Kühlkonzepte auf Basis elektrokalorischer Materialien

Elektrokalorische Materialien gehören neben magneto-, elasto- und barokalorischen Materialien zur Gruppe der aktiven Materialien und besitzen die Fähigkeit, sich unter Einwirkung eines elektrischen Feldes zu erwärmen bzw. abzukühlen. Die Höhe des erreichbaren Temperaturunterschiedes hängt vom eingesetzten Material und der angelegten elektrischen Spannung ab und kann bis zu über 30 K betragen. Der theoretische Wirkungsgrad liegt dabei deutlich über dem von Peltier-Elementen oder flüssigkeitsbasierten Kühlungen. Nachteilig ist jedoch der auf einen, je nach Material individuellen, relativ kleinen Temperaturbereich eingeschränkte Arbeitsbereich. Für Anwendungen, die in diesem Arbeitsbereich liegen, verspricht eine Nutzung des elektrokalorischen Effekts jedoch großes Potential. Dies ist insbesondere in Systemen mit begrenzter Energie (z.B. in der Elektromobilität) der Fall.

Problemstellung

Die Forschung im Bereich elektrokaorischer Materialien konzentriert sich bislang auf die Untersuchung und Entwicklung von elektrokalorischer Materialien wie z.B. PZT. Um diese Materialien jedoch nutzbar einsetzen zu können, sind Konzepte zur Gestaltung von elektrokalorischen Kühlsystemen notwendig. Dabei müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Zum einen gilt es Wege zu finden, einzelne elektrokalorische Elemente zu verbinden und einen gezielten Wärmefluss von der Quelle zur Senke zu ermöglichen. Aktive und passive Kopplungen von Einzelelementen zu Gesamtsystemen sind dabei zu berücksichtigen. Zum anderen muss die Aktivierung der Einzelelemente in Rahmen des Gesamtsystems und entsprechend der gewünschten Leistung durch ein geeignetes Regelungskonzept ermöglicht werden. Die konstruktive Gestaltung der elektrischen, thermischen und mechanischen Komponenten ist ebenfalls ein kritischer Aspekt bei der Entwicklung elektrokalorischer Kühlsysteme.

Zielsetzung

Das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der Technischen Universität Braunschweig entwickelt zusammen mit dem Institut für Motnagetechnik (match) der Leibniz Universität Hannover im Teilprojekt B7 "Methodological Development and Design of Electrocaloric Cooling Systems for Electric Vehicle Applications" im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1599 "Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling" Kühlelemente für automobile Anwendungen auf Basis von elektrokalorischen Materialien. Das Ziel ist es hierbei, möglichst effiziente Systeme bei möglichst kompakter Bauweise und geringem Gewicht zu realisieren. Weiterhin sollen die entwickelten Systeme charakterisiert und auf Ermüdung, Zuverlässigkeit sowie kommerzielle Anwendbarkeit hin untersucht werden.

Projektprofil

Förderung: DFG, Project B7 of SPP 1599/1: www.ferroiccooling.de (auf Archive.org)

Duration: 12/2012-11/2015

Ansprechpartner

matchbox@match.uni-hannover.de