Elastomer-Based Elastocaloric Cooling

Kühltechnologien sind in der modernen Gesellschaft allgegenwärtig und spielen im Alltag eine unverzichtbare Rolle. Das anhaltende Wachstum von Industrie und Bevölkerung führt unweigerlich zu einem höheren Energiebedarf in diesem Technologiesektor. Herkömmliche Kompressionskältemaschinen sind mit einem hohen Stromverbrauch verbunden und basieren auf flüchtigen gasförmigen Kältemitteln mit einem erheblichen Treibhauspotenzial (GWP). Die elastokalorische Festkörperkühlung, die auf mechanisch induzierte Temperaturänderungen basiert, hat sich als vielversprechende umweltfreundliche Alternative zur Kompressionskältemaschine herausgestellt. Der elastokalorische Effekt und die damit verbundene reversible Temperaturänderung in Elastomeren basieren auf der Dehnungskristallisation (SIC) und die Entropieelastizität (EE). Elastomermaterialien wie Naturkautschuk (NR) sind kostengünstig und zeigen bei mechanischer Belastung ausgeprägte Temperaturänderungen. Darüber hinaus ist die SIC auch für die Ermüdungsbeständigkeit von NR unter dynamischer Belastung verantwortlich. Um eine verbesserte Wärmeübertragung zu ermöglichen, sind Folien aufgrund ihres hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses von besonderem Interesse. In der Literatur gibt es nur wenige Studien, die sich mit der Entwicklung von elastokalorischen Systemen auf Gummibasis befassen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Materialcharakterisierung und die Konstruktion von elastokalorischen Kühlsystemen im Miniaturbereich unter Verwendung von NR-Folien und festkörperbasierten Wärmeübertragung. Es werden Folien mit einer lateralen Größe von 9 × 26,5 mm2 untersucht, die aus Elastomerbändern mit einer Dicke von 60 bis 900 µm lasergeschnitten werden. Materialien wie handelsübliches NR, NR-Latex und NR, das mit verschiedenen Vernetzungsverfahren hergestellt wurde, werden verwendet. Der elastokalorische Effekt wird unter einachsiger Zugbelastung bewertet, während eine Infrarotkamera (IR-Kamera) die emittierte Strahlung erfasst, die mit der Oberflächentemperatur des Materials korreliert. Die reversible Temperaturänderung zeigt eine starke Abhängigkeit von der Dehnung, der Dehnungsgeschwindigkeit und der Vordehnung. Bei einer NR-Folie mit einer Dicke von 290 µm und einer maximalen technischen Dehnung von 700 % wird eine adiabatische Temperaturänderung ∆T_ad von etwa 20,3 K induziert. Dies entspricht einer Temperaturänderung von +10,0 K bei Belastung und von -10,3 K bei Entlastung. Die erforderliche Dehnungsrate, um quasi-adiabatische Belastungsbedingungen zu erreichen, steigt mit abnehmender Foliendicke. Für Folien mit einer Dicke von 290 µm ist eine nominelle Dehnrate von 9,3 s-1 erforderlich. Bei allen untersuchten Folien zeigen die nominellen Spannungs-Dehnungs-Kurven eine Hystereseschleife mit maximalen nominellen Spannungen im Bereich von wenigen MPa. Die benötigte Arbeit pro verrichtetem Zyklus entspricht der von der Hystereseschleife umschlossenen Fläche und steigt mit der maximalen nominellen Dehnung und Dehnrate. Im Gegensatz dazu nimmt diese bei kürzeren Haltezeiten unter konstanter Belastung sowie beim Betrieb mit Vordehnung ab. Eine nominelle Vordehnung von 300 % wird aufgrund des erhöhten Materialleistungskoeffizienten COP_mat von etwa 6 und einer verbleibenden ∆T_ad von 12,4 K als optimal identifiziert. Darüber hinaus verringert sich die Foliendicke, während die Oberfläche zunimmt, wodurch das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis steigt und ein schneller Wärmetransport begünstigt wird. Drei verschiedene elastokalorische Kühlsysteme auf Basis von NR-Folien werden entwickelt und implementiert, um in einem nominellen Dehnungsbereich von 300 bis 700 % betrieben zu werden und Wärme durch mechanischen Kontakt zu übertragen. Das erste untersuchte Gerät stellt ein monostabiles einstufiges System dar, bei dem ein Aktor den mechanischen Lastzyklus übernimmt, während ein zweiter Aktor den Wärmetransport regelt. Eine räumliche Trennung von Wärmeströmen wird durch abwechselnden mechanischen Kontakt zwischen der Folie und der parallel angeordneten Wärmequelle sowie der Wärmesenke erreicht. Im zweiten einstufigen System wird ein bistabiler Mechanismus eingeführt, der einen rotierenden Hebelarm sowohl für die mechanische Belastung als auch für die Wärmeübertragung nutzt. Das dritte System verwendet drei hintereinandergeschaltete Folien, die thermisch in Serie verbunden sind, um die Temperaturspanne des Systems ∆T_device zu erhöhen. Ein Array aus Folienhaltern und eine Wärmetransfereinheit, bestehend aus Wärmesenke und Wärmequelle, sind als ineinandergreifende, kammartige Strukturen angeordnet. Während des Betriebs mit zwei beziehungsweise drei Folien wird ein Temperaturgradient beobachtet. Für alle untersuchten Systeme zeigen die wichtigsten Leistungsparameter, darunter der ∆T_device, die initiale Kühlleistung Q ̇_0 und die Leistungszahl COP_device, eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Frequenz und der Foliendicke auf. Die höchsten Werte für Q ̇_0 und COP_device, von 214 mW und 5,7 werden für das bistabile einstufige System und eine 290 μm dünne NR Folie erreicht. Die optimale Betriebsfrequenz wird durch die Foliendicke bestimmt und skaliert umgekehrt proportional zu dieser. Bei Verringerung der Foliendicke von 650 auf 290 µm steigt die optimale Betriebsfrequenz von 350 auf 424 mHz. Folglich erhöht sich die absolute Kühlleistung für das bistabile einstufige Gerät von 158 auf 214 mW. Durch eine weitere Reduktion der Foliendicke auf 60 µm steigt die spezifische Kühlleistung auf 6,7 Wg-1. Darüber hinaus werden signifikante Energieeinsparungen von 64 % sowie eine Reduzierung der Betriebskräfte um den Faktor 2,5 im Vergleich zum monostabilen einstufigen System festgestellt. Neben der Frequenzabhängigkeit wird die absolute Kühlleistung wesentlich durch ∆T_ad sowie die Dickeninhomogenität infolge von Fertigungstoleranzen beeinflusst. Die höchste ∆T_device von 5,1 K wird durch das kaskadierte System erreicht. Die Verbesserung durch den Übergang von zwei auf drei NR-Folien ist jedoch marginal. Eine lumped element model (LEM) Simulation weist auf weitere Optimierungspotenziale durch Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten sowie durch verkürzte Be- und Entlastungszeiten hin. Darüber hinaus ist aus der elastokalorischen Kühlung mit Formgedächtnislegierungen (FGLs) bekannt, dass Kaskadierung ein wirksames Mittel zur Erhöhung der ∆T_device ist, wenn die Wärmeübertragung schnell genug erfolgt. Dies könnte durch verschiedene Maßnahmen, wie beispielsweise wärmeleitende Füllstoffe oder Oberflächenbeschichtungen, verbessert werden. Folglich ist das Verbesserungspotenzial hoch und sollte weiter ausgearbeitet werden. Um das Potenzial von NR-basierten elastokalorischen Materialien für Kühlungsanwendungen zu demonstrieren, wird ein vorläufiger Langzeittest mit 10000 Zyklen durchgeführt. Die ∆T_device bleibt über alle 10000 Zyklen stabil. Insgesamt unterstreichen die Ergebnisse das erhebliche Potenzial von elastokalorischen Geräten auf NR-Basis als zukünftige nachhaltige kosteneffiziente Kühltechnologie.