Kalorische Systeme

Wir forschen an kalorischen Technologien für effiziente und klimaschonende Kühlsysteme, die ohne schädliche Kältemittel auskommen. Kalorische Wärmepumpen könnten in Zukunft eine Alternative zur Kompressor-Technologie sein. Ein neuartiges, patentiertes Systemkonzept zum Wärmeeübertrag ermöglicht den Bau besonders energie- und kosteneffizienter kalorischer Wärmepumpen.

Wärmepumpen spielen eine entscheidende Rolle in der Energiewende. Heute am Markt erhältliche Wärmepumpen nutzen nahezu ausschließlich die Kompressor-Technologie. Sie benötigen für den Betrieb Kältemittel, die oftmals umwelt- und/oder gesundheitsschädlich sind, und erreichen eine vergleichsweise geringe Effizienz. Fraunhofer IPM entwickelt effiziente kalorische Wärmepumpen und Kühlsysteme als Alternative zur Kompressortechnologie. Die zentrale Innovation ist unser neuartiges Konzept zum Wärmeübertrag, welches eine hohe Energie- und Kosteneffizienz verspricht. Bei der Entwicklung kalorischer Systeme setzen wir auf folgende kalorische Technologien:

Magnetokalorik

Magnetokalorische Materialien sind magnetisierbare Materialien, die sich in einem magnetischen Feld erwärmen und beim Entfernen des Feldes entsprechend wieder abkühlen. Die Methode zeichnet sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad des Materials aus.

Elektrokalorik

Das Prinzip ist dasselbe wie bei der Magnetokalorik: Durch Anlegen eines Feldes wird reversibel Wärme im elektrokalorischen Material erzeugt – im Unterschied zur Magnetokalorik handelt es sich bei der Elektrokalorik um ein elektrisches Feld.

Elastokalorik

Elastokalorische Materialien kennt man als »Formgedächtnislegierungen« aus anderen Anwendungen. Bei diesen Legierungen lässt sich durch Eintrag von Wärme eine Formänderung induzieren. Auch den umgekehrten Effekt kann man nutzen: Über einen Krafteintrag auf das Material wird reversibel Wärme generiert. Ganz analog zur Magneto- bzw. Elektrokalorik kann man so durch entsprechende Systemintegration ein Kühlsystem aufbauen.

 

 

Magnetokalorische
Systeme

Magnetokalorische Materialien sind magnetisierbare Materialien, die sich in einem magnetischen Feld erwärmen und beim Entfernen des Feldes entsprechend wieder abkühlen. Eingesetzt in kalorischen Systemen zeichnen sie sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus.

 

Elektrokalorische
Systeme

Elektrokalorische Materialien erwärmen sich beim Anlegen eines elektrischen Feldes und kühlen beim Entfernen des Feldes wieder ab. Dieser Effekt, der auf einer wechselnden Ausrichtung der elektrischen Dipolmomente im Feld basiert, nutzen wir zum Aufbau eines Zyklus , auf dessen Basis sich Kühlsysteme und Wärmepumpen bauen lassen.

 

 

 

 

 

 

Elastokalorische
Systeme

Die spezifischen Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen lassen sich zur Kühlung oder Wärmeerzeugung nutzen. Wirkt eine mechanische Kraft auf das Material ein, so kann es Umwandlungswärme mit der Umgebung austauschen. Durch zyklische Be- und Entlastung lässt sich ein Kreislauf etablieren, der als Basis für den Aufbau von Kühlsystemen und Wärmepumpen genutzt werden kann.  

 

Publikationen »Kalorische Systeme«

JahrAutor/Titel/QuelleDokumentart
2021Bachmann, Nora; Fitger, Andreas; Maier, Lena Maria; Mahlke, Andreas; Schäfer-Welsen, Olaf; Koch, Thomas; Bartholomé, Kilian:
Long-term stable compressive elastocaloric cooling system with latent heat transfer
In: Communications Physics, Vol.4 (2021), Art. 194, 6 pp.
Zeitschriftenaufsatz
2021Fitger, Andreas; Mahlke, Andreas; Bachmann, Nora; Corhan, Patrick; Maier, Lena Maria; Bartholomé, Kilian; Schäfer-Welsen, Olaf:
Method for stabilizing and/or controlling and/or regulating the working temperature, heat exchanger unit, device for transporting energy, refrigerating machine and heat pump
2021
Patent
2021Maier, Lena Maria:
Zur Steigerung der spezifischen Leistung eines magnetokalorischen Kühlsystems
Aachen: Shaker-Verlag, 2021
(Gas Sensors 11)
Zugl.: Freiburg, Univ., Diss., 2021
ISBN 978-3-8440-7975-3
Dissertation
2020Maier, Lena Maria; Corhan, Patrick; Barcza, Alexander; Vieyra, Hugo; Vogel, Christian; König, Jan D.; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholomé, Kilian:
Active magnetocaloric heat pipes provide enhanced specific power of caloric refrigeration
In: Communications Physics, Vol.3 (2020), Art. 186, 6 pp.
Zeitschriftenaufsatz
2020Maier, Lena Maria; Hess, Tobias; Corhan, Patrick; Schmiz, Sophie; Bachmann, Nora; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholomé, Kilian:
Magnetokalorische Wärmepumpen mit hohen Zyklusfrequenzen
(Deutsche Kälte- und Klimatagung <2019, Ulm>)
In: Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein -DKV-: Deutsche Kälte- und Klimatagung 2019: Ulm, 20.-22. November 2019; CD-ROM. Hannover: DKV, 2020, Paper II.1.07
Konferenzbeitrag
2020Maier, Lena Maria; Hess, Tobias; Kaube, Alexandra; Corhan, Patrick; Fitger, Andreas; Bachmann, Nora; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholomé, Kilian:
Method to characterize a thermal diode in saturated steam atmosphere
In: Review of scientific instruments, Vol.91 (2020), 6, Art. 065104, 14 pp.
Zeitschriftenaufsatz
2020Hess, Tobias; Wöllenstein, Jürgen (Erstgutachter); Pastewka, Lars (Zweitgutachter) :
Modellierung einer magnetokalorischen Wärmepumpe mit thermischen Dioden
Aachen: Shaker-Verlag, 2020
(Gas Sensors 10)
Freiburg, Univ., Diss., 2020
ISBN 978-3-8440-7247-1
Dissertation
2020Hess, Tobias; Vogel, Christian; Maier, Lena Maria; Barcza, Alexander; Vieyra, Hugo; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholomé, Kilian:
Phenomenological model for a first-order magnetocaloric material
In: International journal of refrigeration, Vol.109 (2020), pp.128-134
Zeitschriftenaufsatz
2020Hess, Tobias; Maier, Lena Maria; Bachmann, Nora; Corhan, Patrick; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholomé, Kilian:
Thermal hysteresis and its impact on the efficiency of first-order caloric materials
In: Journal of applied physics, Vol.127 (2020), No.7, Art. 075103, 28 pp.
Zeitschriftenaufsatz
2019Hess, Tobias; Maier, Lena Maria; Corhan, Patrick; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholomé, Kilian:
Modelling cascaded caloric refrigeration systems that are based on thermal diodes or switches
In: International journal of refrigeration, Vol.103 (2019), pp.215-222
Zeitschriftenaufsatz
2018Maier, Lena Maria; Hess, Tobias; Schäfer-Welsen, O.; Wöllenstein, Jürgen; Bartholomé, Kilian:
Towards high cycle frequencies for magnetocaloric cooling systems - a proof of principle: Abstract
(International Conference on Caloric Cooling - Thermag <8, 2018, Darmstadt>)
In: TU Darmstadt: Thermag VIII, International Conference on Caloric Cooling 2018. Abstract Book: Darmstadt, Germany, September 16-20, 2018. Darmstadt, 2018, 1 pp.
Konferenzbeitrag
2017Bartholomé, Kilian; Hess, Tobias; Winkler, Markus; Mahlke, Andreas; König, Jan D.:
New concept for high-efficient cooling systems based on solid-state caloric materials as refrigerant
(Conference on Energy and Thermal Management, Air Conditioning and Waste Heat Recovery <1, 2016, Berlin>)
In: Junior, Christine (Ed.): Energy and Thermal Management, Air Conditioning, Waste Heat Recovery: 1st ETA Conference, December 1-2, 2016, Berlin, Germany. Cham: Springer International Publishing, 2017, pp. 178-186
Konferenzbeitrag
Diese Publikationsliste wurde aus der Publikationsdatenbank Fraunhofer-Publica erstellt.