Wärmemanagement

Integrierte Kühlkörper für die Leistungselektronik optimieren

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Vergleich Simulation, indirekte und direkte Messung

3D-Strömungssimulationen (Weg A) eignen sich zur Untersuchung von Strömungen an komplexen Geometrien. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie Strömungen visualisieren und somit für den Entwickler verständlich werden lassen. Mit parametrierbar aufgebauten Geometrien können Parameterstudien automatisiert durchgeführt werden, was eine Optimierung unter gegebenen Randbedingungen vereinfacht.

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Vergleich Simulation, indirekte und direkte Messung

Die wesentlichen Bewertungskriterien, um die Eignung der drei Wege A, B und C zu beurteilen, sind:

1. Initiale Kosten: Sie fallen an, bevor die erste Simulation oder Messung durchgeführt werden kann. In ihnen sind die Kosten für Softwarelizenzen, Prototypen und Messequipment enthalten. Je nach Ausgangslage ist auch die Qualifizierung von Mitarbeitern zu berücksichtigen.

2. Initialer Aufwand: Er beschreibt den Umfang der Arbeiten, um Simulationen vorzubereiten oder Versuche aufzubauen.

3. Fehlerrisiko: Damit ist gemeint, dass der Ingenieur ein falsches Ergebnis erhält, dieses aber nicht als ein solches einordnet.

4. Aufwand pro Versuch: Arbeitsaufwand für einen Versuch, also einen Simulationsdurchlauf oder die Erfassung eines Messwertes. Dies hat wesentlichen Einfluss darauf, wie lange ein Iterationsschritt der thermischen Optimierung dauert.

5. Aufwand Parameterstudie: Besonders durch Simulationen mit parametrierbaren Modellen kann der Aufwand für Parameterstudien gesenkt werden. Wohingegen bei Messungen jeweils Teile des Aufbaus geändert werden müssen und Parameterstudien dadurch aufwendiger sind.

6. Erkenntnisgewinn: Je höher der Erkenntnisgewinn aus einer Messung oder einer Simulation ist, desto weniger Iterationsschritte sind nötig, um zu einem guten Ergebnis zu gelangen.

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Für teure und komplexe Produkte (Rotorblätter von Windkraftanlagen, Turbinen o.Ä.) sind die hohen initialen Aufwände und Kosten vertretbar, für eine relativ einfache und preisgünstig herzustellende Komponente wie einen integrierten Kühlkörper jedoch unverhältnismäßig. Um die initialen Aufwände und Kosten zu umgehen, sowie das Fehlerrisiko zu senken, besteht die Möglichkeit Simulationen durch entsprechend qualifizierte Dienstleister durchführen zu lassen.

Eine direkte Messung (Weg C) erscheint auf den ersten Blick einfach und zuverlässig. Bei den durchgeführten Messungen hat sich aber gezeigt, dass insbesondere die richtige Befestigung der Heizwiderstände und die Temperaturmessung in der Praxis nicht trivial sind. Zudem ist der zeitliche Aufwand für Messreihen hoch, denn für jeden Messpunkt ist der stationäre Zustand abzuwarten. Pro Arbeitstag können so weniger als zehn Messpunkte gemessen werden. Sollen unterschiedliche Kühlkörpergeometrien verglichen werden, so ist jeweils ein neuer funktionaler Kühlkörper herzustellen. Eine solche Einzelstückfertigung über Fräs- und Senkerodierprozesse führt zu hohen Kosten.

Für die indirekte Messung (Weg B) wird kein funktionaler Kühlkörper benötigt. Eine Plastikattrappe mit glatter Oberfläche aus dem 3D-Drucker ist ausreichend. Diese ist schnell und kostengünstig direkt aus CAD-Daten herstellbar. Der Aufwand für Parameterstudien ist somit deutlich geringer als bei der direkten Messung. Wie auf Bild 5 dargestellt wird deutlich, welche Kühlrippen schlecht durchströmt (x = 75 … 175 mm) und welcher Bereich des Kühlkörpers (roter Bereich in der Mitte) besonders heiß wird. Hierdurch ist der Erkenntnisgewinn deutlich größer als bei der direkten Messung.

Tabelle: Vergleich der Wege A, B und C zur Auslegung der Kühlkörpergeometrie
Tabelle: Vergleich der Wege A, B und C zur Auslegung der Kühlkörpergeometrie
(Bild: Lenze)

Thermische Optimierungen haben hohes Potenzial, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit elektrischer und mechatronischer Geräte zu erhöhen. So hat die Optimierung von Kühlkörpergeometrie und Luftführung im gezeigten Beispiel zu einer Reduzierung des thermischen Kühlkörperwiderstandes um 70% geführt.

Dies bedeutet in erster Näherung 140% mehr Dauerleistung bei gleichen Abmessungen. Der aufgezeigte Weg B ist ein pragmatischer Ansatz, beliebig geformte Kühlkörper schneller und kostengünstiger zu optimieren als mit den bisher bekannten Wegen A und C – siehe Tabelle. Hierdurch werden bisher ungenutzte thermische Potenziale nutzbar.

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