Immer höhere Packungsdichten bei elektronischen Baugruppen für die LED-Technologie konzentrieren auch höhere Verlustleistungen in Gehäuse, Baugruppen und Bauelementen und mindern deren Standfestigkeit und Lebensdauer. Mit dem hpc² high perfomance cellular cooler hat das Müllheimer Steinbeis-Transferzentrum Identifikationsmedien & Identifikationsmanagement zusammen mit der Hollomet GmbH in Dresden und der Turck-Duotec GmbH in Halver eine Methode entwickelt, dem entgegen zu wirken.
Am Anfang der Entwicklung von Hochleistungs-Baugruppen stehen die Fragen: Wohin mit der Verlustwärme? Wie begegnet man höchsten Umgebungstemperaturen? Wie leitet man die thermischen Ströme weg vom Ort des Geschehens? Wie erreicht man eine möglichst hohe Homogenität der Temperaturverteilung unter den platzierten Verbrauchern wie den LEDs? Und kann man heute überhaupt noch einen Werkstoff erfinden, der für diese Anwendungen eine geeignete Kombination von physikalischen und chemischen Eigenschaften in sich vereint?
Da der Wirkungsgrad der LEDs in hohem Maße von deren Bestromung und somit Betriebstemperatur abhängt, muss man versuchen, den thermischen Übergangswiderstand an den Schnittstellen zwischen den Dioden, der Leiterplatte als Träger der elektrischen Bauteile und dem Kühlkörper als Wärmetauscher klein zu halten. Bei extrem hohen Raumtemperaturen von bis zu „gemessenen“ 80°C Umgebungstemperatur unter dem Dach, wie sie in Gießereien, Galvanikbetrieben oder Sporthallen herrschen, bleibt für eine passive Kühlung wenig Spielraum. Da viele Applikationen oft aus Gestaltungs- und Gewichtsgründen keine großvolumigen Kühlkörper erlauben, muss für den Wärmetransport ein Medium gefunden werden, das die „heißen“ elektronischen Baugruppen mit der kühleren Außenwelt thermisch koppelt.
Über die Lebensdauer von elektronischen Qualitätsprodukten entscheidet ganz wesentlich die Bauteiltemperatur. Um diese zu reduzieren, haben die drei Projektpartner für Wärmetauscher folgendes Anforderungsprofil definiert: höchste Wärmeleitfähigkeit, hohe Permeabilität, größte spezifische Oberfläche und niedrigste spezifische Dichte. Dazu soll die auf der Baugruppe erzeugte thermische Leistung auf eine möglichst große Fläche übertragen werden, die sowohl von Luft als auch von einem flüssigen Kühlmedium umspült wird. Flüssige Medien sollen über ein Rohr- oder Schlauchsystem zu einem externen Kühler geführt werden. Aus Gründen der Lebensdauer muss unbedingt erreicht werden, dass die maximalen Grenztemperaturen im Bauteil von 105°C nicht überschritten werden und in Arrays von Verbrauchern die thermische Verteilung gleichmäßig ist.
Da alle Versuche der Projektpartner mit Metallschäumen eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen, gescheitert sind, suchten und fanden sie eine andere technologische Lösung: Bei einem zwangsgekühlten LED-Strahler mit 200 Watt Diodenleistung gelang es, den Bauteilträger auf eine Temperatur von 35°C zu stabilisieren. Die Zielsetzung der Entwicklung wurde auf diese Weise zukunftssicher ausgerichtet. Als theoretische aber auch praktische Grenze sehen die Projektpartner z.B. eine Dioden-Array-Leistung von 600 Watt bei über 70.000 Lumen, der physikalische Grenzwert liegt allerdings deutlich höher.
Um einen hohen Durchsatz der Kühlmedien bei einer durchgängigen Wärmeverteilung über den gesamten Querschnitt der Zelle zu erreichen, entwickelten Steinbeis, Hollomet und Turck-Duotec Fertigungsverfahren für metallische, schwammähnliche zellulare Strukturen, die mehrere Eigenschaften in einem Verfahren kombinieren: Leichtbau durch minimalen Materialeinsatz bei höchster mechanischer Festigkeit, Ausführung von definierter Porosität in unterschiedlichen Werkstoffen, temperaturbeständig, korrosionsfest, hohe Durchströmbarkeit und damit ungehinderter Kühlmitteltransport und frei gestaltbare Geometrie durch problemlose Ausformung in verschiedenen Baugrößen. Sie lassen sich aufgrund der Geometrie, der Schichtdicke und der Materialwahl in weiten Grenzen variieren. Damit ergibt sich für die Skalierbarkeit von Kühlsystemen ein höchst interessanter technischer Ansatz: Der mit dem Bauteilträger verbundene Wärmetauscher kann die größtmögliche Austauschfläche zwischen Elektronik und Kühlmedium ausbilden. Somit kann man bei baugleichem Aufbau über das Kühlmedium und dessen Strömung die Kühlleistung variieren. Es lassen sich so offene und/oder geschlossene Kühlsysteme aufbauen.
Die Herstellung der hpc²-Wärmetauscher unterliegt einem pulvermetallurgischen, patentierten Abformverfahren. Dabei wird ein organischer Träger – ähnlich einem Badeschwamm – mit einer Metallpulver-Binder- Suspension beschichtet. Die Trägerstruktur und der organische Binder werden danach mittels Pyrolyse entfernt, in einem nächsten Schritt werden die Metallpulverpartikel unter Schutzgas zur fertigen „Metallschwamm- Struktur“ versintert. Als Werkstoff dafür eignen sich – bei nicht aggressiven flüssigen Kühlmitteln - verschiedene Edelstähle. Bei entsprechendem Werkstoffeinsatz können daher auch extrem korrosions- und oxidationsbeständige Strukturen hergestellt werden. Bei den hpc²-Schwämmen ist die Porosität für verschiedene Anwendungen durch die Wahl des Trägermaterials von 60 bis 95% einstellbar. Diese Porosität ist ohne Einschränkung im Produktionsprozess parametrierbar und reproduzierbar.
Die Besonderheit im Projekt hpc² high performance cellular cooler liegt im vom Kühlmedium durchströmten Volumen und dessen thermischer Ankoppelung an den Bauteilträger. Der Kühlmitteldurchsatz kann über die Porosität der Tauschzelle und im Betrieb über die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums variiert werden. Die mit diesem Verfahren erreichbare große Oberfläche im Innern ist mit keinem anderen bekannten Herstellungsverfahren zu erreichen.
Die Fertigungsüberleitung des Verfahrens mündete in einem Leuchtenprogramm für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Temperaturfestigkeit in extrem heißer Umgebung und an die Lichtstärke z.B. in Fertigungsstätten mit hoher Raumhöhe oder in der Außenbeleuchtung. Ein Produkt dieser Art muss am Ende seines Lebenszyklus zu 100% recycelbar sein. Eine hohe Hürde, allerdings nicht für den reinen Edelstahl im Projekt hpc².
Armin Bäuerle
Steinbeis-Transferzentrum Identifikationsmedien & Identifikationsmanagement (Müllheim)
su0584@stw.de
Wolfgang Hungerbach
Hollomet GmbH
Johannes Schaefer
Turck-Duotec GmbH