Kühlen und Entwärmen mit Heatpipes

Hocheffektiver Wärmetransport

Heatpipes zeichen sich durch ihre Fähigkeit aus, auf kleiner Fläche große Wärmemengen zu transportieren. Gegenüber einem massiven Körper gleicher Dimension transportiert eine Heatpipe einen um den Faktor 100 bis 1000 größeren Wärmestrom. Heatpipes leiten Wärme somit besser als jedes andere bekannte Material und sind damit geeignet für eine breite Palette von Anwendungen. Die nachfolgend genannten Szenarien stehen beispielhaft für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Heatpipes, die ihre Vorteile immer dort ausspielen, wo eine hocheffektive, passive und kompakte Wärmeübertragung gefragt ist.

Elektronik – Hochleistungsbauteile entwärmen

Mit steigender Leistung und Packungsdichte elektronischer Bauteile steigt auch die auf engem Raum erzeugte Abwärme stark an. Mittlerweile werden 55 Prozent der Ausfälle von Elektronikbauteilen allein durch erhöhte Temperaturen verursacht. Mit Heatpipes, insbesondere sogenannten pulsierenden Heatpipes, können viele Entwärmungsprobleme gelöst werden, indem Wärme effektiv und mit wenig Platzbedarf aus »Hot Spots« abgeführt wird.

Elektromobilität – effizientes Wärmemanagement

Der Einsatz von Heatpipes als Wärmeübertrager kann wesentlich zu einem effizienteren Wärmemanagement von Elektrofahrzeugen beitragen. Mehrere Vorteile machen sie dabei zu einer Zukunftstechnologie für nachhaltige Mobilität: Heatpipes zeichnen sich durch ihr geringes Gewicht aus und müssen nicht gewartet werden. Vor allem aber erstrecken sich ihre Einsatzmöglichkeiten in E-Fahrzeugen auf zahlreiche Komponenten, Bauteile und Fahrzeugbereiche wie beispielsweise Umrichter und Batterie-Stacks.

Luft- und Raumfahrt – Entwärmung von Satelliten-Bauteilen

Bei zukünftigen Satelliten-Generationen können einzelne Funktionsmodule (z. B. Telekommunikationsmodule) Abwärmeleistungen von mehreren kW generieren. Des Weiteren werden immer mehr kompakte und leichtgewichtige Nanosatelliten mit engräumig angeordneten Bauteilen hoher Wärmeleistungsdichte eingesetzt. Neben dem Einsatz von konventionellen separaten Heatpipes ermöglicht die nahezu grenzenlose Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks die direkte Integration von Wärmerohren in komplexe dreidimensionale Strukturen.

Wärmeschaltende Heatpipes – nutzbar für viele Anwendungen, z. B. in der Raumfahrt

Fraunhofer IPM arbeitet gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten an einer neuen Generation thermischer Schalter, basierend auf schaltbaren Heatpipes. Die schaltbaren Heatpipes sind kompakt und kommen ohne bewegliche Teile aus. Am Fraunhofer IPM wurde ein Demonstrator gebaut, der eine Schalttemperatur von etwa 60 °C und einen Schaltfaktor – d.i. das Verhältnis der thermischen Leitfähigkeit im Ein- und Auszustand – von etwa 50 aufweist. Aufgrund der einfachen Bauweise sind diese Bauteile ohne großen Aufwand integrierbar, versprechen hohe Wärmetransportfähigkeiten und lassen sich vielseitig einsetzen. Hierbei lassen ich Abmessungen, Gestalt und Schalttemperatur für verschiedene Anwendungen anpassen. Als konkreter Anwendungsfall wird zur Zeit die Temperierung von Bauteilen in Raumfahrzeugen wie z. B. Satelliten untersucht.