Projekt 24321/01

Applizierung des elektrokinetischen Wirkprinzips zur Bewegung von Fluiden in Mikrokühlsystemen

Projektdurchführung

Technische Universität Dresden Institut für Thermodynamik und Technische Gebäudeausrüstung
Mommsenstr. 13
01062 Dresden

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Kühlung Wärme erzeugender elektronischer Baugruppen in Computern oder anderen Bürogeräten(Fax, Kopierer) erfolgt heute in der Mehrheit der Fälle direkt durch Nutzung von Umgebungsluft. Dabei ist eine Belastung dieser Kühlluft mit innerhalb der Geräte emittierten Schadstoffen unvermeidlich. Dies führt zur Beeinträchtigung des Arbeitsklimas und vermehrtem Lüftungs- und damit Heizungsbedarf .Eine Alternative besteht im Einsatz eines geschlossenen Zweiphasen-Kühlkreislaufes bestehend aus Pumpe, Mikroverdampfer und Kondensator, wobei die Umgebungskühlluft - separat geführt - nur mit dem Kon-densator in Kontakt kommt und das Gerät ohne Schadstoffbelastung wieder verlassen kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung eines geschlossenen Zweiphasen-Kreislaufes für die Kühlung elektronischer Bauteile erfordert verschiedene Arbeitsschritte: die Auswahl einer geeigneten Pumpe, die Auslegung eines Mikro-verdampfers zum Wärmeabtransport am Bauteil, die Konstruktion eines kompakten Kondensators zur Übergabe der Wärme an die Umgebungsluft und das Studium des Gesamtsystemverhaltens. Hinsichtlich der Pumpe wird das elektrokinetische Wirkprinzip favorisiert, da diese Pumpen ohne mechanisch bewegte Teile arbeiten und dadurch eine sehr hohe Lebensdauer aufweisen. Die Eignung dieses neuartigen Pumpentyps wird anhand detaillierter experimenteller Untersuchungen getestet. Die Nutzung des Phasenüberganges für die Wärmeabfuhr reduziert die Menge des umzuwälzenden Kühlmittels erheblich, so dass hochgerechnet auf die Betriebsdauer eines solchen Kühlsystems eine enorme Einsparung hinsichtlich der Antriebsleistung erzielt wird. Die Entwicklung geeigneter Verdampfer erfordert jedoch zunächst die experimentelle Untersuchung des Blasensiedens in Mikrokanälen. Da der Einsatz von Wasser als Kühlmittel aus umweltrelevanten Gründen und wegen der für elektrokinetische Pumpen benötigten Leitfähigkeit erforderlich ist, muss im System zur Gewährleistung der benötigten Siedetemperatur ein Unterdruck herrschen.
Pumpe, Verdampfer und Kondensator arbeiten in einem geschlossenen Kreislauf zusammen, dessen instationäres (dynamisches) Verhalten im Detail untersucht werden muss. Auf der Basis entsprechender Experimente wird eine Modellierungssoftware entwickelt, die - validiert mit Messergebnis - zur Auslegung verschiedenartiger Zwangsumlauf-Mikrokühlsysteme verwendet werden kann.


Ergebnisse und Diskussion

Die detaillierte experimentelle Untersuchung der elektrokinetischen Pumpe (Prototyp) zeigte, dass dieses Prinzip grundsätzlich zur Förderung von Fluiden geeignet ist. Erreichbare Masseströme und Druckerhö-hungen korrelieren mit den Erfordernissen für den Einsatz in Mikrokühlsystemen. Grundvoraussetzung ist das Vorhandensein elektrischer Ladungsträger im Fluid, die beim Einsatz von Kältemitteln zugesetzt werden müssten. Hinsichtlich der Langzeit-Laufeigenschaften weisen diese Pumpen extreme Nachteile auf, die einen derzeitigen Einsatz zur Fluidförderung in Kühlkreisläufen ausschließen. Dazu gehören insbesondere die ungelösten Problemstellungen der Rekombination der entstehenden Synthesegase und der Vermeidung des Verschmutzens des Glasfilters.
Bei der Entwicklung von Mikroverdampfern wurden im Resultat der Projektarbeiten beachtliche Fortschritte erzielt. Dazu zählen zum einen die Entwicklung bzw. Validierung empirischer Beziehungen zur Berechnung von Wärmeübergang und Druckverlust in Mikrokanälen bei einer Zweiphasenströmung. Es wurden Modellkanäle mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt gefertigt und mit allen benötigten Sensoren bestückt. Andererseits erfolgte die Konstruktion, Fertigung und Vermessung konkreter Mikroverdampfer-Prototypen. Diese wurden in einen Modellkühlkreislauf implementiert und untervariablen Randbedingungen (Wärmezufuhr, Kühlmittel Wasser oder Kältemittel SES36) getestet. Dabei kamen auch innovative Technologien wie z. B. der Einsatz von offenzelligen Metallschäumen im Verdampfer zur Anwendung. Die Untersuchungen zeigten, dass die thermische und hydraulische Auslegung eines Ver-dampfers vielseitig und anspruchsvoll ist, die im Projekt geschaffenen empirischen Werkzeuge eine wich-tige Hilfestellung zur Erreichung dieses Zieles leisten.
Zur Vorhersage des instationären Verhaltens eines Mikrokühlkreislaufes nach der sprunghaften Ände-rung einer Randbedingung (z. B. der plötzlichen Erhöhung der Wärmezufuhr) wurden sowohl experimentelle als auch schwerpunktmäßig programmiertechnische Arbeiten durchgeführt. Hierbei besteht das Ziel darin, die durch die vorhandenen Wärmekapazitäten im Kreislauf geprägte zeitliche Veränderung der CPU-Temperatur vorherzubestimmen. Zur Validierung des Berechnungsalgorithmus wird eine Messdatenbasis benötigt, die mit Hilfe eines Modellkühlkreislaufes erstellt und vervollständigt wurde und wird. Der Berechnungsablauf an sich ist sehr anspruchsvoll, da alle Bauteile des Kreislaufes hydraulisch und thermisch modelliert werden müssen (hier fließen Gleichungen ein, die aus obigen Messdaten abgeleitet wurden). Die vielschichtige Verknüpfung der Bauteileigenschaften untereinander kann unter Zuhilfenah-me von Gesetzmäßigkeiten aus der Elektrotechnik (Knoten, Maschen) modelliert werden, schlussendlich muss ein nichtlineares Gleichungssystem mathematisch behandelt und einer konvergenten Lösung zugeführt werden.
Besonderes Augenmerk wurde auf die Schaffung einer universellen, benutzerfreundlichen und mit Si-cherheitstests ausgestatteten Bedienoberfläche des Programmsystems gelegt. Da diese Arbeiten in einer Dissertationsschrift münden sollen erfolgt deren Ausführung - ebenso wie die experimentelle Untersu-chung der Zweiphasenströmung - auf einem promotionswürdigen wissenschaftlichen Niveau. Die Vervollständigung der messtechnischen Datenbasis als auch die algorithmische und programmiertechnische Verfeinerung des Berechnungsmoduls werden im Anschluss an das von der DBU geförderte Projekt aus eigenen Mitteln der TU Dresden weitergeführt.
Die während des Projektes erreichten wissenschaftlichen Ergebnisse korrespondieren im Nachhinein nur wenig mit dem Titel des Projektes, da das elektrokinetische Wirkprinzip nicht appliziert werden konnte. Dies war jedoch in der Phase der Antragstellung nicht einschätzbar. Aus diesem Grund wurde der Schwerpunkt der Projektarbeiten auf die Entwicklung anderer Komponenten des Kühlkreislaufes und die Modellierung dessen Betriebverhalten verlagert. Damit tragen die Resultate maßgeblich zur Entwicklung von Mikrokühlkreisläufen mit Phasenübergang zur Elektronikkühlung bei - wenn auch mit alternativen Pumpenkonzepten. Den umweltrelevanten Zielen dieser Bemühungen konnte damit im Rahmen der Möglichkeiten dieses Forschungsprojektes in vollem Umfang entsprochen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Einreichung einer Diplomarbeit und einer Dissertationsschrift an der Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden, eine weitere Dissertation in Arbeit (2009), Teilnahme an Ausstellungen (Präsentationsmodell), Vorträge auf Tagungen zum Thema Wärmeübertragung


Fazit

Die im Rahmen dieses Projektes bearbeiteten Problemstellungen dienten dem Ziel, thermodynamisch effektive, geschlossene Kühlsysteme für Wärme erzeugende elektronische Bauteile zu entwickeln. Deren Vorteil liegt bei massenhaftem Einsatz in einer Senkung des Energieverbrauches für das Kühlsystem und einer Verbesserung der Arbeitsbedingungen in Gegenwart von Bürogeräten. Zur Erreichung beider Ziele konnten wesentliche Schritte getan werden, eine Fortführung der Arbeiten ist aufgrund der Komplexität der Materie unerlässlich. Besonders erfreulich ist, dass die Qualifizierung wissenschaftlichen Nachwuchses mit dem Projekt erfolgreich befördert werden konnte.