ES2863357T3 - Elemento electrocalórico, un sistema de transferencia de calor que comprende un elemento electrocalórico y un método para hacerlos - Google Patents

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Abstract

Un método para hacer un elemento (312) electrocalórico, que comprende: proporcionar un material electrocalórico; formar un primer electrodo (314) en una primera superficie del material electrocalórico; y formar un segundo electrodo (316) en una segunda superficie, en el que formar el primer electrodo comprende, o formar el segundo electrodo comprende, o formar cada uno de los electrodos primero y segundo comprende independientemente modificar la respectiva superficie primera y/o segunda del material electrocalórico con una modificación de la superficie eléctricamente conductora, caracterizado porque la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende una modificación atómica o molecular del material electrocalórico en dicha primera superficie y/o segunda superficie.

Description

DESCRIPCIÓN
Elemento electrocalórico, un sistema de transferencia de calor que comprende un elemento electrocalórico y un método para hacerlos
Antecedentes
Existe una amplia variedad de tecnologías para aplicaciones de refrigeración, que incluyen, entre otras, refrigeración por evaporación, enfriamiento por convección o enfriamiento en estado sólido, como enfriamiento electrotérmico. Una de las tecnologías más frecuentes en uso para enfriamiento residencial y comercial y aire acondicionado es el circuito de transferencia de calor del refrigerante por compresión de vapor. Estos circuitos típicamente hacen circular un refrigerante que tiene propiedades termodinámicas apropiadas 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 pro compresión de vapor proporcionan enfriamiento y refrigeración de manera efectiva en una variedad de configuraciones y, en algunas situaciones, pueden funcionar en reversa como una bomba de calor. Sin embargo, muchos de los refrigerantes pueden presentar peligros ambientales tal como el potencial de agotamiento del ozono (ODP) o el potencial de calentamiento global (GWP), o pueden ser tóxicos o inflamables. Además, los circuitos de refrigerante por compresión de vapor pueden ser poco prácticos o desventajosos en entornos que carecen de una fuente de energía suficiente para accionar 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 resultar en una duración de la batería del vehículo o en el intervalo de accionamiento significativamente más cortos. De manera similar, los requisitos de peso y potencia del compresor pueden ser problemáticos en diversas aplicaciones de refrigeración portátiles.
Por consiguiente, ha habido interés en desarrollar tecnologías de refrigeración como alternativas a los circuitos de refrigerante por compresión de vapor. Se han propuesto diversas tecnologías tales como calor de campo activo o sistemas de transferencia de calor sensibles a la corriente eléctrica que se basan en materiales tales como materiales electrocalóricos, materiales magnetocalóricos o materiales termoeléctricos. Sin embargo, muchas propuestas se han configurado como demostraciones a escala de banco de prueba con capacidades limitadas de escalabilidad o producción en masa.
Se han propuesto materiales electrocalóricos tales como películas electrocalóricas para su uso en sistemas de transferencia de calor. Sin embargo, están sujetos a una serie de problemas potenciales que deben abordarse cuando los materiales electrocalóricos se fabrican en elementos electrocalóricos para su uso en sistemas de transferencia de calor, incluyendo la fabricación de electrodos eléctricamente conductores utilizados para aplicar un campo eléctrico al material electrocalórico. Los documentos WO 2017/030529 A1, US 4757688 A y US 2011/309463 A1 divulgan cada uno un sistema de transferencia de calor que comprende un elemento electrocalórico y al menos un par de electrodos dispuestos sobre superficies opuestas del elemento electrocalórico. Además, el documento WO 2017/030529 A1 divulga un método de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 para hacer un elemento electrocalórico, y un elemento electrocalórico de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 4.
Breve descripción
En algunas realizaciones, un método para fabricar un elemento electrocalórico comprende proporcionar un material electrocalórico; formar un primer electrodo en una primera superficie del material electrocalórico; y formar un segundo electrodo en una segunda superficie, en el que formar el primer electrodo comprende, o formar el segundo electrodo comprende, o formar cada uno de los electrodos primeros y segundos comprende independientemente modificar la respectiva superficie primera y/o segunda del material electrocalórico con una modificación de la superficie eléctricamente conductora, caracterizada porque la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende una modificación atómica o molecular del material electrocalórico en dicha primera superficie y/o segunda superficie.
En algunas realizaciones, un método para fabricar un sistema de transferencia de calor electrocalórico comprende fabricar un elemento electrocalórico como se describió anteriormente, conectar térmicamente el elemento electrocalórico a un disipador de calor a lo largo de una primera trayectoria de flujo térmico, conectar térmicamente el elemento electrocalórico a una fuente de calor a lo largo de una segunda trayectoria de flujo térmico y conectando eléctricamente los electrodos a una fuente de energía eléctrica.
En algunas realizaciones, el método de fabricación de un sistema de transferencia de calor electrocalórico puede comprender además conectar los componentes del sistema de transferencia de calor a un controlador configurado para aplicar selectivamente voltaje para activar los electrodos en coordinación con la transferencia de calor a lo largo de las trayectorias primera y segunda de flujo térmico para transferir calor desde la fuente de calor al disipador de calor.
En algunas realizaciones, un elemento electrocalórico comprende un material electrocalórico; un primer electrodo en una primera superficie del material electrocalórico; y un segundo electrodo en una segunda superficie del material electrocalórico, en el que el primer electrodo comprende, o el segundo electrodo comprende, o cada uno de los electrodos primero y segundo comprende independientemente una modificación de la superficie eléctricamente conductora del material electrocalórico, caracterizado porque la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende una modificación atómica o molecular del material electrocalórico en dicha primera superficie y/o segunda superficie.
En algunas realizaciones, un sistema de transferencia de calor comprende un material electrocalórico, un primer electrodo en una primera superficie del material electrocalórico, un segundo electrodo en una segunda superficie del material electrocalórico. El sistema también incluye una primera trayectoria de flujo térmico entre el material electrocalórico y un disipador de calor y una segunda trayectoria de flujo térmico entre el material electrocalórico y una fuente de calor. Una fuente de energía eléctrica está conectada a los electrodos. El primer electrodo comprende, o el segundo electrodo comprende, o cada uno de los electrodos primero y segundo comprende independientemente una modificación de la superficie eléctricamente conductora del material electrocalórico.
En algunas realizaciones, el sistema de transferencia de calor también puede incluir un controlador configurado para aplicar voltaje selectivamente para activar los electrodos en coordinación con la transferencia de calor a lo largo de las trayectorias primera y segunda de flujo térmico para transferir calor desde la fuente de calor al disipador de calor. En una cualquiera o una combinación de las realizaciones anteriores, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede comprender una modificación atómica o molecular del material electrocalórico en dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
En una cualquiera o una combinación de las realizaciones anteriores, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede comprender iones implantados en el material electrocalórico en dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
En una cualquiera o una combinación de las realizaciones anteriores, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede comprender un dopante presente selectivamente en la superficie que proporciona portadores de carga, ya sean electrones o huecos de electrones, en dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
En una cualquiera o en una combinación de las realizaciones anteriores, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede comprender defectos atómicos o moleculares en el material electrocalórico presente selectivamente en la superficie de dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
En una cualquiera o una combinación de las realizaciones anteriores, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede comprender un sustituyente unido covalentemente o iónicamente al material polimérico electrocalórico en dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
En una cualquiera o una combinación de las realizaciones anteriores, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede comprender una capa superficial que comprende el material electrocalórico y un aditivo eléctricamente conductor en la primera superficie o la segunda superficie o superficies primera y segunda.
En una cualquiera o una combinación de las realizaciones anteriores, el material electrocalórico puede comprender una composición de cerámica electrocalórica o una composición de polímero electrocalórico, y en el que la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende una capa superficial que comprende una composición de polímero eléctricamente conductora si el material comprende la composición de polímero electrocalórico, o la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende una capa superficial que comprende una composición cerámica eléctricamente conductora si el material electrocalórico comprende la composición cerámica electrocalórica.
En una cualquiera o una combinación de las realizaciones anteriores, el material electrocalórico a granel puede tener una resistividad eléctrica> 1 x 1010 Q-cm, y la modificación de la superficie eléctricamente conductora tiene una resistencia superficial <100 Q/cuadrado.
En algunas realizaciones, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede tener una resistencia superficial <10 Q/cuadrado.
En algunas realizaciones, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede tener una resistencia superficial <1 Q/cuadrado.
Breve descripción de los dibujos
El objeto de esta invención se señala y se reivindica claramente en las reivindicaciones al final de la especificación. Los detalles anteriores y otros, y las ventajas de la presente invención son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos adjuntos en los que:
La Figura es una representación esquemática de una realización de ejemplo de un sistema de transferencia de calor que comprende un elemento electrocalórico y otros componentes.
Descripción detallada
Como se mencionó anteriormente, un método para fabricar un elemento electrocalórico incluye proporcionar un material electrocalórico y formar electrodos en las superficies del material electrocalórico. Proporcionar el material electrocalórico puede implicar la fabricación de un material electrocalórico u obtener material electrocalórico a partir de una fabricación de materiales y darle una configuración de forma deseada. Los materiales electrocalóricos para elementos electrocalóricos se pueden configurar en diversas formas. En algunas realizaciones, el material electrocalórico se puede configurar como una película delgada. En algunas realizaciones, los espesores de película para un material electrocalórico pueden estar en un intervalo con un extremo inferior de 0.1 pm, 0.5 pm o 1 pm, y un extremo superior de 1000 pm, 100 pm o 10 pm. Los puntos finales de intervalo superior e inferior anteriores pueden combinarse independientemente para formar una serie de intervalos, y los intervalos que representan cada combinación posible de puntos finales de intervalo se describen expresamente aquí. Los ejemplos de materiales electrocalóricos pueden incluir, pero no se limitan a, materiales inorgánicos y polímeros electrocalóricos. Los ejemplos de sustancias inorgánicas incluyen, entre otros, PbTiO3 ("PT"), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 ("PMN"), PMN PT, LiTaO3, titanato de bario-estroncio (BST) o PZT (plomo, circonio, titanio, oxígeno). Los ejemplos de polímeros electrocalóricos incluyen, pero no se limitan a polímeros ferroeléctricos, polímeros de cristal líquido y elastómeros de cristal líquido.
Los polímeros ferroeléctricos son polímeros cristalinos, o polímeros con un alto grado de cristalinidad, donde la alineación cristalina de las cadenas poliméricas en laminillas y/o estructuras de esferulitas se puede modificar mediante la aplicación de un campo eléctrico. Tales características pueden proporcionarse mediante estructuras polares integradas en la cadena principal del polímero o adjuntas a la cadena principal del polímero con una orientación fija a la cadena principal. Los ejemplos de polímeros ferroeléctricos incluyen fluoruro de polivinilideno (PVDF), fluoruro de politrietileno, nailon de número impar, copolímeros que contienen unidades repetidas derivadas de fluoruro de vinilideno y copolímeros que contienen unidades repetidas derivadas de fluoruro de trietileno. El fluoruro de polivinilideno y los copolímeros que contienen unidades repetidas derivadas del fluoruro de vinilideno se han estudiado ampliamente por sus propiedades ferroeléctricas y electrocalóricas. Ejemplos de copolímeros que contienen fluoruro de vinilideno incluyen copolímeros con metacrilato de metilo y copolímeros con uno o más comonómeros halogenados que incluyen, pero no se limitan a trifluoroetileno, tetrafluoroetileno, clorotrifluoroetileno, tricloroetileno, cloruro de vinilideno, cloruro de vinilo y otros monómeros insaturados halogenados.
En algunas realizaciones, el material electrocalórico puede comprender un copolímero de una mezcla de monómeros que comprende (i) fluoruro de vinilideno (VF), (ii) un monómero de polimerización por adición seleccionado de tetrafluoroetileno, trifluoroetileno o un monómero más pequeño que trifluoroetileno y (iii) un monómero de polimerización por adición halogenado diferente de (ii) que es más grande que el fluoruro de vinilideno. En algunas realizaciones, el monómero (ii) comprende TrFE. En algunas realizaciones, el monómero (ii) comprende tetrafluoroetileno (TFE). En algunas realizaciones, el monómero (ii) comprende un monómero más pequeño que TrFE, tal como fluoruro de vinilo (VF) o etileno. En algunas realizaciones, el monómero (ii) comprende una combinación de dos o más de los monómeros anteriores. Los ejemplos del monómero (iii) incluyen pero no se limitan a clorofluoroetileno (CFE), clorotrifluoroetileno (CTFE), hexafluoropropileno (HFP), cloruro de vinilideno (VDC) 1,1-difluoropropileno (DFP), 2,3,3,3-tetrafluoropropileno (TFP). En algunas realizaciones, el monómero (iii) comprende CFE o un monómero polimerizable halogenado mayor que CTFE. En algunas realizaciones, el monómero (iii) comprende CFE. Los sustituyentes de cloro en el monómero (iii) u otros monómeros en el copolímero se pueden distribuir aleatoriamente a lo largo de la cadena principal del copolímero, o pueden tener una distribución ordenada a lo largo de la cadena principal, como se describe en la solicitud de patente PCT/US 16/39609, cuya divulgación se incorpora en el presente documento como referencia en su totalidad. Los ejemplos de copolímeros incluyen, pero no se limitan a P(VDF-TrFE-CFE), P(VDF-TrFE-CTFE), P(VDF-TrFE-HFP), P(VDF-TrFE-TFE), P(VDF-TrFE-VDC), P(VDF-TFE-CFE), P(VDF-TFE-CTFE), P(VDF-TFE-HFP), P(VDF-TFE-VDC), P(VDF-TrFE-DFP), P(VDF-TrFE-TFP), P(VDF-VF-CFE), P(VDF-VF-TFP), P(VDF-TrFE-TFP), P(VDF-TrFE-VF-CFE), P(VDF-VF-CFE-TFP) y mezclas de los mismos. Las cantidades de los respectivos monómeros en el copolímero pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas del copolímero. En algunas realizaciones de ejemplo, el monómero (i) puede estar presente en una cantidad en un intervalo que tiene un límite inferior de 45 % en moles, más específicamente 50 % en moles, y más específicamente 55 % en moles, y un límite superior de 75 % en moles, más específicamente 70 % en moles, y más específicamente 65 % en moles. En algunas realizaciones de ejemplo, el monómero (ii) puede estar presente en una cantidad en un intervalo que tiene un límite inferior de 20 % en moles, más específicamente 22 % en moles, y más específicamente 25 % en moles, y un límite superior de 38 % en moles, más específicamente 35 % en moles, y más específicamente 33 % en moles. En algunas realizaciones de ejemplo, el monómero (iii) puede estar presente en una cantidad en un intervalo que tiene un límite inferior de 2 % en moles, más específicamente 4 % en moles, y más específicamente 6 % en moles, y un límite superior de 12 % en moles, más específicamente 10 % en moles, y más específicamente 8 % en moles. Los puntos finales de intervalo superior e inferior anteriores se pueden combinar independientemente para divulgar un número de intervalos diferentes, cada uno de los cuales se divulga explícitamente aquí.
Los polímeros de cristal líquido o los cristales líquidos de polímero comprenden moléculas de polímero que incluyen grupos mesogénicos. Las estructuras moleculares mesogénicas son bien conocidas y, a menudo, se describen como estructuras moleculares en forma de barra o en forma de disco que tienen orientaciones de densidad de electrones que producen un momento dipolar en respuesta a un campo externo tal como un campo eléctrico externo. Los polímeros de cristal líquido típicamente comprenden numerosos grupos mesogénicos conectados por estructuras moleculares no mesogénicas. Las estructuras de conexión no mesogénicas y su conexión, colocación y espaciado en la molécula de polímero junto con las estructuras mesogénicas son importantes para proporcionar la respuesta deformable del fluido al campo externo. Típicamente, las estructuras de conexión proporcionan una rigidez lo suficientemente baja como para que se induzca el realineamiento molecular mediante la aplicación del campo externo, y lo suficientemente alta para proporcionar las características de un polímero cuando no se aplica el campo externo. En algunas realizaciones a manera de ejemplo, un polímero de cristal líquido puede tener estructuras mesogénicas en forma de barra en la cadena principal del polímero separadas por grupos espaciadores no mesogénicos que tienen flexibilidad para permitir el reordenamiento de los grupos mesogénicos en respuesta a un campo externo. Dichos polímeros también se conocen como polímeros de cristal líquido de cadena principal. En algunas realizaciones a manera de ejemplo, un polímero de cristal líquido puede tener estructuras mesogénicas en forma de barra unidas como grupos laterales unidos a la cadena principal del polímero. Dichos 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 repetidas mostradas con grupos espaciadores de polietileno C10 y C8, respectivamente:
Figure imgf000005_0001
Los ejemplos de polímeros de cristal líquido de cadena lateral incluyen aquellos que tienen las estructuras repetidas mostradas con grupos espaciadores de polietileno C4 y C10, respectivamente:
Figure imgf000006_0001
Por supuesto, las estructuras anteriores son a manera de ejemplo. Se conocen muchos otros polímeros de cristal líquido, y el experto en la técnica puede utilizarlos fácilmente.
En algunas realizaciones, los elastómeros de cristal líquido pueden basarse en polímeros de cristal líquido que se han modificado con entrecruzamiento. La densidad de entrecruzamiento se puede ajustar para que sea lo suficientemente baja 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 entrecruzamiento se puede establecer lo suficientemente alta 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 entrecruzamiento puede depender de cualquier tipo de mecanismo de entrecruzamiento, tal como la inclusión de un monómero trifuncional o superior en los reactivos monoméricos durante la polimerización o mediante la inclusión de grupos laterales funcionales tal como el hidroxilo unido a la cadena del polímero, que puede reaccionar con un agente de entrecruzamiento tal como un diisocianato. Los grupos laterales funcionales pueden seleccionarse para dar como resultado un grupo mesogénico integrado en la cadena de entrecruzamiento, o los grupos mesogénicos pueden unirse como grupos laterales sobre la cadena de polímero separados de las cadenas de entrecruzamiento que son no mesogénicas. Se conocen muchos elastómeros de cristal líquido, y el experto en la técnica puede utilizarlos fácilmente.
Como se mencionó anteriormente, los electrodos primero y segundo están formados en las superficies primera y segunda, respectivamente, del material electrocalórico, y el primer electrodo o el segundo electrodo o cada uno de los electrodos primeros y segundo comprenden independientemente una modificación de la superficie eléctrica del material electrocalórico en la superficie primera y/o segunda, respectivamente. Como se usa en el presente documento, el término modificación de superficie indica una modificación sobre o en una superficie de la interfaz material electrocalórico/electrodo y opcionalmente también en una zona o región local del material electrocalórico adyacente a esa superficie que no se extiende a través del material electrocalórico entre los electrodos. Como la modificación de la superficie es eléctricamente conductora, una extensión de la modificación a través del material crearía una trayectoria eléctricamente conductora a través del material dieléctrico electrocalórico que cortocircuitaría la separación de electrodos necesaria para crear un campo eléctrico para la operación electrocalórica.
En algunas realizaciones, la modificación de la superficie eléctricamente conductora incluye una modificación atómica o molecular del material electrocalórico en la superficie relevante. En algunas realizaciones, el material electrocalórico a granel puede tener una resistividad eléctrica> 1 x 1010 Q-cm, y la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede tener una resistencia superficial <100 Q/cuadrado. En algunas realizaciones, la modificación de la superficie eléctricamente conductora puede tener una resistencia superficial <10 Q/cuadrado. En algunas realizaciones, la modificación de la superficie eléctricamente conductora tiene una resistencia superficial <1 Q/cuadrado. El término "ohmios por cuadrado" es un término de la técnica que se utiliza para representar el número de cuadrados reales en un patrón metálico del electrodo. Por ejemplo, si la barra de bus ve un ancho de 4 pulgadas y la longitud es de 1 pulgada, entonces son 4 cuadrados, es decir, el ancho dividido por la longitud. La resistencia de la superficie es la resistividad dividida por el espesor. Por lo tanto, solo es necesario multiplicar por la longitud y dividir por el ancho (o, alternativamente, dividir por el número de cuadrados). La modificación atómica o molecular se puede realizar de diversas formas. En algunas realizaciones, las técnicas de implantación de iones penetran iones energéticos en la superficie del material para producir donantes o aceptores de carga. La implantación de iones se puede llevar a cabo formando iones positivos o negativos con bombardeo electrónico de un gas que comprende átomos o moléculas ionizables, y acelerando y enfocando electromagnéticamente los iones en un haz dirigido a un sustrato objetivo. Un separador magnético y una apertura interpuestos en el haz pueden limitar los iones que pasan a través del separador a los valores de masa y energía/carga objetivo. La energía de los iones y su composición y la del objetivo determinarán la profundidad de penetración de los iones en el objetivo. En algunas realizaciones, la profundidad de penetración puede oscilar entre 10 nm y 1 pm. Los iones pierden gradualmente su energía a medida que viajan a través del material electrocalórico sólido, tanto por colisiones ocasionales con los átomos objetivo como por el arrastre debido a la superposición de orbitales de electrones. En algunas realizaciones, la pérdida de energía iónica en el objetivo puede evitar que los iones penetren a través del material electrocalórico. En algunas realizaciones, la energía iónica del haz de iones puede estar en un intervalo que tiene un extremo inferior de IkeV, 5 keV, 10 keV o 10 keV, y un extremo superior de 500 keV, 250 keV, 150 keV o 100 keV. Los puntos finales de intervalo superior e inferior anteriores se pueden combinar independientemente para divulgar un número de intervalo diferentes, cada uno de los cuales se divulga explícitamente aquí. La cantidad de carga de iones implantados en el material electrocalórico puede controlarse mediante factores tales como la duración de la exposición del material al haz de iones. En algunas realizaciones, la implantación de iones puede proporcionar una dosis de implantación de iones en un intervalo con un límite bajo de 1x1017 iones/cm2, 1x1018 iones/cm2 o 1x1019 iones/cm2, y un límite superior de 1x1020 iones/cm2, 1x1021 iones/cm2, o 1x1022 iones/cm2. Los puntos finales de intervalo superior e inferior anteriores se pueden combinar independientemente para divulgar un número de intervalos diferentes, cada uno de los cuales se divulga explícitamente aquí. La implantación de iones se puede implementar con materiales electrocalóricos poliméricos o cerámicos. En algunas realizaciones, las especies de iones implantados pueden seleccionarse para sustituir el ión A en una estructura de perovskita ABO3 o un grupo iónico en el material electrocalórico. Los ejemplos de materiales fuente de iones y los iones correspondientes implantados incluyen, pero no se limitan a, La, Mn, Nb, Ta, V, Mg.
Otra forma de modificación de la superficie atómica o molecular puede incluir dopantes introducidos en las porciones de la superficie (que incluyen opcionalmente una zona o región local adyacente a la superficie) del material electrocalórico durante la fabricación. Los dopantes pueden incluir átomos donadores o aceptores de electrones o grupos de átomos que sustituyen a otros átomos en una estructura de red cristalina de un material electrocalórico cerámico o están en solución sólida con un material electrocalórico cerámico o polimérico. En algunas realizaciones, el dopante presente selectivamente en la superficie puede proporcionar portadores de carga, ya sean electrones u orificios de electrones en la superficie. La introducción de dopante en o cerca de la superficie se puede lograr añadiendo o aumentando rápidamente una cantidad de dopantes en un precursor en fase líquida, en polvo o vapor del material electrocalórico de forma selectiva durante la síntesis o fabricación de una porción de superficie del material electrocalórico. Los ejemplos de dopantes incluyen Na, As, B, S, Sb, P.
Otra forma de modificación de la superficie atómica o molecular puede incluir defectos en la estructura atómica o molecular del material electrocalórico que son capaces de proporcionar una propiedad de conductividad eléctrica. Tales defectos pueden formarse exponiendo la superficie electrocalórica a un haz de iones como el descrito anteriormente para la implantación de iones, pero produciendo conductividad eléctrica principalmente a través del efecto electrónicamente activo de defectos en la estructura molecular resultantes a partir del impacto de iones. Por ejemplo, la implantación con iones pesados tales como Ar, He, Kr, Ze, Sb, puede producir defectos locales en la disociación de la estructura cristalina cerámica o la escisión de la cadena del polímero. El efecto electrónicamente activo de tales defectos puede ser una alternativa a o además de los efectos electrónicamente activos producidos por los propios iones implantados o su interacción con la estructura atómica o molecular del material electrocalórico.
Otra forma de modificación de la superficie atómica o molecular puede incluir defectos en la estructura atómica o molecular del material electrocalórico que son capaces de proporcionar una propiedad de conductividad eléctrica. Tales defectos pueden formarse exponiendo la superficie electrocalórica a un haz de electrones, produciendo conductividad eléctrica principalmente a través del efecto electrónicamente activo de defectos en la estructura molecular que resultan del impacto de los electrones.
En algunas realizaciones en las que el material electrocalórico comprende un polímero electrocalórico, una modificación de la superficie atómica o molecular puede comprender sustituyentes unidos covalente o iónicamente a moléculas de polímero electrocalórico en la superficie del material. Los sustituyentes pueden incluir grupos donantes de electrones y/o aceptores de electrones para proporcionar un efecto conductor eléctrico. Los ejemplos de sustituyentes potenciales incluyen N, Si, As, Sb, Bi. Pueden usarse combinaciones de sustituyentes para mejorar aún más el efecto conductor eléctrico. La unión química selectiva de los sustituyentes que inducen la conductividad eléctrica en la superficie del material electrocalórico se puede lograr introduciendo las moléculas de polímero sustituidas durante la fabricación. La unión química se puede lograr introduciendo moléculas de polímero conductoras eléctricamente durante la ubicación de la fabricación de una porción de la superficie del material electrocalórico. Alternativamente, se puede incluir un grupo funcional unido a la molécula de polímero que puede reaccionar o desplazarse (por ejemplo, con química húmeda o de vapor) o convertirse (por ejemplo, por calor o luz) para formar un grupo potenciador de la conductividad unido a la molécula de polímero en la superficie expuesta del material electrocalórico.
En algunas realizaciones, una modificación de la superficie eléctricamente conductora puede comprender un revestimiento o capa superficial eléctricamente conductora que sea compatible con el material electrocalórico subyacente. Si el material electrocalórico comprende una composición cerámica electrocalórica, el revestimiento o capa superficial conductora compatible comprende una composición cerámica eléctricamente conductora. El revestimiento cerámico o composición de la capa superficial puede incluir dopantes para proporcionar o mejorar la conductividad eléctrica, y puede incluir otras variaciones de composición del material electrocalórico subyacente para diversos fines, tales como mejorar el efecto conductor eléctrico de los dopantes. La capa de revestimiento o superficial se puede aplicar como una cinta de cerámica verde que se conforma como una capa de cinta superficial más externa con otras cintas de cerámica verde para el material electrocalórico, seguido de sinterización. De manera similar, con las composiciones poliméricas electrocalóricas, un revestimiento o capa superficial puede incluir un polímero eléctricamente conductor (incluyendo polímeros con sustituyentes que producen conductividad eléctrica) que se coextrude con un soporte base de polímero electrocalórico. La composición de revestimiento o capa superficial de polímero puede incluir dopantes y/o sustituyentes sobre la molécula de polímero para proporcionar o potenciar la conductividad eléctrica, y puede incluir otras variaciones de composición del material electrocalórico subyacente para diversos fines, tales como mejorar el efecto conductor eléctrico de los dopantes. Los ejemplos de emparejamiento de composición de material electrocalórico y revestimiento incluyen cromito de estroncio de lantano o cobalto de estroncio de lantano, titanato de estroncio dopado con lantano, etc.
Una realización de ejemplo de un sistema de transferencia de calor y su funcionamiento se describen adicionalmente con respecto a la Figura. Como se muestra en la Figura, un sistema 310 de transferencia de calor comprende un elemento electrocalórico que comprende una película 312 electrocalórica que tiene electrodos 314 y 316 sobre superficies opuestas de la misma. También se pueden utilizar múltiples elementos electrocalóricos configurados en una pila. El elemento electrocalórico está en comunicación térmica con un disipador 317 de calor a través de una primera trayectoria 318 de flujo térmico, y en comunicación térmica con una fuente 320 de calor a través de una segunda trayectoria 322 de flujo térmico. Las trayectorias de flujo térmico se describen a continuación con respecto a la transferencia térmica a través del flujo de un fluido de transferencia de calor a través de las válvulas 326 y 328 de control entre el elemento electrocalórico y el disipador de calor y la fuente de calor, pero también puede ser a través de la transferencia de calor por conducción a través de interruptores termoeléctricos de calor de estado sólido en contacto térmicamente conductor con el elemento electrocalórico y la fuente de calor o disipador de calor, o interruptores termomecánicos en movimiento para establecer contacto térmicamente conductor entre el elemento electrocalórico y la fuente de calor o disipador de calor. Un controlador 324 está configurado para controlar la corriente eléctrica a través de una fuente de energía (no mostrada) para activar selectivamente los electrodos 314, 316. El controlador 324 también está configurado para abrir y cerrar las válvulas 326 y 328 de control para dirigir selectivamente el fluido de transferencia de calor a lo largo las trayectorias 318 y 322 de flujo primera y segunda.
En funcionamiento, el sistema 310 puede ser operado por el controlador 324 aplicando un campo eléctrico como un diferencial de voltaje a través del elemento electrocalórico para provocar una disminución de la entropía y una liberación de energía térmica por los elementos electrocalóricos. El controlador 324 abre la válvula 326 de control para transferir al menos una porción de la energía térmica liberada a lo largo de la trayectoria 318 de flujo al disipador de calor 317. Esta transferencia de calor puede ocurrir después de que la temperatura de los elementos electrocalóricos haya subido a una temperatura umbral. En algunas realizaciones, la transferencia de calor al disipador 317 de calor comienza tan pronto como la temperatura de los elementos electrocalóricos aumenta para ser aproximadamente igual a la temperatura del disipador 317 de calor. Después de la aplicación del campo eléctrico durante un tiempo para inducir una liberación y transferencia deseadas de energía térmica desde los elementos electrocalóricos al disipador de calor 317, se puede eliminar el campo eléctrico. La eliminación del campo eléctrico provoca un aumento de la entropía y una disminución de la energía térmica de los elementos electrocalóricos. Esta disminución en la energía térmica se manifiesta como una reducción en la temperatura de los elementos electrocalóricos a una temperatura por debajo de la de la fuente 320 de calor. El controlador 324 cierra la válvula 326 de control para terminar el flujo a lo largo de la ruta 318 de flujo y abre el dispositivo 328 de control para transferir energía térmica desde la fuente 320 de calor a los elementos electrocalóricos más fríos con el fin de regenerar los elementos electrocalóricos para otro ciclo.
En algunas realizaciones, por ejemplo, cuando se utiliza un sistema de transferencia de calor para mantener una temperatura en un espacio acondicionado u objetivo térmico, el campo eléctrico se puede aplicar a los elementos electrocalóricos para aumentar su temperatura hasta que la temperatura del elemento electrocalórico alcance un primer umbral. Después del primer umbral de temperatura, el controlador 324 abre la válvula 326 de control para transferir calor desde los elementos electrocalóricos al disipador 317 de calor hasta que se alcanza un segundo umbral de temperatura. El campo eléctrico puede continuar aplicándose durante todo o una porción del período de tiempo entre los umbrales de temperatura primero y segundo, y luego se elimina para reducir la temperatura de los elementos electrocalóricos hasta que se alcanza un tercer umbral de temperatura. El controlador 324 luego cierra la válvula 326 de control para terminar la transferencia de flujo de calor a lo largo de la trayectoria 318 de flujo de calor, y abre la válvula 328 de control para transferir calor desde la fuente 320 de calor a los elementos electrocalóricos. Los pasos anteriores pueden repetirse opcionalmente hasta que se alcance una temperatura objetivo del espacio acondicionado o un objetivo térmico (que puede ser la fuente de calor o el disipador de calor).
Aunque la presente invención se ha descrito en detalle en relación con sólo un número limitado de realizaciones, debería entenderse fácilmente que la presente invención no se limita a tales realizaciones descritas. Más bien, la presente invención puede modificarse para incorporar cualquier número de variaciones, alteraciones, sustituciones o disposiciones equivalentes no descritas hasta ahora, pero que son proporcionales al alcance de la presente invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas. Además, aunque se han descrito diversas realizaciones de la presente invención, debe entenderse que los aspectos de la presente invención pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la presente invención no debe verse limitada por la descripción anterior, sino que sólo está limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para hacer un elemento (312) electrocalórico, que comprende:
proporcionar un material electrocalórico;
formar un primer electrodo (314) en una primera superficie del material electrocalórico; y
formar un segundo electrodo (316) en una segunda superficie,
en el que formar el primer electrodo comprende, o formar el segundo electrodo comprende, o formar cada uno de los electrodos primero y segundo comprende independientemente modificar la respectiva superficie primera y/o segunda del material electrocalórico con una modificación de la superficie eléctricamente conductora, caracterizado porque la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende una modificación atómica o molecular del material electrocalórico en dicha primera superficie y/o segunda superficie.
2. Un método de fabricación de un sistema (310) de transferencia de calor electrocalórica, que comprende fabricar un elemento (312) electrocalórico de acuerdo con el método de la reivindicación 1, conectando térmicamente el elemento electrocalórico a un disipador (317) de calor a lo largo de una primera trayectoria. (318) de flujo térmico, conectando térmicamente el elemento electrocalórico a una fuente (320) de calor a lo largo de una segunda trayectoria (322) de flujo térmico, y conectando eléctricamente los electrodos (314, 316) a una fuente de energía eléctrica.
3. El método de la reivindicación 2, que comprende además conectar los componentes del sistema (310) de transferencia de calor a un controlador (324) configurado para aplicar selectivamente voltaje para activar los electrodos (314, 316) en coordinación con la transferencia de calor a lo largo de las trayectorias (318, 322) de flujo térmico primera y segunda para transferir calor desde la fuente (320) de calor al disipador (317) de calor.
4. Un elemento (312) electrocalórico, compuesto por:
un material electrocalórico;
un primer electrodo (314) en una primera superficie del material electrocalórico; y
un segundo electrodo (316) en una segunda superficie del material electrocalórico,
en el que el primer electrodo comprende, o el segundo electrodo comprende, o cada uno de los electrodos primero y segundo comprende independientemente una modificación de la superficie eléctricamente conductora del material electrocalórico, caracterizado porque
la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende una modificación atómica o molecular del material electrocalórico en dicha primera superficie y/o segunda superficie.
5. Un sistema (310) de transferencia de calor, que comprende:
el elemento (312) electrocalórico como se reivindicó en la reivindicación 4;
una primera trayectoria (318) de flujo térmico entre el material electrocalórico y un disipador (317) de calor; una segunda trayectoria (322) de flujo térmico entre el material electrocalórico y una fuente (320) de calor; y una fuente de energía eléctrica conectada a los electrodos (314, 316).
6. El sistema (310) de transferencia de calor de la reivindicación 5, que comprende además un controlador (324) configurado para aplicar selectivamente voltaje para activar los electrodos (314, 316) en coordinación con la transferencia de calor a lo largo de las trayectorias (318, 322) de flujo térmico primera y segunda para transferir calor desde la fuente (320) de calor al disipador (317) de calor.
7. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material electrocalórico comprende un polímero electrocalórico.
8. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material electrocalórico comprende una cerámica electrocalórica.
9. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende iones implantados en el material electrocalórico en dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
10. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende un dopante presente selectivamente en la superficie que proporciona portadores de carga, ya sean electrones u orificios de electrones en dichas primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
11. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende defectos atómicos o moleculares en el material electrocalórico presente selectivamente en la superficie en dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
12. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la modificación de la superficie eléctricamente conductora comprende un sustituyente unido covalente o iónicamente al material polimérico electrocalórico en dicha primera superficie o segunda superficie o superficies primera y segunda.
13. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material electrocalórico a granel tiene una resistividad eléctrica> 1 x 1010 Q-cm, y la modificación de la superficie eléctricamente conductora tiene una resistencia superficial <100 Q/cuadrado.
14. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de la reivindicación 13, en el que la modificación superficial eléctricamente conductora tiene una resistencia superficial <10 Q/cuadrado.
15. El método o elemento (312) electrocalórico o sistema (310) de transferencia de calor de la reivindicación 13, en el que la modificación superficial eléctricamente conductora tiene una resistencia superficial <1 Q/cuadrado.
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