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 (BaTi0 ₃ ), 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 BaTi0 ₃ (Barium-Titanat) mit nachgewiesenen elektrokalorischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und piezoelektrischen Eigenschaften eingesetzt werden. Dabei können folgende Werkstoffparameter berücksichtigt werden:

• Elektrokalorisch bewirkte Temperaturänderung AT _Membran « 0,3 K bei einer elektrischen Feldstärkeänderung von AE = 15 kV/mm (elektro- kalorische Eigenschaft)

• Wirksamer piezoelektrische Koppelkonstante d ₃₁ = -80 x l0 ^~6 mm/kV (piezoelektrische Kopplung)

• Dichte = 6 g/cm ³ , spezifische Wärmekapazität C _p = 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

R _M vom ausgebildeten elektrischen Feld E ( E = U / d ) mit den speziellen Werten R _{M U eiIi} bei E = 15 kV/mm und R _{M Ums} bei E = 0 kV/mm abhängig. Die Differenz zwischen diesen beiden Radien i? _{M [/ ein} und R _{M U ms} und damit die radiale Verschiebung eines membranförmigen elektrokalorischen Ele- ments 200 folgen näherungsweise anhand der Umfangsänderung eines Kreisbogens mit Für einen gewählten Krümmungsradius von R _{M U ws} = 20 mm folgt

AR _M = 24 /m . Damit kann ein ebenes elektrokalorisches Element 200 (siehe Figur 2) mit einer wirksamen Membranfläche A _M von ca. 4 x 4 mm ² und einer Dicke d _u 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 T _k , Wärmequelle) an (in Fig. 1 links dargestellt). Durch das Anschalten der elektrischen Spannung erwärmt sich das elektrokalorische Element 200

(elektrokalorischer Effekt, T > 7 _h ) 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 O _t h 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, T _h , (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 r ₀ des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 groß. Für die hier gewählte Anordnung folgt r ₀ « 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 AT _Membim des membranförmigen elektrokalorischen Elements 200 wird für die Speicherung der bei jedem Prozesszyklus zu transportierenden Wärme„verbraucht". Dieser Teil wird mit AT _Q bezeichnet. Der verbleibende Teil Är _Element = A7 _Membran - Δ T _Q entspricht der durch das elektrokalorische Element 200 erreichbaren Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und

Wärmesenke. Die Zeit τ gibt die Periodendauer eines Zyklus an.

Die in jedem Zyklus transportierte Wärmemenge folgt aus AT ₀ , der effektiven Membranabmessung und der spezifischen Wärmekapazität des Membranwerkstoffs des elektrokalorischen Elements 200 zu Q _T = pC _p - d _M A _u · ΑΤ ₀ . Die Kühlleistung P _h berechnet sich daraus durch die

Multiplikation mit der Ansteuerungsfrequenz für die elektrische Spannung / : P _th = Q _T f - ^{Fü r} den hier betrachtete Werkstoff BaTi0 ₃ , ÄT _e = 0,l K und / = 50 Hz folgt Q _T = 192 μ} und _th = 9,6 mW bei einer Temperaturdifferenz von ΔΓ _{Ε1βηιεη} , = 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/0 ₃ 2°C = 125 Ebenen erreicht. Dies entspricht insgesamt ca. 900000 elektrokalorischen Einheiten. Ausgehend von den Abmessungen einer Einheit (bestehend aus zwei Gehäuseteilen (100, 101) und einem elektrokalorischen Element 200) entspricht dies einer effektiven Kühlfläche von ca. 1 15200 mm ² mit Seitenabmessungen von ca. l = b = i 15200mm ² » 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 mm ³ .