ES2369532T3

ES2369532T3 - Dispositivos poliméricos electroactivos para mover fluido.

Info

Publication number: ES2369532T3
Application number: ES03745165T
Authority: ES
Inventors: Ronald E. Pelrine; Roy David Kornbluh; Scott E. Stanford; Qibing Pei; Richard Heydt; Jospeh S. Eckerle; Jonathan R. Heim
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI International Inc
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2023-03-18

Abstract

Un dispositivo para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido, comprendiendo el dispositivo: uno o más transductores (302), comprendiendo cada transductor (302) al menos dos electrodos y un polímero electroactivo en comunicación eléctrica con los al menos dos electrodos en el que una porción del polímero electroactivo está dispuesta para deformarse de una primera posición a una segunda posición en respuesta a un cambio en el campo eléctrico; y caracterizado por al menos una superficie (323) en contacto con un fluido y acoplada operativamente a los uno o más transductores (302) en la que la deformación de la porción del polímero electroactivo provoca que se imparta al fluido el trabajo termodinámico, y en la que el trabajo termodinámico es transmitido al fluido por medio de la susodicha superficie (323), superficie (323) que está separada del polímero electroactivo.

Description

Dispositivos poliméricos electroactivos para mover fluido

Antecedentes de la invención

La presente invención versa en general acerca de dispositivos de polímeros electroactivos que realizan una conversión entre energía eléctrica y energía mecánica. Más en particular, la presente invención versa acerca de dispositivos de bombeo que comprenden uno o más transductores de polímeros electroactivos.

Los sistemas de fluidos se encuentran por doquier. La industria del automóvil, la industria de la fontanería, la industria de tratamientos químicos, la industria de los ordenadores, la industria de la refrigeración o el enfriamiento, la industria de los electrodomésticos y la industria aeroespacial son algunos ejemplos en los que los sistemas de fluidos son de importancia vital. El trabajo termodinámico, como ocurre en el caso de una bomba o un ventilador, puede ser utilizado para proporcionar la energía necesaria para mover el fluido en el sistema de fluidos de una ubicación a otra ubicación en el sistema de fluidos. Como ejemplo adicional, el trabajo termodinámico puede ser utilizado para poner el fluido en un estado termodinámico deseable, tal como la compresión del fluido en un sistema de refrigeración para convertirlo de una fase gaseosa a un líquido o la compresión del fluido en un sistema de combustión antes de la combustión, como en un motor de automóvil. En otro ejemplo adicional, el trabajo termodinámico puede llevarse a cabo en un fluido como medio de transferencia de la energía, como en un montacargas hidráulico o un sistema de control hidráulico.

En general, las bombas, los ventiladores y los compresores tienen aplicaciones muy diversas tanto en el entorno doméstico como en el industrial. Por ejemplo, se usan bombas, ventiladores y/o compresores para hacer circular refrigerante y eliminar calor residual en sistemas de enfriamiento (por ejemplo, aire acondicionado, refrigeración), bombear agua en lavadoras y lavaplatos, eliminar calor residual de fuentes de calor (por ejemplo, CPU) en la industria de los ordenadores, presurizar aire para sistemas neumáticos, transportar agua para el riego, transportar crudo y gas en oleoductos y gaseoductos y mover fluidos entre diversas operaciones unitarias en una planta de tratamiento químico. También se usan bombas y compresores de forma generalizada en aplicaciones biomédicas, incluyendo, por ejemplo, hacer circular la sangre para la diálisis y durante procedimientos quirúrgicos.

Bombas, ventiladores y compresores llevan existiendo siglos para llevar a cabo un trabajo termodinámico en un fluido. Predominantemente, las bombas y los compresores convencionales son accionados por pistón con un motor eléctrico; estos dispositivos convencionales tienden a ser pesados (voluminosos), ruidosos, ineficientes a bajas velocidades (o requieren cajas de cambio para reducir las velocidades mayores) y pueden resultar mecánicamente complejos y costosos. Generalmente, los motores eléctricos están diseñados para operar en el intervalo de 50-500 Hz. Estos motores operan normalmente en el intervalo audible y su velocidad precisa ser reducida (con el coste, el peso, la ineficiencia y la complejidad asociados) hasta la debida frecuencia de la bomba o del compresor. Para muchas aplicaciones, existe la necesidad de bombas, ventiladores, compresores y dispositivos hidráulicos que sean más ligeros, de mayor potencia y eficiencia, más silenciosos y de menor costo.

En la actualidad hay disponibles nuevos polímeros de alto rendimiento capaces de convertir energía eléctrica en energía mecánica, y viceversa, para una amplia gama de aplicaciones de conversión de la energía. Una clase de estos polímeros, los elastómeros electroactivos (denominados también elastómeros dieléctricos, electroelastómeros

o EPAM), está recibiendo una mayor atención.

Los elastómeros electroactivos pueden presentar gran densidad energética, fatiga y eficiencia de acoplamiento electromecánico. El rendimiento de estos polímeros se ve incrementada notablemente cuando los polímeros han sido predeformados en su área. Por ejemplo, un aumento de área entre 10 y 25 veces mejora significativamente el rendimiento de muchos elastómeros electroactivos. Los accionadores y los transductores producidos usando estos materiales puede ser significativamente más baratos, más ligeros y tener un mayor intervalo de operación en comparación con las tecnologías convencionales usadas para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido en un sistema de fluidos.

Pueden encontrarse ejemplos de polímeros electroactivos predeformados que convierten energía eléctrica en energía mecánica en las solicitudes de PCT WO 01/06579 A1, WO 01/59852 A1 y en la solicitud de patente estadounidense 2002/0013545 A1.

Resumen de la invención

La invención describe dispositivos, como bombas, compresores y ventiladores, para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido. El trabajo termodinámico puede ser utilizado para proporcionar una fuerza motriz para mover el fluido. El trabajo realizado sobre el fluido puede ser transmitido a otros dispositivos, como un pistón en un dispositivo de accionamiento hidráulico. Los dispositivos pueden incluir uno o más transductores de polímeros electroactivos con un polímero electroactivo que se deforme en respuesta a la aplicación de un campo eléctrico.

El polímero electroactivo puede estar en contacto con un fluido en el que la deformación del polímero electroactivo pueda ser usada para llevar a cabo trabajo termodinámico sobre el fluido. Los dispositivos pueden estar diseñados para operar eficientemente en una pluralidad de condiciones operativas, como condiciones operativas que produzcan una señal acústica por encima o por debajo del intervalo auditivo humano. Los dispositivos pueden ser utilizados en sistemas de control térmico, como sistemas de refrigeración, sistemas de enfriamiento y sistemas de calefacción.

Un aspecto de la presente invención proporciona un dispositivo para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido. El dispositivo puede estar caracterizado en general por comprender: i) uno o más transductores, comprendiendo cada transductor al menos dos electrodos y un polímero electroactivo en comunicación eléctrica con los al menos dos electrodos, en el que una porción del polímero electroactivo está dispuesta para deformarse de una primera posición a una segunda posición en respuesta a un cambio en el campo eléctrico; y al menos una superficie en contacto con un fluido y acoplada operativamente a los uno o más transductores en la que la deformación de la porción del polímero electroactivo provoca que se imparta al fluido el trabajo termodinámico, y en la que el trabajo termodinámico es transmitido al fluido por medio de la susodicha superficie, superficie que está separada del polímero electroactivo. La deformación de la susodicha porción del polímero electroactivo puede generar un movimiento giratorio, un movimiento lineal, un movimiento vibratorio o combinaciones de los mismos para la susodicha superficie. El trabajo termodinámico puede proporcionar una fuerza motriz para mover el fluido de una primera ubicación a una segunda ubicación.

La presente invención proporciona, además, un aparato que convierte la energía eléctrica en energía mecánica, a la vez que protege el polímero electroactivo de constituyentes externos hallados en el fluido circundante al que se está impartiendo el trabajo termodinámico.

El dispositivo puede ser una bomba, un compresor, un accionador hidráulico o un ventilador. En particular, el dispositivo puede ser un compresor de aire, una bomba de fuelle, una bomba de combustible o una bomba centrífuga. El dispositivo es una bomba o un compresor para un sistema de refrigeración.

El dispositivo puede ser un ventilador usado en un sistema de ventilación, en el que el fluido es aire. El dispositivo puede usarse en un sistema de control térmico para controlar la temperatura en una o más ubicaciones en un segundo dispositivo. Por ejemplo, el segundo dispositivo puede ser un ordenador, y una de las ubicaciones está próxima a un microprocesador del ordenador. El fluido puede usarse para conducir energía térmica de una primera ubicación a una segunda ubicación en el segundo dispositivo. En una realización particular, una porción del líquido puede estar en una fase líquida.

En una realización particular, el dispositivo puede comprender, además, una cámara para recibir el fluido, en la que una superficie limitadora de la cámara incluye la susodicha superficie. La deformación de la porción del polímero electroactivo provoca un cambio en el volumen de la cámara. El cambio en el volumen de la cámara puede comprimir el fluido de la cámara, puede expandir el fluido de la cámara, puede aspirar fluido al interior de la cámara

o puede expulsar fluido de la cámara. El cambio en el volumen de la cámara también puede causar un cambio de estado de fase en al menos una porción del fluido, como de líquido a gas o de gas a líquido.

En otras realizaciones, la cámara puede estar formada con una vejiga o un fuelle. La deformación de la porción del polímero electroactivo puede apretar la vejiga o el fuelle para reducir el volumen de la vejiga o del fuelle. La deformación de la porción de polímero electroactivo también puede estirar la vejiga o el fuelle, aumentando el volumen de la vejiga o del fuelle. En otra realización adicional, la cámara puede estar formada de un cilindro y un pistón, en la que la susodicha superficie es una porción de una cabeza de pistón.

En otra realización, el dispositivo puede, además, comprender un álabe de ventilador, siendo la susodicha superficie una porción de una superficie del álabe del ventilador. La deformación de la porción del polímero electroactivo puede provocar que gire el álabe del ventilador. La deformación de la porción del polímero electroactivo puede provocar 1) que cambie la forma del álabe del ventilador, alterando el rendimiento aerodinámico del álabe de ventilador, 2) que cambie el paso del álabe de ventilador y 3) un cambio en la propiedad aeroelástica o en la propiedad aeroacústica del álabe del ventilador. El álabe del ventilador es un componente en un ventilador, una bomba o un compresor.

El dispositivo puede comprender también uno o más conductos de fluido usados para proporcionar al menos una porción de una trayectoria de flujo para permitir que el fluido se desplace a través del dispositivo y una o más válvulas para controlar un caudal, una dirección de flujo del fluido o combinaciones de los mismos a través de la trayectoria de flujo. Las una o más válvulas pueden ser una válvula de retención. El dispositivo puede comprender, además, un intercambiador de calor para añadir o extraer energía térmica del fluido. En una realización particular, una o más porciones del polímero electroactivo pueden actuar como intercambiador de calor.

En otra realización, la deformación de la porción del polímero puede inducir un movimiento de tipo ondulatorio en la susodicha superficie, en la que el movimiento de tipo ondulatorio imparte el trabajo termodinámico al fluido. El dispositivo puede comprender, además, un conducto de fluido en el que la deformación de la porción del polímero electroactivo genera un movimiento peristáltico en el conducto de fluido, moviendo el fluido a través del conducto de fluido, o en el que la deformación de la porción del polímero electroactivo genera un movimiento de tipo ondulatorio en el conducto de fluido, moviendo el fluido del conducto a través del conducto. El conducto de fluido puede comprender un transductor de rodillo de EPAM.

El dispositivo puede comprender, además, un mecanismo de retorno de fuerzas, proporcionando el mecanismo de retorno de fuerzas al menos una porción de una fuerza para hacer regresar la porción del polímero electroactivo de la segunda posición a la primera posición. El mecanismo de retorno de fuerzas puede ser un resorte. El dispositivo también puede comprender un mecanismo de empuje para empujar en una dirección de deformación de la porción del polímero electroactivo. El mecanismo de empuje puede ser un resorte o un inserto. El dispositivo puede también comprender un eje de salida diseñado para recibir la fuerza hidráulica generada de una presión en el fluido en el que la deformación en la porción del polímero electroactivo hace que aumente la presión en el influido y proporciona la fuerza hidráulica para mover el eje de salida.

En otra realización adicional, el dispositivo puede ser una fase en una bomba de fases múltiples o en un compresor de fases múltiples. Una señal acústica generada por una operación del dispositivo puede estar por encima o por debajo de un intervalo auditivo humano. Además, una frecuencia operativa a la que se deforma la porción del polímero electroactivo está por encima o por debajo de un intervalo auditivo humano. Por ejemplo, la frecuencia operativa puede estar por debajo de 30 Hz.

El dispositivo puede comprender, además, un alojamiento para encerrar los uno o más transductores y la susodicha superficie. Un parámetro de planicidad, definido como la altura del alojamiento dividida por el área de la huella del alojamiento, puede ser sustancialmente menor que 1. En particular, el parámetro de planicidad puede ser menor que 0,1. De manera alternativa, el parámetro de planicidad puede ser menor que aproximadamente 0,05. Además, el parámetro de planicidad puede ser menor que aproximadamente 0,01.

En una realización particular, el dispositivo puede comprender, además, una placa de sujeción con una pluralidad de aberturas, siendo el polímero electroactivo una película de polímero electroactivo diseñada para deformarse al interior de la pluralidad de aberturas. Además, el dispositivo puede comprender una cámara inferior diseñada para montarse en la placa de fijación y para fijar la película entre la placa de fijación y la cámara inferior. Una cámara de bombeo para recibir el fluido puede estar formada por una porción de una superficie de la cámara inferior y una porción de una superficie de la película. La cámara inferior puede comprender uno o más conductos de fluido para conducir el fluido a la cámara de bombeo y para conducir el fluido alejándolo de la cámara de bombeo.

En realizaciones particulares, la deformación de la porción del polímero electroactivo puede cambiar la susodicha superficie de una primera forma a una segunda forma. Por ejemplo, la susodicha superficie puede expandirse adquiriendo una forma de globo, una forma hemisférica, una forma de cilindro o una forma de medio cilindro. La susodicha superficie puede estar operativamente acoplada a los uno o más transductores por medio de una articulación mecánica. Además, la susodicha superficie puede ser una superficie exterior de la porción del polímero electroactivo.

El fluido puede ser compresible, incompresible o combinaciones de los mismos. El fluido también puede ser homogéneo o heterogéneo. Además, el fluido puede comportarse como un fluido newtoniano o como un fluido no newtoniano. El fluido se selecciona del grupo constituido por una mezcla, una suspensión acuosa espesa, una suspensión, una mezcla de dos o más líquidos inmiscibles y combinaciones de los mismos. El fluido puede incluir uno o más constituyentes en un estado seleccionado del grupo constituido por un líquido, un gas, un plasma, un sólido, un cambio de fase y combinaciones de los mismos.

En otras realizaciones, el polímero puede comprender un material seleccionado del grupo constituido por un elastómero de silicona, un elastómero acrílico, un poliuretano, un copolímero que comprende PVDF y combinaciones de los mismos. El dispositivo puede incluir una barrera de aislamiento o estar configurado para proteger la susodicha superficie de constituyentes del fluido en contacto con la susodicha superficie o una o más estructuras de soporte diseñadas o configuradas para fijarse a los uno o más transductores. El polímero electroactivo puede estar elásticamente predeformado en la primera posición para mejorar una respuesta mecánica del polímero electroactivo entre la primera posición y la segunda posición, puede tener un módulo elástico por debajo de aproximadamente 100 MPa y puede tener una deformación de área elástica de al menos aproximadamente el 10 por ciento entre la primera posición y la segunda posición.

El polímero puede comprender una estructura multicapa, comprendiendo la estructura multicapa dos o más capas de polímeros electroactivos. El dispositivo puede estar fabricado sobre un sustrato semiconductor.

Se describirán estas y otras características y ventajas de la presente invención en la siguiente descripción de la invención y en las figuras asociadas.

Breve descripción de los dibujos

Las FIGURAS 1A y 1B ilustran una vista en planta de una porción de transductor antes y después de la aplicación de una tensión, respectivamente, según una realización de la presente invención.

Las FIGURAS 2A-2D ilustran dispositivos de polímeros electroactivos (EPAM) que usan un movimiento de

tipo flagelo para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido. Las FIGURAS 2E-2F ilustran dispositivos de polímeros electroactivos (EPAM) con un fuelle para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido.

La FIG. 2G ilustra un dispositivo de un polímero electroactivo (EPAM) para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido con un pistón accionado por un transductor de EPAM y un transductor de EPAM para controlar un volumen del cilindro del pistón.

La FIG. 2H ilustra un dispositivo de un polímero electroactivo (EPAM) para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido con un ventilador accionado por un transductor de EPAM y un transductor de EPAM para controlar una forma y una orientación de los álabes del ventilador.

La FIG. 2I ilustra un dispositivo esférico de bombeo de un polímero electroactivo (EPAM) para hacer circular

un fluido de refrigeración sobre una fuente de calor. La FIG. 2J ilustra una realización de un dispositivo de bombeo peristáltico de un polímero electroactivo (EPAM).

La FIG. 2K ilustra una realización de un dispositivo de bombeo de movimiento ondulatorio de un polímero electroactivo (EPAM). Las FIGURAS 2L y 2M ilustran una realización de un transductor de rodillo de resorte de fuelle. Las FIGURAS 3A y 3B ilustran una primera realización de un dispositivo de bombeo de tubo de EPAM. Las FIGURAS 3C y 3D ilustran una realización de un dispositivo de cilindro hidráulico de EPAM. La FIG. 3E ilustra una segunda realización de un dispositivo de bombeo de tubo de EPAM. La FIG. 3F ilustra una realización de una bomba de un conjunto de diafragmas de EPAM.

Las FIGURAS 3G y 3H ilustran una realización de una bomba de película de EPAM. Las FIGURAS 3I y 3J ilustran una realización de un compresor o un dispositivo de bombeo de fases múltiples de EPAM.

Las FIGURAS 4A-4D ilustran un dispositivo polimérico electroactivo enrollado según una realización de la

presente invención. La FIG. 4E ilustra una pieza terminal para el dispositivo polimérico electroactivo enrollado de la FIG. 2A según una realización de la presente invención.

La FIG. 4F ilustra un transductor de inflexión para proporcionar una rigidez variable en base a cambios estructurales relacionados con la deformación polimérica según una realización de la presente invención.

La FIG. 4G ilustra el transductor de la FIG. 4A con un ángulo de inflexión de 90 grados. La FIG. 4H ilustra un dispositivo de arco adecuado para proporcionar una rigidez variable según otra realización de la presente invención.

La FIG. 4I ilustra el dispositivo de arco de la FIG. 4C después del accionamiento.

La FIG. 4J ilustra un transductor monolítico que comprende una pluralidad de áreas activas sobre un único polímero según una realización de la presente invención. La FIG. 4K ilustra un transductor monolítico que comprende una pluralidad de áreas activas sobre un único

polímero, antes de su enrollamiento, según una realización de la presente invención.

La FIG. 4L ilustra un transductor enrollado que produce una salida bidimensional según una realización de la presente invención. La FIG. 4M ilustra el transductor enrollado de la FIG. 4L con un accionamiento para un conjunto de áreas

activas radialmente alineadas. La FIG. 4N ilustra un esquema eléctrico de un sistema de rigidez/amortiguamiento variable de bucle abierto según una realización de la presente invención.

La FIG. 5A es un diagrama de bloques de una o más áreas activas conectadas a componentes electrónicos de acondicionamiento de la potencia.

La FIG. 5B es un esquema de circuito de un dispositivo que emplea un transductor enrollado de un polímero electroactivo para una realización de la presente invención.

La FIG. 6 es un esquema de un sensor que emplea un transductor de un polímero electroactivo según una realización de la presente invención.

La FIG. 7A es un diagrama de bloques de un ser humano conectado a dispositivos de EPAM que llevan a cabo trabajo termodinámico en un fluido.

La FIG. 7B es un diagrama de bloques de un automóvil y subsistemas de automóvil que emplean dispositivos de EPAM que llevan a cabo trabajo termodinámico en un fluido.

La FIG. 7C es un diagrama de bloques de un dispositivo de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido en una impresora de chorro de tinta.

Descripción detallada de las realizaciones preferentes

La presente invención es descrita en detalle con referencia a algunas realizaciones preferentes, tal como se ilustran en los dibujos adjuntos. en la siguiente descripción se exponen numerosos detalles específicos para proporcionar una comprensión cabal de la presente invención. Sin embargo, será evidente para un experto en la técnica que la presente invención puede ser puesta en práctica sin algunos o la totalidad de estos detalles específicos. En otros casos, etapas de procedimientos y/o de estructuras bien conocidos no han sido descritas en detalle para no dificultar innecesariamente la comprensión de la presente invención.

1. Polímeros electroactivos

En esta sección, antes de describir los dispositivos de polímeros electroactivos (EPAM) de la presente invención para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido, se ilustrarán en primer lugar los principios básicos de la construcción y la operación de los polímeros electroactivos con referencia a las FIGURAS 1A y 1B. En la sección 2 se describen realizaciones de dispositivos y sistemas con transductores de EPAM, como bombas, compresores, ventiladores y cilindros hidráulicos, y su operación con respecto a las FIGURAS 2A-2K y 3A-3J. En la sección 3 se describen realizaciones de transductores de EPAM de la presente invención con referencia a las FIGURAS 4A-4N. En la sección 4 se describen aplicaciones de detección. En la sección 5 se describen componentes electrónicos de acondicionamiento de la presente invención con respecto a las FIGURAS 5A y 5B. En la sección 6 se describen algunos ejemplos de aplicaciones, como aplicaciones biológicas, aplicaciones en automóviles y aplicaciones de impresión.

La transformación entre energía eléctrica y mecánica en los dispositivos de la presente invención se basa en la conversión de energía de una o más áreas activas en un polímero electroactivo. Los polímeros electroactivos son capaces de convertir entre energía mecánica y energía eléctrica. En algunos casos, un polímero electroactivo puede cambiar sus propiedades eléctricas (por ejemplo, la capacitancia y la resistencia) con un cambio en la deformación mecánica.

Para ayudar a ilustrar el desempeño de un polímero electroactivo en la conversión entre energía eléctrica y energía mecánica, la FIG. 1A ilustra una vista en planta en perspectiva de una porción 10 de transductor según una realización de la presente invención. La porción 10 de transductor comprende una porción de un polímero electroactivo 12 para convertir entre energía eléctrica y energía mecánica. En una realización, un polímero electroactivo se refiere a un polímero que actúa como dieléctrico aislante entre dos electrodos y que se pueden deformar con la aplicación de una diferencia de tensión entre los dos electrodos (un “elastómero dieléctrico”). Se fijan unos electrodos superior e inferior 14 y 16 al polímero electroactivo 12 en sus superficie superior e inferior, respectivamente, para proporcionar una diferencia de tensión en el polímero 12, o para recibir energía eléctrica del polímero 12. El polímero 12 puede deformarse con un cambio en el campo eléctrico proporcionado por los electrodos superior e inferior 14 y 16. La deformación de la porción 10 del transductor en respuesta a un cambio en el campo eléctrico proporcionado por los electrodos 14 y 16 se denomina “accionamiento”. Típicamente, el accionamiento implica la conversión de energía eléctrica a energía mecánica. Cuando el polímero 12 cambia de tamaño, la deformación puede usarse para producir trabajo mecánico.

Sin desear estar ligados a teoría particular alguna, en algunas realizaciones, puede considerarse que el polímero 12 se comporta de manera electroestrictiva. En el presente documento, el término electroestrictivo se usa en un sentido genérico para describir la respuesta de fatiga y deformación de un material al cuadrado de un campo eléctrico. El término se reserva a menudo para referirse a la respuesta de deformación de un material en un campo eléctrico que surge de las fuerzas intramoleculares inducidas, pero aquí el término se usa de forma más general para referirse a otros mecanismos que pueden ser consecuencia de una respuesta al cuadrado del campo. La electroestricción se distingue del comportamiento piezoeléctrico porque la respuesta es proporcional al cuadrado del campo eléctrico, no proporcional al campo. La electroestricción de un polímero con electrodos flexibles puede ser consecuencia de fuerzas electrostáticas generadas entre las cargas libres en los electrodos (denominadas a veces “tensión de Maxwell”) y es proporcional al cuadrado del campo eléctrico. La respuesta real a la fatiga en este caso puede ser muy complicada, dependiendo de las fuerzas internas y externas sobre el polímero, pero la presión y las tensiones electrostáticas son proporcionales al cuadrado del campo.

La FIG. 1B ilustra una vista en planta en perspectiva de una porción 10 de transductor que incluye una deformación. En general, la deformación se refiere a cualquier desplazamiento, expansión, contracción, torsión, deformación lineal

o de área, o a cualquier otra deformación de una porción del polímero 12. Para el accionamiento, un cambio en el campo eléctrico correspondiente a la diferencia de tensión aplicada a los electrodos 14 y 16 o por los mismos produce presión mecánica dentro del polímero 12. En este caso, las cargas eléctricas desiguales producidas por los electrodos 14 y 16 se atraen entre sí y proporcionan una fuerza compresiva entre los electrodos 14 y 16 y una fuerza de expansión sobre el polímero 12 en las direcciones 18 y 20 del plano, provocando que el polímero 12 se comprima entre los electrodos 14 y 16 y que se estire en las direcciones 18 y 20 del plano.

Los electrodos 14 y 16 son flexibles y cambian de forma con el polímero 12. La configuración del polímero 12 y de los electrodos 14 y 16 permite aumentar la respuesta del polímero 12 con la deformación. Más específicamente, a medida que la porción 10 del transductor se deforma, la compresión del polímero 12 acerca las cargas opuestas de los electrodos 14 y 16, y el estiramiento del polímero 12 separa cargas similares en cada electrodo. En una realización, uno de los electrodos 14 y 16 es la tierra. Para el accionamiento, la porción 10 del transductor generalmente sigue deformándose hasta que las fuerzas mecánicas equilibran las fuerzas electrostáticas que impulsan la deformación. Las fuerzas mecánicas incluyen las fuerzas elásticas de restauración del material polimérico 12, la flexibilidad de los electrodos 14 y 16 y cualquier resistencia externa proporcionada por un dispositivo y/o una carga acoplados a la porción 10 del transductor, etc. La deformación de la porción 10 del transductor como consecuencia de una tensión aplicada puede depender también de varios factores adicionales, como la constante dieléctrica del polímero 12 y el tamaño del polímero 12.

Los polímeros electroactivos según la presente invención son susceptibles de deformación en cualquier dirección. Después de la aplicación de una tensión entre los electrodos 14 y 16, el polímero electroactivo 12 aumenta de tamaño en ambas direcciones 18 y 20 del plano. En algunos casos, el polímero electroactivo 12 es incompresible; por ejemplo, tiene un volumen sustancialmente constante bajo fatiga. En este caso, el polímero 12 disminuye de espesor como consecuencia de la expansión en las direcciones 18 y 20 del plano. Debería hacerse notar que la presente invención no está limitada a polímeros incompresibles, y la deformación del polímero 12 puede no conformarse a una relación tan simple.

La aplicación de una diferencia de tensión relativamente grande entre los electrodos 14 y 16 en la porción 10 de transductor mostrada en la FIG. 1A hará que la porción 10 del transductor cambie a una forma más delgada de mayor área mostrada en la FIG. 1B. De esta manera, la porción 10 del transductor convierte energía eléctrica en energía mecánica. La porción 10 del transductor también puede ser usada para convertir energía mecánica en energía eléctrica.

Para el accionamiento, la porción 10 del transductor generalmente sigue deformándose hasta que las fuerzas mecánicas equilibran las fuerzas electrostáticas que impulsan la deformación. Las fuerzas mecánicas incluyen las fuerzas elásticas de restauración del material polimérico 12, la flexibilidad de los electrodos 14 y 16 y cualquier resistencia externa proporcionada por un dispositivo y/o una carga acoplados a la porción 10 del transductor, etc. La deformación de la porción 10 del transductor como consecuencia de una tensión aplicada puede depender también de varios factores adicionales, como la constante dieléctrica del polímero 12 y el tamaño del polímero 12.

En una realización, el polímero electroactivo 12 es predeformado. La predeformación de un polímero puede describirse, en una o más dirección, como el cambio en dimensión en una dirección después de la predeformación con respecto a la dimensión en esa dirección antes de la predeformación. La predeformación puede comprender la deformación elástica del polímero 12 y formarse, por ejemplo, estirando el polímero sometido a tensión y fijar uno o más de los bordes mientras se estira. De forma alternativa, según se describirá con mayor detalle más abajo, puede acoplarse un mecanismo como un resorte a diferentes porciones de un polímero electroactivo y proporcionar una fuerza que deforme una porción del polímero. Para muchos polímeros, la predeformación mejora la conversión entre energía eléctrica y mecánica. La respuesta mecánica mejorada permite un trabajo mecánico mayor para el polímero electroactivo; por ejemplo, deformaciones y presiones de accionamiento mayores. En una realización, la predeformación mejora la rigidez dieléctrica del polímero. En otra realización, la predeformación es elástica. Después del accionamiento, un polímero predeformado elásticamente podría, en principio, ser soltado y volver a su estado original.

En una realización, la predeformación se aplica de manera uniforme en una porción del polímero 12 para producir un polímero predeformado isotrópicamente. A título de ejemplo, un polímero elastomérico acrílico puede ser estirado en un 200 a 400 por ciento en ambas direcciones del plano. En otra realización, se aplica la deformación de manera desigual en diferentes direcciones para que una porción del polímero 12 produzca un polímero predeformado anisotrópicamente. En este caso el polímero 12 puede deformarse más en una dirección que en otra cuando se produzca el accionamiento. Aunque no se desea estar limitados por la teoría, se cree que la predeformación de un polímero en una dirección puede aumentar la rigidez del polímero en la dirección de la predeformación. En consecuencia, el polímero es relativamente más rígido en la dirección de predeformación elevada y más flexible en la dirección de predeformación reducida y, tras el accionamiento, ocurre más deformación en la dirección de predeformación reducida. En una realización, la deformación en la dirección 18 de la porción 10 del transductor puede ser mejorada valiéndose de la gran predeformación en la dirección perpendicular 20. Por ejemplo, un polímero elastomérico usando como porción 10 del transductor puede ser estirado en un 10 por ciento en la dirección 18 y en un 500 por ciento en la dirección perpendicular 20. La cantidad de predeformación para un polímero puede estar basada en el material del polímero y en el rendimiento deseado del polímero en una aplicación. La predeformación adecuada para el uso con la presente invención es descrita adicionalmente en la solicitud de patente estadounidense, del solicitante, en tramitación como la presente, nº 09/619.848, que se incorpora por referencia a todos los efectos.

En general, una vez que el polímero es predeformado, puede ser fijado a uno o más objetos o mecanismos. Preferentemente, para un objeto rígido, el objeto es lo adecuadamente rígido como para mantener el nivel deseado de predeformación en el polímero. Un resorte u otro mecanismo adecuado que proporcione una fuerza para deformar el polímero pueden aumentar cualquier predeformación establecida previamente en el polímero antes de la fijación al resorte o los mecanismos, o pueden ser responsables de toda la predeformación en el polímero. El polímero puede ser fijado a los uno o más objetos o mecanismos según cualquier procedimiento convencional conocido en la técnica, como un adhesivo químico, una capa o un material adhesivos, fijación mecánica, etc.

Los transductores y los polímeros predeformados de la presente invención no están limitados a ninguna geometría enrollada ni a ningún tipo de deformación particulares. Por ejemplo, el polímero y los electrodos pueden ser formados adoptando cualquier geometría o forma, incluyendo tubos y rodillos de capas múltiples, polímeros enrollados fijados entre múltiples estructuras rígidas, polímeros enrollados fijados a un marco de cualquier geometría —incluyendo geometrías curvadas o complejas—, en un marco que tenga una o más articulaciones, etc. Pueden usarse estructuras similares con los polímeros en láminas planas. La deformación de un transductor según la presente invención incluye la expansión y la compresión lineales en una o más direcciones, la inflexión, la deformación axial cuando se enrolla el polímero, la deformación al salir de un agujero proporcionado en un cilindro exterior en torno al polímero, etc. La deformación de un transductor puede verse afectada por la forma en que el polímero es constreñido por un marco o estructuras rígidas fijadas al polímero.

Los materiales adecuados para su uso como polímero electroactivo con la presente invención pueden incluir cualquier polímero o caucho sustancialmente aislantes (o una combinación de los mismos) que se deformen en respuesta a una fuerza electrostática o cuya deformación dé como resultado un cambio en el campo eléctrico. Un material adecuado es el NuSil CF19-2186, de Carpintería, California. Otros materiales ejemplares adecuados para su uso como polímero predeformado incluyen elastómeros de silicona, elastómeros acrílicos como el elastómero acrílico VHB 4910 producido por la 3M Corporation de St. Paul, Minnesota, poliuretanos, elastómeros termoplásticos, copolímeros que comprenden PVDF, adhesivos sensibles a la presión, fluoroelastómeros, polímeros que comprenden silicona y restos acrílicos, y similares. Los polímeros que comprenden silicona y restos acrílicos pueden incluir copolímeros que comprenden silicona y restos acrílicos, mezclas de polímeros que comprenden un elastómero de silicona y un elastómero acrílico, por ejemplo. También pueden usarse combinaciones de algunos de estos materiales como el polímero electroactivo en los transductores de la presente invención.

Los materiales usados como polímero electroactivo pueden seleccionarse en base a una o más propiedades del material, como una intensidad elevada de disrupción eléctrica, un módulo de elasticidad reducida (para deformaciones grandes o pequeñas), una constante dieléctrica elevada, etc. En una realización, el polímero se selecciona de modo que tenga un módulo elástico, como máximo, de aproximadamente 100 MPa. En otra realización, el polímero se selecciona de modo que tenga una presión máxima de accionamiento entre aproximadamente 0,05 MPa y aproximadamente 10 MPa, y preferentemente entre aproximadamente 0,3 MPa y aproximadamente 3 MPa. En otra realización, el polímero se selecciona de modo que tenga una constante dieléctrica entre aproximadamente 2 y aproximadamente 20, y preferentemente entre aproximadamente 2,5 y aproximadamente 12. La presente invención no está limitada a estos intervalos. Idealmente, serían deseables materiales con una constante dieléctrica mayor que los intervalos que acaban de dar si los materiales tuvieran tanto una constante dieléctrica elevada como una rigidez dieléctrica elevada.

Una capa de polímeros electroactivos en los transductores de la presente invención puede tener una amplia gama de espesores. En una realización, el espesor del polímero puede oscilar entre aproximadamente 1 micrómetro y 2 milímetros. El espesor del polímero puede reducirse estirando la película en una o ambas direcciones del plano. En muchos casos, los polímeros electroactivos de la presente invención pueden ser fabricados e implementados como películas delgadas. Los espesores adecuados para estas películas delgadas puede estar por debajo de 50 micrómetros.

Dado que los polímeros electroactivos de la presente invención pueden deformarse con esfuerzos elevados, los electrodos fijados a los polímeros también deberían deformarse sin poner en peligro su rendimiento mecánico o eléctrico. En general, los electrodos adecuados para su uso con la presente invención pueden ser de cualquier forma y material, con la condición de que sean capaces de suministrar una tensión adecuada a una capa polimérica

o de recibir una tensión adecuada de la misma. La tensión puede ser constante o variar con el tiempo. En una realización, los electrodos se adhieren a una superficie del polímero. Los electrodos que se adhieren al polímero son, preferentemente, flexibles y se conforman al cambio de forma del polímero. En consecuencia, la presente invención puede incluir electrodos flexibles que se conformen a la forma de un polímero electroactivo al que están fijados. Los electrodos pueden ser aplicados únicamente a una porción de un polímero electroactivo y definir un área activa según su geometría. Más abajo se describirán con detalle varios ejemplos de electrodos que cubren únicamente una porción de un polímero electroactivo.

En la solicitud de patente estadounidense nº 09/619.848, del solicitante, en tramitación como la presente, que se incorporó previamente por referencia más arriba, se describen diversos tipos de electrodos adecuados para su uso con la presente invención. Los electrodos descritos en ella y adecuados para su uso con la presente invención incluyen electrodos estructurados que comprenden trazas de metal y capas de distribución de carga, electrodos texturados que comprenden la variación de dimensiones fuera del plano, grasas conductoras, como grasas de carbono o grasas de plata, suspensiones coloidales, materiales conductores con coeficiente de aspecto elevado, como fibrillas de carbono y nanotubos de carbono y mezclas de materiales conductores iónicamente.

Los materiales usados para electrodos de la presente invención pueden variar. Los materiales adecuados usados en un electrodo pueden incluir grafito, negro de humo, suspensiones coloidales, chapas metálicas delgadas, incluyendo la plata y el oro, geles y polímeros de relleno de plata y de relleno de carbono, y polímeros conductores iónica o electrónicamente. En una realización específica, un electrodo adecuado para su uso con la presente invención comprende un 80 por ciento de grasa de carbono y un 20 por ciento de negro de humo en un aglutinante de caucho de silicona como el Stockwell RTV60-CON, producido por la Stockwell Rubber Co. Inc. de Filadelfia, Pensilvania. La grasa de carbono es del tipo NyoGel 756G, proporcionada por Nye Lubricant Inc., de Fairhaven, Massachusetts. La grasa conductora también puede estar mezclada con un elastómero, como el elastómero de silicona RTV 118, producido por General Electric, de Waterford, Nueva York, para proporcionar una grasa conductora de tipo gel.

Se entiende que ciertos materiales de electrodo pueden funcionar bien con ciertos polímeros particulares y pueden no funcionar bien para otros. A título de ejemplo, las fibrillas de carbono funcionan bien con polímeros de elastómeros acrílicos, mientras que no tan bien con polímeros de silicona. Para la mayoría de los transductores, las propiedades deseables para el electrodo flexible pueden incluir una o más de las siguientes: módulo de elasticidad reducido, amortiguamiento mecánico reducido, resistividad superficial reducida, resistividad uniforme, estabilidad química y medioambiental, compatibilidad química con el polímero electroactivo, buena adherencia al polímero electroactivo y la capacidad de formar superficies lisas. En algunos casos, un transductor de la presente invención puede implementar dos tipos diferentes de electrodo; por ejemplo un tipo de electrodo diferente para cada área activa o tipos de electrodos diferentes en lados opuestos de un polímero.

2. Dispositivos de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido

La invención describe dispositivos, como bombas, compresores y ventiladores, para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido (véanse las FIGURAS 2A-3J). El trabajo termodinámico puede usarse para proporcionar una fuerza impulsora para mover el fluido. El trabajo llevado a cabo en el fluido puede ser transmitido a otros dispositivos, como un pistón en un dispositivo de accionamiento hidráulico (véanse, por ejemplo, las FIGURAS 3C y 3D). Los dispositivos pueden incluir uno o más transductores de polímero electroactivo con un polímero electroactivo que se deforma en respuesta a la aplicación de un campo eléctrico (véanse, por ejemplo, las FIGURAS 1A-1B y 4A4M). El polímero electroactivo puede estar en contacto con un fluido en el que puede usarse la deformación del polímero electroactivo para llevar a cabo trabajo termodinámico en el fluido. Los dispositivos pueden estar diseñados para operar de manera eficiente en una pluralidad de condiciones operativas, como condiciones de apertura que producen una señal acústica por encima o por debajo del intervalo auditivo humano. Los dispositivos pueden ser utilizados en sistemas de control térmico (véanse, por ejemplo, las FIGURAS 2A-2D y 2I), como sistemas de refrigeración, sistemas de enfriamiento y sistemas de calefacción.

En la presente invención se describen dispositivos de EPAM para proporcionar trabajo termodinámico en un fluido. Las leyes de la termodinámica tratan de interacciones entre y sistema y su entorno. En una definición, puede decirse que un sistema realiza trabajo termodinámico en su entorno si puede hallarse algún otro proceso en el que el sistema atraviese la misma serie de estados que en el proceso original, pero en el que el único efecto en el entorno sea la elevación de un peso. Por ejemplo, una batería de acumuladores, que puede ser considerada un sistema, puede descargarse con una bombilla. Si la bombilla fuera sustituida por un motor eléctrico que tuviera conductores muy grandes y una polea en la que estuviera enrollada una cuerda que suspende un peso, entonces la batería de acumuladores podría atravesar una serie de estados sin ningún efecto neto externo, salvo la elevación del peso. Así, podría decirse que la batería de acumuladores realiza un trabajo termodinámico en el proceso original. Cuando un sistema realiza trabajo para su entorno, entonces el entorno recibe del sistema la misma cantidad de trabajo. Se describen detalles del trabajo termodinámico de un sistema y, en particular, del trabajo termodinámico en sistemas de fluidos en “The Dynamics and Thermodynamics of compressible fluid flow”, de Shapiro, 1953, John Wiley and Sons, ISBN 047106691-5, que se incorpora al presente documento en su totalidad y a todos los efectos.

En la presente invención se describen realizaciones de dispositivos de EPAM con transductores de EPAM para proporcionar trabajo termodinámico en un fluido. Los fluidos de la presente invención pueden incluir materiales en los estados de un líquido, un gas, un plasma, un cambio de fase, un sólido o combinaciones de los mismos. El fluido puede comportarse como un fluido no newtoniano o como un fluido newtoniano. Además, el fluido puede ser homogéneo o no homogéneo. El fluido también puede ser incompresible o compresible. Ejemplos de fluidos en la presente invención incluyen, sin limitación, un gas, un plasma, un líquido, una mezcla de dos o más líquidos inmiscibles, un fluido supercrítico, una suspensión acuosa espesa, una suspensión y combinaciones de los mismos.

Las FIGURAS 2A-2D ilustran dispositivos de polímeros electroactivos (EPAM) que usan un movimiento de tipo flagelo para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido. En la FIG. 2A se muestra una bomba de flagelos lineales que comprende cuatro transductores de EPAM fijados a una estructura 303 de soporte. Los transductores 302 de EPAM puede estar conformados en rodillos, tal como se muestra en la FIG. 4M, o conformados en láminas planas, como se muestra en las FIGURAS 4F y 4G. En general, la geometría del transductor de EPAM puede estar adaptada a cualquier forma general que requiera la aplicación. Los transductores 302 de EPAM pueden ser controlados para realizar un movimiento de tipo ondulatorio desde la estructura de soporte hasta el extremo de los transductores, de modo que un fluido se mueva en una dirección generalmente paralela, según se indica con la flecha 301 de dirección del flujo. El elemento de inflexión (como una estructura unimorfa que comprende un elemento no extensible unido a una película de polímeros electroactivos con electrodos) es agitado rápidamente para crear un flujo de aire, similar a la forma en que un ser humano usa un abanico. El movimiento de tipo ondulatorio puede ser amplificado a una de las frecuencias naturales del ventilador.

El fluido puede estar estancado antes de la activación de los transductores de EPAM o el fluido puede tener un perfil inicial de velocidad. Los transductores 303 de EPAM pueden ser controlados de manera independiente. Por ejemplo, el movimiento de tipo ondulatorio en cada transductor puede ser generalmente igual o puede ser diferente. Además, los transductores pueden ser accionados en una secuencia variable en el tiempo. Por ejemplo, puede iniciarse un movimiento de tipo ondulatorio en un primer par de transductores, mientras que los otros dos permanecen inactivos, seguido por una iniciación de un movimiento de tipo ondulatorio en el otro par de transductores después de que está completo el movimiento en el primer par de transductores. Los transductores pueden operar en fase o fuera de fase. En una realización, si la estructura 303 de soporte no está anclada, puede usarse el trabajo termodinámico realizado por los transductores en el fluido para impulsar la estructura 303 de soporte y los transductores hacia delante a través del fluido.

En las FIGURAS 2B y 2C se muestran realizaciones de bombas de flagelos radiales. De nuevo, se fijan cuatro transductores de EPAM a una estructura de soporte. Los transductores de EPAM pueden ser controlados para que muevan el fluido radialmente hacia fuera desde el centro de la estructura de soporte. Por ejemplo, si las estructuras de soporte se sitúan por encima de una fuente de calor, el movimiento radial generado por la bomba 305 podría usarse para conducir un fluido calentado alejándolo de la fuente de calor.

En una realización, la estructura 303 de soporte puede estar montada en un eje giratorio que permite que gire la estructura 303 de soporte. En esta realización, puede generarse un movimiento de los transductores que proporcione un momento angular a la estructura 303 de soporte. En este caso, la estructura de soporte y todos los transductores pueden empezar a girar, como un ventilador que puede mover el fluido en una dirección que es aproximadamente perpendicular al movimiento radial de la dirección del fluido 301. Cuando los transductores actúan como álabes de ventilador, puede controlarse su forma, por ejemplo su paso, para que su eficiencia aerodinámica aumente o disminuye. Se describen detalles adicionales de un álabe dinámico de ventilador de EPAM con respecto a la FIG. 2H.

En la FIG. 2C cuatro transductores 302 de EPAM están dispuestos para dirigir un fluido radialmente hacia el interior hasta un emplazamiento que es aproximadamente central a los cuatro transductores. Por ejemplo, el emplazamiento entre los cuatro transductores puede ser un respiradero de un sistema, como un agujero de ventilación en una carcasa de un sistema de ordenadores, como un ordenador personal. En otra realización, pueden usarse los cuatro transductores para el control térmico y el emplazamiento entre los cuatro transductores puede ser un punto frío al que se dirige el fluido más caliente.

En general, los dispositivos de EPAM de la presente invención para proporcionar trabajo termodinámico pueden ser usados como un componente en un sistema de control térmico. Por ejemplo, una pluralidad de los dispositivos de EPAM puede estar cableada a un controlador central, como un microcontrolador o un microprocesador. El controlador central también puede estar conectado a una pluralidad de sensores, como sensores de caudal y un sensor de temperatura. En algunas realizaciones, los dispositivos de EPAM también pueden actuar como un sensor

o una parte de un sistema sensor (véase la sección 4). El controlador central puede monitorizar el sensor de temperatura y los sensores de caudal y controlar los transductores de EPAM para mantener una distribución señalada de temperaturas en un sistema que se está monitorizando. Por ejemplo, el sistema puede ser un artículo fabricado que precisa ser enfriado o calentado con una distribución térmica uniforme para evitar que se acumulen tensiones térmicas dentro del artículo durante el proceso de enfriamiento o calentamiento.

En la FIG. 2D se ilustra una bomba de flagelos lineales variables. En esta realización, el tamaño de los transductores es variable. Los dos transductores del centro son mayores que los dos transductores exteriores. Así, el caudal en el centro puede ser mayor que hacia el exterior. Sin embargo, en algunas realizaciones, este efecto también puede lograrse simplemente moviendo los transductores conformados de forma idéntica más de prisa o con mayor lentitud con respecto a uno u otro en un patrón de movimiento diferente. Los transductores 302 están situados junto a aletas 307 de enfriamiento. Las aletas de enfriamiento pueden ser utilizadas para conducir calor alejándolo del fluido, que es movido por el movimiento de los transductores 302 por medio de las aletas de enfriamiento. Las aletas de enfriamiento y los transductores pueden ser parte de un sistema mayor de control térmico.

En una realización, los transductores 302 pueden ser usados para conducir el calor alejándolo del fluido o para añadir calor al fluido como parte de un sistema de control térmico. Por ejemplo, los transductores pueden estar diseñados para conducir calor a la estructura 303 de soporte. La estructura 303 de soporte puede incluir un disipador térmico y una conexión a un conducto térmico para eliminar calor del disipador térmico en la estructura de soporte. El polímero de EPAM puede usarse como conductor térmico o aislante térmico. Así, las propiedades materiales del polímero de EPAM en el transductor pueden estar diseñadas para aumentar o disminuir la conductividad térmica del material, según lo requiera el sistema particular.

En una realización, pueden usarse transductores con elementos de inflexión (es decir, flagelos) de 1-20 mm para el enfriamiento de microchips. Los transductores de EPAM pueden ser capaces de tener ángulos grandes de inflexión. Por ejemplo, los dispositivos pueden generar más de 270 grados de inflexión a escalas de 5-10 mm. El mayor ángulo de inflexión puede permitir un flujo mayor de fluido para el enfriamiento de los microchips.

Un enfriador de microchips que use uno o más ventiladores/bombas de polímero de inflexión ofrece varias ventajas potenciales. Tal como se muestra en las Figuras 2A-2D, el ventilador de inflexión puede ser fácilmente configurado de muchas formas diferentes, permitiendo así que el ventilador sea optimizado para los requisitos de enfriamiento específicos del microchip. Los elementos poliméricos de inflexión pueden ser eficientes a velocidades bajas (a diferencia de los motores eléctricos), permitiendo una operación por debajo de las frecuencias acústicas y reduciendo o eliminando el ruido del ventilador. Para entornos como sistemas domésticos de entretenimiento, el bajo ruido puede resultar ventajoso. Los elementos de inflexión también eliminan el ruido de los cojinetes y la posible avería encontrada en los ventiladores de tipo electromagnético para microchips.

Las FIGURAS 2E-2F ilustran dispositivos de polímeros electroactivos (EPAM) con un fuelle para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido. En la FIG. 2E se describe una realización de una bomba 310 de fuelle. Un transductor 302 de EPAM está conectado entre un soporte 313 y una estructura 303 de soporte con un conducto de flujo. el soporte está fijado a la estructura 303 de soporte por medio de una articulación que permite que el soporte 313 pivote en un punto de articulación con la estructura de soporte. Entre el soporte y la estructura de soporte está una vejiga 312. Dos conductos 314 de flujo está conectados a una cámara que está limitada por la vejiga 312.

Cuando se suministra tensión al transductor 302 de EPAM, el transductor extiende y empuja el soporte 313 hacia arriba y actúa contra un mecanismo 311 de retorno de fuerzas, como un resorte. El movimiento hacia arriba aumenta el volumen de la vejiga, aspirando fluido al interior de la vejiga desde el conducto de flujo en la dirección mostrada por las flechas. El fluido es aspirado al interior de la vejiga por medio de la succión que surge de un aumento en el volumen de la vejiga. Pueden incluirse válvulas de retención en el conducto 314 de flujo para garantizar que el fluido fluya en la dirección mostrada por las flechas. Cuando se reduce o se quita la tensión del transductor 302, el transductor 302 disminuye de longitud, traccionando al soporte hacia abajo. Cuando el soporte es traccionado hacia abajo, la vejiga 312 es apretada y el fluido es expulsado de la vejiga y sale de la parte delantera del dispositivo 310. El caudal que sale de la vejiga 312 puede ser controlado por la tasa con la que disminuye la tensión suministrada al transductor 302 y por la fuerza suministrada al soporte por el mecanismo 311 de retorno.

En la FIG. 2F se ilustra una segunda realización de una bomba 315 de fuelle. La bomba de fuelle incluye una vejiga 312 diseñada para plegarse a modo de acordeón cuando se comprime. La vejiga 312 está montada entre dos placas 303 de soporte. Un conducto 314 de fluido pasa a través de cada una de las placas 303 de soporte. Los conductos 314 de fluido incluyen dos válvulas 316 de retención que fuerzan al fluido a fluir en la dirección indicada por las flechas. Las placas 303 de soporte están conectadas por medio de una pluralidad de transductores 302 de EPAM. La vejiga 312 está rodeada por un mecanismo 311 de retorno de fuerzas, tal como un muelle helicoidal.

Cuando se suministra energía a los transductores 302 de EPAM, los transductores 302 de EPAM se extienden en longitud y la vejiga 312 aumenta de volumen, aspirando fluido al interior de la vejiga y alargando el muelle helicoidal

311. Cuando se quita o se disminuye la energía en los transductores 302 de EPAM, los transductores de EPAM se contraen y el muelle helicoidal puede juntar las placas de soporte, reduciendo el volumen de la vejiga 312 y expulsando fluido de la vejiga 312 a través del conducto de flujo. No es preciso el mecanismo de retorno de fuerzas (por ejemplo, el muelle), y el dispositivo 315 de EPAM puede funcionar sin un mecanismo de retorno de fuerzas. Por ejemplo, cuando está estirado, las fuerzas mecánicas generadas en el polímero de EPAM en el transductor 302 pueden proporcionar una fuerza de retorno cuando se quita o se reduce la tensión en el polímero de EPAM. El transductor 302 también puede ser un transductor tubular que rodee el fuelle por completo. Los transductores tubulares son descritos con mayor detalle más abajo. Además de en una bomba de fuelle, la presente invención puede ser usada en muchos tipos de diseños de bomba. Estos diseños de bomba incluyen, sin limitación, una bomba centrífuga, una bomba de diafragma, una bomba rotatoria, una bomba de engranajes y una bomba accionada por aire.

La FIG. 2G ilustra un dispositivo 320 de un polímero electroactivo (EPAM) para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido con un pistón accionado por un transductor de EPAM y un transductor de EPAM para controlar un volumen del cilindro del pistón. La bomba 320 accionada por pistón incluye dos conductos de fluido con válvulas 316 de retención diseñadas para limitar el movimiento del fluido a las direcciones de la flecha. Un pistón 317 está diseñado para moverse 322 arriba y abajo en un cilindro 318. Cuando el pistón se mueve hacia arriba, aumenta el volumen de la cámara de bombeo formada por el cilindro y el pistón y se aspira fluido al interior de la cámara de bombeo. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, disminuye el volumen de la cámara de bombeo y se empuja al fluido fuera de la cámara.

En una realización de la presente invención, una superficie superior del pistón 317 puede incluir un transductor 323 de EPAM. Por ejemplo, cuando el pistón es cilíndrico, el transductor 323 de EPAM puede ser un diafragma circular. El transductor 323 de EPAM puede ser deformado para que cambie el volumen de la cámara de bombeo. Con los dispositivos tradicionales que usan pistones, el volumen de la cámara de bombeo va de un máximo, cuando el pistón está en la parte alta de su carrera, a un mínimo, cuando el pistón está en la parte inferior de su carrera. Los volúmenes máximo y mínimo, así como los volúmenes entre el máximo y el mínimo, están fijados en cada emplazamiento según el pistón se desplaza en su recorrido por el cilindro. Con la presente invención, el transductor 323 de EPAM puede ser deformado para permitir que el volumen de la cámara de bombeo varíe en cada emplazamiento según el pistón se desplaza en su recorrido por el cilindro.

Al cambiar el volumen de la cámara de bombeo deformando el transductor 323 de EPAM pueden cambiarse las condiciones operativas del dispositivo de bombeo, como la cantidad de fluido bombeado por el dispositivo. Este efecto podría lograrse también controlando la velocidad con la que opera el pistón. Sin embargo, si es ventajoso hacer funcionar al pistón con una velocidad particular, como por razones de eficiencia o por consideraciones de ruido, puede cambiarse la tasa de bombeo del fluido sin cambiar la tasa a la que se mueve el pistón al cambiar el volumen de la cámara de bombeo deformando el transductor 323 de EPAM.

El pistón 317 está accionado por dos transductores 302 de EPAM. Los transductores 302 de EPAM están conectados a un alojamiento 321 y una estructura 303 de soporte. Los transductores 302 pueden aumentar y disminuir de longitud cuando se aplica una tensión a los transductores, tal como se indica con las flechas 322 de dirección. Pueden usarse componentes electrónicos de acondicionamiento y una fuente de alimentación no mostrada (véanse las FIGURAS 5A, 5B y 6) para suministrar energía a los transductores 302. Una fuerza en la dirección del movimiento 322 en la estructura 302 de soporte generada por los transductores 302 puede ser transferida por una articulación mecánica 319 para generar el movimiento 322 del pistón 317 en el cilindro. En la técnica anterior se conoce una amplia variedad de articulaciones mecánicas y la presente invención no está limitada al ejemplo mostrado en la FIG. 2G.

El uso de los transductores de EPAM para accionar el pistón 322 tiene muchas ventajas con respecto al uso de motores convencionales, como los motores eléctricos. Una ventaja es que los transductores 302 de EPAM son generalmente más ligeros que los motores eléctricos. Otra ventaja es que los transductores de EPAM pueden operar eficientemente en un mayor número de condiciones operativas que un motor eléctrico. La flexibilidad en las condiciones operativas puede ser beneficioso en lo que respecta a asuntos como la minimización del ruido procedente del dispositivo 320 y el control de la salida de los dispositivos. Por ejemplo, los transductores de diafragma de EPAM pueden usarse como motores, y se describen ventajas adicionales de estos dispositivos en la solicitud estadounidense, en tramitación como la presente, nº 10/090.430, presentada el 28 de febrero de 2002 por Heim, et al. y titulada “Electroactive Polymer Rotary Motors”, incorporada previamente al presente documento.

En otra realización, la bomba 320 accionada por pistón puede ser usada como compresor. Para usar el dispositivo 320 como compresor, se impide que el fluido salga de la cámara de la bomba mientras el pistón comprime el fluido en la cámara de bombeo usando un diseño apropiado de válvula. Los detalles de diseños de válvulas de EPAM que pueden ser usados con la bomba 320 accionada por pistón y otras realizaciones de la presente invención están descritos en la solicitud estadounidense, en tramitación como la presente, nº 10/_._, presentada el 5 de marzo de 2003 por Heim, et al. y titulada “Electroactive Polymer Devices for Controlling Fluid Flow”, incorporada previamente al presente documento.

La FIG. 2H ilustra un dispositivo de un polímero electroactivo (EPAM) para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido con un ventilador 325 accionado por un transductor 328 de EPAM y un transductor de EPAM para controlar una forma y una orientación de los álabes del ventilador. El ventilador 325 incluye dos transductores 328 de EPAM de tipo rodillo montados en una placa circular 329 y una base 327. Pueden usarse otros tipos de transductores de EPAM con el ventilador 325 y este no está limitado al uso de un transductor 328 de tipo rodillo (véase la sección para una exposición adicional de los transductores de EPAM). La placa circular está montada en un soporte por medio de una articulación que permite que la placa 239 gire. El soporte está montado en la base 327. Tres álabes de ventilador están montados en la placa circular 329.

Cuando se aplica una tensión a los transductores de rodillo, los transductores 328 se alargan, y cuando se quita la tensión, los transductores se contraen. Al suministrar tensión a uno de los transductores y quitarla o disminuirla del contrario, se puede hacer que la placa circular gire en la dirección de las agujas del reloj o en sentido contrario a las agujas del reloj. La velocidad del ventilador (por ejemplo, la tasa de giro de la placa circular) puede ser controlada aplicando a los transductores 328 una tensión variable en el tiempo.

En una realización, la eficiencia del ventilador 325 puede ser controlada cambiando la forma del álabe 326 del ventilador. Por ejemplo, cada álabe 391 del ventilador puede comprender un marco 329 con un transductor 391 de EPAM con una o más áreas activas. La forma de cada álabe del ventilador puede cambiar deformando una o más de las áreas activas en el transductor 391 de EPAM. Se describen transductores de EPAM con una pluralidad de áreas activas con respecto a las FIGURAS 4J-4M. La forma del álabe del ventilador puede ser cambiada para que aumente o disminuya su rendimiento aerodinámico. Además, la forma del álabe del ventilador puede ser cambiada para disminuir el ruido y la vibración emitidos desde el álabe a una velocidad operativa particular del ventilador (propiedad aeroacústica), y la forma del ventilador puede ser cambiada para limitar o alterar las interacciones vibratorias estructurales dentro del álabe del ventilador (propiedad aeroelástica).

El álabe 326 del ventilador puede incluir un segundo transductor 390 de EPAM que esté diseñado para cambiar un paso del álabe del ventilador haciendo girar el álabe. El rendimiento aerodinámico del álabe 326 puede ser una función de su paso. En una realización, puede usarse un único transductor de EPAM integrado en vez de los dos transductores 391 y 392 para cambiar la forma del álabe y para cambiar su paso.

La FIG. 2I ilustra un dispositivo esférico 330 de bombeo de un polímero electroactivo (EPAM) para hacer circular un fluido sobre una fuente 331 de calor para eliminar energía térmica de la fuente 331 de calor. El dispositivo esférico de bombeo incluye un transductor 333 de EPAM de forma esférica que forma la superficie limitadora de una cámara 334 de bombeo. La presente invención no está limitada a transductores 333 de EPAM de forma esférica y también pueden usarse transductores que se deforman adoptando una variedad de formas tridimensionales generales.

La bomba esférica 330 de enfriamiento puede formar parte de un sistema de control térmico para regular la temperatura de una fuente 331 de calor. En una realización, la fuente de calor puede estar situado en un dispositivo de cálculo. Por ejemplo, la fuente de calor puede ser un microprocesador. Como parte del sistema de control térmico, la bomba esférica 330 de enfriamiento está conectada a un conducto cerrado 335 de fluido que transporta un fluido 336. En operación, se aplica una tensión al transductor esférico 333 de EPAM que hace que un polímero de EPAM en el transductor se deforme hacia fuera y que aumente el volumen de la cámara 334 de bombeo. El cambio de volumen aspira el fluido 336 al interior de la cámara. Cuando se quita o se reduce la tensión al transductor 333, el polímero de EPAM se deforma hacia el interior, forzando al fluido 336 desde la cámara 334 de bombeo al interior del conducto 335 de fluido.

En el sistema de control térmico para la fuente 331 de calor, el fluido 336 está diseñado para fluir frente a la fuente de calor, lugar en el que la energía térmica se transfiere desde la fuente 331 de calor al fluido 336 para enfriar la fuente 331 de calor. El fluido calentado fluye desde la fuente 331 de calor a un área 332 de intercambio de calor, en la que la energía es transferida desde el fluido 336. Entonces se puede hacer que el fluido enfriado vuelva a circular por la bomba esférica 330 de enfriamiento para que pase junto a la fuente 331 de calor y recoja energía térmica de la fuente de calor.

En una realización, el conducto 335 de fluido puede incluir una válvula de expansión que induce un cambio de fase, como de un estado líquido a un estado gaseoso, lo que es común en los sistemas de refrigeración. El cambio de fase puede ser usado para eliminar energía del fluido 336. En otra realización, el fluido 336 puede cambiar estados de fase, como de un líquido a un gas, cuando se expande el volumen de la cámara de bombeo. El cambio de fase puede tener como resultado el enfriamiento del fluido además, un fluido como un gas puede expandirse en la cámara de bombeo, reduciendo su temperatura antes de que sea bombeado pasando por delante de la fuente de calor.

En una realización particular, el transductor esférico puede actuar también como área de intercambio de calor. El polímero de EPAM puede estar diseñado como una estructura de múltiples capas, con capas conductoras usadas para conducir energía alejándola del fluido 336 en la cámara 334 de bombeo. En otras realizaciones, el polímero de EPAM puede incluir una capa aislante, como en el caso en el que el fluido 336 ha sido enfriado antes de entrar en la cámara 334 para evitar que el fluido sea calentado por el entorno que rodea a la cámara 334 de bombeo.

La FIG. 2J ilustra una realización de un dispositivo de bombeo peristáltico de un polímero electroactivo (EPAM). El dispositivo 340 de bombeo peristáltico incluye un conducto 335 de fluido con una entrada 342 y una salida 343 y una pluralidad de diafragmas 341 de EPAM situados en una superficie interior del conducto 335 de fluido. Los conjuntos de diafragmas pueden ser controlados individualmente para que generen un movimiento de tipo ondulatorio, es decir, un movimiento peristáltico que impulsa al fluido desde la entrada 342 hasta la salida 343. Por ejemplo, los diafragmas pueden ser deformados en función del tiempo, empezando desde la entrada 342 y progresando hasta la salida. Este movimiento de tipo ondulatorio arrastra fluido hacia la salida a medida que los diafragmas son deformados en su patrón ondulatorio.

La FIG. 2K ilustra una segunda realización de un dispositivo 345 de bombeo peristáltico de un polímero electroactivo (EPAM). El dispositivo 345 de bombeo peristáltico comprende un conducto 335 de fluido que es un transductor hueco 328 de rodillo de EPAM (véanse las FIGURAS 4A-4E y 4K-4M). El transductor de rodillo puede ser accionado para que genere una onda (por ejemplo, una cresta en el transductor) que se desplace transductor abajo en la dirección 344 como una función del tiempo. A medida que la onda se desplaza transductor 328 abajo, puede empujar el fluido que tiene por delante. Así, el fluido puede ser movido de la entrada 342 a la salida 343. Una vez que la onda se ha desplazado hasta la salida, puede volver a generarse en la entrada 342 con un patrón que se repite para generar un bombeo continuo.

En otra realización, puede implementarse un cambio de diámetro, como un estrechamiento en el diámetro, como una onda que se desplaza bajando por un conducto. Para generar una onda, el diámetro estrecho puede ser implementado en diferentes emplazamientos como una función del tiempo a lo largo del conducto. A medida que el emplazamiento en el que se estrecha el conducto se desplaza bajando por el conducto, el fluido puede ser empujado por delante del emplazamiento en el que el conducto se estrecha produciendo un movimiento de bombeo peristáltico.

Una ventaja de las bombas descritas con respecto a las FIGURAS 2I, 2J y 2K es que el bombeo puede llevarse a cabo sin un motor separado. Por ejemplo, en las FIGURAS 2I, 2J y 2K el movimiento del polímero de EPAM usado para bombear en los transductores se genera aplicando al polímero de EPAM una tensión procedente de una fuente de alimentación, como una batería. En una bomba tradicional accionada por pistón, el movimiento del pistón es accionado por un motor separado, como un motor eléctrico. El motor añade peso adicional al sistema. Además, típicamente, los motores suelen ser eficientes únicamente en un número limitado de condiciones operativas, como la velocidad de giro. Por lo tanto, pueden requerirse engranajes adicionales para usar energía del motor a una tasa diferente de su condición operativa óptima. Así, los dispositivos de bombeo de EPAM de la presente invención tienen una capacidad de ser mucho más ligeros que los sistemas tradicionales de bombeo gracias a la eliminación de un motor separado y de sus articulaciones mecánicas asociadas.

Las FIGURAS 2L y 2M ilustran una sección transversal de un realización de un transductor 600 de rodillo de resorte de fuelle. El accionador 600 de rodillo de resorte de fuelle puede ser utilizado como una bomba, una válvula o ambas. Para la fabricación del accionador de rodillo de resorte de fuelle, un material de EPAM, como una o varias películas acrílicas, puede ser predeformado y enrollado sobre un resorte 601 de fuelle. El resorte 601 de fuelle puede formar una cámara cerrada. El resorte 601 mantiene la película de EPAM en tensión. Las estructuras terminales 351 pueden usarse para cerrar la parte superior del resorte de fuelle. En algunas realizaciones puede no hacer falta una estructura terminal. Puede extenderse un conducto de fluido a través de las estructuras terminales para permitir que un fluido 336 entre en la cámara formada por el resorte 601 de fuelle.

Cuando la película de EPAM es accionada en el transductor 353, el resorte puede expandirse en sentido longitudinal a medida que se alarga la película de EPAM, y el diámetro interior del resorte 601 puede aumentar. El aumento en diámetro del resorte permite un mayor caudal en el dispositivo si el fluido ya está sometido a presión. Así, añadiendo

o quitando tensión de los transductores de EPAM, puede controlarse el caudal cambiando el diámetro de los resortes 601 de fuelle. Para el bombeo pueden añadirse válvulas 316 de retención al transductor 600 según se muestra. Cuando la película de EPAM no es accionada, el rodillo se acorta en longitud y disminuye el diámetro entre los resortes. Este movimiento puede ser utilizado para forzar al fluido a salir de la cámara del resorte 601 de fuelle.

Las FIGURAS 3A y 3B ilustran una primera realización de un dispositivo 350 de bombeo de tubo de EPAM. El dispositivo de bombeo de tubo puede comprender uno o más transductores de polímeros electroactivos. La bomba puede fabricarse usando uno o más rodillos de película de polímero electroactivo (EPAM) dispuesta en un transductor 352 de rodillo. La película de EPAM puede estar predeformada o no.

A título de ejemplo, la FIG. 3A muestra una vista en corte transversal de una bomba 350 de tipo tubo de EP en la que un tubo de polímero electroactivo está fijado por ambos extremos en estructuras terminales rígidas 351. El tubo puede fabricarse enrollando EPAM o ser fabricado directamente usando procedimientos de recubrimiento por inmersión. En una realización preferente, el tubo de EP es estirado axialmente para proporcionar una predeformación elevada en la dirección axial. Las fuerzas de predeformación están soportadas por varillas rígidas 395 fijadas a las estructuras terminales en el exterior o el interior del tubo. Con una predeformación elevada, el diámetro del tubo se contraerá en la porción central debido a la contracción de Poisson (no mostrada en la FIG. 3A). Dos válvulas unidireccionales 316 (de retención) están fijadas a la cámara interior del tubo. De manera alternativa, las válvulas 316 puede ser válvulas accionadas y conmutadas en momentos apropiados.

En una realización, puede usarse un alojamiento tubular en lugar de las varillas rígidas 359. Entre el transductor 352 de rodillo y el alojamiento tubular puede generarse un vacío parcial para generar un empuje hacia fuera en el transductor 352 de rodillo. En otra realización, puede usarse un material 352 de empuje, como espuma, entre el alojamiento tubular y el transductor 352 de rodillo para generar una fuerza de restauración en una dirección opuesta a la dirección en la que se expande el transductor.

En la FIG. 3B, cuando el EPAM es accionado al aplicar una tensión, la película de EPAM se vuelve más delgada y se expande en circunferencia (radialmente), permitiendo así que fluya más fluido 336 a la cámara interna a través de una de las válvulas unidireccionales 316. En la FIG. 3A, cuando la tensión está desconectada, la película de EPAM en el transductor se contrae en circunferencia y fuerza al fluido a salir por la otra válvula unidireccional a una presión mayor. Así, la aplicación continua de la tensión permite un bombeo continuo por el dispositivo de bombeo de tubo.

La bomba mostrada en las FIGURAS 3A y 3B puede ser autocebante (crea un ligero vacío con respecto al exterior para aspirar fluido), con la condición de que el espesor y la geometría del tubo sean tales que el EPAM no se combe. De manera alternativa, si hay disponible un fluido de presión positiva (con respecto a la superficie externa del tubo), puede usarse la presión positiva para proporcionar un accionamiento con una predeformación o una precarga circunferenciales. O, como se ha descrito más arriba, puede aplicarse una presión de empuje al transductor de rodillo añadiendo un alojamiento cerrado herméticamente alrededor del transductor de rodillo.

La bomba 350 puede ponerse en cascada o en serie (de fases múltiples) para aumentar más la presión (véanse las FIGURAS 3I y 3J). Por ejemplo, podría usarse una bomba autocebante de presión relativamente baja para proporcionar un fluido de presión positiva a una segunda bomba que proporcione presiones más elevadas cuando se acciona (típicamente, con un desfase de 180 grados con respecto a la primera bomba). Las bombas de fases múltiples pueden estar formadas de elementos que están conectados en fila o apilados (véanse las FIGURAS 3I y 3J). Los elementos también pueden estar puestos en cascada situando un elemento dentro de otro (similar a la manera en la que las muñecas rusas se apilan unas dentro de otras). Los elementos de la bomba tubular pueden estar situados concéntricamente unos dentro de otros. La ventaja de esta disposición interna o en cascada concéntrica es que ninguna parte de un único elemento está expuesta a la diferencia total de presión producida por la bomba.

Esta realización proporciona una fabricación sencilla de bombas grandes de EPAM de múltiples capas, buen acoplamiento con el accionamiento de EP y acomoda una predeformación elevada, lo que mejora el rendimiento de los transductores de EPAM. Además, naturalmente, la bomba puede ser fabricada con forma de tubo para una bomba en línea con buena geometría de embalaje.

La bomba de las FIGURAS 3A y 3B, así como otras realizaciones de bombas descritas en la presente solicitud, pueden ser usadas en muchas aplicaciones. Por ejemplo, la bomba 350 puede ser usada para bombear combustible, por ejemplo para bombear combustible en una pila de combustible o combustible para su combustión en una cámara de combustión. Las bombas pueden usarse para mover un fluido en un juguete. Por ejemplo, la bomba podría bombear fluido procedente de un reservorio para hacer que una muñeca parezca que llora. La bombas pueden usarse en aplicaciones de refrigeración o como parte de un sistema de control térmico. Las bombas pueden usarse para aplicaciones médicas, por ejemplo para la administración de fármacos. Por ejemplo, en una aplicación biológica, la bomba puede utilizarse para administrar insulina y puede incluir un sensor para medir niveles de azúcar en sangre para que la insulina pueda ser administrada de una manera controlada. También podrían administrarse otros tipos de fármacos de manera controlada Con un sensor biológico apropiado para medir uno o varios parámetros biológicos de interés, también podrían administrarse otros tipos de fármacos de manera controlada.

En general, las bombas pueden ser utilizadas para transportar fluido de un recinto (por ejemplo, un recipiente, un pozo) a otro, normalmente del recinto con menor presión a uno con mayor presión. En otros casos, el fluido puede ser transportado de un lugar con menor energía potencial a uno con mayor energía potencial, como la distribución de agua cuesta arriba para el riego. En otros casos adicionales, puede usarse una bomba para mover fluidos dentro de una estructura abierta o cerrada (por ejemplo, una tubería o un canal de riego).

La geometría de tubo y la estructura básica descritas en el presente documento también pueden ser utilizadas para accionar otros dispositivos, por ejemplo accionadores lineales, cilindros hidráulicos y altavoces. Por ejemplo, las FIGURAS 3C y 3D muestran una realización que integra la geometría básica de bomba descrita en las FIGURAS 3A y 3B para accionar un dispositivo interno 355 de cilindro hidráulico. El cilindro 359 y los cojinetes guía y la junta 357 pueden ser utilizados para guiar un eje 356 de salida que encaje dentro del cilindro 359. El cilindro incluye una abertura para permitir que fluya el fluido 336 al interior del cilindro. Los cojinetes guía y la junta 357 permiten que el eje de salida se mueva de manera uniforme y que mantenga el fluido dentro del cilindro hidráulico. El cilindro hidráulico puede incluir un mecanismo 358 de retorno de fuerzas como un resorte.

Cuando se aplica tensión al transductor de rodillo de la FIG. 3D, el transductor 353 de rodillo se expande y extrae fluido 336 del cilindro 359, y el eje 356 de salida es movido hacia abajo. A medida que se quita la tensión del transductor de rodillo, se introduce fluido en el cilindro que empuja hacia arriba el eje de salida. El mecanismo 358 de fuerza también puede proporcionar una fuerza que mueve el eje 356 de salida hacia arriba. Cuando la tensión está desconectada del transductor 352 de rodillo, el eje de salida está completamente extendido en la FIG. 3C. Mediante la extensión del eje 356 de salida, el cilindro hidráulico puede ser usado para llevar a cabo trabajo en otro objeto.

La FIG. 3E ilustra una segunda realización de un dispositivo de bombeo de tubo de EPAM. En esta realización, las varillas rígidas 359 de soporte de las FIGURAS 3A y 3B pueden ser sustituidas con uno o más resortes para proporcionar al tubo una predeformación axial. Los resortes permiten que el tubo se extienda en longitud cuando sea accionado. En otra realización puede usarse una bomba de tipo tubo que comprende un transductor de rodillo de un polímero electroactivo. El transductor de rodillo de EPAM es descrito con cierto detalle con respecto a las Figuras 4A-4E y 4K-4M. Los transductores de rodillo de EPAM también han sido descritos con detalle en la solicitud de patente estadounidense, en tramitación como la presente, nº 10/154.449, titulada “Rolled Electroactive Polymers”, presentada el 21 de mayo de 2002, incorporada previamente al presente documento.

Una bomba o un compresor basados en el transductor 328 de rodillo tienen un agujero que atraviesa todo su eje con conexiones de manguera en ambos extremos (FIG. 3E). Según se muestra en la FIG. 3E, el transductor 328 de rodillo de EPAM puede expandirse o contraerse axialmente mediante la aplicación de una tensión mientras su diámetro permanece esencialmente inalterado. Como tal, el volumen interno aumenta linealmente con la deformación. Fijando válvulas unidireccionales 316 en cada extremo del tubo, un cambio en volumen impartirá un movimiento de fluido por las válvulas 316 de retención, y el fluido se verá obligado a desplazarse en una dirección a través del accionador 326 de rodillo. Esta bomba de tipo tubo de EPAM proporciona un diseño simple y robusto en un volumen pequeño.

La FIG. 3F ilustra una realización de una bomba 365 de un conjunto de diafragmas. El movimiento de los diafragmas en los transductores 367 puede ser utilizado, alternativamente, para aspirar un fluido al interior de una cámara y luego para expulsarlo a través de un tubo de salida mediante válvulas unidireccionales 316. Los transductores 367 de EPAM de tipo diafragma han sido descritos con detalle en la solicitud de patente estadounidense, en tramitación como la presente, nº 09/619.846, titulada “Electroactive Polymer Devices”, presentada el 20 de julio de 2000, incorporada previamente al presente documento.

Para influir en la dirección de la deformación, los seis transductores 367 de diafragma pueden ser empujados mecánicamente mediante uno de varios medios diferentes. Por ejemplo, puede usarse un émbolo cargado por resorte para empujar el diafragma. En una realización se realizaron pruebas con un diseño de tipo resorte buscando caudales y presiones reducidos. El flujo fue de aproximadamente 40 ml/minuto a aproximadamente 1 kPa (kilopascal) usando un polímero electroactivo de una sola capa. Las bombas pueden estar dispuestas en cascada para aumentar la presión por encima de 2,5 kPa. El empuje de tipo resorte puede ser adecuado para aplicaciones de baja potencia.

Otros procedimientos para empujar transductores de tipo diafragma incluyen el uso de un material 397 de empuje, como espuma, presión (o vacío) y un agente expansor (por ejemplo, una pequeña cantidad de aceite de silicona). Han sido descritos diversos medios de empuje de una película de EPAM en la patente estadounidense 6.343.129, “ELASTOMETRIC DIELECTRIC POLYMER FILM SONIC ACTUATOR”, en la solicitud de patente estadounidense 09/619.846, “Electroactive Polymer Devices”, presentada el 20 de julio de 2000, y en la solicitud de patente estadounidense 09/779.203, “MONOLITHIC ELECTROACTIVE POLYMERS”, presentada el 7 de febrero de 2001, la totalidad de las cuales se incorpora al presente documento por referencia a todos los efectos.

A título de ejemplo, la FIG. 3F muestra una vista en corte transversal de una bomba autocebante que comprende transductores 367 de diafragma de EPAM en la que los diafragmas de EPAM son empujados usando un inserto de espuma alveolar 397. La bomba 365 comprende una cámara inferior 387, una cámara superior 398, una placa 369 de rejilla, seis transductores 367 de diafragma, tres válvulas 316, 385 y 396 y una pantalla 369 encerrados en un alojamiento 366 de bomba. La placa 369 de rejilla incluye aberturas para acomodar los diafragmas. La pantalla 368 se usa para mantener la espuma en su sitio. En una realización, la espuma puede extenderse al fondo de una cámara inferior 387 y puede no usarse la pantalla.

A medida que los diafragmas de EPAM en los transductores se contraen, se aspira fluido a través de la válvula 316 de la entrada 342 al interior de una cámara 398 de bombeo. Los diafragmas se extienden después tras el accionamiento que fuerza al fluido a fluir a través de la válvula 385. A medida que se acumula presión en el área detrás de los diagramas, se empuja fluido a través de la válvula 386 de salida, posiblemente hacia otra fase (véanse las FIGURAS 3I y 3J).

Una ventaja de la configuración mostrada en la FIG. 3F es que es autocebante (es decir, puede succionar líquido), y es autocebante de una manera en la que el medio de empuje únicamente precisa suministrar suficiente fuerza de empuje para succionar líquido desde la cámara superior de entrada a la cámara inferior de salida a través de la válvula unidireccional. No precisa suministrar una fuerza de empuje sustancial, aunque la carrera de expansión del polímero electroactivo (contracción) puede suministrar una elevada presión de salida o, alternativa, una elevada presión de succión de entrada.

Las FIGURAS 3G y 3H ilustran una realización de una bomba 400 de película de EPAM. La FIG. 3G muestra una vista en perspectiva de la bomba 400 y la FIG. 3H muestra una sección transversal a través de la entrada 342 y la salida 343. La bomba 400 puede comprender una placa 401 de sujeción con una pluralidad de aberturas 402 (por ejemplo, en la FIG. 3G se muestran 52), una película 370 de EPAM, que puede comprender una o más capas, y una cámara inferior 371. La cámara inferior puede incluir una entrada 342, una salida, válvulas 403 y 404 de retención para controlar la dirección de flujo y conductos de fluido que llevan hasta una cámara 398 de bombeo y se alejan de la misma. La cámara de bombeo está formada por medio de una hendidura en una parte superior de la cámara inferior 371 y la capa 370 de EPAM. La bomba 400 también puede incluir componentes electrónicos de acondicionamiento y una fuente de alimentación, que no son mostrados. Las bombas mostradas en las Figuras 3G y 3H pueden usar medios de empuje por diafragma conocidos en la técnica anterior o, si la presión de entrada es mayor que la presión externa ambiente del diafragma, entonces el propio fluido puede ser usado para empujar el diafragma.

Un fluido, como el aire, entra en la cámara inferior 371 a través de la entrada 342. El fluido es accionado por la película 370 de EPAM (por ejemplo, se lleva a cabo un trabajo termodinámico en el fluido) en la cámara 398 de bombeo y es empujado al exterior, a través de una segunda abertura en la cámara inferior, a la salida 343. La placa 401 de fijación determina la geometría de la película activa de EPAM. En la realización mostrada en las FIGURAS 3G y 3H, hay 52 aberturas, cada una con un diámetro de 9,53 mm, lo que da como resultado un área activa total de película de 3700 mm2. Para permitir que el fluido pase a través de la cámara, hay un espacio de 1 mm entre la película y una placa inferior de la cámara inferior. El espacio de 1 mm es la altura de la cámara de bombeo cuando la película de EPAM está plana. Pueden usarse espacios mayores para bombear fluidos incompresibles, mientras que los espacios menores minimizan el “espacio muerto” cuando se bombean fluidos compresibles y permiten que los EPAM presuricen de manera más efectiva el fluido compresible.

En una realización, la placa 401 de sujeción y la cámara inferior 371 pueden tener cada una una altura de aproximadamente 9,53 mm, con una altura total de la bomba 400 de 19,05 mm. La placa de sujeción y la cámara inferior pueden tener una longitud de 101,6 mm y una anchura de 101,6 mm. Así, el área de la huella del dispositivo de bombeo es de 10.323 mm2. En otras realizaciones, la altura total puede aumentar o disminuir con respecto a los 19,05 mm, y el área de la huella puede aumentar o disminuir con respecto a los 10.323 mm2. La placa de sujeción y la cámara inferior pueden servir de alojamiento para el dispositivo, o la placa de sujeción y la cámara inferior pueden estar encerrados en un alojamiento separado.

Una ventaja de la bomba 365 de un conjunto de diafragmas (FIG. 3F) o de la bomba 400 de película de EPAM (FIGURAS 3F y 3G) es que pueden obtenerse buenas eficiencias de bombeo para dispositivos que son sustancialmente planos. Una medida de la planicidad de un dispositivo de bombeo es una proporción de su altura dividida por el producto de su área de huella. Para un dispositivo de bombeo de forma rectangular, el área de la huella es el producto de la longitud multiplicada por la anchura del dispositivo. Con fines comparativos, puede generarse una medida no dimensional de planicidad normalizando por la altura del dispositivo para obtener un parámetro de planicidad igual a una (altura)2/(área de la huella). Para una carcasa o un alojamiento rectangulares, el área de la huella es una longitud multiplicada por una anchura del rectángulo. Para una carcasa o un alojamiento de forma cúbica, el parámetro de planicidad genera un valor de 1.

En las bombas tradicionales, los requisitos de embalaje de un motor y un mecanismo de bombeo pueden generar un parámetro de planicidad que se aproxima a 1 o que es mayor que 1. En la presente invención, el parámetro de planicidad puede ser mucho menor que 1. Por ejemplo, para una realización de la bomba 400 de película de EPAM en las FIGURAS 3G y 3H, la altura del dispositivo es de 19,05 mm y el área de la huella es de 10.323 mm2. Así, el parámetro de planicidad para esta realización es de aproximadamente 0,035. También son viables dispositivos de la presente invención para llevar a cabo trabajo termodinámico con un parámetro de planicidad mucho menor que este valor, por ejemplo menor de 0,01. Para dispositivos en los que el espacio escasea, como dispositivos electrónicos como ordenadores portátiles, puede ser ventajosa la capacidad de producir un dispositivo para llevar a cabo trabajo termodinámico con un parámetro de planicidad pequeño.

En algunas realizaciones de la presente invención, los dispositivos para llevar a cabo trabajo termodinámico pueden ser utilizados en sistemas microelectromecánicos (MEMS). Los dispositivos MEMS pueden ser fabricados sobre sustratos como la silicona. Para estas aplicaciones, puede ser ventajosa la capacidad de fabricar un dispositivos para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido con un parámetro de planicidad pequeño.

Las FIGURAS 3I y 3J ilustran una realización de un compresor o un dispositivo de bombeo de fases múltiples de EPAM. Para todas las realizaciones descritas en el presente documento, una bomba o un compresor de fases múltiples (multifase) puede construirse con válvulas de retención entre las fases para aumentar la presión después de cada fase. Todas las fases pueden ser idénticas, aunque, en algunos casos, la primera fase puede necesitar un empuje mecánico. Para algunos casos, las diferentes fases pueden ser de tamaños diferentes, tener carreras diferentes y comprender capas diferentes de película de polímero electroactivo.

En la FIG. 3I se muestra una configuración plana para el compresor 380 de fases lineales. El compresor 380 de fases lineales incluye tres fases 381, 382 y 383 que están alineadas en el mismo plano. Las fases múltiples del compresor pueden ser conectadas por medio de uno o más de un acoplamiento dentado, una tubería (es decir, un conducto de fluido) y una válvula de retención.

Un fluido como el aire puede entrar en la fase 381 y puede ser bombeado elevándose a una presión más elevada en cada fase hasta que sale en la fase 383. Cada fase puede ser accionada con un desfase de 180 grados con respecto a la fase a ambos lados (es decir, corriente arriba y corriente abajo). De esta manera, cuando una fase está comprimiendo, el fluido puede fluir a la fase siguiente (corriente abajo), que está a una presión inferior. Pueden usarse válvulas de retención para evitar que el fluido fluya a la fase previa corriente arriba, como de la fase 382 a la fase 381. En general, puede usarse una pluralidad de fases con la presente invención, y la presente invención no está limitada a tres fases.

En la FIG. 3J se muestra una configuración apilada de una bomba 375 de fases múltiples. La bomba de fases múltiples incluye tres fases 376, 377 y 378, apiladas una encima de otra. Las fases pueden ser idénticas. Un parámetro de planicidad reducida para cada fase que es posible con las bombas de la presente invención puede permitir configuraciones de apilamiento que no son posibles con las bombas convencionales. Fluye fluido desde la primera fase 376 hacia abajo hasta la fase 377 y la fase 378 y luego sale por una salida en la fase 378. Para la operación óptima en las bombas de fases múltiples, generalmente se sincroniza la carrera de una fase con respecto a la carrera de la fase siguiente. Por ejemplo, podría hacerse que la carrera de compresión de una fase coincidiese con la carrera de expansión de la fase siguiente. Para fluidos compresibles como gases que se estén comprimiendo a presiones elevadas, los volúmenes de carrera de cada fase se igualan idealmente al volumen cambiante de gas (por ejemplo, si el gas es comprimido a la mitad de su volumen original en una bomba de muchas fases, la última fase puede solo tener que bombear aproximadamente la mitad de volumen por carrera que la primera fase).

En las realizaciones descritas en lo que antecede, los dispositivos de polímeros electroactivos para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido pueden proporcionar muchas ventajas con respecto a tecnologías convencionales de bomba/compresor, incluyendo una operación más silenciosa (eliminación de un sistema basado en pistones y el uso subsiguiente de pequeños accionadores de alta frecuencia que operan a frecuencias fuera del intervalo audible humano), menor costo (materiales baratos, diseño más simple y menos partes que un sistema equivalente de motor eléctrico) y mayor eficiencia.

Los polímeros electroactivos se ajustan muy bien a las dimensiones requeridas; podrían diseñarse grandes accionadores hidráulicos para equipos pesados o radiadores diminutos para circuitos integrados. Las presiones requeridas para una aplicación particular (por ejemplo, refrigeración o aire acondicionado) pueden agrandarse aumentando el número de capas de película de polímero por fase y/o el número de fases. A diferencia de las bombas o los compresores convencionales accionados por motor, una bomba de polímero electroactivo puede ser accionada a frecuencias por encima o por debajo del intervalo audible.

3. Dispositivos de polímeros electroactivos 3.1 Transductores

Las FIGURAS 4A-2E ilustran un dispositivo polimérico electroactivo 20 enrollado según una realización de la presente invención. El dispositivo polimérico electroactivo enrollado puede ser usado para el accionamiento en dispositivos de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido y también pueden actuar como parte de un conducto de fluido u otros tipos de estructuras inmersas en un campo de flujo externo o interno que es utilizado con los dispositivos para llevar a cabo un trabajo termodinámico. Los dispositivos poliméricos electroactivos enrollados pueden proporcionar un movimiento lineal y/o rotacional/torsional para operar los dispositivos de EPAM. Véase, por ejemplo, la realización de ventilador de la FIG. 2H. La FIG. 4A ilustra una vista lateral del dispositivo 20. La FIG. 4B ilustra una vista axial del dispositivo 20 desde el extremo superior. La FIG. 4C ilustra una vista axial del dispositivo 20 realizada a través de la sección transversal A-A. La FIG. 4D ilustra componentes del dispositivo 20 antes del enrollamiento. El dispositivo 20 comprende un polímero electroactivo enrollado 22, un resorte 24, piezas de extremo 27 y 28 y componentes de fabricación diversa usados para mantener unido el dispositivo 20.

Tal como se ilustra en la FIG. 4C, el polímero electroactivo 22 está enrollado. En una realización, un polímero electroactivo enrollado se refiere a un polímero electroactivo , con o sin electrodos, enrollado sobre sí múltiples veces (por ejemplo, como un cartel) o enrollado alrededor de otro objeto (por ejemplo, el resorte 24). El polímero puede ser enrollado reiteradamente y, como mínimo, comprende una porción de capa exterior del polímero que se solapa al menos a una porción de capa interior del polímero. En una realización, un polímero electroactivo enrollado se refiere a un polímero electroactivo enrollado de forma espiral alrededor de un objeto o un centro. Tal como se usa el término en el presente documento, enrollado es independiente de cómo logre el polímero su configuración enrollada.

Según ilustran las FIGURAS 4C y 4D, el polímero electroactivo 22 está enrollado en torno al exterior del resorte 24. El resorte 24 proporciona una fuerza que deforma al menos una porción del polímero 22. El extremo superior 24a del resorte 24 está fijado a una pieza rígida extrema 27. De manera similar, el extremo inferior 24b del resorte 24 está fijado a la pieza rígida extrema 28. El borde superior 22a del polímero 22 (FIG. 4D) está enrollado en torno a la pieza extrema 27 y es fijado a la misma usando un adhesivo adecuado. El borde inferior 22b del polímero 22 está enrollado en torno a la pieza extrema 28 y es fijado a la misma usando un adhesivo. Así, el extremo superior 24a del resorte 24 está acoplado de manera operable al borde superior 22a del polímero 22, porque la deformación del extremo superior 24a corresponde a la deformación del borde superior 22a del polímero 22. De manera similar, el extremo inferior 24b del resorte 24 está acoplado de manera operable al borde inferior 22b del polímero 22 y la deformación del extremo inferior 24b corresponde a la deformación del borde inferior 22b del polímero 22. El polímero 22 y el resorte 24 son susceptibles de deformación entre sus respectivas porciones inferior y superior.

Tal como se ha mencionado en lo que antecede, muchos polímeros electroactivos tienen mejor rendimiento cuando son deformados previamente. Por ejemplo, algunos polímeros muestran una intensidad del campo eléctrico de ruptura, una deformación accionada eléctricamente y una densidad de energía mayores cuando son predeformados.

El resorte 24 del dispositivo 20 proporciona fuerzas que dan como resultado una predeformación tanto circunferencial como axial en el polímero 22.

El muelle 24 es un muelle de compresión que proporciona una fuerza dirigida al exterior en direcciones axiales opuestas (FIG. 4A) que estira axialmente el polímero 22 y deforma al polímero 22 en una dirección axial. Así, el muelle 24 mantiene al polímero 22 en tensión en la dirección axial 35. En una realización, el polímero 22 tiene un predeformación axial en la dirección 35 de entre aproximadamente el 50 y aproximadamente el 300 por ciento. Según se describirán con mayor detalle más abajo para la fabricación, el dispositivo 20 puede ser fabricado enrollando una película de polímero electroactivo predeformada alrededor del muelle 24 mientras el muelle está comprimido. Una vez liberado, el muelle 24 mantiene al polímero 22 sujeto a deformación por tracción para lograr la predeformación axial.

El muelle 24 también mantiene una predeformación circunferencial en el polímero 22. La predeformación puede establecerse en el polímero 22 longitudinalmente en la dirección 33 (FIG. 4D) antes de que el polímero sea enrollado en torno al muelle 24. Las técnicas para establecer la predeformación en esta dirección durante la fabricación serán descritas con mayor detalle más abajo. Fijar o asegurar el polímero después del enrollamiento, junto con dimensiones externas sustancialmente constantes para el muelle 24, mantiene la predeformación circunferencial en torno al muelle 24. En una realización, el polímero 22 tiene una predeformación circunferencial entre aproximadamente 100 y aproximadamente un 500 por ciento. En muchos casos, el muelle 24 proporciona fuerzas que dan como resultado una predeformación anisotrópica sobre el polímero 22.

Las piezas de extremo 27 y 28 están fijadas a extremos opuestos del polímero electroactivo enrollado 22 y del muelle 24. La FIG. 4E ilustra una vista lateral de la pieza terminal 27 según una realización de la presente invención. La pieza extrema 27 es una estructura circular que comprende un reborde externo 27a, una porción 27b de superficie de contacto y un agujero interno 27c. Preferentemente, la porción 27b de interconexión tiene el mismo diámetro externo que el muelle 24. Los bordes de la porción 27b de interconexión también pueden ser redondeados para evitar daños al polímero. El agujero interno 27c es circular y atraviesa el centro de la pieza extrema 27, desde extremo superior al extremo inferior exterior que incluye el reborde externo 27a. En una realización específica, la pieza extrema 27 comprende aluminio, magnesio u otro metal mecanizado. El agujero interno 27c está definido por un agujero mecanizado o fabricado de manera similar dentro de la pieza extrema 27. En una realización específica, la pieza extrema 27 comprende tapones extremos de 12,7 mm con un agujero interno 27c de 9,53 mm.

En una realización, el polímero 22 no se extiende por completo hasta el reborde externo 27a y queda un espacio 29 entre el borde de la porción externa del polímero 22 y la superficie interna del reborde externo 27a. Tal como se describirán con mayor detalle más abajo, puede añadirse un adhesivo o un pegamento al dispositivo de polímero electroactivo enrollado para mantener su configuración enrollada. El espacio 29 proporciona un espacio dedicado en la pieza extrema 27 para un adhesivo o un pegamento que se acumula al diámetro externo del dispositivo enrollado y fija todas las capas de polímero del rodillo a la pieza extrema 27. En una realización específica, el espacio 29 está entre aproximadamente 0 mm y aproximadamente 5 mm.

Las porciones del polímero electroactivo 22 y el muelle 24 entre las piezas de extremo 27 y 28 pueden ser consideradas activas para sus propósitos funcionales. Así, las piezas de extremo 27 y 28 definen una región activa 32 del dispositivo 20 (FIG. 4A). Las piezas de extremo 27 y 28 proporcionan una estructura común para la fijación con el muelle 24 y con el polímero 22. Además, cada pieza extrema 27 y 28 permite el acoplamiento externo mecánico y desmontable con el dispositivo 20. Por ejemplo, el dispositivo 20 puede emplearse en una aplicación robótica en la que la pieza extrema 27 está fijada a una articulación corriente arriba en un robot y la pieza extrema 28 está fijada a una articulación corriente abajo en un robot. El accionamiento del polímero electroactivo 22 mueve entonces la articulación corriente abajo con respecto a la articulación corriente arriba según determina el grado de libertad entre las dos articulaciones (por ejemplo, el giro de la articulación 2 en torno a un eje de charnela en la articulación 1).

En una realización específica, el agujero interno 27c comprende una rosca interna susceptible de un contacto roscado con un miembro de rosca, como un tornillo o un perno roscado. La rosca interna permite la fijación mecánica desmontable en un extremo del dispositivo 20. Por ejemplo, puede atornillarse un tornillo en la rosca interna dentro de la pieza extrema 27 para la fijación externa a un elemento robótico. Para una fijación mecánica desmontable interna al dispositivo 20, pueden roscarse una tuerca o un perno en cada pieza extrema 27 y 28 y pueden hacerse pasar a través del núcleo axial del muelle 24, fijando con ello entre sí las dos piezas de extremo 27 y 28. Esto permite que el dispositivo 20 sea mantenido en cualquier estado de deformación, como en un estado completamente comprimido, útil durante el enrollamiento. Esto también puede resultar útil durante el almacenaje del dispositivo 20, para que el polímero 22 no esté deformado cuando está almacenado.

En una realización, un miembro rígido o guía lineal 30 está dispuesto dentro del núcleo de muelle del muelle 24. Dado que el polímero 22 en el muelle 24 es sustancialmente flexible entre las piezas de extremo 27 y 28, el dispositivo 20 permite tanto la deformación axial siguiendo la dirección 35 como la inflexión del polímero 22 y el muelle 24 alejándose de su eje lineal (el eje que pasa por el centro del muelle 24). En algunas realizaciones, solo se desea la deformación axial. La guía lineal 30 evita la inflexión del dispositivo 20 entre las piezas de extremo 27 y 28 en torno al eje lineal. Preferentemente, la guía lineal 30 no interfiere en la inflexión axial del dispositivo 20. Por ejemplo, preferentemente, la guía lineal 30 no introduce resistencia de fricción entre ella misma y ninguna porción del muelle 24. Con la guía lineal 30, o cualquier otra limitación adecuada que evite el movimiento fuera de la dirección axial 35, el dispositivo 20 puede actuar como un accionador o generador lineal con una salida estrictamente en la dirección 35. La guía lineal 30 puede comprender cualquier material debidamente rígido, como madera, plástico, metal, etc.

El polímero 22 está enrollado reiteradamente en torno al muelle 22. Para una construcción de una sola capa de polímero electroactivo, un polímero electroactivo enrollado de la presente invención puede comprender entre aproximadamente 2 y aproximadamente 200 capas. En este caso, una capa se refiere al número de películas o láminas de polímero encontradas en un corte transversal radial de un polímero enrollado. En algunos casos, un polímero enrollado comprende entre aproximadamente 5 y aproximadamente 100 capas. En una realización específica, un polímero electroactivo enrollado comprende entre aproximadamente 15 y aproximadamente 50 capas.

En otra realización, un polímero electroactivo enrollado emplea una estructura de múltiples capas. La estructura de múltiples capas comprende múltiples capas de polímero dispuestas cada una sobre otra antes del enrollamiento o la disposición en espiral. Por ejemplo, puede disponerse una segunda capa de polímero electroactivo, sin electrodos estampados sobre la misma, encima de un polímero electroactivo que tenga electrodos estampados por ambos lados. El electrodo que está inmediatamente entre los dos polímeros sirve a ambas superficies poliméricas en contacto inmediato. Después del enrollamiento, el electrodo en la cara inferior del polímero dotado de electrodos hace entonces contacto con la cara superior del polímero sin electrodos. De esta manera, el segundo polímero electroactivo sin electrodos estampados sobre el mismo usa los dos electrodos del primer polímero dotado de electrodos.

Son posibles otras construcciones de múltiples capas. Por ejemplo, una construcción de múltiples capas puede comprender cualquier número par de capas de polímeros en las que las capas de polímero de número impar están dotadas de electrodos y las capas de polímero de número par no. La superficie superior del polímero superior, carente de electrodos, depende entonces del electrodo que está en la parte inferior de la pila después del enrollamiento. Con esta técnica, son posibles construcciones de múltiples capas que tienen 2, 4, 6, 8 capas, etc. En algunos casos, el número de capas usadas en una construcción de múltiples capas puede estar limitado por las dimensiones del rodillo y el espesor de las capas de polímero. Típicamente, a medida que disminuye el radio del rodillo, el número de capas permisibles disminuye también. Con independencia del número de capas usadas, el transductor enrollado está configurado de tal manera que un electrodo de polaridad dada no toque un electrodo de la polaridad opuesta. En una realización, las múltiples capas están dotadas individualmente cada una de electrodos y cada segunda capa de polímero se vuelve del revés antes de enrollarse, de modo que los electrodos en contacto mutuo después del enrollamiento sean de una tensión o una polaridad similares.

La pila múltiples capas de polímero puede comprender también más de un tipo de polímero. Por ejemplo, pueden usarse una o más capas de un segundo polímero para modificar la elasticidad o la rigidez de las capas enrolladas de polímeros electroactivos. Este polímero puede o no ser activo en la carga/descarga durante el accionamiento. Cuando se emplea una capa de polímero no activo, el número de capas de polímero puede ser impar. El segundo polímero puede ser también otro tipo de polímero electroactivo que varíe el rendimiento del producto enrollado.

En una realización, la capa más externa de un polímero electroactivo enrollado no comprende un electrodo dispuesto sobre la misma. Esto puede realizarse para proporcionar una capa de protección mecánica, o para aislar eléctricamente los electrodos de la capa interior siguiente. Por ejemplo, pueden seleccionarse las capas interiores y exteriores y el recubrimiento superficial para proporcionar compatibilidad de fluido, como se ha descrito previamente. Las características de las capas múltiples descritas en lo que antecede también pueden ser aplicadas en polímeros electroactivos no enrollados, como los diafragmas de EPAM descritos más arriba.

El dispositivo 20 proporciona una estructura compacta para el dispositivo de polímeros electroactivos y mejora el rendimiento global del dispositivo de polímeros electroactivos con respecto a los dispositivos convencionales de polímeros electroactivos. Por ejemplo, la estructura de capas múltiples del dispositivo 20 modula la constante global de muelle del dispositivo con respecto a cada una de las capas individuales de polímero. Además, la rigidez acrecentada del dispositivo lograda por medio del muelle 24 aumenta la rigidez del dispositivo 20 y permite una respuesta más rápida en el accionamiento, si se desea.

En una realización específica, el muelle 24 es un muelle de compresión como el número de catálogo 11422 proporcionado por Century Spring, de Los Ángeles, California. Este muelle se caracteriza por una fuerza de resorte de aproximadamente 159,37 N/m y dimensiones de 111,25 mm de altura libre, 29,72 mm de vueltas sólidas, 9,14 mm de diámetro externo, 7,62 mm de diámetro interno. En este caso, el dispositivo 20 de polímero electroactivo tiene una altura 36 entre aproximadamente 5 y aproximadamente 7 cm, un diámetro 37 entre aproximadamente 0,8 y aproximadamente 1,2 cm y una región activa entre piezas de extremo entre aproximadamente 4 y aproximadamente 5 cm. El polímero está caracterizado por una predeformación circunferencial entre aproximadamente un 300 y aproximadamente un 500 por ciento y una predeformación axial (incluyendo las aportaciones de fuerza del muelle 24) entre aproximadamente un 150 y aproximadamente un 250 por ciento.

Aunque el dispositivo 20 se ilustra con un único muelle 24 dispuesto de forma interna con respecto al polímero enrollado, se entiende que también pueden usarse estructuras adicionales, como otro muelle externo al polímero, para proporcionar fuerzas de deformación y de predeformación. Estas estructuras externas pueden ser fijadas al dispositivo 20 usando, por ejemplo, las piezas de extremo 27 y 28.

La FIG. 4F ilustra un transductor 150 de inflexión para proporcionar una rigidez variable en base a cambios estructurales según una realización de la presente invención. En este caso, el transductor 150 varía y controla la rigidez en una dirección usando la deformación del polímero en otra dirección. En una realización, el transductor de inflexión puede ser utilizado para proporcionar una fuerza de impulso a un fluido (véanse las FIGURAS 2A-2D). El transductor 150 incluye un polímero 151 fijado en un extremo por un soporte rígido 152. Un material delgado flexible 153 como poliimida o mylar está fijado al polímero 151 usando una capa adhesiva, por ejemplo. El material delgado flexible 153 tiene un módulo de elasticidad mayor que el polímero 151. La diferencia en el módulo de elasticidad para las caras superior e inferior 156 y 157 del transductor 150 hace que el transductor se doble con el accionamiento. Los electrodos 154 y 155 están fijados a las caras opuestas del polímero 151 para proporcionar comunicación eléctrica entre el polímero 151y la electrónica de control usada para controlar la deformación del transductor 150. El transductor 150 no es plano, sino que, según se muestra, tiene más bien una ligera curvatura en torno al eje 160. La dirección 160 está definida como una rotación o una inflexión en torno a una línea que se extiende axialmente desde el soporte rígido 152 a través del polímero 151. La curvatura vuelve al transductor 150 rígido en respuesta a fuerzas aplicadas a la punta en cualquiera de las direcciones indicadas por las flechas 161. En lugar de las fuerzas, o además de las mismas, pueden aplicarse pares al transductor. Estos pares pueden ser aplicados en torno al eje indicado por las flechas de las direcciones 161a y 161b.

La FIG. 4G ilustra el transductor 150 con una deformación en la dirección 161b que está causada por la aplicación de una tensión a los electrodos 154 y 155. Se aplica la tensión para permitir que las fuerzas de inflexión superen la resistencia presentada por la curvatura en el estado no accionado. Efectivamente, el transductor 152 se dobla con un rizo causado por la curvatura inicial. En este estado, la rigidez en respuesta a las fuerzas o los pares indicados por las direcciones 161 es mucho menor.

Puede fijarse una superficie mecánica de contacto a la porción distal 159 del transductor 150. Alternativamente, la fijación mecánica puede efectuarse con el material delgado flexible 153 para permitir la implementación del transductor 150 en un dispositivo mecánico. Por ejemplo, el transductor 150 es perfectamente apto para el uso en aplicaciones como estructuras espaciales ligeras, en las que resulta útil la inflexión de la estructura para que pueda ser almacenada y desplegada. En este ejemplo, la condición rígida de transductores individuales (que forman nervaduras en la estructura) ocurre cuando la estructura es desplegada. Para permitir su almacenamiento, se accionan los transductores y las nervaduras pueden ser dobladas. En otra aplicación, los transductores forman nervaduras en la pared lateral de los neumáticos. En esta aplicación, el cambio en la rigidez de las nervaduras puede afectar a la rigidez de los neumáticos y, así, a la maniobrabilidad resultante del vehículo que usa los neumáticos. De forma similar, el dispositivo puede ser implementado en un zapato y el cambio de rigidez de las nervaduras puede afectar a la rigidez del zapato.

El transductor 150 proporciona un ejemplo en el que el accionamiento de un polímero electroactivo provoca cambios de baja energía en la configuración o la forma que afectan a la rigidez de un dispositivo. Usando esta técnica, es ciertamente posible variar la rigidez usando el transductor 150 a niveles mayores que dirigen el control de la energía mecánica o eléctrica. En otra realización, la deformación de un transductor de polímeros electroactivos contribuye directamente a la rigidez cambiante de un dispositivo dentro del cual está configurado el transductor.

La FIG. 4H ilustra un dispositivo 200 de arco adecuado para proporcionar una rigidez variable según otra realización de la presente invención. El dispositivo 200 es un mecanismo plano que comprende un marco flexible 202 fijado a un polímero 206. El marco 202 incluye seis miembros rígidos 204 conectados de forma pivotante en las articulaciones

205. Los miembros 204 y las articulaciones 205 asocian la deformación del polímero en una dirección 208 en el plano con una salida mecánica en una dirección perpendicular 210 en el plano. El dispositivo 200 de arco está en una posición de reposo según se muestra en la FIG. 4H. Fijados a superficies opuestas (superior e inferior) del polímero 206 hay electrodos 207 (no se muestra el electrodo inferior en la cara inferior del polímero 206) para proporcionar comunicación eléctrica con el polímero 206. La FIG. 4I ilustra el dispositivo 200 de arco después del accionamiento.

En la posición de reposo de la FIG. 4H, los miembros rígidos 204 proporcionan mucha rigidez a las fuerzas 209 en la dirección 208, según su rigidez natural. Sin embargo, para la posición del dispositivo 200 de arco mostrada en la FIG. 4I, la rigidez en la dirección 208 se basa en la flexibilidad del polímero 202 y en cualquier resistencia elástica a la rotación proporcionada por las articulaciones 205. Así, pueden usarse los componentes electrónicos de control en comunicación eléctrica con los electrodos 207 para aplicar un estado eléctrico que produzca la deformación del polímero 206 tal como se muestra en la FIG. 4H, y su correspondiente rigidez elevada, y un estado eléctrico que produzca la inflexión del polímero 206 tal como se muestra en la FIG. 4I, y su correspondiente rigidez reducida. En esto, puede usarse un simple control conectado/desconectado para proporcionar un gran cambio en la rigidez usando el dispositivo 200.

Además de la variación en la rigidez lograda variando la configuración de los miembros rígidos del dispositivo 200, la rigidez para la posición de la FIG. 4I puede variarse adicionalmente usando una de las técnicas de rigidez de bucle abierto o cerrado descritas en detalle en la solicitud estadounidense, en tramitación como la presente, nº 10/053.511, presentada el 16 de enero de 2002, de Kornbluh et al. y titulada “Variable Stiffness Electroactive Polymers”, que es incorporada en su totalidad y a todos los efectos en el presente documento.

3.2 Áreas activas múltiples

En algunos casos, los electrodos cubren una porción limitada de un polímero electroactivo con respecto al área total del polímero. Esto puede hacerse para evitar la disrupción eléctrica en torno al borde de un polímero, para permitir que porciones del polímero faciliten una construcción de enrollamiento (por ejemplo, una capa barrera exterior de polímero), para proporcionar multifuncionalidad o para lograr deformaciones a la medida para una o más porciones del polímero. Según se usa la expresión en el presente documento, un área activa se define como una porción de un transductor que comprende una porción de un polímero electroactivo y uno o más electrodos que proporcionan energía eléctrica a la porción o la reciben de la misma. El área activa puede ser utilizada para cualquiera de las funciones descritas más abajo. Para el accionamiento, el área activa incluye una porción de polímero que tiene suficiente fuerza electrostática para permitir la deformación de la porción. Para la generación o la detección, el área activa incluye una porción de polímero que tiene suficiente deformación para permitir un cambio en la energía electrostática. Un polímero de la presente invención puede tener múltiples áreas activas.

Según la presente invención, el término “monolítico” se usa en el presente documento para referirse a polímeros electroactivos y transductores que comprenden una pluralidad de áreas activas en un único polímero. La FIG. 4J ilustra un transductor monolítico 150 que comprende una pluralidad de áreas activas sobre un único polímero 151 según una realización de la presente invención. El transductor monolítico 150 convierte entre energía eléctrica y energía mecánica. El transductor monolítico 150 comprende un polímero electroactivo 151 que tiene dos áreas activas 152a y 152b. El polímero 151 puede ser mantenido en su sitio usando, por ejemplo, un marco rígido (no mostrado) fijado a los bordes del polímero. Acoplados a las áreas activas 152a y 152b hay cables 153 que permiten la comunicación eléctrica entre las áreas activas 152a y 152b y permiten la comunicación eléctrica con los componentes electrónicos 155 de comunicaciones.

El área activa 152a tiene electrodos superior e inferior 154a y 154b que están fijados al polímero 151 en sus superficies superior e inferior 151c y 151d, respectivamente. Los electrodos 154a y 154b proporcionan o reciben energía eléctrica entre los extremos de una porción 151a del polímero 151. La porción 151a puede deformarse con un cambio en el campo eléctrico proporcionado por los electrodos 154a y 154b. Para el accionamiento, la porción 151a comprende el polímero 151 entre los electrodos 154a y 154b y cualesquiera otras porciones del polímero 151 que tengan suficiente fuerza electrostática para permitir la deformación tras la aplicación de tensiones usando los electrodos 154a y 154b. Cuando se usa el área activa 152a como generador para convertir de energía eléctrica a energía mecánica, la deformación de la porción 151a provoca un cambio en el campo eléctrico en la porción 151a que es recibido como un cambio en la diferencia de tensión por los electrodos 154a y 154b.

El área activa 152b tiene electrodos superior e inferior 156a y 156b que están fijados al polímero 151 en sus superficies superior e inferior 151c y 151d, respectivamente. Los electrodos 156a y 156b proporcionan o reciben energía eléctrica entre los extremos de una porción 151b del polímero 151. La porción 151b puede deformarse con un cambio en el campo eléctrico proporcionado por los electrodos 156a y 156b. Para el accionamiento, la porción 151b comprende el polímero 151 entre los electrodos 156a y 156b y cualesquiera otras porciones del polímero 151 que tengan suficiente fatiga inducida por la fuerza electrostática para permitir la deformación tras la aplicación de tensiones usando los electrodos 156a y 156b. Cuando se usa el área activa 152b como generador para convertir de energía eléctrica a energía mecánica, la deformación de la porción 151b provoca un cambio en el campo eléctrico en la porción 151b que es recibido como un cambio en la diferencia de tensión por los electrodos 156a y 156b.

Las áreas activas para un polímero electroactivo pueden ser estampadas y configuradas fácilmente usando técnicas convencionales de fabricación de electrodos de polímero electroactivo. Los polímeros y los transductores con múltiples áreas activas son descritos adicionalmente en el documento 09/779.203, que se incorpora en el presente documento por referencia a todos los efectos. La capacidad de estampar y controlar independientemente múltiples áreas activas permite que los transductores enrollados de la presente invención se empleen en muchas aplicaciones nuevas, así como que se empleen en aplicaciones existentes de nuevas maneras.

La FIG. 4K ilustra un transductor monolítico 170 que comprende una pluralidad de áreas activas sobre un único polímero 172, antes de su enrollamiento, según una realización de la presente invención. En la presente invención, puede usarse el transductor monolítico 170 con una configuración con o sin enrollamiento. El transductor 170 comprende electrodos individuales 174 en la cara vista 177 de polímero. La cara opuesta 172 del polímero (no mostrada) puede incluir electrodos individuales que corresponden en ubicación a los electrodos 174, o puede incluir un electrodo común que abarca en área y servicios a múltiples electrodos 174 o a su totalidad y simplifica la comunicación eléctrica. Las áreas activas 176 comprenden, entonces, porciones del polímero 172 entre cada electrodo individual 174 y el electrodo en la cara opuesta del polímero 172, según determine el modo de operación del área activa. Por ejemplo, para el accionamiento, el área activa 176a para el electrodo 174a incluye una porción de polímero 172 que tiene suficiente fuerza electrostática para permitir la deformación de la porción, tal como se ha descrito más arriba.

Las áreas activas 176 en el transductor 170 pueden ser configuradas para una o más funciones. En una realización, todas las áreas activas 176 están configuradas para el accionamiento. En otra realización adecuada para su uso con aplicaciones robóticas, una o dos áreas activas 176 están configuradas para detectar, mientras que las restantes áreas activas 176 están configuradas para el accionamiento. De esta manera, un dispositivo de polímero electroactivo enrollado que usa un transductor 170 es capaz tanto de accionamiento como de detección. Cualquier área activa designada para la detección puede incluir cableado dedicado que se conecta a componentes electrónicos de detección, tal como se describe más abajo.

Según se muestra, cada uno de los electrodos 174a-d incluye un cable 175a-d unido al mismo que proporciona una comunicación eléctrica externa dedicada y permite un control individual para cada área activa 176a-d. Los electrodos 174e-i están todos en comunicación eléctrica con el electrodo común 177 y el cable 179 que proporciona una comunicación eléctrica común con las áreas activas 176e-i. El electrodo común 177 simplifica la comunicación eléctrica con múltiples áreas activas de un polímero electroactivo enrollado que se emplean para operar de manera similar. En una realización, el electrodo común 177 comprende papel de aluminio dispuesto sobre el polímero 172 antes del enrollamiento. En una realización, el electrodo común 177 es un electrodo estampado de un material similar al usado para los electrodos 174a-i, por ejemplo grasa de carbono.

Por ejemplo, puede emplearse un conjunto de áreas activas para una o más operaciones de accionamiento, generación, detección, cambio de la rigidez y/o el amortiguamiento, o una combinación de los mismos. Un control eléctrico adecuado también permite que se use una sola área activa para más de una función. Por ejemplo, el área activa 174a puede ser utilizada para el accionamiento y el control variable de la rigidez de un conducto de fluido. La misma área activa puede ser usada para la generación para producir energía eléctrica en base al movimiento del conducto de fluido. Más abajo se describen con detalle componentes electrónicos adecuados para cada una de estas funciones. El área activa 174b también puede ser usada de forma flexible para el accionamiento, la generación, la detección, el cambio de la rigidez o una combinación de los mismos. La energía generada por un área activa puede ser proporcionada a otra área activa si una aplicación lo desea. Así, los polímeros y los transductores enrollados de la presente invención pueden incluir áreas activas usadas como un accionador para convertir de energía eléctrica a mecánica, un generador para convertir de energía mecánica a eléctrica, un sensor que detecte un parámetro o un dispositivo de rigidez y/o amortiguamiento variables que se usa para controlar la rigidez y/o el amortiguamiento, o combinaciones de los mismos.

En una realización, múltiples áreas activas empleadas para el accionamiento están cableadas en grupos para proporcionar un control eléctrico graduado de la fuerza y/o una salida de la deformación partiendo de un dispositivo enrollado de polímeros electroactivos. Por ejemplo, un transductor enrollado de polímeros electroactivos puede tener 50 áreas activas, estando acopladas 20 áreas activas a un electrodo común, 10 áreas activas a un segundo electrodo común, otras 10 áreas activas a un tercer electrodo común, 5 áreas activas a un cuarto electrodo común y las cinco restantes individualmente cableadas. Entonces, una gestión adecuada por ordenador y un control de activado-desactivado para cada electrodo común permiten una fuerza graduada y un control de la deformación para el transductor enrollado usando únicamente una conmutación binaria de activado/desactivado. La analogía biológica de este sistema son las unidades motoras encontradas en los muchos sistemas de control muscular en los mamíferos. Obviamente, de esta manera puede implementarse cualquier número de áreas activas y de electrodos de control para proporcionar una salida mecánica adecuada o un sistema de control graduado.

3.3 Dispositivos con múltiples grados de libertad

En otra realización, múltiples áreas activas de un polímero electroactivo están dispuestas de tal forma que, después del enrollamiento, se alinean radialmente subconjuntos de las áreas activas. Por ejemplo, las múltiples áreas activas pueden ser dispuestas de tal forma que, después del enrollamiento, las áreas activas estén dispuestas cada 90 grados en el rodillo. Estos electrodos radialmente alineados pueden ser accionados entonces a la vez para permitir un movimiento de múltiples grados de libertad para un dispositivo enrollado de polímeros electroactivos. De forma similar, pueden obtener múltiples grados de libertad para dispositivos no enrollados de polímeros electroactivos, como los descritos con respecto a las FIGURAS 4F y 4G. Así, los dispositivos de polímeros enrollados son una realización de múltiples grados de libertad que pueden ser obtenidos con una configuración de transductores de la presente invención.

La FIG. 4L ilustra un transductor enrollado 180 capaz de producir una salida bidimensional según una realización de la presente invención. El transductor 180 comprende un polímero electroactivo 182 enrollado para proporcionar diez capas. Cada capa comprende cuatro áreas activas radialmente alineadas. El centro de cada área activa está dispuesto con un incremento de 90 grados con respecto a su vecino. La FIG. 4L muestra la capa más exterior del polímero 182 y las áreas activas 184, 186 y 188 radialmente alineadas, que están dispuestas de tal modo que sus centros marcan incrementos de 90 grados entre sí. Una cuarta área activa radialmente alineada (no mostrada) en la parte de atrás del polímero 182 tiene un centro situado a aproximadamente 180 grados del área activa 186 radialmente alineada.

El área activa 184 radialmente alineada puede incluir una comunicación eléctrica común con las áreas activas de las capas interiores de polímero que tienen el mismo alineamiento radial. De forma similar, no se muestran las otras tres áreas activas exteriores 182, 186 radialmente alineadas ni el área activa posterior; pueden incluir una comunicación eléctrica común con sus homólogos interiores. En una realización, el transductor 180 comprende cuatro cables que proporcionan un accionamiento común para cada uno de los cuatro conjuntos de áreas activas radialmente alineadas.

La FIG. 4M ilustra un transductor 180 con el área activa radialmente alineada 188 y sus correspondientes áreas activas de capas interiores radialmente alineadas, accionadas. El accionamiento del área activa 188 y de las correspondientes áreas activas de las capas interiores da como resultado la expansión axial del transductor 188 en la cara opuesta del polímero 182. El resultado es la inflexión lateral del transductor 180, aproximadamente 180 grados desde el punto central del área activa 188. El efecto puede medirse también por la deformación de una porción superior 189 del transductor 180, que traza un arco radial desde la posición de reposo mostrada en la FIG. 4L hasta la posición mostrada en la FIG. 4M. Variar la cantidad de energía eléctrica suministrada al área activa 188 y a las correspondientes áreas activas de capas interiores controla la deformación de la porción superior 189 a lo largo de este arco. Así, la porción superior 189 del transductor 180 puede tener una deformación como la mostrada en la FIG. 4L, o mayor, o una deformación que se aleja mínimamente de la posición mostrada en la FIG. 4L. Puede lograrse una inflexión similar en otra dirección accionando uno cualquiera de los demás conjuntos de áreas activas radialmente alineadas.

Combinar el accionamiento de los conjuntos de áreas activas radialmente alineadas produce un espacio bidimensional para la deformación de la porción superior 189. Por ejemplo, los conjuntos 186 y 184 de áreas activas radialmente alineadas pueden ser objeto de accionamiento simultáneo para producir la deformación de la porción superior con un ángulo de 45 grados correspondiente al sistema de coordenadas mostrado en la FIG. 4L. Disminuir la cantidad de energía eléctrica proporcionada al conjunto 186 de áreas activas radialmente alineadas y aumentar la cantidad de energía eléctrica proporcionada al conjunto 184 de áreas activas radialmente alineadas acerca la porción superior 189 a la marca de los cero grados. Entonces, un adecuado control eléctrico permite que la porción superior 189 trace una trayectoria para cualquier ángulo de 0 a 360 grados, o que siga trayectorias variables en este espacio bidimensional.

El transductor 180 es también susceptible de deformación tridimensional. El accionamiento simultáneo de áreas activas en las cuatro caras del transductor 180 mueve la porción superior 189 hacia arriba. En otras palabras, el transductor 180 es también un accionador lineal susceptible de deformación axial en base al accionamiento simultáneo de áreas activas en todas las caras del transductor 180. Acoplar este accionamiento lineal con el accionamiento diferencial de áreas activas radialmente alineadas y su resultante deformación bidimensional como acaba de describirse dan como resultado un espacio de deformación tridimensional para la porción superior del transductor 180. Así, un adecuado control eléctrico permite que la porción superior 189 se mueva tanto arriba como abajo, así como que trace trayectorias bidimensionales a lo largo de este eje lineal.

Aunque el transductor 180 se muestra, en aras de la simplicidad, con cuatro conjuntos de áreas activas radialmente alineadas dispuestos con incrementos de 90 de grados, se entiende que los transductores de la presente invención susceptibles de movimiento bidimensional y tridimensional pueden comprender diseños más complejos o alternativos. Por ejemplo, ocho conjuntos de áreas activas radialmente alineadas dispuestos con incrementos de 45 grados. Alternativamente, tres conjuntos de áreas activas radialmente alineadas dispuestos con incrementos de 120 grados pueden ser adecuados para un movimiento en 2 y 3 dimensiones.

Además, aunque se muestra el transductor 180 con solo un conjunto de áreas activas axiales, la estructura de la FIG. 4L es modular. En otras palabras, los cuatro conjuntos de áreas activas radialmente alineadas dispuestos con incrementos de 90 grados pueden darse múltiples veces en una dirección axial. Por ejemplo, los conjuntos de áreas activas radialmente alineados que permiten un movimiento bidimensional y tridimensional pueden repetirse diez veces para proporcionar un patrón ondulatorio que puede imprimirse a un flujo de fluido.

4. Detección

Los polímeros electroactivos de la presente invención también pueden ser configurados como un sensor. Generalmente, los sensores de polímeros electroactivos de esta invención detectan un “parámetro” y/o cambios en el parámetro. El parámetro es normalmente una propiedad física de un objeto, como su temperatura, densidad, fatiga, deformación, velocidad, ubicación, contacto, aceleración, vibración, volumen, presión, masa, opacidad, concentración, estado químico, conductividad, magnetización, constante dieléctrica, tamaño, etc. En algunos casos, el parámetro que se detecta está asociado con un “evento” físico. El evento físico que se detecta puede ser el logro de un valor o un estado particulares de una propiedad física o química. En los sistemas biológicos, la propiedad física puede ser un parámetro biológico del sistema, como el nivel de azúcar en sangre en el sistema circulatorio humano o la concentración de un fármaco.

Un sensor de polímero electroactivo está configurado de tal manera que una porción del polímero electroactivo se deforma en respuesta al cambio en un parámetro que se detecta. El estado de la energía eléctrica y el estado de deformación del polímero están relacionados. El cambio en la energía eléctrica o un cambio en la impedancia eléctrica de un área activa resultante de la deformación pueden ser detectados entonces por medio de componentes electrónicos de detección en comunicación eléctrica con los electrodos del área activa. Este cambio puede comprender un cambio en la capacitancia del polímero, un cambio en la resistencia del polímero y/o un cambio en la resistencia de los electrodos, o una combinación de los mismos. Los circuitos electrónicos en comunicación eléctrica con los electrodos detectan el cambio en la propiedad eléctrica. Por ejemplo, si se está midiendo un cambio en la capacitancia o la resistencia, se aplica energía eléctrica a los electrodos incluidos en el transductor y se observa un cambio en los parámetros eléctricos.

En una realización, se introduce una deformación en un sensor de área activa de alguna manera por medio de uno o más mecanismos de acoplamiento. En una realización, la propiedad o el parámetro cambiante que mide el sensor corresponde una propiedad cambiante del polímero electroactivo; por ejemplo, cambios de desplazamiento o de tamaño en el polímero, y no se usa mecanismo de acoplamiento alguno. Componentes electrónicos de detección en comunicación eléctrica con electrodos detectan el cambio al que da salida el área activa. En algunos casos, un dispositivo lógico en comunicación eléctrica con componentes electrónicos de detección del sensor cuantifica el cambio eléctrico para proporcionar un medida digital o de otra naturaleza del parámetro cambiante que se está detectando. Por ejemplo, el dispositivo lógico puede ser un ordenador monochip o microprocesador que procese información producida por componentes electrónicos de detección. Los sensores de polímeros electroactivos son descritos adicionalmente en el documento 10/007.705, que es incorporado al presente documento a todos los efectos por referencia.

Un área activa puede ser configurada de tal manera que la detección se realice simultáneamente con el accionamiento del área activa. Para un transductor monolítico, un área activa puede ser responsable del accionamiento y otra de la detección. Alternativamente, la misma área activa de un polímero puede ser responsable del accionamiento y de la detección. En este caso, puede superponerse una señal de CA de baja amplitud y alta frecuencia a la señal excitadora (de accionamiento). Por ejemplo, puede superponerse una señal de detección de 1000 Hz a una señal excitadora de 10 Hz. La señal excitadora dependerá de la aplicación, o de lo rápidamente que se esté moviendo el accionador, pero las señales excitadoras en el intervalo de menos de 0,1 Hz hasta aproximada 1 millón de Hz son adecuadas para muchas aplicaciones. En una realización, la señal de detección es al menos 10 veces más rápida que el movimiento que se está midiendo. Los componentes electrónicos de detección pueden entonces detectar y medir la respuesta de alta frecuencia del polímero para permitir un rendimiento del sensor que no interfiera en el accionamiento del polímero. De manera similar, si se detectan cambios de impedancia y se miden mientras el transductor de polímero electroactivo se está usando como un generador, puede superponerse una señal pequeña de CA de alta frecuencia a la señal de tensión de generación de frecuencia menor. Técnicas de filtrado pueden separar entonces las señales de medición y de potencia.

Las áreas activas de la presente invención también puede estar configuradas para proporcionar funciones de rigidez y amortiguamiento variables. En una realización se usan técnicas de bucle abierto para controlar la rigidez y/o el amortiguamiento de un dispositivo que emplea un transductor de polímero electroactivo, proporcionándose con ello diseños simples que tienen un rendimiento deseado de rigidez y/o amortiguamiento sin retroalimentación del sensor. Por ejemplo, la electrónica de control en comunicación eléctrica con los electrodos del transductor puede suministrar una carga sustancialmente constante a los electrodos. De manera alternativa, la electrónica de control puede suministrar una tensión sustancialmente constante a los electrodos. Los sistemas que emplean un transductor de polímero electroactivo ofrecen varias técnicas para proporcionar control de la rigidez y/o el amortiguamiento. Más abajo se proporciona un circuito ejemplar que proporciona control de la rigidez y/o el amortiguamiento.

Aunque no se describen con detalle, es importante hacer notar que las áreas activas y los transductores de todas las figuras y las exposiciones de la presente invención pueden convertir entre energía eléctrica y energía mecánica de forma bidireccional (con la electrónica adecuada). Así, cualquiera de los polímeros enrollados, las áreas activas, las configuraciones de polímeros, los transductores y los dispositivos descritos en el presente documento puede ser un transductor para convertir energía mecánica en energía eléctrica (generación, rigidez o amortiguamiento variables o detección) y para convertir energía eléctrica en energía mecánica (accionamiento, rigidez o amortiguamiento variables o detección). Típicamente, un área activa de un generador o un sensor de la presente invención comprende un polímero dispuesto de una manera que provoque un cambio en el campo eléctrico en respuesta a la deformación de una porción del polímero. El cambio en el campo eléctrico, junto con los cambios en la dimensión del polímero en la dirección del campo, produce un cambio en la tensión y, por ende, un cambio en la energía eléctrica.

A menudo, el transductor se emplea dentro de un dispositivo que comprende otros elementos estructurales y/o funcionales. Por ejemplo, puede introducirse energía mecánica externa en el transductor de alguna manera por medio de uno o más mecanismos de acoplamiento de transmisión mecánica. Por ejemplo, el mecanismo de transmisión puede estar diseñado o configurado para recibir energía mecánica generada por el flujo y para transferir una porción de la energía mecánica generada por el flujo a una porción de un polímero, en la que la porción transferida de la energía mecánica generada por el flujo da como resultado una deformación en el transductor. La energía mecánica generada por el flujo puede producir una fuerza inercial o una fuerza directa, recibiendo el mecanismo de transmisión una porción de la fuerza inercial o de la fuerza directa.

5. Electrónica de acondicionamiento

Los dispositivos de la presente invención también pueden contar con una electrónica de acondicionamiento que proporcione o reciba energía eléctrica de electrodos de un área activa para una de las funciones de los polímeros electroactivos mencionadas en lo que antecede. La electrónica de acondicionamiento en comunicación eléctrica con una o más áreas activas puede incluir funciones como el control de la rigidez, la disipación de energía, la generación de energía eléctrica, el accionamiento de polímeros, la detección de la deformación de polímeros, el control lógico, etc.

Para el accionamiento, pueden conectarse a los electrodos accionadores electrónicos. La tensión proporcionada a los electrodos de un área activa dependerá de los detalles específicos de una aplicación. En una realización, un área activa de la presente invención es accionada eléctricamente modulando una tensión aplicada en torno a una tensión de polarización de CC. La modulación en torno a una tensión de polarización permite una sensibilidad y una linealidad mejoradas del transductor a la tensión aplicada. Por ejemplo, un transductor usado en una aplicación de audio puede ser accionado por una señal de hasta 200 a 1000 voltios de pico a pico por encima de una tensión de polarización que oscila entre aproximadamente 750 y 2000 voltios de CC.

Las tensiones adecuadas de accionamiento para los polímeros electroactivos o porciones de los mismos pueden variar en base a las propiedades materiales del polímero electroactivo, como la constante dieléctrica, así como de las dimensiones del polímero, como el espesor de la película polimérica. Por ejemplo, los campos eléctricos de accionamiento usados para accionar el polímero 12 de la Figura 4A pueden oscilar en magnitud entre aproximadamente 0 V/m y aproximadamente 440 MV/m. Los campos eléctricos de accionamiento en este intervalo pueden producir una presión en el intervalo de aproximadamente 0 Pa a aproximadamente 10 MPa. Para que el transductor produzca fuerzas mayores, puede aumentarse el espesor de la capa de polímero. Las tensiones de accionamiento para un polímero particular pueden reducirse, por ejemplo, aumentando la constante dieléctrica, disminuyendo el espesor del polímero y disminuyendo el módulo de elasticidad.

La FIG. 4N ilustra un esquema eléctrico de un sistema de rigidez/amortiguamiento variable de bucle abierto según una realización de la presente invención. El sistema 130 comprende un transductor 132 de polímero electroactivo, una fuente 134 de tensión, componentes electrónicos de control que comprenden una circuitería 136 de rigidez/amortiguamiento variable y un control 138 de bucle abierto y un condensador intermedio 140.

La fuente 134 de tensión proporciona la tensión usada en el sistema 130. En este caso, la fuente 134 de tensión establece la tensión mínima para el transductor 132. Regular esta tensión mínima, junto con el control 138 de bucle abierto, regula la rigidez proporcionada por el transductor 132. La fuente 134 de tensión también suministra carga al sistema 130. La fuente 134 de tensión puede incluir un suministro de tensión disponible comercialmente, como una batería de baja tensión que suministre una tensión en el intervalo de aproximadamente 1-15 voltios y circuitería elevadora que eleve la tensión de la batería. En este caso, la reducción de tensión llevada a cabo por la circuitería reductora en comunicación eléctrica con los electrodos del transductor 132 puede ser utilizada para regular una tensión eléctrica de salida del transductor 132. Alternativamente, la fuente 134 de tensión puede incluir un circuito elevador variable que pueda producir una salida variable de alta tensión de la batería. Tal como se describirá con mayor detalle más abajo, la fuente 134 de tensión puede ser utilizada para aplicar un campo eléctrico umbral, según se describe en lo que sigue, para operar el polímero en un régimen de rigidez particular.

La rigidez o el amortiguamiento deseados para el sistema 130 son controlados por la circuitería 136 de rigidez/amortiguamiento variable, que establece y cambia un estado eléctrico proporcionado por la electrónica de control en el sistema 100 para proporcionar la rigidez o el amortiguamiento deseados aplicados por el transductor

132. En este caso, la circuitería 136 de rigidez/amortiguamiento introduce una tensión deseada en la fuente 134 de tensión y/o introduce un parámetro en el control 138 de bucle abierto. Alternativamente, si se usa la circuitería elevadora para elevar la fuente 134 de tensión, la circuitería 136 puede introducir una señal en la circuitería elevadora para permitir el control de la tensión.

A medida que se deforma el transductor 132, su tensión cambiante hace que la carga se mueva entre el transductor 132 y el condensador intermedio 140. Así, la expansión y la contracción del transductor 132, inducidas externamente, por ejemplo, desde una superficie de contacto mecánica vibratoria, hacen que la carga vaya y venga entre el transductor 132 y el condensador intermedio 140 a través del control 138 de bucle abierto. La tasa y la cantidad de carga movida hacia el transductor 132 o desde el mismo dependen de las propiedades del condensador intermedio 140, de la tensión aplicada al transductor 132, de cualesquiera componentes eléctricos adicionales en el circuito eléctrico (como una resistencia usada como control 138 de bucle abierto para proporcionar la funcionalidad de amortiguamiento según pasa la corriente a través de la misma), de la configuración mecánica del transductor 132 y de las fuerzas aplicadas al transductor 132 o por el mismo. En una realización, el condensador intermedio 140 tiene una tensión sustancialmente igual a la del transductor 132 para un desplazamiento de cero del transductor 132, la tensión del sistema 130 es establecida por la fuente 134 de tensión, y el control 138 de bucle abierto es un alambre, lo que da como resultado un flujo sustancialmente libre de carga entre el transductor 132 y el condensador intermedio 140 para la deformación del transductor 132.

El control 138 de bucle abierto proporciona una respuesta dinámica pasiva (no se suministra energía externa alguna) para la rigidez aplicada por el transductor 132. Concretamente, la rigidez proporcionada por el transductor 132 puede estar fijada por los componentes eléctricos incluidos en el sistema 130, como la electrónica de control y la fuente 134 de tensión, o por una señal procedente de la circuitería 136 de control que actúa sobre uno de los componentes eléctricos. De cualquiera de las dos formas, la respuesta del transductor 132 es pasiva a las deformaciones mecánicas externas impuestas sobre él. En una realización, el control 138 de bucle abierto es un resistor. La resistencia del resistor también puede ser fijada para proporcionar una constante de tiempo de circuito RC relativa a un tiempo de interés, por ejemplo un periodo de oscilación en el sistema mecánico en el que está implementado el transductor. En una realización, el resistor tiene una resistencia elevada, de modo que la constante de tiempo de circuito RC del control 138 de bucle abierto y el transductor 132 conectado en serie sea larga en comparación con una frecuencia de interés. En este caso, el transductor 132 tiene una carga sustancialmente constante durante el tiempo de interés. Una resistencia que produzca una constante de tiempo de circuito RC para el resistor y el transductor en el intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 30 veces el periodo de una frecuencia de interés puede ser adecuada para algunas aplicaciones. Para aplicaciones que incluyen un movimiento cíclico, aumentar la constante de tiempo de circuito RC mucho más que los periodos mecánicos de interés permite que la cantidad de carga en los electrodos del transductor 132 permanezca sustancialmente constante durante un ciclo. En los casos en los que el transductor se usa para el amortiguamiento, puede ser adecuada una resistencia que produzca una constante de tiempo de circuito RC para el resistor y el transductor en el intervalo de aproximadamente 0,1 a aproximadamente 4 veces el periodo de una frecuencia de interés. Como apreciará un experto en la técnica, las resistencias usadas para el resistor pueden variar en base a la aplicación, particularmente con respecto a la frecuencia de interés y al tamaño (y, por lo tanto, la capacitancia C) del transductor 132.

En una realización de un estado eléctrico adecuado usado para controlar la rigidez y/o la amortiguación usando técnicas de bucle abierto, la electrónica de control aplica una carga sustancialmente constante a los electrodos del transductor 132, aparte de cualquier imperfección eléctrica o de detalles del circuito que afecten mínimamente el flujo de corriente. La carga sustancialmente constante da como resultado una rigidez aumentada para el polímero que resiste la deformación del transductor 132. Una configuración eléctrica adecuada para lograr una carga sustancialmente constante es, según se ha descrito, una que tenga una constante de tiempo de circuito RC elevada. Cuando el valor de la constante de tiempo de circuito RC del control 138 de bucle abierto y el transductor 132 es larga en comparación con la frecuencia de interés, la carga en los electrodos para el transductor 132 es sustancialmente constante. Una descripción adicional del control de la rigidez y/o del amortiguamiento se halla en la solicitud de patente, del solicitante, 10/053.511, que se incorpora a todos los efectos al presente documento.

Para la generación, puede aplicarse energía mecánica al polímero o al área activa de una manera que permita que los cambios en la energía eléctrica se eliminen de los electrodos en contacto con el polímero. Son posibles muchos procedimientos para la aplicación de energía eléctrica y para la eliminación de un cambio de energía eléctrica del área activa. Pueden diseñarse dispositivos enrollados que utilicen uno o más de estos procedimientos para recibir un cambio de energía eléctrica. Para la generación y la detección, la generación y la utilización de energía eléctrica pueden requerir electrónica de acondicionamiento de algún tipo. Por ejemplo, como mínimo, se precisa una cantidad mínima de circuitería para eliminar energía eléctrica del área activa. Además, como ejemplo adicional, puede usarse circuitería de grados variables de complejidad para aumentar la eficiencia o la cantidad de generación eléctrica en un área activa particular o para convertir una tensión de salida en un valor más útil.

La FIG. 5A es un diagrama de bloques de una o más áreas activas 600 en un transductor que están conectadas a componentes electrónicos 610 de acondicionamiento de la potencia. Las funciones potenciales que pueden ser llevadas a cabo por los componentes electrónicos 610 de acondicionamiento de la potencia incluyen, sin limitación, 1) una elevación de tensión llevada a cabo por la circuitería elevadora 602, que puede ser utilizada cuando se aplica una tensión a áreas activas 600, 2) un control de carga llevado a cabo por la circuitería 604 de control de carga, que puede ser utilizada para añadir carga a las áreas activas 600, o para eliminarla de las mismas, en ciertos momentos, 3) una reducción de tensión llevada a cabo por la circuitería reductora 608, que puede ser utilizada para regular una tensión eléctrica de salida a un transductor. Todas estas funciones pueden no ser requeridas en los componentes electrónicos 610 de acondicionamiento. Por ejemplo, algunos dispositivos transductores pueden no usar la circuitería elevadora 602, otros dispositivos transductores pueden no usar la circuitería reductora 608, o algunos dispositivos transductores pueden no usar circuitería elevadora ni circuitería reductora. Además, algunas de las funciones de circuito pueden estar integradas. Por ejemplo, un circuito integrado puede llevar a cabo las funciones tanto de la circuitería elevadora 602 como de la circuitería 608 de control de carga.

La FIG. 5B es un esquema de circuito de un dispositivo enrollado 603 que emplea un transductor 600 para una realización de la presente invención. Tal como se ha expuesto en lo que antecede, los transductores de la presente invención pueden comportarse eléctricamente como condensadores variables. Para entender la operación del transductor 603, pueden compararse parámetros operativos del transductor enrollado 603 en dos momentos, t1 y t2. Sin desear estar limitados por ninguna teoría particular, se desarrollan varias relaciones teóricas en cuanto al rendimiento eléctrico del generador 603. Estas relaciones no están pensadas en modo alguno para limitar la forma en la que se operan los dispositivos y se proporcionan únicamente con fines ilustrativos.

En un primer momento t1, el transductor enrollado 600 puede poseer una capacitancia C1, y la tensión entre los extremos del transductor 600 puede ser la tensión 601, VB. La tensión 601, VB, puede ser proporcionada por la circuitería elevadora 602. En un segundo momento t2, posterior en el tiempo a t1, el transductor 600 puede poseer una capacitancia C2 que es inferior a la capacitancia C1. En general, la capacitancia mayor C1 ocurre cuando el transductor 600 de polímeros es estirado en su área, y la capacitancia menor C2 ocurre cuando el transductor 600 de polímeros es contraído o relajado en su área. Sin desear estar limitados por una teoría particular, el cambio en la capacitancia de una película polimérica con electrodos puede ser estimado por medio de fórmulas bien conocidas que relacionan la capacitancia con el área, el espesor y la constante dieléctrica de la película.

La disminución en capacitancia del transductor 600 entre t1 y t2 aumentará la tensión entre los extremos del transductor 600. La tensión aumentada puede ser utilizada para hacer pasar corriente por el diodo 616. El diodo 615 puede ser utilizado para evitar que la carga vuelva a fluir hacia la circuitería elevadora en tal momento. Los dos diodos 615 y 616 funcionan como circuitería 604 de control de carga para el transductor 600 que es parte de la electrónica 610 de acondicionamiento (véase la FIG. 5A). Pueden desarrollarse circuitos de control de carga más complejos dependiendo de la configuración del generador 603 y de los uno o más transductores 600 y no están limitados al diseño de la FIG. 5B.

También puede usarse un transductor como un sensor de polímero electroactivo para medir un cambio en un parámetro de un objeto que se está detectando. Típicamente, el cambio del parámetro induce una deformación en el transductor, que es convertida en una salida del cambio eléctrico por electrodos fijados al transductor. Son posibles muchos procedimientos para aplicar energía mecánica o eléctrica para deformar el polímero. Típicamente, la detección de energía eléctrica procedente del transductor usa componentes electrónicos de algún tipo. Por ejemplo, se requiere una cantidad mínima de circuitería para detectar un cambio en el estado eléctrico entre los extremos de los electrodos.

La FIG. 6 es un esquema de un sensor 450 que emplea un transductor 451 según una realización de la presente invención. Tal como se muestra en la FIG. 6, el sensor 450 comprende un transductor 451 y diversos componentes electrónicos 455 en comunicación eléctrica con los electrodos incluidos en el transductor 451. Los componentes electrónicos 455 están diseñados o configurados para añadir, eliminar y/o detectar energía eléctrica del transductor

451. Aunque muchos de los elementos de la electrónica 455 están descritos como unidades diferenciadas, se entiende que algunas de las funciones del circuito pueden ser integradas. Por ejemplo, un circuito integrado puede llevar a cabo las funciones tanto del dispositivo lógico 465 como de la circuitería 457 de control de carga.

En una realización, el transductor 451 está preparado para detectar aplicando inicialmente una tensión entre sus electrodos. En este caso, la tensión 452 proporciona una tensión VI. Generalmente, VI es menor que la tensión requerida para accionar el transductor 451. En algunas realizaciones, una batería de baja tensión puede suministrar tensión, VI, en el intervalo de aproximadamente 1-15 voltios. In cualquier realización particular, la elección de la tensión VI puede depender de un número de factores como la constante dieléctrica del polímero, el tamaño del polímero, el espesor del polímero, el ruido ambiental y la interferencia electromagnética, la compatibilidad con los circuitos electrónicos que podrían usar o procesar la información del sensor, etc. La carga inicial se pone en el transductor 451 usando el subcircuito 457 de control de los componentes electrónicos. Típicamente, el subcircuito 457 de control de los componentes electrónicos puede incluir un dispositivo lógico, como un ordenador monochip o microcontrolador para llevar a cabo funciones de control de tensión y/o de carga en el transductor 451. El subcircuito 457 de control de los componentes electrónicos es entonces responsable de la alteración de la tensión proporcionada por la tensión 452 para aplicar inicialmente la tensión relativamente baja en el transductor 451.

Los componentes 460 de detección están en comunicación eléctrica con los electrodos del transductor 451 y detectan el cambio en la energía eléctrica o en las características del transductor 451. Además de la detección, los componentes electrónicos 460 pueden incluir circuitos configurados para detectar, medir, procesar, propagar y/o registrar el cambio en la energía eléctrica o en las características del transductor 451. Los transductores de polímeros electroactivos de la presente invención pueden comportarse eléctricamente de varias maneras en respuesta a la deformación del transductor de polímero electroactivo. En consecuencia, pueden implementarse numerosos circuitos y sistemas simples de medición eléctrica dentro de la electrónica 460 de detección para detectar un cambio en la energía eléctrica del transductor 451. Por ejemplo, si el transductor 451 opera en modo de capacitancia, entonces puede usarse un simple puente de capacitancia para detectar cambios en la capacitancia del transductor 451. En otra realización, se dispone en serie un resistor de alta resistencia con el transductor 451 y se mide la caída de tensión entre los extremos del resistor de alta resistencia cuando se deforma el transductor 451. Más específicamente los cambios en la tensión del transductor 451 inducidos por la deformación del polímero electroactivo son utilizados para hacer pasar corriente por el resistor de alta resistencia. La polaridad del cambio de tensión entre los extremos del resistor determina entonces la dirección del flujo de corriente y si el polímero se está expandiendo o contrayendo. También pueden usarse técnicas de detección de la resistencia para medir cambios en la resistencia del polímero incluido o cambios en la resistencia de los electrodos. Se describen algunos ejemplos de estas técnicas en la solicitud de patente 10/007.705, del solicitante, que se incorporó previamente por referencia.

6. Aplicaciones

En lo que sigue se proporcionan varias aplicaciones ejemplares para algunos de los transductores y dispositivos para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido descrito más arriba. No se pretende que las aplicaciones ejemplares descritas en el presente documento limiten el alcance de la presente invención. Como apreciará un experto en la técnica, los transductores de la presente invención pueden encontrar uso en innumerables aplicaciones que requieren la conversión entre energía eléctrica y mecánica.

La FIG. 7A es un diagrama de bloques de un anfitrión 500, tal como un ser humano o un animal, conectado a dispositivos de EPAM que llevan a cabo trabajo termodinámico en un fluido. Los dispositivos de EPAM de la presente invención pueden ser utilizados para proporcionar una fuerza impulsora a un fluido en aplicaciones médicas. En general, los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados para mover cualquier fluido usado en el tratamiento médico de un anfitrión, tal como un ser humano o un animal, como sangre, aire, fármacos en una composición farmacéutica, linfa, alimentos, líquido espinal, fluido de desecho (por ejemplo, orina), fluido estomacal, etc. En particular, los dispositivos de EPAM pueden ser incorporados en dispositivos médicos que realicen asistencia cardiaca, como el bombeo de sangre en lugar de o en conjunción con el corazón. El dispositivo de EPAM puede ser utilizado en dispositivos médicos para proporcionar aire al cuerpo humano, como ventiladores y dispositivos de asistencia pulmonar para ayudar a personas con dificultad respiratoria.

En otras realizaciones adicionales, el dispositivo de EPAM puede ser utilizado para proporcionar trabajo termodinámico a fluidos como parte de 1) un dispositivo de diálisis (por ejemplo, bombear fluidos al interior del cuerpo y sacarlos de él), 2) un dispositivo de plasmaforesis (por ejemplo, mover el plasma al interior del cuerpo y sacarlo de él), 3) un dispositivo de bombeo de sangre (por ejemplo, bombear sangre al cuerpo como parte de una transfusión) y 4) un dispositivo de administración de fármacos (por ejemplo, bombear un fármaco desde una vía IV o administrar un fármaco por medio de un dispositivo implantado en el cuerpo).

Los dispositivos de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico pueden ser externos al cuerpo 501 (extracorporales) y estar conectados al cuerpo de alguna manera. Por ejemplo, una máquina de diálisis o un dispositivo para hacer circular la sangre durante una operación de trasplante cardiaco que están conectados al cuerpo pueden usar dispositivos de EPAM de la presente invención. Los dispositivos de EPAM pueden estar situados internamente en el cuerpo. Por ejemplo, un dispositivo médico 502 para administrar un fármaco, como la insulina, puede ser implantado debajo de la piel y usar un dispositivo de EPAM para bombear la insulina al interior del cuerpo. En otra realización, el dispositivo implantado 502 puede ser un corazón artificial o un dispositivo de asistencia cardiaca para ayudar a un corazón lesionado o enfermo. En otras realizaciones adicionales, los dispositivos de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido pueden ser susceptibles de llevarse puestos. Por ejemplo, una persona puede llevar puesto un dispositivo 503, como un dispositivo de bombeo de EPAM para la administración de un fármaco.

En otras realizaciones, los dispositivos de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico pueden ser utilizados en trajes o aparatos usados en entornos extremos. Por ejemplo, los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados para mover y controlar fluidos en trajes de buceo, para hacer circular fluidos en trajes de protección biológica/química y para hacer circular fluidos en trajes de protección contra el fuego. Los fluidos a los que se hace circular pueden ser utilizados para el control térmico, como regular y enfriar la temperatura corporal, así como para proporcionar un fluido respirable. Se puede hacer que los fluidos circulen dentro de un espacio definido dentro del traje o dentro de conductos que residen en los materiales usados para los trajes.

La FIG. 7B es un diagrama de bloques de un automóvil y subsistemas 515 de automóvil que emplean dispositivos de EPAM que llevan a cabo trabajo termodinámico en un fluido. En general, los dispositivos de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico pueden ser utilizados para llevar a cabo trabajo termodinámico en cualquier fluido usado en un sistema de automóvil. En particular, los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados en el subsistema 509 de refrigeración del motor para bombear fluidos, como aire o agua, en los conductos internos que se usan para enfriar el motor. Los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados en ventiladores o dispositivos de enfriamiento usados para mover aire externamente sobre partes del motor, como el bloque de motor o el radiador.

En otras realizaciones adicionales, los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados en el sistema de líquido del limpiaparabrisas para bombear líquido limpiaparabrisas al parabrisas. Los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados en el sistema 507 de combustible/aire como parte de una bomba de combustible usada para llevar combustible al motor o como parte de un sistema de bomba/compresor de aire usado en el motor. Los dispositivos de EPAM pueden ser usados en el sistema 505 de refrigeración/AA para mover aire calentado o refrigerado al compartimiento de pasajeros, para bombear refrigerantes como parte de ventiladores de enfriamiento para el sistema de refrigeración. Los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados como parte de un sistema 511 de motor/aceite como componente en una bomba de aceite. Los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados como parte del sistema 506 de control del escape o la contaminación para mover los gases de escape por el sistema.

En una realización particular, los dispositivos de EPAM pueden ser utilizados como parte del sistema 510 de neumáticos para añadir aire comprimido al neumático. La bomba de neumáticos puede estar situada en cada uno de los neumáticos, permitiendo que el neumático autorregule su propia presión de neumático. La bomba de neumáticos de EPAM puede estar conectada a uno o varios sensores que midan la presión del neumático, las condiciones de la carretera (por ejemplo, el estado seco, mojado, con hielo, etc.) y las condiciones ambientales (por ejemplo, la temperatura). A partir de los datos de los sensores, la bomba 510 de neumáticos de EPAM puede determinar la debida presión del neumático y regular la presión del neumático mientras se conduce el automóvil, al comienzo de un viaje y/o durante paradas. La bomba de neumáticos puede estar conectada a un sistema de control de sensores en el automóvil.

La FIG. 7C es un diagrama de bloques de un dispositivo de EPAM para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido en un cabezal 520 de una impresora de chorro de tinta. El cabezal de la impresora de chorro de tinta puede incluir una pluralidad de toberas 523 de tubo capilar, que pueden ser construidas del material de EPAM. Puede utilizarse una válvula 524 de EPAM con cada tobera para controlar el flujo al interior de la tobera 523. Puede utilizarse un accionador 521 de microrrodillo de EPAM para bombear tinta para cada tobera desde un reservorio 522 de tinta y para presurizar la tinta antes de su desprendimiento desde la tobera 523. Los detalles de las válvulas y las toberas de EPAM que pueden usarse con la presente invención se describen en la solicitud estadounidense, en tramitación con la presente, nº 10/_._, presentada el 5 de marzo de 2003, de Heim et al., y titulada “Electroactive Polymer Devices for Controlling Fluid Flow”, descrita previamente en el presente documento.

En una realización, un dispositivo integrado de EPAM puede llevar a cabo las funciones de una bomba, una válvula y una tobera. El elemento único de EPAM puede llevar a cabo la presurización del fluido (por ejemplo, tinta), luego puede abrir la válvula 524 de la tobera 523 de pulverización (también denominada aguja) al final o en alguna porción sincronizada de la carrera de la porción de bomba del dispositivo de EPAM. El líquido presurizado puede ser entonces atomizado según fluye a través de la tobera. Esta realización puede ser utilizada cuando se necesite una dosificación precisa de una pulverización atomizada, como en un cabezal de chorro de tinta o en los inyectores de combustible en un automóvil.

7. Conclusión

Aunque la presente invención ha sido descrita en términos de varias realizaciones preferentes, existen alternaciones, permutaciones y equivalentes que caen dentro del alcance de esta invención que han sido omitidos en aras de la brevedad. Por ejemplo, aunque la presente invención ha sido descrita en términos de varios materiales específicos de electrodo, la presente invención no está limitada a esos materiales y, en algunos casos, puede incluir el aire como un electrodo. Además, aunque la presente invención ha sido descrita en términos de geometrías enrolladas circulares, la presente invención no está limitada a estas geometrías y puede incluir dispositivos enrollados con secciones transversales y perfiles cuadrados, rectangulares u ovalados. Por lo tanto, se pretende que el alcance de la invención quede determinado con referencia a las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo para llevar a cabo trabajo termodinámico en un fluido, comprendiendo el dispositivo:

uno o más transductores (302), comprendiendo cada transductor (302) al menos dos electrodos y un polímero electroactivo en comunicación eléctrica con los al menos dos electrodos en el que una porción del polímero electroactivo está dispuesta para deformarse de una primera posición a una segunda posición en respuesta a un cambio en el campo eléctrico; y caracterizado por

al menos una superficie (323) en contacto con un fluido y acoplada operativamente a los uno o más transductores (302) en la que la deformación de la porción del polímero electroactivo provoca que se imparta al fluido el trabajo termodinámico, y en la que el trabajo termodinámico es transmitido al fluido por medio de la susodicha superficie (323), superficie (323) que está separada del polímero electroactivo.
2.

El dispositivo de la reivindicación 1, dispositivo que se selecciona del grupo que consiste en una bomba (300), un compresor (310) un accionador hidráulico (355) y un ventilador (325).
3.

El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la deformación de la porción del polímero electroactivo cambia la susodicha superficie (323) de una primera forma a una segunda forma.
4.

El dispositivo de la reivindicación 1 en el que la susodicha superficie (323) está acoplada operativamente a los uno o más transductores por medio de una articulación mecánica.
5.

El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende:

una cámara para recibir el fluido en la que una superficie limitadora de la cámara incluye la susodicha superficie (323).
6.

El dispositivo de la reivindicación 5 en el que la deformación de la porción del polímero electroactivo provoca un cambio en el volumen de la cámara.
7.

El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende uno o más conductos de fluido usados para proporcionar al menos una porción de una trayectoria de flujo para permitir que el fluido se desplace a través del dispositivo.
8.

El dispositivo de la reivindicación 7 que, además, comprende una o más válvulas (316) para controlar un caudal, una dirección de flujo del fluido o combinaciones de los mismos a través de la trayectoria de flujo.
9.

El dispositivo de la reivindicación 1 en el que el dispositivo es usado en un sistema (450) de control térmico para controlar una temperatura en una o más ubicaciones en un segundo dispositivo (455).
10.

El dispositivo de la reivindicación 9 en el que el segundo dispositivo (455) es un ordenador y una de las ubicaciones está próxima a un microprocesador (465) del ordenador.
11.

El dispositivo de la reivindicación 10 que, además, está caracterizado porque el fluido es para conducir energía térmica desde una primera ubicación a una segunda ubicación en el segundo dispositivo.
12.

El dispositivo de la reivindicación 1 en el que una frecuencia operativa en la que la porción del polímero electroactivo se deforma está por encima o por debajo de un intervalo auditivo humano.
13.

El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende un alojamiento (321) para encerrar los uno o más transductores (302) y la susodicha superficie (323).
14.

El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende componentes electrónicos de acondicionamiento diseñados o configurados para llevar a cabo uno o más de las siguientes funciones para los uno o más transductores: elevación (602) de la tensión, reducción (608) de la tensión y control (604) de carga.
15.

El dispositivo de la reivindicación 1 que, además, comprende:

una barrera de aislamiento diseñada o configurada para proteger la susodicha superficie (323) de los constituyentes del fluido en contacto con la susodicha superficie (323).
16.

El dispositivo de la reivindicación 1 en el que el polímero electroactivo tiene un módulo elástico por debajo de aproximadamente 100 MPa.
17.

El dispositivo de la reivindicación 1, dispositivo que es un compresor de aire, una bomba de combustible, una bomba de aceite, una bomba de agua, un ventilador de refrigeración, una bomba de recirculación del gas de escape, una bomba de inflar neumáticos, una bomba de refrigeración o una bomba de fluido para el limpiaparabrisas.