Neuartige, hocheffiziente Wärmemanagement-Konzepte für Batterien, Leistungselektronik, Gebäudetechnik und viele andere Anwendungen

(PresseBox) -

Die aktuellen Wärmemanagement-Lösungen basieren auf dem Einsatz von Werkstoffen mit monofunktionalen Eigenschaften (z. B. Aluminium ist wärmeleitfähig, aber nicht elektrisch isolierend). Diese Tatsache erfordert oft die Verwendung von den für das Wärmemanagement ungünstigen Werkstoffen oder einen mehrschichtigen Systemaufbau aus Werkstoffen mit unterschiedlichen und oft gegensätzlichen Eigenschaften. Das macht die Optimierung von thermischen Widerständen im Gesamtsystem sehr komplex bis unmöglich.

Das neue METAHYBRID Materialsystem erlaubt multifunktionale Kombinationen konventioneller Werkstoffe und neuartiger Aluminium-Komponenten mit bisher unbekannten Makro- und Mikrostrukturen und auf Wunsch modifizierten mechanischen, elektrischen, thermischen, chemischen, optischen und anderen Werkstoffeigenschaften. Damit stehen viele neue Potenziale für die Entwicklung neuer, hocheffizienter Wärmemanagement-Lösungen in allen Industriebereichen bereit.

Das METAHYBRID Materialsystem wurde als BEST OF beim INDUSTRIEPREIS 2018 in der Kategorie "Forschung & Entwicklung" ausgezeichnet.

Konduktion, Konvektion und Radiation ? Herausforderungen bei der Wärmeübertragung

Immer mehr moderne Produkte wie LED-Lichtsysteme, Steuergeräte, Leistungselektronik, Batterien, medizinische Geräte sowie Systeme für Heizung, Belüftung und Klimatisierung benötigen immer effizientere und kompaktere Lösungen für die Wärmeübertragung.

Die Herausforderungen in der heutigen Zeit bestehen in der Anzahl und Komplexität der Probleme. Auf einer Seite müssen immer komplexere Zusammenhänge zwischen drei unterschiedlichen Arten der Wärmeübertragung: Konduktion (Wärmeweiterleitung), Konvektion und Radiation (Wärmestrahlung) betrachtet werden. Auf der anderen Seite führen die Leichtbau-Trends und Interdisziplinarität moderner Anwendungen zum Einsatz von Werkstoffsystemen, die oft dem Bestreben nach dem optimalen Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungskonzept entgegenwirken.

Die für die Wärmeübertragung positiven Eigenschaften der Bauteile hängen von der jeweiligen Art des Wärmetransports ab.

Bei Wärmeleitung sind es höhere Wärmeleitfähigkeit des Stoffes (vgl. Aluminium 99,5% = ca. 236 W/mK, Edelstahl = ca. 20 W/mK, Aluminiumoxid Keramik = ca. 25 W/mK, Kunststoff = ca. 0,5 W/mK), größere Fläche durch die die Wärme strömt und kleinere Dicke des Körpers zwischen heißer und kalter Seiten.

Bei Konvektion spielen außer Stoffeigenschaften auch die Form des Körpers (Rohr, Platte, glatt oder mit mikrostrukturierter Oberfläche) und die dadurch beeinflusste Fluidströmung (laminar, turbulent) eine wichtige Rolle.

Bei Wärmestrahlung sind die Oberflächengröße des abstrahlenden Körpers, seine Temperatur und sein Emissionsgrad ? das Verhältnis der von einem Körper abgegebenen Strahlungsintensität zur Strahlungsintensität eines schwarzen Körpers derselben Temperatur (vgl. Aluminiumblech, blank = ca. 0,1, Edelstahl = ca. 0,3, Aluminiumoxid Keramik = ca. 0,25, Kunststoff = ca. 0,92) sind ausschlaggebend.

Trotz steigender Herausforderungen beschränken sich die anwendungsspezifischen Lösungsansätze seit Jahrzehnten hauptsächlich auf den Einsatz von Komponenten aus massiven Metallen wie Aluminium, Edelstahl oder Kupfer evtl. mit geeigneter Oberflächenbehandlung wie z. B. das Anodisieren bei Aluminium-Kühlkörpern.

Die für die dekorativen, elektrischen oder korrosionsbeständigen Anwendungen notwendige Oberflächenbeschichtungen haben auch meistens einen negativen Einfluss auf die thermischen Widerstände des Gesamtsystems.

METAKER^® Composites.

Optimierung von Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung.

Die METAKER^® Randschichten auf Aluminium sind mikroporöse, mikrostrukturierte Mikro-Verbundwerkstoffe mit bisher unbekannten, einstellbaren, multifunktionalen Eigenschaftenkombinationen, z. B.:

• Sehr gute elektrische Isolation (22 kV/mm)

• Sehr hohe, heterogene Mikrohärte (100 ? 2.200 HV)

• Sehr hohe Korrosions- und Verschleißbeständigkeit

• Mittlere thermische Leitfähigkeit (16 bis 36 W/mK)

In Kombination mit den Werkstoffeigenschaften von Aluminium, lässt sich das Gesamtsystem für unterschiedliche Anwendungen optimieren:

• Wärme leitend, mikrostrukturiert und extrem abriebfest (Tribologie)

• dielektrisch und extrem Wärme leitend (elektrische Kühlung, Thermoelektrik)

• elektrisch leitend und extrem abriebfest (elektrische Kontakte)

• Wärme leitend, korrosionsbeständig und Licht reflektierend (LED, Messgeräte)

• auf dem Untergrund atomar haftend, mikrostrukturiert und aktiviert (Kleben, Laminieren, Imprägnieren, Beschichten)

• und vieles mehr

So kann beispielsweise die Oberflächenhärte eines 99,5% Aluminium-Bauteils von 80 HV auf 300 - 2.200 HV gesteigert werden, eine elektrische Durchschlagfestigkeit bis zu 22 kV/mm, eine Wärmeleitfähigkeit von 210 W/mK und zugleich ein Emissionsgrad von 0,95 erzielt werden.

Gleichzeitig sorgt die mikroporöse, mikrostrukturierte Randschicht mit großer spezifischer Oberfläche für turbulente Grenzschichten und bessere konvektive Wärmeübertragung. Die Korrosionsbeständigkeit kann so gesteigert werden, dass Aluminium z.B. statt Edelstahl genutzt werden kann.

Die Bandbreite der möglichen Oberflächeneigenschaften und ihrer Kombinationen, die auf Leichtmetallen erzielt werden können, ist so groß, dass sie hier nicht näher betrachtet werden kann.

METAKER^® Konzeptbeispiel. Wärmeleitfähige, dielektrische Folien in der Elektronik.

Für manche Anwendungen in der Elektronik werden sogenannte Thermal Pads verwendet. Sie basieren üblicherweise auf einem silikonhaltigen Trägerkomplex und Aluminiumoxid als Wärmeübertragungsmedium und werden auf dem Markt z. B. in solcher Ausführung angeboten:

Abmessungen, (mm): 120 x 20 x 0,5

Einsatztemperatur, (°C): -40 ... +200

Wärmeleitfähigkeit, W/(mK): 8

Dichte, (g/cm³): 3,3

Der absolute Wärmewiderstand R (auch thermischer Widerstand) ist ein Maß für die Temperaturdifferenz, die in einem Objekt beim Hindurchtreten eines Wärmestromes entsteht. Für einen homogenen Körper lässt sich ?R? über die Wärmeleitfähigkeit ???, Körperdicke ?d? und Fläche, durch die die Wärme strömt ?A? berechnen:

R = d / ? A; (Kelvin/Watt)

Der thermische Widerstand des o. g. Thermal Pads beträgt somit 0,026 (K/W).

Würde man gleich großes Aluminiumblech (Al 99,5 %) mit beidseitig modifizieren METAKER^® Oberflächen (Schichtdicke 30 µm) einsetzen, wäre der gesamte thermische Widerstand 0,00188 (W/K).

Im METAKER^® Verfahren lassen sich nicht nur Aluminiumbleche, sondern auch Aluminium Folien und Aluminium Dünnschichten modifizieren. Durch eine atomare Haftung am Grundmaterial und inneren Härtegradient sind solche Oberflächen etwas duktil und können beim Verpressen von dünnen, modifizierten Al-Folien ihre Funktion behalten.

Umgerechnet auf eine 100 µm dicke Aluminiumfolie (99,5 %) wäre der gesamte thermische Widerstand 0,00117 (W/K).

Verringerung des gesamten thermischen Widerstandes von 0,026 (K/W) auf 0,00117 (K/W) bedeutet eine kalkulatorische Verbesserung um 2.136 %. Die Gewichtsreduktion beträgt dabei 18 %.

METAKER^® Industrieanwendung. Infrarotheizung.

Als Infrarotheizungen werden Heizungen bezeichnet, die mehr als 50% der in den Raum abgegebenen Wärmeenergie im Strahlungsanteil haben (restliche 50% sind Anteile von Wärmeleitung und Konvektion), wobei das Strahlungsmaximum im Infrarotbereich liegt. Quarz-Strahler haben mit über 95% den höchsten Strahlungsanteil unter den Infrarotstrahlern.

Technisch ist eine Infrarotheizung einfach: Sie besteht aus einem Heizpaneel aus Stahl bzw. Aluminium, das im Inneren mit Heizelementen ausgestattet ist. Betrieben wird das Ganze mit Strom. Da der Emissionsgrad von blanken Metallen sehr niedrig ist (Aluminium Blech, blank = ca. 0,1), werden die Heizpanels mit einer Farbe überzogen, weil sie höheren Emissionsgrad hat (Kunststoff = ca. 0,92).

Allerdings besitzen die Farben eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit von 0,2 ? 0,5 W/mK ? d.h. nach der Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie wird nur ein kleiner Anteil der Wärmeleistung in Form von Wärmestrahlung durch die Farbschicht abgegeben. Die restliche Wärmeleistung trägt entweder zur direkten Erwärmung der Raumluft bei (Konvektion) oder wird beispielsweise in eine Wand oder Decke abgeleitet (Konduktion), an der der Heizkörper befestigt ist. Bei solchen ?Infrarotheizungen? handelt es sich um Konvektionsheizungen mit gegenüber herkömmlichen Konvektionsheizungen etwas erhöhtem Strahlungsanteil.

Die METAKER^® Modifikation eines Aluminium-Heizpanels erhöht die Wärmeleitfähigkeit der strahlenden Oberfläche von 0,2 ? 0,5 auf ca. 25 W/mK bei einem mit Kunststoff vergleichbaren Emissionsgrad. Fast die hundertfache Menge thermischer Energie kann als Wärmestrahlung abgegeben werden. Aus einer ?Konvektionsheizung mit etwas erhöhtem Strahlungsanteil? wird ein sehr guter Infrarotstrahler mit einem Strahlungsanteil von 75% ? 95% ? nahe am schwarzen Körper.

Seit vielen Jahren werden Infrarotstrahler mit METAKER^® modifiziertem Heizpanel produziert. Durch die optimierte Steuerung konnte laut Hersteller der Stromverbrauch im Vergleich mit konventionell lackiertem Heizpanel um bis zu 60% reduziert werden.

Ein sehr großer Vorteil der METAKER^® Technologie ist die Anwendbarkeit an fertigen Leichtmetallbauteilen und Leichtmetall-Kunststoff-Hybriden mit beliebig komplexen Geometrien.

Neben o. g. Eigenschaften verfügen matte METAKER^® Oberflächen über hervorragende Optik und sehr angenehme Haptik. Die Summe dieser Eigenschaften, die für das moderne Wärmemanagement immer wichtiger werden, kann mit keinem anderen Verfahren hergestellt werden.

OPENPORE Light Metals

Hocheffiziente Wärmeübertragung mithilfe von neuartigen Aluminium-Schäumen.

Seit mehreren Jahrzehnten werden mit verschiedenen Herstellungsverfahren offenporige Aluminiumschäume hergestellt. Ihre Dichte liegt bei 5% ? 20% des Ausgangsmaterials und die offenporige Struktur mit großen Poren zeigt eine sehr gute Durchströmbarkeit für Fluide und Gase. Trotzdem haben sie bisher kaum eine Anwendung in den Wärmeübertragungssystemen gefunden. Zum einen sind sie unflexibel in der Formgebung und Fügetechnik. Zum anderen bietet die poröse Materialstruktur zwar sehr große spezifische Oberfläche, aber die Metallschaumstege sind zu dünn, um ausreichend Wärme in das Material transportieren zu können. Die Angaben in der Fachliteratur beziffern die Wärmeleitfähigkeit von konventionellen offenporigen Aluminium-Schäumen zwischen 6 und 7 W/mK.

Im Vergleich zu den konventionellen offenporigen Aluminium-Schäumen bietet OPENPORE offenporiger Aluminiumguss viele neue, für das effiziente Wärmemanagement relevante Werkstoffeigenschaften:

• leicht (1,3 g/cm³),

• bis zu 8-mal höheren Materialanteil,

• bis zu 8-mal höhere thermische Leitfähigkeit,

• bis zu 20-mal höhere Druckfestigkeit,

• flexibel einstellbare Porengrößen von wenigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern,

• neuartige, sanduhrförmige Porentopologie mit neuen mechanischen, strömungsmechanischen und akustischen Eigenschaften,

• beliebige Formgebung durch konventionelle mechanische Bearbeitung,

• Umsetzung beliebiger Strömungsgeometrien (Kanäle, Mäander, Labyrinth, Fischgratmuster etc.) in der porösen Struktur,

• Umsetzung teilporöser Strukturen,

• flexible Integration von massiven Materialbereichen in die Schaumstruktur,

• flexible Integration von selektiv porösen Bereichen in das massive Material,

• flexible Integration von Funktionen in die porösen und massiven Bereiche der Schaumstruktur,

• flexible Bildung vom Werkstoff-Hybriden mit anderen Werkstoffen (Kupferrohre etc.),

• Modifikation von Werkstoffeigenschaften im METAKER Verfahren,

• Einsatz von zahlreichen, konventionellen Fügeverfahren (Umformen, Urformen, Schrauben, Nieten, Löten, Kleben u. a.).

Mit diesen Eigenschaften kombiniert der offenporige Aluminium-Kokillenguss die Vorteile von massivem Aluminium-Kokillenguss, Sintermetallen sowie konventionellen Aluminium Schäumen und bietet viele neue Anwendungspotenziale, weit über das hocheffiziente Wärmemanagement.

METAHYBRID Wärmemanagement-Konzepte

Die modernen METAHYBRID Technologien erlauben bereits heute eine Serienproduktion von bisher undenkbaren, hocheffizienten Wärmemanagement-Lösungen. Für die nachhaltige Umsetzung solcher Lösungen steht ein internationales METAHYBRID Technologiekonsortium zur Verfügung. Es umfasst mehrere Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen und bietet eine vollständige Wertschöpfungskette von der Entwicklung und Simulation von Werkstoffen, über die Prozess- und Produktentwicklung bis hin zur Produktion, Standardisierung und Technologietransfer.

 

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Datum: 24.10.2019 - 10:20 Uhr
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