Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPMAlternative Kühltechnik
Eine Frage der Ausdauer: Fraunhofer IPM entwickelt langzeitstabiles elastokalorisches Kühlsystem
Kalorische Kühlsysteme haben das Potenzial, sich zur umweltfreundlichen Alternative zu bisher gängigen, kompressorbasierten Kühlsystemen zu entwickeln. Bei elastokalorischen Systemen liegt die größte Herausforderung in der Langzeitstabilität des elastokalorischen Materials bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte. Ein von Fraunhofer IPM im Fachmagazin Communications Physics präsentiertes System übertrifft die Langzeitstabilität bisheriger Systeme um Größenordnungen – und erreicht zugleich eine hohe spezifische Kühlleistung.
Der weltweit steigende Bedarf an Kühltechnik wird bisher fast ausschließlich von kompressorbasierten Kühlsystemen gedeckt. Die meisten dieser Systeme arbeiten mit umweltschädlichen oder brennbaren Kältemitteln. Kalorische Kühlsysteme bieten eine vielversprechende, umweltfreundliche Alternative. In elastokalorischen Systemen erwärmt sich das elastokalorische Material bei mechanischer Belastung und die Wärme kann abgeführt werden. Bei anschließender Entlastung kühlt das Material unter die Ausgangstemperatur ab – so lässt sich ein Kühlzyklus realisieren.
Geringerer Verschleiß dank Druckbelastung
Die meisten elastokalorischen Systeme arbeiten mit Zugbelastung: Dies erlaubt ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis und damit verbunden einen guten Wärmetransport. Allerdings verschleißt das Material durch die Zugbelastung vergleichsweise schnell. Wird die Belastung durch Druck erzeugt, weisen die Materialien eine höhere Langzeitstabilität auf – jedoch auch ein ungünstiges Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen. Dadurch kann die Wärme schlechter übertragen werden.
Latenter Wärmeübergang für hohe Systemeffizienz
Mit einem innovativen, patentierten Ansatz ist es Fraunhofer IPM nun gelungen, dieses Dilemma zu lösen: Erfolgt der Wärmeübergang latent über das Verdampfen und Kondensieren eines Fluids wie in einer Heatpipe, ist dieser um Größenordnungen höher als bei vergleichbaren Systemen mit anderen Wärmeübergangsmechanismen. »Mit unserem Aufbau konnten wir zwei Erfolgsfaktoren verbinden«, sagt Nora Bachmann, die das System mitentwickelt hat. »Das Konzept ermöglicht eine geringere Materialermüdung durch die Druckbelastung bei gleichzeitig hoher spezifischer Kühlleistung dank des effizienten Wärmeübertrags.« Das Demonstratorsystem erreicht eine Langzeitstabilität von 10 Millionen Zyklen bei einer Kühlleistung von 6270 W/kg des eingesetzten kalorischen Materials. Damit übertrifft das Konzept die Werte bisheriger Systeme bei Weitem. Die Ergebnisse wurden nun im Journal »Communications Physics« veröffentlicht. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Temperaturspanne des Kühlsystems steigern. Hierfür wird aktuell ein mehrstufiges System entwickelt.