Advanced Elastocaloric Cooling Devices Based on Shape Memory Alloy Films
Creators: name: Brüderlin, Florian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020
Subjects: elastocaloric materials
ferroic cooling
shape memory alloy
solid state cooling
superelastic films
elastocaloric refrigeration
elastocaloric effect
pseudoelasticity
parallelized device architecture
cascaded device architecture

description: Unsere moderne Gesellschaft ebenso wie die zunehmend technologisierte Wirtschaft sind ohne Kühlung praktisch undenkbar. Ganze Industriezweige, wie beispielsweise die Lebensmittel- oder Medizinbranche, sind auf die zuverlässige Verfügbarkeit von Kälte im großen Maßstab angewiesen. Zusätzlich erfordert die zunehmende Leistungsdichte in miniaturisierter Elektronik vermehrt aktive Temperaturregelung und Kühlung im kleinen Maßstab. Dabei basieren heutige Kühltechnologien entweder auf kritischen Substanzen oder haben niedrige Wirkungsgrade. Es besteht daher ein zunehmender Bedarf an innovativen Kühltechnologien, die sowohl umweltfreundlich als auch effizient sind. Der elastokalorische Effekt bietet die Grundlage für eine neuartige, festkörperbasierte Kühltechnologie, mit dem Potenzial effizient und umweltfreundlich Kühlleistung bereitzustellen. Die derzeit vielversprechendsten elastokalorischen Materialien sind superelastische Formgedächtnislegierungen (FGL). Diese reagieren auf das Anlegen einer mechanischen Spannung und anschließendes Entlasten mit Erwärmung bzw. Abkühlung. Der elastokalorische Effekt in superelastischer FGL basiert auf einer reversiblen Festkörper-Phasenumwandlung zwischen der Austenit- und Martensitphase. FGL-Dünnschichten sind aufgrund ihres hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses besonders für die elastokalorische Kühlung geeignet, da sie hohe elastokalorische Effektgrößen mit effizienter Wärmeübertragung vereinen. Bereits in Vorgängerarbeiten hat sich das große Potenzial elastokalorischer Kühlung mit FGL-Dünnschichten für Anwendungen im Miniaturbereich gezeigt. In dieser Arbeit werden die Leistungsgrenzen der FGL-Dünnschicht-basierten elastokalorischen Kühlung untersucht. Darüber hinaus werden neue Konzepte entwickelt, um die bisherigen Grenzen der Kühlleistung und der Temperaturspanne im Kühlelement zur überwinden. Kaltgewalzte NiTiFe- und gesputterte TiNiCuCo-Dünnschichten mit einer Dicke von 30 µm werden als aktive Materialien verwendet. In NiTiFe-Dünnschichten führt der elastokalorische Effekt beim mechanischen Be- und Entlasten zu einer adiabatischen Temperaturänderung $\textit{∆T}$$_{ad}$ von +20, bzw. 16 °C. Zusätzlich werden drei TiNiCuCo-Legierungen mit leicht verändertem Kobaltgehalt verwendet. Der unterschiedliche Kobaltgehalt wurde so eingestellt, dass die Austenit-Endtemperatur im Bereich von 1,7 bis 13,3 °C verschoben wird. Dies ermöglicht einen erweiterten Betriebsbereich der TiNiCuCo-Dünnschichten, in welchen der elastokalorische Effekt eine maximale adiabate Temperaturänderung von 12,2 bzw. -14,5 °C hervorruft. TiNiCuCo-Dünnschichten sind aufgrund ihrer einzigartigen Ermüdungsfreiheit besonders vielversprechend für elastokalorische Kühlanwendungen. Durch ihre angepasste feinkörnige Mikrostruktur in Kombination mit herausragender Kompatibilität der Austenit- und Martensitgitter können TiNiCuCo-Dünnschichten mehr als 10$^{7}$ Lastzyklen standhalten. In elastokalorischen Kühleinheiten, die auf einer einzelnen FGL-Dünnschicht basieren, wurden hohen spezifischen Kühlleistung von bis zu 19 W/g und eine Temperaturspanne von bis zu 14 °C erreicht. Darüber hinaus arbeitet das Gerät effizient mit einer maximalen Leistungszahl von bis zu 6. Allerdings ist die absolute Kühlleistung der Kühleinheit auf 220 mW begrenzt. Gleichzeitig liegt die Temperaturspanne bereits nahe an der theoretischen Grenze, die durch die Temperaturänderung der FGL im adiabatischen Grenzfall gegeben ist. Um die Limitierung der beschriebenen elastokalorischen Kühleinheit hinsichtlich Kühlleistung und der Temperaturspanne zu überwinden, werden parallelisierte und kaskadierte Gerätearchitekturen entwickelt und untersucht. Ziel der parallelisierten Kühleinheit ist es die absolute Kühlleistung zu erhöhen. Diese parallelisierte Einheit kombiniert den elastokalorischen Effekt von fünf FGL-Dünnschichten. Sie vereint die hohe spezifische Kühlleistung von auf einzelnen FGL-Dünnschichten basierenden Kühleinheiten mit einer erhöhten absoluten Kühlleistung. So erreicht die parallelisierte Einheit 900 mW Kühlleistung und zeigt, wie FGL-dünnschichtbasierte, elastokalorische Kühlgeräte erfolgreich erweitert werden können. Neue Anwendungsbereiche werden dadurch in Zukunft ermöglicht, wie beispielsweise die Raumklimatisierung. Zusätzlich wird eine kaskadierte elastokalorische Kühleinheit entwickelt, um die Begrenzung der Temperaturspanne hin zu größeren Werten zu verschieben. In der kaskadierten Einheit wird der elastokalorische Effekt von drei FGL-Dünnschichten kombiniert und in Reihe geschaltet. Der Effekt der ersten beiden Dünnschichten wird genutzt, um die jeweils nächste FGL-Dünnschicht vorzukühlen. Nur die dritte Dünnschicht absorbiert Wärme direkt von der Wärmequelle, welche somit gekühlt wird. Auf diese Weise wird der Temperaturunterschied innerhalb der kaskadierten Einheit auf 27,3 °C erhöht. Damit überwindet die kaskadierte Kühleinheit die Begrenzung durch die adiabate Temperaturänderung $\textit{∆T}$$_{ad}$. Die Summe der adiabaten Temperaturänderungen beim Be- und Entlasten konnte jedoch nicht überwunden werden. Dennoch hat sich gezeigt, dass die kaskadierte Gerätearchitektur die Temperaturspanne der elastokalorischen Kühleinheit beträchtlich erhöht und somit neue Anwendungen ermöglicht, beispielsweise die Kühlung auf Temperaturniveaus unterhalb der Umgebungstemperatur. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden die Grundlage einer umweltfreundlichen und effizienten elastokalorischen Kühltechnologie basierend auf FGL-Dünnschichten. Parallelisierte und kaskadierte Gerätearchitekturen erlauben es in Zukunft Anwendungen zu adressieren, welche große Kühlleistungen oder auch große Temperaturunterschiede benötigen.