WO2015028430A1 - Elektrokalorische anordnung - Google Patents

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WO2015028430A1
WO2015028430A1 PCT/EP2014/068003 EP2014068003W WO2015028430A1 WO 2015028430 A1 WO2015028430 A1 WO 2015028430A1 EP 2014068003 W EP2014068003 W EP 2014068003W WO 2015028430 A1 WO2015028430 A1 WO 2015028430A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrocaloric
housing part
electrocaloric element
housing
housing parts
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/068003
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter NEUMEISTER
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2015028430A1 publication Critical patent/WO2015028430A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/001—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using electro-caloric effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • 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.
  • 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 the heat sink or heat source, thereby transferring thermal energy from the heat source to the heat sink can be.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • active cooling heat pump
  • Promising materials include ferroelectric relaxor ceramics or other suitable electromechanical materials. These show hardly any hysteresis effects even in the case of large-signal loads and deliver technically interesting changes in temperature as a result of electrical excitation (electro-caloric effect) just below or in the region of the Curie temperature.
  • the Curie temperature and thus the electrocaloric operating point, ie the respective application temperature can be set.
  • these materials can also have ferroelectric-elastic properties, as are known from ferroelectric ceramics for actuator applications.
  • piezoelectric materials permanently polarized ferroelectrics
  • the novel approach of the invention is to utilize this effect of simultaneous electrocaloric and electromechanical action and to design the electrocaloric element so that the strain resulting from the electrically stimulated distortion / deformation results in autonomous movement of the electrocaloric element from the heat source to the heat sink and guaranteed back.
  • Membranes can be used as electrocaloric elements, on the one hand the
  • membranes are particularly suitable, even with small electrically stimulated distortions sufficiently large mechanical displacements. generate gene / deformations. The change in thickness of the membrane due to the stimulated by an electric field distortion can be neglected.
  • 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.
  • the invention is in the electrocaloric
  • an elastically deformable, elektrokalorisches 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.
  • a planar electrode is formed on two opposite surfaces of the electrocaloric element.
  • 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.
  • the electrocaloric element is formed from an electromechanical, in particular ferroelectric or piezoelectric material and is 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.
  • the electrocaloric element deforms such that it then contacts the respective other surface of the respective other housing part, that is to say a surface of the first housing part or second housing part lies flat.
  • the switching on and off of the electric field which causes 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. Combining both effects creates an electro-caloric heat pump that delivers a heat flow from the cold heat source to the warm heat sink.
  • 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.
  • the first housing part is formed with a cylindrical 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 lateral surface at an electrical voltage applied between the electrodes, which is smaller than a predefinable threshold value or equal to zero, on the inner wall of the first housing part is preferably fully applied.
  • 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.
  • a deformation of the electro-chemical 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 electro-chemical element due to the formed electric field can be achieved, which leads to a contacting contact of the inner circumferential surface of the electro-electrochemical element with the outer cylindrical lateral surface of the second housing part.
  • the housing parts should form a closed housing, in the interior of which the electrocaloric element is arranged.
  • 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.
  • 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.
  • cover or similar elements made of a ceramic material can be used, which are connected at the outer end faces with the housing parts.
  • 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.
  • 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.
  • the housing parts may be formed of a dielectric thermally conductive material, which is preferably selected from aluminum nitride and Alumina is. 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.
  • a thermal insulation can be arranged between the housing parts and the region of the membrane-shaped electrocaloric element fixed between them, with which a heat exchange between the heat source and
  • Heat sink on the housing parts can at least be hindered.
  • an arrangement according to the invention can also be formed with a plurality of housing part pairs as well as electrocaloric elements in a series arrangement and / or parallel arrangement.
  • the output temperatures of the second housing parts forming a heat sink become successively smaller in one direction.
  • a second housing part can lower a heat sink and the housing part following in one direction for this one
  • the overall cooling capacity can be increased because a larger capacity can be used by larger areas for thermal conduction and larger volumes elektrokalorisch.
  • Suitable materials from which electrocaloric elements can be formed are, for example, barium titanate (BaTiO 3 ), PMN-PT, ZT, electromechanically active polymers. The materials can be adapted by different stoichiometries, doping and / or sintering additives contained in the respective desired temperature range.
  • 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.
  • 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 here.
  • the transverse buckling leads in weakly curved membranes (radius of curvature large with respect to the membrane thickness) with displaced-or fixed edges to significant shifts across the membrane, which leads to a sufficient deformation, so that once a secure large-scale concerns a membrane-shaped electrocaloric element on a surface of a housing part with no active electric field and a trained electric field large area concerns on the surface of another housing part with low energy input can be achieved.
  • FIG. 1 shows in schematic form in a sectional view an example of an arrangement according to the invention with a hollow-cylindrical electrocaloric element in two states;
  • Figure 2 is a schematic sectional view of an example of an arrangement according to the invention with a membrane-shaped electrocaloric element in two states;
  • Figure 3 is a perspective view of a with in series
  • Figure 4 is a diagram of the temperature-time course for a membrane-shaped electrocaloric element, as it can be used in the example of Figure 2 and
  • Figure 5 shows a schematic representation of the principle of operation of an electro-caloric heat pump.
  • BaTiO 3 barium titanate
  • the following material parameters can be taken into account:
  • the electrodes 301 may be formed on top and bottom of the electrocaloric element 200 by sputtering or another vacuum deposition method of about 2 ⁇ thickness with a suitable metal (e.g., Cu, Al, Ag, Au, or an alloy thereof).
  • E U / d
  • R MU eiIi 15 kV / mm
  • a planar electrocaloric element 200 (see Figure 2) with an effective membrane area A M of about 4 x 4 mm 2 and a thickness d u of about 274 /./m can be used.
  • the fixation of the membrane-shaped element 200 at its lateral edges can be achieved with a clamping connection between the two housing parts 100 and 101 become.
  • aluminum nitrite can be used, whose thermal conductivity almost reaches that of aluminum.
  • a cylindrical structure is realized.
  • the formed in this example as a hollow cylinder electrocaloric element 200 is disposed in an evacuated cavity between two coaxial hollow cylindrical housing parts 100 and 101.
  • the surface of the electrocaloric element 200, which point in the direction of the inner surface of the housing part 100 and the outer surface of the housing part 101, are provided 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.
  • the hollow cylindrical electrocaloric element 200 rests with its outer lateral surface (cold side, temperature T k , heat source) (shown on the left in FIG. 1). By switching on the electrical voltage, the electrocaloric element 200 heats up
  • the electrical voltage can be switched off.
  • the electrocaloric element 200 resumes its initial state without further additional energy supply, as shown in the left representation of FIG. 1, and cools down (T ⁇ 7 ⁇ ⁇ ).
  • 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).
  • FIG. 2 shows a further example of an arrangement according to the invention.
  • the electrocaloric element 200 is an electromechanical-electrocaloric membrane, which within a cavity between two
  • Housing 100 is.
  • the process principle corresponds to that of the hollow cylindrical arrangement.
  • an electric voltage By applying an electric voltage, a tightening of the membrane-shaped electrocaloric element 200 is achieved, whereby the electrocaloric element 200 deforms, thereby releasing the contact with the second housing part 100 and contacting the warm side on the inner surface of the first Housing part 101 is achieved.
  • a temperature compensation between the electrocaloric element 200 and the first housing part 101 can be achieved. This is shown in the lower illustration of FIG.
  • the electric voltage applied to the electrodes 301 can be switched off, so that the electrocaloric element 200 automatically deforms again without further energy input and the state as in the upper one Representation of Figure 2 is shown again. This process can be cyclically repeated over and over again.
  • the peculiarity of this arrangement is the geometric design of the contact surfaces of the housing parts 100 and 101. Their curvature influences 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.
  • the membrane-shaped electrocaloric element 200 can be clamped between the housing parts 100 and 101 with its radially outer edge regions.
  • thermally insulating sealing elements (not shown) may be arranged to maintain the existing temperature difference between the heat sink and heat source.
  • the amount of temperature change of the membrane-shaped electrocaloral element 200 due to the electrocaloric effect is the same when the electrical voltage is switched on and off:
  • the temperature of the membrane-shaped electrocaloric element 200 when detaching is in each case equal to the temperature of the corresponding housing parts 100 or 101 (heat source, k , (100) and heat). valley, T h , (101)).
  • the time in which the membrane-shaped electrocaloric element 200 is in touching contact with a surface of one of the housing parts 100 or 101 corresponds to the time available for temperature compensation. This time is large compared with the characteristic temperature compensation time r 0 of the membrane-shaped electrocaloric element 200. For the arrangement chosen here, r 0 ⁇ 1.4 ms.
  • the time ⁇ indicates the period of a cycle.
  • the cooling power P h is calculated from this by the
  • Modern household refrigerators with condensation 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).
  • the stacking of such element levels in the direction increases the achievable temperature difference (series connection).
  • the membrane-shaped electrocaloric elements 200 can be used in series and parallel arrangement. They are arranged as in the example of Figure 2 in cavities between two housing parts 100 and 101, which are not shown in Figure 3.
  • housing parts 100 and 101 which are each arranged between two electrocaloric elements 200, fulfill both functions as a heat sink and as a heat source. This is true for one side toward an electrocaloric element 200 for a heat sink and for an electrocaloric element 200 disposed on the other side of this respective housing part 100 or 101 as a heat source.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrokalorische Anordnung., bei der ein elastisch verformbares, elektrokalorisches Element zwischen einem ersten Gehäuseteil, das eine Wärmequelle bildet, und einem zweiten Gehäuseteil, das eine Wärmesenke bildet, angeordnet oder zwischen den beiden Gehäuseteilen eingespannt oder gehalten ist. 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. Das elektrokalorische Element ist aus einem elektromechanischen gekoppelten, 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 und es sich bei einer an den Elektroden des elektrokalorischen Elements anliegender elektrischer Spannung so verformt, dass es an einer Oberfläche des ersten Gehäuseteils oder zweiten Gehäuseteils flächig anliegt.

Description

Elektrokalorische Anordnung
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.
In der Vergangenheit wurden Untersuchungen und Versuche durchgeführt, um den elektrokalorischen Effekt ausnutzen zu können.
Eine technische Lösung ist in WO 2011/075335 AI 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.
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.
Außerdem müssen insgesamt vier Elektroden ausgebildet werden, was den Herstellungsaufwand erhöht.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Nutzung des elektroka- lorischen Effektes anzugeben, mit denen bei einem vereinfachten Aufbau die
Effektivität und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung verbessert werden können.
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.
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 klassi- sehen Einsatzgebieten Anwendungsfelder in der Mikroelektronik und in der mikroelektromechanischen Systemtechnik zusätzlich eröffnet werden. 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 Tem- peraturänderungen 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).
Eine weitere vielversprechende Werkstoffgruppe sind piezoelektrische Werkstoffe (bleibend gepolte Ferroelektrika), für die elektrokalorische Eigenschaf- ten nachgewiesen wurden, und die ausgehend von ihren piezoelektrischen
Eigenschaften elektrisch stimulierte Verzerrungen/Verformungen bei geringen Hystereseverlusten zeigen.
Der neuartige Ansatz der Erfindung besteht darin, diesen Effekt der gleichzei- tigen 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 Verschiebun- gen/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. 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 gegen- überliegenden 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.
Das elektrokalorische Element ist dabei aus einem elektromechanischen, insbesondere ferroelektrischen oder piezoelektrischen Werkstoff gebildet und so ausgebildet und dimensioniert, dass es bei ausgeschalteter elektrischer Span- nung 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 ei- ner Oberfläche des ersten Gehäuseteils oder zweiten Gehäuseteils flächig anliegt.
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.
Das die selbstständige Bewegung des elektrokalorischen Elementes bewir- kende 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 Wärmesen- ke liefert.
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.
Bei an den Elektroden des elektrokalorischen Elements angelegter elektrischer Spannung erfolgt eine Verformung des membranförmigen elektrokalori- sehen 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 elektrokaiorischen 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 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.
Bei einer zwischen den Elektroden des elektrokaiorischen Elements anliegenden elektrischen Spannung, die bevorzugt oberhalb eines vorgebbaren Schwellwerts liegt, ist eine Verformung des elektrokaiorischen 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 elektrokaiorischen Elements infolge des ausgebildeten elektrischen Feldes erreicht werden kann, die zu einem berührenden Kontakt der inneren Mantelfläche des elektrokaiorischen Elements mit der äußeren ebenfalls zylindrischen Mantelfläche des zweiten Gehäuseteils führt.
Zwischen dem elektrokaiorischen Element und dem ersten Gehäuseteil besteht dann kein berührender Kontakt mehr. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Wärme- senke 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.
Dies kann auch bei innerhalb der Reihenanordnung jeweils gleich ausgebilde- ten 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 Reihenan- Ordnung angepasst worden ist.
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.
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. Geeignete Werkstoffe aus denen elektrokalorische Elemente gebildet sein können, sind beispielsweise Bariumtitanat (BaTi03), PMN-PT, ZT, elektrome- chanisch aktive Polymere. Die Werkstoffe können durch unterschiedliche Stöchiometrien, Dotierungen und/oder enthaltene Sinteradditive an den jeweils gewünschten Temperaturbereich angepasst werden.
Bei der Erfindung können gleichzeitig die elektrokalorische und elektrome- chanische 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 Verzer- rung 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.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form in einer Schnittdarstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit hohlzylinderförmigem elektrokalori- schem Element in zwei Zuständen;
Figur 2 in schematischer Form in einer Schnittdarstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit membranförmigem elektrokalorischem Element in zwei Zuständen;
Figur 3 eine perspektivische Darstellung einer mit in Reihen- und
Parallelanordnung mit mehreren jeweils mit zwei Gehäuseteilen und einem membranförmigen elektrokalorischen Element gebildeten Einheiten;
Figur 4 ein Diagramm des Temperatur-Zeitverlaufs für ein membranförmiges elektrokalorisches Element, wie es beim Beispiel nach Figur 2 einsetzbar ist und
Figur 5 in schematischer Darstellung das Prinzip der Arbeitsweise einer elektrokalorischen Wärmepumpe.
Bei den nachfolgend zu beschreibenden Beispielen kann als Werkstoff für elektrokalorische Elemente BaTi03 (Barium-Titanat) mit nachgewiesenen elektrokalorischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und piezoelektrischen Eigenschaften eingesetzt werden. Dabei können folgende Werkstoffparameter berücksichtigt werden:
• Elektrokalorisch bewirkte Temperaturänderung ATMembran « 0,3 K bei einer elektrischen Feldstärkeänderung von AE = 15 kV/mm (elektro- kalorische Eigenschaft)
• Wirksamer piezoelektrische Koppelkonstante d31 = -80 x l0~6 mm/kV (piezoelektrische Kopplung)
• Dichte = 6 g/cm3 , spezifische Wärmekapazität Cp = 0,4 J/(gK) , Wärmeleitfähigkeit κ = 2,7 W/(m K) (thermische Eigenschaften).
Der Werkstoff kann in Dickschichten (Siebdruck) oder aus keramischen Folien mit einer Dicke von d = 50 /./m 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 μχη Dicke mit einem geeigneten Metall (z.B. Cu, AI, Ag, Au oder einer Legierung davon) ausgebildet werden.
Infolge der piezoelektrischen Deformation des elektrokalorischen Elements 200 ist der Krümmungsradius der einfach gekrümmten Membranmittelfläche
RM vom ausgebildeten elektrischen Feld E ( E = U / d ) mit den speziellen Werten RM U eiIi bei E = 15 kV/mm und RM Ums bei E = 0 kV/mm abhängig. Die Differenz zwischen diesen beiden Radien i?M [/ ein und RM U ms und damit die radiale Verschiebung eines membranförmigen elektrokalorischen Ele- ments 200 folgen näherungsweise anhand der Umfangsänderung eines Kreisbogens mit
Figure imgf000013_0001
Für einen gewählten Krümmungsradius von RM U ws = 20 mm folgt
ARM = 24 /m . Damit kann ein ebenes elektrokalorisches Element 200 (siehe Figur 2) mit einer wirksamen Membranfläche AM von ca. 4 x 4 mm2 und einer Dicke du von ca. 274 /./m 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.
Als Werkstoff für die Gehäuseteile 100 und 101 kann Aluminiumnitrit eingesetzt werden, dessen thermische Leitfähigkeit fast an die von Aluminium her- anreicht.
Bei dem in Figur 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 hohlzy- linderförmigen 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.
Im elektrisch spannungsfreien Zustand liegt das hohlzylinderförmige elektrokalorische Element 200 mit seiner äußeren Mantelfläche (kalte Seite, Temperatur Tk, Wärmequelle) an (in Fig. 1 links dargestellt). Durch das Anschalten der elektrischen Spannung erwärmt sich das elektrokalorische Element 200
(elektrokalorischer Effekt, T > 7h) und zieht sich zusammen (elektromechani- sches 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 Th, Th > T , Wärmesenke), wie dies in der rechten Darstellung von Figur 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 Spannu ng abgeschaltet werden. Dadurch nimmt das elektrokalorische Element 200, ohne weitere zusätzliche Energiezufuhr seinen Ausgangszustand, wie er in der lin- ken Darstellung von Figur 1 gezeigt ist, wieder an und kühlt sich ab (T < 7Ί<) .
Durch Erwärmen an der kalten Seite nimmt das elektrokalorische Element 200 wieder Wärme auf. Dadurch resultiert ein Wärmestrom Oth von der kalten zu r warmen Seite. Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise einer elektrokalorischen Wärmepumpe mit bewegtem elektrokalorischem Material ist das Arbeitsprinzip in Figur 5 schematisch dargestellt.
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 Va- kuums 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 elektromechani- schen Eigenschaften sowie den elektrokalorisch optimalen Arbeitspunkt abge- stimmt 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).
Die Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung. Dabei ist das elektrokalorische Element 200 eine elektromechanisch- elektrokalorische 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 Figur 2 gezeigt. 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 Figur 2 gezeigt ist, wieder einnimmt. Dieser Vorgang kann zyklisch immer wieder wiederholt werden.
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 Figur 3 gezeigt ist, erreicht werden.
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.
Im Folgenden soll die thermische Leistung der in Figur 2 gezeigten Anordnung bewertet werden. Es werden zwei Vereinfachungen getroffen:
1. Der Betrag der Temperaturänderung des membranförmigen elektroka- lorischen Elements 200 infolge des elektrokalorischen Effektes ist beim Ein- und Ausschalten der elektrischen Spannung gleich:
AT Membran, U ein = -AT Membran, U aus = AT Membran
2. Die Temperatur des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 ist beim Ablösen jeweils gleich der Temperatur der entsprechenden Gehäuseteile 100 oder 101 (Wärmequelle, k , (100) und Wärme- senke, Th , (101)). Die Zeit, in der das membranförmige elektrokalori- sche 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 gegen- über der charakteristischen Temperaturausgleichszeit r0 des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 groß. Für die hier gewählte Anordnung folgt r0 « 1,4 ms .
Der Zeitverlauf der Kühlelementtemperatur im stationären Zustand ist in Figur 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. Ein Teil der durch den elektrokalorischen Effekt erreichbaren Temperaturänderung ATMembim des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 wird für die Speicherung der bei jedem Prozesszyklus zu transportierenden Wärme„verbraucht". Dieser Teil wird mit ATQ bezeichnet. Der verbleibende Teil ÄrElement = A7Membran - Δ TQ 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 AT0 , der effektiven Membranabmessung und der spezifischen Wärmekapazität des Membranwerkstoffs des elektrokalorischen Elements 200 zu QT = pCp - dMAu · ΑΤ0 . Die Kühlleistung Ph berechnet sich daraus durch die
Multiplikation mit der Ansteuerungsfrequenz für die elektrische Spannung / : Pth = QTf - Fü r den hier betrachtete Werkstoff BaTi03, ÄTe = 0,l K und / = 50 Hz folgt QT = 192 μ} und th = 9,6 mW bei einer Temperaturdifferenz von ΔΓΕ1βηιεη, = 0,2 K zwischen Wärmesenke und Wärmequelle.
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).
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 Figur 3 gezeigt. Dabei sind mehrere Anordnungen gemäß dem Beispiel nach Figur 2 in der / - fe -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.
Die Stapelung solcher Elementebenen in - Richtung erhöht dagegen die erreichbare Temperaturdifferenz (Reihenschaltung). Die Betriebsanforderun- gen werden durch die Parallelschaltung von jeweils 70 W/9,8 mW « 7200 der elektrokalorischen Einheiten nach Fig. 2 in 25°C/032°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. 1 15200 mm2 mit Seitenabmessungen von ca. l = b = i 15200mm2 » 340 mm . Die Höhe der Anordnung ergibt sich zu h « 35 mm .
Wie aus Figur 3 ersichtlich können die membranförmigen elektrokalorischen Elemente 200 in der Reihen- und Parallelanordnung eingesetzt werden. Sie sind wie beim Beispiel nach Figur 2 in Hohlräumen zwischen zwei Gehäuseteilen 100 und 101 angeordnet, die in Figur 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.
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 Ge- samtabmessung von ca. 1 10 x 110 x 4 mm3.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrokalorische Anordnung, bei der ein elastisch verformbares,
elektrokalrorisches 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 (1) 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, insbesondere ferroelektri- schen oder piezoelektrischen Werkstoff 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.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das
elektrokalorische Element (200) eine verformbare Membran ist, die zwischen den zwei Gehäuseteilen (100 und 101) klemmend fixiert gehalten ist, wobei es so dimensioniert ist, dass infolge der Fixierung eine Verformung erreicht ist, bei der sich eine Oberfläche des
membranförmigen elektrokalorischen Elements (200) an eine bevorzugt zumindest bereichsweise konvex gekrümmte Oberfläche des zweiten Gehäuseteils (100) oder an einer bevorzugt zumindest bereichsweise konkav gekrümmten Oberfläche des ersten Gehäuseteils (101) anlegt und bei an den Elektroden (301) angelegter elektrischer Spannung eine Verformung des membranförmigen elektrokalorischen Elements (200) erfolgt, bei der es mit seiner gegenüberliegenden Oberfläche an eine bevorzugt zumindest bereichsweise konkav gekrümmte Oberfläche des ersten Gehäuseteils (101) oder an eine bevorzugt zumindest bereichsweise konvex gekrümmte Oberfläche des zweiten Gehäuseteils (100) anliegt und dabei dann zwischen dem elektrokalorischen Element (200) und dem zweiten oder ersten Gehäuseteil (100 oder 101) kein berührender Kontakt mehr besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gehäuseteil (100) mit einem zylinderförmigen Hohlraum ausgebildet ist, in dem das zweite zylinderförmige Gehäuseteil (101) angeordnet ist, und das elektrokalorische Element (200) mit einer hohlzylindrischen Gestalt in einem Hohlraum zwischen den beiden Gehäuseteilen (100 und 101) angeordnet ist, wobei das elektrokalorische Element (200) mit seinen äußeren Abmaßen so dimensioniert ist, dass seine äußere Mantelfläche bei einer elektrischen Spannung, die zwischen den Elektroden (301) anliegt, die kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert oder gleich Null ist, an der inneren Wandung des zweiten
Gehäuseteils (100) bevorzugt vollflächig anliegt und bei einer zwischen den Elektroden (301) anliegenden elektrischen Spannung, die bevorzugt oberhalb des vorgebbaren Schwellwerts liegt, eine Verformung des elektrokalorischen Elements (200) erreichbar ist, bei der seine innere Wandung an der äußeren Wandung des ersten Gehäuseteils (101) anliegt und zwischen dem elektrokalorischen Element (200) und dem zweiten Gehäuseteil (100) dann kein berührender Kontakt mehr besteht.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (100 und 101) ein geschlossenes Gehäuse bilden in dessen Inneren das elektrokalorische Element (200) angeordnet ist, und innerhalb des geschlossenen Gehäuses bevorzugt Vakuumbedingungen eingehalten sind.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den Gehäuseteilen (100 und 101) gebildete Gehäuse an den offenen Strinseiten der Gehäuseteile (100 und 101) jeweils mit einer thermisch isolierenden Abdeckung verschlossen ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrokalorische Element (200) an mindestens einer der Abdeckungen gehalten ist, wobei hierfür bevorzugt Festkörpergelenke vorhanden sind.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (100 und 101) aus einem dielektrischen thermisch leitenden Werkstoff gebildet sind, der bevorzugt ausgewählt ist aus Aluminiumnitrid und Aluminiumoxid.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere mit zwei Gehäuseteilen (100 und 101) sowie einem elektrokalorischen Element (200) gebildete Elemente eine Reihenanordnung und/oder parallele Anordnung bilden, wobei bei einer Reihenanordnung die Ausgangstemperaturen der eine Wärmesenke bildenden zweiten Gehäuseteile in eine Richtung sukzessive kleiner sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Reihenanordnung von Elementen der Werkstoff aus dem das jeweilige elektrokalorische Element (200) gebildet ist, an die jeweilige Temperatur der Wärmesenke angepasst ist.
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