Effektivere Wärmeabfuhr ermöglicht neue Anwendungen
TU Chemnitz und EU-gefördertes Projekt „THERMACO“ in Brüssel vorgestellt
-
Aluminium-Kühlkörper mit integrierten Graphit-Einsätzen, bspw. zur Kühlung von Leistungs- und Hochleistungselektronik oder zur Anwendung im Automobilbau. Foto: Professur Mikrofertigungstechnik
Am 16. Mai 2017 fand in Brüssel der “Factories of the Future Community Day” statt. Ziele der Veranstaltung waren die Präsentation der Forschungs- und Entwicklungsergebnisse aus den EU-geförderten Projekten des 7. EU-Forschungsrahmenprogramms und der Austausch mit internationalen Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen sowie Vertreterinnen und Vertretern der Europäischen Kommission.
In diesem Rahmen stellten Prof. Dr. Andreas Schubert, Inhaber der Professur Mikrofertigungstechnik, und Mitarbeiter Dr. Henning Zeidler das EU-geförderte Projekt „THERMACO“ vor, in welchem Kühllösungen basierend auf Basis von Graphen bzw. pyrolytischem Graphit als thermische Autobahnen in Metall-Matrix-Verbunden präsentiert wurden. Dieser neuartige Einsatz von Materialkombinationen mit einzigartigen thermischen Eigenschaften im Wärmemanagement könnte für viele verschiedene Anwendungen, insbesondere in der Elektromobilität, der erneuerbaren Energieerzeugung sowie der Leistung- und Hochleistungselektronik, ein Durchbruch sein, denn der Einsatz ermöglicht eine Verkleinerung von Systemen, bei erhöhter Funktionsintegration und hoher Leistungsfähigkeit.
Im Rahmen des Projektes entstanden für die Partner Lamborghini und Infineon erste anwendungsrelevante Demonstratoren zur Motorkühlung beziehungsweise zur Kühlung von Hochleistungselektronik, deren Funktion der gezielten Wärmeableitung experimentell verifiziert wurde.
Innovative Wärmeleitung in Bauteilen mit hoher Festigkeit und geringem Gewicht
Im Mittelpunkt des Forschungsprojektes stand der Einsatz neu entwickelter Wärmeleitmaterialien wie Graphen oder pyrolytisches Graphit, welche hervorragende Wärmeleiteigenschaften mit sich bringen. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt etwa das zehnfache von Aluminium und etwa das fünffache von Kupfer. Die mechanischen Eigenschaften dieser kohlenstoffbasierten Materialien wie Festigkeit und Beständigkeit, behinderten allerdings bisher einen weitreichenden Einsatz. Hier setzte THERMACO an: Grundlage war die Idee des internationalen Forschungsteams, die materialspezifischen Vorteile von Graphen beziehungsweise pyrolytischem Graphit mit einer Aluminium-Matrix zu kombinieren, um Bauteile mit hoher Festigkeit, geringem Gewicht und einzigartigen thermischen Eigenschaften zu realisieren. „Hierdurch ist es möglich, die von der Wärmequelle erzeugte Wärme über in Aluminium eingebrachte Einsätze aus Graphen beziehungsweise Graphit zu leiten und zum Beispiel an einem zentralen Kühlsystem mit großer Effizienz abzuführen“, erklärt Prof. Andreas Schubert, Inhaber der Professur Mikrofertigungstechnik und THERMACO-Koordinator. Da der Wärmetransport zu einem Großteil über die Einsätze, den sogenannten „thermischen Autobahnen“, erfolgt, wird das Aluminiumbauteil an sich nur unwesentlich wärmer. Hierbei wird die Besonderheit der anisotropen Wärmeleitfähigkeit der thermischen Autobahnen ausgenutzt, die in zwei Richtungen bei etwa 2000 Watt pro Meter und Kelvin und in der dritten bei etwa 5 Watt pro Meter und Kelvin liegt. Damit erfolgt in eine Richtung eine Wärmeisolierung und damit nur eine geringe thermische Belastung des Aluminiumbauteils während in die beiden anderen Richtungen die Wärme effektiv abgeführt wird.
Zur Umsetzung der Idee wurden die Kompetenzen und Erfahrungen des internationalen Teams zur Materialentwicklung, Wärmeübertragung, Multiphysiksimulation und zu Fertigungsverfahren wie dem Eingießen der Graphen- beziehungswiese Graphit-Einsätze sowie zur Endbearbeitung und Mikrostrukturierung gebündelt und ausgebaut. Darüber hinaus beschäftigten sich die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen im Projekt mit weiteren Materialkombinationen wie Kupfer und Graphen. Auch hier wurde das Potenzial der innovativen Materialkombinationen zur effektiven Wärmeableitung bereits erfolgreich nachgewiesen.
Das Projekt „THERMACO“
Insgesamt arbeiteten im Zeitraum vom 01. September 2013 bis zum 31. August 2016 elf Partner aus sieben Ländern aus Forschung und Industrie gemeinsam an dem Ziel, durch neuartige Materialkombinationen und Fertigungstechnologien äußerst effiziente Lösungen zur Wärmeabfuhr zu schaffen. Das Projekt wurde gefördert im Rahmen des 7. Rahmenprogramms der Europäischen Union für Forschung, technologische Entwicklung und Demonstration unter dem Förderkennzeichen Nr. 608978. Das Gesamtbudget betrug ca. 5 Millionen Euro bei einer Förderung von etwa 3,4 Millionen Euro.
Weitere Informationen erteilt Ihnen Prof. Dr. Andreas Schubert, Telefon 0371 531-34580, E-Mail andreas.schubert@mb.tu-chemnitz.de.
Mario Steinebach
29.05.2017
