Das elastokalorische Kühlsystem des Fraunhofer IPM

Der Beitrag beschreibt ein neuartiges, effizientes Kühlsystem unter Einsatz von elastokalorischen Matrialien auf Basis des Heatpipe-Prinzips (Wärmerohr), das als eine Alternative zu konventionellen Kälteanlagen entwickelt wurde.

Kalorische Kühlsysteme arbeiten zur Erzeugung einer Kälteleistung auf Basis eines völlig anderen Prinzips als die bekannten, kältemittelbasierten Kaltdampf-Kompressions-Kreisprozesse. In elastokalorischen Systemen erwärmt sich das elastokalorische Material bei mechanischer Belastung, und diese Wärme kann abgeführt werden. Bei der anschließenden Entlastung kühlt das Material unter die Ausgangstemperatur ab, so lässt sich ein Kühlzyklus realisieren. Bei solchen elastokalorischen Systemen liegt die größte Herausforderung in der Langzeitstabilität des eingesetzten Materials bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte. Dabei übertrifft ein vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) neu entwickeltes System die Langzeitstabilität bisheriger Systeme um Größenordnungen und erreicht zugleich eine hohe spezifische Kühlleistung.

elastokalorische Presse
Abbildung 1: In der elastokalorischen Presse wird das Material mit Druck belastet. Die entstehende Wärme wird über das Verdampfen und Kondensieren eines Fluids abgeführt. (Abb. © Fraunhofer IPM)

Geringerer Verschleiß bei Druck- statt Zugbelastung

Die meisten elastokalorischen Systeme arbeiten auf Basis der Zugbelastung: Daraus ergibt sich ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis und damit verbunden ein guter Wärmetransport. Allerdings verschleißt dabei das Material durch die Zugbelastung vergleichsweise schnell. Wird die Belastung andererseits durch Druck erzeugt, weisen die Materialien eine höhere Langzeitstabilität auf. Negativer Aspekt dieser Variante ist aber eine geringere Effizienz: Es stellt sich nun ein schlechteres Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen ein. So kann die Wärme schlechter übertragen werden, die Leistung sinkt.

Latenter Wärmeübergang für hohe Systemeffizienz

Mit einem neuen, patentierten Ansatz ist es dem IPM gelungen, dieses Dilemma zu lösen: Erfolgt der Wärmeübergang nun latent über das Verdampfen und Verflüssigen eines Fluids wie in einer Heatpipe (Wärmerohr), ist dieser um Größenordnungen höher als bei vergleichbaren Systemen mit anderen Wärmeübergangsmechanismen. Dieses Konzept ermöglicht laut IPM nun 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 6.270 W pro kg des eingesetzten kalorischen Materials. Damit übertrifft es die Werte bisheriger Systeme bei Weitem. Im nächsten Schritt will das IPM die Temperaturspanne des Kühlsystems steigern. Hierfür wird aktuell ein mehrstufiges System entwickelt.

Wie funktioniert ein elastokalorisches Wärme-/Kühl-System?

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