JP2019100651A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱出力を向上することが可能な電気熱量効果型のヒートポンプ装置を提供すること。【解決手段】ヒートポンプ装置は、電気熱量効果材３０と、電極３１、３２と、熱輸送装置とを備える。電気熱量効果材３０は、高温端及び低温端の両端部の間に配置され、印加される電界の変化に伴い温度変化する。電極３１、３２は、電気熱量効果材３０に電界を印加するために設けられている。熱輸送装置は、高温端及び低温端を生成するように、電気熱量効果材３０が生じる熱を所定の熱移動方向であるＺＺ方向に移動させる。そして、電極３１、３２には、電極３１、３２を介するＺＺ方向への熱移動を抑制するための熱移動抑制部であるスリット５１が形成されている。【選択図】図７

Description

ここに開示される技術は、電気熱量効果型のヒートポンプ装置に関する。

従来から、一対の電極間に電気熱量効果材を配置するとともに、電気熱量効果材の電気熱量効果により生じる温熱や冷熱を熱輸送装置で移動させて、電気熱量効果材の両側に高温端と低温端とを生成させる装置が知られている。このような装置は、例えば、下記特許文献１に開示されている。

米国特許出願公開２０１６／０１８７０３４号明細書

上記従来技術の装置では、一対の電極のそれぞれが、高温端と低温端とを生成するように熱輸送装置が熱移動を行なう方向に延在している。電極は比較的高い熱伝導性を有しており、高温端側から低温端側へ熱伝導すると、両端部の温度差を縮小させる。このような従来の装置は、熱出力の低下を招き易いという問題がある。

ここに開示される技術は、熱出力を向上することが可能なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、開示されるヒートポンプ装置では、
高温端（２０２）及び低温端（２０１）の両端部の間に配置され、印加される電界の変化に伴い温度変化する電気熱量効果材（３０）と、
電気熱量効果材に電界を印加するために設けられた電極（３１、３２）と、
高温端及び低温端を生成するように、電気熱量効果材が生じる熱を所定の熱移動方向（ＺＺ）に移動させる熱輸送装置（４０）と、を備え、
電極には、電極を介する熱移動方向への熱移動を抑制するための熱移動抑制部（５１、５２、５３、５４、６１、７１）が形成されている。

これによると、電極に設けた熱移動抑制部により、熱輸送装置による熱移動方向への電極を介した熱移動を抑制することができる。したがって、電極を介する熱移動によって高温端と低温端との温度差が縮小することを抑制できる。このようにして、ヒートポンプ装置の熱出力を向上することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示技術の範囲を限定するものではない。

第１実施形態のヒートポンプ装置を用いた冷却器の外観を示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 第１実施形態の熱生成部の外観を示す斜視図である。 第１実施形態の熱生成部の図３図示上端面の拡大図である。 第１実施形態の熱生成部の積層構造説明図である。 第１実施形態の熱生成部の断面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 第１実施形態の変形例の熱生成部積層構造説明図である。 第１実施形態の変形例の熱生成部積層構造説明図である。 第１実施形態の変形例の熱生成部断面図である。 第１実施形態の変形例の熱生成部断面図である。 第１実施形態の変形例の熱生成部断面図である。 第２実施形態の熱生成部断面図である。 第３実施形態の変形例の熱生成部断面図である。 他の実施形態の熱生成部の概略構成を模式的に示す断面図である。

以下に、図面を参照しながら開示技術を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
開示技術を適用した第１実施形態について、図１〜図１２を参照して説明する。図１は、開示技術を適用した冷却器１の外観図である。冷却器１は、電気熱量効果型ヒートポンプ装置を備える。冷却器１は、電気熱量効果型ヒートポンプ装置の一例である。以下、冷却器１を電気熱量効果型ヒートポンプ装置１、又は単にヒートポンプ装置１と呼ぶ場合がある。電気熱量効果型ヒートポンプ装置１はＥＨＰ（Electro-caloric effectHeat Pump）装置１とも呼ばれる。

この明細書においてヒートポンプ装置の語は広義の意味で使用される。すなわち、ヒートポンプ装置の語には、ヒートポンプ装置によって得られる冷熱を利用する装置と、ヒートポンプ装置によって得られる温熱を利用する装置との両方が含まれる。冷熱を利用する装置は、冷凍サイクル装置とも呼ばれることがある。よって、この明細書においてヒートポンプ装置の語は冷凍サイクル装置を包含する概念として使用される。本例の冷却器１は、ヒートポンプ装置によって得られる冷熱を利用する装置の一例である。冷却器１は、例えば、車載装置とすることができる。冷却器１は、車両に搭載された電池や電子機器の冷却に用いることができる。また、冷却器１は、車両のシートに着座した乗員に好適な冷感を提供するシート空調装置に用いることができる。

図１に示すように、冷却器１は、外殻としてのケース１０を備えている。図２も参照して明らかなように、ケース１０は、冷却板１１、放熱板１２、一対の側板部１３、及び、一対の端板部１４を備える。ケース１０は、比較的薄型の直方体であり、冷却板１１と放熱板１２とは、ケース１０の厚さ方向である図示ＺＺ方向において対向配置されている。冷却板１１及び放熱板１２は、いずれも、熱伝導性に優れる例えば金属製の薄板からなる。冷却板１１及び放熱板１２の材質としては、アルミニウム合金材や銅合金材を採用することができる。

一対の側板部１３は、ケース１０の幅方向である図示ＹＹ方向において相互に対向配置されている。側板部１３は、ケース１０のＹＹ方向の端面を構成し、冷却板１１の辺部と放熱板１２の辺部とを繋ぐように配設される。また、一対の端板部１４は、ケース１０の長手方向である図示ＸＸ方向において相互に対向配置されている。端板部１４は、ケース１０のＸＸ方向の端面を構成し、冷却板１１の辺部と放熱板１２の辺部とを繋ぐように配設される。側板部１３及び端板部１４は、いずれも、低熱伝導性を有する例えば樹脂製の薄板からなる。

ケース１０は、外殻をなす６面体の内部に、区画板１５及び区画板１６を有している。区画板１５及び区画板１６により、ケース１０の内部には、作業室２０、流路２１及び流路２２が区画形成されている。区画板１５は、作業室２０と流路２１とを仕切っている。区画板１５のうち、作業室２０の図２図示上方に位置してＹＹ方向に延在する部分には、複数の開口１５１が形成されている。開口１５１は、区画板１５を貫通する孔として形成されており、作業室２０と流路２１とを連通する。一方、区画板１６は、作業室２０と流路２２とを仕切っている。区画板１６のうち、作業室２０の図２図示下方に位置してＹＹ方向に延在する部分には、複数の開口１６１が形成されている。開口１６１は、区画板１６を貫通する孔として形成されており、作業室２０と流路２２とを連通する。

図２から明らかなように、冷却板１１及び一方の側板部１３と、区画板１５との間に、流路２１が形成されている。この一方の側板部１３の外側面には、圧電ポンプ４１が取り付けられている。圧電ポンプ４１の吸入吐出口４１ａは、この一方の側板部１３の設けられた開口を介して流路２１に連通している。また、放熱板１２及び他方の側板部１３と、区画板１６との間に、流路２２が形成されている。この他方の側板部１３の外側面には、圧電ポンプ４２が取り付けられている。圧電ポンプ４２の吸入吐出口４２ａは、この他方の側板部１３の設けられた開口を介して流路２２に連通している。

本例では、一方の側板部１３に３つの薄型の圧電ポンプ４１がＸＸ方向においてほぼ等間隔に配設され、他方の側板部１３に３つの薄型の圧電ポンプ４２がＸＸ方向においてほぼ等間隔に配設されている。圧電ポンプ４１、４２は、圧電素子の圧電効果を利用するマイクロポンプである。圧電素子は、変位は小さいものの、応答性に優れ、比較的出力密度が大きい。したがって、圧電ポンプ４１、４２は、ポンプ室の容積変化は小さいものの、比較的高い駆動周波数と、比較的高い吐出圧を提供することができる。

ケース１０内の作業室２０には、熱生成体３が配設されている。熱生成体３は、図３及び図４に示すように、多層構造化されている。熱生成体３は、図５に示すように、電気熱量効果材フィルム３０、第１電極部３１及び第２電極部３２を積層して形成されている。電気熱量効果材フィルム３０は、電気熱量効果を有する電気熱力効果材からなる素子であり、ＥＣＥ（Electro-Caloric Effect）素子３０とも呼ばれる。以下、電気熱量効果材フィルム３０を、ＥＣＥ素子３０、電気熱量効果材３０、又は単にフィルム３０と呼ぶ場合がある。本例のフィルム３０は、ポリフッ化ビリニデン（ＰＶｄＦ）系ポリマー製のフィルムである。ポリフッ化ビリニデン系ポリマーとしては、例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）やＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）等を採用することができる。フィルム３０は矩形状をなし、フィルム３０の厚さは、例えば１０μｍである。フィルム３０は、製造が容易であれば薄い方が好ましい。フィルム３０の厚さは、１〜５０μｍであることが好ましく、１〜２０μｍであればより好ましい。

第１電極部３１は、電極部材３１１と電極部材３１２とを有して構成される。電極部材３１１は、薄膜状の金属製部材であり、例えばアルミニウム箔、銅箔等により提供される。電極部材３１２は、薄板状の金属製部材であり、例えば、アルミニウム材、銅材、ステンレス材等からなる。電極部材３１２は、図６に示すように、平板部３１２ａと、平板部３１２ａの片面から突出するように設けられた複数の突条部３１２ｂとが一体的に形成されている。突条部３１２ｂは、互いに平行に形成されて、それぞれＺＺ方向に延びている。これにより、隣り合う突条部３１２ｂの間には、ＺＺ方向に延びる溝部３１２ｃが形成される。図５に示すように、矩形状の電極部材３１２には、１つの角部近傍に、他の部分よりも厚肉の端子３１２ｄが突出している。

第２電極部３２は、電極部材３２１と電極部材３２２とを有して構成される。電極部材３２１は、薄膜状の金属製部材であり、例えばアルミニウム箔、銅箔等により提供される。電極部材３２２は、薄板状の金属製部材であり、例えば、アルミニウム材、銅材、ステンレス材等からなる。電極部材３２２は、図６に示すように、平板部３２２ａと、平板部３２２ａの片面から突出するように設けられた複数の突条部３２２ｂとが一体的に形成されている。突条部３２２ｂは、互いに平行に形成されて、それぞれＺＺ方向に延びている。これにより、隣り合う突条部３２２ｂの間には、ＺＺ方向に延びる溝部３２２ｃが形成される。図５に示すように、矩形状の電極部材３２２には、１つの角部近傍に、他の部分よりも厚肉の端子３２２ｄが突出している。電極部材３２２の端子３２２ｄは、電極部材３１２の端子３１２ｄの形成位置とは反対側となる角部に設けられている。

第１電極部３１、第２電極部３２は、本実施形態における電極に相当する。また、第１電極部３１は、本実施形態における第１電極に相当する。第２電極部３２は、本実施形態における第２電極に相当する。以下、第１電極部３１を単に電極３１、又は第１電極３１と呼び、第２電極部３２を単に電極３２、又は第２電極３２と呼ぶ場合がある。

溝部３１２ｃ及び溝部３２２ｃは、作業室２０内における熱輸送媒体の媒体流路３３を提供する。溝部３１２ｃ及び溝部３２２ｃは、断面矩形状をなしてＺＺ方向に直線状に形成されており、熱輸送媒体流通時の圧力損失低下に寄与する。ＺＺ方向は、熱輸送媒体の往復流方向である。ＺＺ方向は、電気熱量効果材３０が生じる温熱や冷熱を熱輸送媒体で移動させる熱移動方向である。溝部３１２ｃ、３２２ｃの深さ、すなわち、媒体流路３３のＸＸ方向寸法は、冷却器体格、熱交換性能、媒体圧力損失、製造性等の観点から、３０〜３００μｍであることが好ましく、５０〜１５０μｍであればより好ましい。

図５に示すように、フィルム３０を挟んで対向する第１電極部３１、第２電極部３２には、それぞれスリット５１が形成されている。第１電極部３１では、電極部材３１１及び電極部材３１２に、ＺＺ方向に直交するＹＹ方向に延びるスリット５１が形成されている。スリット５１は、電極部材３１１、電極部材３１２のそれぞれを厚さ方向であるＸＸ方向に貫通する貫通溝として形成されている。

電極部材３１１には、複数のスリット５１がＺＺ方向に配列されている。また、この複数のスリット５１の列が、ＹＹ方向に複数並ぶように設けられている。本例では、６つのスリット５１がＺＺ方向に所定のピッチで配列され、このスリット５１の列がＹＹ方向に複数列並設されている。また、ＹＹ方向で隣り合うスリット５１の列同士は、互いに半ピッチ分ずれて形成されている。したがって、電極部材３１１には、複数のスリット５１が千鳥状に配置されている。また、電極部材３１２には、電極部材３１１のスリット形成位置に対応する位置に、複数のスリット５１が形成されている。

第２電極部３２では、電極部材３２１及び電極部材３２２に、ＹＹ方向に延びるスリット５１が形成されている。スリット５１は、電極部材３２１、電極部材３２２のそれぞれを厚さ方向であるＸＸ方向に貫通する貫通溝として形成されている。

電極部材３２１には、複数のスリット５１がＺＺ方向に配列されている。また、この複数のスリット５１の列が、ＹＹ方向に複数並ぶように設けられている。本例では、６つのスリット５１がＺＺ方向に所定のピッチで配列され、このスリット５１の列がＹＹ方向に複数列並設されている。また、ＹＹ方向で隣り合うスリット５１の列同士は、互いに半ピッチ分ずれて形成されている。したがって、電極部材３２１には、複数のスリット５１が千鳥状に配置されている。また、電極部材３２２には、電極部材３２１のスリット形成位置に対応する位置に、複数のスリット５１が形成されている。

本例では、第１電極部３１におけるスリット５１の形成位置と、第２電極部３２におけるスリット５１の形成位置とは、ＺＺ方向において一致していない。図７に示すように、第１電極部３１には、スリット５１が所定ピッチでＺＺ方向に配列され、第２電極部３２には、スリット５１が第１電極部３１と同一ピッチでＺＺ方向に配列されている。そして、第１電極部３１のスリット５１と第２電極部３２のスリット５１とでは、ＺＺ方向において互いに半ピッチ分ずれている。すなわち、第１電極部３１の複数のスリット５１と、第２電極部３２のスリット５１とは、熱移動方向であるＺＺ方向において互いに半ピッチ分オフセット配置されている。

貫通溝であるスリット５１は、各電極部材に打ち抜き加工等を施すことにより容易に形成することができる。スリット５１の形成は、各電極部材の外形を形成する加工と同時に行なうことが可能である。スリット５１は、第１電極部３１、第２電極部３２に形成された溝部の一形態であり、本実施形態における熱移動抑制部に相当する。

スリット５１は、幅が狭いことが好ましい。すなわち、スリット５１は、幅寸法であるＺＺ方向寸法が小さいことが好ましい。スリット５１の幅寸法は、確実な熱移動抑制を行ないつつ電圧印加面積を確保するとの観点から、フィルム３０の厚さの１０倍以下であることが好ましい。フィルム３０の厚さが１０μｍである場合には、スリットの幅は０．１ｍｍ以下であることが好ましい。

また、各電極部材において、スリット５１のＹＹ方向の端部は、ＹＹ方向で隣にあるスリット列のスリット５１間に位置することができる。すなわち、ＺＺ方向から見たときに、ＹＹ方向で隣り合うスリット列同士では、スリット５１の一部が重なり合うように、スリット５１が千鳥状配置されていてもよい。ＺＺ方向から見てスリット５１の一部同士が重なり合う形態は、熱輸送媒体による熱移動方向における電極部材を介した熱移動を、確実に抑制する。

熱生成体３は、第１電極部３１、フィルム３０、第２電極部３２、フィルム３０、第１電極部３１の順に、第１電極部３１、第２電極部３２とフィルム３０とが交互に配置されるように積層される。このようにフィルム及び電極が積層された積層体において、積層方向であるＸＸ方向における最外方に位置する電極の更に外方には、一対の拘束プレート３４が配設される。一対の拘束プレート３４は、端子接続部材３５により締結される。端子接続部材３５は、例えば、長尺ボルトとナットとを有して、端子３１２ｄを相互に電気的に接続するとともに、端子３２２ｄを相互に電気的に接続する。更に、端子接続部材３５は、一対の拘束プレート３４を相互に近接する方向に付勢する付勢部材としても機能する。これにより、フィルム３０及び第１電極部３１、第２電極部３２の構成部材が、相互にＸＸ方向において密着する。本例では、電気的端子接続部材と、拘束プレート３４で積層体を挟持するための付勢部材とを、端子接続部材３５で共用していたが、これに限定されるものではなく、別体としてもかまわない。なお、図１に示すように、端子接続部材３５は、一端部をケース１０外に突出させて、給電用の外部端子３５ａとすることができる。

ＥＣＥ素子３０は、第１電極部３１、第２電極部３２を介して印加される電圧の強弱により発熱と吸熱とを生じる。ＥＣＥ素子３０は、電界すなわち電場の印加により発熱し、電場の除去により吸熱する。ＥＣＥ素子３０は、電場によって物質内の電気双極子モーメントが制御され、それに伴うエントロピー変化によって発熱や吸熱を発生させる。ＥＣＥ素子３０は、電場が印加されることによってエントロピーが減少し、熱を放出することによって温度が上昇する。また、ＥＣＥ素子３０は、電場が除去されることによってエントロピーが増加し、熱を吸収することによって温度が低下する。ＥＣＥ素子３０は、所定の温度域、例えば常温域において高い電気熱量効果を発揮する材料によって作られている。ＥＣＥ素子３０は、ポリフッ化ビリニデン系ポリマーからなるものに限定されない。ＥＣＥ素子は、例えばセラミックス製であってもかまわない。

ＥＨＰ装置１は、ＥＣＥ素子３０の電気熱量効果を利用する。ＥＨＰ装置１は、電場変調装置と熱輸送装置とを備える。電場変調装置は、第１電極部３１、第２電極部３２を有してＥＣＥ素子３０に電圧を印加可能な電圧印加装置である。本例のＥＨＰ装置１は車両に搭載された高圧電池パックを給電源として高電圧を印加することができる。第１電極部３１、第２電極部３２間に高電圧を印加することにより、薄膜フィルム状のＥＣＥ素子３０に高電界を印加することができる。フィルム状のＥＣＥ素子３０は、電気熱量効果により発生した熱を素子表面にまで伝達し易いという利点もある。一方、本例の熱輸送装置４０は、圧電ポンプ４１、４２を有する熱輸送媒体往復流装置である。

電場変調装置は、ＥＣＥ素子３０に電場を与えるとともに、その電場の強さを増減させる。電場変調装置は、ＥＣＥ素子３０を強い電界内に置く状態と、ＥＣＥ素子３０を弱い電界内またはゼロ電界内に置く状態とを周期的に切換える。電場変調装置は、ＥＣＥ素子３０が強い電界の中に置かれる強電界期間、及びＥＣＥ素子３０が強電界期間より弱い電界の中に置かれる低電界期間を周期的に繰り返すように電場を変調する。低電界期間は、完全に電場を除去する無電界期間であってもよい。ここで言う強い電界及び弱い電界における電界とは、＋電界、−電界のいずれの場合も含む。

熱輸送装置４０は、ＥＣＥ素子３０が放熱または吸熱する熱を輸送するための熱輸送媒体を流すための流体機器を備える。熱輸送装置４０は、ＥＣＥ素子３０と熱交換する熱輸送媒体をＥＣＥ素子３０及び第１電極部３１、第２電極部３２の少なくともいずれかに沿って流す装置である。本例の熱輸送装置４０は、熱輸送媒体を第１電極部３１、第２電極部３２に形成した媒体流路３３に流す。すなわち、本例では、熱輸送装置４０は、熱輸送媒体が電極である第１電極部３１、第２電極部３２に接触するように第１電極部３１、第２電極部３２に沿って流す。本例では、熱輸送媒体は、電極である第１電極部３１、第２電極部３２を介してフィルム３０に沿って流れているとも言える。

熱輸送装置４０は、作業室２０に高温端と低温端とを生成するように、熱輸送媒体を流す。熱輸送装置４０は、電場変調装置による電場の変化に同期して、熱輸送媒体の往復的な流れＦＭ、ＦＮを発生させる。作業室２０の一端から他端へ向かう流れＦＭを往流と呼び、他端から一端へ向かう流れＦＮを復流と呼ぶ。本例では、往流ＦＭは、低温端２０１から高温端２０２へ向かう熱輸送媒体流れである。復流ＦＮは、高温端２０２から低温端２０１へ向かう熱輸送媒体流れである。低温端２０１及び高温端２０２は、本実施形態における端部に相当する。

ＥＣＥ素子３０と熱交換する熱輸送媒体は、例えば、フロリナート（登録商標）等のフッ素系不活性液体によって提供することができる。フッ素系不活性液体は、絶縁流体の一例である。熱輸送媒体は、オイル等の他の絶縁流体であってもよい。熱輸送媒体は、熱生成体３内の媒体流路３３を流れる際に低圧力損失を提供できる特性を有することが望まれる。

熱輸送装置４０は、電場変調装置による電場の増減に同期して熱輸送媒体を往復的に移動させる。熱輸送装置４０は、熱輸送媒体を流すためのポンプを含むことができる。本例の熱輸送装置４０は、圧電ポンプ４１、４２を備える。圧電ポンプ４１、４２は、作業室２０に充填配置された熱生成体３のＥＣＥ素子３０に関して熱輸送媒体の往復流れを供給する。

熱輸送装置４０は、ＥＣＥ素子３０に電場を印加したときに往流ＦＭを生成する。往流ＦＭは、圧電ポンプ４１を吐出モードとし、圧電ポンプ４２を吸入モードとすることにより生成される。すなわち、ＥＣＥ素子３０に電場が印加されることによって熱を放出し温度が上昇したときに、圧電ポンプ４１から圧電ポンプ４２へ向かう熱輸送媒体流れが形成される。このときの熱輸送媒体流れは、吸入吐出口４１ａ→流路２１→開口１５１→作業室２０→開口１６１→流路２２→吸入吐出口４２ａとなる。作業室２０内では、低温端２０１から高温端２０２へ向かう熱輸送媒体流れを形成し、熱交換によって得た温熱を高温端２０２へ輸送する。

また、熱輸送装置４０は、ＥＣＥ素子３０から電場を除去したときに復流ＦＮを生成する。復流ＦＮは、圧電ポンプ４１を吸入モードとし、圧電ポンプ４２を吐出モードとすることにより生成される。すなわち、ＥＣＥ素子３０から電場が除去されることによって熱を吸収し温度が低下したときに、圧電ポンプ４２から圧電ポンプ４１へ向かう熱輸送媒体流れが形成される。このときの熱輸送媒体流れは、吸入吐出口４２ａ→流路２２→開口１６１→作業室２０→開口１５１→流路２１→吸入吐出口４１ａとなる。作業室２０内では、高温端２０２から低温端２０１へ向かう熱輸送媒体流れを形成し、熱交換によって得た冷熱を低温端２０１へ輸送する。

上記した動作を繰り返し行い、電場の印加除去に同期して熱輸送媒体を往復的に移動させることにより、作業室２０の低温端２０１側から高温端２０２側への熱量の輸送が行なわれる。ＥＨＰ装置１である冷却器１において、熱輸送媒体の上記した往復流れにより、冷却板１１から放熱板１２に向かって熱輸送が行なわれ、冷却板１１の温度が低下し、放熱板１２の温度が上昇する。冷却器１は、冷却板１１で外部媒体から奪った熱を、熱輸送媒体で移動させて、放熱板１２から外部媒体へ放出する。これにより、冷却板１１に接する外部媒体を冷却することができる。冷却板１１は、ＥＨＰ装置１の低温端２０１からの冷熱出力を外部媒体へ放出する熱交換部であるとも言える。また、放熱板１２は、ＥＨＰ装置１の高温端２０２からの温熱出力を外部媒体へ放出する熱交換部であるとも言える。ケース１０内のＺＺ方向の全域を作業室と見た場合には、冷却板１１が低温端であり、放熱板１２が高温端であると言える。

本実施形態のＥＨＰ装置１は、電気熱量効果材３０と、電極３１、３２と、熱輸送装置４０とを備える。電気熱量効果材３０は、高温端２０２及び低温端２０１の両端部の間に配置され、印加される電界の変化に伴い温度変化する。電極３１、３２は、電気熱量効果材３０に電界を印加するために設けられている。熱輸送装置４０は、高温端及び低温端を生成するように、電気熱量効果材３０が生じる熱を所定の熱移動方向であるＺＺ方向に移動させる。そして、電極３１、３２には、電極３１、３２を介するＺＺ方向への熱移動を抑制するための熱移動抑制部であるスリット５１が形成されている。

これによると、電極３１、３２に設けた熱移動抑制部としてのスリット５１により、熱輸送装置４０による熱移動方向への電極３１、３２を介した熱移動を抑制することができる。したがって、電極３１、３２を介する熱移動によって高温端２０２と低温端２０１との温度差が縮小することを抑制できる。このようにして、ＥＨＰ装置１の熱出力を向上することができる。

また、本実施形態の熱移動抑制部は、電極３１、３２に形成された溝部により提供されている。これによると、溝部により電極３１、３２に容易に熱移動抑制部を形成することができる。さらに、この溝部は、電極３１、３２を貫通する貫通溝として形成されている。これによると、溝部の加工が極めて容易である。

熱移動抑制部であるスリット５１は、熱移動方向に対して交差する方向に延在している。これによると、熱移動方向に交差する方向に延在する熱移動抑制部で、電極３１、３２を介する熱移動を確実に抑制することができる。また、熱移動抑制部であるスリット５１は、熱移動方向に対して直交するＹＹ方向に延在している。これによると、熱移動方向に直交する方向に延在する、延在方向寸法が比較的短い熱移動抑制部で、電極３１、３２を介する熱移動を確実に抑制することができる。

また、熱移動方向であるＺＺ方向に複数の熱移動抑制部が配列されるとともに、複数の熱移動抑制部の列が、熱移動方向に対して交差する方向であるＹＹ方向に複数列並設されている。これによると、ＺＺ方向及びＹＹ方向のいずれにも複数配置した熱移動抑制部で、電極３１、３２を介する熱移動を確実に抑制することができる。

さらに、複数列並設された複数の熱移動抑制部は、互いに千鳥状配置されている。これによると、ＺＺ方向及びＹＹ方向のいずれにも複数の熱移動抑制部を配置しても、電極３１、３２の剛性の低下を抑制できる。これにより、電極３１、３２のハンドリング性が低下し難く、生産性の向上に寄与することができる。

なお、上述した説明では、熱移動抑制部である複数のスリット５１が千鳥状配置されていたが、これに限定されるものではない。例えば、図８に例示するように、熱移動抑制部である複数のスリット５１を、ＺＺ方向及びＹＹ方向のいずれにも整列して配置する所謂格子状配置するものであってもよい。

また、例えば、図９に示すように、電極のＹＹ方向のほぼ全域にわたって延びるスリット５２を採用してもよい。熱移動抑制部であるスリット５２を、熱移動方向に対して交差する方向において、複数に分割形成されることなく連続して形成してもよい。スリット５２は、例えば、スリット５１と同様の貫通溝とすることができる。スリット５２は、幅寸法を、スリット５１と同様に設定することができる。

また、本実施形態において、電極３１、３２は、電気熱量効果材３０を間にして対向する第１電極３１及び第２電極３２からなる。そして、熱移動抑制部は、第１電極３１及び第２電極３２の両者に設けられている。これによると、第１電極３１及び第２電極３２の両方において、熱移動抑制部により、熱移動方向への電極を介した熱移動を抑制することができる。

また、第１電極３１の熱移動抑制部と、第２電極３２の熱移動抑制部とは、熱移動方向において互いにオフセット配置されている。これによると、電気熱量効果材３０のうち、電極３１、３２の熱移動抑制部を設けた部位に対応する部分に印加する電界強度の低下を抑制することができる。

さらに、第１電極３１には、熱移動方向に複数の熱移動抑制部が所定ピッチで配列され、第２電極３２には、熱移動方向に複数の熱移動抑制部が第１電極３１と同一の所定ピッチで配列されている。そして、第１電極３１の複数の熱移動抑制部と、第２電極３２の複数の熱移動抑制部とは、熱移動方向において互いに所定ピッチの半ピッチ分オフセット配置されている。これによると、電気熱量効果材３０において、電極３１、３２の熱移動抑制部を設けた部位に対応する部分が偏在し難く、かつ、電極３１、３２の熱移動抑制部を設けた部位に対応する部分に印加する電界強度の低下を抑制することができる。なお、第１電極３１の複数の熱移動抑制部と、第２電極３２の複数の熱移動抑制部との相互のオフセット量は、半ピッチ分に限定されるものではない。

上述したように、第１電極３１の熱移動抑制部と、第２電極３２の熱移動抑制部とを、熱移動方向において互いにオフセット配置することが好ましい。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば、図１０に例示するように、第１電極３１の熱移動抑制部と、第２電極３２の熱移動抑制部とを、熱移動方向において互いにオフセット配置せず、互いに対向するように配置してもよい。

図１０に示す例では、電気熱量効果材３０のうち、電極のスリット５１形成部位に対応する部分には、例えば二点鎖線で示すように電界が印加される。前述した図７に示す例では、電気熱量効果材３０のうち、電極のスリット５１形成部位に対応する部分には、例えば二点鎖線で示すように電界が印加される。図７に示す二点鎖線と図１０に示す二点鎖線の長さを比較すると、図７に示す二点鎖線の方が若干短くなる。したがって、第１電極３１のスリット５１と、第２電極３２のスリット５１とを、熱移動方向において互いにオフセット配置した方が、電気熱量効果材３０のうちスリット５１に対応する部分に印加する電界強度の低下を抑制することができる。

また、上述した説明では、電極３１、３２に設ける熱移動抑制部としての溝部は、貫通溝であったが、これに限定されるものではない。熱移動抑制部としての溝部は、底部を有する有底溝であってもよい。例えば、図１１に示すように、電極３１、３２の電気熱量効果材３０側の面から凹んだ有底溝のスリット５３を採用してもよい。スリット５３の配置や幅寸法等は、スリット５１と同様に設定することができる。また、例えば、図１２に示すように、電極３１、３２の反電気熱量効果材側の面から凹んだ有底溝５４を採用してもよい。具体的には、有底溝の反底面側の開口部が電気熱量効果材３０に接する電極面に形成されないようにしてもよい。これによれば、電極が全面にわたって電気熱量効果材３０に接触可能となり、有底溝の配設部位や幅寸法等の設定自由度が向上する。

また、本実施形態のＥＨＰ装置１では、複数の電気熱量効果材３０が熱輸送媒体の往復流の方向であるＺＺ方向に交差する方向であるＸＸ方向に互いに並設されおり、複数の電気熱量効果材３０のそれぞれに対応して電極３１、３２が設けられている。これによると、各電気熱量効果材３０の上記交差する方向であるＸＸ方向の厚さを薄くして相互に並設することができる。したがって、各電気熱量効果材３０に対する電界強度を容易に大きくすることができる。

また、本実施形態のＥＨＰ装置１の熱生成体３は、電極３１、３２と電気熱量効果材３０とが相互に接するように配置された構成である。これによると、電気熱量効果材３０に容易に電界を印加することができる。

また、ＥＨＰ装置１は、作業室２０の内部に、電極３１、３２に沿って熱輸送媒体を流すように形成された媒体流路３３を有する。これによると、媒体流路３３を流れる熱輸送媒体と熱生成体３との熱交換を効率よく行なうことができる。

熱輸送媒体の媒体流路は、電極及び電気熱量効果材の少なくともいずれかに沿って熱輸送媒体を流すように形成されていればよい。例えば、熱輸送媒体が電極及び電気熱量効果材の両者に沿って流れるものであってもよい。また、電極と電気熱量効果材とが離間しており、熱輸送媒体は電気熱量効果材に沿って流れるものであってもよい。

また、電極３１、３２には、熱輸送媒体の往復流の方向に延びる溝部３１２ｃ、３２２ｃが形成されており、この溝部３１２ｃ、３２２ｃにより媒体流路３３が提供される。これによると、電極３１、３２の溝部により、熱生成体３と熱交換する熱輸送媒体の媒体流路３３を容易に得ることができる。また、媒体流路３３を形成するために電極部材３１２、３２２に設けた突条部３１２ｂ、３２２ｂは、熱輸送媒体との熱交換時に表面積を拡大する熱伝導フィンとして機能するため、熱交換効率の向上に寄与する。

また、熱輸送装置４０は、熱輸送媒体を圧送するための圧電ポンプ４１、４２を有する。圧電ポンプは、ポンプ室の容積変化は小さいものの、比較的高い駆動周波数と吐出圧を得ることができる。したがって、媒体流路３３が高圧力損失の構成であっても、媒体流路３３に熱輸送媒体の往復流を確実に形成することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図１３に基づいて説明する。

第２実施形態は、前述の第１実施形態と比較して、電極に設ける熱移動抑制部の構成が異なる。なお、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第２実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図１３に示すように、本実施形態では、フィルム３０を挟んで対向する第１電極部３１、第２電極部３２には、それぞれ低熱伝導部６１が形成されている。低熱伝導部６１は、第１電極部３１、第２電極部３２の構成材料よりも熱伝導率が小さい材料により構成されている。ここで、第１電極部３１、第２電極部３２の構成材料とは、第１電極部３１、第２電極部３２の電極として機能する主要部の構成材料である。低熱伝導部６１は、本実施形態の熱移動抑制部に相当する。低熱伝導部６１は、例えば樹脂材からなる。低熱伝導部６１を構成する材料は、熱輸送媒体に対して耐性を有する材料であることが好ましい。

熱移動抑制部である低熱伝導部６１は、第１電極部３１、第２電極部３２において、第１実施形態のスリット５１と同様に形成した形態とすることができる。すなわち、第１実施形態のスリット５１内に電極構成材よりも熱伝導率が小さい低熱伝導材を充填した形態とすることができる。また、熱移動抑制部である低熱伝導部は、第１実施形態のスリット５２内、スリット５３内、有底溝５４内に、電極構成材よりも熱伝導率が小さい低熱伝導材を充填した形態とすることもできる。これにより、熱移動抑制部として電極に溝部を設けた場合と同様の効果を得ることができる。

このように、本実施形態のＥＨＰ装置では、熱移動抑制部は、電極の構成材料の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する材料からなる低熱伝導部６１により提供される。これによると、低熱伝導部６１により電極に容易に熱移動抑制部を形成することができる。また、電極に熱移動抑制部として溝部を設けた場合よりも電極の剛性を向上することが可能である。

なお、熱移動抑制部としての低熱伝導部は、樹脂材からなるものに限定されない。低熱伝導部を、例えば、第１電極部３１、第２電極部３２の構成材料よりも熱伝導率が小さい金属材料により形成してもよい。これによると、低熱伝導部を電極の一部として機能させることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図１４に基づいて説明する。

第３実施形態は、前述の第１実施形態、第２実施形態と比較して、電極に設ける熱移動抑制部の構成が異なる。なお、第１実施形態、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１実施形態、第２実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第３実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態、第２実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。

図１４に示すように、本実施形態では、フィルム３０を挟んで対向する第１電極部３１、第２電極部３２には、それぞれ接触熱抵抗部７１が形成されている。第１電極部３１は、互いに材質が異なる第１部分３１Ａと第２部分３１Ｂとからなり、第１部分３１Ａと第２部分３１Ｂとが交互に配置されている。そして、第１部分３１Ａと第２部分３１Ｂとが互いに接触する両部分の境界部が、接触熱抵抗を呈する接触熱抵抗部７１となる。一方、第２電極部３２は、互いに材質が異なる第１部分３２Ａと第２部分３２Ｂとからなり、第１部分３２Ａと第２部分３２Ｂとが交互に配置されている。そして、第１部分３２Ａと第２部分３２Ｂとが互いに接触する両部分の境界部が、接触熱抵抗を呈する接触熱抵抗部７１となる。接触熱抵抗部７１は、本実施形態の熱移動抑制部に相当する。

本例では、接触熱抵抗部７１は、図示紙面表裏方向に延びている。接触熱抵抗部７１は、各電極部内においてＸＸ方向及びＹＹ方向に拡がるように形成されている。接触熱抵抗部７１は、各電極部をＸＸ方向及びＹＹ方向に横切るように形成されていればよく、平面的に延在するものに限定されない。接触熱抵抗部７１は、ＺＺ方向に対して交差する方向に延在する部分を有していればよい。また、接触熱抵抗部７１は、ＺＺ方向に対して直交する方向に延在する部分を有するものであれば好ましい。

接触熱抵抗部７１は、例えば、第１実施形態のスリット５２の位置、及びスリット５２をＹＹ方向の両端部にまで延ばした位置に形成することができる。すなわち、接触熱抵抗部７１は、ＹＹ方向に直線的に延びるように形成することができる。また、接触熱抵抗部７１は、例えば、第１実施形態のスリット５１の位置、及びスリット５１を相互に接続して、ＹＹ方向の両端部にまで延ばした位置に形成することができる。すなわち、接触熱抵抗部７１は、ＸＸ方向に屈曲しながらＹＹ方向に延びるように形成することができる。

なお、各電極部は、２種の金属で構成されるものに限定されず、３種以上の金属で形成されていてもよい。また、接触熱抵抗部７１は、ＺＺ方向において各電極内の３箇所に形成されるものに限定されない。１箇所、又は３箇所以外の複数箇所に設けてもよい。

このように、本実施形態のＥＨＰ装置では、電極は複数種の金属で形成されている。そして、熱移動抑制部は、異種金属が相互に接する接触熱抵抗部７１により提供される。これによると、接触熱抵抗部７１により電極に容易に熱移動抑制部を形成することができる。また、電極に熱移動抑制部として溝部を設けた場合よりも電極の剛性を向上することが可能である。また、接触熱抵抗部７１は異種金属材の境界部であるので、第１電極部３１、第２電極部３２の全体を電極として機能させることができる。

（他の実施形態）
この明細書に開示される技術は、その開示技術を実施するための実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示される技術は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分を持つことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示技術の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示技術のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

上記実施形態では、熱輸送媒体の往復流方向であるＺＺ方向に直交するＸＸ方向にフィルム状のＥＣＥ素子３０を並設していたが、これに限定されるものではない。ＥＣＥ素子３０を並設する方向は、例えばＺＺ方向に直交する方向から若干傾斜していてもよい。すなわち、複数のＥＣＥ素子３０は、ＺＺ方向に交差する方向に互いに並設されていてもよい。また、複数のＥＣＥ素子３０を並設するものに限定されず、ＥＣＥ素子は、１つであってもかまわない。また、図１５に例示するように、ＥＣＥ素子３０をＺＺ方向に複数段配置してもよい。高い電気熱量効果を発揮する温度帯が互いに異なる複数のＥＣＥ素子３０をＺＺ方向に段配置することで、冷熱出力及び温熱出力の温度域を拡張することが可能である。また、ＥＣＥ素子の形状は、フィルム状に限定されるものではなく、他の形状の素子も採用可能である。

また、上記実施形態では、第１電極部３１、第２電極部３２を、隣り合うＥＣＥ素子３０の間に配置していたが、これに限定されるものではなく、ＥＣＥ素子３０に電圧を印加できるものであればよい。

また、上記実施形態では、媒体流路３３を、第１電極部３１、第２電極部３２の溝部３１２ｃ、３２２ｃにより提供していた。すなわち、電極に媒体流路形成部材としての機能を持たせていた。しかしながら、これに限定されるものではない。例えばスペーサ等の電極とは別体の部材により、媒体流路を形成してもかまわない。

また、上記実施形態では、熱輸送装置４０は、一対の圧電ポンプ４１、４２のより熱輸送媒体の往復流を形成していたが、これに限定されるものではない。例えば、一方に圧電ポンプを設け、他方に圧電ポンプの吐出吸入に対応可能なベローズ等を設けて、熱輸送媒体の往復流を形成してもよい。また、例えば、圧電ポンプ以外のポンプ装置を採用してもかまわない。

また、上記実施形態では、冷却板１１及び放熱板１２で、外部媒体に冷熱出力及び温熱出力していたが、これに限定されるものではない。例えば、熱輸送媒体を一次媒体とし、一次媒体と二次媒体とを熱交換する熱交換器をＥＨＰ装置内に設け、二次媒体を外部の低温系統と高温系統とに供給してもよい。

また、上記第１実施形態、第２実施形態では、ＺＺ方向に６つの熱移動抑制部を配列し、上記第３実施形態では、ＺＺ方向に３つの熱移動抑制部を配列した例を説明したが、ＺＺ方向に配列される熱移動抑制部の数はこれに限定されるものではない。熱移動抑制部は、ＺＺ方向において１つのみであってもよい。また、上記第１実施形態のように、熱移動抑制部の列をＹＹ方向に６列並べるものに限定されず、１列、又は６列以外の複数列であってもよい。

また、上記実施形態では、第１電極部３１、第２電極部３２の両方に熱移動抑制部を設けていたが、これに限定されるものではない。第１電極部３１、第２電極部３２のいずれか一方のみに熱移動抑制部を設けてもよい。

また、上記実施形態では、熱輸送装置４０は、ＥＣＥ素子３０が生じる温熱や冷熱を熱輸送媒体流により移動させるものであったが、これに限定されるものではない。ＥＣＥ素子が生じる温熱や冷熱を、例えば、熱スイッチや熱ダイオードで移動させる熱輸送装置であってもよい。

また、上記実施形態では、車両に搭載される冷却器に開示技術を適用した。これに代えて、加熱器に開示技術を適用してもよい。また、上記実施形態に対して電界印加と熱輸送媒体流れの位相を逆転（電界印加時に復流ＦＮを形成、電界除去時に往流ＦＭを形成）することで、同一構成のまま制御変更するのみで冷却側と加熱側とを入れ替えることができる。また、車両以外の船舶や航空機等の移動体用の搭載装置に開示技術を適用してもよい。また、住宅用等の定置式の装置に開示技術を適用してもよい。

１ 冷却器（ヒートポンプ装置）
３０ 電気熱量効果材フィルム（電気熱量効果材）
３１ 第１電極部（電極）
３２ 第２電極部（電極）
４０ 熱輸送装置
５１、５２ スリット（貫通溝、溝部、熱移動抑制部）
５３ スリット（有底溝、溝部、熱移動抑制部）
５４ 有底溝（溝部、熱移動抑制部）
６１ 低熱伝導部（熱移動抑制部）
７１ 接触熱抵抗部（熱移動抑制部）
２０１ 低温端
２０２ 高温端

Claims (14)

1. 高温端（２０２）及び低温端（２０１）の両端部の間に配置され、印加される電界の変化に伴い温度変化する電気熱量効果材（３０）と、
   前記電気熱量効果材に前記電界を印加するために設けられた電極（３１、３２）と、
   前記高温端及び前記低温端を生成するように、前記電気熱量効果材が生じる熱を所定の熱移動方向（ＺＺ）に移動させる熱輸送装置（４０）と、を備え、
   前記電極には、前記電極を介する前記熱移動方向への熱移動を抑制するための熱移動抑制部（５１、５２、５３、５４、６１、７１）が形成されている、ヒートポンプ装置。
2. 前記熱移動抑制部は、前記電極に形成された溝部（５１、５２、５３、５４）により提供される、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
3. 前記溝部は、前記電極を貫通する貫通溝（５１、５２）として形成されている、請求項２に記載のヒートポンプ装置。
4. 前記溝部は、底部を有する有底溝（５３、５４）として形成されている、請求項２に記載のヒートポンプ装置。
5. 前記熱移動抑制部は、前記電極の構成材料の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する材料からなる低熱伝導部（６１）により提供される、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
6. 前記電極は、複数種の金属で形成されており、
   前記熱移動抑制部は、異種金属が相互に接する接触熱抵抗部（７１）により提供される、請求項１に記載のヒートポンプ装置。
7. 前記熱移動抑制部は、前記熱移動方向に対して交差する方向に延在している、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
8. 前記熱移動抑制部は、前記熱移動方向に対して直交する方向（ＹＹ）に延在している、請求項７に記載のヒートポンプ装置。
9. 前記熱移動方向に複数の前記熱移動抑制部が配列されるとともに、前記複数の前記熱移動抑制部の列が、前記熱移動方向に対して交差する方向に複数列並設されている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
10. 前記複数列並設された前記複数の前記熱移動抑制部は、互いに千鳥状配置されている、請求項９に記載のヒートポンプ装置。
11. 前記熱移動抑制部は、前記熱移動方向に対して交差する方向において、複数に分割形成されることなく連続して形成されている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
12. 前記電極は、前記電気熱量効果材を間にして対向する第１電極（３１）及び第２電極（３２）からなり、
    前記熱移動抑制部は、前記第１電極及び前記第２電極の両者に設けられている、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のヒートポンプ装置。
13. 前記第１電極の前記熱移動抑制部と、前記第２電極の前記熱移動抑制部とは、前記熱移動方向において互いにオフセット配置されている、請求項１２に記載のヒートポンプ装置。
14. 前記第１電極には、前記熱移動方向に複数の前記熱移動抑制部が所定ピッチで配列され、
    前記第２電極には、前記熱移動方向に複数の前記熱移動抑制部が前記所定ピッチで配列されており、
    前記第１電極の複数の前記熱移動抑制部と、前記第２電極の複数の前記熱移動抑制部とは、前記熱移動方向において互いに前記所定ピッチの半ピッチ分オフセット配置されている、請求項１３に記載のヒートポンプ装置。

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