Kühlkörper: Neue Möglichkeiten für die thermische Optimierung

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Aluminium-Komponenten mit modifizierten Oberflächen kombinieren die Eigenschaften von Aluminium und Keramik. Damit lässt sich der Wärmetransport in thermisch beanspruchten Systemen optimieren.

Die aktuellen Wärmemanagement-Lösungen basieren auf dem Einsatz von Werkstoffen mit monofunktionalen Eigenschaften (z.B. ist Aluminium wärmeleitfähig, aber nicht elektrisch isolierend). Diese Tatsache erfordert oft die Verwendung von den für das Wärmemanagement ungünstigen Werkstoffen oder einen mehrschichtigen Systemaufbau aus Werkstoffen mit unterschiedlichen und oft gegensätzlichen Eigenschaften. Das macht die Optimierung von thermischen Widerständen im Gesamtsystem sehr komplex bis unmöglich.

Ein neuartiges Materialsystem erlaubt nun die Kombinationen konventioneller Werkstoffe und modifizierter Aluminium-Komponenten mit speziellen Makro- und Mikrostrukturen. Damit sind modifizierte mechanische, elektrische, thermische, chemische und optische Werkstoffeigenschaften möglich. Das bietet Potenzial für die Entwicklung neuer, hocheffizienter Wärmemanagement-Lösungen in allen Industriebereichen. Serienanwendungen bei Kühlkörpern für die Elektronik, LED-Lichtsysteme und Infrarot-Heizungen wurden bereits realisiert.

Die neuartige Oberflächentechnik Metaker Surface von Automoteam kombiniert diese gegensätzlichen Werkstoffeigenschaften. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, mit dem Leichtmetalloberflächen im Tauchverfahren elektro-plasmachemisch modifiziert werden. Im Prozess werden die Randschichten eines Werkstücks unter Einwirkung eines Elektrolyt-Plasmas mithilfe von Mikro-Lichtbögen zu einem neuartigen Mikro-Verbundwerkstoff umgewandelt.

Aluminium-Komponenten mit derartig modifizierten Randschichten sind mikrostrukturiert, mikroporös, chemisch aktiviert, gradiert und multifunktional. Sie zeichnen sich durch die nachfolgend aufgeführten Eigenschaftskombinationen aus:

• leicht und verschleißfest,

• elektrisch isolierend und gut wärme­leitend,

• elektrisch leitend und gut wärmeleitend,

• verschleißfest, korrosionsbeständig und duktil,

• gut wärmeleitend und wärmestrahlend,

• wärmeleitend, korrosionsbeständig und Licht reflektierend,

• visuell und taktil wertanmutend, kratzfest und Licht absorbierend,

• temperaturbeständig und lebensmittel­echt.

Jegliche Leichtmetall-Komponenten wie massive Bauteile, Bleche, Folien, Schichten, Gewebe, Draht, Drahtwicklungen, offenporige Schäume und wasserbeständige Werkstoff-Hybride können mit dem Verfahren modifiziert werden. Die Geometrie darf dabei beliebig komplex sein.

Solche Komponenten können Bauteile aus anderen Werkstoffen wie z.B. Stahl, Edelstahl, Messing, Bronze oder Keramik substituieren. Dabei werden vielen Oberflächenverfahren, beispielsweise Beizen, Chromatieren, Phosphatieren, Chemisch-Nickel, Eloxieren, Hartanodisieren, Hartverchromung, Lackieren u.a. überflüssig.

Die Prozesssteuerung ermöglicht die Herstellung von vielen hundert unterschied­lichen Eigenschaftsprofilen. Einige davon befinden sich seit dem Jahr 2010 in der Serienproduktion Die meisten sind jedoch einem breiten Publikum noch unbekannt und in ihrem Potenzial unerforscht.

Das Thema Wärmemanagement ist sehr komplex und stark von einem konkreten Anwendungsfall abhängig. Die nachfolgende Angaben basieren auf wissenschaftlichen Erkenntnissen unter bestimmten Annahmen und dienen nur zur Information.

Es gibt drei Arten von Wärmetransportvorgängen. Für die thermische Optimierung dieser Wärmetransportwege sind jeweils andere Werkstoffeigenschaften ausschlaggebend.

• Wärmeleitung (abhängig von Wärmeleitfähigkeit, Oberflächengröße, Körperdicke),

• Konvektion (abhängig von Strömungsart, Oberflächengröße, Oberflächenbeschaffenheit),

• Wärmestrahlung (abhängig von Emissionsgrad, Oberflächengröße, Oberflächenbeschaffenheit).

Tabelle 1 enthält eine Auswahl der Eigenschaften verschiedener Werkstoffe. Sie dient der Ermittlung von Richtwerten für die Überschlagsrechnung zur Quantifizierung möglicher Potenziale.

Neue Werkstoffeigenschaften für die thermische Optimierung

Je nach Anwendung werden die Werkstoffe, abhängig von ihren Konstruktions- und Funktionseigenschaften, entweder als Einzelwerkstoff (z.B. Plattenwärmetauscher) oder als Bestandteil eines Multi-Material-Systems (z.B. Komponenten für Hochleistungselektronik) eingesetzt.

Am einfachsten können die neuen Möglichkeiten der thermischen Optimierung durch die Überschlagsrechnung für Plattenwärmetauscher erklärt werden. Solche Wärmetauscher bestehen aus geprägten Blechen, meist aus Edelstahl oder Titan.

Eine Substitution von Edelstahl durch Aluminium mit verschleiß- und korrosionsbeständigeren Metaker-Oberflächen würde bedeuten:

• Steigerung der Wärmeleitfähigkeit um 950%,

• Senkung des Materialverbrauchs / Gewichts um 65%,

• Erhöhung der Abriebfestigkeit / Lebensdauer um 457%,

• Senkung der Materialkosten um 58%.

Die Fragen, inwieweit diese Potenziale und für welche Anwendungen sie umsetzbar sind, beantworten die Spezialisten aus Stuttgart im Rahmen von produktspezifischen Vorentwicklungsprojekten.

Ein weiteres Beispiel wird mit dem nachfolgend beschriebenen Experiment demonstriert, das auch als Video unter https://youtu.be/dPNfv1rslOk abrufbar ist. Ein Stück Naturleder (Nr. 2 in Bild 2, Dicke 1500 µm) wird sowohl auf ein Standard Aluminiumblech (Nr. 1, Dicke 300 µm) als auch auf ein Aluminiumblech mit Metaker-Schicht (Nr. 3, Dicke 10 µm) auf eine Heizquelle aufgelegt und erwärmt (Bild 2). Bei gleicher Erwärmungszeit ist die Temperatur des Leders auf dem modifizierten Blech um ca. 15% höher.

Bei Betrachtung der Wärmeleitung stellt man fest, dass der thermische Widerstand eines Aluminiumblechs mit modifizierter Oberfläche um die fünfte Nachkommastelle schlechter ist als eines Aluminiumbleches ohne diese Oberfläche. Dies kann, genauso wie die konvektive Wärmeübertragung, vernachlässigt werden. Als Ursache für den Temperaturunterschied bleibt demzufolge nur die Wärmestrahlung.

Der bei der Wärmestrahlung übertragene Wärmestrom ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur des Strahlers. Eine einfache Rechnung zeigt, dass die Strahlleistung des modifizierten Aluminiumblechs trotz starker Abschwächung durch einen sehr hohen thermischen Widerstand des Leders (0,33 k/W) immer noch um ca. 75% höher ist.

Vier Möglichkeiten zur Optimierung des Systems

Bei komplexen Multi-Material-Systemen sind die drei Wärmetransportmechanismen Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung in der Regel überlagert. Für die thermische Optimierung derartiger Systeme sind verschiedene Möglichkeiten interessant, die die makro- und mikrostrukturierten Schichten bieten:

Optimierung der Wärmeleitung: Verbesserung der thermischen Isolationseigenschaften von Aluminium-Komponenten um bis zu 20%, Substitution von Stahl, Edelstahl, Titan, Keramik u. a. mit Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um bis zu 1000%, Substitution von Eloxal-Schichten bzw. elektrisch isolierenden Lackschichten mit Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um bis zu 12.400%, Erhöhung des thermischen Kontaktkoeffizienten durch die duktilen, mikrostrukturierten Oberflächen mit bis zu 400% höherem Materialanteil.

Optimierung der Konvektion: Verbesserung der natürlichen und erzwungenen Konvektion durch eine um bis zu 400% größere mikrostrukturierte, spezifische Leichtmetall-Oberfläche sowie die Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung in den Grenzschichten von Fluiden und Gasen durch turbulente Strömungen an mikrostrukturierten Oberflächen.

Optimierung der Wärmestrahlung: Verbesserung der Wärmestrahlung von Aluminium-Komponenten um bis zu 2200%, Substitution von Eloxal-Schichten bzw. elektrisch isolierenden Lackschichten mit Verbesserung der Wärmestrahlung durch eine Kombination aus hohem Emissionsgrad (bis zu 0,95), einer bis zu 400% größeren spezifischen Oberfläche und bis zu 4900% kleinerem thermischen Widerstand.

Optimierung der Konstruktion: Erhöhung der Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit von Aluminium Folien und Schichten, Substitution von keramischen Komponenten durch dünnere Metaker-Komponenten, Kombination von Metaker-Oberflächen mit anderen Werkstoffen (Kupfer, Klebstoffe) oder Oberflächen (PVD, Galvanik, Digitaldruck).

Konturtreue und Präzision der modifizierten, mikrostrukturierten Schichten sind besser als bei Chemisch Nickel, das auch bei komplexen Geometrien. Die elektrischen Eigenschaften können entweder leitend (wie bei Chemisch Nickel) oder isolierend (wie bei Keramik) eingestellt werden.

Metaker Surface vereinigt diese Eigenschaften und ist seit 2010 im industriellen Maßstab als Serientechnologie verfügbar. Wesentliches Alleinstellungsmerkmal ist die Modifikation von Aluminium-Randschichten in ein multifunktionales Mikro-Konstruktionselement mit neuen Eigenschaften.

Anwendungsbeispiele und Potenziale des Verfahrens

Bis Mai 2020 wurden bereits mehrere Millionen Bauteile für Kunden aus den Bereichen Maschinenbau, Anlagenbau, Elektronik, Konsumgüter u.a. modifiziert. Auch Projekte für thermische Optimierung wurden bereits realisiert.

Ein Hersteller von Infrarot-Heizungen erreichte eine Senkung des Stromverbrauchs seiner Produkte um 60%. Mehrere Hersteller von elektronischen Geräten und LED-Lichtsystemen setzen Kühlkörper mit der modifizierten, mikrostrukturierten Oberfläche statt eloxierter Kühlkörper ein, um die Entwärmung ihrer Produkte zu verbessern.

Um das vollständige Optimierungspotenzial durch den Einsatz von modifizierten Oberflächen auszuschöpfen, ist ein ganzheitliches Technologieverständnis in den interdisziplinären Entwicklerteams erforderlich. Dafür wird eine kostenfreie Beratung angeboten.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 15/2020 (Download PDF)

In einem weiteren Schritt können die modifizierten Oberflächen in einer der Standardausführungen anwendungsspezifisch angepasst werden oder in einer Sonderausführung anwendungsspezifisch bis zur Serienreife entwickelt werden. Die entwickelten Lösungen können in drei- bis siebenstelligen Stückzahlen geliefert werden. Es lassen sich ebenfalls kundenspezifische Lösungen für eine integrierte Produktion umsetzen.

* Eugen Pfeiffer ist Geschäftsführer bei Automo­team in Stuttgart.

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