Die nächste Leistungsgrenze ist thermisch

Warum mehr Leistung auf weniger Raum Thermomanagement zur Architekturfrage macht

Ein System stellt bei einem Wirkungsgrad von 95 Prozent eine Nutzleistung von 100 kW bereit. Dabei entstehen rund 5,3 kW Verlustleistung, die als Wärme abgeführt werden müssen. Steigt die Leistung bei gleichem Wirkungsgrad auf 120 kW, sind es bereits rund 6,3 kW; häufig im gleichen oder sogar kleineren Bauraum. Was nach technologischem Fortschritt klingt, wird damit schnell zu einer physikalischen Herausforderung: Wohin mit der Wärme?

Ob KI-Recheneinheit, Fahrzeugumrichter, schnellladende Batterie oder Satellit: Die Anwendungen könnten unterschiedlicher kaum sein. Dennoch kämpfen Entwickler mit Varianten desselben Problems. Höhere Rechenleistung, kürzere Ladezeiten, kompaktere Elektronik und steigende Leistungsdichten führen dazu, dass immer mehr Wärme auf begrenztem Raum beherrscht werden muss. Bei Hochleistungselektronik können lokale Wärmestromdichten bereits mehrere hundert Watt pro Quadratzentimeter erreichen. Die nächste Leistungsgrenze moderner Technik könnte deshalb zunehmend thermisch bestimmt sein.

Wenn Kühlung zur Architekturfrage wird
"Wenn die Kühlung erst am Ende der Entwicklung betrachtet wird, ist das eigentliche Problem häufig längst konstruiert", sagt Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle, Geschäftsführender Gesellschafter der Merkle CAE Solutions GmbH. "Bei hohen Leistungsdichten wird Thermomanagement zur Architekturfrage. Bauraum, Materialien, Strömungsführung, Kontaktflächen und Betriebsstrategie müssen gemeinsam betrachtet werden."

Denn eine zulässige Maximaltemperatur allein sagt wenig über die thermische Qualität eines Systems aus. In der Leistungselektronik kann eine ungünstige Grenzfläche einen lokalen Hotspot verursachen. In einem Batteriesystem können trotz akzeptabler Maximaltemperatur große Temperaturunterschiede zwischen den Zellen entstehen. Bei hochpräzisen Strukturen können Temperaturgradienten wiederum thermische Dehnungen und damit funktionskritische Verformungen hervorrufen.

Aus einem Wärmeproblem wird Multiphysik
Damit reicht es zunehmend nicht mehr, lediglich zu berechnen, wie heiß ein Bauteil wird. Entscheidend ist, wie Wärme entsteht, durch Materialien und Kontaktflächen transportiert, von Kühlmedien aufgenommen und an die Umgebung abgegeben wird. Ebenso wichtig ist die Frage, welche Auswirkungen die Temperatur anschließend auf andere physikalische Größen hat.
Genau hier werden gekoppelte Simulationen relevant. CFD bildet beispielsweise Kühlströmungen und Wärmeübergänge ab, thermische Modelle zeigen Temperaturverteilungen, FEM berechnet daraus resultierende Spannungen und Verformungen. Parameterstudien ermöglichen zusätzlich, Kühlkanäle, Volumenströme, Materialien oder Bauteilanordnungen virtuell zu verändern, bevor die Konstruktion festgelegt ist.

Nicht mehr Leistung um jeden Preis
Der Nutzen liegt deshalb nicht nur darin, ein fertiges Kühlkonzept abzusichern. Simulation kann bereits in frühen Entwicklungsphasen zeigen, wo die thermische Grenze eines Gesamtsystems entsteht und welche konstruktive Änderung sie verschieben kann.
Damit verändert sich auch die Rolle des Thermomanagements. Es folgt nicht mehr zwangsläufig auf die Entwicklung leistungsfähigerer Komponenten, sondern wird selbst zu einer Voraussetzung für weitere Leistungssteigerungen.
Für Entwickler lautet die entscheidende Frage deshalb künftig möglicherweise nicht mehr nur: "Wie viel Leistung können wir erzeugen?" Sondern: "Wie viel davon können wir thermisch beherrschen?"

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Das Unternehmen Merkle CAE Solutions GmbH in Heidenheim wurde 1989 als Merkle & Partner GbR von Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet. Merkle CAE Solutions GmbH zählt zu den ersten und führenden Dienstleistern für ingenieurwissenschaftliche Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Homburg/Saar und Erfurt bearbeiten die ca. 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtuelle Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie, der Konsumgüterindustrie und dem Schiffbau.

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