Kühlung elektronischer Bauteile

Leistungsangebot

© Fraunhofer IFAM Dresden

Hintergrund: Lichtemitterdioden (LED) © Tobias Zeller/Pixelio, vorn: Schematische Darstellung eines Mikrokühlers inklusive Vernetzung für die numerische Simulation und Visualisierung der Geschwindigkeitsverteilung des Kühlfluides

In vielen elektrischen und elektronischen Bauteilen entsteht während des Betriebes Wärme, die zur Gewährleistung optimaler Betriebstemperaturen an die Umgebung abgeführt werden muss (z. B. in LED, Prozessoren, Leistungswandlern, Batterien). Ein Verlassen des Betriebstemperaturbereiches führt häufig zur beschleunigten Bauteilalterung bzw. zu Leistungseinbußen bis hin zum Ausfall. Die Wärme entsteht durch den Widerstand stromdurchflossener Leiter (Joulesche Wärme) oder infolge wechselnder elektrischer Felder (Induktionswärme).

Zur wärmetechnischen Auslegung passiver oder aktiver Thermomanagementsysteme für Wärme erzeugende elektronische Komponenten sind verschiedene Arbeitsschritte notwendig, dazu zählen

• die Bestimmung der zeitlichen und örtlichen Intensität der bauteilinternen Wärmequellen,
• die Optimierung der Wärmetransporteigenschaften einzelner Materialien bzw. die Minimierung thermischer Kontaktwiderstände und
• die Entwicklung aktiver oder passiver Kühlsysteme zur Pufferung thermischer Lastspitzen und zur Wärmeübertragung an die Umgebung.     

Das Fraunhofer IFAM Dresden bietet Ihnen all diese Kompetenzen aus einer Hand beginnend bei der thermischen Systemanalyse, der Bestimmung und Optimierung von Materialeigenschaften, der Auslegung und Umsetzung von Kühlsystemen bis hin zu deren experimenteller Validierung.

Kompetenzen und Methoden

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(1) Schematische Darstellung (links) und Auswahl siebgedruckter Mikrokühlkörper (rechts), (2) Kupfer-Paraffin-Verbundwerkstoff als hocheffizienter Puffer für thermische Lastspitzen, (3) Elektrische Simulation einer Hochleistungs-Wärmequelle (1 cm x 1 cm)

Zur Entwicklung von Thermomanagementsystemen für Wärme erzeugende elektronische Baugruppen verfügt das Fraunhofer IFAM Dresden über vielfältige Kompetenzen bei der

• Entwicklung von Verbundwerkstoffen (z. B. Metall-Kohlenstoff-Komposite) mit exzellenten Wärmeleiteigenschaften,
• Entwicklung von Verbundwerkstoffen aus zellularen Metallen und Phasenwechselmaterialien (PCM) mit maßgeschneiderter Speicherkapazität und -leistung zur thermischen Pufferung
• Herstellung von Mikrokühlern und Kühlkörperstrukturen durch Verfahren der additiven Fertigung.

Aufbauend auf den Ergebnissen der Wärmequellenanalyse werden mathematische Simulationen zur Berechnung der instationären, mehrdimensionalen Temperaturfelder in den Bauteilen durchgeführt, mit Hilfe derer sich die werkstoff- und wärmetechnischen Anforderungen an geeignete Temperiersysteme spezifizieren lassen.

Auf dieser Grundlage können die Einzelkomponenten der Temperiersysteme entwickelt, prototypisch gefertigt und im wärmetechnischen Labor experimentell validiert werden. Für anwendungsnahe Tests der Temperiersysteme werden die realen Wärmequellen verwendet bzw. durch elektrische Heizquellen bezüglich des örtlichen und zeitlichen Verhaltens simuliert. 

Batteriethermomanagement

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(1) Anordnung von Batterie-Pouchzellen und Wärmepufferplatten [mit Paraffin gefüllte Alufaser-Platten, siehe (3)] – stationäre Wärmeabfuhr über seitliche Kühlplatten, (2) Dummy-Batteriezelle mit elektrischer Wärmequellensimulation, (4) Versuchsanordnung für luftgekühltes System

Besonders bei elektrochemischen Speichern ist – je nach Art des galvanischen Zellsystems – das Thermomanagement von enormer Bedeutung für einen sicheren, effizienten und langlebigen Batteriebetrieb. Neben dem Aufwärmen beim Kaltstart muss speziell bei Leistungsspeichern ständig Joulesche Wärme entsprechend des elektrischen Lastprofiles abgeführt werden.

Am Fraunhofer IFAM Dresden wird seit Jahren erfolgreich an der Entwicklung latenter Wärmepufferstrukturen für Batterien zum Abfangen thermischer Spitzenlasten gearbeitet. In diesen Verbundwerkstoffen übernehme

• eine zellulare Metallstruktur (Fasern, Schäume) die Aufgabe des Wärmetransportes in/aus den/m Wärmepuffer (flexible Leistung) und
• ein Phasenwechselmaterial (PCM, z. B. Paraffin) die Aufgabe der Wärmespeicherung (hohe Kapazität).

Diese Verbundwerkstoffe können mit aktiven Kühlsystemen kombiniert werden, können diese jedoch im Idealfall auch überflüssig machen, wenn die niedrigere mittlere Leistung aufgrund der Wärmepuffer durch ein passives Kühlsystem abführbar ist.

Zur Auslegung derartiger Thermomanagementsysteme bieten wir Kompetenzen bei

• der Analyse der Wärmequelldichten in Batteriezellen,
• der Bestimmung von Stoffdaten (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität),
• der Ableitung der erforderlichen Eigenschaften der Verbundwerkstoffsysteme aus mathematischen Simulationen,
• der Werkstoff- und Systementwicklung und
• der experimentellen Validierung der Puffer- und Kühlsysteme im wärmetechnischen Labor.