Beschichtung von Bauteilen

Im Leitprojekt ElKaWe arbeiten sechs Fraunhofer-Institute an der Entwicklung elektrokalorischer Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen. Das Fraunhofer FEP ist mit benetzungsfördernden Schichten zur Gewährleistung eines schnellen Wärmetransports beteiligt.

Wärmepumpen auf der Basis von Kompressoren werden zum Heizen und Kühlen verwendet und sind beim Neubau von Einfamilienhäusern inzwischen der am häufigsten installierte Heizungstyp. Die in den Systemen eingesetzten Kältemittel sind jedoch zumeist umwelt- und gesundheitsschädlich und werden durch den Gesetzgeber mehr und mehr reglementiert. Festkörperbasierte Wärmepumpen hingegen arbeiten mit unbedenklichen Fluiden wie Wasser, sind geräuschlos und weisen perspektivisch eine den Kompressor-basierten Systemen überlegene Effizienz auf.

Um dieser neuen Technologie zum Durchbruch zu verhelfen, haben sich sechs Fraunhofer-Institute – IPM, IKTS, IAP, LBF, IAF und FEP – im Leitprojekt ElKaWe zusammengeschlossen und arbeiten gemeinsam an der Entwicklung von elektrokalorischen Wärmepumpen. Die Basis hierfür bilden keramische und polymere Materialien, die auf eine Änderung der elektrischen Feldstärke mit einem instantanen Temperatursprung reagieren. Je schneller die dabei erzeugte Wärme abgeführt werden kann, desto leistungsfähiger ist die Pumpe.

In dem patentierten Konzept zum Wärmetransport verdampft bzw. kondensiert das Arbeitsfluid an den aktiven Oberflächen periodisch, um Wärme aufzunehmen oder abzugeben. Um in den angestrebten Leistungsbereich zu gelangen, muss dieser Wechsel bis zu zehnmal pro Sekunde stattfinden. Dies ist nur möglich, wenn die Benetzung durch einen vollflächigen, dünnen Fluidfilm erfolgt, wodurch der Wärmeübergang an der Grenzfläche maximiert wird.

Am Fraunhofer FEP wurden hierzu technologische Ansätze für eine Behandlung bzw. Beschichtung von elektrokalorischen Keramik- und Polymermaterialien entwickelt, die deren vollflächige Benetzung innerhalb kürzester Zeit sicherstellen und darüber hinaus diesen Effekt auch für lange Zeiträume (Monate bis Jahre) aufrechterhalten. Das Kernstück bilden hierbei photokatalytisch aktive Materialien mit einer definiert einstellbaren Oberflächenstruktur. Statische und zeitabhängige Kontaktwinkelmessungen sowie mikroskopische Untersuchungen der Benetzungsvorgänge in verschiedenen Gasumgebungen und Druckbereichen komplettieren die Betrachtungen und leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis der theoretischen Grundlagen der Benetzungsdynamik realer Festkörper.

Das Projekt wird fortgesetzt und läuft noch bis Ende 2024.