TGM Spezial: Konzept Carbon Heat Exchanger

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Der Status Quo

Typischerweise werden Wärmeübertragungssysteme zur Luftkühlung im Automotive-Bereich als metallische Lamellenwärmetauscher ausgeführt und auf Korrosions- und Medienbeständigkeit ausgelegt. Diese Bauweise ermöglicht eine große Übertragungsfläche bei begrenztem Bauraum, jedoch ergibt sich durch die aktuell eingesetzten Werkstoffe ein erhöhtes Eigengewicht, welches sich auch auf die schwerer auszuführenden Umgebungsstrukturen niederschlägt. Bei den meisten Fahrzeugen ist auf Grund des Materials und der Bauweise eine Funktionsintegration in bestehende Strukturbauteile nicht möglich.
Dadurch sind auch der benötigte Bauraum und der nutzbare Luftstrom meist vordefiniert. Infolge von Verschmutzungen und mechanischen Einwirkungen (welche beispielsweise die Lamellen verbiegen) nimmt die durchströmende Luftmenge über die Lebenszeit ab, wodurch der Wirkungsgrad aktueller Übertragungssysteme gemindert wird.
Diese Einflüsse limitieren die Motorleistung bzw. Effizienz des Verbrennungsprozesses und zeigen deutliche Nachteile bestehender Systeme bei der Anpassung auf weitere Anwendungen zur Kühlung bzw. Erwärmung im Bereich hybrider oder elektrischer Antriebe. Im Rahmen des Funktionsleichtbaus sollten auch Strukturelemente als Wärmetauscher zur Kühlung oder Erwärmung genutzt werden.

Das Wirkprinzip

Im Unterschied zu metallischen Werkstoffen wie Aluminium, bei denen sich die Wärmeleitung isotrop verhält, ist die thermische Leitfähigkeit von Kohlenstofffasern generell stark anisotrop ausgeprägt und in Faserrichtung am höchsten. Hochmodulige Kohlenstoffasern weisen dabei gegenüber Aluminium eine sechsfach höhere Wärmeleitfähigkeit auf.
Aktuelle Lamellenwärmetauscher benötigen für die Erbringung der geforderten Leistung eine möglichst große Übertragungsfläche und bestehen daher typischerweise aus mehreren Kühlschleifen. Die Verwendung wärmeleitfähiger Materialien ermöglicht demgegenüber einen verbesserten Wärmedurchgang, wodurch die Fläche reduziert, das Systemgewicht gesenkt und der Design-Freiheitsgrad erhöht werden können. Dies erschließt perspektivisch auch die Aktivierung des gesamten Luftkanals für den Wärmeaustausch.

Die Anwendungsmöglichkeiten im Automobil

Wärmetauscher aus kohlenstoffbasierten Werkstoffen sind bereits in stationären Anwendungen wie bspw. in Heizkraftwerken im Einsatz und ermöglichen neuartige Leichtbaulösungen im Automotive- und Leistungselektronik-Bereich. Je nach Auslegung können so höhere Kühlleistungen (ca. 40%) bzw. geringere Fahrzeuggewicht erzielt werden. Durch die Funktionsintegration in bestehende Strukturbauteile können dabei gleichzeitig optimale Geometrien im Hinblick auf einen geringeren Luftwiderstand sowie verbesserte Crashenergieabsorption umgesetzt werden.
Denkbare Anwendungen im Automobil sind breit gefächert und umfassen beispielsweise die Funktionsintegration in die Strukturbauteile der Lufteinlässe, Kühlergrills, Splitter, Unterbodenverkleidungen, Seitenschweller, Spoiler sowie Crashelemente zur Aggregats- und Getriebekühlung.

Das Projektteam

Aufbauend auf den Forschungsergebnissen des Fachgebiets Polymerbasierter Leichtbau an der BTU Cottbus und unserer jahrelangen Erfahrung im technischen Gewichtsmanagement wurde bereits ein gemeinsames Patent angemeldet und zusammen mit unseren Partnern dem Fraunhofer PYCO, dem Ingenieurbüro Christan Marmodée sowie Realize Engineering eine erste Konzeptskizze erarbeitet.

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