Projekti / Programi
Elektrokalorični elementi za aktivno hlajenje elektronskih vezij
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Elektrokalorični, hlajenje, relaksorski feroelektrik, PMN-PT, večplastni element, toplotno stikalo, ionizacijsko sevanje
Raziskovalci (23)
Organizacije (2)
Povzetek
Čedalje večje potrebe družbe po hlajenju so postale globalna prioriteta, za hlajenje potrebujemo vedno večje količine energije. Podobno velja tudi za elektronske komponente in naprave, kjer sta splošna trenda hitrejše delovanje in miniaturizacija, kar tudi pomeni, da v čedalje manjšem volumnu nastaja čedalje več toplote. Prispevek k rešitvi problemov s segrevanjem je lahko inovativna uporaba relaksorsko feroelektričnih keramičnih materialov v hladilni tehniki, in sicer z izkoriščanjem elektrokaloričnega (EK) pojava. Slednji je definiran kot sprememba temperature, ki jo v polarnem materialu povzroči električno polje.
V projektu bomo preučili izvedljivost relaksorsko feroelektričnih keramičnih EK-elementov za aktivno hlajenje elektronskih komponent za nišne aplikacije, kot so medicinska radio-terapija, fuzijski reaktorji in vesoljske tehnologije. Delovanje komponent na osnovi feroelektrične keramike in tankih plasti so že preverili v okoljih z ionizirajočim sevanjem, toda vpliv slednjega na EK pojav še ni bil preverjen. Prednosti EK-hlajenja za uporabo v elektroniki - namreč, da gre za metodo hlajenja v trdnem stanju, brez hladilnih plinov, ki je kompaktna, izkazuje veliko učinkovitost, ima hiter odziv, ki ga sprožimo z električnim signalom - so doslej opisovali v teoretičnih in preglednih člankih.
V okviru projekta bomo načrtovali in pripravili relaksorsko feroelektrične keramične materiale z največjim EK pojavom v izbranem temperaturnem območju; raziskali bomo vpliv ionizirajočega sevanja na EK pojav in po potrebi prilagodili sestavo in/ali mikrostrukturo EK materiala; načrtovali in izdelali bomo miniaturno EK hladilno napravo, ki bo sestavljena iz večplastnih EK elementov in toplotnih stikal. Projekt je organiziran v tri medsebojno povezane raziskovalne delovne sklope (WP) in WP za upravljanje projekta.
V WP1: EK materiali bomo načrtovali in sintetizirali relaksorsko feroelektrične keramične materiale z največjim EK pojavom v danem območju delovanja, predvsem v bližini sobne temperature. Omeniti velja, da eden najbolj učinkovitih anorganskih EK materialov 0.9Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.1PbTiO3 (PMN-10PT) izkazuje največji EK pojav pri amplitudi električnega polja okoli 100 kV/cm pri približno 100 oC. Z donorskim in/ali izovalentnim dopiranjem imamo namen premakniti temperaturno območje največjega EK pojava v PMN-10PT k sobni temperaturi.
V WP2: Študija vplivov ionizacijskega sevanja bomo ovrednotili vpliv sevanja z nevtroni in gama žarki na EK pojav materialov, izbranih v WP1. Vzorce bomo izpostavili čedalje večjim dozam sevanja v reaktorju TRIGA Mark II (IJS), dokler ne bo prišlo do izrazitih sprememb v mikrostrukturi in odzivu EC obsevanih materialov. Če bo prišlo do velikega zmanjšanja EK pojava, bomo poskusili povečati radiacijsko odpornost materiala s spremembami defektne kemije in/ali mikrostrukture.
WP3: Demo EK-hladilna naprava vključuje tri podsklope. Večplastne EK-elemente izbranih dopiranih sestav PMN-10PT, izbranih v WP1 in preverjenih v WP2, bomo izdelali s tehnologijo nalivanja. Toplotna stikala bomo uporabili za prenos toplote med EK-elementi in izvorom/ponorom toplote. Različne izvedbe stikal (na primer pozistorji, materiali, ki izkazujejo fazne premene ali triboelektrični pojav, termoelastični nanosi) bomo primerjali s pomočjo numeričnega modeliranja in meritev, kar nam bo omogočilo izbiro optimalnega materiala in tehnologije za izdelavo stikala. Načrtovali in izdelali bomo miniaturno eksperimentalno hladilno napravo, sestavljeno iz večplastnih EK-elementov in toplotnih stikal, kot potrditev koncepta.
Pomen za razvoj znanosti
Kalorične tehnologije hlajenja postajajo resna alternativa obstoječim kompresorskim tehnologijam. Možnosti uporabe kaloričnih pojavov, elektrokaloričnega (EK), magnetokaloričnega in mehanokaloričnega, je čedalje več, kar je še posebej izrazito pri magnetokaloričnem pojavu, ki so ga odkrili in začeli intenzivno raziskovati pred več desetletji.
Možnosti uporabe EK hlajenja bi se povečale, če bi povečali EK pojav, ki ga običajno izražamo kot EK spremembo temperature, v temperaturnem območju delovanja neke naprave. Nujno moramo razviti materiale, ki bodo izkazali visoke EK spremembe temperature pri zmernih amplitudah električnega polja. Eden najbolj učinkovitih EK keramičnih materialov, PMN-10PT, izkazuje največjo EK spremembo temperature pri / nad 100 oC. Z uvedbo izbranih dopantov bomo največji EK pojav premaknili bliže k sobni temperaturi.
Raziskave EK pojava so še vedno v začetni stopnji, vendar je v primerjavi z magnetokaloričnim pojavom velika prednost EK pojava v tem, da ga dosežemo pod vplivom električne napetosti. Slednja ne potrebuje veliko prostora v nasprotju z viri magnetnega polja; poleg tega je napetost na voljo v elektronskih komponentah. EK hladilni element je kompakten, brez gibljivih delov in torej kompatibilen s trendom miniaturizacije elektronike. Stabilnost delovanja elektronskih komponent in naprav je še posebej pomembna v medicinski radioterapiji (pospeševalniki) in v vesoljskih tehnologijah (sateliti).
Trg kaloričnih materialov in naprav je treba še ustvariti, kar bo pomenilo tudi spodbudo za temeljne raziskave. Naš projekt sovpada z usmeritvami slovenske Strategije pametne specializacije, in sicer v okviru Strateških raziskovalnih in inovacijskih partnerstev Tovarne prihodnosti in Zdravje - medicina.
V Sloveniji imamo vodilne raziskovalne skupine na področjih kaloričnih materialov in tehnologij, ki so vključene v predlagani projekt in povezane s slovensko industrijo, kot sta Gorenje in KEKO Oprema. Podjetje Gorenje je prevzelo patent, ki ščiti izum EK hladilne naprave v EU in ZDA. KEKO Oprema je proizvajalec opreme za proizvodnjo večplastnih elementov, ki so primerni za EK hlajenje.
Rezultate projekta bomo objavili v uglednih mednarodnih revijah in predstavili na mednarodnih in domačih konferencah. Poleg tega jih nameravamo predstaviti industrijskim partnerjem v okviru aktivnosti Strategije slovenske pametne specializacije. Nameravamo nadaljevati z raziskavami elektrokalorikov in EK-tehnologij hlajenja tudi po zaključku projekta, saj pričakujemo, da bodo naši rezultati vplivali na razvoj področja, poleg tega pa bodo tudi razširili območje možnih uporab.
Pomen za razvoj Slovenije
Caloric cooling technologies are becoming a serious alternative to existing refrigeration technologies, such as vapour compression. Caloric effects: electrocaloric (EC), magnetocaloric and mechanocaloric, are moving towards the application level, and this is especially evident for the effects with long histories, such as the magnetocaloric effect.
One of the steps towards EC cooling application includes increasing EC temperature changes of the EC materials within the operational temperature range. There is an urgent need to develop materials which will be able to exhibit high EC temperature changes at moderate electric field amplitudes. Presently the maximum EC temperature changes of one of the best performing EC ceramic materials, PMN-10PT, are a few K at/above 100 oC. By introducing selected dopants we plan to down-shift the maximum EC effect closer to room temperature.
The advantage of the EC effect is in the stimulus needed to obtain it – voltage is more readily available and it does not require large volumes as magnets do; furthermore, voltage is inherently present or available in every electronic component. An EC cooling element is solid-state, without moving parts and thus compatible with the trend of miniaturisation in electronics. In parallel we will study new approaches in the heat transfer with the focus on thermal switches.
Stability of operation of electronic components and devices is especially important in medical radio-therapy and in space technologies. We plan to study the effect of ionizing radiation on the EC effect, and as there are no published reports on such experimental studies, our results will contribute to opening new areas of exciting applications.
The market of caloric materials and devices is still to be created, making pressure on basic research. We note that our proposal fits well in the activities of Slovenian Smart Specialization Strategy, namely Strategic research and innovation partnerships Factories of the Future and Health-Medicine.
In Slovenia we have world-leading research groups on caloric materials and technologies involved in the proposed project and connected with Slovenian industry. The house-appliances company Gorenje took over the patent based on the EC cooling device working on the principle of active electrocaloric regeneration (the project applicant is one of the inventors together with colleagues from JSI and Faculty of Mechanical Engineering). KEKO Equipment is producer of equipment for production of multilayer elements.
After the development of a proof-of-concept EC-cooler (which is the goal of this project), the results will be presented to our industrial partners in the frame of the Slovenian Smart Specialization Strategy activities. We are aiming to continue research on this topic, therefore the project results are expected to have long-term consequences not only in research but also in the industrial sector. Therefore, this research will continue also after the project closure.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
