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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag March 25, 2016

Experimentelle Untersuchung elastokalorischer Kühlprozesse

Experimental investigation of elastocaloric cooling processes
Marvin Schmidt

Marvin Schmidt studierte Ingenieurswissenschaften im Diplomstudiengang Mechatronik an der Universität des Saarlandes. Seit 2012 arbeitet er am Lehrstuhl für Messtechnik der Universität des Saarlandes und setzt dort seine Forschungsarbeit im Bereich des elastokalorischen Kühlens fort. Seine Arbeit ist Teil des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogrammes 1599 „Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling“ in dem interdisziplinäre Forscherteams alternative Kühlkonzepte entwickeln.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme, 66123 Saarbrücken

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, Andreas Schütze

Andreas Schütze studierte Physik an der RWTH Aachen und promovierte in Angewandter Physik an der Justus-Liebig-Universität Gießen. Nach einer mehrjährigen Tätigkeit in der Wirtschaft wurde er 1998 als Professor für Sensorik und Mikrosystemtechnik an die FH Niederrhein berufen. Seit 2000 leitet er den Lehrstuhl für Messtechnik in der Fachrichtung Mechatronik der Universität des Saarlandes. Seine Forschungsschwerpunkte sind chemische Messsysteme für die Gasphase und für Flüssigkeiten sowie Condition Monitoring. Er ist u. a. Koordinator mehrere internationaler Verbundprojekte, Vorsitzender des Wissenschaftsrates der AMA, Verband für Sensorik und Messtechnik, (seit 2009) sowie Vorstandsmitglied der f. m. s., Forschungsgesellschaft für Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik e. V. Dresden, und Vorsitzender des fms/ProcessNet Gemeinschaftsausschusses Sensoren und Sensorsysteme (seit 2010) sowie Mitglied von IEEE und VDE. An der Universität des Saarlandes ist er einer der Gründer des Mikrotechnologie-Transferzentrum Mitranz und des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) GmbH. Er ist aktiv als Mitglied des Editorial Boards und Gutachter für verschiedene wissenschaftliche Zeitschriften (u. a. J Sensors and Sensor Systems, J of Sensors, Sensors & Actuators B, IEEE Sensors Journal) und Mitglied des Programmkomitees verschiedener Tagungen und Konferenzen.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

and Stefan Seelecke

Prof. Dr.-Ing. Stefan Seelecke hat an der Technischen Universität Berlin Physikalische Ingenieurwissenschaft studiert und dort auch promoviert. 1999 habilitierte er sich mit einer Arbeit im Bereich Thermodynamik. Von 2001 bis 2010 war er als Professor an der North Carolina State University in Raleigh, USA, beschäftigt. Dort gründete und leitete er das Labor für Adaptive Strukturen. Seine Forschung wurde von der National Science Foundation, den National Institutes of Health, der NASA sowie diversen Industrieunternehmen gefördert. Seit 2011 ist er Universitätsprofessor für Unkonventionelle Aktorik an der Universität des Saarlandes und leitet den Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme. Neben seiner universitären Lehr- und Forschungstätigkeit leitet er auch Forschungsprojekte am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA). Sein Forschungsschwerpunkt sind intelligente Materialsysteme. In diesen Systemen werden Materialien eingesetzt, die sowohl aktorische als auch sensorische Eigenschaften aufweisen und die Entwicklung von selbstüberwachenden kompakten Aktorsystemen ermöglichen.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme, 66123 Saarbrücken

From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen beinhalten die Charakterisierung von Formgedächtnislegierungen hinsichtlich ihrer elastokalorischen Eigenschaften sowie die Analyse des Einflusses von Prozessführung und thermischen Randbedingungen auf die Kühlleistung. Diese Untersuchungen wurden mit einer speziell entwickelten wissenschaftlichen Testplattform durchgeführt, die es ermöglicht, die Legierungen zu charakterisieren und in einem Kühlprozess zu erforschen. Die Materialcharakterisierung umfasst Zugversuche bei verschiedenen Dehnraten, wobei simultane Messungen von Spannung und Dehnung sowie des Temperaturfeldes durchgeführt werden. Basierend auf diesen Messungen lassen sich Aussagen über die Ratenabhängigkeit und Homogenität des elastokalorischen Effektes sowie die Effizienz des Kühlprozesses insgesamt treffen. Zusätzlich kann die Langzeitstabilität der Materialien in Abhängigkeit von den Prozessparametern und dem Materialtraining, d. h. dem Einfahrprozess, untersucht werden. Basierend auf diesen Untersuchungen erfolgt eine Variation der Prozessparameter unter veränderlichen thermischen Randbedingungen. Die Parameterstudie zeigt, dass eine von Wärmesenken- und Wärmequellentemperatur abhängige Anpassung der Prozessführung zu einer Steigerung der Kühlleistung führt.

Abstract

This work reports on the elastocaloric characterization of shape memory alloys (SMA's) and the investigation of controlled elastocaloric cooling processes under varying process parameters and thermal boundary conditions. A specially designed scientific test setup has been used for material characterization and the investigation of the material under cooling process conditions. The material characterization covers tensile tests at various strain rates. During these tests, mechanical and thermal quantities are measured simultaneously. The homogeneity and the rate dependency of the elastocaloric effect and the cooling process efficiency are investigated by considering the temperature distribution on the SMA sample during mechanical cycling. In addition, the long term stability of the materials is studied under various process parameters and different material training conditions to achieve stable operation. Based on these studies the process parameters are varied systematically under different thermal boundary conditions. The parameter study shows that modifying the process parameters dynamically taking heat source and sink temperatures into account improves the cooling power.

Über die Autoren

Marvin Schmidt

Marvin Schmidt studierte Ingenieurswissenschaften im Diplomstudiengang Mechatronik an der Universität des Saarlandes. Seit 2012 arbeitet er am Lehrstuhl für Messtechnik der Universität des Saarlandes und setzt dort seine Forschungsarbeit im Bereich des elastokalorischen Kühlens fort. Seine Arbeit ist Teil des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogrammes 1599 „Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling“ in dem interdisziplinäre Forscherteams alternative Kühlkonzepte entwickeln.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme, 66123 Saarbrücken

Andreas Schütze

Andreas Schütze studierte Physik an der RWTH Aachen und promovierte in Angewandter Physik an der Justus-Liebig-Universität Gießen. Nach einer mehrjährigen Tätigkeit in der Wirtschaft wurde er 1998 als Professor für Sensorik und Mikrosystemtechnik an die FH Niederrhein berufen. Seit 2000 leitet er den Lehrstuhl für Messtechnik in der Fachrichtung Mechatronik der Universität des Saarlandes. Seine Forschungsschwerpunkte sind chemische Messsysteme für die Gasphase und für Flüssigkeiten sowie Condition Monitoring. Er ist u. a. Koordinator mehrere internationaler Verbundprojekte, Vorsitzender des Wissenschaftsrates der AMA, Verband für Sensorik und Messtechnik, (seit 2009) sowie Vorstandsmitglied der f. m. s., Forschungsgesellschaft für Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik e. V. Dresden, und Vorsitzender des fms/ProcessNet Gemeinschaftsausschusses Sensoren und Sensorsysteme (seit 2010) sowie Mitglied von IEEE und VDE. An der Universität des Saarlandes ist er einer der Gründer des Mikrotechnologie-Transferzentrum Mitranz und des Zentrums für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA) GmbH. Er ist aktiv als Mitglied des Editorial Boards und Gutachter für verschiedene wissenschaftliche Zeitschriften (u. a. J Sensors and Sensor Systems, J of Sensors, Sensors & Actuators B, IEEE Sensors Journal) und Mitglied des Programmkomitees verschiedener Tagungen und Konferenzen.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für Messtechnik, 66123 Saarbrücken

Stefan Seelecke

Prof. Dr.-Ing. Stefan Seelecke hat an der Technischen Universität Berlin Physikalische Ingenieurwissenschaft studiert und dort auch promoviert. 1999 habilitierte er sich mit einer Arbeit im Bereich Thermodynamik. Von 2001 bis 2010 war er als Professor an der North Carolina State University in Raleigh, USA, beschäftigt. Dort gründete und leitete er das Labor für Adaptive Strukturen. Seine Forschung wurde von der National Science Foundation, den National Institutes of Health, der NASA sowie diversen Industrieunternehmen gefördert. Seit 2011 ist er Universitätsprofessor für Unkonventionelle Aktorik an der Universität des Saarlandes und leitet den Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme. Neben seiner universitären Lehr- und Forschungstätigkeit leitet er auch Forschungsprojekte am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik (ZeMA). Sein Forschungsschwerpunkt sind intelligente Materialsysteme. In diesen Systemen werden Materialien eingesetzt, die sowohl aktorische als auch sensorische Eigenschaften aufweisen und die Entwicklung von selbstüberwachenden kompakten Aktorsystemen ermöglichen.

Universität des Saarlandes, Lehrstuhl für intelligente Materialsysteme, 66123 Saarbrücken

Danksagung

Wir danken dem DFG Schwerpunktprogramm 1599 „Caloric effects in ferroic materials: New concepts for cooling“ für die Unterstützung. Die untersuchten Proben wurden bereitgestellt durch den Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft der Ruhr-Universität Bochum.

Erhalten: 2015-11-26
Revidiert: 2016-2-3
Angenommen: 2016-2-4
Online erschienen: 2016-3-25
Erschienen im Druck: 2016-4-28

©2016 Walter de Gruyter Berlin/Boston

Downloaded on 29.11.2022 from frontend.live.degruyter.dgbricks.com/document/doi/10.1515/teme-2015-0110/html
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