Magnetokalorische Systeme

Magnetokalorischer Kühlkreislauf
© Fraunhofer IPM
<b>Magnetokalorische Kühlung basierend auf dem Heatpipe-Konzept</b><br><br> Die Wärme wird nach dem Prinzip einer thermischen Diode in nur eine Richtung »weitergeschoben«. Durch die im Magnetfeld erzeugte Wärme verdampft Flüssigkeit im MK-Material (1). Der Druck im Segment steigt. Das Überdruckventil öffnet sich, sodass Dampf in das Nachbarelement gelangt (2). Nach Abschalten des Magneten kühlt das MK-Material auf unter die Ausgangstemperatur ab (3). Der Dampfdruck sinkt. Es entsteht ein Unterdruck gegenüber dem vorangehenden Segment. Gasförmiges Fluid strömt nach, Wärme wird aus dem vorangehenden Segment aufgenommen (4).

Auf Basis des magnetokalorischen Effekts lassen sich besonders energieeffiziente Kühlsysteme entwickeln, die ganz ohne schädliche Kältemittel auskommen. Sie basieren auf sogenannten magnetokalorischen (MK) Materialien.

Wie funktioniert eine magnetokalorische Wärmepumpe?

MK-Materialien sind magnetisierbare Materialien, die sich bei Einwirkung eines magnetischen Feldes erwärmen und bei Entfernen des Feldes entsprechend wieder abkühlen. So lässt sich ein Kühlzyklus realisieren: Das erwärmte MK-Material wird mit einer Wärmesenke verbunden, sodass Wärme abgeführt werden kann. Wird nun das magnetische Feld entfernt, kühlt sich das Material wieder ab und befindet sich auf einer niedrigeren Temperatur als zu Beginn des Zyklus. Das MK-Material wird nun mit der zu kühlenden Stelle verbunden und kann Wärme aufnehmen. Dieser Effekt ist in einem sehr hohen Maße reversibel, wodurch das Potenzial besteht, sehr energieeffiziente Kühlsysteme und Wärmepumpen auf Basis von MK-Materialien zu realisieren.

Patentiertes Entwärmungskonzept

Fraunhofer IPM entwickelt magnetokalorische Kühlsysteme und Wärmepumpen und setzt dabei auf ein patentiertes Systemkonzept: Ein Fluid transportiert die Wärme durch Verdampfen und Kondensieren von der zu kühlenden Stelle zum MK-Material. Dadurch erreicht man Kühlleistungsdichten, die um eine Größenordnung besser sind als bei alternativen Systemansätzen. Perspektivisch lassen sich auf Basis dieses Systemkonzepts kostengünstige Systeme realisieren.

Im Speziellen arbeitet Fraunhofer IPM an:

  • Entwicklung und Bau von Messplätzen zur Charakterisierung von MK-Materialien
  • Simulation, Auslegung und Bau von Magnetsystemen
  • Bau und Charakterisierung magnetokalorischer Systeme
  • Simulation magnetokalorischer Materialien und Systeme
Wir unterstützen unsere Kunden aus der Industrie 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.

Das Prinzip kältemittelfreier Kühlung am Beispiel Magnetokalorik

© Fraunhofer IPM
Durch Anlegen eines magnetischen Feldes (H-Feld) wird das magnetokalorische Material (MK) erwärmt. (Schritt 1) In Schritt 2 wird das MK-Material mit einer Wärmesenke verbunden, sodass die entstandene Wärme (Q) abgeführt werden kann. Wird nun das magnetische Feld entfernt (Schritt 3), kühlt sich das MK-Material wieder ab und befindet sich auf einer niedrigeren Temperatur als zu Beginn des Zyklus. Das MK-Material wird nun mit der zu kühlenden Stelle verbunden und kann Wärme (Q) aufnehmen (Schritt 4).

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Projekt MagCon

 

Im Projekt MagCon entwickelte Fraunhofer IPM gemeinsam mit Fraunhofer IFAM hocheffiziente magnetokalorische Wärmepumpen als Alternative zu kompressorbasierten Wärmepumpen.

Projekt MagMed

 

Gemeinsam mit Industriepartnern haben wir im Projekt MagMed effiziente, kältemittelfreie Tiefkühlschränke für Medizinprodukte auf Basis von magnetokalorischer Technologie entwickelt.  

Anwendungen »Magnetokalorik«

 

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