Im Alltag bemerken wir sie meistens nicht – oder nur, wenn zum Beispiel der PC auf Hochtouren läuft und zu überhitzen droht: Kühlsysteme für Elektrobauteile. Sie sorgen dafür, dass unzulässig hohe Betriebstemperaturen vermieden werden, und sind nahezu in allen Elektrosystemen enthalten – in Netzteilen, im Antrieb eines Elektroautos, in Solar- und Windkraftanlagen und eben auch in Computern.
Rippenkühlkörper sind Komponenten von Kühlsystemen, die die Aufgabe haben, durch Vergrößerung der Oberfläche die Wärmeabfuhr von Elektrobauteilen an die Umgebungsluft zu verbessern. Mit dem steigenden Bedarf und der steigenden Leistungsfähigkeit insbesondere von Leistungselektroniken und Prozessoren werden auch immer leistungsstärkere Kühlkörper benötigt. Die Auslegung einer solchen Wärmesenke ist komplex und zeitaufwändig. Attraktiv wäre somit ein Software-Tool, das für jedes beliebige Elektrobauteil optimale Kühlkörper auslegen könnte.
Fokus: Arbeit der Industrie effizienter gestalten
Genau dies ist Gegenstand des Forschungsprojekts „ThermoPro“, in dem die Forschungsgruppe für nachhaltiges Thermomanagement der Frankfurt University of Applied Sciences (Frankfurt UAS) mit der Seifert Electronic aus Ennepetal (Nordrhein-Westfalen) zusammenarbeitet. Ziel ist es, mithilfe eines eigenen KI-Modells den Prototyp eines Software-Tools zu entwickeln, der imstande ist, nach Eingabe von zuvor festgelegten Eingangsparametern den thermischen Widerstand auszugeben sowie die optimalen Geometrieparameter des Kühlers darzustellen.
„In unserem Fokus steht nicht das Kühlkonzept, sondern die optimale Geometrie für die Kühlkörperproduktion, um die tägliche Arbeit der Industrie effizienter zu gestalten“, erläutert Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Boris Schilder.
Förderung durch Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
Das Projekt „Durchführung von simulativen Untersuchungen verschiedener Kühlkörper zur Entwicklung eines KI-basierten Software-Prototypen zur Kühlkörperauslegung“ (ThermoPro) wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) mit insgesamt 550.000 Euro gefördert (davon 280.000 für die Frankfurt UAS) und hat eine Laufzeit von zwei Jahren.
Ersatz für Strangpressverfahren
Der Hintergrund des Vorhabens: Beim Kühlkörperhersteller Seifert Electronic werden seit Kurzem zwei neue Verfahren zur Herstellung von Rippenkühlkörpern eingesetzt, die bei der Auslegung deutlich größere Spielräume zulassen als das in der Industrie übliche Strangpressverfahren (einer Technik zur Metallformung). So können die sogenannten „Rippen“ eines Kühlers zum Beispiel enger nebeneinander platziert und dünner gestaltet werden. Das Ergebnis sind effizientere, kleinere Kühler.
Allerdings bedeuten die Freiheiten der neuen Verfahren, dass beim Auslegen eines Kühlkörpers eine große Menge an Kombinationen aus verschiedenen Faktoren berücksichtig werden muss – darunter etwa die abzugebende Wärmemenge, die voraussichtliche Umgebungstemperatur oder die möglichen Geometrien des Kühlers.
KI-Modell als Basis für Auslegesoftware
„An dieser Stelle setzt unser Forschungsprojekt an“, so Boris Schilder. „Wir möchten ein KI-Modell entwickeln, das die Basis für eine Auslegesoftware sein wird. Dieses Software-Tool soll dann den jeweils optimalen Kühlkörper für das betreffende Bauteil berechnen, und zwar anhand von Eingabeparametern in Bezug auf die erforderliche Kühlleistung, den vorhandenen Bauraum und die eingesetzte Fertigungstechnologie“, erklärt der Professor für Thermodynamik und Strömungslehre an der Frankfurt UAS und Leiter der Forschungsgruppe für nachhaltiges Thermomanagement. „Die Kühlkörper werden in der Herstellung und im Betrieb so wirtschaftlich wie möglich sein – anders als die teilweise in der Branche verbreiteten rudimentär ausgelegten und daher häufig überdimensionierten Kühler.“
Erfolgreiche Zusammenarbeit mit Netzwerkpartnern
Das Projekt ThermoPro ist im Rahmen des ZIM-Innovationsnetzwerks FREEM (Fertigungsverfahren für ressourcen- und energieeffiziente elektrische Maschinen) entstanden, in dem die Frankfurt UAS gemeinsam mit Seifert Electronic und weiteren mittelständischen Unternehmen Netzwerkpartnerin ist.
Das Team um Schilder, zu dem auch Doktorand Justin Fey gehört, dessen Promotion im Rahmen einer Kooperation zwischen Frankfurt UAS und TU Darmstadt erfolgt, hat mit der Seifert Electronic bereits im Rahmen des Projekts „EvapoCool“ erfolgreich zusammengearbeitet. Bei diesem ZIM-Projekt mit einer Fördersumme von insgesamt 602.500 Euro stand die Entwicklung einer Verdampfungskühlung für Hochleistungselektronik im Fokus. Wertvolle Erkenntnisse hieraus fließen laut Schilder auch in das ThermoPro-Projekt ein, das seitens Seifert Electronic von Projektingenieurin Katharina Adam initiiert und mit einem Kick-off Meeting mit ihren Teamkollegen Robin Holt und Christoph Schumacher gemeinsam mit der Frankfurt UAS offiziell gestartet wurde.
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