Programmierbarer Wärmedurchgang

Motivation und aktuelle Zielsetzungen

Die Kontrolle von Temperaturdifferenzen ist auf allen Ebenen ein großes Anliegen der Wissenschaft. Global versucht sie, der Menschheit geeignete Technologien zur Bekämpfung des Klimawandels an die Hand zu geben. Auf Ebene der technischen Anwendungen ist die richtige Temperatur für angenehme Umgebungen, die Sicherheit und vor allem effiziente Prozesse unabdingbar und so gleichzeitig auch wieder ein großer Faktor der Energie- und Materialeffizienz.

• Entwicklung programmierbarer Wärmespeichermodule mit PCM zur gezielten Wärmefreisetzung im Bedarfsfall bzw. zur zeitversetzten Abgabe von gespeicherter Wärme. 
• Entwicklung von Schaumstoffen aus Programmierbaren Materialien (Formgedächtnispolymeren) sowie dazugehöriger Materialsysteme als programmierbare Dämmelemente.
• Effektive Wärmeschalter auf Basis von Heatpipes mit programmierbaren Materialien.
• Demonstration des materialinhärenten Thermomanagements anhand eines thermisch passiv geregelten Batteriemoduls.

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Forschungsgegenstand und Highlights

Im Themenfokus Programmierbare Wärmedurchgang untersucht das Cluster verschiedene Mechanismen auf ihre Eignung innerhalb von programmierbaren Materialien, darunter den Phasenwechsel, die elektro-magnetischen Aktivierung, Sorption und Kapillarleitung sowie die Zustandsänderung von Füllstoffen.

Anwendungsbezogene Highlights konnte der „Themenfokus Programmierbarer Wärmetransport (PT2)“ erreichen. Die Herausforderung, PCM zuverlässig schaltbar zu machen, wurde schon vereinzelt adressiert, konnte bislang aber nicht zufriedenstellend gelöst werden. Im Rahmen des Themenfokus PT2 wurde nun ein zuverlässiger Aktuationsmechanismus entwickelt: Er ist in einen Aktuator integrierbar, der die reproduzierbare Unterkühlung des PCMs auch nach zahlreichen Arbeitszyklen nicht beeinträchtigt und so die Realisierung eines zyklenstabilen Latentwärmespeichersystems ermöglicht. Damit ist reversibles und stets zuverlässig funktionierendes Schalten von PCMs möglich. Daneben funktioniert der Mechanismus nicht nur bei speziellen PCMs sondern ist breit in dieser Materialgruppe einsetzbar. Viele Umsetzungsmöglichkeiten - beispielsweise eine Miniaturisierung - sind dadurch in greifbare Nähe gerückt. Daneben kann der Aktuator auch zusammen mit anderen Programmierbaren Materialien eingesetzt werden, und bietet so den Anschluss an die Arbeit der anderen Themenfokusse im CPM. Die Schutzrechtsanmeldung wurde am 07.01.2021 beim Patentamt eingereicht mit dem Titel: Thermoregulierendes Behältnis mit einem Latentwärmespeicher.

Der Nachweis der Aktuatorfunktionalität von Schaumstoffen aus Formgedächtnispolymer und die damit verbundene Möglichkeit, darin Strömungskanäle zu schalten, hat sowohl wissenschaftlichen Niederschlag gefunden als auch das Interesse der Anwender geweckt. Die Ergebnisse der Forschungsgruppe aus dem Cluster Programmierbare Materialien konnten in der Open Access Fachzeitschrift Polymers publiziert werden (Shape Memory Polymer Foam with Programmable Apertures). Durch die Systemauslegung und die thermomechanische Behandlung des Schaumstoffs im Vorfeld kann festgelegt werden, bei welchen Temperaturen die reversiblen Formänderungen ausgelöst werden und in welche Richtung die Aktuation geschieht. Dadurch werden autarke Dämmstoffsysteme mit einer schaltbaren Luftdurchlässigkeit denkbar, die beispielsweise in Fassadenelemente von Gebäuden integriert werden können. Diese vielversprechenden Eigenschaften für einen Einsatz als programmierbare Dämmung hat breite Aufmerksamkeit von Seiten der Anwender:innen auf sich gezogen (Berichte in zahlreichen Fachforen wie GreenBUILDING Magazin, Architekturblatt).

Erstmals gelungen ist der Bau eines thermischen Schalters für Heat Pipes: Ein Zeolith kam experimentell unter Heat Pipe-Bedingungen zum Einsatz und wies wie gewünscht einen „Schalteffekt“ bzgl. der Wasserfreigabe auf. Das heißt, dass vorher adsorbiertes Wasser ab einer bestimmten Temperatur relativ abrupt freigegeben wird und dann über den bekannten Fluidkreislauf (Verdampfung und Rekondensation) den Wärmetransport in einer Heat Pipe tragen kann. Die Schalttemperatur lag um die 70 °C und ein Schaltfaktor von ca. 20 konnte erzielt werden (gemessen in der adiabaten Zone der Heat Pipe). Es deutet alles darauf hin, dass dieser Schalter in alle Formen kommerziell verfügbarer Heat Pipes integriert werden kann, was ein großes wirtschaftliches Potential erschließt. Dass hier erstmals eine Heat Pipe gezielt schaltbar gemacht werden konnte, ist auch der interaktiven, instituts- und projektübergreifenden Arbeitsform im Cluster zu verdanken. Kompetenzen zum Materialverhalten, Systemverhalten und zur technischen Realisierbarkeit in Anwendungskontexten wurden von den beteiligten Fachexpert:innen im Themenfokus PT2 als passend erkannt, die Beiträge agil kombiniert und für das Projekt PT2.3 nutzbar gemacht – ohne vorherige Planung, sondern effizient und effektiv in der schnellen Umsetzung.

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Publikationen

Referierte Zeitschriften

Lengsfeld, Kristin; Walter, Moritz; Krus, Martin; Pappert, Sandra; Teicht, Christian; Innovative development of programmable phase change materials and their exemplary application, Energies 14/12 (2021) Art. 3440, 13 S.
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Beteiligte Institute des Clusters: IBP, ICT

Winkler, Markus; Teicht, Christian; Corhan, Patrick; Polyzoidis, Angelos; Bartholomé, Kilian; Schäfer-Welsen, Olaf; Pappert, Sandra; Thermal switch based on an adsorption material in a heat pipe, Energies 14/16 (2021) Art. 5130, 20 S.
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Beteiligte Institute des Clusters: IPM, ICT

Winkler, Markus; Schipper, Jan; Corhan, Patrick; Bartholomé, Kilian; Schäfer-Welsen, Olaf; Teicht, Christian; Polyzoidis, Angelos; Pappert, Sandra; Improved thermal switch based on an adsorption material in a heat pipe, Energies 15/9 (2022) Art. 3271, 21 S
Beteiligte Institute des Clusters: IPM, ICT

Walter, Mario; Friess, Fabian; Krus, Martin; Zolanvari, Seyed Mohammad Hassan; Grün, Gunnar; Kröber, Hartmut; Pretsch, Thorsten; Shape memory polymer foam with programmable apertures, Polymers 12/9 (2020) Art. 1914, 23 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, IBP, ICT

Winkler, Markus; Rapp, David; Mahlke, Andreas; Zunftmeister, Felix; Vergez, Marc;  Wischerhoff, Erik; Clade, Jürgen; Bartholomé, Kilian;  Schäfer-Welsen, Olaf, Small-sized pulsating heat pipes/oscillating heat pipes with low thermal resistance and high heat transport capability, Energies 13/7 (2020) Art. 1736, 16 S.
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IPM, IAP, ISC

Unreferierte Zeitschriften

Winkler, Markus; Bartholomé, Kilian; Elektronik entwärmen mit pulsierenden Heatpipes, Elektronikpraxis  Sonderheft Elektromechanik II (2019) 38-41
Link
Beteiligte Institute des Clusters: IPM

Tagungsbände

Pretsch, Thorsten; Schönfeld, Dennis; Chalissery, Dillip; Walter, Moritz; Köbler, Jonathan; Andrä, Heiko; Wenz, Franziska; Eberl, Chris; Shape memory polymers in transition to programmable materials, in Proc. of Global Congress on Advances in Polymer Science & Nanotechnology 2021: Enlightening the Advancements in the fields of Polymer Science, Chemistry and Nanotechnology; Peers Alley Media, Vancouver BC, Canada (2021) 9
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, IWM, ITWM

Pretsch, Thorsten; Schönfeld, Dennis; Chalissery, Dillip; Walter, Moritz; Köbler, Jonathan; Andrä, Heiko; Wenz, Franziska; Eberl, Chris; Shape memory polymers in transition to programmable materials, in Proc. of 2nd Advanced Chemistry World Congress 2021 - Latest Global Innovations and Market Insights in Chemistry; Peers Alley Media, Vancouver BC, Canada (2021) 21
Beteiligte Institute des Clusters: IAP, IWM, ITWM

Vorträge

Pretsch, Thorsten
Funktionsintegration mit Additiver Fertigung
4. Virtuelles Werkstattgespräch "Additive Fertigung"
online, Deutschland; 19.01.2022
Link

Pretsch, Thorsten
Shape memory polymers in transition to programmable materials
2nd Advanced Chemistry World Congress - Latest Global Innovations and Market Insights in Chemistry 2021
virtuell, Berlin; 14.06.2021-15.06.2021
Link

Pretsch, Thorsten
Shape memory polymers in transition to programmable materials
Global Conference on Advances in Polymer Science and Nanotechnology 2021
virtuell, Canada; 27.05.2021-28.05.2021

Walter, Mario
Schäume aus Formgedächtnispolymer
Workshop Projektgruppe 2: Neue Werkstoffe / Werkstoffsysteme
virtuell, Deutschland; 24.06.2021

Pretsch, Thorsten
Design for Recycling mit Formgedächtnispolymeren
VDI-Arbeitskreis Kunststofftechnik »Recyclingkonzepte und Reststrommanagement«, Teil II: Neue Entwicklungen für die Kunststoffwelt
Online-Event,  Deutschland; 25.11.2020
Link

Schäfer-Welsen, Olaf
Passive, hocheffiziente Entwärmung und Wärmespreizung mit kompakten Pulsierenden Heatpipes (PHP)
Cooling-Days – der Fachkongress zum Thema Elektronikkühlung & Wärmemangement 2019
Würzburg, Deutschland; 12.10.2019-13.10.2019

Studentische Arbeiten (Bachelor, Master, Diplom)

Aufbau und Charakterisierung von Pulsating Heat Pipes als Wärmespreizer zur Kühlung von Leiterplatten (M)

Auslegung und Aufbau eines T-History-Kalorimeters für die Charakterisierung von Phasenwechselmaterialien von -40 °C bis 250 °C (B)

Charakterisierung und Modellierung passiver Heatpipe-basierter Wärmeschalter (M)

Neuartige Formgedächtnispolymere für die Aktorik (M)

Mesoverkapselung von Phasenwechselmaterialien mittels SLA-3D-Druck – Potentiale und Grenzen des Druckverfahrens und Materialverträglichkeit (B)

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