MA – Versuchsaufbau zur Charakterisierung von Leistungswandlern bei sehr tiefen Temperaturen

Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme eines Versuchsaufbaus zur Charakterisierung von Leistungswandlern bei sehr tiefen Temperaturen

Kurzzusammenfassung

In dieser Arbeit wird die Entwicklung, der Aufbau und die Inbetriebnahme eines Versuchsaufbaus zur Charakterisierung von Leistungswandlern bei sehr tiefen Temperaturen dokumentiert und wissenschaftlich aufgearbeitet. Ziel ist es, einen funktionsfähigen Prüfplatz mit einstellbarer Temperaturregelung bis -196 °C bereitzustellen. Zunächst wird der Stand der Technik zu ähnlich funktionierenden Prüfplätzen recherchiert und bewertet. Anschließend werden dem Leser die Grundlagen wie Wärmetransportmechanismen, Wärmeausdehnung, Stoffeigenschaften und Temperaturmessung zur Auslegung einer funktionierenden Kältekammer vermittelt.

Als Nächstes werden mögliche Konzepte bewertet und die Vorauslegung der Kältekammer durch CFD-Simulationen und analytische Berechnungen unterstützt. Es folgt die Konzepterläuterung des Aufbaus mit Material- und Komponentenauswahl. Das bis dahin in der Theorie betrachtete Konzept wird dann bei einem ersten Aufbau in die Praxis umgesetzt. Die durch viele Tests gewonnene Erfahrung führt durch Optimierung des Aufbaus zu einer rundum funktionierenden Kühlkammer.

Nach der erfolgreichen Inbetriebnahme des finalen Aufbaus der Kältekammer, werden durch mehrere Versuchsreihen die Randbedingungen getestet und so die zukünftige Leistungsfähigkeit der Kältekammer charakterisiert und dokumentiert.

Abstract

In this thesis the development, construction and commissioning of an experimental setup for the characterization of power converters at very low temperatures is documented and scientifically processed. The aim is to provide a functional test station with adjustable temperature Control up to -196 °C. At first the state of the art of similarly functioning test stations is researched and evaluated. Afterwards the reader is taught the basics such as heat transport mechanisms, thermal expansion, material properties and temperature measurement for the design of a functioning cold chamber.

Next, possible concepts are evaluated and the preliminary design of the cold chamber is supported by CFD simulations and analytical calculations. This is followed by an explanation of the design concept with selection of materials and components. The concept, which has been considered in theory up to this point, is then put into practice in a first setup. The experience gained through many tests leads to an all-round functioning cold chamber via optimization.

After the successful commissioning of the final cold chamber setup, the boundary conditions are tested in several series of experiments, thus characterizing and documenting the future
performance of the cold chamber.

Bearbeiter: Julian Windisch

Betreuerin: Stefanie Büttner

Für Studienfächer: Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März