Entwicklung und Test von Strategien zum Thermalmanagement von Lasersystemen

Abstract

Im Bereich Luftfahrt hat ein Thermalsystem unter Umständen Anforderungen, die eine herkömmliche Wasserkühlung ausschließen. Im Rahmen eines Projektes des Institut für Technische Physik (ITP), soll das Kühlsystem eines Laserverstärkers dabei von einem klassischen Kühlwasserkreislauf auf ein geschlossenes System umgestellt werden. Die Gefahr von Leckagen soll ausgeschlossen werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden dafür verschiedene Ansätze vorgestellt. Außerdem wurden Messungen durchgeführt, um die Performance verschiedener Komponenten abzuschätzen. Bei den Versuchen der ersten Messreihe lag der Fokus auf Heatpipes. Diese basieren auf einer Zwei-Phasen Kühlung und stellen eine vielversprechende Alternative zu einem Kühlwasserkreislauf dar. In der zweiten Messreihe steht die Temperaturregelung durch einen Peltier-Element (thermoelektrisches Element) (TEC) im Mittelpunkt. Insbesondere die Kombination von TEC und Heatpipes wurde in unterschiedlichen Varianten getestet. Das Ziel der ersten Messreihe war dabei konkret, den maximal übertragbaren Wärmestrom und thermischen Widerstand verschiedener Heatpipe-Varianten in unterschiedlichen Einbausituationen zu bestimmen. Mit diesen Daten kann im weiteren Verlauf des Projektes für ein Thermalsystem mit unterschiedlichsten Anforderungen eine passende Konfiguration hergeleitet werden. Die zweite Messreihe hatte das Ziel, den Aufbau eines Thermalsystems, bestehend aus TEC und Heatpipes, zu optimieren. Zusätzlich sollten Erfahrungen gesammelt werden, die die Auslegung eines finalen Thermalsystems ermöglichen. In Kapitel 2 werden die theoretischen Grundlagen vorgestellt. Außerdem wird beschrieben, wie Zwei-Phasen-Kühlsysteme weiterentwickelt wurden. Dadurch soll ein Überblick über Komponenten gegeben werden, die bei der weiteren Entwicklung von thermischen Systemen von Bedeutung sein können. Hierzu zählen beispielsweise Loop Heat Pipes (LHPs) oder Heatpipes mit variabler Wärmeleitfähigkeit (VCHPs), sowie verschiedene Komponenten zur passiven Temperaturregelung. In Kapitel 3 wird der Versuchsaufbau vorgestellt, mit dem die Komponenten untersucht wurden. Kapitel 4 stellt die Ergebnisse der Messungen vor. Dabei geht es um den maximal übertragbaren Wärmestrom, sowie den thermischen Widerstand verschiedener Heatpipes. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit verschiedener Konfigurationen von TEC und Heatpipes bewertet. Abschließend wird in Kapitel 5 genauer auf die gemessenen Daten eingegangen. Außerdem wird auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse ein Leitfaden zur Auslegung eines Thermalsystems vorgestellt. Dieses System beruht auf einer Implementierung von zwei parallelen Wärmepfaden, von denen nur einer die Temperaturregelung übernimmt.