»Potenzieller Game-Changer«
Mehr Wärmeübertragungsleistung in elektrokalorischen Wärmepumpen
Elektrokalorische Wärmepumpen nutzen Materialien, die beim Anlegen eines elektrischen Feldes ihre Temperatur verändern und dadurch Wärme oder Kälte erzeugen können. Das Fraunhofer Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik hat nun Fortschritte bei der Wärmeübertragung erzielt.
Herkömmliche Wärmepumpen und Klimaanlagen sind oft laut, verbrauchen viel Strom und nutzen klimaschädliche Kältemittel. Aus diesem Grund arbeiten Wissenschaftler weltweit an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen - auch sechs Fraunhofer-Institute innerhalb des Leitprojektes ElKaWe. Solche Wärmepumpen kommen ohne schädliche Kältemittel aus, sind energie- und CO2-effizienter und zudem kompakter und leiser.
Die Wärmeübertragung in elektrokalorischen Wärmepumpen erfolgt dabei durch latente Wärme, wenn das Arbeitsfluid auf den elektrokalorischen Materialien verdampft bzw. kondensiert. Für eine optimale Wärmeübertragung muss die Oberfläche der elektrokalorischen Komponenten durch das Arbeitsmedium vollständig benetzt sein. Da diese Oberflächen zunächst hydrophob, d.h. nicht benetzbar sind, hat das Fraunhofer FEP superhydrophile Metalloxid-Dünnschichten mittels Magnetronsputtern entwickelt.
Materialien wie Titandioxid sind bekannt für ihre Eigenschaft der photoinduzierten Hydrophilie. Damit kann man eine benetzbare Oberfläche erreichen, solange sie regelmäßig mit UV-Licht aktiviert wird. Innerhalb einer elektrokalorischen Wärmepumpe ist eine regelmäßige UV-Aktivierung jedoch nicht praktikabel.
Forscher am Fraunhofer FEP haben nun Dünnschichten mit dauerhafte Hydrophilie entwickelt, die nicht nur auf der intrinsischen hydrophilen Natur der Materialien, sondern auch auf ihrer mesoporösen Mikrostruktur basiert. Diese Mikrostruktur besteht aus Poren mit Durchmessern zwischen 2 und 50 nm, die Kapillareffekte auf der Nanometerskala fördern und so die Flüssigkeitsausbreitung auf der Oberfläche verbessern.
Maria Barrera, Doktorandin und Projektbearbeiterin am Fraunhofer FEP: „Wir haben Studien zur Tröpfchendynamik durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die beschichteten elektrokalorischen Komponenten eine höhere Tröpchennukleation und Wachstumsrate aufweisen als unbeschichtete Komponenten. Dies ermöglicht es, innerhalb einer Sekunde mehrere Zyklen von Kondensation und Wiederverdampfung zu durchlaufen. Dank der mesoporösen Beschichtungen bleibt fast die gesamte Fläche während der Kondensationsprozesse aktiv. Das verbessert also die Wärmeübertragungsleistung erheblich.“
Die neuen Beschichtungen verbessern die Wärmeübertragungsrate durch beschleunigtes Tröpfchenwachstum um bis zu zwei Größenordnungen. Kondensations- und Verdampfungsprozesse laufen auf superhydrophil beschichteten Oberflächen deutlich schneller ab als auf unbeschichteten.
Diese dauerhafte Superhydrophilie der Schichten macht diese besonders geeignet für den Einsatz in Festkörperkühlgeräten wie elektrokalorischen Wärmepumpen sowie in Anwendungen, bei denen eine schnelle Tröpfchennukleation oder eine vollständige Benetzung der Oberfläche durch eine Flüssigkeit entscheidend sind.
„Die Entwicklung der elektrokalorischen Wärmepumpe hat das Potenzial, ein Game-Changer für nachhaltige Wärmepumpentechnologie zu werden“, so Maria Barrera. Sie und ihre Kollegen erwarten eine Marktreife in 5-7 Jahren.
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