DE102013014582B4

DE102013014582B4 - Electrocaloric arrangement

Info

Publication number: DE102013014582B4
Application number: DE102013014582.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Neumeister
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2017-05-11
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: WO2015028430A1; DE102013014582A1

Abstract

Elektrokalorische Anordnung, bei der ein elastisch verformbares, elektrokalorisches Element (200) zwischen einem ersten Gehäuseteil (100), das eine Wärmequelle bildet, und einem zweiten Gehäuseteil (101), das eine Wärmesenke bildet, angeordnet oder zwischen den beiden Gehäuseteilen (100, 101) eingespannt oder gehalten ist, wobei an zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen des elektrokalorischen Elements (200) jeweils eine flächige Elektrode (301) ausgebildet ist und die Elektroden (301) an eine steuerbare oder regelbare elektrische Wechselspannungsquelle oder eine gepulst betreibbare elektrische Spannungsquelle angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrokalorische Element (200) aus einem elektromechanischen gekoppelten Werkstoff, der piezoelektrische Eigenschaften aufweist, oder aus einer ferroelektrischen Relaxor-Keramik gebildet ist, und so ausgebildet und dimensioniert ist, dass es bei ausgeschalteter elektrischer Spannung an einer Oberfläche des ersten oder zweiten Gehäuseteils (100 oder 101) flächig anliegt und es sich bei einer an den Elektroden (301) des elektrokalorischen Elements (200) anliegender elektrischer Spannung so verformt, dass es an einer Oberfläche des ersten Gehäuseteils (101) oder zweiten Gehäuseteils (100) flächig anliegt.Electrocaloric arrangement in which an elastically deformable, electrocaloric element (200) between a first housing part (100) forming a heat source, and a second housing part (101) forming a heat sink, or between the two housing parts (100, 101 ) is clamped or held, wherein on two opposite surfaces of the electrocaloric element (200) in each case a planar electrode (301) is formed and the electrodes (301) are connected to a controllable or controllable electrical AC voltage source or a pulsed operable electrical voltage source, characterized characterized in that the electrocaloric element (200) is formed from an electromechanical coupled material having piezoelectric properties or from a relaxor ferroelectric ceramic, and is designed and dimensioned such that, when the electrical voltage is switched off, it is applied to a surface of the first or second surface r second housing part (100 or 101) rests flat and it deforms at one of the electrodes (301) of the electrocaloric element (200) voltage applied so that it on a surface of the first housing part (101) or second housing part (100) lies flat.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrokalorische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie kann bevorzugt zur Kühlung in verschiedenen Applikationen und besonders bevorzugt als Festkörperkühlelement eingesetzt werden.The invention relates to an electrocaloric arrangement according to the preamble of claim 1. It can preferably be used for cooling in various applications and particularly preferably as a solid-state cooling element.

In der Vergangenheit wurden Untersuchungen und Versuche durchgeführt, um den elektrokalorischen Effekt ausnutzen zu können.In the past, investigations and experiments were carried out to exploit the electrocaloric effect.

Eine technische Lösung ist in WO 2011/075335 A1 beschrieben. Dabei ist ein an zwei Seiten mit Elektroden versehenes elektrokalorisches Element zwischen zwei weiteren Elektroden angeordnet. Die weiteren Elektroden sind an einer Wärmesenke und an einer Wärmequelle angebracht. Alle Elektroden können durch Anlegen jeweils einer geeigneten elektrischen Spannung so betrieben werden, dass sich durch elektrostatische Kraftwirkung des elektrokalorische Element in Richtung Wärmesenke oder Wärmequelle bewegt, wodurch thermische Energie von der Wärmequelle zur Wärmesenke übertragen werden kann. Da aber für eine gute thermische Leitung ein direkter Kontakt zwischen der Oberfläche des elektrokalorischen Elements zur Wärmesenke und zur Wärmequelle, also eine Berührung erforderlich ist, ist eine elektrische Isolation zwischen den Elektroden des elektrokalorischen Elements und den Elektroden der Wärmequelle und der Wärmesenke erforderlich. Dies führt aber zu einer Reduzierung der thermischen Leitfähigkeit, da bekanntermaßen elektrische Isolatoren bei den erforderlichen elektrischen Spannungen auch schlechte thermische Leiter sind. Dementsprechend reduziert sich auch der Wirkungsgrad.A technical solution is in WO 2011/075335 A1 described. In this case, an electrocaloric element provided with electrodes on two sides is arranged between two further electrodes. The further electrodes are attached to a heat sink and to a heat source. All electrodes can be operated by applying each a suitable electrical voltage so that moves by electrostatic force of the electro-caloric element in the direction of heat sink or heat source, whereby thermal energy can be transmitted from the heat source to the heat sink. However, since a good contact between the surface of the electrocaloric element to the heat sink and the heat source, ie a contact is required for a good thermal conduction, an electrical insulation between the electrodes of the electrocaloric element and the electrodes of the heat source and the heat sink is required. However, this leads to a reduction of the thermal conductivity, since it is known that electrical insulators at the required electrical voltages are also poor thermal conductors. Accordingly, the efficiency is reduced.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Technik besteht darin, dass das elektrokalorische Element für jede Auslenkung in Richtung Wärmesenke und in Richtung Wärmequelle elektrische Energie erfordert, die über die Elektroden zugeführt werden muss.Another disadvantage of this known technique is that the electrocaloric element requires electrical energy for each deflection in the direction of the heat sink and in the direction of the heat source, which must be supplied via the electrodes.

Außerdem müssen insgesamt vier Elektroden ausgebildet werden, was den Herstellungsaufwand erhöht.In addition, a total of four electrodes must be formed, which increases the production cost.

Desweiteren ist aus US 2013/0067934 A1 eine Vorrichtung mit Nutzung des elektrokalorischen Effekts bekannt, bei der mehrere Wärmeübertragungsstapel genutzt werden sollen.Furthermore, it is off US 2013/0067934 A1 a device with use of the electrocaloric effect is known in which a plurality of heat transfer stacks are to be used.

Die US 2012/0055174 A1 betrifft einen elektrokalorischen Wärmeübertrager mit einer oder mehreren Wärmepumpen.The US 2012/0055174 A1 relates to an electrocaloric heat exchanger with one or more heat pumps.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Nutzung des elektrokalorischen Effektes anzugeben, mit denen bei einem vereinfachten Aufbau die Effektivität und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung verbessert werden können.It is therefore an object of the invention to provide ways to use the electro-caloric effect, with which the efficiency and the efficiency of heat transfer can be improved in a simplified structure.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention this object is achieved with an arrangement having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.

Die Erfindung kann bevorzugt zur aktiven Kühlung (Wärmepumpe), das heißt zum Transport von Wärme in Richtung eines Temperaturgradienten von einer kalten Wärmequelle hin zu einer warmen Wärmesenke, unter Ausnutzung des elektrokalorischen Effekts eingesetzt werden. Es gibt verschiedene Werkstoffe bei denen eine intrinsische Eigenschaft der elektrokalorische Effekt ist. Daraus resultiert ein großes Miniaturisierungspotential, wodurch neben den klassischen Einsatzgebieten Anwendungsfelder in der Mikroelektronik und in der mikroelektromechanischen Systemtechnik zusätzlich eröffnet werden.The invention can preferably be used for active cooling (heat pump), that is to say for transporting heat in the direction of a temperature gradient from a cold heat source to a warm heat sink, utilizing the electrocaloric effect. There are several materials where an intrinsic property is the electrocaloric effect. This results in a large miniaturization potential, which in addition to the classic areas of application, fields of application in microelectronics and microelectromechanical system technology are additionally opened.

Zu den vielversprechenden Werkstoffen zählen ferroelektrische Relaxor-Keramiken oder auch andere geeignete elektromechanische Werkstoffe. Diese zeigen auch bei Großsignallasten kaum Hystereseeffekte und liefern knapp unterhalb oder im Bereich der Curie-Temperatur technisch interessante Temperaturänderungen infolge elektrischer Anregung (elektrokalorischer Effekt). Durch Anpassen der chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe lassen sich die Curie-Temperatur und damit der elektrokalorische Arbeitspunkt, also die jeweilige Einsatztemperatur einstellen. Über die elektrokalorischen Eigenschaften können diese Werkstoffe auch ferroelektroelastische Eigenschaften, wie sie von ferroelektrischen Keramiken für Aktoranwendungen bekannt sind, aufweisen. Mit dem Ausrichten der intrinsischen elektrischen Dipole bewirkt das Anlegen eines elektrischen Feldes Verzerrungen im Werkstoff, die sich durch eine Streckung des ferroelektrischen Bauteils in Feldrichtung und einer Stauchung quer zur Feldrichtung eines wirkenden elektrischen Feldes äußern. Bei Abschalten des elektrischen Feldes gehen die Verzerrungen zurück (Relaxorwerkstoff).Among the promising materials include ferroelectric relaxor ceramics or other suitable electromechanical materials. These show little hysteresis effects even in the case of large-signal loads and deliver technically interesting temperature changes as a result of electrical excitation (electro-caloric effect) just below or in the region of the Curie temperature. By adjusting the chemical composition of the materials, the Curie temperature and thus the electrocaloric operating point, ie the respective application temperature, can be set. By virtue of their electrocaloric properties, these materials can also have ferroelectric-elastic properties, as are known from ferroelectric ceramics for actuator applications. By aligning the intrinsic electric dipoles, the application of an electric field causes distortions in the material, which are manifested by an extension of the ferroelectric component in the field direction and a compression transverse to the field direction of an acting electric field. When the electric field is switched off, the distortions return (relaxor material).

Eine weitere vielversprechende Werkstoffgruppe sind piezoelektrische Werkstoffe (bleibend gepolte Ferroelektrika), für die elektrokalorische Eigenschaften nachgewiesen wurden, und die ausgehend von ihren piezoelektrischen Eigenschaften elektrisch stimulierte Verzerrungen/Verformungen bei geringen Hystereseverlusten zeigen.Another promising group of materials are piezoelectric materials (permanently polarized ferroelectrics) for which electrocaloric properties have been demonstrated, and which, on the basis of their piezoelectric properties, exhibit electrically stimulated distortions / deformations with low hysteresis losses.

Der neuartige Ansatz der Erfindung besteht darin, diesen Effekt der gleichzeitigen elektrokalorischen und elektromechanischen Wirkung zu nutzen und das elektrokalorische Element so zu gestalten, dass die aus der elektrisch stimulierten Verzerrung/Verformung resultierende Formänderung eine selbstständige Bewegung des elektrokalorischen Elements von der Wärmequelle zur Wärmesenke und zurück gewährleistet. Membranen können dabei als elektrokalorische Elemente werden verwendet werden, um zum einen den Forderungen nach großen elektrischen Feldern bei moderaten elektrischen Spannungen in den elektrokalorischen Elementen sowie nach einer möglichst großen Oberfläche (Kontaktfläche zur Wärmeübertragung) bezogen auf das Volumen des elektrokalorischen Elementes gerecht zu werden. Zum anderen sind Membranen besonders geeignet, bereits bei kleinen elektrisch stimulierten Verzerrungen ausreichend große mechanische Verschiebungen/Verformungen zu generieren. Die Dickenänderung der Membran infolge der durch ein elektrisches Feld stimulierten Verzerrung kann dabei vernachlässigt werden. Im Gegensatz dazu führt die Querstauchung bei schwach gekrümmten Membranen (Krümmungsradius groß gegenüber der Membrandicke) mit verschiebungsbehinderten fest fixierten Rändern zu signifikanten Verschiebungen quer zur Membran, die bei der Erfindung in bestimmten Ausführungsformen ausgenutzt werden können, worauf nachfolgend noch zurück zu kommen sein wird.The novel approach of the invention is to utilize this effect of simultaneous electrocaloric and electromechanical action and to design the electrocaloric element the shape change resulting from the electrically stimulated distortion / deformation ensures independent movement of the electrocaloric element from the heat source to the heat sink and back. Membranes can be used as electrocaloric elements, on the one hand to meet the demands for large electric fields at moderate electrical voltages in the electrocaloric elements and for the largest possible surface (contact surface for heat transfer) based on the volume of the electrocaloric element. On the other hand, membranes are particularly suitable for generating sufficiently large mechanical displacements / deformations even with small electrically stimulated distortions. The change in thickness of the membrane due to the stimulated by an electric field distortion can be neglected. In contrast, with weakly curved membranes (radius of curvature large in relation to the membrane thickness), transverse swelling with displaced, fixed edges results in significant transversal membrane displacements, which in certain embodiments can be exploited in the invention, as will be seen below.

In allgemeiner Ausführung ist bei der erfindungsgemäßen elektrokalorischen Anordnung ein elastisch verformbares, elektrokalorisches Element zwischen einem ersten Gehäuseteil, das eine Wärmequelle bildet, und einem zweiten Gehäuseteil, das eine Wärmesenke bildet, angeordnet oder es ist zwischen den beiden Gehäuseteilen eingespannt oder gehalten. An zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen des elektrokalorischen Elements ist jeweils eine flächige Elektrode ausgebildet. Die Elektroden sind an eine steuerbare oder regelbare elektrische Wechselspannungsquelle oder eine gepulst betreibbare elektrische Spannungsquelle angeschlossen, so dass elektrische Felder ausgebildet werden können, mit denen eine Verformung des elektrokalorischen Elements erreicht werden kann.In general, in the electrocaloric device according to the invention, an elastically deformable, electrocaloric element between a first housing part, which forms a heat source, and a second housing part, which forms a heat sink, arranged or it is clamped or held between the two housing parts. On two opposite surfaces of the electrocaloric element, a planar electrode is formed in each case. The electrodes are connected to a controllable or controllable electrical AC voltage source or a pulsed operable electrical voltage source, so that electric fields can be formed, with which a deformation of the electro-caloric element can be achieved.

Das elektrokalorische Element ist dabei aus einem elektromechanischen, insbesondere ferroelektrischen oder piezoelektrischen Werkstoff gebildet und so ausgebildet und dimensioniert, dass es bei ausgeschalteter elektrischer Spannung an einer Oberfläche des ersten oder zweiten Gehäuseteils flächig anliegt. Bei einer an den Elektroden des elektrokalorischen Elements anliegender elektrischer Spannung und mittels eines dadurch ausgebildeten elektrischen Feldes verformt sich das elektrokalorische Element so, dass es dann an der jeweils anderen Oberfläche des jeweils anderen Gehäuseteils, also an einer Oberfläche des ersten Gehäuseteils oder zweiten Gehäuseteils flächig anliegt.The electrocaloric element is formed from an electromechanical, in particular ferroelectric or piezoelectric material and designed and dimensioned such that it lies flat against a surface of the first or second housing part when the electrical voltage is switched off. When an electrical voltage applied to the electrodes of the electrocaloric element and by means of an electric field formed thereby, the electrocaloric element deforms such that it then rests flat against the respective other surface of the respective other housing part, ie on a surface of the first housing part or second housing part ,

Es ist also lediglich dann elektrische Energiezufuhr erforderlich, wenn eine verformende Bewegung des elektrokalorischen Elements in eine Richtung erfolgen soll. Die entsprechende Rückwärtsbewegung erfolgt allein durch die dimensionierungsbedingt beeinflussten Rückstellkräfte des eingesetzten elektromechanischen Werkstoffs, bei ausgeschalteter oder nicht ausreichend hoher elektrischer Spannung.So it is only necessary then electrical power supply when a deforming movement of the electro-caloric element is to take place in one direction. The corresponding backward movement is effected solely by the restoring forces of the electromechanical material which are influenced by the dimensioning, with the electrical voltage switched off or not sufficiently high.

Das die selbstständige Bewegung des elektrokalorischen Elementes bewirkende An- und Abschalten des elektrischen Feldes liefert aufgrund der elektrokalorischen Eigenschaften des elektrokalorischen Elements die zyklische Erwärmung und Abkühlung des elektrokalorischen Elements. In Kombination beider Effekte entsteht so eine elektrokalorische Wärmepumpe, die einen Wärmestrom von der kalten Wärmequelle hin zur warmen Wärmesenke liefert.The automatic switching on and off of the electric field causing the autonomous movement of the electrocaloric element provides the cyclic heating and cooling of the electrocaloric element due to the electrocaloric properties of the electrocaloric element. In combination of both effects creates an electro-caloric heat pump, which provides a heat flow from the cold heat source to the warm heat sink.

Wie bereits angesprochen, kann in einer Ausführungsform der Erfindung das elektrokalorische Element eine verformbare Membran sein, die zwischen den zwei Gehäuseteilen klemmend fixiert gehalten ist. Die das elektrokalorische Element bildende Membran sollte dabei so dimensioniert sein, dass infolge der Fixierung eine Verformung erreicht ist, bei der sich eine Oberfläche des membranförmigen elektrokalorischen Elements an eine bevorzugt zumindest bereichsweise konvex gekrümmte Oberfläche des zweiten Gehäuseteils oder an einer bevorzugt zumindest bereichsweise konkav gekrümmten Oberfläche des ersten Gehäuseteils anlegt. Dies kann einfach dadurch erreicht werden, dass das membranförmige elektrokalorische Element eine größere Länge zwischen mindestens zwei sich gegenüberliegend angeordneten Positionen, an denen das elektrokalorische Element an zumindest einem der Gehäuseteile fixiert gehalten ist, aufweist. Dabei kann das elektrokalorische membranförmige Element aber auch radial umlaufend so an mindestens einem oder zwischen den zwei Gehäuseteilen eingespannt oder befestigt sein.As already mentioned, in one embodiment of the invention, the electrocaloric element may be a deformable membrane which is held clamped between the two housing parts. The diaphragm forming the electrocaloric element should be dimensioned such that as a result of the fixation a deformation is achieved in which a surface of the membrane-shaped electrocaloric element contacts a surface of the second housing part that is preferably convexly curved at least partially or on a surface that is preferably concave curved at least partially of the first housing part applies. This can be achieved simply by the membrane-shaped electrocaloric element having a greater length between at least two oppositely arranged positions at which the electrocaloric element is held fixed to at least one of the housing parts. In this case, however, the electrocaloric membrane-shaped element can also be clamped or fixed radially on at least one or between the two housing parts.

Bei an den Elektroden des elektrokalorischen Elements angelegter elektrischer Spannung erfolgt eine Verformung des membranförmigen elektrokalorischen Elements infolge des ausgebildeten elektrischen Feldes, bei der es mit seiner gegenüberliegenden Oberfläche an eine bevorzugt zumindest bereichsweise konkav gekrümmte Oberfläche des ersten Gehäuseteils oder an eine bevorzugt zumindest bereichsweise konvex gekrümmte Oberfläche des zweiten Gehäuseteils anliegt. Dabei besteht zwischen dem elektrokalorischen Element und dem zweiten Gehäuseteil bzw. dem ersten Gehäuseteil kein berührender Kontakt mehr. Der nunmehr gelöste berührende Kontakt zwischen membranförmigem elektrokalorischen Element und der Oberfläche des jeweiligen Gehäuseteils richtet sich dementsprechend danach, an welcher Oberfläche eines Gehäuseteils das elektrokalorische Element bei ausgeschalteter oder bei nicht ausreichend hoher elektrischer Spannung in berührendem Kontakt stand.In the case of electrical voltage applied to the electrodes of the electrocaloric element, the membrane-shaped electrocaloric element is deformed as a result of the formed electric field, with its opposite surface facing a preferably concurrently concave surface of the first housing part or a preferably convexly curved surface of the second housing part abuts. In this case, there is no contact between the electrocaloric element and the second housing part or the first housing part. The now dissolved contact between the contact between the membranous electrocaloric element and the Accordingly, the surface of the respective housing part depends on which surface of a housing part the electrocaloric element was in touching contact when the electrical voltage was switched off or when the electrical voltage was not sufficiently high.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das erste Gehäuseteil mit einem zylinderförmigen Hohlraum ausgebildet. In dem Hohlraum ist das zweite zylinderförmige Gehäuseteil angeordnet. Das elektrokalorische Element mit einer hohlzylindrischen Gestalt ist in dem Hohlraum zwischen den beiden Gehäuseteilen angeordnet, wobei das elektrokalorische Element mit seinen äußeren Abmaßen so dimensioniert ist, dass seine äußere Mantelfläche bei einer elektrischen Spannung, die zwischen den Elektroden anliegt, die kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert oder gleich Null ist, an der inneren Wandung des ersten Gehäuseteils bevorzugt vollflächig anliegt. Dabei kann das elektrokalorische Element ein Hohlzylinder mit radial umlaufend geschlossener Wandung aber auch als Hohlzylinder in dem entlang seiner Längsache ein Schlitz in der Wandung ausgebildet ist, ausgebildet sein. Im erstgenannten Fall kann ein vollflächiges Anliegen an der inneren Wandung des ersten Gehäuseteils und im zweitgenannten Fall ein bereichsweises Anliegen erreicht werden.In another embodiment of the invention, the first housing part is formed with a cylindrical cavity. In the cavity, the second cylindrical housing part is arranged. The electrocaloric element with a hollow cylindrical shape is arranged in the cavity between the two housing parts, wherein the electrocaloric element is dimensioned with its outer dimensions so that its outer circumferential surface at an electrical voltage applied between the electrodes, which is smaller than a predefinable threshold or equal to zero, on the inner wall of the first housing part is preferably fully applied. In this case, the electrocaloric element, a hollow cylinder with radially encircling closed wall but also as a hollow cylinder in which along its longitudinal axis a slot in the wall is formed, be formed. In the former case, a full-surface concerns on the inner wall of the first housing part and in the second-mentioned case, a regional concern can be achieved.

Bei einer zwischen den Elektroden des elektrokalorischen Elements anliegenden elektrischen Spannung, die bevorzugt oberhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt, ist eine Verformung des elektrokalorischen Elements erreichbar, bei der seine innere Wandung an der äußeren Wandung des zweiten Gehäuseteils anliegt. Der Schwellwert der elektrischen Spannung sollte dabei so groß sein, dass die Verformung des elektrokalorischen Elements infolge des ausgebildeten elektrischen Feldes erreicht werden kann, die zu einem berührenden Kontakt der inneren Mantelfläche des elektrokalorischen Elements mit der äußeren ebenfalls zylindrischen Mantelfläche des zweiten Gehäuseteils führt.In an applied between the electrodes of the electro-caloric element electrical voltage, which is preferably above a predetermined threshold, a deformation of the electro-caloric element is reached, in which its inner wall rests against the outer wall of the second housing part. The threshold value of the electrical voltage should be so great that the deformation of the electrocaloric element due to the formed electric field can be achieved, which leads to a contacting contact of the inner circumferential surface of the electrocaloric element with the outer cylindrical lateral surface of the second housing part.

Zwischen dem elektrokalorischen Element und dem ersten Gehäuseteil besteht dann kein berührender Kontakt mehr.There is then no contact between the electrocaloric element and the first housing part.

Die Gehäuseteile sollten ein geschlossenes Gehäuse bilden, in dessen Inneren das elektrokalorische Element angeordnet ist. Innerhalb des geschlossenen Gehäuses sollten bevorzugt Vakuumbedingungen eingehalten sein. Dies kann durch einen fluiddichten hermetischen Abschluss gegenüber der Umgebung oder durch den Anschluss einer geeigneten einen unterdruckerzeugenden Einheit erreicht werden.The housing parts should form a closed housing, in the interior of which the electrocaloric element is arranged. Within the closed housing, vacuum conditions should preferably be maintained. This can be achieved by a fluid tight hermetic seal against the environment or by the connection of a suitable vacuum producing unit.

Das mit den Gehäuseteilen gebildete Gehäuse kann an den offenen Stirnseiten der Gehäuseteile jeweils mit einer thermisch isolierenden Abdeckung verschlossen sein. Hierfür können beispielsweise Deckel oder ähnliche Elemente aus einem keramischen Werkstoff genutzt werden, die an den äußeren Stirnseiten mit den Gehäuseteilen verbunden sind.The housing formed with the housing parts can be closed at the open end sides of the housing parts each with a thermally insulating cover. For this purpose, for example, cover or similar elements made of a ceramic material can be used, which are connected at the outer end faces with the housing parts.

Die die Abdeckung bildenden Elemente können so gewählt werden, dass bei der Verformung des elektrokalorischen Elements wenn überhaupt nur geringe Reibkräfte wirken. Im einfachsten Fall kann dies dadurch erreicht werden, indem die Anordnung so ausgerichtet ist, dass das elektrokalorische Element vertikal ausgerichtet ist und ein Gleiten lediglich an einer Stirnseite zwischen Abdeckung und elektrokalorischem Element auftreten kann. Dort können dann günstige Gleitreibungsverhältnisse durch geeignete Werkstoffpaarung und ggf. den Einsatz eines Schmiermittels geschaffen werden. Zur Verhinderung des Kontaktes zwischen Gehäusedeckel und elektrokalorischem Element kann ebenfalls ein Spalt vorgesehen werden.The elements forming the cover can be selected so that only slight frictional forces act when the electrocaloric element is deformed. In the simplest case, this can be achieved by the arrangement is oriented so that the electro-caloric element is vertically aligned and a sliding can occur only at one end face between the cover and the electrocaloric element. There then favorable sliding friction conditions can be created by suitable material pairing and possibly the use of a lubricant. To prevent contact between the housing cover and the electrocaloric element, a gap may also be provided.

Das elektrokalorische Element kann aber auch an mindestens einer der Abdeckungen gehalten sein, wobei hierfür bevorzugt Festkörpergelenke vorhanden sein können. Die Festkörpergelenke können beispielsweise aus einem elastisch verformbaren Werkstoff gebildet und mit dem Element der Abdeckung einerseits und andererseits mit dem elektrokalorischen Element an einer Stirnseite verbunden sein. Die Festkörpergelenke können beispielsweise aus einem polymeren Werkstoff bestehen. Es sind daher geringe Kräfte bei der Bewegung/Verformung des elektrokalorischen Elements zu berücksichtigen, die einen entsprechend kleinen Energiebedarf hervorrufen.However, the electrocaloric element can also be held on at least one of the covers, for which purpose preferably solid-state joints can be present. The solid-state joints can for example be formed from an elastically deformable material and connected to the element of the cover on the one hand and on the other hand with the electro-caloric element on one end face. The solid-state joints may for example consist of a polymeric material. There are therefore low forces to be considered in the movement / deformation of the electrocaloric element, which cause a correspondingly low energy consumption.

Die Gehäuseteile können aus einem dielektrischen thermisch leitenden Werkstoff gebildet sein, der bevorzugt ausgewählt ist aus Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid ist. Unter besonderen Absicherungsvorkehrungen der elektrokalorischen Anordnung nach außen hin können die Gehäuseteile auch aus elektrisch leitenden Materialien, zum Beispiel Metallen, oder elektrisch halbleitenden Materialien, zum Beispiel Silizium oder Siliziumcarbid, bestehen.The housing parts may be formed of a dielectric thermally conductive material, which is preferably selected from aluminum nitride and aluminum oxide. Under special protection arrangements of the electrocaloric arrangement to the outside, the housing parts may also consist of electrically conductive materials, for example metals, or electrically semiconductive materials, for example silicon or silicon carbide.

Insbesondere bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit membranförmigen elektrokalorischen Element können zwischen den Gehäuseteilen und den zwischen ihnen fixierten Bereich des membranförmigen elektrokalorischen Elements eine thermische Isolierung angeordnet sein, mit der ein Wärmeaustausch zwischen Wärmequelle und Wärmesenke über die Gehäuseteile zumindest behindert werden kann.In particular, in one embodiment of the arrangement according to the invention with a membrane-shaped electrocaloric element, a thermal insulation can be arranged between the housing parts and the fixed between them region of the membrane-shaped electrocaloric element, with the heat exchange between the heat source and heat sink on the housing parts can at least be hindered.

Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit, insbesondere der Kühlleistung und der erreichbaren Temperaturdifferenz kann eine erfindungsgemäße Anordnung auch mit mehreren Gehäuseteilpaaren sowie elektrokalorischen Elementen in einer Reihenanordnung und/oder parallelen Anordnung gebildet sein. Bei einer Reihenanordnung werden die Ausgangstemperaturen der eine Wärmesenke bildenden zweiten Gehäuseteile in einer Richtung sukzessive kleiner. Dabei kann ausgehend von einer Seite ein zweites Gehäuseteil eine Wärmesenke und das in eine Richtung nachfolgende Gehäuseteil für dieses eine Wärmequelle bilden. Für die in dieser Richtung nächstfolgende Einheit aus erstem und zweitem Gehäuseteil sowie dem elektrokalorischem Element, bildet das vorab eine Wärmequelle bildende Gehäuseteil eine Wärmesenke. Dieser Funktionswandel erfolgt dabei entlang der gewählten Richtung von einem Gehäuseteil zu einem nachfolgenden Gehäuseteil immer weiter, so dass die Temperatur in der gewählten Richtung der Reihenanordnung immer weiter in Stufen reduziert werden kann.To increase the performance, in particular the cooling capacity and the achievable temperature difference, an inventive Arrangement also be formed with a plurality of housing part pairs and electrocaloric elements in a series arrangement and / or parallel arrangement. In a series arrangement, the output temperatures of the second housing parts forming a heat sink become successively smaller in one direction. In this case, starting from one side, a second housing part can form a heat sink and the housing part following in a direction for this a heat source. For the next in this direction next unit of the first and second housing part and the electrocaloric element, which forms a heat source in advance housing part forms a heat sink. This functional change takes place along the selected direction of a housing part to a subsequent housing part ever further, so that the temperature in the selected direction of the series arrangement can be reduced in stages more and more.

Dies kann auch bei innerhalb der Reihenanordnung jeweils gleich ausgebildeten elektrokalorischen Elementen erreicht werden. Der Effekt und die maximal erreichbare Temperaturdifferenz bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass bei einer Reihenanordnung von Elementen der Werkstoff aus dem das jeweilige elektrokalorische Element gebildet ist, an die jeweilige Temperatur der Wärmesenke angepasst ist. Die Werkstoffzusammensetzung kann dabei so verändert sein, dass die jeweilige Curie-Temperatur an die Temperatur der jeweiligen Stufe in der Reihenanordnung angepasst worden ist.This can also be achieved in each case within the series arrangement of the same design electrocaloric elements. The effect and the maximum achievable temperature difference with simultaneously improved efficiency can be achieved that, in a series arrangement of elements of the material from which the respective electrocaloric element is formed, is adapted to the respective temperature of the heat sink. The material composition may be changed so that the respective Curie temperature has been adapted to the temperature of the respective stage in the series arrangement.

Bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung mit zylinderförmigen Gehäuseteilen und elektrokalorischen Elementen kann sinngemäß ebenso vorgegangen werden, wobei dann die Gehäuseteile und elektrokalorischen Elemente innerhalb der Reihenanordnung entsprechend geeignete Radien aufweisen.In an embodiment of the arrangement according to the invention with cylindrical housing parts and electro-caloric elements can be proceeded mutatis mutandis, in which case the housing parts and electro-caloric elements within the series arrangement correspondingly have suitable radii.

Mit einer Parallelanordnung mehrerer jeweils mit zwei Gehäuseteilen und einem dazwischen angeordneten elektrokalorischen Element ausgestalteten Einheiten kann die Gesamtkühlleistung erhöht werden, da eine größere Kapazität durch größere Flächen zur thermischen Leitung und größere Volumina elektrokalorisch genutzt werden können.With a parallel arrangement of several each with two housing parts and an interposed electrocaloric element designed units, the total cooling capacity can be increased, since a larger capacity can be used by larger areas for thermal conduction and larger volumes elektrokalorisch.

Geeignete Werkstoffe aus denen elektrokalorische Elemente gebildet sein können, sind beispielsweise Bariumtitanat (BaTiO₃), PMN-PT, PZT, elektromechanisch aktive Polymere. Die Werkstoffe können durch unterschiedliche Stöchiometrien, Dotierungen und/oder enthaltene Sinteradditive an den jeweils gewünschten Temperaturbereich angepasst werden.Suitable materials from which electrocaloric elements may be formed are, for example, barium titanate (BaTiO ₃ ), PMN-PT, PZT, electromechanically active polymers. The materials can be adapted by different stoichiometries, doping and / or sintering additives contained in the respective desired temperature range.

Bei der Erfindung können gleichzeitig die elektrokalorische und elektromechanische Wirkung genutzt werden. Das jeweils eingesetzte elektrokalorische Element kann so gestaltet werden, dass die aus der elektrisch stimulierten Verzerrung resultierende Formänderung einen selbstständigen Wechsel des elektrokalorischen Elements von der Wärmequelle zur Wärmesenke und zurück gewährleistet. Membranen sollten verwendet werden, um zum einen den Forderungen nach großen elektrischen Feldern bei moderaten elektrischen Spannungen in den elektrokalorischen Elementen sowie nach einer möglichst großen Oberfläche (Kontaktfläche zur Wärmeübertragung) bezogen auf das Volumen des elektrokalorischen Bauelementes gerecht zu werden. Zum anderen sind Membranen besonders geeignet, bereits bei kleinen elektrisch stimulierten Verzerrungen (relativ kleine elektrische Feldstärke) ausreichend große mechanische Verschiebungen/Verformungen zu generieren. Die Dickenänderung einer Membran infolge der elektrisch stimulierten Verzerrung kann dabei vernachlässigt werden. Im Gegensatz dazu führt die Querstauchung bei schwach gekrümmten Membranen (Krümmungsradius groß gegenüber der Membrandicke) mit verschiebungsbehinderten bzw. fixierten Rändern zu signifikanten Verschiebungen quer zur Membran, die zu einer ausreichenden Verformung führt, so dass einmal ein sicheres großflächiges Anliegen eines membranförmigen elektrokalorischen Elements an einer Oberfläche eines Gehäuseteils ohne wirkendes elektrisches Feld und bei ausgebildetem elektrischen Feld ein großflächiges Anliegen an der Oberfläche eines anderen Gehäuseteils mit geringer Energiezufuhr erreichbar sind.At the same time, the electrocaloric and electromechanical action can be utilized in the invention. The electrocaloric element used in each case can be designed such that the change in shape resulting from the electrically stimulated distortion ensures an independent change of the electrocaloric element from the heat source to the heat sink and back. Membranes should be used in order to meet the demands for large electric fields at moderate electrical voltages in the electrocaloric elements as well as for the largest possible surface area (contact surface for heat transfer) relative to the volume of the electrocaloric component. On the other hand, membranes are particularly suitable for generating sufficiently large mechanical displacements / deformations even with small electrically stimulated distortions (relatively small electric field strength). The change in thickness of a membrane due to the electrically stimulated distortion can be neglected. In contrast, the cross-compression in weakly curved membranes (radius of curvature large compared to the membrane thickness) with verschiebungsbehinderten or fixed edges to significant shifts across the membrane, which leads to a sufficient deformation, so that once a secure large-scale concern a membrane-shaped electrocaloric element to a Surface of a housing part without acting electric field and with trained electric field, a large-scale concerns on the surface of another housing part can be achieved with low energy input.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.

Dabei zeigen:Showing:

1 in schematischer Form in einer Schnittdarstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit hohlzylinderförmigem elektrokalorischem Element in zwei Zuständen; 1 in schematic form in a sectional view an example of an inventive arrangement with hollow cylindrical electrocaloric element in two states;

2 in schematischer Form in einer Schnittdarstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit membranförmigem elektrokalorischem Element in zwei Zuständen; 2 in schematic form in a sectional view an example of an arrangement according to the invention with a membrane-shaped electrocaloric element in two states;

3 eine perspektivische Darstellung einer mit in Reihen- und Parallelanordnung mit mehreren jeweils mit zwei Gehäuseteilen und einem membranförmigen elektrokalorischen Element gebildeten Einheiten; 3 a perspective view of a formed in series and parallel arrangement with several each with two housing parts and a membrane-shaped electro-caloric element units;

4 ein Diagramm des Temperatur-Zeitverlaufs für ein membranförmiges elektrokalorisches Element, wie es beim Beispiel nach 2 einsetzbar ist und 4 a diagram of the temperature-time course for a membrane-shaped electrocaloric element, as in the example according to 2 can be used and

5 in schematischer Darstellung das Prinzip der Arbeitsweise einer elektrokalorischen Wärmepumpe. 5 a schematic representation of the principle of operation of an electro-caloric heat pump.

Bei den nachfolgend zu beschreibenden Beispielen kann als Werkstoff für elektrokalorische Elemente BaTiO₃ (Barium-Titanat) mit nachgewiesenen elektrokalorischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und piezoelektrischen Eigenschaften eingesetzt werden.In the examples to be described below, BaTiO ₃ (barium titanate) with proven electrocaloric properties at room temperature and piezoelectric properties can be used as a material for electrocaloric elements.

Dabei können folgende Werkstoffparameter berücksichtigt werden:

• Elektrokalorisch bewirkte Temperaturänderung ΔT_Membran ≈ 0,3 K bei einer elektrischen Feldstärkeänderung von ΔE = 15 kV/mm (elektrokalorische Eigenschaft)
• Wirksamer piezoelektrische Koppelkonstante d₃₁ = –80 × 10^–6 mm/kV (piezoelektrische Kopplung)
• Dichte ρ = 6 g/cm³, spezifische Wärmekapazität C_p = 0,4 J/(gK), Wärmeleitfähigkeit κ = 2,7 W/(mK) (thermische Eigenschaften).

The following material parameters can be taken into account:

• Electrocalorically induced temperature change ΔT _membrane ≈ 0.3 K with an electric field strength change of ΔE = 15 kV / mm (electrocaloric property)
• Effective piezoelectric coupling constant d ₃₁ = -80 × 10 ^-6 mm / kV (piezoelectric coupling)
• Density ρ = 6 g / cm ³ , specific heat capacity C _p = 0.4 J / (gK), thermal conductivity κ = 2.7 W / (mK) (thermal properties).

Der Werkstoff kann in Dickschichten (Siebdruck) oder aus keramischen Folien mit einer Dicke von d = 50 μm zu Membranen verarbeitet werden. Die Elektroden 301 können auf Ober- und Unterseite des elektrokalorischen Elements 200 mittels Sputtern oder einem anderen Vakuumbeschichtungsverfahren mit ca. 2 μm Dicke mit einem geeigneten Metall (z. B. Cu, Al, Ag, Au oder einer Legierung davon) ausgebildet werden.The material can be processed in thick layers (screen printing) or ceramic films with a thickness of d = 50 microns to membranes. The electrodes 301 can on the top and bottom of the electrocaloric element 200 by sputtering or another vacuum coating process of about 2 μm thickness with a suitable metal (eg Cu, Al, Ag, Au or an alloy thereof).

Infolge der piezoelektrischen Deformation des elektrokalorischen Elements 200 ist der Krümmungsradius der einfach gekrümmten Membranmittelfläche R_M vom ausgebildeten elektrischen Feld E (E = U/d) mit den speziellen Werten R_{M,U ein} bei E = 15 kV/mm und R_{M,U aus} bei E = 0 kV/mm abhängig. Die Differenz zwischen diesen beiden Radien R_{M,U ein} und R_{M,U aus} und damit die radiale Verschiebung eines membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 folgen näherungsweise anhand der Umfangsänderung eines Kreisbogens mit ΔR_M = ε_⊥R_{M,U aus} mit ε_⊥ = d₃₁ΔE = –0,12%. Due to the piezoelectric deformation of the electrocaloric element 200 is the radius of curvature of the single-curved membrane central surface R _{M of} the formed electric field E (E = U / d) with the specific values R _{M, U} in at E = 15 kV / mm and R _{M, U out} at E = 0 kV / mm dependent. The difference between these two radii R _{M, U in} and R _{M, U} and thus the radial displacement of a membrane-shaped electrocaloric element 200 follow approximately on the basis of the change in circumference of a circular arc with ΔR _M = ε _⊥ R _{M, U out} with ε _⊥ = d ₃₁ ΔE = -0.12%.

Für einen gewählten Krümmungsradius von R_{M,U aus} = 20 mm folgt ΔR_M = 24 μm. Damit kann ein ebenes elektrokalorisches Element 200 (siehe 2) mit einer wirksamen Membranfläche A_M von ca. 4 × 4 mm² und einer Dicke d_M von ca. 274 μm eingesetzt werden. Die Fixierung des membranförmigen Elements 200 an ihren seitlichen Rändern kann mit einer Klemmverbindung zwischen den zwei Gehäuseteilen 100 und 101 erreicht werden.For a chosen radius of curvature of R _{M, U} = 20 mm, ΔR _M = 24 μm. This can be a plane electrocaloric element 200 (please refer 2 ) are used with an effective membrane area A _M of about 4 × 4 mm ² and a thickness d _M of about 274 microns. The fixation of the membrane-shaped element 200 At its lateral edges can be fitted with a clamping connection between the two housing parts 100 and 101 be achieved.

Als Werkstoff für die Gehäuseteile 100 und 101 kann Aluminiumnitrit eingesetzt werden, dessen thermische Leitfähigkeit fast an die von Aluminium heranreicht.As a material for the housing parts 100 and 101 Aluminum nitrite can be used whose thermal conductivity comes close to that of aluminum.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein zylinderförmiger Aufbau realisiert. Das bei diesem Beispiel als Hohlzylinder ausgebildete elektrokalorische Element 200 ist in einem evakuierten Hohlraum zwischen zwei koaxialen hohlzylinderförmigen Gehäuseteilen 100 und 101 angeordnet. Die Oberfläche des elektrokalorischen Elements 200, die in Richtung der inneren Mantelfläche des Gehäuseteils 100 und der äußeren Mantelfläche des Gehäuseteils 101 weisen, sind mit Elektroden (301) versehen, zwischen denen die elektrische Spannung U angelegt werden kann. Das zweite Gehäuseteil 100 ist die Wärmequelle und das erste Gehäuseteil 101 ist die Wärmesenke.At the in 1 As shown, a cylindrical structure is realized. The formed in this example as a hollow cylinder electrocaloric element 200 is in an evacuated cavity between two coaxial hollow cylindrical housing parts 100 and 101 arranged. The surface of the electrocaloric element 200 extending in the direction of the inner circumferential surface of the housing part 100 and the outer circumferential surface of the housing part 101 are used with electrodes ( 301 ), between which the electrical voltage U can be applied. The second housing part 100 is the heat source and the first housing part 101 is the heat sink.

Im elektrisch spannungsfreien Zustand liegt das hohlzylinderförmige elektrokalorische Element 200 mit seiner äußeren Mantelfläche (kalte Seite, Temperatur T_k, Wärmequelle) an (in 1 links dargestellt). Durch das Anschalten der elektrischen Spannung erwärmt sich das elektrokalorische Element 200 (elektrokalorischer Effekt, T > T_h) und zieht sich zusammen (elektromechanisches Verhalten, Querstauchung). Letzteres führt zum Ablösen des berührenden Kontaktes der äußeren Mantelfläche des elektrokalorischen Elements 200 von der inneren Mantelfläche des Gehäuseteils 100, also der kalten Seite, und führt zum Anlegen der inneren Mantelfläche des hohlzylinderförmigen elektrokalorischen Elements 200 an die äußere Mantelfläche des ersten Gehäuseteils 101 (warme Seite, Temperatur T_h, T_h > T_k, Wärmesenke), wie dies in der rechten Darstellung von 1 gezeigt ist. Die innere Mantelfläche des elektrokalorischen Elements 200 und die äußere Mantelfläche des ersten Gehäuseteils 101 stehen dabei in berührendem Kontakt und es erfolgt ein Temperaturausgleich infolge thermischer Leitung. Bevorzugt nach Erreichen des vollständigen Temperaturausgleichs kann die elektrische Spannung abgeschaltet werden. Dadurch nimmt das elektrokalorische Element 200, ohne weitere zusätzliche Energiezufuhr seinen Ausgangszustand, wie er in der linken Darstellung von 1 gezeigt ist, wieder an und kühlt sich ab (T < T_k). Durch Erwärmen an der kalten Seite nimmt das elektrokalorische Element 200 wieder Wärme auf. Dadurch resultiert ein Wärmestrom Φ_th von der kalten zur warmen Seite. Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise einer elektrokalorischen Wärmepumpe mit bewegtem elektrokalorischem Material ist das Arbeitsprinzip in 5 schematisch dargestellt.In the electrically tension-free state is the hollow cylindrical electrocaloric element 200 with its outer surface (cold side, temperature T _k , heat source) on (in 1 shown on the left). By switching on the electrical voltage, the electrocaloric element heats up 200 (electrocaloric effect, T> T _h ) and contracts (electro-mechanical behavior, cross-compression). The latter leads to the detachment of the touching contact of the outer lateral surface of the electrocaloric element 200 from the inner circumferential surface of the housing part 100 , So the cold side, and leads to the application of the inner circumferential surface of the hollow cylindrical electrocaloric element 200 to the outer circumferential surface of the first housing part 101 (warm side, temperature T _h , T _h > T _k , heat sink), as shown in the right-hand illustration of 1 is shown. The inner surface of the electrocaloric element 200 and the outer circumferential surface of the first housing part 101 are in touching contact and there is a temperature compensation due to thermal conduction. Preferably, after reaching the complete temperature compensation, the electrical voltage can be switched off. As a result, the electrocaloric element decreases 200 , without further additional energy supply its initial state, as shown in the left illustration of 1 is shown again and cools down (T <T _k ). By heating on the cold side, the electrocaloric element decreases 200 heat up again. This results in a heat flow Φ _th from the cold to the warm side. To illustrate the operation of an electrocaloric heat pump with moving electrocaloric material, the working principle is in 5 shown schematically.

Die Lagefixierung und Abdichtung der Gehäuseteile 100 und 101 sowie des elektrokalorischen Elements 200 erfolgt bei diesem Beispiel an den Stirnseiten der Zylinderanordnung mit Hilfe elastischer Verbindungen. Infolge des in dem Hohlraum zwischen den beiden Gehäuseteilen 100 und 101 vorliegenden Vakuums tritt praktisch kein Wärmetransport über den verbleibenden Spalt auf. Darüber hinaus ermöglicht das Vakuum eine ungehinderte Bewegung des elektrokalorischen Elements 200. Die Abmessungen der Anordnung, insbesondere der Radien, können auf die elektrokalorischen und elektromechanischen Eigenschaften sowie den elektrokalorisch optimalen Arbeitspunkt abgestimmt werden. Die Größe des Wärmestroms kann durch die elektrische Anregungsfrequenz sowie durch die Dimensionierung (Elementabmessungen) gezielt beeinflusst werden. Durch die Verwendung mehrerer koaxialer Hohlzylinderelemente für Gehäuseteile 100 und 101 sowie elektrokalorischer Elemente 200, möglicherweise mit einem zusätzlichen passiven Hohlzylinder als Zwischenschicht, kann die erreichbare Temperaturdifferenz erhöht werden (Reihenschaltung).The position fixing and sealing of the housing parts 100 and 101 and the electrocaloric element 200 takes place in this example on the end faces of the cylinder assembly by means of elastic compounds. As a result of in the cavity between the two housing parts 100 and 101 present vacuum occurs virtually no Heat transfer over the remaining gap on. In addition, the vacuum allows unimpeded movement of the electrocaloric element 200 , The dimensions of the arrangement, in particular the radii, can be adapted to the electrocaloric and electromechanical properties as well as the electrocalorically optimum operating point. The size of the heat flow can be influenced by the electrical excitation frequency as well as by the dimensioning (element dimensions). By using several coaxial hollow cylindrical elements for housing parts 100 and 101 and electrocaloric elements 200 , possibly with an additional passive hollow cylinder as an intermediate layer, the achievable temperature difference can be increased (series connection).

Die 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung. Dabei ist das elektrokalorische Element 200 eine elektromechanischelektrokalorische Membran, die innerhalb eines Hohlraums zwischen zwei Gehäuseteilen (100, 101) angeordnet ist. Das membranförmige elektrokalorische Element 200 weist im elektrisch unbelasteten Zustand (U = 0) ein Übermaß auf, so dass es sich mit einer Oberfläche an die kalte Seite – hier das untere zweite Gehäuseteil 100 anlegt und zumindest mit dem größten Teil seiner Oberfläche in berührendem Kontakt mit der inneren Oberfläche des zweiten Gehäuseteils 100 steht. Das Verfahrensprinzip entspricht dem der hohlzylindrischen Anordnung. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein Straffen des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 erreicht, wodurch sich das elektrokalorische Element 200 verformt und dadurch der berührende Kontakt mit dem zweiten Gehäuseteil 100 gelöst und ein berührender Kontakt an der warmen Seite an der inneren Oberfläche des ersten Gehäuseteils 101 erreicht wird. Dadurch kann ein Temperaturausgleich zwischen elektrokalorischem Element 200 und erstem Gehäuseteil 101 erreicht werden. Dies ist in der unteren Darstellung von 2 gezeigt.The 2 shows a further example of an inventive arrangement. In this case, the electrocaloric element 200 an electromechanical electrocaloric membrane which is located within a cavity between two housing parts ( 100 . 101 ) is arranged. The membrane-shaped electrocaloric element 200 has in the electrically unloaded state (U = 0) on an excess, so that it with a surface on the cold side - here the lower second housing part 100 applies and at least with most of its surface in touching contact with the inner surface of the second housing part 100 stands. The process principle corresponds to that of the hollow cylindrical arrangement. By applying an electrical voltage is a tightening of the membrane-shaped electrocaloric element 200 achieved, causing the electrocaloric element 200 deformed and thus the touching contact with the second housing part 100 dissolved and a touching contact on the warm side on the inner surface of the first housing part 101 is reached. This allows a temperature balance between the electrocaloric element 200 and first housing part 101 be achieved. This is in the lower part of 2 shown.

Ist der Temperaturausgleich zwischen elektrokalorischem Element 200 und erstem Gehäuseteil 101 zumindest teilweise erreicht, kann die an die Elektroden 301 angelegte elektrische Spannung abgeschaltet werden, so dass sich das elektrokalorische Element 200 selbsttätig, ohne weitere Energiezufuhr wieder verformt und den Zustand, wie er in der oberen Darstellung von 2 gezeigt ist, wieder einnimmt. Dieser Vorgang kann zyklisch immer wieder wiederholt werden.Is the temperature compensation between electrocaloric element 200 and first housing part 101 At least partially achieved, can be connected to the electrodes 301 applied electrical voltage can be switched off, so that the electrocaloric element 200 automatically deformed again without further energy input and the state, as shown in the upper diagram of 2 shown again. This process can be cyclically repeated over and over again.

Die Besonderheit dieser Anordnung ist die geometrische Ausführung der Anlageoberflächen der Gehäuseteile 100 und 101. Deren Krümmung beeinflusst die Güte des berührenden thermischen Kontaktes. Eine Erhöhung der erreichbaren Temperaturdifferenz kann durch Stapelung einzelner Elemente zu einer Reihenanordnung, wie dies in 3 gezeigt ist, erreicht werden.The special feature of this arrangement is the geometric design of the contact surfaces of the housing parts 100 and 101 , Their curvature affects the quality of the contacting thermal contact. An increase in the achievable temperature difference can be achieved by stacking individual elements into a series arrangement as shown in FIG 3 shown to be achieved.

Das membranförmige elektrokalorische Element 200 kann zwischen den Gehäuseteilen 100 und 101 mit seinen radial äußeren Randbereichen klemmend gehalten werden. Dabei können zwischen den Gehäuseteilen 100 und 101 thermisch isolierende Dichtelemente (nicht dargestellt) angeordnet sein, um die vorhandene Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Wärmequelle beizubehalten.The membrane-shaped electrocaloric element 200 can be between the body parts 100 and 101 be held clamped with its radially outer edge regions. It can between the housing parts 100 and 101 thermally insulating sealing elements (not shown) may be arranged to maintain the existing temperature difference between the heat sink and heat source.

Im Folgenden soll die thermische Leistung der in 2 gezeigten Anordnung bewertet werden. Es werden zwei Vereinfachungen getroffen:

1. Der Betrag der Temperaturänderung des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 infolge des elektrokalorischen Effektes ist beim Ein- und Ausschalten der elektrischen Spannung gleich: ΔT_{Membran,U ein} = –ΔT_{Membran,U aus} = ΔT_Membran
2. Die Temperatur des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 ist beim Ablösen jeweils gleich der Temperatur der entsprechenden Gehäuseteile 100 oder 101 (Wärmequelle, T_k, (100) und Wärmesenke, T_h, (101)). Die Zeit, in der das membranförmige elektrokalorische Element 200 mit einer Oberfläche eines der Gehäuseteile 100 oder 101 in berührendem Kontakt steht, entspricht der Zeit, die für den Temperaturausgleich zur Verfügung steht. Diese Zeit ist gegenüber der charakteristischen Temperaturausgleichszeit τ₀ des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 groß. Für die hier gewählte Anordnung folgt τ₀ ≈ 1,4 ms.

In the following, the thermal power of in 2 be evaluated arrangement shown. Two simplifications are made:

1. The amount of temperature change of the membrane-shaped electrocaloric element 200 due to the electro-caloric effect, when the electrical voltage is switched on and off: ΔT _{membrane, U in} = -ΔT _{membrane, U out} = ΔT _membrane
2. The temperature of the membrane-shaped electrocaloric element 200 is the same as the temperature of the respective housing parts during detachment 100 or 101 (Heat source, T _k , ( 100 ) and heat sink, T _h , ( 101 )). The time in which the membrane-shaped electrocaloric element 200 with a surface of one of the housing parts 100 or 101 is in contact, corresponds to the time that is available for the temperature compensation. This time is opposite to the characteristic temperature compensation time τ _{0 of} the membrane-shaped electrocaloric element 200 large. For the arrangement selected here, τ ₀ follows ≈ 1.4 ms.

Der Zeitverlauf der Kühlelementtemperatur im stationären Zustand ist in 4 schematisch aufgezeigt. Aufgrund der etwa 100-mal höheren Wärmeleitfähigkeit des Gehäusewerkstoffs und des im Vergleich zur elektrokalorischen Membran großen Gehäusevolumens, ist die Temperaturänderung der Gehäuseteile 100 und 101 vernachlässigbar.The time course of the cooling element temperature in the steady state is in 4 shown schematically. Due to the approximately 100 times higher thermal conductivity of the housing material and the large compared to the electrocaloric diaphragm housing volume, the temperature change of the housing parts 100 and 101 negligible.

Ein Teil der durch den elektrokalorischen Effekt erreichbaren Temperaturänderung ΔT_Membran des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 wird für die Speicherung der bei jedem Prozesszyklus zu transportierenden Wärme „verbraucht”. Dieser Teil wird mit ΔT_Q bezeichnet. Der verbleibende Teil ΔT_Element = ΔT_Membran – ΔT_Q entspricht der durch das elektrokalorische Element 200 erreichbaren Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Die Zeit τ gibt die Periodendauer eines Zyklus an. Die in jedem Zyklus transportierte Wärmemenge folgt aus ΔT_Q, der effektiven Membranabmessung und der spezifischen Wärmekapazität des Membranwerkstoffs des elektrokalorischen Elements 200 zu Q_τ = ρC_p·d_MA_M·ΔT_Q. Die Kühlleistung P_th berechnet sich daraus durch die Multiplikation mit der Ansteuerungsfrequenz für die elektrische Spannung f: P_th = Q_τf. Für den hier betrachtete Werkstoff BaTiO₃, ΔT_Q = 0,1 K und f = 50 Hz folgt Q_τ = 192 μJ und P_th = 9,6 mW bei einer Temperaturdifferenz von ΔT_Element = 0,2 K zwischen Wärmesenke und Wärmequelle.Part of the achievable by the electrocaloric effect temperature change ΔT _{membrane of} the _membrane- shaped electrocaloric element 200 is "consumed" for storing the heat to be transported in each process cycle. This part is designated ΔT _Q. The remaining part ΔT _element = ΔT _membrane - ΔT _Q corresponds to that through the electrocaloric element 200 achievable temperature difference between heat source and heat sink. The time τ indicates the period of a cycle. The amount of heat transported in each cycle follows from ΔT _Q , the effective membrane size, and the specific heat capacity of the diaphragm material of the electrocaloric element 200 to Q _τ = ρC _p · d _M A _M · ΔT _Q. The cooling power P _{th is} calculated from this by the multiplication with the drive frequency for the electrical voltage f: P _th = Q _τ f. For the material BaTiO ₃ considered here, ΔT _Q = 0.1 K and f = 50 Hz, Q _τ = 192 μJ and P _th = 9.6 mW at a temperature difference of ΔT _element = 0.2 K between heat sink and heat source.

Moderne Haushaltskühlschränke mit Kondensations-Verdampfer-Kühlaggregaten besitzen üblicherweise eine elektrische Leistungsaufnahme von ca. 100 W und liefern damit eine Kühlleistung von ca. 200 W. Bei einer Einschaltdauer von ca. 33% entspricht dies einer mittleren Kühlleistung von ca. 70 W. Die zu überwindende Temperaturdifferenz entspricht ca. 25°C (Kühlschrankinnenraumtemperatur 5°C, Umgebungstemperatur 30°C).Modern household refrigerators with condensing evaporator cooling units usually have an electrical power consumption of about 100 W and thus provide a cooling capacity of about 200 W. With a duty cycle of about 33%, this corresponds to an average cooling capacity of about 70 W. The zu overcoming temperature difference corresponds to approx. 25 ° C (refrigerator interior temperature 5 ° C, ambient temperature 30 ° C).

Durch die Anordnung einer Vielzahl von elektrokalorischen Einheiten bestehend aus elektrokalorischen Elementen 200 mit Gehäuseteilen 100 und 101, wie bereits beschrieben, kann diese Betriebsanforderung erfüllt werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in 3 gezeigt. Dabei sind mehrere Anordnungen gemäß dem Beispiel nach 2 in der l-b-Ebene nebeneinander angeordnet und werden parallel zueinander betrieben. Je mehr solcher Anordnungen nebeneinander angeordnet sind und genutzt werden, je größer ist die erreichbare Kühlleistung, wobei jedoch die erreichbare Temperaturdifferenz konstant bleibt.By arranging a plurality of electrocaloric units consisting of electrocaloric elements 200 with housing parts 100 and 101 As already described, this operational requirement can be met. An example of such an arrangement is in 3 shown. Here are several arrangements according to the example 2 arranged side by side in the lb plane and are operated in parallel. The more such arrangements are arranged side by side and are used, the greater the achievable cooling capacity, but the achievable temperature difference remains constant.

Die Stapelung solcher Elementebenen in h-Richtung erhöht dagegen die erreichbare Temperaturdifferenz (Reihenschaltung). Die Betriebsanforderungen werden durch die Parallelschaltung von jeweils 70 W/9,8 mW ≈ 7200 der elektrokalorischen Einheiten nach 2 in 25°C/0,2°C = 125 Ebenen erreicht. Dies entspricht insgesamt ca. 900000 elektrokalorischen Einheiten. Ausgehend von den Abmessungen einer Einheit (bestehend aus zwei Gehäuseteilen (100, 101) und einem elektrokalorischen Element 200) entspricht dies einer effektiven Kühlfläche von ca. 115200 mm² mit Seitenabmessungen von ca. l = b = √115200 mm² ≈ 340 mm. Die Höhe der Anordnung ergibt sich zu h ≈ 35 mm.In contrast, the stacking of such elemental levels in the h-direction increases the achievable temperature difference (series connection). The operating requirements are reduced by the parallel connection of 70 W / 9.8 mW ≈ 7200 of the electrocaloric units 2 reached in 25 ° C / 0.2 ° C = 125 levels. This corresponds to a total of about 900,000 electrocaloric units. Based on the dimensions of a unit (consisting of two housing parts ( 100 . 101 ) and an electrocaloric element 200 ) this corresponds to an effective cooling surface of approx. 115200 mm ² with side dimensions of approx. l = b = √ 115200 mm² ≈ 340 mm. The height of the arrangement is h ≈ 35 mm.

Wie aus 3 ersichtlich können die membranförmigen elektrokalorischen Elemente 200 in der Reihen- und Parallelanordnung eingesetzt werden. Sie sind wie beim Beispiel nach 2 in Hohlräumen zwischen zwei Gehäuseteilen 100 und 101 angeordnet, die in 3 nicht dargestellt sind. Dabei erfüllen Gehäuseteile 100 und 101, die jeweils zwischen zwei elektrokalorischen Elementen 200 angeordnet sind, beide Funktionen als Wärmesenke und als Wärmequelle. Dies trifft für eine Seite in Richtung eines elektrokalorischen Elements 200 für eine Wärmesenke und für ein an der anderen Seite dieses jeweiligen Gehäuseteils 100 oder 101 angeordnetes elektrokalorisches Element 200 als Wärmequelle zu.How out 3 The membrane-shaped electrocaloric elements can be seen 200 be used in the series and parallel arrangement. They are like the example below 2 in cavities between two housing parts 100 and 101 arranged in 3 are not shown. This housing parts meet 100 and 101 , each between two electrocaloric elements 200 are arranged, both functions as a heat sink and as a heat source. This is true for one side towards an electrocaloric element 200 for a heat sink and for one on the other side of this respective housing part 100 or 101 arranged electrocaloric element 200 as a heat source too.

Die Verwendung eines Werkstoffes für elektrokalorische Elemente 200, mit dem eine elektrisch induzierte Temperaturdifferenz von 3 K erreicht werden kann, führt in etwa zu einer Verzehnfachung der durch ein einziges Element bereitgestellten Kühlleistung, bei zehnfacher Temperaturdifferenz. Eine Kühlelementanordnung mit einer Kühlleistung von 70 W bei einer Temperaturdifferenz von 25°C reduziert sich dann auf ca. 9000 Kühlelemente mit einer Gesamtabmessung von ca. 110 × 110 × 4 mm³.The use of a material for electrocaloric elements 200 , with which an electrically induced temperature difference of 3 K can be achieved, leads to approximately a tenfold increase in the cooling power provided by a single element, at ten times the temperature difference. A cooling element arrangement with a cooling capacity of 70 W at a temperature difference of 25 ° C is then reduced to about 9000 cooling elements with an overall dimension of about 110 × 110 × 4 mm ³ .

Claims

Electrocaloric arrangement in which an elastically deformable, electrocaloric element ( 200 ) between a first housing part ( 100 ), which forms a heat source, and a second housing part ( 101 ), which forms a heat sink, arranged or between the two housing parts ( 100 . 101 ) is held or held, wherein on two opposite surfaces of the electrocaloric element ( 200 ) each a flat electrode ( 301 ) and the electrodes ( 301 ) are connected to a controllable or controllable electrical AC voltage source or a pulsed operable electrical voltage source, characterized in that the electrocaloric element ( 200 ) is formed from an electromechanical coupled material having piezoelectric properties or is formed from a relaxor-type ferroelectric ceramic and is designed and dimensioned such that, when the electrical voltage is switched off, it is applied to a surface of the first or second housing part ( 100 or 101 ) lies flat and it is at one of the electrodes ( 301 ) of the electrocaloric element ( 200 ) applied electrical voltage so deformed that it on a surface of the first housing part ( 101 ) or second housing part ( 100 ) lies flat.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the electrocaloric element ( 200 ) is a deformable membrane, which between the two housing parts ( 100 and 101 ) is clamped fixed, wherein it is dimensioned so that due to the fixation, a deformation is achieved in which a surface of the membrane-shaped electrocaloric element ( 200 ) to an at least partially convexly curved surface of the second housing part ( 100 ) or at an at least partially concave curved surface of the first housing part ( 101 ) and at the electrodes ( 301 ) applied to a strain of the membrane-shaped electrocaloric element ( 200 ) takes place, in which it with its opposite surface to an at least partially concave curved surface of the first housing part ( 101 ) or at an at least partially convexly curved surface of the second housing part ( 100 ) and then between the electrocaloric element ( 200 ) and the second or first housing part ( 100 or 101 ) no contact exists anymore.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the first housing part ( 100 ) is formed with a cylindrical cavity in which the second cylindrical housing part ( 101 ), and the electrocaloric element ( 200 ) having a hollow cylindrical shape in a cavity between the two housing parts ( 100 and 101 ), wherein the electrocaloric element ( 200 ) is dimensioned with its outer dimensions so that its outer circumferential surface at an electrical voltage between the electrodes ( 301 ) is applied, which is smaller than a predefinable threshold value or equal to zero, on the inner wall of the second housing part ( 100 ) and at one between the electrodes ( 301 ) voltage applied to a deformation of the electrocaloric element ( 200 ) is reached, wherein its inner wall on the outer wall of the first housing part ( 101 ) and between the electrocaloric element ( 200 ) and the second housing part ( 100 ) then there is no contact anymore.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the housing parts ( 100 and 101 ) form a closed housing in the interior of which the electrocaloric element ( 200 ) is arranged, and within the closed housing vacuum conditions are met.

Arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that with the housing parts ( 100 and 101 ) formed housing on the open Strinseiten the housing parts ( 100 and 101 ) is closed in each case with a thermally insulating cover.

Arrangement according to one of claims 3 to 5, characterized in that the electrocaloric element ( 200 ) is held on at least one of the covers.

Arrangement according to claim 6, characterized in that the electrocaloric element ( 200 ) is held with solid joints on at least one of the covers.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the housing parts ( 100 and 101 ) are formed of a dielectric thermally conductive material.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that several with two housing parts ( 100 and 101 ) and an electrocaloric element ( 200 ) formed a series arrangement and / or parallel arrangement, wherein in a series arrangement, the output temperatures of the heat sink forming second housing parts in a direction are successively smaller.

Arrangement according to claim 8, characterized in that in a series arrangement of elements of the material from which the respective electrocaloric element ( 200 ) is formed, is adapted to the respective temperature of the heat sink.