WO2019166251A1 - Elastokalorisches element mit drei materialschichten - Google Patents

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Christian Mayershofer
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    • B32B2311/22—Nickel or cobalt

Definitions

  • the present invention relates to a elastocaloric element comprising three interconnected layers.
  • the two outer layers consist of different elastokalorischen materials which have different performance numbers under compressive or tensile stress.
  • the elastocaloric effect describes an adiabatic temperature change of a material when the material is subjected to a mechanical force and deforms, for example.
  • the mechanical force or the deformation causes a transformation of the crystal structure, also called phase, in the material.
  • the phase transformation leads to an increase in the temperature of the material. If the released heat is dissipated, the temperature decreases and the entropy decreases. If then the mechanical force is removed, in turn, a reverse phase transformation
  • the temperature is above the starting temperature.
  • the resulting heat can be dissipated, for example, to the environment and the material then takes the
  • Temperature as the starting temperature. Temperature differences between maximum temperature after phase transformation and minimum Temperature can be reached after the re-conversion (at previously given heat) of up to 40 ° C.
  • elastocaloric materials Materials that show the elastocaloric effect are called elastocaloric materials.
  • elastocaloric materials are, for example, shape memory alloys which have superelasticity.
  • Superelastic alloys are characterized by the fact that they return to their original shape even after strong deformation.
  • Superelastic shape memory alloys have two distinct phases (crystal structures): austenite is the room temperature stable phase and martensite is stable at lower temperatures. Mechanical deformation causes a phase transformation of austenite to martensite, which results in adiabatic temperature rise. The increased temperature can now be released into the environment in the form of heat, which leads to a decrease in entropy. When the elastocaloric material is relieved again, martensite-to-austenite is reconverted, accompanied by adiabatic temperature reduction.
  • a convex heat conducting element is arranged at a distance from a planar heat conducting element.
  • a Elastokalorisches band is stretched in the space between the planar heat conducting element and the convex heat conducting element. The band is through the convex
  • the present invention relates to a elastocaloric element comprising three interconnected layers.
  • the elastocaloric element in this case comprises materials which have a elastocaloric effect.
  • the elastocaloric effect describes an adiabatic temperature change of a elastocaloric material when the material is subjected to a mechanical force and deforms. Due to the mechanical force or
  • Deformation transforms the crystal structure from austenite to martensite.
  • a first layer is located on a pressurized side and consists of a Elastokalorischen material which has a coefficient of performance under compressive stress, which is above a first threshold.
  • the first threshold is preferred for one by the
  • a second layer consists of a second elastocaloric material.
  • the second elastocaloric material of this second layer in contrast to the first elastocaloric material of the first layer, has under tension a coefficient of performance which is above a second threshold.
  • the second threshold is preferred for one by the elastocaloric effect
  • the first threshold for the first material may preferably be chosen to be the same as the second threshold for the second material.
  • the thresholds for the materials can be selected depending on the respective prevailing material temperatures and / or the desired temperature.
  • a third layer is arranged, which is functionally designed as a spring plate.
  • This third layer is made of a material that is not elastocaloric.
  • elastocaloric material for this third layer, a deformation energy could not be used elastokalorisch, since the voltage in this range is not sufficient to induce a phase transformation.
  • the deformation energy is stored in an area around the neutral fiber of the spring plate and the
  • Nickel-titanium alloys are particularly suitable for this because they have an extremely pronounced over one, compared to other alloys
  • the second elastocaloric material of the second layer of the elastocaloric element is a nickel-titanium-copper alloy or a copper-zinc-aluminum alloy.
  • the phase transition temperature on the other hand, mechanical properties such as deformability can be influenced.
  • Nickel-titanium-copper alloys have one, compared to others Alloys, pronounced shape memory effect over a high
  • Copper-zinc-aluminum alloys have a less pronounced shape memory effect than nickel-titanium-copper alloys, however, are comparatively cheaper.
  • the material of the third layer of the elastocaloric element is a spring band steel.
  • This material has a very high tensile strength compared to other types of steel, making it particularly suitable for use in a Elastokalorischen element.
  • Spring band steel is also characterized by high availability and low
  • the material thickness of the third layer is smaller than the material thickness of the first and / or the second layer.
  • the elastocaloric effect of the first and second layers is still prevalent
  • the compound of the three layers can be realized by means of a rolling process.
  • the three bare and freed of oxidation layers metal layers are superimposed and then rolled under high pressure.
  • a partial weld is produced in the respective contact zone by cold welding
  • Figure la shows a schematic representation of an embodiment of the elastocaloric element according to the invention in a relaxed state.
  • FIG. 1b shows a schematic representation of an embodiment of the elastocaloric element according to the invention from FIG. 1a in a deformed state
  • a first elastocaloric material is provided in the form of a nickel-titanium alloy.
  • the first elastocaloric material, taken in isolation, has an effect due to the elastocaloric effect of the
  • Elastokalorisches material provided in the form of a nickel-titanium-copper alloy.
  • the second elastocaloric material taken in isolation, has a tensile effect due to the elastocaloric effect during deformation and subsequent recovery under tension
  • a third material in the form of a chromium-nickel steel is provided which corresponds to the restoring effect of the
  • elastocaloric element is used.
  • the elastocaloric element is, as shown in Fig. 1 a, made of a composite of three metal layers.
  • a first layer 1 consists of the first elastocaloric material in the form of the nickel-titanium alloy.
  • a second layer 2 consists of the second elastocaloric material in the form of a nickel-titanium-copper alloy. The materials of the first and second layers 1, 2 are therefore superelastic
  • Shape memory materials each having a elastokalorischen effect.
  • the two layers each have a thickness of 225 pm.
  • a third layer 3 is between the first layer 1 and the second layer 2
  • This consists of a chromium-nickel steel such as. X10CrNi18-8 and has a thickness of 50 pm.
  • Figure 1 b shows the elastocaloric element, which in the direction of R on a
  • Heat conducting element 4 is moved and then with this heat conducting element 4 comes into contact.
  • the heat-conducting element 4 which is in contact with the environment, in this case exerts a contact pressure on the elastocaloric element, as a result of which this deforms.
  • a compressive stress is produced in the first layer 1 and a tensile stress in the second layer 2, which in both layers leads to a transformation of the crystal structure of the elastocaloric
  • the first elastocaloric material is arranged in the first layer 1 with respect to the compressive stress, high coefficient of performance.
  • the second elastocaloric material is the second elastocaloric material with respect to the
  • the spring plate of the third layer 3 of the elastocaloric element does not consist of one
  • the elastocaloric element is moved away from the heat-conducting element 4, counter to the direction R, and experiences a return deformation, which is supported by the third layer 3.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastokalorisches Element aus drei miteinander verbundenen Schichten, wobei das elastokalorische Element zyklisch mit einer Biegespannung beaufschlagt wird.Eine erste Schicht (1) besteht aus einem ersten elastokalorischen Material, das unter Druckspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer ersten Schwelle liegt. Eine zweite Schicht (2) besteht aus einem zweiten elastokalorischen Material, das unter Zugspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer zweiten Schwelle liegt. Zwischen diesen beiden Schichten (1, 2) ist eine dritte Schicht (3) angeordnet, welche als Federblech ausgebildet ist. Diese dritte Schicht (3) besteht aus einem nicht elastokalorischen Material.

Description

Beschreibung
Titel
Elastokalorisches Element mit drei Materialschichten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastokalorisches Element, welche drei miteinander verbundene Schichten umfasst. Die zwei äußeren Schichten bestehen dabei aus verschiedenen elastokalorischen Materialien, die unter Druck- bzw. Zugspannung unterschiedliche Leistungszahlen aufweisen.
Stand der Technik
Der elastokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines Materials, wenn das Material mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird und sich beispielsweise verformt. Durch die mechanische Kraft bzw. die Verformung wird eine Umwandlung der Kristallstruktur, auch Phase genannt, in dem Material verursacht. Die Phasenumwandlung führt zu einer Erhöhung der Temperatur des Materials. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, sinkt die Temperatur und die Entropie nimmt ab. Wird dann die mechanische Kraft entfernt, wird wiederum eine umgekehrte Phasenumwandlung
(Rückumwandlung) verursacht, die zu einer Absenkung der Temperatur des Materials führt. Wird dem Material dann wieder Wärme zugeführt nimmt die Entropie wieder zu.
Nach der annähernd adiabaten Phasenumwandlung liegt die Temperatur über der Ausgangstemperatur. Die dabei entstandene Wärme kann beispielsweise an die Umgebung abgeführt werden und das Material nimmt dann die
Umgebungstemperatur an. Wird nun die Phasenrückumwandlung initiiert, indem die mechanische Kraft auf null reduziert wird, stellt sich eine niedrigere
Temperatur als die Ausgangstemperatur ein. Es können Temperaturdifferenzen zwischen maximaler Temperatur nach der Phasenumwandlung und minimaler Temperatur nach der Rückumwandlung (bei zuvor abgegebener Wärme) von bis zu 40°C erreicht werden.
Materialien, an denen sich der elastokalorische Effekt nachweisen lässt, werden als elastokalorische Materialien bezeichnet. Solche elastokalorischen Materialien sind beispielsweise Formgedächtnislegierungen, die Superelastizität besitzen. Superelastische Legierungen zeichnen aus, dass diese auch nach starker Verformung von selbst wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren.
Superelastische Formgedächtnislegierungen weisen zwei unterschiedliche Phasen (Kristallstrukturen) auf: Austenit ist die bei Raumtemperatur stabile Phase und Martensit ist bei niedrigeren Temperaturen stabil. Eine mechanische Verformung verursacht eine Phasenumwandlung von Austenit zu Martensit, die einen adiabatischen Temperaturanstieg zur Folge hat. Die erhöhte Temperatur kann nun in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben werden, was zu einer Abnahme der Entropie führt. Wird das elastokalorische Material wieder entlastet, erfolgt eine Rückumwandlung von Martensit zu Austenit und damit einhergehend eine adiabatische Temperaturabsenkung.
Im Folgenden ist eine typische Anordnung zum Wärmetausch beschrieben:
Bei einer Anordnung ist ein konvexes Wärmeleitelement, mit Abstand zu einem planaren Wärmeleitelement angeordnet. Ein elastokalorisches Band ist in den Zwischenraum zwischen dem planaren Wärmeleitelement und dem konvexen Wärmeleitelement gespannt. Das Band wird durch das konvexe
Wärmeleitelement verformt, was auf der konvexen Außenseite des Blechs eine Zugbeanspruchung verursacht und auf der konkaven Innenseite eine
Druckbeanspruchung. Einzig in der sogenannten neutralen Faser tritt keine Beanspruchung auf. Im Anschluss bewegt sich das Band durch seine
Superelastizität wieder in seine planare Ursprungsform zurück und tritt flächig mit dem planaren Wärmeleitelemente in Kontakt. Sollte die Rückverformung in die Ursprungsform unvollständig sein, erfolgt bei Kontakt mit dem planaren
Wärmeleitelement die restliche Rückverformung. Durch diese Anordnung wird Wärme von den planaren Wärmeleitelementen zum konvexen Wärmeleitelement transportiert. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elastokalorisches Element, welches drei miteinander verbundene Schichten umfasst. Das elastokalorische Element umfasst dabei Materialien, die einen elastokalorischen Effekt aufweisen. Der elastokalorische Effekt beschreibt eine adiabatische Temperaturänderung eines elastokalorischen Materials, wenn das Material mit einer mechanischen Kraft beaufschlagt wird und sich verformt. Durch die mechanische Kraft bzw.
Verformung wandelt sich die Kristallstruktur von Austenit zu Martensit um.
Hierdurch wird Wärme frei, die als Wärmefluss abgeführt werden kann, wodurch die Temperatur des elastokalorischen Materials sinkt. Wird die dabei freigesetzte Wärme abgeführt, sinkt die Temperatur des elastokalorischen Materials. Nach der Entfernung der mechanischen Kraft, findet eine Rückverformung des elastokalorischen Materials in seine Ausgangsform statt. Hierbei wandelt sich seine Kristallstruktur vom Martensit zum Austenit zurück. Die Temperatur des Materials kühlt dabei unter die Umgebungstemperatur ab, wodurch Wärme aus der Umgebung aufgenommen werden kann. Das Verhältnis von erzeugter Wärmeleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung wird bei mechanischen Wärmepumpen als Leistungszahl, bzw. Coefficient of Performance (kurz COP), bezeichnet. Das elastokalorische Element wird zyklisch mit Biegespannung beaufschlagt. Obwohl das elastokalorische Element dabei wiederholt mit Biegespannung beaufschlagt wird, bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass die Wiederholungen in einem regelmäßigen und zeitlich festgelegten Ablauf erfolgen müssen. Eine erste Schicht befindet sich auf einer mit Druckspannung beaufschlagten Seite und besteht aus einem elastokalorischen Material, das unter Druckspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer ersten Schwelle liegt. Die erste Schwelle liegt bevorzugt für eine durch den
elastokalorischen Effekt hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen 0 und 25 Kelvin bei 10 und besonders bevorzugt für eine durch den elastokalorischen Effekt hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen 10 und 25 Kelvin bei 15. Eine zweite Schicht besteht aus einem zweiten elastokalorischen Material. Das zweite elastokalorische Material dieser zweiten Schicht weist, im Unterschied zu dem ersten elastokalorischen Material der ersten Schicht, unter Zugspannung eine Leistungszahl auf, die oberhalb einer zweiten Schwelle liegt. Die zweite Schwelle liegt bevorzugt für eine durch den elastokalorischen Effekt
hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen 10 und 25 Kelvin bei 15. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Effizienz, die an die Materialien der ersten und zweiten Schicht gestellt werden, kann die erste Schwelle für das erste Material vorzugsweise gleich groß wie die zweite Schwelle für das zweite Material gewählt werden. Vorzugsweise können die Schwellen für die Materialien in Abhängigkeit von den jeweils herrschenden Materialtemperaturen und/oder der gewünschten Temperatur gewählt werden.
Zwischen der ersten und der zweiten Schicht ist eine dritte Schicht angeordnet, welche funktional als Federblech ausgebildet ist. Diese dritte Schicht besteht aus einem Material, welches nicht elastokalorisch ist. Würde man ein
elastokalorisches Material für diese dritte Schicht verwenden, könnte eine Verformungsenergie nicht elastokalorisch genutzt werden, da die Spannung in diesem Bereich nicht ausreicht, um eine Phasenumwandlung zu induzieren. Bei der Verwendung eines Federblechs wird die Verformungsenergie in einem Bereich um die neutrale Faser des Federblechs gespeichert und die
Rückstellkräfte für eine Rückverformung damit minimiert. Als
Ausgangsmaterialien für das Federblech kommen unterschiedliche und kostengünstige Eisen-Kohlenstoff-Legierungen in Frage. Mithin wird durch den Einsatz des Federblechs vergleichsweise teures elastokalorisches Material eingespart.
Optional ist das elastokalorische Material der ersten Schicht des
elastokalorischen Elements eine Nickel-Titan-Legierung. Nickel-Titan- Legierungen eignen sich hierfür besonders gut, da sie einerseits über einen, im Vergleich zu anderen Legierungen, außerordentlich stark ausgeprägten
Formgedächtniseffekt verfügen, andererseits auch eine hohe Langzeitstabilität und damit eine hohe Lebensdauer aufweisen. Mithilfe von Nickel-Titan- Legierungen lässt sich darüber hinaus eine hohe Anzahl von Arbeitszyklen realisieren.
Vorzugsweise ist das zweite elastokalorische Material der zweiten Schicht des elastokalorischen Elements eine Nickel-Titan-Kupfer-Legierung oder eine Kupfer- Zink-Aluminium-Legierung. Mit der Beimischung von Kupfer zu einer Nickel- Titan-Legierung lassen sich einerseits die Phasenumwandlungstemperatur, andererseits mechanische Eigenschaften wie die Verformbarkeit beeinflussen. Nickel-Titan-Kupfer-Legierungen verfügen über einen, im Vergleich zu anderen Legierungen, ausgeprägten Formgedächtniseffekt, der über eine hohe
Zyklenanzahl stabil ist. Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen verfügen über einen weniger stark ausgeprägten Formgedächtniseffekt als Nickel-Titan- Kupfer- Legierungen sind jedoch vergleichsweise günstiger.
Vorteilhafterweise ist das Material der dritten Schicht des elastokalorischen Elements ein Federbandstahl. Dieses Material weist im Vergleich zu anderen Stahlsorten eine sehr hohe Zugfestigkeit auf, wodurch er besonders gut für den Einsatz in einem elastokalorischen Element geeignet ist. Federbandstahl zeichnet sich ferner durch eine hohe Verfügbarkeit und durch geringe
Materialkosten aus.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Materialdicke der dritten Schicht kleiner als die Materialdicke der ersten und/oder der zweiten Schicht. Der elastokalorische Effekt der ersten und zweiten Schicht ist dabei weiterhin vorherrschend
Zur Herstellung des elastokalorischen Elements kann die Verbindung der drei Schichten mithilfe eines Walzverfahrens realisiert werden. Hierfür werden die drei blanken und von Oxidationsschichten befreiten Metallschichten übereinander gelegt und anschließend unter hohem Druck gewalzt. Hierbei entsteht in der jeweiligen Kontaktzone durch eine Kaltverschweißung eine partiell
stoffschlüssige Verbindung. Durch eine abschließende Diffusionsglühbehandlung wird eine stabile und durchgehend stoffschlüssige Verbindung von höchster Güte zwischen den Schichten hergestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur la zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastokalorischen Elements in einem entspannten Zustand. Figur lb zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elastokalorischen Elements aus Figur la in einem verformten Zustand
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Für das erfindungsgemäße elastokalorische Element werden drei Materialien bereitgestellt. Zunächst wird ein erstes elastokalorisches Material in Form einer Nickel-Titan-Legierung bereitgestellt. Das erste elastokalorische Material weist für sich genommen für eine durch den elastokalorischen Effekt bei der
Verformung und der anschließenden Rückverformung unter Druckspannung hervorgerufenen Temperaturdifferenz in Höhe von 20 Kelvin eine Leistungszahl von 17 auf. Für das elastokalorische Element wird ferner ein zweites
elastokalorisches Material in Form einer Nickel-Titan-Kupfer-Legierung bereitgestellt. Das zweite elastokalorischen Materials weist für sich genommen für eine durch den elastokalorischen Effekt bei der Verformung und der anschließenden Rückverformung unter Zugspannung hervorgerufene
Temperaturdifferenz in Höhe von 1 1 Kelvin eine Leistungszahl von 20 auf. Des Weiteren wird für das elastokalorische Element ein drittes Material in Form eines Chrom-Nickel-Stahls bereitgestellt, das dem Rückstelleffekt des
elastokalorischen Elements dient.
Das elastokalorische Element ist, wie in Fig. 1 a gezeigt, aus einem Verbund von drei Metallschichten hergestellt. Eine erste Schicht 1 besteht aus dem ersten elastokalorischen Material in Form der Nickel-Titan-Legierung. Eine zweite Schicht 2 besteht aus dem zweiten elastokalorischen Material in Form einer Nickel-Titan-Kupfer-Legierung. Bei den Materialien der ersten und zweiten Schicht 1 ,2 handelt es sich somit um superelastische
Formgedächtnismaterialien, die jeweils einen elastokalorischen Effekt aufweisen. Die beiden Schichten weisen jeweils eine Dicke von 225 pm auf. Eine dritte Schicht 3 ist zwischen der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2
angeordnet. Diese besteht aus einem Chrom-Nickel-Stahl wie z.B. X10CrNi18-8 und weist eine Dicke von 50 pm auf.
Figur 1 b zeigt das elastokalorisches Element, das in Richtung R auf ein
Wärmeleitelement 4 zubewegt wird und daraufhin mit diesem Wärmeleitelement 4 in Kontakt tritt. Das Wärmeleitelement 4, das mit der Umgebung in Kontakt ist, übt hierbei einen Anpressdruck auf das elastokalorische Element aus, wodurch sich dieses verformt. Durch die Verformung entsteht in der ersten Schicht 1 eine Druckspannung und in der zweiten Schicht 2 eine Zugspannung, was in beiden Schichten zu einer Umwandlung der Kristallstruktur der elastokalorischen
Materialien von Austenit zu Martensit führt. Auf der mit Druck beaufschlagten Seite des elastokalorischen Elements ist das erste elastokalorische Material mit der, bezogen auf die Druckspannung, hohen Leistungszahl in der ersten Schicht 1 angeordnet. Auf der mit Zug beaufschlagten Seite des elastokalorischen Elements ist das zweite elastokalorische Material mit der, bezogen auf die
Zugspannung, hohen Leistungszahl in der zweiten Schicht 2 angeordnet. Durch die Umwandlung der Kristallstruktur wird Wärme freigesetzt. Die Wärme wird von dem Wärmeleitelement 4 aufgenommen, wodurch die elastokalorischen
Materialien auf die Umgebungstemperatur abkühlen. Das Federblech der dritten Schicht 3 des elastokalorischen Elements besteht aus einem nicht
elastokalorischen Material, das die aufgetretene Verformungsenergie im Bereich um seine neutrale Faser speichert und den Rückstelleffekt der in der ersten und zweiten Schicht 1 ,2 verwendeten Formgedächtnismaterialien des
elastokalorischen Elements unterstützt.
Im Anschluss wird das elastokalorische Element entgegen der Richtung R vom Wärmeleitelement 4 weg bewegt und erfährt dabei eine Rückverformung, die durch die dritte Schicht 3 unterstützt wird.

Claims

Ansprüche
1. Elastokalorisches Element, umfassend drei miteinander verbundene Schichten, das zyklisch mit Biegespannung beaufschlagbar ist, wie folgt:
- eine erste Schicht auf einer mit Druckspannung beaufschlagten Seite bestehend aus einem ersten elastokalorischen Material, das unter Druckspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer ersten Schwelle liegt;
- eine zweite Schicht auf einer mit Zugspannung beaufschlagten Seite bestehend aus einem zweiten elastokalorischen Material, das unter Zugspannung eine Leistungszahl aufweist, die oberhalb einer zweiten Schwelle liegt.
- eine dritte Schicht, welche zwischen der ersten Schicht und der
zweiten Schicht angeordnet ist und funktional als Federblech ausgebildet ist, wobei die dritte Schicht einem dritten Material besteht, welches nicht elastokalorisch ist.
2. Elastokalorisches Element gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastokalorische Material eine Nickel-Titan-Legierung ist.
3. Elastokalorisches Element gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das zweite elastokalorische Material, eine Nickel- Titan-Kupfer-Legierung oder eine Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung ist.
4. Elastokalorisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Material, ein Federbandstahl ist.
5. Elastokalorisches Element gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des dritten
Materials kleiner als die Dicke des ersten elastokalorischen Material und/oder des zweiten elastokalorischen Materials ist.
6. Elastokalorisches Element gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Schichten aus einem Walzverfahren, einem Schweißverfahren und einem Diffusionsglühverfahren hergestellt wurden.
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