Werkstoffe

Wärme mittels Kompositmaterial ableiten

| Redakteur: Thomas Günnel

Kühlere Oberflächen: Ein neu entwickeltes Kompositmaterial soll bei direkter Sonneneinstrahlung die Oberflächentemperatur am Armaturenbrett um knapp 50 Prozent senken.
Kühlere Oberflächen: Ein neu entwickeltes Kompositmaterial soll bei direkter Sonneneinstrahlung die Oberflächentemperatur am Armaturenbrett um knapp 50 Prozent senken. (Bild: Fiat)

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Die Oberflächentemperatur am Armaturenbrett um knapp 50 Prozent senken: das kann ein Kompositmaterial, das Forscher des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF entwickelt haben.

Viele Menschen wünschen sich Abkühlung in diesem Rekordsommer, auch unterwegs. Wie sich mit geschicktem Thermomanagement die Temperatur im Fahrzeug und die Reichweite von Elektromobilen positiv beeinflussen lässt, haben jetzt Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF im Rahmen des EU-Forschungsprojektes Optemus (optimised energy management and use) gezeigt.

Teilziel des Projekts war es, neuartige Materialien für den Einsatz im Armaturenbrett zu entwickeln, welche die vor allem durch Sonneneinstrahlung verursachte Wärme von der Oberfläche ableiten und damit deren Wärmestrahlung verringern. Im Laufe des Projekts experimentierten die Darmstädter Forscher dazu an unterschiedlichen Trägermaterialien und integrierten Füllstoffe wie Bornitrid und Graphit. Am Ende stand ein Material, das einen Phasenübergang durchlaufen kann, ein sogenanntes Phase Changing Material (PCM) mit einem Trägermaterial aus Polyethylen und dem Füllstoff Graphit.

Wärme schnell ableiten

Das Graphit verleiht dem Kompositmaterial eine sehr gute thermische Leitfähigkeit und bewirkt eine schnelle Wärmeableitung. Der PCM-Anteil sorgt für eine hervorragende „Energiespeicherung“. Unter dem Bauteilnamen „Smart Cover Panel“ wurden die Arbeitsprinzipien von Graphit und PCM-Material im Projekt zusammengefasst. Um die Vorteile des neuen Materials zu demonstrieren, bauten die Wissenschaftler dieses Bauteil in das Armaturenbrett eines Elektrofahrzeugs ein und erzeugten anschließend einen Kreisprozess von Aufheiz- und Kühlphase.

Für die Kühlung sorgten Peltier-Elemente. Diese elektrothermischen Wandler werden ihrerseits mit externen Lüftern gekühlt. Die Energie für Peltier-Elemente und Kühler kommt aus einer zusätzlichen 12 Volt-Batterie, die mit Photovoltaikstrom gespeist wird.

Kühlen nur im Sommer

Die beim Phasenübergang freiwerdende Energie nutzten die LBF-Forscher, um die Peltier-Elemente nur für eine bestimmte Zeitspanne einzuschalten. Auf diese Weise müssen die Lüfter nicht konstant auf Maximalleistung laufen. Durch eine entsprechende Regelung wird das Kühlsystem an die Temperatur im Material gekoppelt. Dies soll zu einer höheren Lebenserwartung der elektronischen Bauelemente führen.

Das Smart Cover Panel wird dabei durch das Sonnenlicht selbst geregelt: Die Kühlung startet nur an heißen Sommertagen, im Winter bleibt die dann begehrte Wärme im Armaturenbrett.

Vergleich mit konventionellen Materialien

Das neu entwickelte Material verglichen die Forscher mit dem konventionell in Armaturenbrettern verwendeten Polypropylen-Talkum-Compound experimentell. Dazu beaufschlagten die LBF-Wissenschaftler beide Materialien mit einer Strahlungsleistung von 1.200 Watt pro Quadratmeter. Nach der Versuchsdauer von 1.000 Sekunden betrug die Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Probekörper rund 41 Grad Celsius. Das entspricht einer Temperaturreduktion von etwa 46 Prozent.

Auf das Kompositmaterial wurde zusätzlich sogenanntes TISS-Material (Thickness Insensitive Spectrally Selective) aufgeklebt, das für bessere Haptik und Oberflächeneigenschaften sorgt. TISS reflektiert große Teile der Infrarotstrahlung und verringert somit die Energieaufnahme.

Im Projekt Optemus wurde der gesamte Produktentstehungsprozess umgesetzt: Definition der Anforderungen, Design, Herstellung des Materials und experimentelle Materialcharakterisierung sowie die Fertigung eines Prototyps.

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