Heatpipes

Hocheffektiver Wärmetransport auf kleinster Fläche

Heatpipes, zu Deutsch Wärmerohre, sind mit einem Fluid befüllte Rohre, die auf kleiner Fläche große Wärmemengen transportieren können. Der Wärmetransport in einer Heatpipe erfolgt über latente Wärme, d.h. die Verdampfung und Rekondensation eines Fluids. Diese Art des Wärmetransports ist enorm effektiv: Gegenüber einem massiven Körper gleicher Dimension transportiert eine Heatpipe eine um den Faktor 100 bis 1000 größere Wärmemenge. Heatpipes leiten Wärme somit besser als jedes andere bekannte Material.

Standardmäßig eingesetzt werden Heatpipes beispielsweise in Computern, wo sie Prozessoren und andere Bauteile vor Überhitzung schützen. Aber auch in der E-Mobilität, Gebäudetechnik oder der Luft- und Raumfahrt steigt bedingt durch den technischen Fortschritt und immer höhere Leistungsdichten der Bedarf an hocheffektiver Elektronik-Kühlung. Auch hier werden Heatpipes mittlerweile zunehmend zur Entwärmung eingesetzt. Viele weitere Anwendungsfelder sind denkbar – immer dann, wenn auf kleinem Raum große Wärmemengen abgeführt und transportiert werden sollen.

Schaltbare Heatpipes als Wärmeschalter

Mithilfe von Wärmeschaltern lassen sich Wärmeströme ein- und ausschalten oder regeln – ganz ähnlich, wie man es von elektrischen Schaltern kennt. Für die breite Anwendung – etwa zur Temperierung von Bauteilen in der Elektromobilität, der Batterietechnik oder im Maschinenbau – müssen die thermischen Schalter effizienter und kostengünstiger werden. Konventionelle Konzepte für Wärmeschalter sind mit einigen Nachteilen behaftet: Der Wärmewiderstand im leitenden »Ein«-Zustand ist hoch, die Schalter sind groß, oft komplex aufgebaut und beinhalten bewegliche Teile.

Fraunhofer IPM arbeitet gemeinsam mit weiteren Fraunhofer-Instituten an einer neuen Generation thermischer Schalter, basierend auf schaltbaren Heatpipes. Die schaltbaren Heatpipes sind kompakt und kommen ohne bewegliche Teile aus. Aufgrund der einfachen Bauweise sind diese Bauteile ohne großen Aufwand integrierbar und versprechen deutlich höhere Wärmetransportfähigkeiten.

Zur Realisierung der schaltbaren Heatpipes verfolgen wir verschiedene Konzepte: So werden beispielsweise im Rahmen des »Fraunhofer-Exzellenz-Clusters Programmierbare Materialien CPM« sogenannte programmierbare Materialien in die Heatpipes integriert, die den thermischen Schalteffekt auslösen. Alternativ werden flache pulsierende Heatpipes (PHPs) mit zusätzlichen externen Elemente versehen, die eine Schalt- und Regelbarkeit ermöglichen.

Der auf diesen Konzepten basierende Schalteffekt wurde am Fraunhofer IPM bereits nachgewiesen und wird nun in anwendungsnahe Heatpipe-Formen wie die bekannte zylindrische Rohr-Heatpipe oder die flache pulsierende Heatpipe (PHP) umgesetzt.