Kühlflüssigkeiten erwärmen sich während dem Kühlvorgang, um Energie aufzunehmen. Allerdings ist es in vielen Anwendungen von Vorteil, wenn das Kühlmittel seine Temperatur nur minimal ändern würde. Erfolgreiche Ergebnisse bezüglich einer solchen temperaturkonstanten Kühlung zeigen sogenannten Phasenwechseldispersionen (PCD), welche an der Hochschule Luzern eingehend analysiert und entwickelt werden.
In einer PCD sind winzige Partikel aus Phasenwechselmaterial (PCM) fein dispergiert und schmelzen bei einer genau definierten Temperatur – in diesem Fall bei 24° C. Die PCM-Teilchen sind umgeben von Wasser, wodurch die Dispersion konstant pumpbar bleibt, unabhängig davon ob die Teilchen fest oder aufgeschmolzen sind.
Beim Kühlvorgang werden die Partikel durch die von aussen zugeführte Wärme aufgeschmolzen und nehmen so Energie auf. Zugleich erwärmt sich die Dispersion nur minimal, da der Schmelzvorgang bei konstanter Temperatur erfolgt. Im Vergleich zu Wasser resultiert dieses Aufschmelzen in einer drei- bis sechsfach höheren Wärmekapazität. Dies ermöglicht das Abführen von grossen Mengen an Wärme, ohne dass sich die Temperatur des Kühlmittels merklich ändert.
Einsatz in Werkzeugmaschinenspindeln bei Industriepartnern
Bearbeitungszentren erzeugen aus Rohteilen durch Zerspanung hochkomplexe Metallwerkstücke, mitunter im Bereich der Mikrometerpräzision. Kernstücke dieser Maschinen sind elektrisch angetriebene Spindeln, die die Werkzeuge bewegen und sich dabei in Leistung und Drehzahl innert Sekundenbruchteilen den Bedürfnissen anpassen müssen. Durch ihre Prozessnähe haben Spindeln einen unmittelbaren Einfluss auf die Fertigungsqualität und zu grosse Temperaturunterschiede wirken sich negativ auf die Präzision der gefertigten Teile aus.
Der Industriepartner Step-Tec AG produziert Hochleistungsspindeln im High-End-Bereich. Um die Temperaturgradienten mittels Kühlung zu minimieren, wurde die Kühlkanalgeometrie optimiert und als Add-On mit der neu entwickelten PCD betrieben.
Erfolgreiche Messergebnisse
Die Messungen haben einen erfolgreichen kontinuierlichen Betrieb der PCD-Kühlung nachgewiesen. Durch die Optimierung der Kühlkanalgeometrie konnte die angestrebte minimale Temperaturdifferenz halbiert werden. Zusätzlich konnte durch die Verwendung von PCD als Kühlmittel die Temperaturdifferenz erneut um die Hälfte reduziert werden. Durch kleinere Temperaturgradienten welche durch PCD erreicht werden, wird die Präzision der Werkzeugmaschinen erhöht. Aufgrund der grösseren Genauigkeit und Oberflächengüte können weitere Bearbeitungsschritte ausgelassen und damit Zeit und Kosten eingespart werden. Als grosser Erfolg konnte unser Umsetzungspartner diese Lösung zum Patent anmelden und damit die Innovation auf dem Markt schützen.
Entwicklung geht weiter
Die Phasenwechseldispersionen werden zukünftig im Rahmen von Industrieprojekten und Diplomarbeiten weiterentwickelt und für die jeweilige Anwendung konzipiert und vermessen.
Eine besondere Herausforderung ist die hohe Komplexität von thermischen Analysen. Die hergestellten Dispersionen werden im Analyslelabor der Hochschule Luzern untersucht und im thermischen Labor charakterisiert und vermessen.
Die Anwendungen für solche isothermen Kühlungen sind vielfältig, was für die Phasenwechseldispersionen ein grosses Zukunftspotential birgt.
