ES2838697T3 - Elemento de bomba de calor - Google Patents

Abstract

Un elemento de bomba de calor que comprende: un polímero de película delgada o un material cerámico dentro de un intervalo de 0,1 micras a 100 micras de espesor; y electrodos (324) acoplados a ambos lados del material de película delgada para formar un material de película (308) delgada activo bajo electrodo, en donde el material de película (308) delgada está separado por, y en contacto próximo con, un fluido de transferencia de calor en canales dentro de un intervalo de 10 micras a 10 milímetros de espesor, en los que el fluido es capaz de ser trasladado hacia delante y hacia atrás a través del elemento por un campo de presión impuesto; y en donde el material de película (308) delgada se hace a partir de, en algunas de sus partes, al menos uno de los siguientes: un fluoruro de polivinilideno (PVDF), un polímero de cristal líquido (LCP) y titanato de bario-estroncio (BST).

Description

DESCRIPCIÓN

Elemento de bomba de calor

Antecedentes

Los materiales que exhiben cambios de temperatura adiabáticos cuando están sujetos a tensión mecánica, campos magnéticos o campos eléctricos se han utilizado para crear ciclos de bombas de calor. Un ciclo básico se muestra en la FIG. 1. En el estado 1, un material está a temperatura constante y está sujeto a un campo estable aplicado directamente al material. Un aumento en la intensidad del campo aplicada aumenta la temperatura del material en el estado 2. El calor se rechaza a un ambiente caliente, lo que hace que la temperatura del material baje cerca del valor ambiente caliente en el estado 3. Esto se logra mejor mediante el contacto directo del aire ambiente y el material activo. La reducción de la intensidad de campo reduce la temperatura del material en el estado 4. El ciclo se completa absorbiendo calor de un ambiente frío, de nuevo preferiblemente a través del contacto directo, lo que provoca que la temperatura del material vuelva al valor del estado 1. Este ciclo puede aproximarse a los ciclos ideales de Carnot, Brayton o Ericsson, dependiendo de la regulación del tiempo de accionamiento del campo en relación con el rechazo de calor.

La elevación de temperatura adiabática disponible con materiales electrocalóricos o magnetocalóricos conocidos es típicamente menor que la elevación requerida para la mayoría de las aplicaciones comerciales de bombas de calor tales como control de entorno. Un medio bien conocido de aumentar la elevación de temperatura (a expensas de la capacidad) es la regeneración de temperatura. La regeneración se utiliza para desarrollar un gradiente de temperatura y así multiplicar la elevación de temperatura en un regenerador que incorpora material activo bajo campo.

Los intercambiadores de calor regenerativos son comunes en los ciclos que usan compresión de fluidos en lugar de materiales activos bajo campo para proporcionar bombeo de calor. Por ejemplo, los refrigeradores termoacústicos que aplican un ciclo Stirling modificado son una práctica común. Estas unidades incluyen uno o más controladores acústicos, un volumen resonante, un elemento regenerador e intercambiadores de calor a cada lado del elemento. La raíz de esta tecnología es la excitación de las fluctuaciones de presión y velocidad que comprimen y expanden, así como trasladan axialmente, el fluido dentro de un intercambiador de calor regenerativo. El fluido cede calor a la matriz del regenerador en una posición axial cuando se comprime y vuelve a absorber el calor en una ubicación axial diferente cuando se expande. Estos intercambios de calor crean un gradiente de temperatura compartido por la matriz del regenerador y el fluido dentro del regenerador. Este gradiente se traslada alternamente entre los intercambiadores de calor de frío y calor para bombear calor de una manera similar al caso del regenerador activado bajo campo descrito anteriormente. La similitud es que el fluido dentro del regenerador se traslada axialmente por algún medio mecánico. Sin embargo, se diferencian en que en el caso de activación bajo campo el trabajo para el bombeo de calor proviene íntegramente del campo impuesto al material sólido del regenerador y el fluido proporciona la capacidad calorífica para la regeneración, mientras que en el caso termoacústico el trabajo para el bombeo de calor proviene de la compresión/expansión del fluido dentro del regenerador y el material sólido del regenerador proporciona la capacidad calorífica para la regeneración. Además, en un ciclo de enfriamiento termoacústico u otro basado en presión, es necesario usar un intercambiador de calor para separar el fluido de trabajo presurizado del aire ambiente, lo que da como resultado una pérdida significativa de rendimiento. Los regeneradores activados bajo campo se pueden operar con el aire ambiente en contacto directo con el material activo.

Se sabe que el regenerador pasivo se beneficia de varias características de rendimiento importantes. Deberá: 1) tener la capacidad calorífica adecuada en el medio sólido para almacenar la energía a regenerar; 2) permitir el paso del fluido de trabajo sin demasiada resistencia al flujo; 3) permitir la transferencia de calor entre la masa del regenerador y el fluido de trabajo; y 4) evitar la conducción de calor a lo largo de la dirección del gradiente de temperatura (y flujo). Las realizaciones típicas son pilas cilíndricas creadas a partir de capas de malla de alambre o un tubo lleno de pequeñas esferas metálicas.

El documento US 6 877 325 B1 divulga dispositivos de transferencia térmica que comprenden materiales electrocalóricos que aumentan en temperatura tras la aplicación de un voltaje a los mismos y disminuyen en temperatura al suprimir el voltaje aplicado. En realizaciones específicas, los materiales electrocalóricos se configuran de manera que los respectivos aumentos y disminuciones de temperatura del material electrocalórico se extienden desde aproximadamente -10°C hasta aproximadamente 50°C.

Breve sumario

La invención se refiere a un elemento de bomba de calor según la reivindicación 1.

A continuación se describen las realizaciones adicionales.

Breve descripción de los dibujos

La presente divulgación se ilustra a modo de ejemplo y no se limita en las figuras adjuntas en las que números de referencia similares indican elementos similares.

La FIG. 1 es un diagrama de un ciclo básico de bombeo de calor activado bajo campo de acuerdo con la técnica anterior;

La FIG. 2 es un diagrama de un dispositivo de una sola capa para un regenerador activo bajo campo que permite una aplicación de campo próximo y un intercambio de calor de contacto directo;

Las FIGS. 3A-3B son diagramas de un dispositivo multicapa para un regenerador activo bajo campo;

La FIG. 4 ilustra variaciones de las realizaciones de la FIG. 2 y las FIGS. 3A-3B;

La FIG. 5 ilustra una estructura que comprende un revestimiento de una estructura reticular de material cerámico y de electrodo sobre un sustrato convencional; y

La FIG. 6 ilustra un sistema de ciclo combinado que incorpora simultáneamente funciones de regenerador activas y pasivas.

Descripción detallada

Se observa que se establecen diversas conexiones entre elementos en la siguiente descripción y en los dibujos (cuyos contenidos se incluyen en esta descripción a modo de referencia). Se observa que estas conexiones en general y, a menos que se especifique lo contrario, pueden ser directas o indirectas y que esta memoria descriptiva no pretende ser limitante a este respecto. A este respecto, un acoplamiento entre entidades se puede referir tanto a una conexión directa como indirecta.

Se describen realizaciones ilustrativas de aparatos, sistemas y métodos para proporcionar un elemento de bomba de calor. El elemento de bomba de calor puede incluir un polímero de película delgada o un material cerámico. Se puede acoplar de forma próxima un par de electrodos a los materiales de película delgada. Por ejemplo, un primero electrodo puede acoplarse a un primer lado del material de película delgada y un segundo electrodo puede acoplarse a un segundo lado del material de película delgada El material de película delgada puede estar separado por, y en contacto próximo con: un fluido de transferencia de calor en uno o más canales. El fluido de transferencia de calor puede ser el aire ambiente sin intercambiadores de calor intermedios. El fluido puede ser capaz de ser trasladado hacia delante y hacia atrás a través del elemento de bomba de calor mediante un campo de presión impuesto.

Las realizaciones de la divulgación están dirigidas a una clase de dispositivos que exhiben características requeridas para ejecutar de la mejor forma la función de un regenerador activo bajo campo eléctrico usando materiales electrocalóricos que cambian de temperatura cuando se aplica un campo eléctrico.

Hay dos clases de materiales que se sabe que poseen propiedades electrocalóricas útiles; las cerámicas ferroeléctricas y los polímeros de fluoruro de polivinilideno (PVDF, por sus siglas en inglés). En algunos entornos de aplicación, para desarrollar una entropía y cambios de temperatura adiabáticos adecuados en ejemplos conocidos de cualquiera de los materiales, se debe aplicar un campo eléctrico superior a 1 MV/cm a los materiales sin ruptura dieléctrica, este requisito tiende a favorecer películas muy delgadas, del orden de una micra, para minimizar los defectos que reducen la resistencia a la descomposición. Estas películas también deben estar metalizadas en ambos lados para aplicar el campo y los electrodos deben posicionarse para evitar el arqueado en la superficie. Dichas películas deben estar en contacto térmico con un fluido de transferencia de calor que se pueda trasladar a través de una estructura regeneradora y deben responder rápidamente a la dinámica térmica. Según la invención una película básica tiene un espesor en el orden de 0,1 a 100 micras, o cualquier intervalo entre el mismo (por ejemplo, de 0,3 a 3 micras). Tal espesor puede 1) asegurar una masa adecuada de material en cada película necesaria para crear la capacidad de bombeo de calor a volúmenes razonables del dispositivo, 2) mantener el voltaje aplicado necesario para crear un campo de 1 MV/cm a un nivel manejable, y 3) asegurar una transferencia térmica rápida entre la película y el fluido de transferencia de calor para permitir una alta frecuencia de traslación del fluido y, por lo tanto, aumentar la capacidad. Una estructura fundamental para un regenerador activo bajo campo es un dispositivo de una sola capa como se muestra en la FIG. 2. Tal estructura permite que el aire ambiente sirva como medio de transferencia de calor en contacto directo con las películas activas, lo que evita las pérdidas térmicas asociadas con los intercambiadores de calor intermedios comunes en el estado de la técnica.

La estructura básica de una sola capa de la FIG. 2 se puede mejorar o potenciar en conexión con un dispositivo regenerador. Por ejemplo, una aplicación dada asociada con el enfriamiento de entorno puede requerir decenas a cientos de gramos por kW, por lo que pueden ser necesarias muchas de estas capas. A continuación, es posible que se necesite alguna estructura para soportar estas películas muy delgadas. Esta estructura puede representar una pérdida térmica parásita del material activo en el regenerador, por lo que es posible que sea necesario limitar la masa de la estructura, así como su contacto térmico con el material activo.

En algunos casos, el rendimiento se puede maximizar utilizando un material activo multicapa. El modelado puede indicar que se puede lograr el mejor rendimiento equilibrando varios factores o restricciones, tales como uno o más de los siguientes: (1) la masa total del material activo, (2) la relación entre la energía almacenada de la película y la energía almacenada del fluido asociado, (3) el coeficiente de transferencia de calor del material al fluido, (4) las pérdidas relacionadas con el fluido en movimiento a través de las vías de flujo, (5) el calor parásito almacenado de los electrodos, (6) el calentamiento joule en el electrodo, (7) la frecuencia a la que se energiza el material, y (8) el valor o la potencia asociada con el voltaje o campo que se aplica.

Un equilibrado de una combinación que implique algunas o todas las limitaciones antes mencionadas puede imponer una película más gruesa que, por ejemplo, 3 micras. Para satisfacer esta necesidad sin dejar de limitar el voltaje aplicado, se puede aplicar una construcción multicapa, apilando múltiples capas de la estructura básica de la FIG. 2 entre las vías de transferencia de calor como se muestra en las FIGS. 3A-3B (a las cuales se refiere colectivamente en esta memoria como FIG. 3).

Como se muestra en la FIG. 3, las películas 308 de una sola capa o multicapa están soportadas por sustratos 316 inertes que también sirven para establecer canales de fluido de transferencia de calor. La polaridad (+/-) de los electrodos 324 mostrados puede disponerse de manera que no haya potencial eléctrico a través de los canales de fluido o los sustratos 316. También se muestran almohadillas de contacto o medios 326 que se pueden usar para establecer el acceso a los electrodos 324 de forjado.

Para minimizar la pérdida térmica parásita del sustrato 316, el diseño del sustrato 316 puede proporcionar un soporte adecuado pero también minimizar la transferencia de calor transitoria entre la película 308 y el sustrato 316. Esto se puede lograr minimizando no solo el volumen o la capacidad calorífica del sustrato 316, sino también minimizando el número de Biot equivalente. Dicho sustrato 316 puede ser un marco delgado alrededor de los bordes de las películas 308. Pueden añadirse soportes delgados adicionales sobre el marco si se requiere más soporte de la película 308, dando como resultado un sustrato de tipo "película de riel". Las películas 308 y los sustratos 316 se pueden soportar o separar entre sí utilizando uno o más postes 332 de sustrato moldeados o atacados con ácido o mecanismos similares.

A la inversa, las pérdidas parásitas pueden minimizarse utilizando un material activo bajo campo para el sustrato 316 de manera que este sustrato activo se energice junto con las películas 308 activas. En este caso, los electrodos 324 estarían dispuestos para aplicar el potencial eléctrico completo al sustrato así como a las películas activas. El diseño de la FIG. 3 puede satisfacer los requisitos del regenerador activo y los requisitos del regenerador pasivo descritos anteriormente, con la posible excepción de evitar la conducción de calor en la dirección de un gradiente de temperatura. En general, los materiales usados pueden tener una conductividad baja en comparación con los materiales de regenerador estándar, pero aun así el regenerador podría estar construido a partir de muchos segmentos axiales del módulo básico descrito anteriormente en relación con las FIGS. 2-3 con un espacio de aire estrecho entre medias, todo encerrado en una carcasa para conducir el fluido de transferencia de calor. Este tipo de diseño también permite la activación secuencial de los electrodos asociados al material electrocalórico en cada módulo. Esto permite la flexibilidad en la sincronización del flujo del campo y del fluido según sea necesario para optimizar el rendimiento del módulo en diferentes condiciones. Además, la mejor formulación de material electrocalórico puede depender de la temperatura, de modo que se deseen diferentes formulaciones a lo largo del gradiente de temperatura. Cada uno de los diferentes módulos se puede fabricar utilizando material con una temperatura Curie óptima, o se puede aplicar material que tenga un gradiente continuo de Tourie en los módulos. En algunas realizaciones, se pueden usar variaciones del módulo básico descrito anteriormente. La FIG. 4 ilustra dos de tales variaciones o realizaciones para cumplir los requisitos en dos clases de materiales diferentes.

En una primera realización 408, se crea una película delgada de polímero o multicapa 416 como se describe anteriormente. Pueden crearse ranuras o protuberancias 424 en la superficie mediante la laminación, el ataque con ácido o procesos similares. Estas características pueden ser desde el 10% del espesor de la película hasta varias veces el espesor en el caso de protuberancias 424 elevadas. La película 416 puede metalizarse mediante evaporación o procesos similares. La película 416 puede entonces colocarse en riel perpendicularmente a la dirección de la característica para crear un cilindro circular con vías a lo largo del eje creadas por las ranuras o protuberancias 424. Los alambres se pueden unir a los electrodos en el extremo de la envoltura de material para permitir que el material sea energizado o se pueden depositar electrodos modelados para que coincidan con la media circunferencia de cada capa 416 y luego se conecten en paralelo en cada borde de la envoltura.

En una segunda realización 416, las películas cerámicas delgadas se colocan en capas sobre un sustrato 412. Las capas incluyen electrodos 420 de división, lo que da como resultado una estructura como sigue: sustrato 412, electrodo 420, cerámica 428 de efecto electrocalórico (ECE, por sus siglas en inglés), electrodo 420, cerámica 428 ECE, etc. Estas capas pueden formarse por deposición física de vapor (PVD, por sus siglas en inglés), deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés), pulverización de plasma o procesos similares conocidos. Las capas de electrodos 420 alternantes pueden desplazarse hacia un lado para permitir, por ejemplo, que todas las capas de electrodos 420 con números impares se conecten fácilmente en paralelo a un voltaje mientras que las capas de electrodos 420 con números pares estén conectadas a otra fuente de voltaje.

A medida que se forma cada capa, se pueden crear vías 452 de gas. La FIG. 4 muestra el ejemplo del uso de microlitografía o técnicas similares para dejar o hacer mediante ataque con ácido agujeros 436 en cada capa. Se pueden construir muchas capas para crear uno o más elementos 460 de regenerador, el sustrato se puede quitar mediante ataque ácido y pueden permanecer muchas vías 452 axiales de gas que atraviesan el material perpendiculares a las capas de electrodo/material. En una realización, se pueden hacer ranuras mediante ataque con ácido en la superficie de cada capa de manera que quede un espacio paralelo a la capa según se deposite la siguiente capa. En este caso, las vías de gas pueden ser paralelas a las capas de material/electrodo.

Los elementos 460 de regenerador en la FIG. 4 se muestran incluidos en una estructura de forma cilíndrica. En algunas realizaciones, se pueden usar otras formas (por ejemplo, hexagonal, elíptica, etc.)

Como antes, las estructuras 460 de regenerador pueden necesitar prevenir la conducción de calor a lo largo de la dirección del gradiente de temperatura, y la mejor formulación de material ECE puede depender de la temperatura de manera que se deseen diferentes formulaciones a lo largo del gradiente de temperatura. Es posible que las estructuras descritas anteriormente no soporten directamente dichos requisitos. Se puede proporcionar una estructura de regenerador modular donde cada elemento, como se describe anteriormente, se crea con la mejor formulación y después se apilan las capas con espacios de gas axiales del orden de 0,1 a 5 milímetros. Cada capa puede tener una formulación contigua apropiada a la temperatura local y los espacios pueden impedir la conducción axial.

Otra realización, como se muestra en la FIG. 5, implicaría un recubrimiento de una estructura reticular de materiales de cerámica ECE 504 y de electrodo 512 sobre un sustrato 520 convencional y exponer la superficie abierta a un medio de transferencia de calor. Una estructura convencional tal como la estructura de panal aplicada a los catalizadores de escape de automóviles puede servir como el sustrato 520. A continuación, el sustrato 520 puede recubrirse con capas consecutivas de materiales de electrodo 512 y de ECE 504 en el espesor deseado usando técnicas en húmedo o vacío. Los electrodos 512 pueden tener una estructura alterna de modo que se pueda acceder eléctricamente a electrodos alternantes desde cada extremo de la estructura.

La realización descrita anteriormente puede aprovechar las características de los regeneradores activos y pasivos en los dos ciclos descritos anteriormente para crear un sistema de ciclo combinado. Refiriéndose a la FIG. 6, este sistema puede realizarse mediante un sistema 600 que incluye un intercambiador de calor regenerativo hecho de material 606 activo bajo campo y puede incluir accionadores lineales o controladores 614 acústicos sincronizados para producir la compresión de fluido así como la traslación de fluido en el intercambiador de calor regenerativo activo. Este concepto no soportará el uso de aire ambiental como medio de transferencia de calor de contacto directo y, por lo tanto, requerirá intercambiadores de calor intermedios.

Para ilustrar la gama de conceptos, se puede proporcionar una construcción inicial utilizando un regenerador de material electrocalórico activo que incluye muchas películas delgadas de polímero electrocalórico o cerámica con electrodos y canales de fluido de transferencia de calor intercalados, intercambiadores de calor de calor y frío y flujo de traslación de fluido de trabajo impulsado por un accionador lineal simple que puede ser de gas o líquido, presurizado o no.

Aplicación de un campo (por ejemplo, un campo eléctrico, un campo de radiación/luz, un campo magnético, deformación, etc.) mediante el contacto próximo con el elemento 606 de regenerador activo bajo campo puede aumentar la temperatura del material. El fluido puede servir como el medio de regenerador, calentándose a través del intercambio de calor con el ahora caliente material sólido. Si ahora se mueven los accionadores 614 simultáneamente de derecha a izquierda, el fluido caliente en el núcleo 606 del regenerador puede moverse hacia el intercambiador de calor caliente, rechazando el calor, mientras que el fluido más frío del intercambiador de calor frío puede moverse hacia el regenerador 606 y enfriar localmente (regenerar) el material de regenerador. Liberar el campo para enfriar el material y mover el fluido de izquierda a derecha puede completar el ciclo. Tenga en cuenta que, en el caso de traslación de fluido puro con un cambio de presión insignificante, este es el mismo proceso descrito anteriormente como un ciclo regenerativo activo bajo campo simple. El rendimiento del sistema 600 puede depender de la regulación del tiempo y la sincronización del campo y el flujo aplicados, y esa regulación de tiempo puede cambiar con las propiedades térmicas del material, la carga y la elevación de temperatura deseada, por lo que puede ser necesario un control cuidadoso de este proceso para lograr un rendimiento satisfactorio.

Considerando un ciclo combinado, el campo puede ser energizado y el material 606 puede calentarse. Nuevamente, el calor puede transferirse al fluido para la regeneración. Ahora, en lugar de simplemente trasladar el flujo para rechazar el calor, los accionadores 614 se pueden operar de manera que el fluido se presurice primero y luego se traslade, o incluso que se presurice y despresurice varias veces durante una sola traslación. La compresión puede calentar más el fluido y el calor puede transferirse ahora al material 606 de regenerador sólido para la regeneración del fluido. Ahora la traslación se puede completar como antes y se puede ejecutar el lado frío del ciclo. La elevación de temperatura y la capacidad de tanto los procesos de la compresión y los accionados bajo campo se pueden superponer en el mismo volumen básico, lo que da como resultado menos pasadas regenerativas para aumentar la elevación y una mayor densidad de potencia. Este proceso puede requerir un control temporal aún más preciso de los campos y accionadores 614 para controlar la superposición de la presión, la velocidad y los gradientes de campo en el tiempo y el espacio para lograr la mayor eficiencia global del sistema dados los requisitos específicos de elevación de temperatura y capacidad.

Finalmente, en el caso del ciclo combinado descrito anteriormente, puede que no sea necesario que todo el regenerador esté hecho de material activo. Puede ser ventajoso dispersar el material activo entre otros materiales regeneradores tradicionales inactivos para equilibrar adecuadamente el calor movido por el proceso de compresión termoacústico y el proceso electrocalórico. Esto se puede hacer solo si el material inactivo no está en contacto térmico directo con el material activo. Una estructura puede tener elementos activos bajo campo tales como películas de polímero electrocalórico y elementos inactivos tales como pilas de pantallas de alambre apiladas de forma alternante a lo largo de la dirección del flujo con espacios de fluido que separan cada material.

Una realización está dirigida a un sistema llenado de fluido que contiene un elemento de película delgada poroso hecho de material sensible a campos, canales de fluido de transferencia de calor, dos o más intercambiadores de calor, uno o más accionadores, uno o más sensores de presión, temperatura o velocidad, y uno o más dispositivos configurados para controlar los accionadores y aplicar un campo a los regeneradores en una secuencia particular que puede ser predeterminada o desarrollarse en respuesta a, o basado en, las señales del sensor. Además, los accionadores pueden estar hechos de materiales piezoeléctricos para crear una máquina completamente de estado sólido.

El modelado de alta fidelidad indica que una bomba de calor electrocalórica en contacto directo con el aire ambiente puede estar provisto de un rendimiento suficiente para desplazar los dispositivos de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, por sus siglas en inglés) por compresión de vapor existentes con bombas de calor electrocalóricas de estado sólido que proporcionan un rendimiento similar o mejor, un menor coste, un menor ruido y no contienen refrigerantes nocivos para el medio ambiente ni productos químicos liberables.

Las realizaciones de la divulgación pueden usar un material electrocalórico en un intercambiador de calor regenerativo en contacto próximo con el flujo de un fluido de transferencia de calor.

En algunas realizaciones, el fluido de transferencia de calor que fluye puede ser aire ambiente en contacto térmico directo con el elemento de bombeo de calor electrocalórico.

En algunas realizaciones, se pueden definir requisitos específicos para sustratos de soporte y separación de películas y la polaridad de electrodo asociada para maximizar el área de transferencia de calor y minimizar las pérdidas parásitas.

En algunas realizaciones, los modelos pueden usarse para identificar el mejor intervalo de espesores de película para el rendimiento en condiciones de HVAC.

En algunas realizaciones, se puede definir una relación de fase específica entre el movimiento del fluido y la activación del material que se controla activamente como el cambio de la capacidad y la elevación.

En algunas realizaciones, se puede proporcionar la activación del movimiento del fluido de transferencia de calor para crear compresión/traslación/expansión en una relación de fase definida y controlada con la activación del material electrocalórico para multiplicar la elevación de temperatura global.

Una realización puede estar dirigida a un elemento de bomba de calor electrocalórico de película delgada que comprende un polímero de película delgada o un material cerámico como fluoruro de polivinilideno (PVDF), polímeros de cristal líquido (LCP, por sus siglas en inglés) o titanato de bario-estroncio (BST, por sus siglas en inglés) de 0,1 micras a 100 micras de espesor (o cualquier intervalo entre medias), con defectos reducidos para la alta capacidad de campo eléctrico y electrodos en ambos lados, separados por y en contacto próximo con un fluido de transferencia de calor en los canales de 10 micras a 10 milímetros de espesor (o cualquier intervalo entre medias), en el que el fluido puede trasladarse hacia delante y hacia atrás a través del elemento mediante un campo de presión impuesto.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar al descrito anteriormente en el que las películas delgadas son reemplazadas por materiales multicapa que consisten en electrodo-película-electrodo-película...electrodo. El número de capas puede ir de 2 a 20 permitiendo más masa ECE por unidad de volumen sin aumentar el voltaje aplicado por encima de 300 V.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que un sustrato soporta las películas para evitar la fatiga. Este sustrato puede optimizarse para proporcionar el soporte mínimo necesario con el menor número de Biot posible.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que el sustrato incluye extensiones para separar las películas creando canales para el flujo del fluido de transferencia de calor, permitiendo un apilado de sustrato-película-sustrato-película-sustrato. Las películas pueden disponerse de manera que los electrodos que miran hacia el separador de sustrato se energicen con la misma polaridad evitando el arqueado en el sustrato o el fluido.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que el fluido de transferencia de calor se traslada hacia delante y hacia atrás mientras el material activo se energiza y desenergiza para crear una gradiente de temperatura en el fluido y aumentar la elevación de temperatura.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que la activación del material está sincronizada con la oscilación del flujo de fluido con una relación de fase que es una función de la capacidad relativa y la elevación de temperatura requerida del dispositivo para proporcionar la relación más alta entre la capacidad de la bomba de calor/la potencia de entrada.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que las capas de material-electrodo-fluido-sustrato están segmentadas en la dirección del flujo de fluido y separadas por espacios llenos de fluido, reduciendo la conducción de calor en la dirección del flujo.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que la temperatura de Curie del material se gradúa de forma continua o de segmento a segmento de modo que la temperatura de Curie del material en cada segmento está más cerca de la temperatura de funcionamiento esperada del segmento en la condición de diseño del elemento.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que la película de material activo contiene ranuras longitudinales maquinadas o agujeros perforados transversalmente para crear canales para el fluido de transferencia de calor que permite el contacto próximo del fluido y el material. Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, creado por deposición en solución o al vacío de cerámica o polímero electrocalórico y de electrodos sobre un sustrato que ya contiene canales de fluido de transferencia de calor tales como estructura de panal de cerámica.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente, en el que el fluido de transferencia de calor es al menos parcialmente gas o vapor y en el que el accionamiento del movimiento del fluido crea una secuencia como sigue: compresión, traslación, expansión y traslación sincronizadas en una relación de fase controlada con la energización y desenergización del material ECE, creando un ciclo combinado que suma la elevación de temperatura tanto del efecto EC y como de la compresión y requiere menos regeneración para producir una elevación de temperatura requerida.

Una realización puede estar dirigida a un elemento similar a uno o más elementos descritos anteriormente que funciona en un ciclo combinado en el que se agrega material no activo al material de película delgada electrocalórica o al sustrato con el propósito de lograr el mejor equilibrio entre el efecto EC y los efectos de compresión.

Una realización puede estar dirigida a un elemento de bomba de calor, en donde un fluido de transferencia de calor es aire ambiente en contacto térmico directo con material de película delgada activa bajo electrodo. El material de película delgada activa bajo electrodo puede estar formado por electrodos acoplados a ambos lados de un material de película delgada. En algunas realizaciones, el aire ambiente se deshumidifica usando técnicas de sobreenfriamiento o desecantes para evitar la condensación en la película activa.

Según se describe en la presente memoria, en algunas formas de realización pueden tener lugar diversas funciones o actos en una ubicación dada y/o en conexión con el funcionamiento de uno o más aparatos, sistemas o dispositivos. Por ejemplo, en algunas formas de realización, una parte de una función o un acto dado se puede realizar en un primer dispositivo o ubicación, y el resto de la función o acto se puede realizar en uno o más dispositivos o ubicaciones adicionales.

Los aspectos de la divulgación se han descrito en términos de realizaciones ilustrativas de la misma. Muchas otras realizaciones, modificaciones y variaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas se les ocurrirán a los expertos en la materia a partir de una revisión de esta divulgación. Por ejemplo, una persona experta en la materia apreciará que las etapas descritas junto con las figuras ilustrativas se pueden realizar en un orden diferente al indicado, y que una o más etapas ilustradas pueden ser opcionales.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un elemento de bomba de calor que comprende:

un polímero de película delgada o un material cerámico dentro de un intervalo de 0,1 mieras a 100 mieras de espesor; y

electrodos (324) acoplados a ambos lados del material de película delgada para formar un material de película (308) delgada activo bajo electrodo,

en donde el material de película (308) delgada está separado por, y en contacto próximo con, un fluido de transferencia de calor en canales dentro de un intervalo de l0 micras a 10 milímetros de espesor, en los que el fluido es capaz de ser trasladado hacia delante y hacia atrás a través del elemento por un campo de presión impuesto; y

en donde el material de película (308) delgada se hace a partir de, en algunas de sus partes, al menos uno de los siguientes: un fluoruro de polivinilideno (PVDF), un polímero de cristal líquido (LCP) y titanato de bario-estroncio (BST).

2. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1, en donde el fluido de transferencia de calor es aire ambiente en contacto térmico directo con el material de película (308) delgada activo bajo electrodo.

3. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 2, en donde el aire ambiente se deshumidifica usando técnicas de sobreenfriamiento o desecantes para evitar la condensación sobre la película activa.

4. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1, en donde el material de película (308) delgada y los electrodos (324) se incluyen como parte de un material multicapa de materiales de película (308) delgada y electrodos (324).

5. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 4, en donde el material multicapa (308) comprende de 1 a 10 capas, inclusive.

6. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 4, en donde el material multicapa incluye además al menos un sustrato configurado para soportar los materiales de película (308) delgada, en donde el al menos un sustrato (316) configurado para soportar el material multicapa tiene un número minimizado de Biot.

7. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 6, en donde al menos un sustrato (316) comprende una pluralidad de sustratos, y en donde la pluralidad de sustratos comprende extensiones para separar los materiales de película (308) delgada para crear canales para el flujo del fluido de transferencia de calor.

8. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 7, en donde los materiales de película (308) delgada están dispuestos de manera que los electrodos (324) que miran hacia un separador de sustrato se energizan con la misma polaridad para evitar el arqueado en el sustrato o el fluido.

9. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 6, en donde al menos un sustrato (316) comprende material activo bajo campo que está configurado para ser energizado por los electrodos (324), y en donde los electrodos (324) están configurados para energizar el material de película (308) delgada activo bajo electrodo para minimizar las pérdidas parásitas.

10. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1, en donde el material de película (308) delgada comprende capas individuales y sustratos asociados con las capas individuales apiladas juntas.

11. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1,

en donde el elemento de bomba de calor está configurado para trasladar el fluido de transferencia de calor hacia delante y hacia atrás mientras el material de película (308) delgada activo se energiza y desenergiza para crear un gradiente de temperatura en el fluido y aumentar la elevación de temperatura; y/o en donde el elemento de bomba de calor incluye un accionador lineal o controlador acústico configurado para sincronizar una activación del material de película (308) delgada activo con una oscilación del flujo de fluido con una relación de fase que es función de la capacidad relativa y la elevación de temperatura requerida del elemento de bomba de calor para proporcionar una relación máxima entre la capacidad de la bomba de calor y la potencia de entrada.

12. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1, en donde el material de película (308) delgada y los electrodos (324) son capas que están acopladas a una capa de fluido y una capa de sustrato, y en donde el material de película (308) delgada, el electrodo (324) y las capas de sustrato están segmentadas en una dirección de flujo de fluido y separadas por espacios llenos de fluido para reducir la conducción de calor en la dirección de flujo.

13. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1, en donde el material de película delgada comprende ranuras longitudinales maquinadas o agujeros perforados transversalmente para crear canales para el fluido de transferencia de calor para proporcionar el contacto próximo del fluido y el material de película delgada.

14. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1,

en donde el elemento de bomba de calor se crea mediante deposición en solución o al vacío de cerámica o polímero electrocalórico y de electrodos sobre un sustrato, comprendiendo el sustrato canales de fluido de transferencia de calor; y/o

en donde los canales de fluido de transferencia de calor comprenden una estructura de panal de cerámica.

15. El elemento de bomba de calor de la reivindicación 1,

en donde el fluido de transferencia de calor es al menos parcialmente gas o vapor, y en donde un accionamiento del movimiento del fluido comprende una secuencia como sigue: compresión, traslación, expansión y traslación sincronizadas en una relación de fase controlada con una energización y desenergización del material de película delgada para crear un ciclo combinado que suma la elevación de temperatura tanto del efecto electrocalórico (ECE) como de la compresión; y/o

en donde el material no activo se acopla al material de película delgada o a un sustrato para proporcionar un equilibrio entre el ECE y la compresión.