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. ... mehrDer 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.

Cooling technologies are omnipresent in modern society and play an indispensable role in everyday life. The ongoing growth of industry and population inevitably results in higher energy demand in this technology sector. Conventional vapor-compression technology is associated with high electricity consumption and relies on volatile gaseous refrigerants with a substantial global warming potential (GWP). Elastocaloric solid-state cooling, which relies on temperature changes induced by mechanical loading, has emerged as a promising environmentally friendly alternative to vapor-compression technology. ... mehrThe elastocaloric effect, and the associated reversible temperature in elastomers, is based on the strain-induced crystallization (SIC) and the entropy elasticity (EE). Elastomer materials, like natural rubber (NR) are inexpensive and exhibit distinct temperature changes upon mechanical load cycling. Moreover, the SIC is also responsible for the fatigue resistance of NR under dynamic loading. To enable rapid heat transfer, foil refrigerants are of special interest due to their high surface-to-volume ratio. In literature, only a limited number of studies have concentrated on the development of rubber-based elastocaloric devices. This work focuses on material characterization and the engineering of miniature-scale elastocaloric cooling devices using NR foils and solid-to-solid heat transfer.
Foil refrigerants of 9 × 26.5 mm2 lateral size are investigated, which are laser-cut from sheets with thicknesses ranging from 60 to 900 µm. Sheet materials such as commercially available NR, NR latex, and NR produced with different crosslinking methods are employed. The elastocaloric effect is evaluated under uniaxial tensile loading, while an infrared (IR) camera captures the emitted radiation, which correlates with the material’s surface temperature. The reversible temperature change exhibits a strong dependence on the strain, strain rate, and pre-strain. For a NR foil with a thickness of 290 µm and the maximum engineering strain of 700 % an adiabatic temperature change ∆T_ad of approximately 20.3 K is induced. This corresponds to a temperature change of +10.0 K upon loading and of -10.3 K upon unloading. The required strain rate to achieve quasi-adiabatic loading conditions increases with decreasing foil thickness. For the foils with a thickness of 290 µm, an engineering strain rate of 9.3 s-1 is required. Among all examined foils, the engineering stress-strain curves exhibit a hysteresis loop, with maximum engineering stress levels of several MPa. The work input corresponds to the area enclosed by the hysteresis loop and increases with the maximum engineering strain and strain rate. In contrast, it decreases with shorter hold times under constant load and for the operation with pre-strain. An engineering pre-strain of 300 % is identified as optimum due to its increased material coefficient of performance COP_mat of around 6 and remaining ∆T_ad of 12.4 K. In addition, the foil thickness decreases while the surface area enlarges, thereby increasing the surface-to-volume ratio and promoting rapid heat transfer.
Three different NR foil-based elastocaloric cooling devices are designed and implemented to operate within an engineering strain range of 300 to 700 % and transfer heat by mechanical contact. The first investigated device is a monostable single-stage device, in which one actuator is employed for mechanical load cycling, while another one controls heat transfer. Spatial separation of hot and cold flows is achieved through alternating mechanical contact between the foil refrigerant and the parallel heat sink and heat source. A bistable actuation mechanism, utilizing a rotating lever arm for both mechanical loading and heat transfer, is introduced in the second single-stage device. The third device employs three cascaded foils that are thermally connected in series to enhance the device temperature span ∆T_device. An array of foil holders and a heat transfer unit, comprising a heat sink and heat source, are arranged in interlocking, comb-like structures. During operation of two and three foils, a temperature gradient is observed.
For all the investigated devices, the key performance parameters, including the ∆T_device, the initial cooling power Q ̇_0 and the device coefficient of performance COP_device exhibit a pronounced frequency and foil thickness dependence. The highest Q ̇_0 and COP_device of 214 mW and 5.7 are observed for the bistable single-stage device and a 290 μm thin NR foil. The optimum operation frequency is determined by the foil thickness and scales inversely with it. For decreasing the foil thickness from 650 to 290 μm, the optimum operation frequency increases from 350 to 424 mHz. Consequently, the absolute cooling power increases from 158 to 214 mW for the bistable single-stage device. By further decreasing the foil thickness to 60 µm, the specific cooling power increases to 6.7 Wg-1. In addition, significant power savings of 64 % and reduced operating forces by a factor of 2.5 are observed, in comparison to the monostable single-stage device. Besides the frequency-dependence the absolute cooling power is significantly influenced by ∆T_ad and the thickness inhomogeneity due to manufacturing tolerances. The highest ∆T_device of 5.1 K is achieved by the cascaded device. However, the improvement resulting from two to three NR foils is marginal. A lumped element model (LEM) simulation indicates further improvement by increasing the heat transfer coefficient and reduced loading and unloading times. In addition, from elastocaloric cooling with shape memory alloys (SMAs), it is known that cascading is a powerful means to increase ∆T_device, if heat transfer is fast enough. This could be enhanced through various measures, such as thermally conductive fillers or surface coatings. Consequently, the potential for improvement is high and should be further elaborated.
In order to demonstrate the potential of NR-based elastocaloric materials for cooling applications, a preliminary long-term test, comprising 10000 cycles, is performed. The ∆T_device remains stable throughout 10000 cycles. Overall, the results emphasize the significant potential of NR-based elastocaloric devices as future sustainable cost-efficient cooling technology.