Fraunhofer IPM

Die Abteilung „Thermische Energiewandler“ am Fraunhofer IPM charakterisiert und integriert Materialien mit besonderen physikalischen Eigenschaften in Systeme: ein Forschungsschwerpunkt liegt dabei seit mehr als 20 Jahren im Bereich der thermoelektrischen Materialien, die eine direkte Wandlung von Abwärme in elektrischen Strom, sowie im umgekehrten Einsatz als festkörperbasierte Kühl- und Temperiersysteme verwendet werden können.

Aufgrund dieser langen Expertise in dem Bereich Thermoelektrik, auch aufgebaut durch öffentlich geförderte (z.B. BMWi-Projekte »thermoHEUSLER« und »thermoHEUSLER²«, EU-Projekt »HeatReCar«, BMBF-Projekt »TEG2020« etc.) sowie Industrieprojekte, gehört das Fraunhofer IPM mit zu den weltweit führenden Gruppen auf dem Gebiet der Thermoelektrik. Die Aktivitäten umfassen dabei die Aufbau- und Verbindungstechnik für Module, die Entwicklung von thermoelektrischen Generator (TEG) Systemen für Anwendungen zur Abwärmenutzung und der autarken Energieversorgung, die Integration von Peltier-Modulen in unterschiedlichen Kühl- und Temperiersystemen sowie die Messsystementwicklung und der Messplatzbau zur Bestimmung  thermoelektrischer Größen von Materialien und Modulen. Am Fraunhofer IPM sind neben den unterschiedlichen Bereichen der Aufbau- und Verbindungstechnik zur Modulherstellung und der TE-Messtechnik die thermischen und thermoelektrischen Simulationen von Bauelementen sowie Systemen und deren Aufbau als Arbeitsgebiete etabliert. Im Rahmen verschiedener Projekte konnte am Fraunhofer IPM eine halbautomatisierte Aufbau- und Verbindungstechnik für Module entwickelt werden. In Abb. 1 ist ein Setzroboter dieser Modulfertigung dargestellt.

Im Hinblick auf die thermische Ankopplung sind mitunter Alternativen zur üblichen planaren Bauform von Peltier-Elementen gefragt. Hierzu wurden in mehreren Projekten thermoelektrische Streifen sowohl als Generator als auch als Peltier Modul eingesetzt. Mit diesem Konzept lassen sich auch rohrförmige Strukturen konturnah ankoppeln.

Im Bereich der kalorischen Systeme arbeitet die Abteilung seit mehreren Jahren an der Integration magneto-, elasto- und elektrokalorische Materialien in Systeme zur Realisierung effizienter, kältemittelfreier Wärmepumpen und Kühlsysteme. Hier verfolgt das Institut einen neuartigen patentierten Ansatz zum Wärmeübertrag, mit dem die hohe Materialeffizienz der kalorischen Materialien in das Kühlsystem übertragen werden können. Auf Basis dieses Konzeptes konnten mit einem magnetokalorischen System im Labor Systemfrequenzen bis zu 20 Hz realisiert werden – eine Größenordnung höher, als mit anderen kalorischen Systemkonzepten bisher in der Literatur gezeigt wurde. Darüber hinaus wurde auf der Chillvanta 2019 der erste elastokalorisch gekühlte Minikühlschrank gezeigt, siehe Abb. 2.

Auch in diesem Bereich beteiligt sich das IPM an diversen öffentlichen Projekten (BMWK-Projekt »MagMed II«, BMBF-Projekt »ElastoCool«, Fraunhofer-Projekt »MagCon«). Zudem wirkt das Fraunhofer IPM in Netzwerken (»ZIM-Netzwerk Magnetokalorik«) mit, hat darüber  hinaus im Frühjahr 2019 zum zweiten Mal einen Kalorik-Workshop organisiert und 2022 eine Konsortialstudie („InnoCool“) zum Stand der Technik der Kalorik durchgeführt.