Magnetokalorische Systeme

Magnetokalorischer Kühlzyklus
© Fraunhofer IPM
Magnetokalorische Kühlung basierend auf dem Heatpipe-Konzept

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

Magnetokalorischer Kühlkreislauf
© Fraunhofer IPM
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).

Wärmepumpe der Zukunft? Magnetisch, ohne Kältemittel, leise
und super effizient!

Wissenschafts-Youtuber Andreas Schmitz stellt unsere Technologie der magnetokalorischen Kühlung vor.

Weitere Informationen

Interview

Magnetokalorik:
Potenzial zur disruptiven Technologie

 

 

Im BMWi-Projekt MagMed forscht Fraunhofer IPM an energieeffizienten magnetokalorische Kühlsystemen.

Dr. Kilian Bartholomé und Dr. Jochen Kopitzke vom Projektpartner Philip Kirsch GmbH erklären, worin sie das disruptive Potenzial dieser Technologie sehen.  

 

Magnetokalorische Kühlsysteme

 

Fraunhofer IPM entwickelt energieeffiziente Kühlsysteme – ganz ohne schädliche Fluide

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.  

Publikationen »Magnetokalorische Systeme«

Jahr
Year
Titel/Autor:in
Title/Author
Publikationstyp
Publication Type
2022 Concept of a Magnetocaloric Generator with Latent Heat Transfer for the Conversion of Heat into Electricity
Baliozian, Puzant; Corhan, Patrick; Hess, Tobias; Bartholome, Kilian; Wöllenstein, Jürgen
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2021 Zur Steigerung der spezifischen Leistung eines magnetokalorischen Kühlsystems
Maier, Lena Maria
Dissertation
Doctoral Thesis
2021 MagMed - Entwicklungen einer kältemittelfreien und effizienten Kühltechnik. Abschlussbericht
Kopitzke, Jochen; Niebuhr, Herbert; Müller, Gerhard; Wittig, Daniel; Bartholomé, Kilian; Maier, Lena Maria; Corhan, Patrick; Barzca, Alexander; Vieyra, Hugo; Katterer, Matthias; Vogel, Christian
Bericht
Report
2020 Phenomenological model for a first-order magnetocaloric material
Hess, Tobias; Vogel, Christian; Maier, Lena Maria; Barcza, Alexander; Vieyra, Hugo; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Magnetokalorische Wärmepumpen mit hohen Zyklusfrequenzen
Maier, Lena Maria; Hess, Tobias; Corhan, Patrick; Schmiz, Sophie; Bachmann, Nora; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholome, Kilian
Konferenzbeitrag
Conference Paper
2020 Modellierung einer magnetokalorischen Wärmepumpe mit thermischen Dioden
Hess, Tobias
Dissertation
Doctoral Thesis
2020 Method to characterize a thermal diode in saturated steam atmosphere
Maier, Lena Maria; Hess, Tobias; Kaube, Alexandra; Corhan, Patrick; Fitger, Andreas; Bachmann, Nora; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2020 Active magnetocaloric heat pipes provide enhanced specific power of caloric refrigeration
Maier, Lena Maria; Corhan, Patrick; Barcza, Alexander; Vieyra, Hugo; Vogel, Christian; König, Jan D.; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2019 Modelling cascaded caloric refrigeration systems that are based on thermal diodes or switches
Hess, Tobias; Maier, Lena Maria; Corhan, Patrick; Schäfer-Welsen, Olaf; Wöllenstein, Jürgen; Bartholome, Kilian
Zeitschriftenaufsatz
Journal Article
2018 Towards high cycle frequencies for magnetocaloric cooling systems - a proof of principle
Maier, Lena Maria; Hess, Tobias; Schäfer-Welsen, O.; Wöllenstein, Jürgen; Bartholome, Kilian
Konferenzbeitrag
Conference Paper
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 »Magnetokalorik«

 

Effizientes Heizen und Kühlen auch ohne schädliche Kältemittel