ES2912294T3 - Sistema de transferencia de calor electrocalórico con líquido eléctricamente conductor - Google Patents

Abstract

Un sistema de transferencia de calor, que comprende un elemento electrocalórico que comprende una película electrocalórica (12), un primer conductor eléctrico (14) en un primer lado de la película electrocalórica (12), y un segundo conductor eléctrico (16) en un segundo lado de la película electrocalórica (12), en el que al menos uno de los conductores eléctricos primero y segundo (14, 16) comprende un líquido eléctricamente conductor; una fuente de energía eléctrica (20) en contacto eléctrico con los conductores eléctricos primero y segundo (14, 16), configurada para proporcionar un campo eléctrico a través de la película electrocalórica (12); y una trayectoria de flujo de líquido (28) a lo largo de la pluralidad de elementos electrocalóricos para el líquido eléctricamente conductor; en el que el primer conductor eléctrico (14) comprende un primer líquido eléctricamente conductor y el segundo conductor eléctrico (16) comprende un segundo líquido eléctricamente conductor aislado eléctricamente del primer líquido eléctricamente conductor; o en el que el primer conductor eléctrico (32) comprende un líquido eléctricamente conductor y el segundo conductor eléctrico comprende un electrodo de película conductora (34).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de transferencia de calor electrocalórico con líquido eléctricamente conductor

Antecedentes de la invención

Existe una amplia variedad de tecnologías para aplicaciones de refrigeración, incluidas, entre otras, la refrigeración por evaporación, la refrigeración por convección o la refrigeración en estado sólido, como la refrigeración electrotérmica. Una de las tecnologías más predominantes en uso para la refrigeración y el aire acondicionado residencial y comercial es el circuito de transferencia de calor del refrigerante por compresión de vapor. Estos circuitos normalmente 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 bucles de refrigerante de compresión de vapor brindan enfriamiento y refrigeración de manera efectiva en una variedad de entornos y, en algunas situaciones, se pueden operar a la inversa como una bomba de calor. Sin embargo, muchos de los refrigerantes pueden presentar peligros ambientales como el potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP) o el potencial de calentamiento global (GWP), o pueden ser tóxicos o inflamables. Además, los bucles de refrigerante de 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 bucle de refrigerante. Por ejemplo, en un vehículo eléctrico, la demanda de energía de un compresor de aire acondicionado puede resultar en una duración significativamente más corta de la batería del vehículo o de la autonomía. De manera similar, los requisitos de peso y potencia del compresor pueden ser problemáticos en varias aplicaciones de refrigeración portátiles.

En consecuencia, ha habido interés en desarrollar tecnologías de refrigeración como alternativas a los circuitos de refrigeración por compresión de vapor. Se han propuesto varias tecnologías, como sistemas de transferencia de calor sensibles a la corriente eléctrica o de calor de campo activo 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 con capacidades limitadas de escalabilidad o producción en masa.

El documento WO 2015/156794 divulga un elemento de bomba de calor que comprende un material de película delgada y electrodos acoplados a ambos lados del material de película delgada para formar un material de película delgada activa con electrodos.

Breve descripción

De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un sistema de transferencia de calor como se indica en la reivindicación 1.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el sistema de transferencia de calor comprende una pluralidad de dichos elementos electrocalóricos.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, los elementos electrocalóricos están dispuestos en una configuración de pila.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el sistema de transferencia de calor comprende además un colector para el líquido eléctricamente conductor en comunicación líquida con la pluralidad de elementos electrocalóricos. En cualquiera de las realizaciones anteriores, el sistema de transferencia de calor comprende además uno o más intercambiadores de calor en comunicación líquida con el líquido eléctricamente conductor.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, uno o más intercambiadores de calor comprenden conductos eléctricamente no conductores o conductos conductores que tienen una capa eléctricamente no conductora.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el electrodo de película conductora está configurado como un electrodo vivo y el líquido eléctricamente conductor está configurado como un electrodo de tierra.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el electrodo de película conductora está incrustado entre elementos electrocalóricos adyacentes.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el electrodo de película conductora está dispuesto en un lado de una película electrocalórica dispuesta más externamente en una pila de elementos electrocalóricos.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el electrodo de película conductora tiene una configuración ondulada.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el electrodo de película conductora está configurado como un electrodo vivo y el líquido eléctricamente conductor está configurado como un electrodo de tierra.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el electrodo de película conductora está configurado como un electrodo de tierra y el líquido eléctricamente conductor está configurado como un electrodo vivo.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el sistema de transferencia de calor comprende un electrodo de película metálica conductora incrustado entre elementos electrocalóricos adyacentes.

El sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5 que comprende un electrodo de película metálica conductora en un lado de una película electrocalórica dispuesta más externamente en una pila de elementos electrocalóricos.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la pluralidad de elementos electrocalóricos están dispuestos en un orden alternativo de polaridad entre elementos electrocalóricos adyacentes.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, el sistema de transferencia de calor comprende además un detector de fugas de líquido eléctricamente conductor que comprende un sensor de conductividad o resistencia eléctrica. En cualquiera de las realizaciones anteriores, el líquido eléctricamente conductor comprende un líquido iónico. En cualquiera de las realizaciones anteriores, el líquido eléctricamente conductor comprende una solución electrolítica acuosa.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la película electrocalórica comprende un polímero electrocalórico, un polímero de cristal líquido (LCP), una cerámica electrocalórica o un compuesto de polímero/cerámica electrocalórica. En cualquiera de las realizaciones anteriores, el elemento electrocalórico comprende además una capa de barrera entre la película electrocalórica y el líquido eléctricamente conductor.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, la separación física entre elementos electrocalóricos adyacentes es de 1 |jm a 100 mm.

En cualquiera de las realizaciones anteriores, los elementos electrocalóricos tienen un espesor de 1 jm a 100 jm. En cualquiera de las realizaciones anteriores, el sistema de transferencia de calor comprende además una primera trayectoria de flujo térmico entre el líquido conductor de electricidad y un disipador de calor, una segunda trayectoria de flujo térmico entre el líquido conductor de electricidad y una fuente de calor, y un controlador configurado para controlar la corriente eléctrica a los electrodos y dirigir selectivamente la transferencia de energía térmica desde el líquido conductor de electricidad en comunicación térmica con el elemento electrocalórico al disipador de calor a lo largo de la primera trayectoria de flujo térmico o desde la fuente de calor al líquido conductor de electricidad en comunicación térmica con el elemento electrocalórico a lo largo de la segunda trayectoria de flujo térmico.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento operativo como se indica en la reivindicación 13.

Breve descripción de los dibujos

La materia de la presente invención está particularmente señalada y claramente reivindicada en las reivindicaciones al final de la memoria descriptiva. Lo anterior y otros objetivos, características y ventajas de la presente divulgación serán evidentes partir de la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos adjuntos donde:

La Figura 1 es una representación esquemática de una realización de un sistema de transferencia de calor de acuerdo con la invención que comprende elementos electrocalóricos en una configuración de pila con dos electrodos líquidos de diferentes polaridades;

la Figura 2 es una representación esquemática de una realización alternativa de un sistema de transferencia de calor de acuerdo con la invención que comprende elementos electrocalóricos en una configuración de pila con un electrodo líquido común;

la Figura 3 es una representación esquemática de una realización de ejemplo de una configuración de electrodo y película electrocalórica; y

la Figura 4 es una representación esquemática de una realización de ejemplo de un sistema de transferencia de calor que comprende una pila electrocalórica y otros componentes.

Descripción detallada

Con referencia ahora a las Figuras, la Figura 1 representa esquemáticamente un sistema de transferencia de calor 10 de acuerdo con una realización de la invención que comprende una vista en sección transversal de elementos electrocalóricos dispuestos en una pila 11. En el núcleo de cada elemento electrocalórico hay una película electrocalórica 12. En algunas realizaciones, el espesor de la película electrocalórica puede estar en el rango de tener un límite inferior de 0,1 |jm, más específicamente 0,5 jm e incluso más específicamente 1 jm. En algunas realizaciones, el rango de espesor de la película puede tener un límite superior de 1000 jm, más específicamente 100 jm e incluso más específicamente 10 jm. Se entiende que estos límites de rango superior e inferior pueden combinarse independientemente para divulgar un número de posibles rangos diferentes. Los ejemplos de materiales electrocalóricos para la película electrocalórica pueden incluir, entre otros, materiales inorgánicos (por ejemplo, cerámica), polímeros electrocalóricos y compuestos de polímero/cerámica. Los ejemplos de productos inorgánicos incluyen, entre otros, PbTiO3 ("PT"), pb(Mg1/3Nb2/3)O3 ("PlMN"), PMN-PT, LiTaO3, titanato de bario y estroncio (BST) o PZT (plomo, circonio, titanio, oxígeno). Los ejemplos de polímeros electrocalóricos incluyen, entre otros, 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, en los que la alineación cristalina de las cadenas poliméricas en laminillas y/o estructuras de esferulitas puede modificarse mediante la aplicación de un campo eléctrico. Estas características pueden ser proporcionadas por estructuras polares integradas en la espina dorsal del polímero o añadidas a la espina dorsal del polímero con una orientación fija a la espina dorsal. Entre los ejemplos de polímeros ferroeléctricos se encuentran el fluoruro de polivinilideno (PVDF), el fluoruro de polietileno, el nylon impar, los copolímeros que contienen unidades de repetición derivadas del fluoruro de vinilideno y los copolímeros que contienen unidades de repetición derivadas del fluoruro de trietileno. El fluoruro de polivinilideno y los copolímeros que contienen unidades repetidas derivadas del fluoruro de vinilideno han sido ampliamente estudiados por sus propiedades ferroeléctricas y electrocalóricas. Los ejemplos de copolímeros que contienen fluoruro de vinilideno incluyen copolímeros con metacrilato de metilo y copolímeros con uno o más comonómeros halogenados que incluyen, entre otros, trifluoroetileno, tetrafluoroetileno, clorotrifluoroetileno, tricloroetileno, cloruro de vinilideno, cloruro de vinilo y otros monómeros insaturados halogenados.

Los polímeros de cristal líquido, o cristales líquidos de polímeros, comprenden moléculas de polímero que incluyen grupos mesogénicos. Las estructuras moleculares mesogénicas son bien conocidas y, a menudo, se describen como estructuras moleculares similares a varillas o discos 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 normalmente comprenden numerosos grupos mesogénicos conectados por estructuras moleculares no mesogénicas. Las estructuras de conexión no mesogénicas y su conexión, ubicación y separación en la molécula de polímero junto con las estructuras mesogénicas son importantes para proporcionar la respuesta deformable del fluido al campo externo. Normalmente, las estructuras de conexión proporcionan una rigidez lo suficientemente baja como para que la realineación molecular sea inducida por 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 similares a varillas en la columna vertebral 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 ejemplares, un polímero de cristal líquido puede tener estructuras mesogénicas similares a varillas unidas como grupos laterales unidos al esqueleto del polímero. Dichos polímeros también se conocen como polímeros de cristal líquido de cadena lateral.

Durante el funcionamiento, se induce un efecto electrocalórico en la película electrocalórica 12 mediante la aplicación de un campo eléctrico entre conductores eléctricos (es decir, electrodos) dispuestos en lados opuestos de la película electrocalórica 12. Como se divulga en la presente memoria, uno o ambos conductores eléctricos en lados opuestos de la película electrocalórica comprenden un líquido eléctricamente conductor. Se puede utilizar cualquier líquido que tenga conductividad eléctrica que pueda impartir un campo eléctrico para inducir un efecto electrocalórico en la película electrocalórica. En algunas realizaciones, el líquido eléctricamente conductor puede tener una resistividad menor o igual a 500 jü-cm. En algunas realizaciones, el líquido eléctricamente conductor comprende una solución acuosa o no acuosa de un electrolito. Los ejemplos de electrolitos incluyen, entre otros, soluciones acuosas de sales inorgánicas (cloruro de sodio, cloruro de calcio, nitrato de potasio, carbonato de amonio, etc.), sales orgánicas (acetato de sodio, glutamato monosódico, etc.), sales metálicas (cloruro de plata, cloruro de cobre, sulfato de cobre, cloruro de níquel), electrolitos poliméricos (polímeros sulfonados-sulfonato de poliestireno, por ejemplo, polímeros modificados con ácido sulfónico-ácido sulfónico de poliestireno, por ejemplo, imina de polietileno, ácido poliacrílico, ionómeros (ácido polimetacrílico y sus copolímeros, nafion y otros polímeros de ácido perfluorosulfónico), polímeros modificados con líquidos iónicos, líquidos iónicos, ácidos inorgánicos (ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido fosfórico) y orgánicos (ácido acético, ácido cítrico, ácido sórbico), y bases (hidróxido de sodio, hidróxido de potasio, y combinaciones de los mismos. La concentración de electrolitos acuosos puede variar ampliamente en función de las características de los electrolitos disueltos en la solución. También se pueden utilizar disolventes no acuosos (por ejemplo, disolventes orgánicos polares o, en algunos casos, disolventes orgánicos no polares, como polímeros iónicos que tienen solubilidad en disolventes orgánicos no polares), así como mezclas de disolventes orgánicos miscibles en agua y agua, como entenderá el experto en la materia.

En algunas realizaciones, el líquido eléctricamente conductor puede comprender un líquido iónico. Un líquido iónico se define como una sal que está en forma líquida en el rango de temperatura de funcionamiento del sistema de transferencia de calor. Puede usarse cualquier líquido iónico que tenga cationes y aniones que sean suficientemente voluminosos y que deslocalicen suficientemente sus cargas respectivas para reducir el punto de fusión del líquido iónico dentro del rango operativo de la aplicación. El catión y el anión también se adaptarían de tal manera que serían solubles en la solución deseada si se usaran en una solución electrolítica. Si se usa el líquido iónico puro, entonces no es necesario adaptar el catión y el anión para la solubilidad. Los ejemplos de líquidos iónicos incluyen, entre otros, los divulgados en N. Khupse y N. Kumar, Líquidos Iónicos: Nuevos Materiales con Amplias Aplicaciones, Indian J. Chem., 49a, p. 635-48, mayo-junio de 2010.

En algunas realizaciones, el elemento electrocalórico puede incluir una capa de barrera (Figura 3) entre la película electrocalórica y el líquido eléctricamente conductor contra la permeación (es decir, cruce, difusión o absorción) de la película electrocalórica por el líquido eléctricamente conductor. En algunas realizaciones, una capa de barrera puede tener un grosor de 1 nanómetro a 500 nm y puede incluir, entre otras, capas finas de metalización o revestimientos de deposición química de vapor (CVD) como poli(p-xilileno). En algunas realizaciones, la capa de barrera es eléctricamente conductora; sin embargo, con un espesor inferior a 500 nm no se requiere necesariamente conductividad eléctrica.

Con referencia de nuevo a la Figura 1, los líquidos eléctricamente conductores 14 y 16 se muestran con diferentes polaridades. Las diferentes polaridades se identifican como positiva (líquido eléctricamente conductor 14) y negativa (líquido eléctricamente conductor 16) en la Figura 1, como podría usarse con un sistema de corriente continua, pero también podría ser vivo y conectado a tierra, como podría usarse con un sistema de corriente alterna. En algunas realizaciones, todos los electrodos de la pila pueden ser líquidos eléctricamente conductores. Sin embargo, la prevención y mitigación de fugas es a veces un problema, por lo que en algunas realizaciones el diseño de la pila está configurado para reducir las oportunidades de fuga manteniendo los líquidos hacia el interior de la estructura. Por consiguiente, en la Figura 1, los electrodos de película conductora 18 están dispuestos sobre las películas electrocalóricas 12 dispuestas más al exterior en la pila. Los ejemplos de materiales para electrodos de película conductora pueden incluir, entre otros, capas metalizadas de un metal conductor como aluminio o cobre u otros materiales conductores como el carbono (por ejemplo, nanotubos de carbono, grafeno u otro carbono conductor). También se pueden usar metales nobles, pero no son obligatorios. También se pueden usar otros materiales conductores tales como un semiconductor dopado, cerámica o polímero, o polímeros conductores.

Como se muestra en la Figura 1, los elementos electrocalóricos están dispuestos en la pila en un orden alterno de polaridad entre elementos electrocalóricos adyacentes, con la película electrocalórica 12 mostrada en la parte superior de la pila que tiene un electrodo de polaridad positiva en la parte superior y un electrodo de polaridad negativa en la parte inferior. La siguiente película electrocalórica 12 hacia abajo en la pila tiene un orden inverso de polaridad con un electrodo negativo en la parte superior y un electrodo positivo en la parte inferior. Este orden alterno de polaridad se puede repetir a lo largo de la pila. Tal configuración proporciona la separación de líquidos eléctricamente conductores de diferentes polaridades sin necesidad de separadores aislantes, ya que la propia película electrocalórica sirve como separador. En algunas realizaciones, el espacio entre elementos electrocalóricos adyacentes puede estar en un rango que va desde tener un límite inferior de 1 pm, más específicamente 10 pm, e incluso más específicamente 50 pm. En algunas realizaciones, el rango de separación puede tener un límite superior de 200 mm, más específicamente 10 mm, aún más específicamente 2 mm. Se entiende que estos límites de rango superior e inferior pueden combinarse independientemente para divulgar un número de posibles rangos diferentes.

Con referencia continuada a la Figura 1, los electrodos que comprenden el líquido eléctricamente conductor 16 están conectados a un polo de la fuente de energía eléctrica 20 a través de conexiones eléctricas 22. Los electrodos que comprenden el líquido eléctricamente conductor 14 y la película conductora 18 están conectados a otro polo de la fuente de energía eléctrica 20 a través de conexiones eléctricas 24. Los elementos de soporte 26 retienen las películas electrocalóricas 12 y proporcionan caminos de flujo 28 para los líquidos eléctricamente conductores 14, 16. Los elementos de soporte 26 también pueden cooperar para formar un espacio de cabecera (no mostrado) para mezclar líquidos eléctricamente conductores de la misma polaridad entre diferentes películas electrocalóricas 12. Pueden disponerse circuitos eléctricamente conductores 30 (por ejemplo, circuitos de alambre metálico) alrededor de la periferia de cada una de las películas electrocalóricas para la detección de fugas de fluidos eléctricamente conductores. La medición de la resistencia eléctrica entre los circuitos 30 y los líquidos eléctricamente conductores 14, 16 producirá típicamente una resistencia infinita en condiciones normales, pero produciría una resistencia más baja en el caso de una fuga en los elementos de soporte 26 fuera de las trayectorias de flujo 28.

Durante el funcionamiento, un controlador (no mostrado) puede activar selectivamente la fuente de alimentación 20 para controlar la corriente eléctrica a los electrodos y para dirigir selectivamente la transferencia de energía térmica entre las películas electrocalóricas 12 y los líquidos eléctricamente conductores 14, 16. El controlador también controla selectivamente un flujo de líquidos eléctricamente conductores 14, 16 y uno o más intercambiadores de calor (no mostrados) donde el calor se transfiere a un disipador de calor (no mostrado) o recibido de una fuente de calor (tampoco mostrada). Para líquidos cargados eléctricamente, los intercambiadores de calor pueden contener pasos separados eléctricamente aislados para líquidos de diferentes polaridades, o cada uno de los líquidos 14 y 16 puede enrutarse a intercambiadores de calor separados. Los intercambiadores de calor también se pueden aislar eléctricamente del contacto exterior para evitar cortocircuitos. El aislamiento eléctrico puede proporcionarse fabricando componentes del intercambiador de calor en contacto con los líquidos conductores de electricidad 14, 16 (por ejemplo, tubos) a partir de materiales no conductores de electricidad (por ejemplo, plásticos) o proporcionando dichos componentes con una capa o revestimiento no conductor de la electricidad. A continuación, se describen más detalles del funcionamiento del sistema con respecto a la Figura 3.

Otra realización de la invención con la pila 11a se representa esquemáticamente en la Figura 2. Como se muestra en la Figura 2, los electrodos de líquido conductor de electricidad 32 están dispuestos en una configuración alterna con los electrodos de película conductora de electricidad 34 entre las películas electrocalóricas 12. Los electrodos líquidos eléctricamente conductores 32 están conectados a la fuente de alimentación 20 a través de conexiones eléctricas 36, y los electrodos de película eléctricamente conductores 34 están conectados a la fuente de alimentación 20 a través de conexiones eléctricas 38. En algunas modalidades, como se muestra en la Figura 2, los electrodos de película 34 están al menos parcialmente incrustados entre las películas electrocalóricas 12 de los elementos electrocalóricos adyacentes, lo que puede promover el aislamiento eléctrico entre los electrodos 32 y 34. En tales realizaciones, el electrodo 34 sirve como electrodo para dos elementos electrocalóricos adyacentes o, dicho de otro modo, los dos elementos electrocalóricos adyacentes comparten un solo electrodo. Los electrodos líquidos eléctricamente conductores 32 y los electrodos de película eléctricamente conductores 34 pueden ser de diferentes polaridades, como en un sistema de corriente continua, o pueden ser un electrodo vivo y el otro un electrodo de tierra, como en un sistema de corriente alterna. Aunque cualquiera de los electrodos 32 y 34 puede ser un electrodo vivo y el otro un electrodo de tierra, en algunas realizaciones, el electrodo de película conductora incrustado 34 es un electrodo vivo y el electrodo líquido eléctricamente conductor 32 es un electrodo de tierra. Tal configuración puede ayudar a reducir o evitar la necesidad de aislar eléctricamente el líquido eléctricamente conductor en otras partes del sistema, como en los intercambiadores de calor. Debe tenerse en cuenta que, aunque la Figura 2 representa sándwiches de dos películas 12 que rodean el electrodo incrustado 34, también se contemplan sándwiches de más de dos películas con electrodos incrustados de polaridades alternas. La Figura 2 también representa los espacios de cabecera 40 para mezclar el líquido eléctricamente conductor 32 a medida que entra y sale de las vías de flujo 28.

Los electrodos de película conductora mostrados en las Figuras 1 y 2 se representan como llanos o planos; sin embargo, ese es simplemente un ejemplo de una realización, y se pueden usar otras configuraciones. En otro ejemplo de una realización como la mostrada en la Figura 3, un electrodo de película conductora 34 tiene una configuración corrugada. Como se usa en la presente memoria, corrugada significa una configuración con crestas y/o ranuras, que pueden alternar en un patrón regular o pueden tener cualquier tipo de patrón irregular. El patrón en zig-zag representado en la Figura 3 es meramente un ejemplo, y se pueden usar otros patrones corrugados, incluidos, entre otros, ondas triangulares, sinusoidales, regulares o irregulares, triangulares, romboidales, con muescas, con muescas cuadradas o rectangulares, o cualquier tipo de patrón rugoso irregular. La Figura 3 también representa una capa de barrera 42 entre la película electrocalórica 12 y el líquido eléctricamente conductor 32, como se describe anteriormente en mayor detalle.

En algunas realizaciones, los electrodos líquidos conductores pueden evitar la necesidad de un procedimiento de metalización adicional para depositar electrodos en películas electrocalóricas y/o ayudar a promover una carga uniforme a través de los electrodos y evitar corrientes eléctricas parásitas o no uniformes que podrían afectar negativamente el rendimiento electrocalórico. También los electrodos líquidos pueden, en algunas realizaciones, proporcionar presión hidrostática para promover el mantenimiento de la separación física entre películas adyacentes. Además, el uso de un líquido eléctricamente conductor, tanto un electrodo como un fluido de trabajo de transferencia de calor, puede ayudar en algunas realizaciones a promover una buena eficiencia de transferencia de calor.

Una realización de ejemplo de un sistema de transferencia de calor y su funcionamiento se describen con más detalle con respecto a la Figura 4. Como se muestra en la Figura 4, un sistema de transferencia de calor 310 comprende una pila electrocalórica 311 que tiene uno o más líquidos eléctricamente conductores en comunicación térmica con un disipador de calor 317 a través de una primera trayectoria de flujo térmico 318, y en comunicación térmica con una fuente de calor 320 a través de una segunda trayectoria de flujo térmico 322. Un controlador 324 está configurado para controlar la corriente eléctrica a través de una fuente de energía (no mostrada) para activar selectivamente elementos electrocalóricos (no mostrados) en la pila 311. El controlador 324 también está configurado para abrir y cerrar las válvulas de control 326 y 328 para dirigir selectivamente el líquido eléctricamente conductor a lo largo de las trayectorias de flujo primera y segunda 318 y 322.

En funcionamiento, el sistema 310 puede ser operado por el controlador 324 aplicando un campo eléctrico como diferencial de voltaje a través de los elementos electrocalóricos en la pila 311 para causar una disminución en la entropía y una liberación de energía térmica por parte de los elementos electrocalóricos. El controlador 324 abre la válvula de control 326 para transferir al menos una parte de la energía térmica liberada a lo largo de la trayectoria de flujo 318 al disipador de calor 317. Esta transferencia de calor puede ocurrir después de que la temperatura de los elementos electrocalóricos haya alcanzado una temperatura umbral. En algunas realizaciones, la transferencia de calor al disipador de calor 317 comienza tan pronto como la temperatura de los elementos electrocalóricos aumenta para ser aproximadamente igual a la temperatura del disipador de calor 317. Después de la aplicación del campo eléctrico durante un tiempo para inducir la liberación y transferencia deseadas de energía térmica desde los elementos electrocalóricos al disipador de calor 317, el campo eléctrico puede eliminarse. La eliminación del campo eléctrico provoca un aumento de la entropía y una disminución de la energía térmica de los elementos electrocalóricos. Esta disminución de la energía térmica se manifiesta como una reducción de la temperatura de los elementos electrocalóricos a una temperatura inferior a la de la fuente de calor 320. El controlador 324 cierra la válvula de control 326 para terminar el flujo a lo largo del camino de flujo 318 y abre el dispositivo de control 328 para transferir energía térmica desde la fuente de calor 320 a los elementos electrocalóricos más fríos.

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 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 de control 326 para transferir calor desde los elementos electrocalóricos al disipador de calor 317 hasta alcanzar un segundo umbral de temperatura. El campo eléctrico puede continuar aplicándose durante todo o una parte del período de tiempo entre el primer y el segundo umbral de temperatura, y luego se retira para reducir la temperatura de los elementos electrocalóricos hasta alcanzar un tercer umbral de temperatura. El controlador 324 luego cierra la válvula de control 326 para terminar la transferencia de flujo de calor a lo largo del camino de flujo de calor 318 y abre la válvula de control 328 para transferir calor desde la fuente de calor 320 a los elementos electrocalóricos. Los pasos anteriores se pueden repetir opcionalmente hasta que se alcance la temperatura objetivo del espacio acondicionado o el objetivo térmico (que puede ser la fuente de calor o el disipador de calor).

Aunque la presente divulgación se ha descrito en detalle en relación con sólo un número limitado de realizaciones, debe entenderse fácilmente que la presente divulgación no se limita a dichas realizaciones divulgadas. Más bien, la presente divulgación puede modificarse para incorporar cualquier número de variaciones, alteraciones, sustituciones o arreglos equivalentes no descritos hasta ahora, pero que son proporcionales al ámbito de la presente divulgación. Además, aunque se han descrito varias realizaciones de la presente divulgación, se debe entender que los aspectos de la presente divulgación pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la presente invención no debe considerarse limitada por la descripción anterior, sino que sólo está limitada por el ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema de transferencia de calor, que comprende

un elemento electrocalórico que comprende una película electrocalórica (12), un primer conductor eléctrico (14) en un primer lado de la película electrocalórica (12), y un segundo conductor eléctrico (16) en un segundo lado de la película electrocalórica (12), en el que al menos uno de los conductores eléctricos primero y segundo (14, 16) comprende un líquido eléctricamente conductor;

una fuente de energía eléctrica (20) en contacto eléctrico con los conductores eléctricos primero y segundo (14, 16), configurada para proporcionar un campo eléctrico a través de la película electrocalórica (12); y

una trayectoria de flujo de líquido (28) a lo largo de la pluralidad de elementos electrocalóricos para el líquido eléctricamente conductor;

en el que el primer conductor eléctrico (14) comprende un primer líquido eléctricamente conductor y el segundo conductor eléctrico (16) comprende un segundo líquido eléctricamente conductor aislado eléctricamente del primer líquido eléctricamente conductor; o

en el que el primer conductor eléctrico (32) comprende un líquido eléctricamente conductor y el segundo conductor eléctrico comprende un electrodo de película conductora (34).

2. El sistema de transferencia de calor de la reivindicación 1, que comprende además uno o más intercambiadores de calor en comunicación de líquidos con el líquido eléctricamente conductor.

3. El sistema de transferencia de calor de la reivindicación 2, en el que uno o más intercambiadores de calor comprenden conductos eléctricamente no conductores o conductos conductores que tienen una capa eléctricamente no conductora.

4. El sistema de transferencia de calor de la reivindicación 1, en el que el segundo conductor eléctrico comprende un electrodo de película conductora y el electrodo de película conductora (34) está configurado como un electrodo vivo, y el líquido eléctricamente conductor (32) está configurado como un electrodo de tierra.

5. El sistema de transferencia de calor de las reivindicaciones 1 o 4, en el que el segundo conductor eléctrico comprende un electrodo de película conductora y el electrodo de película conductora (34) está incrustado entre elementos electrocalóricos adyacentes.

6. El sistema de transferencia de calor cualquiera de las reivindicaciones 1, 4 o 5, en el que el segundo conductor eléctrico comprende un electrodo de película conductora y el electrodo de película conductora (34) está dispuesto en un lado de una película electrocalórica (12) dispuesta más exteriormente en una pila de elementos electrocalóricos.

7. El sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en el que la pluralidad de elementos electrocalóricos están dispuestos en un orden alternativo de polaridad entre elementos electrocalóricos adyacentes.

8. El sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que comprende además un detector de fugas de líquido eléctricamente conductor que comprende un sensor de conductividad o resistencia eléctrica.

9. El sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el líquido eléctricamente conductor comprende un líquido iónico.

10. El sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que el líquido eléctricamente conductor comprende una solución electrolítica acuosa o no acuosa.

11. El sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que el elemento electrocalórico comprende además una capa de barrera (42) entre la película eléctricamente conductora y el líquido eléctricamente conductor.

12. El sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-11, que comprende además una primera trayectoria de flujo térmico (318) entre el líquido eléctricamente conductor y un disipador de calor (317)

una segunda trayectoria de flujo térmico (322) entre el líquido eléctricamente conductor y una fuente de calor (320); y

un controlador (324) configurado para controlar la corriente eléctrica a los electrodos y para dirigir selectivamente la transferencia de energía térmica desde el líquido eléctricamente conductor en comunicación térmica con el elemento electrocalórico al disipador de calor (317) a lo largo de la primera trayectoria de flujo térmico (318) o desde la fuente de calor (320) al líquido eléctricamente conductor en comunicación térmica con el elemento electrocalórico a lo largo de la segunda trayectoria de flujo térmico (322).

13. Un procedimiento para operar el sistema de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-12, que comprende aplicar un campo eléctrico a los conductores eléctricos primero y segundo, y hacer fluir el líquido o los electrolitos eléctricamente conductores entre la trayectoria del flujo de líquido a lo largo de la pluralidad de elementos electrocalóricos y una fuente de calor o disipador de calor.