Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Elektrokalorični elementi za aktivno hlajenje elektronskih vezij

Raziskovalna dejavnost

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 
Ključne besede
Elektrokalorični, hlajenje, relaksorski feroelektrik, PMN-PT, večplastni element, toplotno stikalo, ionizacijsko sevanje
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (23)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  19038  dr. Andreja Benčan Golob  Materiali  Raziskovalec  2019 - 2023  529 
2.  15644  dr. Vid Bobnar  Fizika  Raziskovalec  2019 - 2023  363 
3.  36748  dr. Andraž Bradeško  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2020  112 
4.  53663  dr. Stefano Dall Olio  Procesno strojništvo  Raziskovalec  2020  29 
5.  06896  Silvo Drnovšek    Tehnični sodelavec  2019 - 2023  305 
6.  18580  dr. Andrej Kitanovski  Procesno strojništvo  Raziskovalec  2019 - 2023  501 
7.  50695  dr. Katja Klinar  Procesno strojništvo  Mladi raziskovalec  2019 - 2022  83 
8.  30036  Brigita Kmet    Tehnični sodelavec  2019 - 2023  168 
9.  19167  dr. Igor Lengar  Materiali  Raziskovalec  2019 - 2023  1.200 
10.  04587  dr. Barbara Malič  Elektronske komponente in tehnologije  Vodja  2019 - 2023  1.481 
11.  50705  Simon Nosan    Tehnični sodelavec  2021 - 2023  30 
12.  32160  dr. Nikola Novak  Fizika  Raziskovalec  2019 - 2023  130 
13.  29547  dr. Mojca Otoničar  Materiali  Raziskovalec  2019 - 2023  167 
14.  35399  dr. Uroš Plaznik  Konstruiranje  Raziskovalec  2019 - 2020  40 
15.  39150  dr. Uroš Prah  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2021  86 
16.  33270  dr. Kristian Radan  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2021  86 
17.  32163  dr. Vladimir Radulović  Energetika  Raziskovalec  2019 - 2023  246 
18.  24272  dr. Tadej Rojac  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2023  597 
19.  56018  mag. Ankita Sarkar  Fizika  Raziskovalec  2022 - 2023  13 
20.  27819  dr. Luka Snoj  Energetika  Raziskovalec  2019 - 2023  1.865 
21.  34418  dr. Urban Tomc  Procesno strojništvo  Raziskovalec  2020 - 2023  93 
22.  29624  dr. Jaka Tušek  Procesno strojništvo  Raziskovalec  2019 - 2023  155 
23.  26468  dr. Hana Uršič Nemevšek  Elektronske komponente in tehnologije  Raziskovalec  2019 - 2023  657 
Organizacije (2)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0106  Institut "Jožef Stefan"  Ljubljana  5051606000  91.005 
2.  0782  Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo  Ljubljana  1627031  29.341 
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
Zgodovina ogledov
Priljubljeno