Programm

Im Vortrag wird die grundlegende Physik der Wärmeübertragung zusammengefasst. Dazu gehören die Wärmeleitung, der Wärmeübergang von einer Festkörperoberfläche in das angrenzende Fluid und die Wärmestrahlung. In der Praxis ist der thermische Kontaktwiderstand zwischen zwei Festkörperoberflächen oft der Flaschenhals im Wärmepfad von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke. Einfache Gleichungen dazu werden anhand praktischer Beispiele diskutiert. Diese ermöglichen mit Überschlagsrechnungen thermische Verhältnisse abzuschätzen bzw. Simulationsergebnisse zu überprüfen.

Phasenwechselmaterialien (PCM) sind Substanzen, die bei einer bestimmten Temperatur ihre Phase ändern. Diese Eigenschaft ermöglicht es ihnen, thermische Energie zu speichern. Welche Vorteile ergeben sich aus dem Einsatz von PCM und worauf sollten Entwickler achten?

Das Zeitalter der Industrialisierung weicht dem Kollaborationszeitalter: Deutsche Unternehmen können durch gezielte Zusammenarbeit große Potenziale gegenüber internationalen Wettbewerbern ausschöpfen. Um diese Chancen zu nutzen, müssen sie lernen, ihre Prioritäten klar zu setzen und sich zu fokussieren. Kollaboration entlang der gesamten Wertschöpfungskette verschafft ihnen einen entscheidenden Marktvorteil und verkürzt die Time-to-Market.

Externe Kollaboration: Der Erfolg liegt in der Zusammenarbeit über Unternehmensgrenzen hinweg. Unternehmen, die Ressourcen und Know-how mit Partnern teilen, entwickeln gemeinsam innovative Produkte. Dies stärkt die regionale Wirtschaft und senkt die Abhängigkeit von globalen Lieferketten.

Interne Kollaboration: Innerhalb einer Firma bieten kollaborative Ansätze enorme Möglichkeiten, mehr Wert zu liefern. Transparenz, klare Priorisierung und strategische Führung sind dabei essenziell. Eine kultursensible Organisationsentwicklung fördert eine neue Kultur des Verständnisses und der Zusammenarbeit. Diese Faktoren verbessern das Time-to-Market und steigern die Zufriedenheit der Mitarbeiter.

Durch die geschickte Kombination von externer und interner Zusammenarbeit werden Unternehmen zukunftsfähig und langfristig am Markt erfolgreich. Das Kollaborationszeitalter bietet die Grundlage für nachhaltiges Wachstum und Innovation.

Nach einem kurzen Überblick über den typischen Ablauf einer Produktentwicklung, wird der richtige Zeitpunkt für den Einsatz eines CFD-Werkzeuges zur Analyse des thermischen Verhaltens des Produktes diskutiert.

Der Vortrag erläutert den physikalischen Hintergrund hinter einem Simulationsmodell, die Diskretisierung der physikalischen Beschreibungen in einer virtuellen Klimakammer und die berechneten Ergebnisse. Gleichzeitig wird ein erster Eindruck über die Möglichkeiten der Importschnittstellen aus anderen Entwicklungswerkzeugen, die Umsetzung in ein Simulationsmodell und die Regeln zur physikalisch korrekten Beschreibung von Elektronikkomponenten vermittelt.

Die Komponenten der Membran-Elektroden-Einheit in PEMFC-Brennstoffzellen weisen ebenso wie viele dünne Grenzflächenmaterialien stark richtungsabhängige Wärmeleiteigenschaften auf. Ihre Bestimmung ist mit herkömmlichen Methoden nur eingeschränkt möglich. 

Im Vortrag von Oliver Roser stellt er ein neues Messverfahren inklusive Messaufbau vor, mit dem sowohl die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene als auch durch die Ebene präzise bestimmt werden kann. Die Messungen werden unter definierter Flächenpressung durchgeführt. Der Temperaturbereich liegt zwischen 0 und 100 °C.

Ergänzend bietet das Verfahren die Möglichkeit, die Wärmeleitfähigkeit poröser Materialien in Abhängigkeit vom Füllgas und der Feuchte im Füllgas zu bestimmen. 

Der Vortrag gibt einen Einblick in den Aufbau der Messapparatur, die verwendeten Auswerteverfahren und erste Messergebnisse. Abschließend werden mögliche Einsatzgebiete und zu erwartende Unsicherheiten des Verfahrens diskutiert.

In den letzten drei Jahren ist der Bedarf an Prüfungen mit höheren Stromdichten in verschiedenen Anwendungsbereichen deutlich gestiegen. Fixtest hat auf diese Entwicklung reagiert und innovative Lösungen für die Kontaktierungstechnik entwickelt.

In Zusammenarbeit mit dem ZfW wurden luftgekühlte Kontakte entwickelt: Der Federkontakt FK-891 kombiniert ein verbessertes Kontaktdesign mit der Möglichkeit einer aktiven Kühlung. Bei einem Durchmesser von nur 4,2 mm bietet er eine Dauerstrombelastbarkeit von 160 A. Die Kontaktbuchse FK-893 kontaktiert mit 4-mm-Rundstiftkontakten.

Durch die passive Kühlung über das Messinggehäuse, die Temperaturregelung über integrierte Luftkanäle und die aktive Kühlung über eine zusätzlich angebrachte Wasserkühlung ermöglichen die Prüfköpfe Leistungsstufen von 600, 1.200 bis 2.500 A. 

Bei der Entwicklung der Hochstrom-Federkontakte kam das Simulationsmodell ThermoSim zum Einsatz. Es simuliert die Temperaturentwicklung des Federkontaktstiftes während der Prüfung, indem das Belastungsprofil des jeweiligen Prüfvorgangs eingegeben wird. Dies verkürzt die Entwicklungszeit einer Testlösung.

Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:

Die Teilnehmer werden mit dem Wärmemanagement bei elektrischen Kontaktierungen für hohe Ströme vertraut gemacht. Sie werden verstehen, wie wichtig das Wärmemanagement bei elektrischen Kontaktierungen für hohe Stromdichten ist und wie verschiedene Methoden und Technologien angewendet werden können, um die Effizienz und Zuverlässigkeit dieser Systeme zu gewährleisten. Durch fundiertes Wissen und praktische Anwendung lassen sich zukünftige Probleme mit hohen Stromdichten vermeiden.

Die anhaltende Miniaturisierung und steigende Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer von elektronischen, mechatronischen und manchen mechanischen Systemen verlangen nach immer besseren Wärmemanagementkonzepten.

Die neuartigen PORECOOL Wärmemanagement-Komponenten,

wie Kühlkörper, Wärmeübertrager oder Wärmespeicher, werden aus neuer Leichtbau-Werkstoffklasse - offenporigem Aluminiumguss hergestellt. Sie unterscheiden sich substanziell von konventionellen massiven Komponenten mit Rippen, Lamellen und Pins, offenporigen Aluminiumschäumen sowie generativ hergestellten TPMS-Strukturen.

Mit ihren bisher unbekannten Eigenschaften ermöglichen sie unkonventionelle Lösungswege im Wärmemanagement mit neuen technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Potenzialen.

Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:

Poröses Aluminium ist eine etablierte und kostengünstige Serientechnik. Die daraus resultierenden Kühlsysteme sind leichter, kleiner, leiser, multifunktionaler und langlebiger als konventionelle Kühlsysteme. Schließlich bieten sie neue Lösungsansätze für komplexe Probleme und neue Potenziale für die thermische Optimierung von Produkten.

Dank CelsiusEC können wir alle Details der Temperatursimulation in der virtuellen Welt visualisieren. Zusammen mit Tobias Best von Alpha Numerics begeben wir uns auf eine Reise entlang der Wärmepfade durch ein elektronisches Gerät. Der Referent stellt praxisnah die Temperaturbarrieren und möglichen Wärmeautobahnen dar, um die besten Kühlmöglichkeiten zu finden.

Es werden Dos and Don'ts in der Elektronikkühlung behandelt und kleine Anekdoten aus 28 Jahren Praxiserfahrung eingebunden.

Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:

Die Teilnehmer lernen die physikalischen Grundlagen von Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung zu verstehen und anzuwenden. Sie erlangen die Fähigkeit, Wärmepfade in elektronischen Geräten zu analysieren und zu bewerten. Darüber hinaus lernen die Teilnehmer, welche Optimierungsmöglichkeiten es gibt, wie diese angewendet werden können und welche spezifischen Auswirkungen sie auf die Entwärmung haben. 

Die Effizienz von thermischen Interface-Materialien (TIM) spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung elektronischer Geräte und Systeme. Die Entwicklung von TIMs erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der thermischen Eigenschaften und eine präzise Optimierung, um die Wärmeleitung zu
verbessern und die Temperaturstabilität zu gewährleisten.

In diesem Zusammenhang bietet die Integration von Simulationstechniken, künstlicher Intelligenz (KI), zirkulärer Entwicklung und Big-Data-Management neue Perspektiven für die Entwicklung verbesserter TIMs. Simulationstechniken helfen dabei, virtuelle Modelle zu erstellen, um das Verhalten von TIM unter verschiedenen Bedingungen zu analysieren. Anhand dieser Modelle können potenzielle Designs bewertet und Optimierungen vorgenommen werden, bevor physische Prototypen hergestellt werden.

Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:

Hier ist ein Verständnis der thermischen Anforderungen in der Applikation zu nennen. Denn die spezifischen thermischen Anforderungen müssen während der Entwicklung identifiziert und analysiert werden. Dazu gehören die Bestimmung der benötigten Wärmeleitfähigkeit, Temperaturstabilität und mechanischen Eigenschaften der thermischen Interface-Materialien (TIMs).

In modernen elektronischen Systemen und insbesondere in Energieanwendungen müssen wir immer auf zwei Hauptaspekte achten: Wirkungsgrad und Wärmemanagement. Der Wirkungsgrad bestimmt, wie viel Leistung tatsächlich verlustfrei übertragen wird. Das Wärmemanagement im Leiterplattendesign soll sicherstellen, dass die Leiterplatten in Systemen betrieben werden können und dabei auf einem akzeptablen Temperaturniveau bleiben. Es besteht ein wachsender Bedarf an speziellen Lösungen für die Wärmeableitung in elektronischen Produkten. Bei der Übertragung hoher Ströme oder Frequenzen entsteht zwangsläufig Wärmeenergie. Diese Wärmeenergie muss abgeführt werden, um einen Temperaturanstieg  in der Anwendung zu vermeiden. Bei unzureichender Wärmeabfuhr kann es zu Schäden an den Bauteilen oder in jedem Fall zu einer Verkürzung der Lebensdauer kommen. Durch die rasante technologische Entwicklung sind die Anforderungen nicht zuletzt an die Leiterplatten gestiegen. In diesem Vortrag werden die Entwicklungen auf diesem Gebiet und die zur Verfügung stehenden Methoden des Wärmemanagements beschrieben.

Digitalisierung und Elektrifizierung sind Wegbereiter für die Transformation zu einer nachhaltigen und klimaneutralen Wirtschaft und Gesellschaft. Digitale Produktpässe können bei richtiger Ausgestaltung – dezentral und sektorspezifisch – zu einem verbesserten Informationsfluss über den gesamten Produkt-Lebenszyklus beitragen. Die Einführung eines solchen Digitalen Produktpasses, wie er aktuell unter dem Gesetzesentwurf für die EU-Ökodesign-Verordnung diskutiert wird, sollte so ausgestaltet werden, dass die Bedürfnisse der gesamten Produktregulierung EU-weit einheitlich adressiert werden.

Der ZVEI hat mit dem Konzept „DPP 4.0 – Der Digitale Produktpass für Industrie 4.0“ für industrielle Anwendungen (B2B-Bereich) einen dezentralen Lösungsansatz für einen digitalen Produktpass auf Basis sog. Teilmodelle der Verwaltungsschale (IEC 63278-1) entwickelt und die Anwendbarkeit im Rahmen eines Pilotprojektes zum digitalen Typenschild erfolgreich demonstriert.

Der Vortrag zeigt einen Aufbau, der heutige Modulaufbauten mit der im Hochleistungsbereich der Scheibenzellen üblichen Direktkühltechnik kombiniert. 

Im Gegensatz zu Wechselrichtern kleinerer Leistungen sind hier elektrisch aktive Kühlkörper bereits Stand der Technik. Der damit verbundene Wegfall der Isolation zwischen Halbleiter und Kühlkörper reduziert gleichzeitig die thermischen Widerstände. Dies führt zu einer besseren Ausnutzung der Halbleiter und zu höheren Strom- und Leistungsdichten. Änderung der Aufbauund Verbindungstechnik, die den höheren Strombelastungen zuverlässig standhalten kann. Der Einsatz dielektrischer Kühlflüssigkeiten ist für den Aufbau unabdingbar, aber auch der Stand der Technik.

Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:

Klassische flüssigkeitsgekühlte Module steigern die Leistungsfähigkeit der Leistungselektronik, stoßen aber an physikalische Grenzen. Die Teilnehmer des Vortrags erfahren, wo diese Grenzen liegen und erhalten Einblicke, wie neue Konzepte diese Grenzen in Zukunft weiter verschieben können. Im Fokus steht dabei, wie durch die Reduktion thermischer Widerstände und die Optimierung der Aufbau- und Verbindungstechnik höhere Leistungsdichten und eine effizientere Kühlung erreicht werden können. Damit werden Wege aufgezeigt, die Leistungsfähigkeit und Effizienz leistungselektronischer Systeme weiter zu steigern.

Optoelektronische Bauteile spielen in verschiedenen Bereichen eine entscheidende Rolle, von der Telekommunikation und autonomen Systemen bis hin zur industriellen Automatisierung und Sicherheit. Ihre Leistung und Lebensdauer hängen maßgeblich von der Aufrechterhaltung einer stabilen und kühlen Betriebstemperatur ab. Genau hier kommt die fortgeschrittene thermoelektrische Kühlung ins Spiel.

Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:

Vor allem die Relevanz von Kühlung und Temperaturstabilisierung. Eine stabile Betriebstemperatur ist entscheidend für die Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit optoelektronischer Bauteile. Hinzu kommen die Auswirkungen von Temperaturschwankungen wie Datenverlust in der Telekommunikation, Frequenzänderungen bei Lasern und ein erhöhtes Rauschen bei Photodetektoren. Die Teilnehmer werden auch lernen, wie der Peltier-Effekt funktioniert und wie thermoelektrische Kühler durch elektrischen Stromfluss einen Temperaturunterschied erzeugen.

Die Leistung moderner Mikroelektronik steigt stetig, was zu einer erhöhten Wärmeentwicklung führt. Diese Wärme muss abgeführt werden, um die Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit der Elektronik zu gewährleisten.

Sowohl Heat Pipes als auch Peltiermodule sind altbekannte Bauteile des Thermal Managements. Von Heatsinks über Heatspreader bis hin zur thermischen Entkopplung werden Heat Pipes weitverbreitet eingesetzt, wohingegen Peltiers ein Nischendasein in der aktiven On-Spot Kühlung, der Temperaturstabilisierung, dem Temperaturwechsel (Cycling) oder der Kleinstkühlung fristen. Neue Technologien oder auch eine breitere Verbreitung von bestehender Technologie haben jedoch auch größere Anforderungen an des Thermal Management.

Heat Pipes und Peltiermodule sind jedoch etwas trickreich in der Anwendung, da beide ein nicht lineares Betriebsverhalten aufweisen. Heat Pipes arbeiten je nach Lage, Einbausituation und Temperatur unterschiedlich und Peltiermodule haben bei steigender Kühlleistung eine überproportional steigende Abwärmeleistung. In diesem Vortrag werden das Design und die Möglichkeiten von Heatpipe-Peltier-Kombinationen beschrieben und eine praktische Auslegungsanleitung gegeben. 

Das lernen die Teilnehmer im Vortrag:

Anhand verschiedener Anwendungsbeispiele wird gezeigt, wie die Auslegung von thermoelektrischen Kühlsystemen in Verbindung mit verschiedenen konvektiven Kühlkörpern (Aluminiumextrusion und Heatpipe) erfolgt. Die Teilnehmer können anhand dieser 'Kochrezepte' das Kühlkonzept planen und anschließend auslegen, wodurch das Systemverständnis verbessert wird.