Anwendung des Metalldrucks für die Verbesserung des Wärmemanagements von Leistungselektronik
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 Forschungsvorhabens der Ansatz einer Funktionsintegration an diesem Einsatzfeld verfolgt.
In der Leistungselektronik werden zunehmend Wide Bandgap (WBG) Halbleiter 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. [1]
Bild 1: Entwicklung der Verlustleistungsdichte
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. [2] 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 Funktionsintegration durch additive Fertigungsverfahren bewirken kann. Eine Heatpipe ist ein Zweiphasenkühlsystem, welches sowohl aktiv als auch passiv ausgelegt werden kann.
![Bild 2: Aufbau und Funktion einer Heatpipe [3]](/images/thumb/1/1b/Aufbau_und_Funktion_einer_Heatpipe.png/200px-Aufbau_und_Funktion_einer_Heatpipe.png)
Bild 2: Aufbau und Funktion einer Heatpipe [3]
![Bild 2: Aufbau und Funktion einer Heatpipe [3]](/index.php/Datei:Aufbau_und_Funktion_einer_Heatpipe.png)
Eine Heatpipe ist ein doppelwandiges Gefäß, in dessen Innern sich ein Material befindet, welches im Betriebstemperaturbereich eine Phasenumwandlung durchführt. Durch die latente Wärme beim Phasenwechsel ist es möglich, auf kleinstem Raum große Mengen Wärmeenergie abzutransportieren. Dabei verdampft die Flüssigkeit an der zu entwärmenden Fläche, der entstehende Dampf wird durch das Rohr transportiert und kondensiert im Anschluss an der kühlen Seite. Die kondensierte Flüssigkeit wird nun am äußeren Rand im Rohr, z.B. durch eine Kapillarstruktur, zurück zur thermisch hoch belasteten Seite geleitet. Bild 2 verdeutlicht das Funktionsprinzip einer solchen Heatpipe. Der Dampf wird in der Mitte transportiert, während die Flüssigkeit am äußeren Rand zurückgeführt wird. Um diesen Kreislauf zu gewährleisten, gibt es unterschiedliche Ausführungen. Wenn die Heatpipe vertikal verbaut wird, kann der Kreislauf durch die Schwerkraft betrieben werden. In der Regel werden kleine Heatpipes mit einer Kapillarstruktur versehen, durch die der Rücktransport der Flüssigkeit stattfindet. Durch diese Bauweise ist die Funktion der Heatpipe nahezu unabhängig von ihrer Einbaulage. [4]
Eine weitere Heatpipe-Ausführung stellt die oszillierende Heatpipe dar. Eine oszillierende 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 Wärme genutzt, während gleichzeitig die Vorteile einer Einphasenströmung beibehalten werden. Die oszillierende Heatpipe vereint somit die Vorteile einer gewöhnlichen Heatpipe mit der einer Flüssigkeitskühlung. [5]
Das thermofluiddynamische Verhalten dieser oszillierenden Heatpipes wird aktuell intensiv erforscht. [6] [7] [8] Durch additive Fertigungsmethoden besteht das Potential, solche hocheffektiven Kühlsysteme direkt in die zu kühlenden Bauteile zu integrieren. [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 Gegenstand gegenwärtiger Forschungsaktivitäten. Erste Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist derartige Strömungen mit einem Phasenwechsel zu berechnen. [10] Aufbauend auf diesen Forschungsarbeiten gilt es diese Entwicklung im Bereich der pulsierenden Heatpipes erfolgreich und zuverlässig anzuwenden. Damit werden die Simulationen ein integrativer Bestandteil des intelligenten Produktions- und Entwicklungsprozesses.
Anwendungsfälle von Pulsierenden Heat Pipes
Basierend auf den Untersuchungen der Arbeitsgrenzen von Pulsierenden Heat Pipes (PHP), wurden zwei Anwendungsfälle umgesetzt:
- Anwendung von PHPs zur Wärmespreizung von kleinen Hot Spots
- Erhöhung des Wärmetransports von additiv gefertigten Kühlkörpern durch integrierte PHPs
Zu beiden Fällen hat die Siemens AG jeweils eine experimentelle Studie durchgeführt.
Hot Spot Kühlung
In Bild 3 sind die verschiedenen PHP-Designs dargestellt. Das Mäander-Design (Bild 3 (c)) stellt den Stand der Technik dar und dient als Referenz. Beim Blumen-Design (Bild 3 (a)) befindet sich mehr Fluid direkt an der Heizquelle, dadurch erhöht sich der latente Wärmetransport. Beim Stern-Design (Bild 3 (b)) hingegen werden hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreicht und dadurch der konvektive Wärmetransport erhöht. Die Ergebnisse der Messreihe zeigen, dass das Blumen-Design den geringsten thermischen Widerstand erreicht. Hier ist eine Verbesserung um 12% in horizontaler Einbaulage und um 7% in vertikaler Einbaulage möglich. Die wissenschaftlichen Ergebnisse sollen im „International Journal of Heat and Mass Transfer“ veröffentlicht werden, das Manuskript wird derzeit erarbeitet.
Bild 3: Übersicht der verschiedenen PHP-Designs zur Hot Spot Kühlung
Die experimentellen Arbeiten der Siemens AG wurden durch die numerische Simulation der FAU ergänzt. Wie im vorangegangenen Bericht erwähnt, wurde in OpenFOAM ein Mehrphasen-Solver entwickelt, der in der Lage ist, auch den Phasenwechsel zu erfassen. Der Solver wurde durch die experimentellen Arbeiten der Siemens AG validiert. Im nächsten Schritt wurde der Solver verwendet, um die vertikale Blumen PHP von Siemens zu simulieren. In Bild 4 sind die Randbedingungen der Simulation des Blumen Designs dargestellt. Die Temperatur-Randbedingungen wurden auf der Grundlage der experimentellen Daten der Siemens AG festgelegt.
Bild 4: Randbedingungen der Simulation
Bei dieser Aufgabenstellung ist die Qualität des Gitters von entscheidender Bedeutung, da die physikalischen Prozesse innerhalb der pulsierenden Heatpipe wesentlich komplizierter sind als die von einphasigen turbulenten Strömungen. Hier ist der primäre Antriebsmechanismus der Strömung der Druckgradient, daher müssen die Druckwellen genau simuliert werden. Bild 5 zeigt die Druck- und Geschwindigkeitsverläufe für einen Punkt in der Mitte der Verdampfungskammer. Dabei stellt sich die Herausforderung, dass die Druckwellen und die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids unterschiedliche Zeitskalen vorweisen. Eine starke Druckwelle breitet sich zwischen der Verdampfungskammer und den Kanälen aus. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wurden im Experiment ähnliche Druckwellen beobachtet. Aus numerischer Sicht beschränken solche Druckwellen den Zeitschritt der Simulation weit über die Anforderungen der Courant-Friedrichs-Lewy-Bedingung hinaus und führen zu rechenintensiven Simulationen.
Bild 5: Druck und Geschwindigkeitsverläufe für einen Punkt in der Mitte der Verdampfungskammer
Für solche Simulationen ist die Finite-Volumen-Methode (FVM) geeignet, um die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie zu lösen. Die Lösung der Poisson-Druckgleichung mit FVM ist jedoch nicht die optimale Methode zur Erfassung der in Bild 5 gezeigten Druckwellen. Um eine genaue Lösung für die Druckwellen zu erhalten, wurde daher ein hochwertiges strukturiertes hexaedrisches Gitter, wie in Bild 6 gezeigt, verwendet.
Bild 6: Hochwertiges strukturiertes hexaedrisches Gitter
Bild 7 zeigt den Dampfanteil und die Stromlinien der Fluidströmung. Ähnlich wie bei den experimentellen Beobachtungen treten die Pulsationen hauptsächlich in der oberen Hälfte des Blumen-Designs auf. Wie die Stromlinien zeigen, bildet sich in der Mitte der PHP ein gegenläufiger Wirbel aus.
Bild 7: Der Dampfanteil und die Strömungslinien für einen beliebigen Zeitschritt für das modifizierte Design
In Bild 7 zeigen die Stromlinien, dass die neue Konfiguration einen freien Durchgang zwischen dem oberen und dem unteren Kanal ermöglicht, indem das Wirbelpaar in der Mitte entfernt wird. Somit kann sich die Dampfphase durch die Verdampfungskammer in Richtung der unteren Kanäle bewegen. Dies wird deutlich in Bild 8, in dem die viskose Dissipation für beide Ausführungen dargestellt ist. Die viskose Dissipation quantifiziert die Rate der lokalen Verluste der mechanischen Energie der Strömung. Während die hohe Dissipation in der Mitte des ursprünglichen Designs die freie Zirkulation der Strömung behindert, weist das modifizierte Design eine geringere Dissipation auf, insbesondere um den Verdampfer herum. Infolgedessen ermöglicht das modifizierte Design auch eine pulsierende Strömung in den unteren und oberen Kanälen, was insgesamt zu einer Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung in der PHP führt.
Bild 8: Vergleich der viskosen Dissipation zwischen der Blume und der modifizierten Konfiguration
Additiver Kühlkörper mit PHP
Um den Wärmetransport eines Luftkühlkörpers zu erhöhen, wurde eine PHP in einen additiv gefertigten Kühlkörper integriert. Zunächst wurden mögliche Pulvermaterialien die dazugehörigen Anlage-Peripherien nach den Eigenschaften für einen Kühlkörper identifiziert und gegenübergestellt. Für eine initiale AM-Fertigung wurde sich für den Werkstoff Scalmalloy entschieden. Der Werkstoff Scalmalloy ist eine in der Luft- und Raumfahrt entwickelte Aluminiumlegierung mit dem chemischen Kurznamen AIMg4,5Sc0,7Zr0,3. Mittels der Legierungselemente Magnesium, Scandium und Zirkonium werden deutlich verbesserte Festigkeitseigenschaften im Vergleich zu konventionellen Legierungen erreicht.
Die Legierung weist sowohl eine gute Schweißbarkeit wie auch Korrosionsbeständigkeit auf. Aufgrund der geringen Dichte und den relativ hohen Festigkeitswerte in Zusammenhang mit einer guten Zähigkeit sind Bauteile aus Scalmalloy besonders für Anwendungen im Motorsport, dem Automobilbau und für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt geeignet. Scalmalloy besitzt eine Wärmeleitfähigkeit nach der entsprechenden Wärmebehandlung von 83,2 W/Km. Der Kühlkörper wurde wie in Bild 9 dargestellt für den ersten AM-Druck segmentiert. Das Segment enthält insgesamt 3 Kühlstränge.
Bild 9: Design Kühlkörper; rechts: Kühlkörper, links: Ausschnitt für ersten AM-Druck
In der Designphase wurden mehrere Varianten für Geometrien von Kühlkanälen vorgeschlagen und diskutiert. Bild 10 zeigt zylindrisch und eine zylindrisch-kegelförmige Geometrie. Zweiteres hat zur Folge, dass die Prozessstabilität hinsichtlich Fertigung und Enpulverung des Bauteils erhöht wird und ggf. Agglomerationen von nicht vollständig aufgeschmolzenem Pulver reduziert werden können. Für die erste Fertigung wurde diese Optimierung noch nicht berücksichtigt.
Bild 10: Designvorschlag für Geometrien von Kühlkanälen
Notes
- ↑ J. Wallmann, Siliziumkarbid-Halbleiter auf der Überholspur, (all-electronics, 20. Jan. 2016), (online).
- ↑ K. Jung, Microchannel Cooling Strategies for High Heat Flux (1 kW/cm²) Power Electronic Applications, (16th IEEE ITHERM Conference, 2017).
- ↑ S. Montenegro, Kühlung der Elektronik, (Universität Würzburg, 2012).
- ↑ D.A. Reary, Heat Pipes Theory, Design and Applications, (Elsevier, 2014).
- ↑ M. Hongbin, Oscillating Heat Pipes, (Springer science+Business, 2015).
- ↑ D. Bastakoti, An overview on the developing trend of pulsating heat pipe and its performance, (Applied Thermal Engineering, 2018).
- ↑ Y. Zhang, Advances and Unsolved Issues in Pulsating Heat Pipes, (Heat Transfer Engineering, 29(1):20-44, 2008).
- ↑ M. Sardeshpande, Two-phase flow boiling in small channels: A brief review, (Indian Academy of Sciences Vol. 38, Part 6, Pages 1083-1126, Dec. 2013).
- ↑ D. Jafari, Metal 3D-printed wick structures for heat pipe application: Capillary performance analysis, (Applied Thermal Engineering, Volume 143, Pages 403-414, Oct. 2018).
- ↑ M. Nabil, A. Rattner, interThermalPhaseChangeFoam – A framework for two-phase flow simulations with thermally driven phase change, (ScienceDirect, 2016).