Beskyt elektronikken.
Produktionsvirksomheder, der fremstiller elektronisk udstyr til brug i biler eller industrielle maskiner, kender til udfordringen: Elektroniske enheder svigter tidligere end forventet, når fugt trænger ind i de beskyttende kabinetter. For at forhindre dette udføres der pålidelighedsanalyser af elektronikken. Nu har forskere fra Fraunhofer IZM i samarbejde med European Center for Power Electronics (ECPE) også undersøgt de klimatiske forhold i elektronikkabinetter. Ved hjælp af et omfattende testsæt bestående af simuleringer og analysemetoder kan miljøpåvirkninger allerede tænkes ind i tætningskonceptets design og dermed undgås efterfølgende fejlanalyser.

Elektroniske komponenter kræver et beskyttende kabinet for at kunne fungere uden forstyrrelser fra fugt. Dette er afgørende for at sikre en lang levetid, f.eks. for motorer i biler eller store industrielle maskiner. Afhængigt af anvendelsen skal kabinetterne designes til at håndtere forskellige miljøpåvirkninger og skiftende klimatiske forhold. Den indre temperaturfordeling, der opstår som følge af tabet af effekt fra de tilhørende elektroniske komponenter, kan skabe mikroklimaer inden i kabinetterne. Ved at placere de følsomme komponenter strategisk kan et velfungerende elektronisk system opnås, hvor det interne mikroklima er optimalt for elektronikkens drift.

I det vellykkede RoDosH-projekt (Relevance of Diffusion of Humidity in sealed Housings) blev de klimatiske forhold i et lukket kabinet demonstreret ved hjælp af et eksempel med et kabinet til solcelleomformere fra SMA. En omformer omdanner solenergien fra et solmodul, så den kan leveres til elnettet. Afdelingen for Environmental & Reliability Engineering på Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, der har mere end 30 års erfaring med at udføre pålidelighedssimuleringer og -vurderinger, anvendte deres metodeknowhow til at undersøge omformerens kabinet i fire trin. Det særlige ved dette projekt er forskernes brede kompetencer. For at kunne karakterisere og simulere materialer i detaljer og inddrage viden fra produktionsafdelingen på deres eget institut kræves årelang erfaring fra forsknings- og industriprojekter, hvilket både Fraunhofer IZM og deres arbejdsgrupper besidder. Ud over den store mængde af anvendelsestilfælde, som forskerne har indarbejdet fra tidligere projekter, har de også adgang til state-of-the-art udstyr - fra konventionelle klimakamre til specialmaskiner til dråbetest og specialmåleinstrumenter såsom en såkaldt TGA-SA (Thermogravimetric Analyzer - Sorption Analyzer).

Karakterisering og modellering af tætningskoncepter Før de klassiske og mere specifikke pålidelighedstests blev udført, blev der i første trin ved Fraunhofer IZM altid udviklet belastningsprofiler eller såkaldte mission profiles. I dette tilfælde blev der udarbejdet to belastningsprofiler for solcelleomformerens kabinet, som detaljeret beskriver de klimatiske forhold, som kabinetter af denne art udsættes for på forskellige steder rundt om i verden. Eksperterne fra Berlin udviklede et profil med ekstreme klimatiske forhold baseret på solcelleudstyr fra Kuala Lumpur og Mumbai, hvor de analyserede og skitserede tilgængelige vejrdata fra internettet, der viser meget høje gennemsnitstemperaturer og høj luftfugtighed. Samtidig blev der også udarbejdet en belastningsprofil baseret på mere moderate temperaturområder på jorden ved at analysere vejrdata fra Kassel, Beijing og Tromsø.

I andet trin testede forskerholdet kabinettet til solcelleomformeren i forskellige kørsler med fokus på temperaturer inde og uden for kabinettet. Ud over konventionelle klimakamre brugte de også specialmåleinstrumenter til at karakterisere materialer, såsom TGA-SA, der kontinuerligt måler meget små mængder fugtpåvirkning ved at registrere vægtøgning over lang tid. For at kunne give detaljerede oplysninger om det indre klima sammenlignet med det ydre miljø i kabinettet og for at analysere tætningskoncepter og egenskaberne af de enkelte kabinetsmaterialer nøjagtigt, analyserede klimaeksperterne de relevante diffusionskoefficienter. Disse koefficienter bestemmer hastigheden, hvormed fugt trænger ind i eller ud af et materiale. I det tredje trin blev den delvise vanddamptryk, luftfugtigheden og andre oplysninger modelleret ved hjælp af softwaren ANSYS® til at simulere temperatur- og koncentrationsfordelinger og dermed kunne vise den relative luftfugtighed og den lokale temperaturfordeling i kabinettet. Yderligere simulationer af risikoen for kondensering, baseret på de materialeegenskaber, der blev målt eksperimentelt i trin to, samt en døgnrytme med normale og forlængede holdetider og en ujævn temperaturfordeling, blev også udført.

Vurdering.
Vurdering af levetidens relevans I det fjerde og afsluttende trin gav test- og simuleringsforskerne vejledning om, hvordan en kumuleret fugtpåvirkning kan påvirke systemernes levetid. I tilfældet med solcelleomformeren opstår der en inhomogen temperaturfordeling på grund af lokale tab af effekt, hvilket også fører til en inhomogen fugtighedsfordeling.

Projektet, der løb over 18 måneder, viste, at simuleringsmodellen kunne forudsige det realistiske adfærdsmønster meget godt, og at Fraunhofer IZM's testsæt gjorde det muligt at undersøge indflydelsen af forskellige layout- og materialeoptimeringer af kabinetter og elektroniske komponenter klart og tydeligt. Denne tilgang kan nu overføres til forskellige elektroniske komponenter og deres kabinetter for at analysere, vurdere og karakterisere relevansen for levetiden og kan anvendes allerede i de tidlige udviklings- og designfaser.

Artiklen er skrevet med inspiration fra tyske Fraunhofer.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Overvejer du Solenergi?
KlimaEnergi leverer solcelleløsninger og serviceydelser til alle, der har et ønske om grøn energi og sund økonomi og er i dag en af Danmarks førende udbydere af komplette solcelleanlæg til private og til erhverv.

For rådgivning eller spørgsmål, kontakt os på:

tlf. +45 75 76 17 00, eller skriv på post@klimaenergi.dk