Technologie

Stabiles elastokalorisches Kühlen

12.10.2021 - Demonstrator erreicht eine Langzeitstabilität von zehn Millionen Zyklen.

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.

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. Mit einem innovativen, patentierten Ansatz ist es Forschenden vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik 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 zehn Millionen Zyklen bei einer Kühlleistung von 6270 Watt pro Kilogramm des eingesetzten kalorischen Materials. Damit übertrifft das Konzept die Werte bisheriger Systeme bei Weitem. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden die Temperatur­spanne des Kühlsystems steigern. Hierfür wird aktuell ein mehr­stufiges System entwickelt.

Fh.-IPM / JOL

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