Thermogeneratoren und Kühlung für leistungselektronische Anwendungen

Im Rahmen des Forschung und Entwicklung-Förderprogramms “Mathematik für Innovationen und Dienstleistungen” hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung das vom Augsburger Mathematiker Prof. Dr. Ronald H. W. Hoppe (Lehrstuhl für Angewandte Analysis mit Schwerpunkt Numerische Mathematik) beantragte Projekt “Thermogeneratoren und Kühlung für leistungselektronische Anwendungen” genehmigt. Das Projekt startet am 1. April 2004 und wird auf drei Jahre mit insgesamt 182.559 Euro gefördert.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens, das von Hoppe in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Technische Elektrophysik der TU München (Prof. Dr. G. Wachutka) und der Siemens AG durchgeführt, umfasst die Entwicklung physikalisch konsistenter mathematischer Modelle und numerischer Simulationswerkzeuge als Grundlage für eine optimale Auslegung kostengünstiger, effizienter und umweltverträglicher thermoelektrischer Generatoren einerseits und innovativer Kühlungssysteme für Anwendungen in der Hochleistungselektronik andererseits.

Rückgewinnung von Abfallwärme

Thermoelektrische Bauteile und Systeme zur Gewinnung elektrischer Energie aus Wärme basieren auf dem Seebeck-Effekt und werden als Seebeck-Elemente bzw. Thermogeneratoren bezeichnet. Obwohl der Seebeck-Effekt schon seit Langem bekannt ist, werden Seebeck-Elemente in den technologischen Anwendungen wegen der noch vergleichsweise hohen Kosten zur Herstellung der zugrunde liegenden Halbleiterbauelemente bisher vorwiegend in der Raumfahrt eingesetzt. Andererseits besteht auf industrieller Seite in Anbetracht der Notwendigkeit der Bereitstellung energiesparender und umweltschonender Produkte ein zunehmender Bedarf an der Entwicklung und Produktion von thermoelektrischen Bauelementen und an deren Integration in elektronische Systeme. Vorrangig ist dabei die Rückgewinnung von Energie aus Abfallwärme zu nennen, die bei mit fossilen Brennstoffen betriebenen Turbinen oder Verbrennungsmotoren anfällt. So können Thermoelemente als elektrische Generatoren in automobilen Katalysatoren verwendet und zur autarken Energieversorgung anderer automobiler Regelungssysteme (z. B. Klimaanlage) herangezogen werden, was den Batteriebedarf signifikant reduziert.

Wärmetausch-basierte Kühlsysteme

Andererseits stellt sich bei einer Vielzahl von schaltbaren Bauteilen der Hochleistungselektronik aufgrund von Schaltverlustleistungen das Problem der Selbstaufheizung, so dass zur Vermeidung von mechanischen Schädigungen durch Thermospannungen eine geeignete Kühlung in Gestalt von Kühlsystemen bereitgestellt werden muss, die auf dem Prinzip des Wärmeaustausches basierenden. Hierfür kommen sowohl Techniken wie passive Kühlung durch Wärmerohre oder Heisswasserkühlung bei natürlicher und forcierter Konvektion in Frage wie auch auf siedenden Flüssigkeiten mit Phasenwechsel (“Blasensieden”) basierende Kühlmechanismen.

Eine der Hauptanwendungen liegt wiederum im Bereich der automobilen Elektronik, wobei die kontemporären Technologien aufgrund elektronischer Bremskraftverstärker, Servolenkungen und aktiver Aufhängungs- und Schwingungsdämpfungssysteme durch einen erhöhten Bedarf an elektrischer Energie gekennzeichnet sind. Für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb sind kompaktere elektrische Antriebe vonnöten, wohingegen sich bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren z. B. ein elektronisch gesteuerter Anlassgenerator als kraftstoffsparend und CO2-emissionsmindernd auswirken würde.

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Prof. Dr. Ronald H. W. Hoppe
Lehrstuhl für Angewandte Analysis mit Schwerpunkt Numerische Mathematik
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