Leistungssteigerung von elektrotechnischen Prozessen durch Abbau thermischer Lastspitzen im Bereich von 80 bis 130°C mittels innovativem Wärmespeichermaterial

Die Zielstellung des Vorhabens lag in der Entwicklung eines thermoplastisch verarbeitbaren thermischen Energiespeichermaterials, welches Schmelzpunkte zwischen 80 bis 130°C aufweist. Durch die thermoplastische Verarbeitbarkeit mittels Extrusion, Pressen, Spritzguss oder Tauchen können Kühlkonzepte zum Abbau thermischer Lastspitzen in elektrotechnischen Komponenten umgesetzt werden.

Das TITK hat sich auf polymergebundene PCM-Compoundmaterialien fokussiert, vorzugsweise sehr hochkapazitive Paraffine und speziell zugeschnittene Polyethylenwachse als fest-flüssig PCMs. Dabei wird das PCM in einer Polymermatrix integriert, in der es physikalisch gebunden wird (vergleichbar mit einer Schwammstruktur). Dieses PCM-Compoundmaterial kann dann mit entsprechenden thermoplastischen Verarbeitungsmethoden als passive Kühlvariante oder als kombinierte Kühlvariante für den Einsatz in elektrotechnischen Prozessen weiterverarbeitet werden.

Ergebnisse            

Es wurde PCM-Granulat mit Schmelzpunkten von 94, 110 und 130°C entwickelt. Die Schmelzenthalpien (max. 160J/g) sowie der Schmelzbereich sind stark abhängig vom ausgewählten Schmelzpunkt und müssen  im Anwendungsfall beachtet werden. Durch die Variation der Polymermatrix (Septon-Typ) kann die Viskosität der PCM-Compoundschmelze eingestellt werden.

Es wurde eine Zusammensetzung entwickelt, die es ermöglich, dass das PCM-Granulat auch bei Temperaturen >Ts in fester Granulatform vorliegt, sodass konventionelle, thermoplastische Verarbeitungsmöglichkeiten zur Herstellung von Halbzeugen realisiert werden können. Eine für den Abbau von thermischen Lastspitzen benötigte erhöhte Wärmeleitfähigkeit konnte durch die Zugabe von Graphit umgesetzt werden.

Zum praktischen Nachweis der Funktionsfähigkeit des entwickelten PCM-Compoundgranulat wurde aus einer ausgewählten Zusammensetzung mittels thermischen Pressverfahren Probekörper unterschiedlicher Dicken hergestellt. Das Material wurde anschließend in einem Hochlast-Widerstand, der in Messtechnik und Leistungsanwendungen zum Einsatz kommt, integriert.

Die Auswertung mit Temperatursensoren und IR-Kamera zeigen, dass eine Minimierung der Spitzentemperatur um min. 15% erreicht wird. Weiterhin kann ein Zeitgewinn von ca. 30% bis zum Erreichen der maximalen Betriebstemperatur erreicht werden (längere Betriebsdauer). Durch weitere Anpassungsmöglichkeiten sind hier vielversprechende Optimierungen bezüglich der Senkung der Spitzentemperatur möglich.

Anwendung

Primäres Ziel ist es, nicht das fertige Produkt zu vermarkten, sondern das gefertigte Halbzeug in Form von Granulat, Platten oder Verbundkörpern. Das entwickelte Material soll hier als Grundlage für anwendungsspezifische Weiterentwicklungen / Anpassungen von bestehenden Systemen oder neuen Produkten eingesetzt werden.

Gerade in der Mobilitätswende hin zur E-Mobility sind innovative Materialien gefragt, die das Thermomanagement von bspw. Batteriesystem regulieren. Es ist vorgesehen, direkt mit den auf den Markt etablierten Firmen in Kontakt zu treten, wie zum Beispiel in der Automobilzuliefererindustrie.