KR20180041681A - 전열 열 전달 시스템 - Google Patents

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Abstract

냉각 시스템은 액정 엘라스토머 또는 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 함유된 액상 액정을 갖는 전열 요소(12)를 포함한다. 전극들(14, 16)의 쌍이 전열 요소의 반대 표면들 상에 배치된다. 제1 열 흐름 경로(18)가 전열 요소 및 열 흡수원(17) 사이에 배치된다. 제2 열 흐름 경로(22)가 전열 요소 및 열 방출원(20) 사이에 배치된다. 또한 시스템은 전극들로의 전류를 제어하도록 그리고 열 에너지의 전달을 제1 열 흐름 경로를 따라 전열 요소로부터 열 흡수원으로 또는 제2 열 흐름 경로를 따라 열 방출원으로부터 전열 요소로 선택적으로 보내도록 구성되는 제어기(24)를 포함한다.

Description

전열 열 전달 시스템
이에 제한되지 않지만 증발 냉각, 대류 냉각 또는 고체 상태 냉각 이를테면 전열 냉각(electrothermic cooling)을 포함하여, 냉각 응용을 위한 매우 다양한 기술이 존재한다. 주거용 및 상업용 냉방 및 공기 조화를 위해 사용되는 가장 일반적으로 행해지는 기술들 중 하나는 증기 압축 냉매 열 전달 루프이다. 이러한 루프들은 통상적으로 압축기, 열 방출 열 교환기(즉, 열 교환기 응축기), 팽창 디바이스 및 열 흡수 열 교환기(즉, 열 교환기 증발기)를 포함하는 루프를 통해 적절한 열역학 속성들을 갖는 냉매를 순환시킨다. 증기 압축 냉매 루프들은 다양한 설정에서 냉각 및 냉방을 효과적으로 제공하고, 몇몇 상황에서는 반대로 열 펌프로서 작동될 수 있다. 그러나, 많은 냉매는 환경 위해성 이를테면 오존 고갈 가능성(ODP, ozone depleting potential) 또는 지구 온난화 가능성(GWP, global warming potential)을 야기할 수 있거나, 또는 유독성 또는 가연성일 수 있다. 추가적으로, 증기 압축 냉매 루프들은 냉매 루프에서 기계적 압축기를 구동하기에 충분한 손쉬운 동력원이 부족한 환경에서 비현실적이거나 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 전기 자동차에서, 공기 조화 압축기의 전력 수요는 차량 배터리 수명 또는 주행 범위를 현저히 짧아지게 할 수 있다. 유사하게, 압축기의 중량 및 필요 전력은 다양한 휴대용 냉각 응용에서 문제가 될 수 있다.
따라서, 증기 압축 냉매 루프들에 대한 대안들로서 냉각 기술들을 발전시키는 것에 관심이 있어왔다.
본 발명의 몇몇 측면에서, 열 전달 시스템은 액정 엘라스토머 또는 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 함유된 액상 액정을 포함하는 전열 요소를 포함한다. 전극들의 쌍이 상기 전열 요소의 반대 표면들 상에 배치된다. 제1 열 흐름 경로가 상기 전열 요소 및 열 흡수원 사이에 배치된다. 제2 열 흐름 경로가 상기 전열 요소 및 열 방출원 사이에 배치된다. 또한 상기 시스템은 상기 전극들로의 전류를 제어하도록 그리고 열 에너지의 전달을 상기 제1 열 흐름 경로를 따라 상기 전열 요소로부터 상기 열 흡수원으로 또는 상기 제2 열 흐름 경로를 따라 상기 열 방출원으로부터 상기 전열 요소로 선택적으로 보내도록 구성되는 제어기를 포함한다.
본 발명의 몇몇 측면에 따르면, 열 방출원을 냉각하는 방법은 전기장을 액정 엘라스토머 또는 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 함유된 액상 액정을 포함하는 전열 요소에 걸쳐 차동 전압으로서 인가하는 단계를 포함한다. 인가된 상기 전기장은 상기 전열 요소에 의한 엔트로피 감소 및 열 에너지 방출을 야기한다. 방출된 상기 열 에너지의 적어도 일부는 열 흡수원에 전달된다. 그 다음 상기 전기장이 제거되며, 이는 상기 전열 요소에 의한 엔트로피 증가 및 열 에너지 감소 및 열 에너지 흡수를 야기한다. 열 에너지는 상기 열 방출원으로부터 상기 전열 요소에 의해 흡수되게 전달되어, 상기 열 방출원이 냉각되게 한다.
본 발명으로 여겨지는 주제는 명세서의 결론의 청구범위에서 상세히 언급되고 명백하게 청구된다. 본 발명의 앞에서의 그리고 다른 특징들 및 이점들은 첨부 도면들과 함께 취해지는 이하 상세한 설명으로부터 분명해지며, 첨부 도면들에서:
도 1은 본원에 설명된 바와 같은 대표적인 냉각 시스템의 개략도이다; 그리고
도 2는 본원에 설명된 바와 같은 다른 대표적인 냉각 시스템의 개략도이다.
도면들을 참조하면, 도 1은 대표적인 냉각 시스템(10)을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각 시스템(10)은 전열 요소(12)의 반대 측들 상에 전극들(14 및 16)을 갖는 전열 요소(12)를 포함한다. 아래에 더 설명될 바와 같이, 전열 요소(12)는 액정 엘라스토머 또는 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 함유된 액상 액정을 포함한다. 전열 요소(12) 및 전극들(14 및 16)의 어셈블리는 고체 또는 액체 결정 엘라스토머 또는 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 전극-형성 잉크(이를테면 금속 나노입자 슬러리, 금속 마이크로입자 슬러리, 금속/탄소 나노와이어 분산물들, 그라핀 분산물들) 또는 다른 조성물을 도포함으로써 제조될 수 있다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 "액정 엘라스토머(liquid crystal elastomer)"는 외부장의 인가에 반응하여 메소제닉 그룹들의 네마틱 또는 스메틱 배열이 탄력적으로 변형가능한 메소제닉 그룹들을 포함하는 폴리머 분자들의 매트릭스를 의미한다. 액정 엘라스토머는 해당 기술분야에 알려져 있고 "액정 엘라스토머(Liquid Crystal Elastomers)", M.　Warner 및 E.M. Terentjev, Oxford University Press 2007(개정판)에 더 설명되며, 이의 개시 내용은 법이 허용가능한 정도로, 그 전체가 참조로 본 명세서에 원용된다. 몇몇 대표적인 실시예에서, 액정 엘라스토머는 폴리머 액정의 회복 불가능한 유체 변형과 비교하여 엘라스토머 반응(즉, 폴리머 매트릭스의 탄성 변형 및 형상 회복)을 주기 위해 일정한 가교도로 변형된 폴리머 액정을 포함한다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "폴리머 액정(polymer liquid crystal)"은 외부장의 인가에 반응하여 메소제닉 그룹들의 네마틱 또는 스메틱 배열이 유동적으로 변형가능한 메소제닉 그룹들을 포함하는 폴리머 분자들의 매트릭스를 의미한다. 폴리머 액정, 또는 액정 폴리머는 메소제닉 그룹들을 포함하는 폴리머 분자들을 포함한다. 메소제닉 분자 구조들은 주지되어 있고, 보통 외부장 이를테면 외부 전기장에 반응하여 쌍극자 모멘트를 초래하는 전자 밀도 배향들을 갖는 로드형 또는 디스크형 분자 구조들로 설명된다. 액정 폴리머는 통상적으로 비-메소제닉 분자 구조들에 의해 연결되는 많은 메소제닉 그룹을 포함한다. 비-메소제닉 연결 구조들 및 그것들의 폴리머 분자 내 메소제닉 구조들과의 연결, 배치 및 이격은 외부장에 대한 유체 변형가능한 반응을 제공하는 것에 있어서 중요하다. 통상적으로, 연결 구조들은 외부장의 인가에 의해 변형 반응이 유도되도록 충분히 낮고, 외부장이 인가되지 않을 때 폴리머의 특성들을 제공하기에 충분히 높은 강성을 제공한다.
몇몇 대표적인 실시예에서, 액정 폴리머는 외부장에 반응하여 메소제닉 그룹들의 재배열을 가능하게 하기 위한 유연성을 갖는 비-메소제닉 스페이서 그룹에 의해 분리되는 폴리머 백본에 로드형 메소제닉 구조들을 가질 수 있다. 그러한 폴리머는 또한 주 사슬 액정 폴리머로도 알려져 있다. 몇몇 대표적인 실시예에서, 액정 폴리머는 폴리머 백본에 부착되는 사이드 그룹들로서 부착되는 로드형 메소제닉 구조들을 가질 수 있다. 그러한 폴리머는 또한 곁 사슬 액정 폴리머로도 알려져 있다.
주 사슬 액정 폴리머의 예들은 각각, C10 및 C8 폴리에틸렌 스페이서 그룹들을 갖게 도시된 반복 구조들을 갖는 것들을 포함한다.
Figure pct00001
Figure pct00002
곁 사슬 액정 폴리머의 예들은 각각, C4 및 C10 폴리에틸렌 스페이서 그룹들을 갖게 도시된 반복 구조들을 갖는 것들을 포함한다.
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
물론, 상기한 구조들을 대표적인 것이다. 많은 다른 액정 폴리머가 알려져 있고, 통상의 기술자에 의해 용이하게 이용될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 액정 엘라스토머는 가교로 변형된 액정 엘라스토머에 기초할 수 있다. 가교 밀도는 국부적인 분자 유연성이 외부장에 반응하여 메소제닉 그룹들의 네마틱 또는 스메틱 배열을 가능하게 하기 위해 유지되도록 충분히 낮게 조절될 수 있다. 그러나, 가교 밀도는 외부장에 대한 유체, 비-탄성 거대 반응을 야기하는 브라운 분자 운동 대신 외부장에 대한 폴리머의 거대 탄성 변형을 야기하기에 충분히 높게 설정된다. 가교 반응은 가교제 이를테면 디이소시아네이트와 반응될 수 있는, 폴리머 사슬에 부착되는 기능성 측기들 이를테면 히드록실기를 포함함으로써 또는 이를테면 중합 동안 모노머 반응물들에 트리- 또는 보다 높은 기능성 모노머를 포함하는 가교 메커니즘의 임의의 유형에 의존적일 수 있다. 기능성 측기들은 메소제닉 그룹이 가교 사슬에 편입되게 하기 위해 선택될 수 있거나, 또는 메소제닉 그룹들이 비-메소제닉인 가교 사슬들과 별개인 폴리머 사슬 상에 측기들로서 부착될 수 있다. 많은 액정 폴리머가 알려져 있고, 통상의 기술자에 의해 용이하게 이용될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 전열 요소(12)는 또한 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 함유된 액상 액정을 포함할 수 있다. 폴리머 매트릭스에 함유된 액정을 갖는 물질들은 해당 기술분야에 폴리머 분산형 액정(PDLC, polymer dispersed liquid crystal)으로 알려져 있고, 이는 상 분리를 유도하여 폴리머 상 및 액정 상을 갖는 다상 매트릭스를 야기하기 위해, 이에 제한되지 않지만 중합 유도 상 분리, 열 유도 상 분리, 용매 유도 상 분리를 포함하여 다양한 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 액정 상은 분자 액정, 폴리머 액정 또는 올리고머 액정을 포함할 수 있다. 엘라스토머 폴리머 매트릭스를 갖는 폴리머 분산형 액정은 모노머 선택, 가교, 및 엘라스토머 폴리머를 PDLC 폴리머 매트릭스로서 제조하기 위한 처리의 일반적으로 알려진 기술들과 조합하여 PDLC를 제조하기 위한 알려진 분리 기술들을 사용하여 제조될 수 있다.
다시 도 1로 돌아가, 전열 요소(12)는 제1 열 흐름 경로(18)를 통해 열 흡수원(17)과 열적 연통할 수 있다. 또한 전열 요소(12)는 제2 열 흐름 경로(22)를 통해 열 방출원(20)과 열적 연통할 수 있다. 제어기(24)는 연결된 전극들(14 및 16)로의 전류를 제어하도록 구성된다. 또한 제어기(24)는 제1 및 제2 열 흐름 경로들(18 및 22)을 따라 열의 전달을 선택적으로 보내기 위해 열 흐름 제어 디바이스들(26 및 28)을 제어하도록 구성된다. 열 흐름 경로 및 열 흐름 제어 디바이스의 유형은 제한되지 않고 예를 들어, 전열 요소 및 열 방출원 또는 열 흡수원과 열 전도성 접촉하는 고체 상태 열 열전기 스위치들, 또는 전열 요소(12) 및 열 방출원(20) 또는 열 흡수원(17) 사이에 열 전도성 접촉을 수립하도록 이동가능한 열기계 스위치들을 포함할 수 있다. 몇몇 대표적인 실시예에서, 아래에서 보다 상세하게 설명될 바와 같이, 전열 요소(12) 및 열 방출원(20) 또는 열 흡수원(17) 간 열 전달은 전열 요소(12)와 접촉하여 흐르는 유체로의 연속적인 열 전달을 포함할 수 있다. 그러한 경우들에서, 전열 요소(12)와의 전기화학적 상호작용을 방지하기 위해 절연성이어야 하는 유체는 그 자체가 열 방출원(예를 들어, 조화 공기 공간) 또는 열 흡수원(예를 들어, 외부 공기)일 수 있거나, 또는 유체는 전열 요소(12) 및 원격 열 방출원(20) 또는 열 흡수원(17) 사이에 흐르는 절연 열 전달 유체(예를 들어, 유기 화합물)일 수 있다.
작동 시, 시스템(10)은 제어기(24)에 의해 전기장을 전열 요소(12)에 걸쳐 차동 전압으로 인가하여 전열 요소(12)에 의한 엔트로피 감소 및 열 에너지 방출을 야기하게 작동될 수 있다. 제어기(24)는 방출된 열 에너지의 적어도 일부를 열 흐름 경로(18)를 통해 열 흡수원(17)으로 전달하도록 열 흐름 제어 디바이스(26)를 활성화한다. 이러한 열 전달은 전열 요소(12)의 온도가 임계 온도까지 상승한 후 발생할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 엔트로피 감소 단계 동안 액정 엘라스토머의 폴리머 물리적 속성들을 유지하기 위해 과도한 온도 증가를 방지하는 것이 바람직할 수 있고, 몇몇 실시예에서, 열 흡수원(17)으로의 열 전달이 전열 요소(12)의 온도가 열 흡수원(17)의 온도와 대략 동일하게 증가하면 시작된다. 전열 요소(12)로부터 열 흡수원(17)으로 열 에너지의 원하는 방출 및 전달을 유도하기 위해 일정한 시간 동안 전기장을 인가한 후, 전기장이 제거된다. 전기장의 제거는 엘라스토머 폴리머 매트릭스가 그것의 원래 분자 정렬로 돌아감에 따라 전열 요소(12)의 엔트로피 증가 및 열 에너지 감소를 야기한다. 이러한 열 에너지 감소는 전열 요소(12) 온도의 열 방출원(20) 온도 미만의 온도로의 감소로서 분명해진다. 제어기(24)는 열 흐름 경로(18)에 따른 열 에너지의 전달을 종료하도록 열 흐름 제어 디바이스(26)를 비활성화하고, 열 에너지를 열 방출원(20)으로부터 보다 냉한 전열 요소(12)로 전달하도록 열 흐름 제어 디바이스(28)를 활성화한다.
예를 들어, 열 전달 시스템이 조화 공간 또는 열적 타겟의 온도를 유지하기 위해 이용되는 몇몇 실시예에서, 전열 요소의 온도가 제1 임계치에 이를 때까지 그것의 온도를 증가시키기 위해 전기장이 전열 요소(12)에 인가될 수 있다. 제1 온도 임계치 이후, 제어기(24)는 제2 온도 임계치에 도달될 때까지 열을 전열 요소(12)로부터 열 흡수원(17)으로 전달하도록 열 흐름 제어 디바이스(26)를 활성화한다. 전기장은 제1 및 제2 온도 임계치들 사이의 시간 기간의 전부 또는 일부 동안 계속해서 인가될 수 있고, 그 후 제3 온도 임계치에 도달될 때까지 전열 요소(12)의 온도를 감소시키기 위해 제거된다. 그 다음 제어기(24)는 열 흐름 경로(18)에 따른 열 흐름 전달을 종료하도록 열 흐름 제어 디바이스(26)를 비활성화하고, 열을 열 방출원(20)으로부터 전열 요소(12)로 전달하도록 열 흐름 제어 디바이스(28)를 활성화한다. 상기한 단계들은 조화 공간 또는 열적 타겟(열 방출원 또는 열 흡수원 중 어느 하나 일 수 있는)의 타겟 온도에 도달될 때까지 임의로 반복될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 열 흐름 경로들은 절연 유체, 공기 또는 다른 절연 기체 또는 액체 중 어느 하나 이를테면 유기 화합물 열 전달 유체를 수반할 수 있다. 그러한 실시예들에서, 절연 유체는 그 자체가 열 방출원 또는 열 흡수원(예를 들어, 외부 공기)일 수 있거나, 또는 절연 유체는 원격 열 흡수원 또는 원격 열 방출원으로 흐르고 그것과 열을 전달할 수 있다. 절연 유체 사용의 기술적 효과는 전열 요소로부터 열 흡수원으로 열의 동시 전달과 전열 요소로의 전기장의 인가를 가능하게 하는 것이다. 전열 요소로의 또는 그것으로부터의 전도성 열 전달에 의존적인 많은 종래 기술의 시스템은 전열 요소의 작동 동안 열을 전달하는 것을 회피해야 한다. 열 방출원으로부터 열 흡수원(예를 들어, 조화 공기 공간 밖의 외부 공기 공간)으로 열을 전달하기(예를 들어, 조화 공기 공간을 냉각시키기) 위한 냉각 시스템(10')은 아래에 추가 설명을 필요로 하지 않는 도 1과 같은 부분들에 대해 같게 넘버링된 도 2에 개략적으로 도시된다. 도 2는 일반적으로 도 1과 같게 구성 및 작동되며, 전열 요소(12) 및 열 흡수원(17) 또는 열 방출원(20) 사이 열 전달은 전열 요소(12)와 접하는 헤더 공간들(30 및 32)을 제어 밸브들(34, 36, 38, 및 40)을 통해 열 흡수원(17) 및 열 방출원(20)에 연결하는 도관들을 통해 흐르는 절연 유체에 의해 제공된다. 추가적으로, 전열 요소는 헤더 공간들(30 및 32) 사이 전열 요소(12)를 통한 유체 흐름을 위해 유체 채널들(46)(개략적으로 크로스-해칭으로 표현되는)을 갖는다. 전열 요소를 통한 유체 흐름 경로가 예시의 편의성을 위해 수평으로 도시되지만, 그것은 또한 절연 유체가 투과할 수 있는 전극들 또는 전극들을 통해 연장되는 채널들과 수직(전열 요소(12)에 대해 가로)일 수 있다는 것이 주의되어야 한다.
시스템(10')의 작동은 열 방출원이 조화 공기 공간이고 열 흡수원이 외부 공기인 공기 조화 시스템에 대하여 아래에서 설명될 것이나, 시스템은 또한 열 펌프 모드로, 또는 열을 원격 열 방출원들/흡수원들로 그리고 그것들로부터 전달하는 열 전달 유체와 작동될 수도 있다는 것이 이해된다. 작동 시, 시스템(10')은 제어기(24)에 의해 전기장을 전열 요소(12)에 걸쳐 차동 전압으로 인가하여 전열 요소(12)에 의한 엔트로피 감소 및 열 에너지 방출을 야기하게 작동될 수 있다. 제어기(24)는 제어 밸브들(38 및 40)을 개방하고, 제어 밸브들(34 및 36)을 폐쇄하며, 전열 요소(12)로부터 방출된 열 에너지의 적어도 일부를 전달하기 위해 공기 흐름을 외부 공기 열원(열 흡수원)(17)으로부터 전열 요소를 통해 유도하도록 송풍기(44)를 활성화한다. 전열 요소(12)로부터 열 에너지의 원하는 방출 및 전달을 유도하기 위해 일정한 시간 동안 전기장을 인가한 후, 전기장이 제거된다. 전기장의 제거는 엘라스토머 폴리머 매트릭스가 그것의 원래 분자 정렬로 돌아감에 따라 전열 요소(12)의 엔트로피 증가 및 열 에너지 감소를 야기한다. 이러한 열 에너지 감소는 전열 요소(12) 온도의 조화 공간(열 방출원)(20) 온도 미만의 온도로의 감소로서 분명해진다. 제어기(24)는 제어 밸브들(38 및 40)을 폐쇄하고 제어 밸브들(34 및 36)을 개방하여 공기 흐름을 송풍기(44)로부터 전열 요소(12) 및 조화 공간 사이로 보낸다.
액정 엘라스토머 및 탄성 폴리머 분산형 액정은 전열 요소(12)를 위해 사용될 범위가 마이크론 미터에서 수백 마이크로미터에 이르는 두께를 갖는 막들을 형성하기 위해 종래 중합 기술들을 사용하여 벌크로 합성될 수 있다. 액정 영역들은 통상적으로 크기가 균일하다. 액정 엘라스토머는 외부 전자가 인가되었을 때 나노미터 내지 백 나노미터의 크기를 갖고 정렬된 나노결정 영역들을 형성하는 메소제닉 그룹들을 가질 수 있다. 액정 영역들은 엘라스토머 분산계에서 수 나노미터(예를 들어, 3 nm) 내지 백 나노미터의 크기로 있을 수 있다. 상이한 엘라스토머계들은 동질한 구형 영역들을 형성하기 위해 액정을 분산시키기 위해 이용가능하다. 엘라스토머 망상들은 통상적으로 긴 시간 기간에 걸쳐 기계적으로 안정적이고 200 ℃까지의 넓은 작동 온도 범위를 갖는다. 엘라스토머의 낮은 탄성률로 인해, 이러한 계들에서 영역들을 형성한 메소제닉 그룹들의 정렬에 보다 낮은 전기장 세기가 요구된다. 전기장의 제거 시, 엘라스토머 망상 및 메소제닉 그룹들/액정 분자들 간 고유한 상호작용은 나노구조를 느슨하고 무작위화되게 한다. 응용 이를테면 전자장비 냉각을 위해 소규모로 사용될 수 있으나, 냉방과 같은 높은 열부하 응용 또는 주거용, 차량용 또는 상업용 가열 또는 냉각 응용에 사용하기 위해 확장성을 이루는 데에는 제한적으로만 성공한 많은 종래 기술의 강유전, 열전 또는 전열 시스템과 비교하여, 본원에 설명된 시스템들은 메소제닉 그룹들의 네마틱 또는 스메틱 배열로부터 엔트로피 감소에 의해 야기되는 종래 전열 효과 뿐만 아니라, 메소제닉 그룹들의 필드 유도 네마틱 또는 스메틱 배열이 엘라스토머 매트릭스(1 MPa 내지 100 MPa의 탄성률을 가질 수 있는)의 탄성 변형을 유도하며, 필드가 제거된 후 열 흡수원에 전달되고 이후에 열 방출원으로부터 회복되는 열 에너지의 추가 방출을 야기하는 탄력성 고열량 효과(elastocaloric effect)를 이용함으로써 높은 수준의 성능을 이룰 수 있는 가능성을 갖는다. 추가적으로, 이온 불순물들이 전극들로 이동하고 성능을 방해할 수 있는 저분자 액정과 달리, 본원에 설명된 엘라스토머 전열 요소들은 분산된 상에 존재하는 이온 불순물들에 강하다.
탄력성 고열량 효과는 거대 수준에서 뿐만 아니라, 액정, 액정 폴리머 액정 엘라스토머, 및/또는 종래 폴리머 또는 엘라스토머의 상이한 영역들이 필드 인가 및 필드 제거 상태들 간 상당한 엔트로피 변화를 이루기 위해 외부장의 인가 하에서 상호작용하도록 구성될 수 있는 극소 영역 수준에서도 이루어질 수 있다. 액정 엘라스토머는 외부장이 없을 때에는 폴리머 내 메소제닉 구조들이 정렬되는 단일 결정 또는 단일 영역 구성으로 있을 수 있다. 이는 메소제닉 그룹 구조적 정렬을 갖는 폴리머 매트릭스를 형성하기 위해 중합 및/또는 가교 동안 외부장을 인가함으로써 실현될 수 있다. 또한 결정성 폴리머 정렬이 종래 중합 물질들 및 기술들에 의해 생성될 수 있다. 다수의 결정성 영역 폴리머 매트릭스는 상이한 액정 엘라스토머 영역들이 이를테면 외부장에 의해 재정렬이 야기되어 상이한 배향들을 따라 탄성 변형을 야기하여 물품 상의 거대 변형을 최소화하는 원하는 효과들을 내도록 배향되는 경우 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 액정 엘라스토머, 액정 올리고머, 액정 폴리머 또는 액상 액정은 액정 특성들을 갖지 않아야 하는 제2 폴리머 또는 엘라스토머(또는 하나보다 많은 다른 폴리머 또는 엘라스토머)를 갖는 다상 폴리머 조성으로 있을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제2 폴리머는 연속적인 상이고, 액정 엘라스토머, 액정 올리고머, 액정 폴리머 또는 액상 액정은 불연속적인 상이다. 몇몇 실시예에서, 제2 폴리머는 불연속적인 상이고, 액정 엘라스토머 또는 액정 폴리머는 연속적인 상이다.
본원에 설명된 시스템들은 열 방출원이 조화 공간 또는 냉각 타겟인 냉각 모드로 작동될 수 있다. 또한 본원에 설명된 시스템들은 열 흡수원이 조화 공간 또는 가열 타겟인 열 펌프 모드로 작동될 수도 있다. 또한 설명된 시스템들은 사실상 대표적인 것이고 물론 변형이 이루어질 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 예를 들어, 각 도면에 단일 제어기(24)가 있으나, 제어는 분산 제어 또는 스마트 구성요소들 이를테면 온도 민감 열 전달 제어 디바이스들에 의해 제공될 수 있다. 또한, 시스템들이 단일 전열 요소 및 전극 어셈블리을 갖고 도시되지만, 통상의 기술자에 의해 요소들이 연결된 뱅크들 또는 어레이들이 또한 사용될 수 있다는 것이 이해된다.
본 발명이 단지 제한된 수의 실시예와 관련되어 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 그러한 개시된 실시예들에 제한되지 않는다는 것이 용이하게 이해되어야 한다. 더 정확히 말하면, 본 발명은 지금까지 설명되지 않았으나 본 발명의 사상 및 범위와 적합한 임의의 수의 변경, 대안, 대체 또는 균등한 배열을 통합하도록 변형될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 다양한 실시예가 설명되었지만, 본 발명의 측면들이 설명된 실시예들의 단지 일부만을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 앞에서의 설명에 의해 제한되는 것으로 간주되는 것이 아니라, 단지 첨부된 청구범위의 범위에 의해 제한된다.

Claims (26)

  1. 열 전달 시스템으로서,
    액정 엘라스토머 또는 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 함유된 액상 액정을 포함하는 전열 요소(electrocaloric element);
    상기 전열 요소의 반대 표면들 상에 배치되는 전극들의 쌍;
    상기 전열 요소 및 열 흡수원(heat sink) 사이의 제1 열 흐름 경로;
    상기 전열 요소 및 열 방출원(heat source) 사이의 제2 열 흐름 경로; 및
    상기 전극들로의 전류를 제어하도록 그리고 열 에너지의 전달을 상기 제1 열 흐름 경로를 따라 상기 전열 요소로부터 상기 열 흡수원으로 또는 상기 제2 열 흐름 경로를 따라 상기 열 방출원으로부터 상기 전열 요소로 선택적으로 보내도록 구성되는 제어기를 포함하는, 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 열 방출원은 조화 절연 유체인, 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 조화 유체는 공기인, 시스템.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 흡수원은 절연 유체인, 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 열 흡수원 유체는 공기인, 시스템.
  6. 청구항 2 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 상기 전열 요소와 열적 연통하는 상기 절연 유체를 위한 유체 흐름 경로를 포함하는, 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 유체 흐름 경로는 상기 전열 요소 내 채널인, 시스템.
  8. 청구항 6 또는 7에 있어서, 상기 유체 흐름 경로를 따라 상기 열 방출원 조화 절연 유체 또는 상기 열 흡수원 절연 유체를 선택적으로 보내기 위한 상기 제어기에 반응하는 수단을 더 포함하는, 시스템.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 상기 액정 엘라스토머 또는 그 안에 액정이 함유된 상기 폴리머를 포함하는 층, 및 상기 층의 반대 측들 상에 배치되는 전극들을 포함하는, 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 전극들은 상기 층의 상기 표면 상에 배치된, 시스템.
  11. 청구항 9 또는 10에 있어서, 상기 층은 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 두께를 갖는, 시스템.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 전열 요소는 고정화 이온 불순물들을 포함하는, 시스템.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 상기 액정 엘라스토머를 포함하며, 상기 액정 엘라스토머는 메소제닉 그룹들(mesogenic groups)을 포함하는 폴리머 백본을 갖는, 시스템.
  14. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 상기 액정 엘라스토머를 포함하며, 상기 액정 엘라스토머는 메소제닉 그룹들을 포함하는 곁 사슬들을 갖는, 시스템.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 상기 액정 엘라스토머를 포함하며, 상기 액정 엘라스토머는 상기 시스템의 작동 온도 범위에서 1 MPa 내지 100 MPa의 탄성률을 갖는, 시스템.
  16. 청구항 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 상기 액정 엘라스토머를 포함하는, 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 액정 엘라스토머는 전류가 상기 전극들에 제공될 때 배향과 상이한 배향으로 메소제닉 그룹들의 적어도 부분적 정렬을 갖는, 시스템.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 상기 액정 엘라스토머를 포함하는 제1 상 및 제2 폴리머를 포함하는 제2 상을 포함하는 다상 폴리머 조성을 포함하는, 시스템.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 제2 상은 연속적인 상이고 상기 제1 상은 불연속적인 상인, 시스템.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 제1 상은 연속적인 상이고 상기 제2 상은 불연속적인 상인, 시스템.
  21. 청구항 18 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 폴리머는 엘라스토머인, 시스템.
  22. 청구항 18 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 폴리머는 엘라스토머가 아닌, 시스템.
  23. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열 요소는 엘라스토머 폴리머 매트릭스에 함유된 액정을 포함하는, 시스템.
  24. 청구항 1 내지 23 중 어느 한 항의 시스템을 사용하는 방법으로서,
    전기장을 상기 전열 요소에 걸쳐 차동 전압으로 인가함으로써, 상기 전열 요소에 의한 엔트로피 감소 및 열 에너지 방출을 야기하는 단계;
    방출된 상기 열 에너지의 적어도 일부를 열 흡수원에 전달하는 단계;
    상기 전기장을 제거함으로써, 상기 전열 요소에 의한 엔트로피 증가 및 열 에너지 감소 및 열 에너지 흡수를 야기하는 단계; 및
    열 에너지를 열 방출원으로부터 상기 전열 요소에 의해 흡수되게 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  25. 청구항 24에 있어서, 상기 열 흡수원으로 방출된 상기 열 에너지의 적어도 일부는 상기 전기장을 인가함과 동시에 상기 열 흡수원에 전달되는, 방법.
  26. 청구항 24에 있어서,
    상기 전기장을 상기 전열 요소에 인가하여 상기 전열 요소의 온도가 제1 임계치에 이를 때까지 상기 전열 요소의 온도를 증가시키는 단계;
    열 에너지를 상기 전열 요소로부터 상기 열 흡수원으로 전달하여 상기 전열 요소의 온도가 제2 임계치에 이를 때까지 상기 전열 요소의 온도를 감소시키는 단계;
    상기 전기장을 제거하여 상기 전열 요소의 온도가 제3 임계치에 이를 때까지 상기 전열 요소의 온도를 감소시키는 단계;
    상기 열 방출원으로부터의 상기 열 에너지를 전달하여 상기 열 방출원을 냉각시키고 상기 전열 요소의 온도가 제4 임계치에 이를 때까지 상기 전열 요소의 온도를 증가시키는 단계; 및 임의로
    상기 열 방출원 또는 열 흡수원에 대해 타겟 온도에 도달될 때까지 상기한 단계들을 반복하는 단계를 포함하는, 방법.
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