Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik
Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik

HÄLT – Hocheffiziente Kältekreise mit Propan

Entwicklung materialeffizienter Wärmepumpen unter Berücksichtigung innovativer Fertigung, Lebensdauer und zirkulärem Design

Die Wärmewende ist eine Werkstoffwende: Kälte- und Wärmetechnik ist ein Wachstumsmarkt, und die Umstellung auf natürliche Kältemittel wie Propan (R290) ist technologisch auf einem guten Weg. Ungelöst bleibt jedoch die nächste Hürde: der Hochlauf der Wärmepumpenproduktion. Bis 2035 soll sich die weltweite Produktion von Gebäudewärmepumpen auf 17 Millionen Einheiten verdreifachen. Dabei übersteigt der jeweilige Werkstoffbedarf den für eine Gasheizung um mehr als das Zehnfache. Kupfer, Aluminium und Permanentmagnete werden damit zum Engpass der Energiewende.

Das Fraunhofer-Projekt HÄLT entwickelt Kältekreise, die bei mindestens 50 Prozent weniger Werkstoffeinsatz die gleiche Leistung und Effizienz erreichen wie konventionelle Systeme. Klassische Fertigungsverfahren stoßen hier an ihre Grenzen: Heutige Kältekreise bestehen aus hunderten von Einzelteilen, die über hartgelötete Kupferrohre verbunden sind.

Projektüberblick: Zwei komplementäre Entwicklungssäulen

HÄLT verfolgt zwei parallele Ansätze, die auf unterschiedliche Fertigungsverfahren, Losgrößen und Anwendungsfelder zielen. Zielsegment beider Säulen sind Kältekreise mit Heizleistungen über 6 kW für gewerbliche Kühlung und mobile Anwendungen.

© Fraunhofer IPK
Additiv gefertigter Verdampfer mit innenliegenden TPMS in Kreuz-Gegenstromkonfiguration
© Fraunhofer IPK
Additiv gefertigter Radiator mit innenliegenden TPMS

LEICHT setzt auf zirkuläre Blechfertigung für die Serienfertigung mit großen Losgrößen. Kernidee ist ein einstückiger Lamellenwärmeübertrager nach dem Ein-Stoff-Prinzip: Sämtliche Bauteile bestehen aus einem einzigen Werkstoff, sodass auf einen Materialmix verzichtet wird. Dadurch lassen sie sich am Ende des Produktlebenszyklus sortenrein trennen, was das werkstoffliche Recycling erheblich erleichtert.

KOMPAKT setzt auf Additive Fertigung (Laser-Strahlschmelzen, PBF-LB/M) für kleine Losgrößen und bauraumkritische Anwendungen. Im Zentrum stehen hochintegrierte Wärmeübertrager mit dreifach periodischen Minimalflächen (Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMS). Dabei handelt es sich um mathematisch beschriebene, sich periodisch wiederholende Flächenstrukturen, die bei minimalem Werkstoffeinsatz eine maximale Oberfläche bereitstellen. Die Struktur vereint Fluidführung, Verteiler und Druckhülle in einem einzigen Bauteil.

Das Fraunhofer IPK verantwortet gemeinsam mit dem Fraunhofer ISE das Arbeitspaket KOMPAKT und leitet darin den funktionsintegrativen Ansatz auf Basis additiver Fertigungsverfahren; das Fraunhofer IPT verantwortet die digitale Prozesskette.

Gemeinsame Querschnittsthemen beider Säulen

Digitale Prozesskette und Qualitätssicherung: Additiv gefertigte, drucktragende Bauteile benötigen belastbare Nachweise. In HÄLT wird die gesamte Prozesskette – von der Pulverbereitstellung über PBF-LB/M bis zur subtraktiven Nachbearbeitung – digital abgebildet. Das Fraunhofer IPT entwickelt hierfür einen Digitalen Zwilling, der die Nachweisführung und Qualitätssicherung unterstützt. Neu entwickelte Qualitätssicherungsmethoden sollen künftig den Einsatz kostenintensiver Verfahren wie der Computertomografie reduzieren. Darauf setzt ein vom Fraunhofer ISE entwickelter digitaler Produktpass auf, der Qualitätsmerkmale und Ressourceneinsatz dokumentiert und mit der EU-Ökodesign-Verordnung (EU) 2024/1781 kompatibel ist. Die Produktionsdaten aus dem additiven Fertigungsprozess liefert das Fraunhofer IPK.

Kreislauffähigkeit und Ökobilanz: Für beide Fertigungssäulen erstellt das Fraunhofer ISE ein repräsentatives Sachbilanzinventar und berechnet eine vergleichende Ökobilanz. Der Fokus liegt auf Klimawandel und dem Ressourcenverbrauch von Mineralien und Metallen.

Ergebnisse am Projektende: 

  • zwei aufgebaute und thermodynamisch vermessene Kältekreis-Demonstratoren,
  • ein Verfahren für den bislang nicht möglichen Lebensdauernachweis von Kältekreisen,
  • eine ganzheitliche Design- und Bewertungsmethode für Werkstoffeffizienz.

KOMPAKT im Detail: Funktionsintegrative Wärmeübertrager mit TPMS

Dreifach periodische Minimalflächen sind mathematisch beschriebene Flächen, die sich in drei Raumrichtungen periodisch wiederholen und bei gegebenen Randbedingungen eine minimale Fläche einnehmen. Bekannte Vertreter sind Gyroid, Schwarz Diamond und Primitive. Für Wärmeübertrager bieten sie mehrere systemische Vorteile:

  • Sehr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis: Im Projekt ist eine Verdopplung der volumenspezifischen Wärmeübertragungsfläche gegenüber der Referenz angestrebt. Dies ermöglicht die Herstellung eines kompakteren und leichteren Apparats mit weniger Materialeinsatz.
  • Zwei vollständig getrennte, ineinander verschlungene Fluiddomänen: Da keine Fügestellen zwischen den Fluidkreisen entstehen, treten keine Wärmeübergangsverluste an Kontaktstellen auf, und es wird kein Werkstoffmix benötigt. Dies erhöht den Wärmedurchgangskoeffizienten bei gleicher Fläche. Die monolithische Bauweise vermeidet zudem galvanische Korrosion und ermöglicht ein sortenreines Recycling am Produktlebensende.
  • Strömungsmechanisch günstige, stetig gekrümmte Kanäle mit permanenter Sekundärströmung: Im Vergleich zu klassischen Turbulenzpromotoren ergibt sich ein günstigeres Verhältnis von Wärmeübergang zu Druckverlust, was die erforderliche Pumpleistung senkt.
  • Selbsttragende, stützstrukturfreie Geometrien: Dies ist Voraussetzung für die additive Fertigbarkeit und eine vollständige Entpulverung der Struktur.
  • Funktionsintegration: Verteiler, Sammler, Druckhülle und Übertragungsstruktur entstehen in einem Bauteil, weshalb Rohrleitungen, Lötstellen und Dichtstellen entfallen. Weniger Einzelteile und Fügeoperationen senken Montageaufwand, Gewicht und Kosten. Mit jeder entfallenden Fügestelle reduziert sich zudem ein potenzieller Leckagepfad, was für die sicherheitstechnische Bewertung brennbarer Kältemittel relevant ist.
  • Reduzierte Kältemittelfüllmenge: Weniger inneres Volumen bedeutet weniger Propan im System – ein direkter Sicherheitsvorteil bei brennbaren Kältemitteln (Ziel: -50 Prozent Füllmenge bei gleicher Heizleistung). Die Anlage rückt unter die sicherheitstechnischen Mengenschwellen (EN 378 / IEC 60335-2-40), wodurch aufwendige Zusatzmaßnahmen wie Lüftung, Gaswarnsensorik oder Aufstellungsbeschränkungen entfallen oder reduziert werden.

Die wissenschaftlichen Herausforderungen:

Bisherige TPMS-Studien untersuchen überwiegend Wasser oder Luft. HÄLT geht darüber hinaus und untersucht:

  • Phasenwechsel: Verdampfung und Kondensation von Propan in TPMS-Strukturen sind bislang nicht erforscht. Im Zelldesign müssen daher Benetzung, Filmbildung und Dampfabführung berücksichtigt werden.
  • Dünnwandigkeit unter Druck: Wanddicken von weniger als einem Millimeter müssen einem Berstdruck standhalten, der mindestens das Vierfache des maximal zulässigen Betriebsdrucks beträgt. Zusätzlich gelten strenge Dichtheitsanforderungen und Grenzwerte für Werkstofffehler.
  • Entpulverung und Nachbearbeitung: Feine, verwinkelte Kanalgeometrien müssen bearbeitet werden, ohne dünne Wandbereiche zu beschädigen.
  • Makro-Mikro-Kopplung: Die Makrostruktur des Bauteils und die TPMS-Einzelzelle (Zellgröße, Wandstärkengradienten, Porositätsverteilung) werden als gemeinsames Optimierungsproblem ausgelegt, nicht sequenziell.
  • Bauraumausnutzung von mindestens 90 Prozent: Eine konsequente Konstruktionsmethodik für die Additive Fertigung senkt die Kosten und erhöht die Wirtschaftlichkeit des sonst teuren Verfahrens.
  • Thermische Entkopplung: Hoch- und Niederdruckseite werden innerhalb eines monolithischen Bauteils thermisch voneinander entkoppelt.

 

Leistungen des Fraunhofer IPK

Das Fraunhofer IPK verantwortet gemeinsam mit dem Fraunhofer ISE das Arbeitspaket KOMPAKT und leitet darin das Teilprojekt »Funktionsintegrativer Ansatz mit TPMS auf Basis additiver Fertigungsverfahren«.

  • Anforderungsdefinition Additive Fertigung: Festlegung von Fertigungsrouten, Werkstoffen und Messstrategien für die AM-Prozesskette
  • Modellierung der TPMS-Mikrostrukturen: Am Fraunhofer IPK entwickelte Modellierungsmethoden zur Manipulation der Einzelzelle und zur Optimierung des Gesamtgitters, Festlegung der Makrostruktur und Optimierung von Fluid-Ein- und -Austritt
  • Simulation: Strömungs- und Wärmeübertragungssimulation der Mikrostrukturen, experimentelle Verifikation an Teilstrukturen und Aufbau des Gesamtmodells
  • Design for Additive Manufacturing: Konstruktion der Kältekreis-Bauteile im Hinblick auf Bauraumausnutzung, Dünnwandigkeit und Stützstrukturfreiheit
  • Additive Fertigung: Fertigung der Wärmeübertrager und Kältekreiskomponenten mittels PBF-LB/M in einer ganzheitlichen Prozesskette
  • Nachbearbeitung: Entpulverungs- und Nachbearbeitungsstrategien, u. a. mit geometrisch unbestimmter Schneide
  • Qualitätssicherung: Zerstörungsfreie Prüfung über Dichtemessung und Computertomografie sowie Erfassung von Fertigungsdaten für den Digitalen Zwilling
  • Iterative Optimierung: Rückkopplung von Prüf- und Messergebnissen in Design und Fertigung

 

Ausblick: Übertragbarkeit über die Kältetechnik hinaus

Die Auslegungs- und Fertigungsmethoden lassen sich direkt übertragen auf:

  • Wärmeübertrager in der Wasserstoffsynthese,
  • Wärmeübertrager in der Luft- und Raumfahrt (u. a. Kühlung brennstoffzellenbetriebener Flugzeuge),
  • die Hochtemperaturkühlung von SOFC-Systemen (Festoxid-Brennstoffzellen) im Schiffs-, Schienen- und Schwerlastverkehr,
  • gekühlte Komponenten der Produktionstechnik.

 

Partner

  • Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU

 

Projektbegleitender Ausschuss

mit 22 Unternehmen entlang der Wertschöpfungskette:

  • ait-deutschland GmbH
  • AKG-Gruppe (AKG Verwaltungsgesellschaft mbH)
  • Bosch Thermotechnik GmbH
  • Copeland Europe GmbH
  • CTA AG
  • DMG MORI Additive GmbH
  • ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG
  • Gemineers GmbH
  • Groupe Atlantic
  • IDM Energiesysteme GmbH
  • Kermi GmbH
  • ModuleWorks GmbH
  • Multi Kühlsysteme GmbH
  • NIBE AB
  • Präwest Dr. Ing. Jung GmbH & Co. KG
  • thermofin GmbH
  • thyssenkrupp Dynamic Components Chemnitz GmbH 
  • Toolcraft AG
  • Triple Solar B.V.
  • Vaillant GmbH
  • Viessmann Holding International GmbH
  • WätaS Wärmetauscher Sachsen GmbH

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