Cooler kühlen Elastokalorische Kühlsysteme schonen die Umwelt

Redakteur: Peter Königsreuther

Aktive kalorische Kühlsysteme könnten eine umweltfreundliche Alternative zu bisherigen kompressorbasierten Typen sein. Forscher am Fraunhofer-IPM verraten hier, warum und wie es geht.

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So sieht ein klassischer Kühlkompressor mit Peripherie aus. Der könnte bald Konkurrenz kriegen. Und zwar von sogenannten elastokalorischen Kühlsystemen, die am Fraunhofer-IPM entwickelt werden. Hier mehr zu den Hintergründen.
So sieht ein klassischer Kühlkompressor mit Peripherie aus. Der könnte bald Konkurrenz kriegen. Und zwar von sogenannten elastokalorischen Kühlsystemen, die am Fraunhofer-IPM entwickelt werden. Hier mehr zu den Hintergründen.
(Bild: VCGDF)

Der weltweit steigende Bedarf an Kühltechnik deckt sich bisher fast nur durch kompressorbasierte Kühlmöglichkeiten, schicken die IPM-Forscher voraus. Die meisten davon arbeiten aber noch mit umweltschädlichen oder brennbaren Kältemitteln. Kalorische Kühlsysteme benötigten so etwas aber nicht. Denn in elastokalorischen Kühlsystemen erwärmt sich das elastokalorische Material, wenn eine mechanische Belastung auf sie wirkt. Die dadurch entstehende Wärme kann abgeführt werden. Das System entlastet sich und kühlt das Material unter die Ausgangstemperatur ab – der Kühleffekt ist da! Doch die größte Herausforderung ist es, ein elastokalorisches Material mit hoher Leistungsdichte langzeitstabil zu machen, heißt es einschränkend.

Die meisten elastokalorischen Systeme arbeiten nach Aussage der Forschenden mit Zugbelastung. Denn das erlaubt ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis. Das führt zu einem relativ guten Wärmetransport. Allerdings verschleißt das Material durch die Zugbelastung vergleichsweise schnell. Wird die Belastung aber durch Druck erzeugt, halten die Materialien länger durch – jedoch erkauft man sich den Vorteil durch ein ungünstigeres Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen. Dadurch kann die Wärme folglich schlechter übertragen werden.

Demonstrator-Kühlsystem hält 10 Millionen Zyklen aus

Mit ihrem neuartigen und patentierten Ansatz ist es den IPM-Spezialisten aber gelungen, dieses Dilemma zu lösen. Und das geht so: Erfolgt der Wärmeübergang latent, also über das Verdampfen und Kondensieren eines Fluids, wie in einer Heatpipe, ist dieser um Größenordnungen höher als bei vergleichbaren Systemen, mit anderen Wärmeübergangsmechanismen. Mit diesem Konzept konnte man, wie es weiter heißt, zwei Erfolgsfaktoren kombinieren, sagt Nora Bachmann, die das System mitentwickelt hat. Es verringert die Materialermüdung durch die Druckbelastung, bei gleichzeitig hoher spezifischer Kühlleistung, weil der Wärmeübertrag effizienter ist. Das nun existierende Demonstratorsystem erreiche eine Langzeitstabilität von 10 Millionen Zyklen, bei einer Kühlleistung von 6.270 Watt pro Kilogramm des eingesetzten kalorischen Materials.

Das Prinzip der aktiven elastkokalorischen Kühlung: I: Das System heizt sich auf, ein Kühlfluid verdampft und setzt das System unter Druck. II: Die Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Segment führt dazu, dass sich rechts das Ventil öffnet. Gas strömt in das nächste Segment. III: Verschwindet das Gas, kühlt sich das Segmet ab. IV: Das Gas kondensiert in diesem Segment, der Druck lässt nach, das linke Ventil öffnet sich wegen der Druckdifferenz und weiter geht`s...
Das Prinzip der aktiven elastkokalorischen Kühlung: I: Das System heizt sich auf, ein Kühlfluid verdampft und setzt das System unter Druck. II: Die Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Segment führt dazu, dass sich rechts das Ventil öffnet. Gas strömt in das nächste Segment. III: Verschwindet das Gas, kühlt sich das Segmet ab. IV: Das Gas kondensiert in diesem Segment, der Druck lässt nach, das linke Ventil öffnet sich wegen der Druckdifferenz und weiter geht`s...
(Bild: IPM)

So, betont die Expertin, übertrifft die Werte bisheriger Systeme bei Weitem. Die Ergebnisse wurden nun im Journal „Communications Physics“ veröffentlicht. Im nächsten Schritt will man die Temperaturspanne des Kühlsystems steigern. Hierfür wird aktuell ein mehrstufiges System entwickelt.

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