Advanced Elastocaloric Cooling Devices Based on Shape Memory Alloy Films

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

Our modern society and technology are virtually unthinkable without cooling. On the large-scale, entire industries like the food or medical sector depend on the reliable availability of cold. On the small-scale, the increasing power density in miniaturized electronics and appliances raises the need for active temperature control and cooling. The cooling technologies utilized today depend on critical substances or are bound to low efficiencies. Thus, there is a tremendous need for innovative cooling technologies that are both environmentally friendly and efficient.
Elastocaloric cooling is a new emerging solid-state cooling technology with the potential to provide environmentally friendly efficient cooling. ... mehrCurrently, superelastic shape memory alloys (SMA) are the most promising elastocaloric materials. Superelastic SMA films respond with heating and cooling to a stress application and removal, respectively. This effect occurs due to a reversible solid-to-solid phase transformation in the material between two phases referred to as austenite and martensite. SMA films are especially promising for elastocaloric cooling, since they combine a high elastocaloric effect size with highly efficient heat transfer due to the high surface-to-volume ratio of film geometries. In previous work, SMA film-based elastocaloric cooling has shown potential for small-scale applications. In this work, the limits of SMA film-based elastocaloric cooling are investigated and new concepts are developed to overcome limitations in cooling capacity and device temperature span.
Cold-rolled NiTiFe and sputtered TiNiCuCo films with a thickness of 30 µm are used as active materials. The NiTiFe films reach an adiabatic temperature change $\textit{∆T}$$_{ad}$ due to the elastocaloric effect of +20 and 16°C upon loading and unloading, respectively. Three TiNiCuCo alloys with slightly altered cobalt content are used. The slight composition change is designed to shift the austenite finish temperature, in this case from 1.7 °C to 13.3 °C. In this way the temperature range of operation of the films is increased. The films reach a maximum $\textit{∆T}$$_{ad}$ of 12.2 and -14.5 °C. TiNiCuCo films are especially promising for elastocaloric cooling due to their ultra-low fatigue properties. They have been reported to withstand more than 10$^{7}$ load cycles based on their tailored microstructure and high compatibility of austenite and martensite lattices.
The potential of SMA film-based elastocaloric cooling is demonstrated in single film-based devices. A device temperature span up to 14 °C is reached in combination with a high specific cooling capacity of up to 19 W/g. In addition, the device operates efficiently with a device coefficient of performance of up to 6. However, absolute cooling capacities in the small-scale device are limited to 220 mW and the device temperature span already is close to its theoretical limit given by $\textit{∆T}$$_{ad}$ of the used SMA film.
To overcome the limitations of single film elastocaloric cooling devices in terms of cooling capacity and device temperature span, two different advanced device architectures are developed and investigated. A parallelized cooling device is engineered to increase the absolute cooling capacity. The parallelized device combines the elastocaloric effect of five SMA films. It preserves the high specific cooling capacity unique to SMA film-based cooling devices, but increases the absolute cooling capacity to 900 mW. Thus, the parallelized device shows how to successfully upscale SMA film-based elastocaloric cooling devices in order to meet the demands of large-scale cooling applications like e.g., air conditioning in buildings.
In order to overcome the limitation of the device temperature span, a cascaded elastocaloric cooling device is developed. In the cascaded device, the elastocaloric effect of three SMA films is combined in a serial manner. The effect of the first two films is used to precool the next SMA film, and only the last film directly absorbs heat from the heat source. In this way, the device temperature span of the cascaded device is increased to 27.3 °C. Thus, the cascaded device overcomes the $\textit{∆T}$$_{ad}$ of a single film. However, the combined $\textit{∆T}$$_{ad}$ for heating and cooling has not been overcome so far. Nevertheless, the cascaded device has proven to largely increase the device temperature span of SMA film-based elastocaloric cooling devices. This allows to address applications that require high temperature spans, such as refrigeration.
The results of this work form the basis to provide a variety of cooling applications with efficient and environmentally friendly SMA film-based elastocaloric cooling. Advanced devices based on parallelization and cascading offer high cooling capacities and broad device temperature spans.