Elastokalorische Systeme

Elastokalorischer Kühlkreislauf
© Fraunhofer IPM
Elastokalorisches Material erwärmt sich, wenn es einem mechanischen Kraftfeld (F) ausgesetzt wird. Wird diese Wärme an die Umgebung abgegeben und das Kraftfeld entfernt, unterkühlt das Material und entzieht die gleiche Wärmemenge wieder der Umgebung. Der Effekt ist reversibel. Im zyklischen Betrieb lässt sich der elastokalorische Effekt für den Aufbau einer Wärmepumpe oder Kältemaschine nutzen.

Elastokalorische Materialien sind bekannt als Formgedächtnislegierungen (FGL) und werden aufgrund ihrer Biokompatibilität schon lange in der Medizintechnik eingesetzt. Der bekannteste Vertreter unter den FGL ist unter dem Akronym Nitinol bekannt. Bei diesen pseudoelastischen Legierungen lässt sich durch Eintrag von Wärme eine starke Formänderung induzieren; entfernt man die Wärmequelle, nimmt das Metall seine ursprüngliche Form wieder an. Dieser Effekt ist absolut reversibel. Auch den umgekehrten Effekt, den sogenannten elastokalorischen Effekt, kann man nutzen: Über eine Formänderung wird Umwandlungswärme mit der Umgebung ausgetauscht. In unseren Systemen nutzen wir diesen kalorischen Effekt durch smarte Systemintegration. Solche festkörperbasierten Wärmepumpen und Kühlsysteme könnten in Zukunft eine umweltfreundliche und effiziente Alternative zur Kompressor-Technologie darstellen.

Wie funktioniert eine elastokalorische Wärmepumpe?

Setzt man ein elastokalorisches Material einem mechanischen Kraftfeld aus, so kommt es zu einer kristallinen Phasenumwandlung, wobei sich das Material erwärmt. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, sodass das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Wird nun das Kraftfeld entfernt, so verringert sich die Ordnung und das Material kühlt auf einen Wert unterhalb der Ausgangstemperatur ab. Jetzt kann es thermische Energie aus der Umgebung aufnehmen. Durch zyklische Be- und Entlastung des Materials und entsprechende Wärmezufuhr und -abfuhr lässt sich ein Kreisprozess herstellen, mit dem man heizen, aber auch kühlen kann.

Zentrale Innovation: neuartiges Konzept zum Wärmeübertrag

Fraunhofer IPM setzt beim Aufbau elastokalorischer Systeme auf ein patentiertes Systemkonzept. Grundlage des Konzepts ist die schnelle Wärmeübertragung mittels latenter Wärme innerhalb einer gesättigten Dampfatmosphäre (Heatpipe-Bedingung). Durch Verdampfen und Kondensieren eines Fluides wird Wärme effektiv auf das kalorische Material übertragen und wieder abgegeben. Dadurch werden um eine Größenordnung höhere Wärmeleistungsdichten möglich als in alternativen Systemansätzen.

Perspektivisch lassen sich auf diese Weise kostengünstige Systeme mit einem geringeren Bedarf an Bauraum realisieren.

Im Speziellen arbeitet Fraunhofer IPM an

  • Entwicklung und Bau von Messplätzen zur direkten Messung des elastokalorischen Effekts, der Materialeffizienz sowie der Dauerschwingfestigkeit
  • Simulation elastokalorischer Materialien und Systeme
  • Entwicklung, Bau und Charakterisierung elastokalorischer Heiz- und Kühlsysteme

Wir unterstützen Industrieunternehmen bei der Konzeptionierung und Entwicklung kalorischer Systeme – bis hin zum Bau fertiger Systeme für spezifische Anwendungen. Dabei greifen wir zurück auf langjährige Technologieerfahrung, etablierte Lieferantenkontakte sowie auf die Kapazität unserer hochspezialisierten Werkstätten und Labore.

Weitere Informationen

Projekt Elasto-Cool

 

Im Projekt Elastocool werden hocheffiziente  Wärmepumpen zum Kühlen und Heizen entwickelt. Ihre Arbeitsweise basiert auf dem elastokalorischen Effekt – sie kommen daher ohne schädliche Kältemittel und ohne Kompressor aus.

 

Elastokalorische
Kühlsysteme

Fraunhofer IPM arbeitet an der Kühltechnik der Zukunft – mit Materialien und Systemen, die kalorische Effekte optimal nutzen

Frankfurter Allgemeine Zeitung FAZ, April 2019

Wo kommt die Kälte in Zukunft her?

Die FAZ berichtet in ihrem Beitrag unter anderem über unsere Forschung an kalorischen Systemen.

Animation

Das Prinzip kältemittelfreier Kühlung am Beispiel Elastokalorik

Publikationen »Elastokalorische Systeme«

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2024 Steigerung der Systemperformance eines elastokalorischen Kühlsystems
Bachmann, Nora
Dissertation
Doctoral Thesis
2022 Phenomenological model for first-order elastocaloric materials
Bachmann, Nora; Fitger, Andreas; Unmüßig, Sabrina; Bach, David; Schäfer-Welsen, Olaf; Koch, Thomas; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Elastokalorik: Entwicklung hocheffizienter Wärmepumpen ohne schädliche Kältemittel zum Heizen und Kühlen
Fitger, Andreas; Bartholome, Kilian; Bachmann, Nora; Unmüßig, Sabrina; Winkler, Markus; Mahlke, Andreas
Bericht
Report
2022 Long life elastocaloric regenerator operating under compression
Ianniciello, Lucia; Bartholome, Kilian; Fitger, Andreas; Engelbrecht, Kurt
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2022 Modeling of an Elastocaloric Cooling System for Determining Efficiency
Bachmann, Nora; Schwarz, Daniel; Bach, David; Schäfer-Welsen, Olaf; Koch, Thomas; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Long-term stable compressive elastocaloric cooling system with latent heat transfer
Bachmann, Nora; Fitger, Andreas; Maier, Lena Maria; Mahlke, Andreas; Schäfer-Welsen, Olaf; Koch, Thomas; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2017 New concept for high-efficient cooling systems based on solid-state caloric materials as refrigerant
Bartholome, Kilian; Hess, Tobias; Winkler, Markus; Mahlke, Andreas; König, Jan D.
Konferenzbeitrag
Conference Paper
Diese Liste ist ein Auszug aus der Publikationsplattform Fraunhofer-Publica

This list has been generated from the publication platform Fraunhofer-Publica

Anwendungen »Elastokalorik«

 

Effizientes Heizen und Kühlen auch ohne schädliche Kältemittel