PCM Metro II – Dynamisches Verhalten und Alterung von PCM Komponenten

Wissen über die Lebensdauer eines Phasenwechselmaterials (PCM) ist für die technische Nutzung essentiell. Um sie zu ermitteln, müssen Alterungsmechanismen grundsätzlich verstanden und abgestimmte,  bekannte Methoden der beschleunigten Alterung modifiziert oder neue Methoden entwickelt werden. Das Ziel des Projekts »PCM-Metro II« ist es, die Grundlagen für die Entwicklung materialspezifischer Prüfmethoden zur beschleunigten Alterung von PCM und Messverfahren zur Bestimmung der Degradationsparameter zu entwickeln. Der Vergleich aus Experimenten zur beschleunigten und realen Alterung helfen Skalierungsparameter zu bestimmen, die eine Extrapolation der Ergebnisse einer beschleunigten Alterung auf die reale Lebensdauer eines PCM ermöglichen.

Um die vorgesehene Lebensdauer eines PCM in einer Anwendung zu garantieren, muss das Alterungsverhalten bekannt sein. Alterungsmechanismen können sich für verschiedene PCM und PCM-Systeme unterscheiden. Um Aussagen hinsichtlich der realen Lebensdauer durch beschleunigte Alterung treffen zu können, müssen die Mechanismen der Alterung bekannt sein und das richtige Prüferfahren ausgewählt bzw. entwickelt werden. Bei PCM wird bisher meist die Methode der thermischen Zyklierung eingesetzt, da der Einsatz eines PCM immer eine zyklische Abfolge des Schmelz- und Kristallisationsvorgangs bedingt. So ist der Einfluss der verschiedenen einstellbaren Parameter bei einer Zyklierung, wie Heiz- und Kühlrate, Temperaturgrenzen und die Länge isothermer Phasen auf das Ergebnis der Zyklierung von PCM bisher wenig untersucht. Zudem können sich bei einer Zyklierung mehrere Einflussgrößen wie z.B. Entmischung und chemische Veränderung der Materialien überlagen. Eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit eines Schadens ist so möglich, jedoch nicht deren Zuordnung zu den Ursachen. Wodurch auch eine gezielte Materialoptimierung in der Produktentwicklung erschwert wird. Da die Prüfmethoden für PCMs nicht standardisiert sind, ist ein Vergleich von Ergebnissen unterschiedlicher Labore aber auch von unterschiedlichen Materialien schwer möglich und für eine Aussage hinsichtlich der Lebensdauer in der Anwendung nur bedingt anwendbar.

Während reine PCM meist sehr schnell thermisch zykliert werden können, ist dies bei makroskopischen Systemen, wie z.B. PCM gefüllte Beutel und Platten, schwerer machbar, da vor allem der zeitliche Aufwand mit zunehmender Größe und Komplexität der Prüfkörper stark ansteigt. Hier wäre es hilfreich mit geeigneten, standardisierten Methoden und Analyseverfahren schon nach vergleichsweise kurzer Zeit eine Aussage hinsichtlich der Lebensdauer treffen zu können.

Ziel dieses Projekts ist daher, ein grundlegendes Verständnis der Alterungsprozesse unterschiedlicher PCM Materialklassen zu erlangen, so dass zukünftig eine gezielte frühzeitige messtechnische Erfassung und objektive Bewertung möglich wird. Ein Schwerpunkt der Methodenentwicklung liegt dabei auf der Reduzierung des Zeitaufwandes und darin Verfahren zu entwickeln, mit denen die Alterung von PCM und PCM-Systemen deutlich beschleunigt werden kann, bzw. vergleichsweise früh Aussagen hinsichtlich der Lebensdauer getroffen werden können. Hierfür wird neben der bisher üblichen thermischen Charakterisierung von PCMs untersucht, inwiefern auch alternative Analysemethoden eingesetzt werden können, um Degradationsraten zu bestimmen und frühzeitig Änderungen des Materials festzustellen. Weiterhin soll durch den Abgleich der durch beschleunigte Alterung erzielten Ergebnisse mit realer, nicht beschleunigter, Alterung Skalierungsparameter abgeleitet werden, die eine Hochrechnung der Prüfergebnisse auf die reale Lebensdauer ermöglichen. Anhand einer zu entwickelnden Methodenmatrix sollen materialabhängig Methoden der beschleunigten Alterung definiert werden, die sowohl die Prüfprozeduren als auch die Analysen umfassen. Die Ergebnisse sollen als Basis für eine zukünftige Standardisierung der Lebensdaueranalysen von PCM dienen.