ZEco Thermal Lab: Kühlen und Heizen mit Festkörpern

Mikroelektronische Komponenten wie Chips, Prozessoren/CPU, Mini- Batterien oder Sensoren sind unter anderem in Computern, Smartphones, Autos oder medizinischen Testgeräten verbaut. Je nach Einsatzort – etwa in geschlossenen Gehäusen – können sie sich im Betrieb auf über 80 Grad Celsius erwärmen und müssen für optimale Leistung und Lebensdauer gekühlt werden. Ihre Anzahl wächst mit dem technischen Fortschritt.

Stand der Technik

Bislang wird der steigende Bedarf vor allem durch thermoelektrische Kühler gedeckt, die den Peltier-Effekt nutzen. Dabei wird über zahlreiche p- und n-dotierte Paare von Halbleitermaterialien, die zwischen zwei Keramikplatten eingebettet sind, durch Anlegen von Gleichstrom eine Temperaturdifferenz erzeugt. Die Methode ist jedoch mit geringer Kühlleistung und hohem Stromverbrauch wenig energieeffizient.

Technologie

Am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT haben Forschende am ZEco Thermal Lab eine Kühl-Technologie im Miniaturformat entwickelt, die ohne gasförmige, klimaschädliche Kältemittel auskommt. Sie basiert auf dem elastokalorischen Effekt, bei dem eine Temperaturänderung mittels Verformung fester Materialien stattfindet. Bei ZEco wird die Formgedächtnislegierung Nickel-Titanium verwendet. Wenn auf das Material durch eine mechanische Kraft Zugspannung ausgeübt wird, verändern die Atome im Kristallgitter ihre Anordnung. Diese Umstrukturierung setzt Wärme frei, die über einen Wärmetauscher – hier eine Kupferplatte – an die Umgebung geleitet und abgeführt wird. Wird die Spannung anschließend gelöst, nimmt das Material wieder seine ursprüngliche Form an und kühlt dabei unter das Ausgangsniveau ab. Durch einen Kontakt mit der betreffenden Mikroelektronik wird ein Kühleffekt erzielt, indem Wärme aufgenommen wird. Durch die Wiederholung dieses Be- und Entladezyklus entsteht ein kontinuierlicher Wärmepumpenkreislauf, der als Kühl- und/oder Heizsystem fungieren kann.

Vorteile

Festkörperkühlmittel, wie sie am KIT verwendet werden, haben kein Treibhauspotenzial und schonen daher das Klima. Kommen dabei superelastische Formgedächtnislegierungen zum Einsatz, ergibt sich eine hohe Materialeffizienz und lange Lebensdauer (> 10 Millionen Zyklen).

Optionen für Unternehmen

Das ZEco Thermal Lab hat mehrere Prototypen elastokalorischer Mikrokühlgeräte für das Temperaturmanagement von Mikroelektronik in verschiedenen Einsatzbereichen entwickelt. Es werden Industriepartner aus der Elektro-, Medizingeräte- oder Automobil-Branche gesucht, um das Verfahren in realen Prozessumgebungen zu validieren und das Design entsprechend anzupassen.