Mikroenergiewandlung & Elektronikkühlung
Mikroenergiewandlung & Elektronikkühlung
Mikroenergiewandlung
Hintergrund
- Portable elektronische Geräte benötigen Stromversorgungen mit einer hohen Energiedichte
- Die Energiedichte von Akkus und Batterien ist relativ niedrig (ca. 1.2 MJ/kg für Lithium Ionen Akkus)
- In organischen Brennstoffen ist gegenüber Akkus ein vielfaches an chemischer Energie gespeichert (ca. 22.7 MJ/kg für Methanol).
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie soll ein Mikroenergiewandler ohne bewegliche Teile entwickelt werden.
Konzept
- Verdampfung des Brennstoffs Methanol, Mischen mit Luft und Verbrennung des Gemisches
- Direkte Wandlung der thermischen Energie in elektrische mit einem thermoelektrischen Generator (Seebeck Effekt)
- Hohe Wärmeübertragungsleistung durch Verwendung mikrostrukturierter Bauteile
- Leistung des Systems: ca. 50 W (thermisch)
Innovation
Dieses Konzept unterscheidet sich gegenüber bisherigen Ansätzen durch die Verwendung eines Brennstoffverdampfers.
Dieser ermöglicht folgendes:
- Einsatz von flüssigen Brennstoffen; sie besitzen eine höhere Energiedichte als gasförmige Brennstoffe.
- Aufbau ohne bewegliche Teile; Brennstofftransport erfolgt durch Druckanstieg bei der Verdampfung.
- Höhere Wirkungsgrade bei der thermoelektrischen Energiewandlung durch eine optimale Kühlung des Generators.
Der Aufbau des Systems wird in dem folgenden Film verdeutlicht. In diesem Versuchsstadium sind Verdampfer (evaporator) und Brennkammer (combustor) thermisch entkoppelt, der Verdampfer wird extern elektrisch beheizt.
Die Brennkammer für den Mikroenergiewandler wird am Fachgebiet für Reaktive Strömungen und Messtechnik am CSI Darmstadt entwickelt.
Elektronikkühlung
Hintergrund
- Zukünftige mikroelektronische Bauteile benötigen leistungsstarke Kühlungssysteme
- Die Wärmeabfuhrleistung von Lüftern ist relativ gering (ca. 1.6 W/cm²)
- Ein ursprünglich für den Mikroenergiewandler konzipiertes Wärmeübertragersystem mit zwei Kreisläufen hat Leistungen von bis zu 100 W/cm² unter Laborbedingungen erreicht
Das Wärmeübertragersystem soll zur Kühlung von Hochleistungsmikroelektronik weiterentwickelt werden.
Konzept
- Verdampfung des Fluids unter Wärmeaufnahme an der zu kühlenden Elektronik, Abtransport des Dampfes und Kondensation des Dampfes unter Wärmeabgabe
- Hohe Wärmeübertragungsleistung durch Verwendung mikrostrukturierter Bauteile
Innovation
Gegenüber ähnlichen Ansätzen (Wasserkühlung, heat pipes) bietet das neuartige Wärmeübertragersystem mit zwei Kreisläufen folgende Vorteile:
- Aufbau ohne bewegliche Teile wie Pumpe oder Ventilator; Transport des Fluids erfolgt durch Kapillarkräfte
- Kein Entgasen des Systems notwendig
- System arbeitet bei Umgebungsdruck (geringe Anforderungen an Dichtheit)
- Flexibler Aufbau (Transport des Fluids durch Schläuche)
Zu Demonstrationszwecken wurde das Wärmeübertragersystem zu Kühlung einer Computer CPU eingesetzt. Im folgenden Film wird der Aufbau dieses Systems verdeutlicht:
Publikationen:
Schilder B, Man SYC, Kasagi N, Hardt S, Stephan P. Flow visualization and local measurement of forced convection heat transfer in a microtube. Journal of Heat Transfer-Transactions of the ASME 2010; 132 (3).
Schilder B, Stephan P. Entwicklung eines kapillar gepumpten Wärmeübertragersystems für einen Mikroenergiewandler. Tagung des Fachausschusses Wärme- und Stoffübertragung der VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen. Hamburg, 2010.
Schilder B, Schuch W, Stephan P. A capillary pumped two loop system for cooling of electronic devices. 7th Intern. Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers. Heredia, 2009.
Kania T, Schilder B, Hardt S, Stephan P, Dreizler A. Akku leer – bald nicht mehr? Forschen Wissenschaftsmagazin der TU Darmstadt 2009; 2: 42.
Schilder B, Hardt S, Stephan P. Development of a fuel evaporator for a micro thermoelectric energy converter. Achema Congress. Frankfurt, 2009.
Schilder B, Man SYC, Kasagi N, Hardt S, Stephan P. Local heat transfer measurement in a micro glass tube. Proceedings of the 6th Intern. Conference on Nano-, Micro- and Minichannels. Darmstadt, 2008.
Schilder B, Man SYC, Kasagi N, Hardt S, Stephan P. Messung des lokalen Wärmeübergangs in Mikro-Glasröhrchen. Tagung des Fachausschusses Wärme- und Stoffübertragung der VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen. Magdeburg, 2008.
Hardt S, Schilder B, Tiemann D, Kolb G, Hessel V, Stephan P. Analysis of flow patterns emerging during evaporation in parallel microchannels. Intern. Journal of Heat and Mass Transfer 2007; 50 (1-2).
Schilder B, Zorbach I, Hardt S, Stephan P, Wondra F, Klotzbücher T. Experimental investigation of fuel evaporation on microstructured surfaces for microcombustion. Sixth Intern. Conference on Enhanced, Compact and Ultra-Compact Heat Exchangers. Potsdam, 2007.
Kania T, Schilder B, Dreizler A, Hardt S, Janicka J, Stephan P. Conceptual study of a micro energy converter using thermoelectric materials. PowerMEMS conference. Berkeley, 2006.
Schilder B, Hessel V, Kolb G, Tiemann D, Hardt S, Stephan P. Visualization of evaporation processes in microchannels. Achema Congress. Frankfurt/M, 2006.