ES2856400T3

ES2856400T3 - Sistema electrocalórico de transferencia de calor

Info

Publication number: ES2856400T3
Application number: ES15754384T
Authority: ES
Inventors: Joseph V Mantese; Zhongfen Ding
Original assignee: Raytheon Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2035-08-14
Also published as: JP6637159B2; KR20180041681A; CN107923671A; EP3334987B1; JP2018530728A; US10837681B2; CN107923671B; EP3334987A1; US20180238594A1; WO2017030529A1; KR102464439B1

Abstract

Un sistema (10, 10') de transferencia de calor, que comprende: un elemento electrocalórico (12); un par de electrodos (14, 16) dispuestos en superficies opuestas del elemento electrocalórico (12); un prim er trayecto (18) de flujo térm ico entre el elem ento electrocalórico (12) y un disipador (17) de calor; un segundo trayecto (22) de flujo térm ico entre el elem ento electrocalórico (12) y una fuente (20) de calor; y un controlador (24) configurado para controlar la corriente eléctrica a los electrodos (14, 16) y para dirigir selectivamente la transferencia de energía térmica del elemento electrocalórico (12) al disipador (17) de calor a lo largo del primer trayecto (18) de flujo térmico, o de la fuente (20) de calor al elemento electrocalórico (12) a lo largo del segundo trayecto (22) de flujo térmico, caracterizado por que el elemento electrocalórico (12) comprende un elastómero de cristal líquido o un cristal líquido en form a líquida retenido en una m atriz de polím ero elastomérico.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema electrocalórico de transferencia de calor

Antecedentes de la invención

Existe una amplia variedad de tecnologías para aplicaciones de enfriamiento, que incluyen, pero no se limitan a, enfriamiento por evaporación, enfriamiento por convección o enfriamiento de estado sólido, tal como enfriamiento electrotérmico. Una de las tecnologías más extendidas en uso para la refrigeración y el acondicionamiento de aire residencial y comercial es el circuito de transferencia de calor de refrigerante de compresión de vapor. Estos circuitos normalmente hacen circular un refrigerante que tiene propiedades termodinámicas adecuadas a través de un circuito que comprende un compresor, un intercambiador de calor de rechazo de calor (es decir, un condensador de intercambiador de calor), un dispositivo de expansión y un intercambiador de calor de absorción de calor (es decir, un evaporador de intercambiador de calor). Los circuitos de refrigerante de compresión de vapor proporcionan enfriamiento y refrigeración eficazmente en diversas configuraciones y, en algunas situaciones, pueden hacerse funcionar a la inversa como una bomba de calor. Sin embargo, muchos de los refrigerantes pueden presentar peligros ambientales, tales como el potencial de agotamiento del ozono (ODP, por sus siglas en inglés) o el potencial de calentamiento global (GWP, por sus siglas en inglés), o pueden ser tóxicos o inflamables. Además, los circuitos de refrigerante de compresión de vapor pueden ser poco prácticos o desventajosos en entornos que carezcan de una fuente de energía disponible suficiente para hacer funcionar el compresor mecánico en el circuito de refrigerante. Por ejemplo, en un vehículo eléctrico, la demanda de energía de un compresor de aire acondicionado puede tener como resultado una duración de la batería del vehículo o una autonomía de conducción significativamente más cortas. De manera similar, los requisitos de peso y potencia del compresor pueden ser problemáticos en diversas aplicaciones de enfriamiento portátiles.

Por consiguiente, ha habido interés en desarrollar tecnologías de enfriamiento como alternativas a los circuitos de refrigerante de compresión de vapor.

El documento EP2851634A1divulga un sistema y un método para la transferencia de energía térmica controlada, que incluyen una fuente de energía térmica, un disipador de energía térmica, separado de la fuente de energía térmica, un estructura electrocalórica llevada por una suspensión y configurada para un movimiento físico alternativo entre la comunicación térmica con la fuente de energía térmica y la comunicación térmica con el disipador de energía térmica, y una fuente de señales de control que proporciona simultáneamente tanto una señal de control de temperatura para controlar la temperatura de la estructura electrocalórica como una señal de control de movimiento para controlar el movimiento físico alternativo de la estructura electrocalórica entre la comunicación térmica con la fuente de energía térmica y la comunicación térmica con el disipador de calor. Puede proporcionarse un calentamiento o un enfriamiento de un elemento deseado. El control de movimiento puede ser electrostático, magnético, mecánico, etc., y se sincroniza automáticamente con el campo empleado para el control de temperatura en la estructura electrocalórica.

El documento US2010/0175392A1divulga dispositivos electrocalóricos, dispositivos piroeléctricos y métodos para formarlos. Su dispositivo puede ser un generador de energía piroeléctrica o un dispositivo de enfriamiento electrocalórico y puede incluir un primer motor térmico de una sola capa con un primer lado configurado para estar en contacto con un primer depósito y un segundo lado configurado para estar en contacto con un segundo depósito, comprendiendo el primer depósito un fluido. Su dispositivo también puede incluir un segundo motor térmico de una sola capa con un primer lado en contacto con el primer depósito y un segundo lado en contacto con un tercer depósito y un canal dispuesto entre el primer motor térmico de una sola capa y el segundo motor térmico de una sola capa, estando el canal configurado para transportar el fluido desde un primer extremo hasta un segundo extremo. Su dispositivo puede incluir además una o más fuentes de alimentación configuradas para aplicar tensiones al primer y al segundo motores térmicos de una sola capa.

Las realizaciones de la invención pueden resolver uno o más de los problemas de la técnica, con las soluciones expuestas en las reivindicaciones independientes y los perfeccionamientos citados en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripción de la invención

En algunos aspectos de la invención, un sistema de transferencia de calor comprende un elemento electrocalórico que comprende un elastómero de cristal líquido o un cristal líquido en forma líquida retenido en una matriz de polímero elastomérico. En superficies opuestas del elemento electrocalórico están dispuestos un par de electrodos. Entre el elemento electrocalórico y un disipador de calor está dispuesto un primer trayecto de flujo térmico. Entre el elemento electrocalórico y una fuente de calor está dispuesto un segundo trayecto de flujo térmico. El sistema también incluye un controlador configurado para controlar la corriente eléctrica a los electrodos y para dirigir selectivamente la transferencia de energía térmica del elemento electrocalórico al disipador de calor a lo largo del primer trayecto de flujo térmico, o de la fuente de calor al elemento electrocalórico a lo largo del segundo trayecto de flujo térmico.

Según algunos aspectos de la invención, un método para enfriar una fuente de calor comprende aplicar un campo eléctrico como diferencial de tensión a través de un elemento electro cal ó rico que comprende un elastómero de cristal líquido o un cristal líquido retenido en una matriz de polímero elastomérico. El campo eléctrico aplicado provoca una disminución de la entropía y una liberación de energía térmica por parte del elemento electrocalórico. Al menos una parte de la energía térmica liberada se transfiere a un disipador de calor. A continuación, se elimina el campo eléctrico, lo que provoca un aumento de la entropía y una disminución de la energía térmica y la absorción de energía térmica por parte del elemento electrocalórico. La energía térmica se transfiere desde la fuente de calor para que sea absorbida por el elemento electrocalórico, lo que tiene como resultado el enfriamiento de la fuente de calor.

Breve descripción de los dibujos

El objeto que se considera como la invención se señala particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones al término de la memoria descriptiva. Las anteriores y otras características y ventajas de la invención resultan evidentes a partir de la siguiente descripción detallada considerada juntamente con los dibujos adjuntos, en los cuales:

la Figura 1 es una representación esquemática de un sistema de enfriamiento ejemplar como se describe en la presente memoria; y

la Figura 2 es una representación esquemática de otro sistema de enfriamiento ejemplar como se describe en la presente memoria.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a las figuras, la Figura 1 representa un ejemplo de sistema 10 de enfriamiento. Como se muestra en la Figura 1, un sistema 10 de enfriamiento induye un elemento electrocalórico 12 que tiene electrodos 14 y 16 en lados opuestos del elemento electrocalórico 12. Como se describe de manera adicional posteriormente, el elemento electrocalórico 12 comprende un elastómero de cristal líquido o un cristal líquido en forma líquida retenido en una matriz de polímero elastomérico. El conjunto del elemento electrocalórico 12 y los electrodos 14 y 16 se puede preparar aplicando una tinta formadora de electrodos (tal como suspensiones de nanopartículas metálicas, suspensiones de micropartículas metálicas, dispersiones de nanohilos de metal/carbono, dispersiones de grafeno) u otra composidón al sólido o al elastómero de cristal líquido o a la matriz de polímero elastomérico.

Tal como se usa en la presente memoria, el concepto "elastómero de cristal líquido" significa una matriz de moléculas poliméricas que comprenden grupos mesogénicos que puede deformarse elásticamente por ordenamiento nemático o esméctico de los grupos mesogénicos en respuesta a la aplicación de un campo externo. Los elastómeros de cristal líquido son conocidos en la técnica y se describen adicionalmente en "Liquid Crystal Elastomers", M. Warner y E.M. Terentjev, Oxford University Press 2007 (ed. rev.). En algunas realizaciones ejemplares, el elastómero de cristal líquido comprende un cristal líquido polimérico que ha sido modificado con un grado de reticulación para conferir una respuesta elastomérica (es decir, deformaaón elástica y recuperación de la forma de la matriz polimérica) en comparación con la deformación fluida no recuperable de un cristal líquido polimérico. Tal como se usa en la presente memoria, el concepto "cristal líquido polimérico" significa una matriz de moléculas poliméricas que comprenden grupos mesogénicos que puede deformarse de forma fluida por ordenamiento nemático o esméctico de los grupos mesogénicos en respuesta a la aplicación de un campo externo. Los cristales líquidos poliméricos, o polímeros de cristal líquido, comprenden moléculas poliméricas que incluyen grupos mesogénicos. Las estructuras moleculares mesogénicas son bien conocidas y, a menudo, se describen como estructuras moleculares en forma de varilla o en forma de disco que tienen orientaaones de densidad electrónica que producen un momento dipolar en respuesta a un campo externo, tal como un campo eléctrico externo. Los polímeros de cristal líquido comprenden típicamente numerosos grupos mesogénicos conectados por estructuras moleculares no mesogénicas. Las estructuras de conexión no mesogénicas y su conexión, ubicación y separaaón en la molécula polimérica junto con las estructuras mesogénicas son importantes para proporaonar la respuesta deformable del fluido al campo externo. Típicamente, las estructuras de conexión proporcionan una rigidez lo suficientemente baja como para que se induzca una respuesta de deformación mediante la aplicación del campo externo, y lo suficientemente alta como para proporcionar las características de un polímero cuando no se aplica el campo externo.

En algunas realizaciones ejemplares, un polímero de cristal líquido puede tener estructuras mesogénicas en forma de varilla en la cadena principal del polímero separadas por grupos espaciadores no mesogénicos que tengan flexibilidad para permitir un reordenamiento de los grupos mesogénicos en respuesta a un campo externo. Tales polímeros también se conocen como polímeros de cristal líquido de cadena principal. En algunas realizaciones ejemplares, un polímero de cristal líquido puede tener estructuras mesogénicas en forma de varilla unidas como grupos laterales unidos a la cadena principal del polímero. Tales polímeros también se conocen como polímeros de cristal líquido de cadena lateral.

Los ejemplos de polímeros de cristal líquido de cadena principal incluyen aquellos que tienen las estructuras recurrentes mostradas con grupos espaciadores de polietileno C¹⁰y C8, respectivamente:

Los ejemplos de polímeros de cristal líquido de cadena lateral incluyen aquellos que tienen las estructuras recurrentes mostradas con grupos espaciadores de polietileno C⁴y C¹⁰, respectivamente:

Por supuesto, las estructuras anteriores son ejemplares. Se conocen muchos otros polímeros de cristal líquido, y el experto en la técnica puede utilizarlos fácilmente.

Como se mencionó anteriormente, en algunas realizaciones los elastómeros de cristal líquido pueden basarse en polímeros de cristal líquido que hayan sido modificados con reticulación. La densidad de reticulación se puede ajustar para que sea lo suficientemente baja como para que se mantenga la flexibilidad molecular local para permitir el ordenamiento nemático o esméctico de los grupos mesogénicos en respuesta a un campo externo. Sin embargo, la densidad de reticulación se establece lo suficientemente alta como para producir una respuesta de deformación macroelástica del polímero al campo externo en lugar del movimiento molecular browniano que da como resultado una macrorespuesta fluida y no elástica al campo externo. La reacción de reticulación puede depender de cualquier tipo de mecanismo de reticulación, tal como la inclusión de monómero trifuncional o con una funcionalidad superior en los reactivos monoméricos durante la polimerización o mediante la inclusión de grupos laterales funcionales, tales como hidroxilo, unidos a la cadena del polímero, que puedan reaccionar con un agente de reticulación, tal como un diisocianato. Los grupos laterales funcionales pueden seleccionarse para dar como resultado un grupo mesogénico integrado en la cadena de reticulación, o los grupos mesogénicos pueden unirse como grupos laterales en la cadena del polímero separados de cadenas de reticulación que no sean mesogénicas. Se conocen muchos elastómeros de cristal líquido, y el experto en la técnica puede utilizarlos fácilmente.

Como se mencionó anteriormente, el elemento electrocalórico 12 también puede comprender un cristal líquido en forma líquida retenido en una matriz de polímero elastomérico. Los materiales que tienen cristal líquido retenido en una matriz polimérica se conocen en la técnica como cristal líquido dispersado en polímero (PDLC, por sus siglas en inglés) y se pueden preparar utilizando diversas técnicas que incluyen, pero no se limitan a, separación de fases inducida por polimerización, separación de fases inducida térmicamente, separación de fases inducida por disolventes, para inducir una separación de fases que dé como resultado una matriz multifase que tenga una fase de polímero y una fase de cristal líquido. La fase de cristal líquido puede incluir un cristal líquido molecular, un cristal líquido polimérico o un cristal líquido oligomérico. Se puede preparar un cristal líquido dispersado en polímero con una matriz de polímero elastomérico usando técnicas de separación conocidas para preparar PDLC en combinación con técnicas generalmente conocidas de selección de monómeros, reticulación y procesamiento para preparar un polímero elastomérico como la matriz de polímero del PDLC.

Volviendo de nuevo a la Figura 1, el elemento electrocalórico 12 puede estar en comunicación térmica con un disipador 17 de calor a través de un primer trayecto 18 de flujo térmico. El elemento electrocalórico 12 también puede estar en comunicación térmica con una fuente 20 de calor a través de un segundo trayecto 22 de flujo térmico. Un controlador 24 está configurado para controlar la corriente eléctrica a los electrodos 14 y 16 conectados. El controlador 24 también está configurado para controlar los dispositivos 26 y 28 de control del flujo de calor para dirigir selectivamente la transferencia de calor a lo largo del primer y el segundo trayectos 18 y 22 de flujo de calor. El tipo de trayecto de flujo de calor y dispositivo de control del flujo de calor no está limitado y puede incluir, por ejemplo, conmutadores termoeléctricos de calor de estado sólido en contacto térmicamente conductivo con el elemento electrocalórico y la fuente de calor o el disipador de calor, o conmutadores termomecánicos en móvil para establecer un contacto térmicamente conductivo entre el elemento electrocalórico 12 y la fuente 20 de calor o el disipador 17 de calor. En algunas realizaciones ejemplares, descritas con más detalle posteriormente, la transferencia de calor entre el elemento electrocalórico 12 y la fuente 20 de calor o el disipador 17 de calor puede incluir una transferencia de calor por convección a un fluido fluyente en contacto con el elemento electrocalórico 12. En tales casos, el fluido, que debe ser dieléctri

electrocalórico 12, puede ser él mismo la fuente de calor (por ejemplo, un espacio de aire acondicionado) o el disipador de calor (por ejemplo, aire exterior), o el fluido puede ser un fluido de transferencia de calor dieléctrico (por ejemplo, un compuesto orgánico) que fluya entre el elemento electrocalórico 12 y una fuente 20 de calor o un disipador 17 de calor remotos.

En funcionamiento, el sistema 10 puede ser manejado por el controlador 24 aplicando un campo eléctrico como un diferencial de tensión a través del elemento electrocalórico 12 para causar una disminución en la entropía y una liberación de energía térmica por parte del elemento electrocalórico 12. El controlador 24 activa el dispositivo 26 de control del flujo de calor para transferir al menos una parte de la energía térmica liberada a lo largo del trayecto 18 de flujo de calor al disipador 17 de calor. Esta transferencia de calor puede ocurrir después de que la temperatura del elemento electrocalórico 12 haya subido a una temperatura umbral. En algunas realizaciones, puede ser deseable evitar un aumento excesivo de temperatura para mantener las propiedades físicas del polímero del elastómero de cristal líquido durante esta fase de reducción de entropía, y en algunas realizaciones la transferencia de calor al disipador 17 de calor comienza tan pronto como la temperatura del elemento electrocalórico 12 aumenta y se hace aproximadamente igual a la temperatura del disipador 17 de calor. Después de la aplicación del campo eléctrico durante un tiempo para inducir una liberación y una transferencia deseadas de energía térmica del elemento electrocalórico 12 al disipador 17 de calor, se elimina el campo eléctrico. La eliminación del campo eléctrico provoca un aumento de la entropía y una disminución de la energía térmica del elemento electrocalórico 12 cuando la matriz de polímero elastomérico vuelve elásticamente a su alineación molecular original. Esta disminución de la energía térmica se manifiesta como una reducción de la temperatura del elemento electrocalórico 12 a una temperatura inferior a la de la fuente 20 de calor. El controlador 24 desactiva el dispositivo 26 de control del flujo de calor para terminar la transferencia de energía térmica a lo largo del trayecto 18 de flujo de calor y activa el dispositivo 28 de control del flujo de calor para transferir energía térmica de la fuente 20 de calor al elemento electrocalórico 12, más frío.

En algunas realizaciones, por ejemplo, cuando se utiliza un sistema de transferencia de calor para mantener una temperatura en un espacio acondicionado o un objetivo térmico, el campo eléctrico se puede aplicar al elemento electrocalórico 12 para aumentar su temperatura hasta que la temperatura del elemento electrocalórico alcance un primer umbral. Después del primer umbral de temperatura, el controlador 24 activa el dispositivo 26 de control del flujo de calor para transferir calor del elemento electrocalórico 12 al disipador 17 de calor hasta que se alcanza un segundo umbral de temperatura. El campo eléctrico puede continuar aplicándose durante la totalidad o una parte del período de tiempo entre el primer y el segundo umbrales de temperatura y luego se elimina para reducir la temperatura del elemento electrocalórico 12 hasta que se alcanza un tercer umbral de temperatura. El controlador 24 desactiva entonces el dispositivo 26 de control del flujo de calor para terminar la transferencia de flujo de calor a lo largo del trayecto 18 de flujo de calor y activa el dispositivo 28 de control del flujo de calor para transferir calor de la fuente 20 de calor al elemento electrocalórico 12. Las etapas anteriores pueden repetirse opcionalmente hasta que se alcance una temperatura objetivo del espacio acondicionado o del objetivo térmico (que puede ser la fuente de calor o el disipador de calor).

Como se mencionó anteriormente, en algunas realizaciones, los trayectos de flujo térmico pueden involucrar un fluido dieléctrico, ya sea aire u otro gas o líquido dieléctrico, tal como un fluido de transferencia de calor de compuesto orgánico. En tales realizaciones, el fluido dieléctrico puede ser él mismo la fuente de calor o el disipador de calor (por ejemplo, aire exterior), o el fluido dieléctrico puede fluir a un disipador de calor remoto o una fuente de calor remota y realizar una transferencia de calor con el mismo o la misma. Un efecto técnico del uso de un fluido dieléctrico es facilitar la aplicación de un campo eléctrico al elemento electrocalórico con una transferencia simultánea de calor del elemento electrocalórico al disipador de calor. Muchos sistemas de la técnica anterior que dependen de la transferencia de calor por conducción hacia o desde un elemento electrocalórico deben evitar la transferencia de calor durante el funcionamiento del elemento electrocalórico. En la Figura 2, que tiene la misma numeración para partes iguales a las de la Figura 1 que no requieren posteriormente una descripción más detallada, está representado esquemáticamente un sistema 10' de enfriamiento para transferir calor de una fuente de calor (por ejemplo, enfriar un espacio de aire acondicionado) a un disipador de calor (por ejemplo, un espacio de aire externo fuera del espacio de aire acondicionado). La Figura 2 está configurada y se hace funcionar en general como la Figura 1, con una transferencia de calor entre el elemento electrocalórico 12 y el disipador 17 de calor o la fuente 20 de calor proporcionada por un fluido dieléctrico que fluye a través de unos conductos que conectan los espacios colectores 30 y 32, que interactúan con el elemento electrocalórico 12, al disipador 17 de calor y la fuente 20 de calor, a través de unas válvulas 34, 36, 38 y 40 de control. Además, el elemento electrocalórico tiene unos canales 46 de flujo (representados esquemáticamente mediante un sombreado cruzado) para el flujo de fluido a través del elemento electrocalórico 12 entre los espacios colectores 30 y 32. Cabe señalar que, aunque el trayecto de flujo de fluido a través del elemento electrocalórico está representado para mayor comodidad de ilustración como horizontal, también podría ser vertical (transversal al elemento electrocalórico 12) con los canales extendiéndose a través de los electrodos o siendo los electrodos permeables al fluido dieléctrico.

El funcionamiento del sistema 10' se describe a continuación con respecto a un sistema de acondicionamiento de aire donde la fuente de calor es un espacio de aire acondicionado y el disipador de calor es el aire exterior, pero se entiende que el sistema también se puede hacer funcionar en modo de bomba de calor, o con un fluido de transferencia de calor que transfiera calor hacia y desde fuentes/disipadores de calor remotos. En funcionamiento, el sistema 10' puede ser manejado por el controlador 24 aplicando un campo eléctrico como un diferencial de tensión a través del elemento electrocalórico 12 para causar una disminución en la entropía y una liberación de energía térmica por parte del elemento electrocalórico 12. El controlador 24 abre las válvulas 38 y 40 de control, cierra las válvulas 34 y 36 de control y activa el ventilador 44 para impulsar el flujo de aire desde la fuente 17 de aire exterior (disipador de calor) a través del elemento electrocalórico para transferir al menos una parte de la energía térmica liberada desde el elemento electrocalórico 12. Después de la aplicación del campo eléctrico durante un tiempo para inducir una liberación y una transferencia deseadas de energía térmica desde el elemento electrocalórico 12, se elimina el campo eléctrico. La eliminación del campo eléctrico provoca un aumento de la entropía y una disminución de la energía térmica del elemento electrocalórico 12 cuando la matriz de polímero elastomérico vuelve elásticamente a su alineación molecular original. Esta disminución de la energía térmica se manifiesta como una reducción de la temperatura del elemento electrocalórico 12 a una temperatura inferior a la del espacio acondicionado 20 (fuente de calor). El controlador 24 cierra las válvulas 38 y 40 de control y abre las válvulas 34 y 36 de control para dirigir el flujo de aire desde el ventilador 44 entre el elemento electrocalórico 12 y el espacio acondicionado.

Los elastómeros de cristal líquido y los cristales líquidos dispersados en polímero elástico se pueden sintetizar a granel utilizando técnicas de polimerización convencionales para formar membranas con un espesor que va desde micrómetros hasta cientos de micrómetros para su utilización para el elemento electrocalórico 12. Los dominios de cristal líquido son típicamente de tamaño uniforme. Los elastómeros de cristal líquido pueden tener grupos mesogénicos que formen regiones nanocristalinas alineadas con un tamaño de nanómetros a cien nanómetros cuando se aplique electricidad externa. Los dominios de cristal líquido pueden tener un tamaño de unos pocos nanómetros (por ejemplo, 3 nm) a cien nanómetros en un sistema dispersado en elastómero. Se encuentran disponibles diferentes sistemas de elastómeros para dispersar cristales líquidos para formar dominios esféricos homogéneos. Las redes de elastómeros suelen ser mecánicamente estables durante largos períodos de tiempo y tienen un amplio intervalo de temperaturas de funcionamiento de hasta 200 °C. Debido al bajo módulo de elasticidad de los elastómeros, se necesita una menor intensidad de campo eléctrico para la alineación de los dominios formados por grupos mesogénicos en estos sistemas. Tras la eliminación del campo eléctrico, la interacción intrínseca entre la red de elastómeros y los grupos mesogénicos/las moléculas de cristal líquido hace que la nanoestructura se relaje y se aleatorice. En comparación con muchos sistemas ferroeléctricos, termoeléctricos o electrocalóricos de la técnica anterior que se pueden usar a pequeña escala para aplicaciones tales como el enfriamiento de componentes electrónicos, pero que han tenido un éxito limitado a la hora de lograr una escalabilidad para su uso en aplicaciones de alta carga térmica como aplicaciones de refrigeración o aplicaciones de calentamiento o enfriamiento residenciales, para vehículos o comerciales, los sistemas descritos en la presente memoria tienen el potencial de lograr altos niveles de rendimiento utilizando no solo el efecto electrocalórico convencional causado por la disminución de la entropía del ordenamiento nemático o esméctico de los grupos mesogénicos, sino también un efecto elastocalórico donde el ordenamiento nemático o esméctico inducido por campo de estructuras mesogénicas induce una deformación elástica en la matriz de elastómero (que puede tener un módulo de elasticidad de 1MPa a 100MPa), lo que da como resultado una mayor liberación de energía térmica que se transfiere al disipador de calor y luego se recupera de la fuente de calor una vez retirado el campo. Además, a diferencia de los cristales líquidos de molécula pequeña donde las impurezas iónicas pueden migrar a los electrodos y afectar al rendimiento, los elementos electrocalóricos elastoméricos descritos en la presente memoria son tolerantes a las impurezas iónicas existentes en la fase dispersada.

El efecto elastocalórico se puede lograr no solo a nivel macro, sino también a nivel de microdominio, donde se pueden configurar diferentes dominios de cristal líquido, polímero de cristal líquido, elastómero de cristal líquido y/o polímero o elastómero convencional para que interactúen bajo la aplicación de un campo externo para lograr cambios de entropía significativos entre los estados de campo aplicado y de campo eliminado. Los elastómeros de cristal líquido pueden estar en una configuración monocristalina o monodominio en la que haya una alineación de las estructuras mesogénicas en el polímero en ausencia de un campo externo. Esto se puede lograr aplicando un campo externo durante la polimerización y/o reticulación para formar la matriz polimérica con alineación estructural de grupos mesogénicos. La alineación de polímero cristalino también se puede producir mediante técnicas y materiales de polimerización convencionales. Pueden usarse matrices poliméricas de múltiples dominios cristalinos en las que diferentes dominios de elastómero de cristal líquido se orienten para producir los efectos deseados, tales como la realineación provocada por el campo externo para causar una deformación elástica a lo largo de diferentes orientaciones para minimizar la macrodeformación en el artículo. En algunas realizaciones, un elastómero de cristal líquido, un oligómero de cristal líquido, un polímero de cristal líquido o un cristal líquido en forma líquida pueden estar en una composición polimérica multifase con un segundo polímero o elastómero (u otros polímeros o elastómeros más), que no tiene que tener características de cristal líquido. En algunas realizaciones, el segundo polímero es una fase continua y el elastómero de cristal líquido, oligómero de cristal líquido, polímero de cristal líquido o cristal líquido en forma líquida es una fase discontinua. En algunas realizaciones, el segundo polímero es una fase discontinua y el elastómero de cristal líquido o polímero de cristal líquido es una fase continua.

Los sistemas descritos en la presente memoria se pueden hacer funcionar en un modo de enfriamiento donde la fuente de calor sea un espacio acondicionado o un objetivo de enfriamiento. Los sistemas descritos en la presente memoria también se pueden hacer funcionar en un modo de bomba de calor donde el disipador de calor sea un espacio acondicionado o un objetivo de calentamiento. También cabe señalar que los sistemas descritos son de naturaleza ejemplar y que, por supuesto, se pueden realizar modificaciones. Por ejemplo, en cada figura hay un solo controlador 24, pero el control podría proporcionarse mediante control distribuido o componentes inteligentes tales como dispositivos de control de transferencia de calor sensibles a la temperatura. Además, aunque los sistemas están representados con un solo elemento electro cal ó rico y conjunto de electrodos, el experto en la técnica entenderá que también se pueden utilizar grupos o conjuntos ordenados de elementos conectados.

Aunque la invención se ha descrito en detalle en relación con solo un número limitado de realizaciones, se entenderá fácilmente que la invención no está limitada a tales realizaciones divulgadas. Más bien, la invención se puede modificar para incorporar cualquier número de variaciones, alteraciones, sustituciones o disposiciones equivalentes no descritas hasta ahora, pero correspondientes al alcance de la invención. Además, aunque se han descrito diversas realizaciones de la invención, debe entenderse que los aspectos de la invención pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la invención no debe considerarse limitada por la descripción anterior, sino que solo está limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1.Un sistema (10, 10') de transferencia de calor, que comprende:

un elemento electrocalórico (12);

un par de electrodos (14, 16) dispuestos en superficies opuestas del elemento electrocalórico (12);

un primer trayecto (18) de flujo térmico entre el elemento electrocalórico (12) y un disipador (17) de calor;

un segundo trayecto (22) de flujo térmico entre el elemento electrocalórico (12) y una fuente (20) de calor; y

un controlador (24) configurado para controlar la corriente eléctrica a los electrodos (14, 16) y para dirigir selectivamente la transferencia de energía térmica del elemento electrocalórico (12) al disipador (17) de calor a lo largo del primer trayecto (18) de flujo térmico, o de la fuente (20) de calor al elemento electrocalórico (12) a lo largo del segundo trayecto (22) de flujo térmico,

caracterizado por que el elemento electrocalórico (12) comprende un elastómero de cristal líquido o un cristal líquido en forma líquida retenido en una matriz de polímero elastomérico.

2. El sistema (10, 10') de la reivindicación 1,

en donde la fuente (20) de calor es un fluido dieléctrico acondicionado, preferiblemente aire, y/oen donde el disipador (17) de calor es un fluido dieléctrico, preferiblemente aire.

3. El sistema (10, 10') de la reivindicación 2, en donde el elemento electrocalórico (12) comprende un trayecto (18, 22) deflujo de fluido para el fluido dieléctrico en comunicación térmica con el elemento electrocalórico (12), preferiblemente endonde el trayecto de flujo de fluido es un canal en el elemento electrocalórico (12).

4. El sistema (10, 10') de la reivindicación 3, que comprende además medios que responden al controlador (24) para dirigirselectivamente el fluido dieléctrico acondicionado de la fuente (20) de calor o el fluido dieléctrico del disipador (17) de calora lo largo del trayecto de flujo de fluido.

5. El sistema (10, 10') de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el elemento electrocalórico (12) comprendeimpurezas iónicas inmovilizadas.

6. El sistema (10, 10') de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde el elemento electrocalórico (12) comprende elelastómero de cristal líquido, que tiene una cadena principal polimérica que comprende grupos mesogénicos.

7. El sistema (10, 10') de cualquiera de las reivindicaciones 1-12, en donde el elemento electrocalórico (12) comprende elelastómero de cristal líquido, que tiene cadenas laterales que comprenden grupos mesogénicos.

8. El sistema (10, 10') de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde el elemento electrocalórico (12) comprende elelastómero de cristal líquido, que tiene un módulo de elasticidad de 1MPa a 100MPa en el intervalo de temperaturas defuncionamiento del sistema (10, 10').

9. El sistema (10, 10') de cualquiera

las reivindicaciones 1-5, en donde el elemento electrocalórico (12) comprende elelastómero de cristal líquido.

10. El sistema (10, 10') de la reivindicación 7-9, en donde el elastómero de cristal líquido tiene al menos una alineaciónparcial de grupos mesogénicos en una orientación diferente de una orientación cuando se suministra corriente eléctrica alos electrodos (14, 16).

11. El sistema (10, 10') de cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en donde el elemento electrocalórico (12) comprendeuna composición polimérica multifase que comprende una primera fase que comprende el elastómero de cristal líquido yuna segunda fase que comprende un segundo polímero.

12. El sistema (10, 10') de la reivindicación 11, en donde la segunda fase es una fase continua y la primera fase es unafase discontinua.

13. El sistema (10, 10') de la reivindicación 11, en donde la primera fase es una fase continua y la segunda fase es unafase discontinua.

14. El sistema (10, 10') de cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde el elemento electrocalórico comprende uncristal líquido retenido en una matriz de polímero elastomérico.

15. Un método para usar el sistema (10, 10') de cualquiera de las reivindicaciones 1-14, que comprende

aplicar un campo eléctrico como un diferencial de tensión a través del elemento electrocalórico (12), causando así una disminución de laentropía y una liberación de energía térmica por parte del elemento electrocalórico (12); transferir al menos una parte de la energía térmica liberada al disipador (17) de calor;

eliminar el campo eléctrico, causando así un aumento de la entropía y una disminución de la energía térmica y la absorción de energía térmica por parte del elemento electrocalórico (12); y

transferir energía térmica de la fuente (20) de calor para que sea absorbida por el elemento electrocalórico (12).