Wärmeübertrager für elektrifizierte Luftfahrtantriebe
Das DLR - Institut für Elektrifizierte Luftfahrtantriebe unter anderen vollelektrische Antriebssysteme auf Basis von wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellensystemen. Leichtbaulösungen für Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere für das Wärmemanagement und seine Wärmeübertrager, sind für die Entwicklung eines wettbewerbsfähigen Verkehrsflugzeugs unerlässlich.
Warum ist Abwärme eine Herausforderung?
Abwärmequellen in einem brenstoffzellenbasierten Antriebssystem
Die Komponenten eines elektrifizierten Antriebsstranges haben unterschiedliche optimale Betriebstemperaturen.
Werden die optimalen Betriebstemperaturen der Komponenten überschritten, können die Leistung, die Haltbarkeit und die Sicherheit der gefährdet werden. Es kann zu eingeschränkter Funktion oder sogar zum Komplettausfall der Komponenten kommen.
Das Thermalmanagementsystem kann einen großen Anteil am Gewicht und am Volumen des gesamten Antriebsaggregats haben. Ziel der Forschung ist es, durch die Entwicklung leichter, kompakter Wärmeübertrager die Leistungsdichte des Gesamtantriebes zu erhöhen.
Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS)
Am Institut für Elektrifizierte Luftfahrtantriebe forschen wir an 3D-gedruckten Modellen von TPMS-Kühlstrukturen (Triply Periodic Minimal Surfaces), die aus periodisch geformten Geometrien mit einem sehr hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bestehen.
Das additive Fertigungsverfahren ist optimal geeignet, um solche komplizierten Formen herzustellen. Dabei ist die Feinstruktur des Objekts keine Neuentwicklung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, sondern wurde – wie viele andere technische Entwicklungen - von der Natur inspiriert und kommt zum Beispiel in den Flügeln von Insekten vor.
Am Institut wird an verschiedenen TPMS-Geometrien mit integrierten Kühlkanälen geforscht. Diese Modelle werden genutzt, um komplizierte und aufwändige Berechnungen anhand von realen Komponententests experimentell zu validieren. Dabei wird die optimale aerodynamische und thermische Leistung der Wärmeübertrager ermittelt und somit der Erfolg des Designs überprüft.
Innovative Kühlmittelführung
Das Kühlmittel wird in Kreuz- und Gegenrichtung zur Luft durch die Struktur geführt.
Die Entwicklung kompakter Wärmeübertrager hat am Institut für Elektrifizierte Luftfahrtantriebe den Technologie-Reifegrad 4 erreicht, indem die Konzepte unter Laborbedingungen validiert wurden.
Validierung unter Laborbedingungen
Untersuchungen im Prüfstand TMT-MAD (Thermal Management Testrig - Modular Air Duct)
