ELEKTROKALORISCHES FESTKÖRPERKÜHLMODUL MIT THERMISCHEN DIODEN

Elektrokalorische Küh-lung: Im Verbundprojekt EKDM arbeiten vier kleine und mittlere Unternehmen (KMU) zusammen mit einem Fraunhofer-Institut an der Erforschung und Entwicklung eines elektro-kalorischen Festkörper-kühlmoduls mit thermischen Dioden zur Kühlung in bestehenden und innovativen Anwendungen.

Die Erzeugung von Kälte spielt in einer Vielzahl von Anwendungen eine wichtige Rolle, wie z.B. in der Lebensmittelindustrie, im Haushalt, in der Medizin oder im Transportwesen. Konventionelle Technologien der Kälteerzeugung mittels Kompressions- und Sorptions­kälte­ma­schinen oder Thermo­elektrik sind technisch weitgehend ausgereizt. Festkörper-Kühl­ver­fahren auf Basis der Elektrokalorik versprechen eine Steigerung der Energieeffizienz und kommen ohne schädliche Kälte­mittel aus. Dies macht sie insbesondere im Hinblick auf die Einhaltung klimapolitischer und umwelt­relevanter Ziele attraktiv. Im Rahmen des Projekts werden keramische, elektrokalorische Komponenten entwickelt sowie ein innovativer Systemansatz auf der Grundlage thermischer Dioden erforscht.

Wie funktioniert die elektrokalorische Festkörperkühlung?

Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an elektrokalorische (EK) Materialien richten sich die elektrischen Dipolmomente im Feld aus. Nach den Gesetzen der Thermodynamik geht dies mit einer Temperaturerhöhung des Materials einher. Die entstehende Wärme wird über eine Wärmesenke abgeführt, wodurch sich das Material wieder auf die Ausgangstemperatur abkühlt. Beim anschließenden Entfernen des elektrischen Feldes verringert sich die Ordnung im Material und es kommt zu einem Temperaturabfall unter die Ausgangstemperatur. Jetzt kann das Material thermische Energie aus einer Wärmequelle aufnehmen. Der elektro­kalorische Effekt ist reversibel und kann somit zyklisch in einem Festkörperkühlsystem genutzt werden.



CAD-Konzept für ein EKDM (1: Wärmequelle, 2: Wärmesenke, 3: Befüllstutzen, 4: elektrokalorische Komponenten, 5: elektrische Anschlüsse, 6: Abstandshalter)

In einem innovativen Systemansatz wird die elektrokalorische Wärme über Verdampfen und Kondensieren von Wasser übertragen. Ein gerichteter Wärmestrom von der Wärmequelle zur Wärme­senke wird durch die Umsetzung als thermische Diode in Anlehnung an die Planar Jumping-Drop Thermal Diodes [1] ermöglicht. Der Aufbau des Kühlsystems erfolgt als kompakte Festkörper-Baugruppe aus mehreren Stufen elektrokalorischer Diodenmodule.



Schematische Darstellung der Funktionsweise des EKDM

Die Funktionsweise eines elektrokalorischen Diodenmoduls (EKDM) ist schematisch dargestellt. Die evakuierten Kammern zwischen zwei elektro­kalorischen Komponenten enthalten geringe Mengen an Wasser, die sich an der hydrophilen Seite der Kammer sammeln. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die untere EK-Komponente (Phase 1) erwärmt sich diese und führt so zur Verdampfung des Wassers. Der aufsteigende Wasserdampf kondensiert an der Oberfläche der oberen EK-Komponente unter Abgabe der Phasen­um­wand­lungs­wärme. Durch die hydrophoben Eigen­schaften dieser Oberfläche verbleibt das Wasser hier nicht, sondern sam­melt sich erneut auf der hydrophilen Oberfläche der unteren EK-Komponente. Anschließend wird die elektrische Spannung an die obere EK-Komponente angelegt (Phase 2). Da an der hydrophoben Seite kein Wasser für einen Verdampfungsprozess vorhanden ist, findet der gerichtete Wärmefluss nur von der hydrophilen zur hydrophoben Seite statt, jedoch nicht umgekehrt.

Was sind die Aufgaben der Verbundpartner?



Kooperation der Partner im Projekt EKDM

Zum Erreichen des Projektziels arbeiten alle Verbundpartner eng in einem interdisziplinären Team zusammen. Die einzelnen Teilgebiete sind schematisch zusammengefasst. GSI Technology UG führt die thermischen Simulationen und die Auslegung des Gesamtsystems durch. Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS synthetisiert die EK-Werkstoffe und stellt auf deren Basis die benötigten Komponenten zur Verfügung. AMS Technologies AG befasst sich mit der experimentellen Umsetzung der thermischen Dioden­bausteine. hivolt.de GmbH & Co.KG ent­wickelt die dazu erforderliche Hochspan­nungs- und Schaltungs­elektronik. aixACCT Systems GmbH entwickelt ein Charakterisierungs­verfahren für die EK-Werkstoffe und Komponenten. Die im Projekt ent­wickelten Materialien und Kompo­nenten werden mit diesem Verfahren untersucht und die Mess­daten für die Simulation bereit­gestellt.

Welche Ziele werden mit dem Projekt verfolgt?

Die Arbeiten im Projekt sollen zeigen, dass elektrokalorische Festkörperkühl­module das Potenzial besitzen, die Kühlung in bestehenden Anwendungen effizienter zu gestalten und auch neue Anwendungen zu erschließen. Zurzeit ist die Elektrokalorik noch wenig technisch entwickelt. Bisher gibt es lediglich einige prototypische Aufbauten von elektro­kalorischen Systemen im Labor­maßstab. Perspektivisch lassen sich mit einem solchen Kühlsystem bestehende Anwen­dungen wie kleinere Kühlschränke, Schaltschrankkühlung oder Kühlung für Telekommunikations-/Digital-TV-Über­trager wesentlich effizienter realisieren. Dazu kommen völlig neue Ansätze wie Raumklimaregulierung über Heiz- und Kühlfunktion in Fensterrahmen, Mobile Kühlboxen (Fahrradkurier oder Drohnen) und persönliche Kühler. Die mögliche CO2-Einsparung gegenüber bestehenden Technologien ist dargestellt.



Erwartete Ziele EKDM und damit verbundenes CO2-Einsparungspotential

Das Projekt hat die Entwicklung einer systembezogenen Technologie im Fokus, welche die Energieeffizienz im Bereich von Kühlanwendungen steigert und die Emission von Treibgasen minimiert. Damit ist ein besonderer Bezug zu der Richtlinie zur Förderung von Projekten des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zum Thema „KMU-innovativ: Ressourceneffizienz und Klimaschutz“ gegeben und wird unter dem Förderkennzeichen 01LY1921A geführt.

www.amstechnologies.com

  Fordern Sie weitere Informationen an…