Fast tillståndskylning uppnås via elektrisk fältinducerad töjning

Forskare i Kina har visat att påkänning av ett kompositmaterial med hjälp av ett elektriskt fält inducerar en stor och reversibel kalorieffekt. Detta nya sätt att förstärka kalorieffekten utan magnetfält kan öppna nya vägar för fast tillståndskylning och leda till mer energieffektiva och lättare kylskåp.

International Institute of Refrigeration uppskattar det 20% av all elektricitet som används globalt går åt till ångkompressionskylning – vilket är den teknik som används i konventionella kylskåp och luftkonditioneringsapparater. Dessutom är köldmedierna som används i dessa system kraftfulla växthusgaser bidra väsentligt till den globala uppvärmningen. Som ett resultat försöker forskare utveckla mer miljövänliga kylsystem.

Kylsystem kan också tillverkas av helt solid state-system, men dessa kan för närvarande inte konkurrera med ångkompression för de flesta vanliga tillämpningar. Idag använder de flesta kommersiella fasta kylsystem Peltier-effekten, som är en termoelektrisk process som lider av höga kostnader och låg effektivitet.

Externa fält

Solid-state kylsystem baserade på kalorimaterial erbjuder både hög kyleffektivitet och noll växthusutsläpp och framstår som lovande kandidater för att ersätta ångkompressionsteknik. Dessa system använder ett fast material som ett köldmedium, som när det utsätts för ett yttre fält (elektriskt, magnetiskt, påkänning eller tryck) genomgår en temperaturförändring - ett fenomen som kallas kalorieffekten.

Hittills har den mesta forskningen om fasta kalorikylsystem fokuserat på magnetiska köldmedier. Praktiska köldmedier måste emellertid uppvisa en betydande kalorieffekt nära rumstemperatur, och sådana material är i allmänhet svåra att hitta. Ett potentiellt material är Mn₃SnC, som uppvisar en betydande kalorieffekt när den utsätts för magnetfält större än 2 T. Men att använda ett så högt magnetfält kräver användning av dyra och skrymmande magneter, vilket inte är praktiskt.

Nu, Peng Wu och kollegor vid ShanghaiTech University, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, University of Chinese Academy of Sciences och Beijing Jiaotong University har eliminerat behovet av magneter genom att kombinera en Mn₃SnC-lager med ett piezoelektriskt lager av blyzirkonattitanat (PZT).

Att göra sig av med magneterna

I en serie experiment som beskrivs i Acta Materialia, teamet observerade en reversibel kalorieffekt utan behov av ett magnetfält. Den uppnådda adiabatiska temperaturförändringen var ungefär dubbelt så stor som uppmätt för Mn₃SnC i närvaro av ett 3 T magnetfält.

Kalorieffekten observerades genom att applicera ett elektriskt fält på materialet, vilket inducerar spänning i PZT via den omvända piezoelektriska effekten. Stammen överförs från PZT-skiktet till Mn₃SnC-skikt, vilket resulterar i en förändring i magnetisk ordning av Mn₃SnC. Detta orsakar ett temperaturfall på upp till 0.57 K i materialet. När det elektriska fältet tas bort ökar temperaturen med samma värde.

Wu berättar Fysikvärlden att han fick denna idé från mikroelektromekaniska system (MEMS), som ofta använder piezoelektriska material för aktivering. Enligt Wu kan användning av elektriska fältförmedlad spänning hjälpa till att eliminera behovet av dyra och stora magneter, vilket skapar ett mer effektivt och hållbart kylsystem.

Utmanande mätning

Kalorieffekten mäts antingen genom att uppskatta den adiabatiska förändringen i temperatur eller den isotermiska entropiförändringen. Inom både industri och forskning är temperaturförändring den föredragna metoden. Även om detta är ett enkelt experiment för rena bulkmaterial, är det extremt svårt att göra för ett enhetsbaserat kompositmaterial som utsätts för ett elektriskt fält.

För att göra mätningen använde Wu och kollegor ett system utrustat med en termoelementsond ansluten till Mn₃SnC-yta i en adiabatisk miljö med exakt kontrollerat magnetfält och temperatur.

För att bedöma noggrannheten i deras mätsystem genomförde forskarna flera magnetokaloriska effektmätningar i temperaturområdet 275–290 K. De kunde övervaka temperaturförändringar ner till 0.03 K, och verifierade därmed systemets högupplösta temperaturkapacitet.

Wu tror att lagets arbete är ett genombrott för att mäta temperaturförändringar direkt, med tanke på utmaningen att göra en adiabatisk temperaturmätning samtidigt som en spänning appliceras på PZT. Han tillägger, "Denna metod för temperaturmätning kan vara användbar för andra termiska elektroniska enheter." Wu betonar dock att "systemet inte är helt adiabatiskt; det kan orsaka värmeförlust, därför är ytterligare förbättringar nödvändiga för alla värmemätningar”.

Intressant och oförklarat

Teamet observerade också några mycket intressanta och oväntade fenomen under temperaturmätningen. "Oavsett om man applicerar ett positivt eller negativt elektriskt fält, yttemperaturen på Mn₃SnC minskar alltid, säger Wu. Forskarna fann också att genom att applicera ett magnetfält på kompositen kan yttemperaturen på Mn₃SnC stiger, medan applicering av ett elektriskt fält gör motsatsen och orsakar en sänkning av temperaturen. Wu säger att teamet ännu inte förstår dessa observationer.

Forskarna siktar nu på att studera den underliggande fysiken bakom det kontrasterande beteendet hos Mn₃SnC/PZT under magnetiska och elektriska fält. För att ytterligare förbättra temperaturmätningssystemet försöker de också lösa problemet med värmeförlust.