamente modificato la geometria, ma non avevamo istantaneamente, perché è impossibile, aggiornato i risultati e quindi avevamo i vecchi risultati sovrapposti con la nuova geometria.
 
Quando avete attivato l’irraggiamento non c’era un’opzione equivalente per al convezione, ma solo la conduzione. È automatico?
Si, si di fatto il software gestisce automaticamente lo scambio termico coniugato tra solidi e fluidi, per cui se nel modello sono presenti dei solidi il solutore automaticamente prevede di gestire la convezione.