ThermoPro soll Kühlkörper für Elektrobauteile präziser berechnen

Kühlsysteme gehören zu jenen technischen Helfern, die im Alltag meist erst dann auffallen, wenn sie ihren Dienst nicht mehr sauber tun. Läuft ein Computer heiß, schwächelt Leistungselektronik oder steigt die Temperatur in einem Antrieb zu stark an, zeigt sich schnell, wie wichtig eine verlässliche Wärmeabfuhr ist. Genau an dieser Stelle setzt das Projekt „ThermoPro“ an. Ein Forschungsteam der Frankfurt University of Applied Sciences arbeitet gemeinsam mit der Seifert electronic GmbH an einem KI-gestützten Software-Werkzeug, das die Auslegung von Kühlkörpern deutlich vereinfachen und präziser machen soll.

Kühlkörper für Leistungselektronik werden immer anspruchsvoller

Rippenkühlkörper übernehmen in vielen elektrischen Systemen eine unscheinbare, aber zentrale Aufgabe. Sie vergrößern die Oberfläche eines Bauteils und erleichtern so die Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft. Solche Komponenten stecken in Netzteilen, in Rechnern, in Solar- und Windkraftanlagen oder auch in den Antriebssystemen von Elektroautos. Je leistungsfähiger Elektronik und Prozessoren werden, desto höher steigen allerdings auch die Anforderungen an die Kühlung. Was früher mit bewährten Standardlösungen noch halbwegs gut funktionierte, wird heute rasch zur kniffligen Rechenaufgabe.

Denn die Auslegung eines geeigneten Kühlkörpers ist alles andere als banal. Sie hängt von zahlreichen Größen ab, die sich gegenseitig beeinflussen: von der abzuführenden Wärme, von der zu erwartenden Umgebungstemperatur, vom verfügbaren Bauraum und natürlich von der Geometrie des Kühlers selbst. Wer in diesem Feld arbeitet, kennt das Problem. Kleine Änderungen an den Rippenabständen oder an der Form können große Folgen für die Kühlleistung haben.

ThermoPro setzt auf KI für die optimale Geometrie von Kühlkörpern

Im Projekt „ThermoPro“ will die Forschungsgruppe für nachhaltiges Thermomanagement der Frankfurt UAS deshalb ein eigenes KI-Modell aufbauen, das als Grundlage für einen Software-Prototypen dient. Das Werkzeug soll nach Eingabe festgelegter Parameter den thermischen Widerstand berechnen und zugleich jene Geometrie vorschlagen, die für den jeweiligen Anwendungsfall am sinnvollsten erscheint. Im Kern geht es also nicht um die Erfindung eines völlig neuen Kühlprinzips, sondern um die Frage, wie sich Kühlkörper schneller, genauer und mit geringerem Entwicklungsaufwand auslegen lassen.

Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Boris Schilder machte nach Angaben der Hochschule deutlich, im Zentrum stehe die optimale Geometrie für die Produktion von Kühlkörpern. Das Ziel bestehe darin, die tägliche Arbeit in der Industrie effizienter zu machen. Dieser Fokus ist durchaus bemerkenswert, weil er weniger auf große Technikverheißungen zielt als auf ein sehr konkretes Nadelöhr in der Entwicklungspraxis. Dort entscheidet oft nicht die schöne Theorie, sondern die Frage, ob ein Bauteil unter realen Bedingungen zuverlässig gekühlt werden kann.

Neue Fertigungsverfahren erweitern die Spielräume bei Rippenkühlkörpern

Ausgangspunkt des Vorhabens ist eine Veränderung in der Fertigung. Bei Seifert electronic kommen nach Unternehmensangaben seit einiger Zeit zwei neue Verfahren zur Herstellung von Rippenkühlkörpern zum Einsatz, die deutlich größere Spielräume eröffnen als das in der Branche verbreitete Strangpressverfahren. Dadurch lassen sich Rippen unter anderem enger anordnen und dünner ausführen. Das Ergebnis können kleinere und zugleich leistungsfähigere Kühler sein. Ganz von selbst wird daraus freilich noch kein besseres Produkt, denn mit den zusätzlichen Freiheiten wächst auch die Zahl möglicher Kombinationen.

Genau diese Vielfalt macht die Auslegung so aufwendig. Wo früher technische Grenzen viele Entscheidungen schon vorweggenommen haben, entsteht nun ein deutlich breiteres Feld an Varianten. Für Entwickler ist das Chance und Bürde zugleich. Einerseits lassen sich Kühlkörper genauer auf den jeweiligen Einsatz abstimmen, andererseits steigt der rechnerische und planerische Aufwand beträchtlich. Ein intelligentes Software-Werkzeug, das diese Varianten systematisch durchdringt, liegt da fast auf der Hand.

Frankfurt UAS und Seifert electronic arbeiten an einer Auslegesoftware

Nach Darstellung der Projektpartner soll das KI-Modell später eine Software ermöglichen, die anhand weniger Eingaben den passenden Kühlkörper für ein Bauteil errechnet. Berücksichtigt werden sollen dabei unter anderem die notwendige Kühlleistung, der vorhandene Bauraum und die eingesetzte Fertigungstechnologie. Schilder führte dazu nach Hochschulangaben aus, dass die so ausgelegten Kühlkörper in Herstellung und Betrieb möglichst wirtschaftlich sein sollen. Zugleich grenzte er das Vorhaben von jenen Lösungen ab, die in der Branche mitunter zu grob dimensioniert und deshalb unnötig groß ausfallen.

Ob sich dieser Anspruch in der Praxis vollständig einlösen lässt, muss sich noch zeigen. Doch die Richtung ist plausibel. In vielen technischen Bereichen wird eher auf Nummer sicher überdimensioniert, als die letzte Feinheit aus einer Konstruktion herauszuholen. Das ist verständlich, aber nicht immer elegant. Wer Kühlkörper genauer berechnet, spart unter Umständen Material, Platz und Entwicklungsschritte. Und manchmal eben auch Geduld.

ZIM-Förderung und Erfahrung aus dem Projekt EvapoCool

Gefördert wird „ThermoPro“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand. Die Fördersumme liegt bei insgesamt 550.000 Euro, davon entfallen 280.000 Euro auf die Frankfurt UAS. Die Laufzeit beträgt zwei Jahre. Entstanden ist das Projekt im Umfeld des ZIM-Innovationsnetzwerks FREEM, das sich mit Fertigungsverfahren für ressourcen- und energieeffiziente elektrische Maschinen befasst.

Für das Team um Boris Schilder ist es nicht die erste Zusammenarbeit mit Seifert electronic. Bereits im früheren ZIM-Projekt „EvapoCool“ arbeiteten beide Seiten zusammen; damals stand die Entwicklung einer Verdampfungskühlung für Hochleistungselektronik im Mittelpunkt. Nach Angaben der Hochschule fließen Erkenntnisse aus diesem Vorhaben nun in „ThermoPro“ ein. Zum Team gehört auch Doktorand Justin Fey, dessen Promotion in Kooperation zwischen Frankfurt UAS und TU Darmstadt entsteht. Seitens Seifert electronic wurde das Projekt nach Hochschulangaben von Projektingenieurin Katharina Adam angestoßen; am offiziellen Start waren zudem Robin Holt und Christoph Schumacher beteiligt.