Redesign einer Halbleiterklammer mittels Topologieoptimierung und integrierter FEM Rechnung. Optimierung mittels Inspire von solidThinking. Halbleiterklammer zur Sicherstellung der Kühlung von IGBT Bausteinen in Hochstromapplikationen. Optimierung unter der Restriktion verfügbarer Fertigungsverfahren.

Am Beispiel von Aster alpinus 'Happy End' wird der Entwicklungsverlauf vom Zeitpunkt der Vermehrung bis zur Ausbildung von Infloreszenzen beschrieben, um daraus Empfehlungen für die Kultur als blühende Topfstaude abzuleiten. Dazu wurden über einen Zeitraum von drei Jahren Versuche mit unterschiedlich vermehrten Pflanzen durchgeführt. Verwendet wurden hierbei Pflanzen aus generativer und vegetativer Vermehrung (Stecklinge, in vitro). Untersucht wurde der Verlauf der vegetativen und generativen Entwicklung unter spezieller Berücksichtigung der Dormanz und der Differenzierung der Blütenanlagen. Die Umstimmung des vegetativen Meristems in ein generatives wurde durch die Transplantation von Sproßknospen in die Invitro-Kultur und durch histologische Untersuchungen erfaßt. Während der juvenilen Entwicklungsphase und vor dem Eintritt in die Endodormanz erfolgt die Blüteninduktion. Der früheste Zeitpunkt der Blütendifferenzierung konnte bei Aster alpinus Ende September festgestellt werden. Die Endodormanz beginnt ab Mitte Oktober und dauert bis Mitte-Ende Dezember an. Erst danach ist eine weitere Entwicklung der Infloreszenz möglich. Anschließend wurde der Einfluß der exogenen Applikation mit dem Cytokinin 6-Benzylaminopurin und der Einfluß der Kühlung auf die vegetative und generative Entwicklung untersucht. Dazu wurden die Pflanzen während der juvenilen Phase über einen Zeitraum von 6 Wochen mit BAP-Lösungen in unterschiedlichen Konzentrationen (15, 20 und 25 mg/l) besprüht. Der Einfluß der Kühlung wurde durch die Erfassung von Freiland temperaturen und durch eine zeitweise Aufstellung der Pflanzen im Kühlraum ermittelt. Erfaßt wurden dabei alle Temperaturen unter 2ø C und die Dauer der Kühlung. Die Applikation von BAP in einer Konzentration von 20 und 25 mg/l bewirkte eine signifikant höhere Anzahl gestreckter, vegetativer Sproßknospen. Der Einfluß der Cytokininbehandlung auf die Anzahl der gestreckten Infloreszenzen war dagegen nicht signifikant. Die Wirkung der Kühlung auf die Streckung von Infloreszenzen erwies sich gegenüber der Cytokininbehandlung als wesentlich stärker. Die Dauer der Kühlung korreliert positiv mit der Anzahl gestreckter Infloreszenzen. Das Vernalisationsbedürfnis ist jedoch nicht obligat. Beide Faktoren (Cytokininapplikation und Kühlung) zusammen, haben eine synergistische Wirkung auf die Anzahl gestreckter Infloreszenzen. / A study was made on the development rhythm of perennials on Aster alpinus 'Happy End' from the beginning of propagation until flowering, to give recommondation for cultivation as a flowering potplant. Approximately three years of examinations with different propagated plants were carried out. Plants from generative and vegetative propagation (cuttings, in vitro) were used. The course of vegetative and generative development was examined especially taking into account the dormant stages and the differentation of flowering plants. The change of the vegetative to the generative meristem was recorded by the transplantation of shoots to the invitro-culture and by histological examinations. The flower initiation took place during the juvenile development phase and before the beginning of endodormancy. The earliest flower differentation was observed at the end of September. The endodormancy started in the middle of october and lasted until mid to late December. Only afterwards was a further development of the inflorescence possible. In the second part the influence of exogen application with the cytokinin 6-Benzylaminopurin (BAP) and the influence of chilling at the vegetative and generative development were examined. In addition the plants were sprayed with BAP-solutions with different concentrations during the juvenile phase of about 6 weeks. The influence of chilling was measured under outdoor conditions and with temporary artificial chilling. All temperatures under 2 øC and the length of time they were chilled, were recorded. Afterwards the plants were maintained in the greenhouse until flowering. The application of BAP with concentrations of 20 and 25 mg/l caused significantly longer vegetative shoots. The influence of the cytokinin treatment on the number of elongated inflorescences was non-significant in contrast. The rate of progress to generative development improved with increased chilling time. The vernalisation response is not obligatory. Both factors (cytokinin application and chilling) together have a synergistic effect on the number of elongated inflorescences.

Die Temperaturverhältnisse beim Ziehen und Wärmebehandeln von Draht werden mit mathematisch-analytischen Methoden auf der Grundlage der FOURIERschen Wärmeleitungsgleichung eingehend untersucht. Insbesondere wird unter den spezifischen Wärmeübergangsbedingungen zwischen Draht und Ziehdüse sowie zwischen Draht und Ziehtrommel deren thermische Wechselwirkung analysiert. Ein Näherungsverfahren zur Berechnung der Drahttemperaturen in Zugfolgen unter Berücksichtigung des Ziehdüseneinflusses wird angegeben und mit einem Beispiel zum Nassziehen stark verzinkten Stahldrahts illustriert. Aus geschwindigkeitsabhängig gemessenen Änderungen des Drahtdurchmessers werden unter thermoelastischer Ziehringdurchmesserkorrektur Schmierfilmdicken bestimmt. Diffusionsgleichungen werden analysiert und ein Zusammenhang zur Reaktionskinetik wird hergestellt. Ein neues reaktionskinetisches Werkstoffmodell, das insbesondere auch im Falle stärker anisothermer Verhältnisse, also bei Kurzzeitwärmebehandlung anwendbar ist, wird vorgestellt.

In der vorliegenden Arbeit wird eine simulationsbasierte Methodik zur Energie- und Kostenoptimierung der Kühlung von Rechenzentren mit Kalt-/Warmluft-Separation vorgestellt. Dabei wird die spezifische Charakteristik der Luftseparation für einen wesentlich einfacheren und schnelleren Simulationsansatz genutzt, als das mit herkömmlichen, strömungsmechanischen Methoden möglich ist. Außerdem wird der Energiebedarf des Lufttransports – einschließlich der IT-Ventilatoren – in der Optimierung berücksichtigt. Beispielhaft entwickelte Komponentenmodelle umfassen die IT-Systeme und alle für die Kühlung relevanten Anlagen in einer dem aktuellen Stand der Technik entsprechenden Ausführung. Die besonders wichtigen Aspekte Freikühlbetrieb und Verdunstungskühlung werden berücksichtigt. Anhand verschiedener Konfigurationen eines Modellrechenzentrums wird beispielhaft die Minimierung der jährlichen verbrauchsgebunden Kosten durch Anpassung von Temperatursoll- werten und anderen Parametern der Regelung demonstriert; bestehendes Einsparpotenzial wird quantifiziert. Da die Kalt-/Warmluft-Separation in modernen Installationen mit hoher Leistungsdichte auch Auswirkungen auf bauliche Anforderungen hat, wird ein für diesen Anwendungsfall optimiertes Gebäudekonzept vorgeschlagen und praktisch untersucht, das sich insbesondere durch Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz, Flexibilität und Betriebssicherheit auszeichnet.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Kategorisierung von Rechenzentren 1.3 Effizienzmetriken für Rechenzentren 1.4 Wissenschaftlicher Beitrag und Abgrenzung 2 Luftgekühlte IT-Systeme: Anforderungen und Trends 2.1 Anforderungen an das Raumklima 2.1.1 Lufttemperatur 2.1.2 Luftfeuchte 2.1.3 Luftzustand im Warmgang 2.1.4 Schalldruckpegel und Schadgase 2.1.5 Betriebsabläufe und Personal 2.2 Kühllasten 2.2.1 Leistungsbedarf der IT-Systeme 2.2.2 Lastgänge und Teillastbetrieb der IT-Systeme 2.2.3 Flächenspezifische Kühllasten 2.3 Leckströme 2.4 Entwicklungstendenzen 3 Rechenzentrumskühlung: Übliche Lösungen und Optimierungskonzepte 3.1 Anlagenkonzepte zur Entwärmung von Rechenzentren 3.1.1 Freie Kühlung 3.1.2 Maschinelle Kälteerzeugung 3.1.3 Umluftkühlung von Rechnerräumen 3.2 Umluftkühlung mit Separation von Kalt- und Warmluft 3.2.1 Konzept 3.2.2 Umsetzung 3.2.3 Regelung der Umluftkühlgeräte 3.2.4 Effizienzoptimierung durch Anhebung der Lufttemperatur 3.2.5 Betriebssicherheit 3.3 Modellbasierte Untersuchungen in der Literatur 3.4 Zwischenfazit 4 Modellbildung 4.1 Struktur des Modells und Ablauf der Simulation 4.2 Annahmen und Randbedingungen 4.3 Modellierung der IT-Systeme 4.3.1 Testsysteme und -software 4.3.2 Testaufbau und Messung der relevanten physikalischen Größen 4.3.3 Drehzahl der internen Ventilatoren 4.3.4 Leistungsaufnahme der internen Ventilatoren 4.3.5 Luftvolumenstrom 4.3.6 Leistungsaufnahme der IT-Systeme ohne Lüfter 4.3.7 Ausblastemperatur 4.4 Modellierung der Kühlsysteme 4.4.1 Pumpen, Rohrnetz und Ventilatoren 4.4.2 Wärmeübertrager 4.4.3 Umluftkühlgeräte 4.4.4 Pufferspeicher 4.4.5 Kältemaschinen 4.4.6 Rückkühlwerke 4.4.7 Freie Kühlung 4.5 Regelstrategien, Sollwertvorgaben und Lastprofile 4.5.1 Kaltluft 4.5.2 Kaltwasser 4.5.3 Kühlwasser 4.5.4 Kälteerzeuger 4.5.5 Lastprofil der IT-Systeme 4.5.6 Wetterdaten 4.5.7 Standortspezifische Kosten für sonstige Betriebsstoffe 4.6 Validierung der Simulationsumgebung 4.6.1 Stichprobenartige experimentelle Prüfung der ULKG-Modellierung 4.6.2 Stichprobenartige experimentelle Prüfung der Modellierung der Kälteerzeugung 4.6.3 Plausibilitätskontrolle und Modellgrenzen 4.7 Zwischenfazit 5 Variantenuntersuchungen und Ableitung von Empfehlungen 5.1 Konfiguration und ausgewählte Betriebspunkte des Modellrechenzentrums 5.2 Optimierung des Jahresenergiebedarfs mit konstanten Kühlmedientemperaturen 5.2.1 Jahresenergiebedarf des Modell-RZs und Optimierung nach Best Practices 5.2.2 Bestimmung der optimalen (konstanten) ULKG-Ausblastemperatur 5.2.3 Einfluss von Last und Typ der IT-Systeme 5.2.4 Einfluss von Standortfaktoren 5.2.5 Einsparpotenzial Pumpenenergie 5.3 Optimierung mit variablen Kühlmedientemperaturen, RKW trocken 5.3.1 Dynamische Sollwertschiebung der Luft- und Kaltwassertemperaturen 5.3.2 Sollwertschiebung der Kühlwassertemperaturen im Kältemaschinenbetrieb 5.3.3 Kombination der Optimierungen und Übertragung auf andere Standorte 5.4 Optimierung mit variablen Kühlmedientemperaturen, RKW benetzt 5.4.1 Dynamische Sollwertschiebung der Luft- und Kaltwassertemperaturen 5.4.2 Optimierung eines modifizierten Modells ohne Kältemaschinen 5.4.3 Betriebssicherheit der Konfiguration ohne Kältemaschinen 5.4.4 Optimierung der Betriebssicherheit durch Eisspeicher 5.5 Zwischenfazit 6 Vorstellung und Diskussion eines neuen Gebäudekonzepts für Rechenzentren 6.1 Gebäudekonzepte und Anforderungen an Sicherheit, Effizienz und Flexibilität 6.1.1 Limitierungen klassischer Konstruktionsprinzipien 6.1.2 Alternative Konzepte für Umluftkühlung in Rechenzentren 6.1.3 Rechenzentren mit Installationsgeschoss statt Doppelboden 6.2 Plenum statt Doppelboden: Konzept und Umsetzung 6.2.1 Aufgabenstellung und konzeptionelle Anforderungen 6.2.2 Lösung mit dem Plenums-Konzept 6.2.3 Anforderungen an die Regelung der Umluftkühlgeräte 6.3 Experimentelle Leistungsbestimmung und Optimierung 6.3.1 Testaufbau und Messung der relevanten physikalischen Größen 6.3.2 Regelung von Luftvolumenstrom und -Temperatur bei konstanter Last 6.3.3 Optimierung der Kaskadenschaltung der Umluftkühlgeräte bei Lastwechseln 6.3.4 Optimierung der Betriebssicherheit der Umluftkühlung bei Stromausfällen 6.3.5 Ermittlung der Leistungsgrenzen 6.4 Zwischenfazit und weiteres Optimierungspotenzial 7 Zusammenfassung und Ausblick

Die Kühlung thermisch hoch belasteter Bauteile wird häufig mit Kühlverfahren realisiert, die auf dem Prinzip des Massetransports durch die Bauteilwand beruhen. Neben der Film- und Transpirationskühlung gehört die Effusionskühlung zu diesen Verfahren und basiert auf einer Reihe oder einem Raster von Bohrungen. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl den Abtransport von Wärme aus dem Bauteil als auch die Ausbildung eines schützenden Kühlmittelfilms auf der Bauteiloberfläche. Viele Autoren beschäftigten sich in ihren Arbeiten mit den Auswirkungen der Filmkühlung auf den Wärmeübergang an der Bauteilwand und definierten einen Filmkühlwirkungsgrad, der die Effektivität der Kühlung widerspiegelt. Auch die Freistrahlen aus Effusionskühlbohrungen wurden mit diesen Mitteln untersucht und eine Vielzahl unterschiedlicher Einflussgrößen auf den Filmkühlwirkungsgrad identifiziert. Dazu gehören insbesondere geometrische Bedingungen, wie z.B. der Bohrungswinkel, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Bohrung und die Austrittsgeometrie der Bohrungen. In späteren Beiträgen analysierten verschiedene Autoren die Einflüsse der Turbulenz sowie der Stoffwerte von Kühlmittel und Hauptströmung. Dabei kamen meist Luft und seltener Kohlendioxid oder Stickstoff als Kühlmittel zum Einsatz. In den letzten Jahren wurde das Verhalten des Kühlmittelstrahls vor allem numerisch untersucht. Dabei beschränkte sich das Berechnungsgebiet oftmals auf das direkte Umfeld der Effusionskühlbohrung und die Identifikation und Beschreibung auftretender Wirbelstrukturen. Der Bereich weiter stromab der Bohrung blieb oft unberücksichtigt. Die vorliegende Arbeit verfolgt den Ansatz, den Kühlmittelstrahl in der Hauptströmung zu beobachten. Das wird durch die Verwendung von Helium und Argon als Kühlmittel möglich, denn diese Gase können in der Luftströmung detektiert werden. Durch eine in zwei Richtungen bewegliche Kombisonde wird Gas aus der Grenzschicht abgesaugt und die Konzentration des Kühlmittels bestimmt. Die so an diskreten Punkten stromab der Effusionskühlbohrung erhaltenen Konzentrations- und Geschwindigkeitsprofile ermöglichen die Verfolgung des Kühlmittelstrahls und dessen Wechselwirkungen mit der Hauptströmung. Für eine vergleichende Analyse der gemessenen Profile entstand ein empirisches Verfahren zur Systematisierung der gesamten Messdaten. Die Definition einer mittleren Kühlmittelkonzentration innerhalb einer zweckmäßig festgelegten Höhe über der Wand und eines normierten Einblasparameters, der das Verhältnis der molaren Massen von Kühlmittel und Hauptströmung berücksichtigt, sind der Kern des empirischen Verfahrens. Für Vergleiche mit der Literatur erfolgte die Berechnung eines Filmkühlwirkungsgrads auf Basis der Massebilanz in der Grenzschicht und der mittleren Kühlmittelkonzentration. Während der Datenauswertung zeigte sich, dass der Bohrungswinkel einen geringen Einfluss auf die mittlere Kühlmittelkonzentration hat und so ein Bohrungswinkel von 30° ein guter Kompromiss zwischen Herstellungsaufwand und Kühlwirkung ist. Kühlmedien mit geringer molarer Masse und hoher spezifischer Wärmekapazität sollten bevorzugt werden, da deren Kühlwirkung hoch, der Einfluss auf die Grenzschicht aber gering ist. / The cooling of thermally heavily loaded components is commonly performed by injecting a mass flow through the component’s wall into the hot flow, which is called Film cooling. The main goal is to form a coolant film to reduce the hot side heat transfer and to absorb thermal energy in order to protect the component’s wall. There are different techniques available called film cooling, transpiration cooling and effusion cooling. By applying transpiration cooling, the cooling fluid is injected through a porous material into the hot gas flow. Unfortunately, these porous materials do not have the physical strength required to work within gas turbines. If the injection is done with a row or a pattern of holes so the cooling film is renewed at certain positions, the cooling technique is called effusion cooling. Film cooling means the injection of fluid through a slot without renewing the film. Many authors analyze the effect of the film or effusion cooling on the wall temperature, the heat transfer coefficient or the cooling effectiveness. Many influencing factors were identified, such as the length to diameter relation, the hole’s alignment, fluid properties as well as turbulence and vortices. Recent works use numerical simulations to investigate the turbulent flow and vortex development in the near field of the injection hole. Due to the complexity of the simulation, the effects far downstream area were not covered by these simulations. This work investigates the behavior of the cooling jet within the boundary layer above the wall. Therefore a foreign gas (Helium, Argon) was injected as coolant into a cross flow and a pitot probe was used to get gas samples out of the boundary layer and the coolant gas fraction was measured. The measured concentration was empirically systematized by comparative data analysis. Therefore, a mean concentration within a certain height above the wall was calculated. Also a normed blowing rate was used to include the molar masses of coolant and cross flow. With this mean concentration a cooling effectiveness is calculated based on a balance model and compared to the results in the literature. As a result of the data evaluation, the hole’s angle was found to have a minor influence on the mean coolant concentration. An angle of about 30° is a good compromise between production effort and cooling efficiency. Also coolant fluids with a low molar mass and high specific heat capacity should be preferred because of their low impact on the boundary layer.

Atominterferometer erlauben es, Beschleunigungen mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen. Anwendungen in der Grundlagenforschung beinhalten Gravitationswellendetektoren, die Bestimmung von Naturkonstanten oder Tests des schwachen Äquivalenzprinzips. Die Sensitivität eines Sensors für Tests des schwachen Äquivalenzprinzips skaliert quadratisch mit der Zeit der freien Entwicklung der Atome während der Interferometersequenz. Durch die Verwendung von Bose-Einstein-Kondensaten mit stark reduzierter Ausdehnungsgeschwindigkeit sowie dem Betrieb in Schwerelosigkeit kann die Sensitivität um Größenordnungen verbessert werden. Das QUANTUS-2 Experiment stellt die zweite Generation eines mobilen Atominterferometers dar, welches am Fallturm in Bremen zum Einsatz kommt und dient als Wegbereiter für zukünftige Experimente mit kalten Atomen auf Satelliten. Durch differentielle Messung der Beschleunigung von Rubidium und Kalium mit Hilfe der Atominterferometrie soll das schwache Äquivalenzprinzip getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das auf mikro-integrierten Diodenlasern sowie einer kompakten Elektronik basierende Rubidiumlasersystem aufgebaut und qualifiziert. Nach erfolgter Integration in die QUANTUS-2 Kapsel, wurden über 200 Abwürfe und Katapultflüge am Fallturm absolviert. Diese demonstrieren die Robustheit des Experimentes unter Beschleunigungen von bis zu 43 g während eines Katapultfluges. Die Dynamik des Kondensates wurde in Schwerelosigkeit untersucht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen mit Hilfe einer magnetischen Linse verringert. Die dabei erreichten Ausbreitungsgeschwindigkeiten entsprechen effektiven Temperaturen von unter 120 pK eines thermischen Ensembles. Dieser stellt den niedrigsten in allen drei Raumrichtungen erreichten Wert dar. Die gezeigten Ergebnisse demonstrieren somit die Verfügbarkeit wichtiger Schlüsselkonzepte zukünftiger hochpräziser Quantensensoren auf Satelliten. / Atom interferometers offer the possibility to measure accelerations with unprecedented precision. Applications in fundamental research include gravitational wave detectors, the determination of physical constants, or tests of the weak equivalence principle. The sensitivity of an atom interferometer testing the weak equivalence principle scales quadratically with the time of free evolution of the atoms during the interferometer sequence. By using Bose-Einstein condensates with ultra-low expansion rates as test masses and operating the experiment in microgravity, one can enhance the sensitivity by orders of magnitude. QUANTUS-2 is the second generation mobile atom interferometer to be operated at the drop tower in Bremen and serves as a pathfinder for future cold atom experiments in space. It is envisaged to test the weak equivalence principle by a differential measurement of the acceleration of rubidium and potassium by means of atom interferometry. Within this thesis, the rubidium laser system was set up and qualified. It is based on micro-integrated laser modules and compact electronics. After integration into the QUANTUS-2 capsule, 200 drops and catapult flights were conducted at the drop tower. These are demonstrating the robustness of the complete experiment when being subjected to accelerations of up to 43 g during a catapult flight. The dynamics of the condensate were analyzed and the mean kinetic energy was reduced in all three dimensions by means of a magnetic lens. Expansion rates equivalent to a thermal ensemble having a temperature below 120 pK have been reached and represent the lowest value ever achieved in all three dimensions. The results prove the availability of relevant key concepts for future high-precision quantum sensors on a satellite platform.

Die magnetische Kühlung ist eine etablierte Technologie im Bereich der Tieftemperaturphysik. Allerdings bieten die Skalierbarkeit des magnetokalorischen Effektes und die Möglichkeit zur kompakten Bauweise auch ein breites Anwendungsspektrum für den Einsatz bei Raumtemperatur. Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit zur Anpassung der magnetostrukturellen Umwandlungstemperatur in La(Fe, Si)13-basierten Materialien an die Arbeitstemperatur einer Kühleinheit. Die Herstellung von Ausgangsmaterial über das Schmelzspinnen, ist von hoher technologischer Relevanz, da im Vergleich zu konventionell gegossenem Massivmaterial die anschließende Glühdauer drastisch reduziert werden kann [1]. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst auf die optimalen Glühbedingungen in rasch-erstarrtem Bandmaterial für die Bildung der relevanten magnetokalorischen Phase eingegangen. Durch Variation der Glühtemperatur wird der Einfluss von Sekundärphasen auf den magnetokalorischen Effekt bewertet. Darüber hinaus können bei optimaler Wahl der Legierungszusammensetzung ein großer magnetokalorischer Effekt und der gewünschte Arbeitstemperaturbereich eingestellt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Verknüpfung des Substitutionseffektes (hier: Si für Fe) und der Aufweitung des Gitters durch Hydrierung mit dem resultierenden magnetokalorischen Effekt gelegt. Ein weiterer Punkt, sind die Untersuchungen zur Langzeitstabilität der Eigenschaften von hydriertem Band- und Massivmaterial. Grundlegende und umfassende Untersuchungen zur Substitution von Eisen durch Mangan und zum daraus folgenden Einfluss auf Phasenbildung, Umwandlungstemperatur sowie auf den magnetokalorischen Effekt, insbesondere nach der Hydrierung, werden ebenfalls dargestellt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erlauben damit die Bewertung verschiedener Strategien zur Optimierung der magnetokalorischen Eigenschaften von La(Fe, Si)13.

Die magnetische Kühlung ist eine etablierte Technologie im Bereich der Tieftemperaturphysik. Allerdings bieten die Skalierbarkeit des magnetokalorischen Effektes und die Möglichkeit zur kompakten Bauweise auch ein breites Anwendungsspektrum für den Einsatz bei Raumtemperatur. Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit zur Anpassung der magnetostrukturellen Umwandlungstemperatur in La(Fe, Si)13-basierten Materialien an die Arbeitstemperatur einer Kühleinheit. Die Herstellung von Ausgangsmaterial über das Schmelzspinnen, ist von hoher technologischer Relevanz, da im Vergleich zu konventionell gegossenem Massivmaterial die anschließende Glühdauer drastisch reduziert werden kann [1]. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst auf die optimalen Glühbedingungen in rasch-erstarrtem Bandmaterial für die Bildung der relevanten magnetokalorischen Phase eingegangen. Durch Variation der Glühtemperatur wird der Einfluss von Sekundärphasen auf den magnetokalorischen Effekt bewertet. Darüber hinaus können bei optimaler Wahl der Legierungszusammensetzung ein großer magnetokalorischer Effekt und der gewünschte Arbeitstemperaturbereich eingestellt werden. Besonderes Augenmerk wird auf die Verknüpfung des Substitutionseffektes (hier: Si für Fe) und der Aufweitung des Gitters durch Hydrierung mit dem resultierenden magnetokalorischen Effekt gelegt. Ein weiterer Punkt, sind die Untersuchungen zur Langzeitstabilität der Eigenschaften von hydriertem Band- und Massivmaterial. Grundlegende und umfassende Untersuchungen zur Substitution von Eisen durch Mangan und zum daraus folgenden Einfluss auf Phasenbildung, Umwandlungstemperatur sowie auf den magnetokalorischen Effekt, insbesondere nach der Hydrierung, werden ebenfalls dargestellt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit erlauben damit die Bewertung verschiedener Strategien zur Optimierung der magnetokalorischen Eigenschaften von La(Fe, Si)13.

Die Kühlung thermisch hoch belasteter Bauteile wird häufig mit Kühlverfahren realisiert, die auf dem Prinzip des Massetransports durch die Bauteilwand beruhen. Neben der Film- und Transpirationskühlung gehört die Effusionskühlung zu diesen Verfahren und basiert auf einer Reihe oder einem Raster von Bohrungen. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl den Abtransport von Wärme aus dem Bauteil als auch die Ausbildung eines schützenden Kühlmittelfilms auf der Bauteiloberfläche. Viele Autoren beschäftigten sich in ihren Arbeiten mit den Auswirkungen der Filmkühlung auf den Wärmeübergang an der Bauteilwand und definierten einen Filmkühlwirkungsgrad, der die Effektivität der Kühlung widerspiegelt. Auch die Freistrahlen aus Effusionskühlbohrungen wurden mit diesen Mitteln untersucht und eine Vielzahl unterschiedlicher Einflussgrößen auf den Filmkühlwirkungsgrad identifiziert. Dazu gehören insbesondere geometrische Bedingungen, wie z.B. der Bohrungswinkel, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Bohrung und die Austrittsgeometrie der Bohrungen. In späteren Beiträgen analysierten verschiedene Autoren die Einflüsse der Turbulenz sowie der Stoffwerte von Kühlmittel und Hauptströmung. Dabei kamen meist Luft und seltener Kohlendioxid oder Stickstoff als Kühlmittel zum Einsatz. In den letzten Jahren wurde das Verhalten des Kühlmittelstrahls vor allem numerisch untersucht. Dabei beschränkte sich das Berechnungsgebiet oftmals auf das direkte Umfeld der Effusionskühlbohrung und die Identifikation und Beschreibung auftretender Wirbelstrukturen. Der Bereich weiter stromab der Bohrung blieb oft unberücksichtigt. Die vorliegende Arbeit verfolgt den Ansatz, den Kühlmittelstrahl in der Hauptströmung zu beobachten. Das wird durch die Verwendung von Helium und Argon als Kühlmittel möglich, denn diese Gase können in der Luftströmung detektiert werden. Durch eine in zwei Richtungen bewegliche Kombisonde wird Gas aus der Grenzschicht abgesaugt und die Konzentration des Kühlmittels bestimmt. Die so an diskreten Punkten stromab der Effusionskühlbohrung erhaltenen Konzentrations- und Geschwindigkeitsprofile ermöglichen die Verfolgung des Kühlmittelstrahls und dessen Wechselwirkungen mit der Hauptströmung. Für eine vergleichende Analyse der gemessenen Profile entstand ein empirisches Verfahren zur Systematisierung der gesamten Messdaten. Die Definition einer mittleren Kühlmittelkonzentration innerhalb einer zweckmäßig festgelegten Höhe über der Wand und eines normierten Einblasparameters, der das Verhältnis der molaren Massen von Kühlmittel und Hauptströmung berücksichtigt, sind der Kern des empirischen Verfahrens. Für Vergleiche mit der Literatur erfolgte die Berechnung eines Filmkühlwirkungsgrads auf Basis der Massebilanz in der Grenzschicht und der mittleren Kühlmittelkonzentration. Während der Datenauswertung zeigte sich, dass der Bohrungswinkel einen geringen Einfluss auf die mittlere Kühlmittelkonzentration hat und so ein Bohrungswinkel von 30° ein guter Kompromiss zwischen Herstellungsaufwand und Kühlwirkung ist. Kühlmedien mit geringer molarer Masse und hoher spezifischer Wärmekapazität sollten bevorzugt werden, da deren Kühlwirkung hoch, der Einfluss auf die Grenzschicht aber gering ist. / The cooling of thermally heavily loaded components is commonly performed by injecting a mass flow through the component’s wall into the hot flow, which is called Film cooling. The main goal is to form a coolant film to reduce the hot side heat transfer and to absorb thermal energy in order to protect the component’s wall. There are different techniques available called film cooling, transpiration cooling and effusion cooling. By applying transpiration cooling, the cooling fluid is injected through a porous material into the hot gas flow. Unfortunately, these porous materials do not have the physical strength required to work within gas turbines. If the injection is done with a row or a pattern of holes so the cooling film is renewed at certain positions, the cooling technique is called effusion cooling. Film cooling means the injection of fluid through a slot without renewing the film. Many authors analyze the effect of the film or effusion cooling on the wall temperature, the heat transfer coefficient or the cooling effectiveness. Many influencing factors were identified, such as the length to diameter relation, the hole’s alignment, fluid properties as well as turbulence and vortices. Recent works use numerical simulations to investigate the turbulent flow and vortex development in the near field of the injection hole. Due to the complexity of the simulation, the effects far downstream area were not covered by these simulations. This work investigates the behavior of the cooling jet within the boundary layer above the wall. Therefore a foreign gas (Helium, Argon) was injected as coolant into a cross flow and a pitot probe was used to get gas samples out of the boundary layer and the coolant gas fraction was measured. The measured concentration was empirically systematized by comparative data analysis. Therefore, a mean concentration within a certain height above the wall was calculated. Also a normed blowing rate was used to include the molar masses of coolant and cross flow. With this mean concentration a cooling effectiveness is calculated based on a balance model and compared to the results in the literature. As a result of the data evaluation, the hole’s angle was found to have a minor influence on the mean coolant concentration. An angle of about 30° is a good compromise between production effort and cooling efficiency. Also coolant fluids with a low molar mass and high specific heat capacity should be preferred because of their low impact on the boundary layer.

Die Temperaturverhältnisse beim Ziehen und Wärmebehandeln von Draht werden mit mathematisch-analytischen Methoden auf der Grundlage der FOURIERschen Wärmeleitungsgleichung eingehend untersucht. Insbesondere wird unter den spezifischen Wärmeübergangsbedingungen zwischen Draht und Ziehdüse sowie zwischen Draht und Ziehtrommel deren thermische Wechselwirkung analysiert. Ein Näherungsverfahren zur Berechnung der Drahttemperaturen in Zugfolgen unter Berücksichtigung des Ziehdüseneinflusses wird angegeben und mit einem Beispiel zum Nassziehen stark verzinkten Stahldrahts illustriert. Aus geschwindigkeitsabhängig gemessenen Änderungen des Drahtdurchmessers werden unter thermoelastischer Ziehringdurchmesserkorrektur Schmierfilmdicken bestimmt. Diffusionsgleichungen werden analysiert und ein Zusammenhang zur Reaktionskinetik wird hergestellt. Ein neues reaktionskinetisches Werkstoffmodell, das insbesondere auch im Falle stärker anisothermer Verhältnisse, also bei Kurzzeitwärmebehandlung anwendbar ist, wird vorgestellt.