Funktionsintegration
Hintergrund und Herausforderung
Durch den derzeitigen Trend der Miniaturisierung entstehen neue Anforderungen an das thermische Management in der Leistungselektronik. Ebenso etabliert sich derzeit die additive Fertigung im Bereich der Leistungselektronik. Daher wird im Rahmen dieses Forschungsvorhaben der Ansatz einer Funktionsintegration an diesem Einsatzfeld verfolgt.
In der Leistungselektronik werden zunehmend WBG (Wide Bandgap Semiconductors) wie z.B. SiC oder GaN verwendet. Diese Halbleiter weisen im Vergleich zu Silizium geringere thermische Verluste auf, sodass die elektronischen Komponenten kompakter gebaut werden können. Durch diese kompaktere Bauweise steigt jedoch die Wärmestromdichte der Bauteile in den nächsten drei Jahren um das 2,5 – fache.
Der Trend der Miniaturisierung führt dazu, dass langfristig Wärmestromdichten von bis zu 1 kW/cm² erreicht werden. Um diese punktuellen Wärmeströme abzuführen, eignen sich insbesondere zweiphasige Kühlsysteme. Daher sind in diesem Leistungsbereich nahezu ausschließlich zweiphasige Kühlsysteme zu finden. Prominente Vertreter der zweiphasigen Kühlsysteme sind Wärmerohre (engl. Heatpipes). Diese werden vor allem zur Elektronikkühlung wie zum Beispiel in Computern, Smartphones, Umrichtern und Steuerungen genutzt.
Durch additive Fertigung kann zum einen der Fertigungsprozess solcher Heatpipes optimiert werden, zum anderen kann eine Erweiterung der Bauteilfunktion erfolgen. Durch additive Fertigung könnten notwendige Prozessschritte der Fertigung, wie z.B. das Einbringen von Kapillarstrukturen, direkt implementiert werden. Dies hätte zur Folge, dass verfahrenstechnische Prozessschritte eingespart werden könnten. Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung ist die weitgehende Designfreiheit, die völlig neue Strukturen ermöglicht. Diesen Vorteilen steht eine mögliche Reduzierung der Wärmeleitung auf Grund der Bauteilstruktur durch die additive Fertigung gegenüber. Es ist daher notwendig in einem wissenschaftlich fundierten Benchmark die unterschiedlichen Merkmale von konventionell und additiv gefertigten Bauteilen zu erforschen. Darüber hinaus soll untersucht werden, welche AM-Verfahren für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet sind. Exemplarisch am Beispiel einer Heatpipe soll gezeigt werden, welche Vorteile eine Funktionsintegrationen durch additiven Fertigungsverfahren bewirken können. Eine Heatpipe ist ein Zweiphasenkühlsystem, welches sowohl aktiv, als auch passiv ausgelegt werden kann.
Eine weitere Heatpipe-Ausführung stellt die oszillierende Heatpipe dar. Eine oszil-lierende Heatpipe wird teilweise mit einem Arbeitsfluid befüllt, so dass sich beim Verdampfen Blasen ausbilden können. Durch die unterschiedlichen Drücke an Verdampfer- und Kondensatorseite entsteht eine Zweiphasenströmung. Wenn der Druck steigt, vergrößert sich das Volumen der Blase und die flüssige Phase wird in Bewegung versetzt. Es folgt eine Strömung, die sowohl Dampfphasen als auch Flüssigkeitsphasen beinhaltet. Durch den Phasenwechsel wird die latente Wär-megenutzt, während gleichzeitig die Vorteile einer Einphasenströmung beibehal-ten werden. Die oszillierende Heatpipe vereint somit die Vorteile einer gewöhnlichen Heatpipe mit der einer Flüssigkeitskühlung.
Das thermofluiddynamische Verhalten dieser oszillierenden Heatpipes wird aktuell intensiv erforscht Durch additive Fertigungsmethoden besteht das Potential, solche hocheffektiven Kühlsysteme direkt in die zu kühlenden Bauteile zu in-tegrieren [9]. Auf diese Weise ist ein innovatives thermisches Management der kompakten Leistungselektronik möglich.
Im Bereich der numerischen Simulation stellt die Modellierung von oszillierenden Heatpipes mit Phasenwechsel eine große Herausforderung dar. Sie ist Gegen-stand gegenwärtiger Forschungsaktivitäten. Erste Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist derartige Strömungen mit einem Phasenwechsel zu berechnen. Aufbauend auf diesen Forschungsarbeiten gilt es diese Entwicklung im Bereich der pulsierenden Heatpipes erfolgreich und zuverlässig anzuwenden. Damit wer-den die Simulationen ein integrativer Bestandteil des intelligenten Produktions- und Entwicklungsprozesses.