Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die K\u00fchlung W\u00e4rme erzeugender elektronischer Baugruppen in Computern oder anderen B\u00fcroger\u00e4ten(Fax, Kopierer) erfolgt heute in der Mehrheit der F\u00e4lle direkt durch Nutzung von Umgebungsluft. Dabei ist eine Belastung dieser K\u00fchlluft mit innerhalb der Ger\u00e4te emittierten Schadstoffen unvermeidlich. Dies f\u00fchrt zur Beeintr\u00e4chtigung des Arbeitsklimas und vermehrtem L\u00fcftungs- und damit Heizungsbedarf .Eine Alternative besteht im Einsatz eines geschlossenen Zweiphasen-K\u00fchlkreislaufes bestehend aus Pumpe, Mikroverdampfer und Kondensator, wobei die Umgebungsk\u00fchlluft – separat gef\u00fchrt – nur mit dem Kon-densator in Kontakt kommt und das Ger\u00e4t ohne Schadstoffbelastung wieder verlassen kann.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung eines geschlossenen Zweiphasen-Kreislaufes f\u00fcr die K\u00fchlung elektronischer Bauteile erfordert verschiedene Arbeitsschritte: die Auswahl einer geeigneten Pumpe, die Auslegung eines Mikro-verdampfers zum W\u00e4rmeabtransport am Bauteil, die Konstruktion eines kompakten Kondensators zur \u00dcbergabe der W\u00e4rme 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 Phasen\u00fcberganges f\u00fcr die W\u00e4rmeabfuhr reduziert die Menge des umzuw\u00e4lzenden K\u00fchlmittels erheblich, so dass hochgerechnet auf die Betriebsdauer eines solchen K\u00fchlsystems eine enorme Einsparung hinsichtlich der Antriebsleistung erzielt wird. Die Entwicklung geeigneter Verdampfer erfordert jedoch zun\u00e4chst die experimentelle Untersuchung des Blasensiedens in Mikrokan\u00e4len. Da der Einsatz von Wasser als K\u00fchlmittel aus umweltrelevanten Gr\u00fcnden und wegen der f\u00fcr elektrokinetische Pumpen ben\u00f6tigten Leitf\u00e4higkeit erforderlich ist, muss im System zur Gew\u00e4hrleistung der ben\u00f6tigten Siedetemperatur ein Unterdruck herrschen.
\nPumpe, Verdampfer und Kondensator arbeiten in einem geschlossenen Kreislauf zusammen, dessen instation\u00e4res (dynamisches) Verhalten im Detail untersucht werden muss. Auf der Basis entsprechender Experimente wird eine Modellierungssoftware entwickelt, die – validiert mit Messergebnis – zur Auslegung verschiedenartiger Zwangsumlauf-Mikrok\u00fchlsysteme verwendet werden kann.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die detaillierte experimentelle Untersuchung der elektrokinetischen Pumpe (Prototyp) zeigte, dass dieses Prinzip grunds\u00e4tzlich zur F\u00f6rderung von Fluiden geeignet ist. Erreichbare Massestr\u00f6me und Druckerh\u00f6-hungen korrelieren mit den Erfordernissen f\u00fcr den Einsatz in Mikrok\u00fchlsystemen. Grundvoraussetzung ist das Vorhandensein elektrischer Ladungstr\u00e4ger im Fluid, die beim Einsatz von K\u00e4ltemitteln zugesetzt werden m\u00fcssten. Hinsichtlich der Langzeit-Laufeigenschaften weisen diese Pumpen extreme Nachteile auf, die einen derzeitigen Einsatz zur Fluidf\u00f6rderung in K\u00fchlkreisl\u00e4ufen ausschlie\u00dfen. Dazu geh\u00f6ren insbesondere die ungel\u00f6sten Problemstellungen der Rekombination der entstehenden Synthesegase und der Vermeidung des Verschmutzens des Glasfilters.
\nBei der Entwicklung von Mikroverdampfern wurden im Resultat der Projektarbeiten beachtliche Fortschritte erzielt. Dazu z\u00e4hlen zum einen die Entwicklung bzw. Validierung empirischer Beziehungen zur Berechnung von W\u00e4rme\u00fcbergang und Druckverlust in Mikrokan\u00e4len bei einer Zweiphasenstr\u00f6mung. Es wurden Modellkan\u00e4le mit unterschiedlichem Str\u00f6mungsquerschnitt gefertigt und mit allen ben\u00f6tigten Sensoren best\u00fcckt. Andererseits erfolgte die Konstruktion, Fertigung und Vermessung konkreter Mikroverdampfer-Prototypen. Diese wurden in einen Modellk\u00fchlkreislauf implementiert und untervariablen Randbedingungen (W\u00e4rmezufuhr, K\u00fchlmittel Wasser oder K\u00e4ltemittel SES36) getestet. Dabei kamen auch innovative Technologien wie z. B. der Einsatz von offenzelligen Metallsch\u00e4umen 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.
\nZur Vorhersage des instation\u00e4ren Verhaltens eines Mikrok\u00fchlkreislaufes nach der sprunghaften \u00c4nde-rung einer Randbedingung (z. B. der pl\u00f6tzlichen Erh\u00f6hung der W\u00e4rmezufuhr) wurden sowohl experimentelle als auch schwerpunktm\u00e4\u00dfig programmiertechnische Arbeiten durchgef\u00fchrt. Hierbei besteht das Ziel darin, die durch die vorhandenen W\u00e4rmekapazit\u00e4ten im Kreislauf gepr\u00e4gte zeitliche Ver\u00e4nderung der CPU-Temperatur vorherzubestimmen. Zur Validierung des Berechnungsalgorithmus wird eine Messdatenbasis ben\u00f6tigt, die mit Hilfe eines Modellk\u00fchlkreislaufes erstellt und vervollst\u00e4ndigt wurde und wird. Der Berechnungsablauf an sich ist sehr anspruchsvoll, da alle Bauteile des Kreislaufes hydraulisch und thermisch modelliert werden m\u00fcssen (hier flie\u00dfen Gleichungen ein, die aus obigen Messdaten abgeleitet wurden). Die vielschichtige Verkn\u00fcpfung der Bauteileigenschaften untereinander kann unter Zuhilfenah-me von Gesetzm\u00e4\u00dfigkeiten aus der Elektrotechnik (Knoten, Maschen) modelliert werden, schlussendlich muss ein nichtlineares Gleichungssystem mathematisch behandelt und einer konvergenten L\u00f6sung zugef\u00fchrt werden.
\nBesonderes Augenmerk wurde auf die Schaffung einer universellen, benutzerfreundlichen und mit Si-cherheitstests ausgestatteten Bedienoberfl\u00e4che des Programmsystems gelegt. Da diese Arbeiten in einer Dissertationsschrift m\u00fcnden sollen erfolgt deren Ausf\u00fchrung – ebenso wie die experimentelle Untersu-chung der Zweiphasenstr\u00f6mung – auf einem promotionsw\u00fcrdigen wissenschaftlichen Niveau. Die Vervollst\u00e4ndigung der messtechnischen Datenbasis als auch die algorithmische und programmiertechnische Verfeinerung des Berechnungsmoduls werden im Anschluss an das von der DBU gef\u00f6rderte Projekt aus eigenen Mitteln der TU Dresden weitergef\u00fchrt.
\nDie w\u00e4hrend 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 einsch\u00e4tzbar. Aus diesem Grund wurde der Schwerpunkt der Projektarbeiten auf die Entwicklung anderer Komponenten des K\u00fchlkreislaufes und die Modellierung dessen Betriebverhalten verlagert. Damit tragen die Resultate ma\u00dfgeblich zur Entwicklung von Mikrok\u00fchlkreisl\u00e4ufen mit Phasen\u00fcbergang zur Elektronikk\u00fchlung bei – wenn auch mit alternativen Pumpenkonzepten. Den umweltrelevanten Zielen dieser Bem\u00fchungen konnte damit im Rahmen der M\u00f6glichkeiten dieses Forschungsprojektes in vollem Umfang entsprochen werden.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Einreichung einer Diplomarbeit und einer Dissertationsschrift an der Fakult\u00e4t Maschinenwesen der TU Dresden, eine weitere Dissertation in Arbeit (2009), Teilnahme an Ausstellungen (Pr\u00e4sentationsmodell), Vortr\u00e4ge auf Tagungen zum Thema W\u00e4rme\u00fcbertragung<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die im Rahmen dieses Projektes bearbeiteten Problemstellungen dienten dem Ziel, thermodynamisch effektive, geschlossene K\u00fchlsysteme f\u00fcr W\u00e4rme erzeugende elektronische Bauteile zu entwickeln. Deren Vorteil liegt bei massenhaftem Einsatz in einer Senkung des Energieverbrauches f\u00fcr das K\u00fchlsystem und einer Verbesserung der Arbeitsbedingungen in Gegenwart von B\u00fcroger\u00e4ten. Zur Erreichung beider Ziele konnten wesentliche Schritte getan werden, eine Fortf\u00fchrung der Arbeiten ist aufgrund der Komplexit\u00e4t der Materie unerl\u00e4sslich. Besonders erfreulich ist, dass die Qualifizierung wissenschaftlichen Nachwuchses mit dem Projekt erfolgreich bef\u00f6rdert werden konnte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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