JP6637159B2 - 電気熱量熱伝達システム - Google Patents

Description

本発明は、熱伝達システムに関する。

多種多様な技術が、限定されないが、蒸発冷却、対流冷却、または電熱冷却のような固体状態の冷却を含む、冷却用途のために存在する。住宅用の、ならびに業務用の冷却及び空調のための使用に際し最も一般的な技術の１つは、蒸気圧縮冷媒熱伝達ループである。一般的に、これらのループは、コンプレッサ、熱遮断熱交換器（すなわち、熱交換器コンデンサ）、膨張装置及び熱吸収熱交換器（すなわち、熱交換器エバポレータ）を含む、ループを通して適切な熱力学特性を有する冷媒を循環させる。蒸気圧縮冷媒ループは、さまざまな設定で冷却及び冷凍を効率的に提供し、場合によりヒートポンプとして逆に運転されることが可能である。しかしながら、多くの冷媒は、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）、もしくは地球温暖化係数（ＧＷＰ）のような環境ハザードを提示する可能性がある、または有毒もしくは可燃性である可能性がある。加えて、蒸気圧縮冷媒ループは、冷媒ループ内で機械的なコンプレッサを駆動するために十分な動力源の準備がない環境において非実用的、または不利である可能性がある。たとえば、電気自動車において、空調コンプレッサの電力需要は、著しく短い車両用バッテリ寿命、または運転距離を招く可能性がある。同様に、コンプレッサの重量及び電力要件は、さまざまな携帯用冷却用途において問題のある可能性がある。

その結果、蒸気圧縮冷媒ループへの代替として冷却技術を開発することに関心がもたれている。

本発明のいくつかの態様において、熱伝達システムは、液晶エラストマー、またはエラストマー高分子マトリックス内に保持される液状の液晶を含む電気熱量素子を備える。一対の電極は、電気熱量素子の対向面上に配置される。第一熱流路は、電気熱量素子とヒートシンクとの間に配置される。第二熱流路は、電気熱量素子と熱源との間に配置される。またシステムは、電極への電流を制御し、第一熱流路沿いに電気熱量素子からヒートシンクへ、または第二熱流路沿いに熱源から電気熱量素子へ熱エネルギーの伝達を選択的に向けるように構成されるコントローラを含む。

本発明のいくつかの態様により、熱源を冷却する方法は、液晶エラストマー、またはエラストマー高分子マトリックス内に保持される液晶を含む電気熱量素子にわたる電圧差として電界を印加することを備える。印加された電界は、電気熱量素子によるエントロピーの減少、及び熱エネルギーの放出を引き起こす。放出された熱エネルギーの少なくとも一部をヒートシンクへ伝達する。つぎに電界を除去し、これは、電気熱量素子によるエントロピーの増大、及び熱エネルギーの減少、及び熱エネルギーの吸収を引き起こす。電気熱量素子により吸収されるように熱源から熱エネルギーを伝達し、熱源の冷却をもたらす。

本発明とみなされる主題は、本明細書の結びの特許請求の範囲において、具体的に指摘され、明確に特許請求される。本発明の前述の、及び他の特長、ならびに利点は、添付の図面と併せることにより、以下の詳細な説明から明らかである。

本明細書に記述されるような例示的な冷却システムの概略図である。 本明細書に記述されるような別の例示的な冷却システムの概略図である。

図面を参照すると、図１は、例示的な冷却システム１０を描写する。図１に示されるように、冷却システム１０は、電気熱量素子１２の対向側面上に電極１４及び１６を有する電気熱量素子１２を含む。以下でさらに記述されるように、電気熱量素子１２は、液晶エラストマー、またはエラストマー高分子マトリックス内に保持される液状の液晶を含む。電気熱量素子１２、ならびに電極１４及び１６のアセンブリは、電極形成インク（例えば、金属ナノパーティクルスラリー、金属マイクロパーティクルスラリー、金属／カーボン・ナノワイヤ分散液、グラフェン分散液など）または他の組成物を、固体、または液晶エラストマーもしくはエラストマー高分子マトリックスへ塗布されることにより調製されることが可能である。

本明細書に使用されるように、用語「液晶エラストマー」は、外部場の印加に応答してメソゲン基のネマチックまたはスメクチック秩序形成により弾性的に変形可能であるメソゲン基を含む重合体分子のマトリックスを意味する。液晶エラストマーは、当該技術分野において既知であり、「Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒｓ」、Ｍ．Ｗａｒｎｅｒ ａｎｄ Ｅ．Ｍ．Ｔｅｒｅｎｔｊｅｖ、Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ ２００７（ｒｅｖ．ｅｄ．）にさらに記述され、その本開示は、法律により許容可能な範囲内に、その全体が参照により本明細書に援用される。いくつかの例示的な実施形態において、液晶エラストマーは、重合体液晶の回復不可能な流体変形と比較してエラストマー応答（すなわち、高分子マトリックスの弾性変形及び形状回復）を与える、架橋度を変えた重合体液晶を含む。本明細書に使用されるように、用語「重合体液晶」は、外部場の印加に応答してメソゲン基のネマチックまたはスメクチック秩序形成により流動して変形可能であるメソゲン基を含む重合体分子のマトリックスを意味する。重合体液晶、または液晶重合体は、メソゲン基を含む重合体分子を含む。メソゲン分子構造は、既知であり、外部電界のような外部場に応答して双極子モーメントを生じる電子密度配向性を有する棒状またはディスク状分子構造としてよく記述される。液晶重合体は、非メソゲン分子構造により結合される複数のメソゲン基を一般的に含む。メソゲン構造に加えて重合体分子内の非メソゲン結合構造、ならびにそれらの結合、配置、及び間隔は、外部場への流体変形可能な応答を提供する際に重要である。一般的に、この結合構造は、外部場の印加により変形応答を誘起するほど十分に低い剛性、及び外部場を印加しないときに重合体特性を提供するように十分に高い剛性を提供する。

いくつかの例示的な実施形態において、液晶重合体は、外部場に応答してメソゲン基の再秩序形成を可能にする柔軟性を有する非メソゲン・スペーサー基により分離される重合体骨格内に棒状メソゲン構造を有することが可能である。これらのような重合体は、主鎖型液晶重合体としても既知である。いくつかの例示的な実施形態において、液晶重合体は、重合体骨格に付着する側基として結合される棒状メソゲン構造を有することが可能である。これらのような重合体も、側鎖型液晶重合体として既知である。

主鎖型液晶重合体の実施例は、それぞれ、Ｃ₁₀及びＣ₈ポリエチレン・スペーサー基で示される繰り返し構造を有するこれらのものを含む。

側鎖型液晶重合体の実施例は、それぞれ、Ｃ₄及びＣ₁₀ポリエチレン・スペーサー基で示される繰り返し構造を有するこれらのものを含む。

言うまでもなく、上記の構造は、例示である。多くの他の液晶重合体は、既知であり、当業者により容易に利用されることが可能である。

上記に言及されるように、いくつかの実施形態において、液晶エラストマーは、架橋により変えた液晶重合体に基づくことが可能である。架橋密度は、外部場へ応答してメソゲン基のネマチックまたはスメクチック秩序形成を可能にするために局所的な分子柔軟性を保持するほど十分に低く調整されることが可能である。しかしながら、架橋密度は、外部場への流体の非弾性マクロ応答をもたらすブラウン分子運動の代替に外部場への重合体のマクロ弾性変形応答を生成するために十分な高さに設定される。架橋反応は、重合中にモノマー反応物内で３官能以上のモノマーを含むように、またはジイソシアネートのような架橋剤と反応することが可能である、重合体鎖に付着するヒドロキシルのような官能性側基を含むことにより、任意のタイプの架橋機構に依存することが可能である。官能性側基は、架橋鎖内に組み込まれたメソゲン基をもたらすように選択されることが可能である、またはメソゲン基は、非メソゲンである架橋鎖から分離する重合体鎖上の側基として付着することが可能である。多くの液晶エラストマーは、既知であり、当業者により容易に利用されることが可能である。

上記に言及されるように、電気熱量素子１２は、エラストマー高分子マトリックス内に保持される液体状の液晶も含むことが可能である。高分子マトリックス内に保持される液晶を含む材料は、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）として当該技術分野において既知であり、重合体相及び液晶相を含む多相マトリックスをもたらす相分離を誘起するため、限定されないが、重合誘起相分離、熱誘起相分離、溶媒誘起相分離を有するさまざまな技術を使用して調製されることが可能である。液晶相は、分子液晶、重合体液晶、またはオリゴマー液晶を含むことが可能である。エラストマー高分子マトリックスを含む高分子分散型液晶は、ＰＤＬＣ高分子マトリックスとしてエラストマー重合体を調製するためのモノマー選択、架橋、及び処理の一般的に既知の技術と組み合わせてＰＤＬＣを調製するための既知の分離技術を使用して調製されることが可能である。

再び図１に戻り、電気熱量素子１２は、第一熱流路１８を介してヒートシンク１７と熱連通することが可能である。また電気熱量素子１２は、第二熱流路２２を介して熱源２０と熱連通することが可能である。コントローラ２４は、接続された電極１４及び１６への電流を制御するように構成される。またコントローラ２４は、第一及び第二熱流路１８及び２２沿いに熱の伝達を選択的に向けるために熱流制御デバイス２６及び２８を制御するように構成される。熱流路及び熱流制御デバイスのタイプは、限定されず、たとえば、電気熱量素子及び熱源もしくはヒートシンクと熱伝導性接触している固体ヒート熱電スイッチ、または電気熱量素子１２及び熱源２０もしくはヒートシンク１７間の熱伝導性接触を確立するために可動の熱機械スイッチを含むことが可能である。以下でより詳細に記述される、いくつかの例示的な実施形態において、電気熱量素子１２及び熱源２０またはヒートシンク１７間の熱伝達は、電気熱量素子１２と接触している流動流体への対流熱伝達を含むことが可能である。これらのような事例において、電気熱量素子１２との電気化学的相互作用を回避するために誘電性でなければならない流体は、それ自体が熱源（たとえば、空調された空間）、もしくはヒートシンク（たとえば、外気）であることが可能である、またはこの流体は、電気熱量素子１２及び遠隔の熱源２０もしくはヒートシンク１７間で流動する誘電性熱伝達流体（たとえば、有機化合物）であることが可能である。

動作中に、システム１０は、電気熱量素子１２にわたる電圧差として電界を印加するコントローラ２４により動作し、電気熱量素子１２によりエントロピーの減少、及び熱エネルギーの放出を引き起こすことが可能である。コントローラ２４は、熱流路１８沿いに放出された熱エネルギーの少なくとも一部をヒートシンク１７へ伝達するために熱流制御デバイス２６を作動させる。この熱伝達は、電気熱量素子１２の温度が閾値温度へ上昇した後に起こることが可能である。いくつかの実施形態において、このエントロピー減少局面中に液晶エラストマーの重合体物性を維持するために過度な温度上昇を回避することが望ましい場合があり、いくつかの実施形態において、電気熱量素子１２の温度がヒートシンク１７の温度にほぼ等しくなるまで上昇するとすぐ、ヒートシンク１７への熱伝達を開始する。電気熱量素子１２からヒートシンク１７への熱エネルギーの所望の放出及び伝達を誘起する所定の時間の電界の印加後に、電界を除去する。電界の除去は、エラストマー高分子マトリックスがその元の分子配列へ弾性的に戻る場合に、電気熱量素子１２のエントロピーの増大、及び熱エネルギーの減少を引き起こす。この熱エネルギーの減少は、熱源２０の温度より下の温度への電気熱量素子１２の温度の降下として現れる。コントローラ２４は、熱流路１８沿いの熱エネルギーの伝達を終了させるために熱流制御デバイス２６を停止させ、熱源２０からより冷たい電気熱量素子１２へ熱エネルギーを伝達するために熱流制御デバイス２８を作動させる。

たとえば、調節された空間、または熱標的内の温度を維持するために熱伝達システムを利用する、いくつかの実施形態において、電気熱量素子の温度が第一閾値に達するまで、電気熱量素子１２の温度を上昇させるために電気熱量素子１２へ電界を印加することが可能である。第一温度閾値後に、コントローラ２４は、第二温度閾値に達するまで、電気熱量素子１２からヒートシンク１７へ熱を伝達するために熱流制御デバイス２６を作動させる。電界は、第一及び第二温度閾値間の期間のすべて、または一部中に印加され続けることが可能であり、つぎに第三温度閾値に達するまで、電気熱量素子１２の温度を降下させるために除去される。つぎにコントローラ２４は、熱流路１８沿いの熱流伝達を終了させるために熱流制御デバイス２６を停止させ、熱源２０から電気熱量素子１２へ熱を伝達するために熱流制御デバイス２８を作動させる。調節された空間または熱標的（熱源またはヒートシンクのいずれか一方であることが可能である）の標的温度に達するまで、上記ステップを任意選択で繰り返すことが可能である。

上記に言及されるように、いくつかの実施形態において、熱流路は、有機化合物の熱伝達流体のような、空気、または他の誘電性気体もしくは液体のいずれか一方の誘電性流体を含むことが可能である。このような実施形態において、誘電性流体は、それ自体が熱源もしくはヒートシンク（たとえば、外気）であることが可能である、または誘電性流体は、遠隔ヒートシンクもしくは遠隔熱源へ流動し、これにより熱を伝達することが可能である。誘電性流体の使用の技術的な効果は、電気熱量素子からヒートシンクへの熱の同時伝達とともに、電気熱量素子への電界印加を容易にすることである。電気熱量素子への、またはこれからの伝導性熱伝達に依存する多くの従来技術のシステムは、電気熱量素子の動作中に熱を伝達することを回避しなければならない。熱源（たとえば、空調空間を冷却する）からヒートシンク（たとえば、空調空間外側の外気空間）へ熱を伝達するための冷却システム１０’は、以下のさらなる説明を必要としない図１と同様の部品について同様の番号を有する、図２内に概略的に描写される。図２は、制御弁３４、３６、３８及び４０を介してヒートシンク１７及び熱源２０へ電気熱量素子１２と連結するヘッダー空間３０及び３２を接続するコンジットを流通する誘電性流体により提供される電気熱量素子１２及びヒートシンク１７または熱源２０間の熱伝達に関して、図１のように一般的に構成され動作する。加えて、電気熱量素子は、ヘッダー空間３０及び３２間の電気熱量素子１２を通る流体流のためのフローチャンネル４６（クロスハッチングにより概略的に表現される）を備える。電気熱量素子を通る流体流路を図解の利便性のために水平に描写するが、電極を通り延伸するチャンネル、または誘電性流体へ透過可能である電極に関して垂直（電気熱量素子１２を横切る）であることも可能であることに留意するべきである。

システム１０’の動作は、熱源が空調空間であり、ヒートシンクが外気である空調システムに関して以下に記述されるが、このシステムがヒートポンプモードにおいて、または熱を遠隔の熱源／ヒートシンクへ、及びこれらから伝達する熱伝達流体により動作することも可能であることが理解される。動作中に、システム１０’は、電気熱量素子１２にわたる電圧差として電界を印加するコントローラ２４により動作し、電気熱量素子１２によりエントロピーの減少、及び熱エネルギーの放出を引き起こすことが可能である。コントローラ２４は、制御弁３８及び４０を開き、制御弁３４及び３６を閉じ、ブロア４４を作動させ、電気熱量素子を通して外気源（ヒートシンク）１７から気流を駆動し、電気熱量素子１２から放出された熱エネルギーの少なくとも一部を伝達する。電気熱量素子１２から熱エネルギーの所望の放出及び伝達を誘起する所定の時間の電界の印加後に、電界を除去する。電界の除去は、エラストマー高分子マトリックスがその元の分子配列へ弾性的に戻る場合に、電気熱量素子１２のエントロピーの増大、及び熱エネルギーの減少を引き起こす。この熱エネルギーでの減少は、調節された空間（熱源）２０の温度より下の温度への電気熱量素子１２の温度降下として現れる。コントローラ２４は、電気熱量素子１２及び調節された空間間のブロア４４から気流を向けるために、制御弁３８及び４０を閉じ、制御弁３４及び３６を開く。

液晶エラストマー及び弾性重合体分散型液晶は、電気熱量素子１２のために使用されるミクロンメートルから数百マイクロメートルの範囲の厚さを有する膜を形成するために、従来の重合技術を使用して塊状に合成されることが可能である。液晶ドメインは、一般的にサイズが均一である。液晶エラストマーは、外部電気を印加したときにナノメートルから１００ナノメートルのサイズを有する配列されたナノ結晶領域を形成するメソゲン基を含むことが可能である。液晶ドメインは、エラストマー分散型システム内で数ナノメートル（たとえば、３ｎｍ）から１００ナノメートルのサイズにあることが可能である。異なるエラストマーシステムは、均一な球状ドメインを形成するように液晶を分散させるために利用可能である。エラストマーネットワークは、一般的に長期間にわたり機械的に安定しており、最大２００℃までの幅広い動作温度範囲を有する。エラストマーの低い弾性率のために、これらのシステム内にドメインを形成されるメソゲン基の配列のために、より低い電界強度を必要とする。電界の除去と同時に、エラストマーネットワーク、及びメソゲン基／液晶分子間の固有の相互作用は、ナノ構造を緩和しランダム化するように導く。電子機器冷却のような用途のために小規模で使用されることが可能であるが、冷凍用、または住居用、車両用、もしくは業務用加熱もしくは冷却用途のような高熱負荷用途における使用のためにスケーラビリティを達成することでの成功に限界がある、多くの従来技術の強誘電体、熱電、または電気熱量システムと比較して、本明細書に記述されるシステムは、メソゲン基のネマチックまたはスメクチック秩序形成からエントロピーの減少により引き起こされる従来の電気熱量効果だけでなく、メソゲン構造の場誘起ネマチックまたはスメクチック秩序形成がエラストマーマトリックス（１ＭＰａ〜１００ＭＰａの弾性率を有することが可能である）内に弾性変形を誘起し、ヒートシンクへ伝達されその後の場除去後に熱源から回復されることになる熱エネルギーのさらなる放出をもたらす弾性熱量効果も利用することにより、高水準の性能を達成する可能性を有する。加えて、イオン性不純物が電極へ移動し、性能を損なう可能性がある低分子液晶とは異なり、本明細書に記述されるエラストマー電気熱量素子は、分散された相内に存在するイオン性不純物に耐性がある。

弾性熱量効果は、マクロレベルだけでなく、液晶、液晶重合体、液晶エラストマー、及び／または従来の重合体またはエラストマーの異なるドメインが界印加及び界除去状態間での顕著なエントロピー変化を達成するために外部場印加の下で相互作用するように構成されることが可能であるマイクロ・ドメイン・レベルでも達成されることが可能である。液晶エラストマーは、外部場がない場合に重合体内にメソゲン構造の配列がある、単結晶またはモノドメイン構造内にあることが可能である。これは、重合及び／または架橋中に外部場を印加し、メソゲン基構造配列で高分子マトリックスを形成することによりなされることが可能である。また結晶性重合体配列は、従来の重合材料及び技術により生成されることが可能である。物品上のマクロひずみを最小にするために、異なる配向沿いに弾性ひずみを引き起こすように外部場により引き起こされる再配列を有するような所望の効果を生じるために、異なる液晶エラストマー・ドメインを配向する、複数の結晶性ドメイン高分子マトリックスを使用することが可能である。いくつかの実施形態において、液晶エラストマー、液晶オリゴマー、液晶ポリマー、または液状の液晶は、液晶特性を有する必要がない第二重合体またはエラストマー（または１つより多い他の重合体もしくはエラストマー）を含む多相重合体組成物内にあることが可能である。いくつかの実施形態において、第二重合体は、連続相であり、液晶エラストマー、液晶オリゴマー、液晶ポリマー、または液状の液晶は、不連続相である。いくつかの実施形態において、第二重合体は、不連続相であり、液晶エラストマーまたは液晶ポリマーは、連続相である。

本明細書に記述されるシステムは、熱源が調節された空間または冷却標的である冷却モード内で動作することが可能である。また本明細書に記述されるシステムは、ヒートシンクが調節された空間、または加熱標的であるヒートポンプモード内で動作することが可能である。記述されたシステムが事実上例示であり、当然のことながら修正を行うことが可能であることにも留意するべきである。たとえば、単一のコントローラ２４は、各図面内にあるが、制御は、分散された制御、または温度感知型の熱伝達制御デバイスのようなスマートコンポーネントにより提供されることが可能である。また、単一の電気熱量素子及び電極アセンブリを含むシステムを描写するが、当業者は、結合されたバンクまたは素子アレイを同様に使用することが可能であることを理解する。

本発明は、限りある数の実施形態のみに関連して詳細に記述されているが、本発明がそのような開示される実施形態に制限されないことは、容易に理解されるであろう。むしろ、本発明は、これまでに記載されていないが、本発明の趣旨と範囲に一致するあらゆる数の変形、改変、置換、または同等の配置を組み込むように変更され得る。さらに、本発明の種々の実施形態が記載されているが、本発明の態様が記載される実施形態の一部のみを含み得ることが理解される。したがって、本発明は、前述の説明によって制限されるとは見られず、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

Claims (14)

1. 液晶エラストマー、またはエラストマー高分子マトリックス内に保持される液状の液晶を含む電気熱量素子であって、弾性変形および形状回復のエラストマー応答を示す重合体マトリックスを含む、電気熱量素子と、
   前記電気熱量素子の対向面上に配置される一対の電極と、
   前記電気熱量素子とヒートシンクとの間の第一熱流路と、
   前記電気熱量素子と熱源との間の第二熱流路と、
   前記電極への電流を制御し、前記第一熱流路沿いに前記電気熱量素子から前記ヒートシンクへ、または前記第二熱流路沿いに前記熱源から前記電気熱量素子へ、熱エネルギーの伝達を選択的に向けるように構成されるコントローラと、
   を備える熱伝達システム。
2. 前記熱源及び／または前記ヒートシンクは、空気またはその他の誘電性流体から選択された、誘電性流体を含む、請求項１に記載の前記システム。
3. 前記電気熱量素子は、前記電気熱量素子と熱連通する前記誘電性流体のための流体流路を含む、請求項２に記載の前記システム。
4. 前記コントローラの制御に応じて、前記熱源または前記ヒートシンクから前記誘電性流体を前記流体流路に沿って選択的に案内するための手段をさらに備える、請求項３に記載の前記システム。
5. 前記電気熱量素子は、前記液晶エラストマーを含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載の前記システム。
6. 前記液晶エラストマーは、前記エラストマー応答をもたらす架橋度を含む、請求項５に記載の前記システム。
7. 前記液晶エラストマーは、メソゲン基を含む重合体骨格を有する、請求項５に記載の前記システム。
8. 前記液晶エラストマーは、メソゲン基を含む側鎖を有する、請求項５に記載の前記システム。
9. 前記液晶エラストマーは、前記システムの動作温度範囲において１ＭＰａ〜１００ＭＰａの弾性率を有する、請求項５に記載の前記システム。
10. 前記電気熱量素子は、前記液晶エラストマーを含む第一相、及び第二重合体を含む第二相を備える多相重合体組成物を含む、請求項１から請求項９のいずれかに記載の前記システム。
11. 前記第二相は、連続相であり、前記第一相は、不連続相である、請求項１０に記載の前記システム。
12. 前記第一相は、連続相であり、前記第二相は、不連続相である、請求項１０に記載の前記システム。
13. 前記電気熱量素子は、エラストマー高分子マトリックス内に保持される液晶を含む、請求項１から請求項４のいずれかに記載の前記システム。
14. 前記電気熱量素子にわたる電圧差として電界を印加することにより、前記電気熱量素子によるエントロピーの減少、及び熱エネルギーの放出を引き起こすことと、
    前記放出された熱エネルギーの少なくとも一部を前記ヒートシンクへ伝達することと、
    前記電界を除去することにより、前記電気熱量素子によるエントロピーの増大、及び熱エネルギーの減少、及び熱エネルギーの吸収を引き起こすことと、
    前記電気熱量素子により吸収される前記熱源からの熱エネルギーを伝達することと、を備える、請求項１から請求項１３のいずれかに記載の前記システムを使用する方法。

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