Kühlen in der Leistungselektronik Offenporiger Aluminiumguss verspricht mehr Bauraum bei weniger Gewicht

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Konventionelle Kühlkonzepte stoßen in der Leistungselektronik zunehmend an ihre physikalischen Grenzen. Die Möglichkeiten beim Design klassischer, äußerer Kühlkörper sind oftmals ausgereizt. Eine neuartige Architektur verspricht nun einen deutlich geringeren Platzbedarf bei gleichzeitig gesteigerter Leistung.

In der klassischen Entwärmung sitzt das Problem tief: Bis zu 90 Prozent des thermischen Widerstands entstehen in der Konvektion. Konstrukteure versuchen seit Jahrzehnten, dies durch eine höhere Rippendichte (Fins, Pins oder Lattices) auszugleichen. Doch dabei entsteht ein physikalischer Zielkonflikt: Dichtere Rippen bedeuten einen dünneren wärmeleitenden Querschnitt. Der Rippenwirkungsgrad sinkt signifikant, da die Wärme erst mühsam durch das Material zur Oberfläche wandern muss.

Der Engpass verschiebt sich so von der Konvektion zur Konduktion. Entwickler investieren deshalb oft in teure Notlösungen: Kupfer statt Aluminium oder extrem kostspielige High-End-Wärmeleitmaterialien (TIMs). „Das ist oft der falsche Hebel an den falschen zehn Prozent des Problems. Das Problem wird vertagt, aber nicht gelöst“, erklärt Eugen Pfeifer, Geschäftsführer Automoteam, im Vorfeld seines Vortrags am 30. September in Würzburg.

Offenporige Struktur dank Metamaterialien

Sein Ansatz kehrt das Prinzip um: Das Fluid wandert zur Wärmequelle und nicht umgekehrt. Während herkömmliche Kühlkörper dem „Outsider-Prinzip“ folgen und nur an der äußeren Oberfläche wirken, aktiviert die sogenannte PORECOOL-Technologie das gesamte 3D-Volumen des Kühlkörpers. Das Kernvolumen des Metalls bleibt nicht länger thermisch inaktiv.

Das Geheimnis liegt in einer neuen Hohlraum-Mikrostruktur, sogenannten vaskulären Metamaterialien. Anstatt massiver Blöcke setzt man auf eine offenporige Struktur, beispielsweise aus Aluminiumguss. Die wärmeleitenden Querschnitte entsprechen dabei denen klassischer Hochleistungskühlkörper, doch die konvektive Oberfläche liegt weit darüber. Integrierte Effekte wie ein „Golfball-Effekt“ sorgen für völlig neue Wärmeübertragungsphänomene und verschieben die physikalischen Grenzen thermischer Systeme.

Dieser neue Ansatz verspricht Vorteile für das Wärmemanagement:

• Volumen und Gewicht: Reduktion um bis zu 70 Prozent.

• Wirkfläche: Eine bis zu 9-mal größere spezifische Oberfläche.

• Leistung: Steigerung der Kühlkapazität um bis zu 200 Prozent.

Probleme mit der Verschmutzung?

Entwickler stehen offenporigen Strukturen oft skeptisch gegenüber, da sie befürchten, dass die Poren im Inneren des Materials verstopfen könnten. Pfeifer räumt an dieser Stelle mit diesen Bedenken auf: „Da sich das Medium in tausende mikropulsierende Strömungen aufteilt, fließt es barrierefrei und ohne die klassischen Staudruckzonen herkömmlicher Kühlrippen.“

In der täglichen Anwendung zeigt die Praxis sogar bis zu zehnmal längere Serviceintervalle im Vergleich zu Standardfiltern. Und sollte sich doch einmal Staub ansammeln: Durch einfaches Rückblasen, wie beispielsweise durch das Umpolen des Lüfters, lässt sich das System hocheffizient reinigen.

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Kürzere Entwicklungszeiten

Konventionelle Kühlkörper-Entwicklungen nehmen oft mehrere Monate in Anspruch. Metahybrid geht hier einen schnelleren Weg durch einen zweistufigen, KI-gestützten Ansatz. Im klassischen Prozess muss jeder Entwurf manuell im CAD modelliert, vernetzt und in zeitaufwendigen CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) iterativ geprüft werden.

In Phase 1 berechnet ein KI-gestützter Algorithmus einen multidimensionalen Lösungsraum, in dem tausende Konfigurationen geprüft werden. Das Ergebnis ist eine Datenbasis, die belastbare Antworten für technische und strategische Fragen liefert. Zeitraubende CAD/CFD-Schleifen entfallen damit fast komplett. Im nächsten Schritt werden die vielversprechendsten Varianten als reale Prototypen für Messungen im Labor gefertigt. Diese können oft sofort im Kundensystem eingesetzt werden. Mit den realen Messwerten wird das Simulationsmodell final optimiert.

In der zweiten Phase geht es um die Serienentwicklung und Produktion. Sobald das sogenannte MVP validiert ist, wird das System für die Fertigung finalisiert. Ein MVP (Minimum Viable Product) ist die erste Version eines Produkts, die gerade so viele Funktionen hat, dass sie einsatzfähig ist und dem Kunden einen echten Nutzen bietet. Da das Design bereits digital und empirisch ausgereift ist, entfallen späte Änderungen am Seriendesign fast vollständig. (heh)

Eugen Pfeifer geht in seinem Vortrag „Disruptive Kühlarchitektur: Offenporiger Aluminiumguss für Leistungselektronik, KI-Infrastrukturen und Data Center.“ am 30. September auf die Vorteile von PORECOOL ein. Damit sollen die Bauraumprobleme angegangen werden, die bisher als unlösbar galten.

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