Neuartige Leichtbau-Kühlsysteme für bessere Kühlung von Leistungselektronik, LED, Antrieben und anderen Anwendungen.
Die anhaltende Miniaturisierung und steigende Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer von elektronischen, mechatronischen und manchen mechanischen Systemen verlangen nach immer besseren Wärmemanagement Konzepten.
Die neuartigen PORECOOL Kühlkörper und Wärmeübertrager werden aus neuer Leichtbau-Werkstoffklasse - offenporigem Aluminiumguss hergestellt und unterscheiden sich substanziell von konventionellen massiven Komponenten mit Rippen, Lamellen und Pins, offenporigen Aluminiumschäumen sowie generativ hergestellten TPMS-Strukturen.
Mit ihren bisher unbekannten Eigenschaften ermöglichen sie unkonventionelle Lösungswege im Wärmemanagement mit neuen technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Potenzialen.
Die Werkstoffklasse offenporiger Aluminiumguss wurde mit dem ThinKing Award 2022 der Landesagentur für Leichtbau Baden-Württemberg als Innovation des Jahres (Platz 3) ausgezeichnet.
Neue Leichtbau-Werkstoffklasse für Kühlkörper, Wärmeübertrager und Wärmespeicher.
Der offenporige Aluminium-Kokillenguss ist eine neue Leichtbau-Werkstoffklasse mit multifunktionalen und multistrukturellen Eigenschaften. Das Material, das mit Kochsalz als Hilfsmittel hergestellt wird, ist leicht, mechanisch und thermisch hoch belastbar sowie auf unterschiedliche Arten als Monomaterial oder Multimaterialsystem hybridisierbar.
Das Material verfügt über einen bis zu 8-mal höheren Materialanteil, bis zu 8-mal höhere thermische Leitfähigkeit und bis zu 20-mal höhere Druckfestigkeit als konventionelle Aluminiumschäume. Die Porengrößen lassen sich anwendungsspezifisch im Bereich von 5 Mikrometern bis zu mehreren Zentimetern und die Dichte zwischen 0,8 g/cm3 und 1,3 g/cm3 einstellen. Für unterschiedliche Anwendungen stehen unterschiedliche Optionen die Materialeigenschaften spezifisch anzupassen.
Zu den neuen, für das Wärmemanagement interessanten Eigenschaften zählen u.a.:
- neuartige, multimodale Porenmorphologie mit neuen Wärmeübertragungsphänomenen,
- direkte Übertragung von Wärme von Hot Spots auf Trägermedien durch einen Konduktions-Konvektions-Mechanismus,
- bessere Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion bei kleineren Abmessungen und Gewicht,
- bessere Strömungsakustik und Richtungsunabhängigkeit des Kühlkreislaufs,
- große Vielfalt an möglichen Materialeinstellungen, Architekturen und Designs für ein breites Anwendungsspektrum,
- große Designfreiheit für Kühlkörper, Strömungskreisläufe, Platinen Layouts, Gerätedesigns und Komponenten-Packages,
- hohe Integrationsfähigkeit in Bauräume, Hybridsysteme und Funktionsbündel,
- optional einstellbarer Kapillareffekt zur schnellen Beförderung des Kühlmittels weg vom Hotspot,
- optional einstellbarer Lotus-Effekt zum Schutz vom Spritz- und Kondenswasser,
- optional einstellbare Vibrationsdämpfung und Schalldämpfer Funktion für integrierte Lüfter,
- optional einstellbare Filterfunktion für Luft und Fluid,
- nachhaltige Technologie für Produktion in kleinen, mittleren und großen Stückzahlen.
Das Bild unten zeigt ein modulares PORECOOL Kühlsystem mit integrierten Radiallüftern, Luftkanälen, Ausströmgitter mit Filter (nicht im Bild), Heatpipes und Heatspreader aus Kupfer.
Neue Eigenschaften
Die Effizienz der Kühlung hängt direkt von den Materialeigenschaften, der Größe der Wärmeübertragungsfläche, der Form und den Oberflächeneigenschaften des Festkörpers, den Fluideigenschaften, der Strömungsform, der Strömungsgeschwindigkeit, der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit ab.
Die PORECOOL Kühlsysteme werden in beliebigen Geometrien und Abmessungen aus Reinaluminium oder Al-Legierungen hergestellt. Im Vergleich mit konventionellen Kühlkörper bieten sie bei vergleichbarer Konstruktion:
- bis zu 10x größere Oberfläche für konvektiven Wärmeübergang,
- höhere Wärmeleitfähigkeit reines Aluminiums Al99,5%,
- höheren effektiven Emissionsgrad poröser Gussoberfläche,
- neue Wärmeübertragungsphänomene mit besserem Wärmeübergangskoeffizient,
- bis zu 70% weniger Gewicht,
Neue Wärmeübertragungsphänomene
Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt die Fähigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen. Er hängt unter anderem ab von den Stoffeigenschaften, Strömungseigenschaften, geometrischen Verhältnissen und Oberflächenbeschaffenheit.
Die Strukturen aus offenporigem Aluminiumguss sind offenzellige, multimodale Metallschäume mit eigenartiger Porenmorphologie und enormer Vielfalt an Architekturen, die ihr thermisches und fluiddynamisches Verhalten bestimmen:
- sanduhrförmige Poren mit unterschiedlichen Größen im Mikro-, Meso- und Makrobereich,
- komplexe Windung der Durchgänge mit mehreren 1-n, n-1 und n-n Verbindungen in eine Strömungsrichtung,
- mehrere, räumlich verteile Mikro- und Makroströmungen mit laminaren, turbulenten und gemischten Bereichen,
- mehrere, räumlich verteilte Geschwindigkeitsbereiche der Mikro- und Makroströmungen,
- massive Aluminium-Matrix (30% - 60% Materialanteil) mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit und hohem effektiven Emissionsgrad,
- einstellbare Eigenschaften für besseren Wärmeübergang bei verschiedenen Gasen / Fluiden.
Die neuartigen multimodalen Aluminiumschäume sind noch wenig erforscht. Die ersten Nachweise aus Forschungsprojekten bestätigen folgende Hypothesen:
- die Porenmorphologie ist der wichtigste Parameter für die Wärmeübertragung,
- größere Oberflächen in offenporigen Metallstrukturen bedeuten nicht automatisch besseren Wärmeübergangskoeffizient,
- je nach Porenmorphologie kann der Wärmeübergangskoeffizient im Vergleich zu Kühlkörpern mit Rippen, Pins, Lamellen, konventionellen Aluminiumschäumen oder TPMS-Strukturen bedeutend verbessert werden,
- bei sehr großen Oberflächen offenporiger Metallstrukturen ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials sekundär,
- je nach Porenmorphologie kann man mit 20% weniger Fläche 50% mehr Wärme übertragen.
Neue Konstruktionen, Designs und Geräte Layouts
Die Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss werden klassisch zerspant und können in beliebige CNC-Präzise Formen gebracht werden. Sie sind komplett offenporig, unabhängig von der Strömungsrichtung des Kühlmediums und können somit in beliebigen freien Bauraum integriert werden. Das bedeutet neue Gestaltungsmöglichkeiten und Freiheitsgrade für Kühlkörper, Strömungskreisläufe, Platinen Layouts, Gerätedesigns und Komponenten-Packages.
Die Konstruktionen aus porösem Gussaluminium sind sehr belastbar. Sie können tragende Funktionen übernehmen, weitere Funktionsintegrationen wie Befestigungspunkte, Vibrationsdämpfung oder Schalldämpfung anbieten, lasttragende oder dekorative Gehäusestrukturen bilden bzw. Platinen mit Halbleitern komplett als eine Art schaldämpfende Kühlbox umschließen.
Das Bild unten zeigt einen lichtdurchlässigen LED-Kühlkörper mit dekorativer Funktion.
Neue Aluminium Monomaterial-Hybride
Es können viele unterschiedliche Aluminium-Hybride hergestellt werden: gleichmäßig offenporige, gradiert offenporige, selektiv offenporige, selektiv massive und viele weitere. So kann z.B. die thermische Kontaktstelle zum Halbleiter lokal aus massivem Aluminium bestehen.
Neue Multi-Material Hybride und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe
Unterschiedliche Komponenten aus Edelstahl, Titan, Kupfer oder Aluminium können in die Aluminium Monomaterial-Hybride integriert werden. Es kann entweder direkt im Gießprozess erfolgen oder nachträglich durch Verpressen, Schweißen, Löten, Kleben u.a.
Der Aluminiumschmelze können verschiedene Fremdwerkstoffe als Partikel oder Kurzfaser hinzugefügt werden. Damit eröffnet sich ein neuer Materialbereich offenporiger Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit funktionalisierten Metallmatrix und/oder Poren.
Neue additive Aluminium-Hybride
Die Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss können in additiven Fertigungsverfahren funktionalisiert werden. Auch umgekehrt - die additiv gefertigten Aluminiumteile können in die Komponenten aus offenporigem Aluminiumguss integriert werden.
Neue wärmeleitende Kunststoffteile
Die Poren in porösen Aluminium-Strukturen können in diversen Fertigungsverfahren mit Polymeren infiltriert werden. So lassen sich leistungsstarke, mediendichte Multimaterialsysteme für mechanische, strömungsmechanische, thermische, chemische, akustische dekorative und andere Aufgabenstellungen bilden.
Die Kunststoffe haben im Vergleich mit Aluminium schlechte Wärmeleitfähigkeit:
- PP2 = 0,08 W/mK,
- PP6 und ABS = 0,17 W/mK,
- gefüllte Vergussmassen = 6 W/mK,
- Al99,5% = 236 W/mK.
Die porösen Aluminium-Strukturen können auf viele Arten in konventionelle Kunststoffteile integriert werden:
- vollständig integriert (Polymer im Bereich Hotspot und Kühlmittel),
- mit metallischem Kontakt zum Hotspot,
- mit metallischem Kontakt zum Kühlmittel,
- mit metallischem Kontakt zum Hotspot und Kühlmittel,
- mit vielen weiteren Kombinationen aus Geometrie und Material.
Abhängig von der Konstruktion und Materialanteilen von porösem Aluminium, massivem Aluminium und Polymer ergibt sich eine kombinierte Wärmeleitfähigkeit des Hybridbauteils:
- bis zu 60 W/mK für die Variante 1,
- bis zu 236 W/mK für die Variante 4.
Innovationsentwicklung
Die PORECOOL Technologie ermöglichen neues, unkonventionelles Denken. Neue Wahrnehmung der Machbarkeitsgrenzen versetzt Ingenieure in ein neues Paradigma und eröffnet bisher unbekannte Lösungswege für Produkt- und Prozessinnovationen in allen Industriebereichen. Diese Potenziale sollen unter einem Systemblick ermittelt und erschlossen werden. Details dazu werden interessierten Unternehmen in kundenspezifischen Technologieworkshops vermittelt.
