TW201223114A - Method and apparatus for generating electricity by thermally cycling an electrically polarizable material using heat from condensers - Google Patents

Description

201223114 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於自冷凝器發 ，材料處於其鐵電相時發生自發 ==來==其他可 電’著溫度改變，該等材料接近或轉 *或反鐵電相時，自發極化迅逮減少。 戰至其順 【先前技術】 Λ怒2乡I纽其他過財，使科凝11將讀自^氣相 冷凝至其液相。在熱電—乱相 廢蒸汽，且料转从胁;;輪機之 冉月（Ranklne)循環中重新 吏用。在有機冉倾縣置中及在其他應財亦使用冷凝器。 ^歷冷狀流體通常與冷凝器用以移除在冷凝期_放之孰 置的冷卻流體分開。通常，移除之熱量被排除至環境，而不重 新使用。熟習此項技術者已知之冷凝器系統之許多實例在熱電 廠及其他應用中皆得到使用，且本發明通常可與彼等冷凝器系 統中之任何者-起使用。普通冷凝器組態包括（例如）表面冷 凝器及直接及間接氣冷式冷凝器。 眾所公認，需要可自冷凝過程中移除之熱量發電之新技 術。本發明揭示使用鐵電體及其他可極化材料之自發極化自冷 凝器中釋放之熱能發電之新穎方式。本發明可與各種實施中之 冷凝器-起使用。本發明可使用自冷凝器排除之較溫流體作為 熱月b源發電，其中輸入至冷凝器之冷卻流體充當散熱片。冷凝 器可或者經組態，使得熱蒸氣直接接觸可極化材料。在任一實 201223114 施中，使鐵電或其他可極化材料在其轉變溫度附近或經過其轉 變溫度熱循環，以造成可用以將來自冷凝過程之熱能轉換至電 的極化之改變。 【發明内容】 本發明提供用於使用在所要溫度下自發轉入及轉出其極 性相的鐵電及其他可極化材料㈣來自冷凝器之熱量轉換至 電能之方法及裳置。本發明有兩個相異的態樣——者係關於 自冷凝器提取熱量，且另—者係關於將彼熱能轉換至電。冷凝 器為自蒸氣移除熱量使得其冷凝至其液相之器件。在許多應用 中，水為冷凝液’但亦使用許多其他流體。將經歷冷凝之流體 與流過冷㈣且移除在冷_間職之熱量的第二冷卻流體 隔離。彼第二流體常為水，但其可為其他流體，包括液體及氣 體（諸如，空乳）。在本文中揭示本發明之某些例示性實施例， 但本發明可與具有可適合之修改的任—冷凝器―起使用。本發 明之射意欲包括具餘—冷凝器之應用。 雷之所有實施中’根據熱力學之基本法則，熱能至 Ί要在某一較高溫度ΤΗΤ之熱源及在某一較低溫度 、片彼熱源及散熱片在本發明中用以熱循環鐵電 f ’，、允許❹藉由彻鐵電及其他可極化材料之自發極化 迅速改變（其伴隨著適當的循環而發生）而將熱能 環以=3:==:: 一實施例中’水在冷凝_ 尺通吊被稱作循環水（circ water)。將循環 201223114 水在較冷溫度TL下輪人至冷凝器内，且在較溫溫度ΤΗ下自 冷凝器排出。在本發明之一實施例中，將在ΤΗ下之較溫循環 水及在TL下之較冷猶環水分別用作鐵電發電機之散熱片及熱 源。可使用-或多個熱交換||以有助於將熱量自循環水轉移至 -或多個X作流體及自—或多個工作流體轉移熱量，一或多個 工作流體X將熱3:輪人至鐵電或其他可極化材料及自鐵電或 其他可極化材料純熱量以便使其熱循環n實施例中， 使用不同於水之循環流體自冷凝器移除熱量。在又_實施例 中’將熱量娜至鐵電體及自鐵電體轉移熱量由-或多個熱交 換器及與該-或乡個熱交換H連通之複數健糊實現，其中 疋位用於交替地傳遞—冷流體及—熱流體以便分別自該鐵電 體移除熱量及將熱量輸人至該鐵電體之第_及第二流體通 道，且其中該複數個控制閥經調適用於控制冷及熱流體之流 動在一實施例中，與加熱及冷卻循環相協調地在斷開與閉合 位置之間切換電路，此循環之一實例在本文中描述。 在其他實施例中，並不使用循環水或來自冷凝器之其他流 體廢水作為驗器件之熱源，而將鐵電器件整合至冷凝器，使 得直接藉由與經冷凝之蒸汽或其他氣體之接觸來加熱鐵電材 料。在一個此實施例中，使用表面冷凝器之殼管式結構；管之 外设充當接地電極；將鐵電材料貼附至傳導管之外表面；且將 第二電極施加至鐵電材料之外表面。在一個此實施例中，將冷 凝器腔室再分成兩個或兩個以上區段，或一起使用一系列冷凝 器。交替地經由-或多個閥將待冷凝之蒸汽或其他氣體引導至 201223114 冷凝器裝置之給定區段。隨著蒸氣冷凝且將熱量轉移至鐵電 ,體，鐵電體被加熱至TH。藉由在控制電路之引導下操作切換 : 閥將彼腔至在填滿了蒸氣後關閉，且接著將蒸汽引導至下」 個冷凝器腔室。隨著蒸汽冷凝’冷凝水落至處於熟習此項技術 者熟知之組態下的熱井或水箱内。在已關閉了蒸汽闊使得蒸汽 不再進入腔室後’藉由冷卻水或其他流體在冷凝器管中之循環 ^冷卻鐵電體。重新打關以在已自鐵電體移除熱量後准許蒸 汽再次進入腔室。因此在控制電路之引導下，如本文中在各種 例示性實施例中所描述熱學且電學地循環鐵電材料。 為了避免在前述實施例中自外電極至冷凝器之接地金屬 之電短路’在-實施例中，可在電極之緊接電接地之外邊緣處 ='用電絕緣。在又-實施例中，將親水性界面活性劑或類似物 質塗覆至外電極，以有助於在電極之表面上的冷凝，藉此増強 令凝蒸汽或其他蒸氣或氣體與鐵電層之_熱麵。在又一實 施例中，冷凝器管可為鯖狀，以增強熱轉移。 當本發日狀鐵電或其他可極化㈣處於麵電相中且經 成極時，非常強的固有電場自發地由於該等偶極產生，而無須 外部場之誘發。彼自發極化引起在鐵電體之表面上的密集束缚 電荷，其又誘發在處於鐵電材料之表面上的電極上之相反的屏 蔽電荷。藉由利用-❹個熱交換器，接著改變鐵電體之溫 度，使得視使用之特定材料及材料圍燒著循環的相轉變溫度而 定’其變為順電或反鐵電的。藉由使鐵電體經歷相變且致使束 -缚表面電荷可忽略，電極上之屏蔽電荷變得未屏蔽，且可為了 201223114 一般目的而在高電壓下移除至外部電路β 如在以上參考之美國專利申請案中所揭示，可藉由輸入及 抽取熱量將鐵電㈣之溫度㈣其相觀溫度#^使得可藉 由本發明將減㈣至钱。各種熱力觸可㈣將鐵電及其 他可極化材料中之自發減祕職量轉換至電之目的，包括 在美國專利申請案第12/465,924號中闡明之一般循環。可與本 發明-起使用之-例示性熱力循環為具有兩鱗溫步驟及在 恆疋極化下之兩個步驟之循環，如在美國專利申請案第 13/226,799號中揭示。藉由彼循環，在第—步驟細將鐵電體 冷卻至低溫TL，同時將總極化保持恆定在相對低值pL，且電 路斷開。在下一個步驟期間，等溫地抽取熱量，i至將極化增 大至該循環之最大值PH，在該點，在電極之表面上存在密集 的束，專電荷。在彼步驟期間，閉合電路，使得電流自鐵電體之 -側上的電極流至減側上之電極。在f極上產生的屏蔽電荷 等於在鐵電體之表面處的相反束缚電荷。正是在彼步驟期間成 極場使所得偶極被偏壓於—定向上（卿，其變得成極）。在 美國專利申請案第13/228,051號中闡明之裝置及方法中，自在 鐵電材料之表面上的電極上之在放電後留下的殘餘自由電荷 產生成極場。 在循環之下一個步驟中，電路斷開，同時在恆定總極化 下將鐵電體加熱至相對面溫TH。在該循環之最後步驟期 1電路閉合’且等溫地輸入熱量，直至極化減小至pL，使 得電極上之屏蔽電荷變得未屏蔽且在高電壓下放電至外部電 201223114 在如美國專利申請案第體8，G51號中所揭示之_實施例 之殘除電極上之所有電荷。實情為，在留下足夠用於成極 聋餘電荷的點處，電路斷開，彼點對應於PL。接著連續重 複該循環。 '、 —在-些實施财，本發明可與處於㈣歧體形式下之鐵 ^體一起使用，後者包括顏鐵電體及斜於频中之鐵電細 f體。舉例而言，可使用之固體材料包括喊鐵電體、鐵電聚 口物及其他可極化聚合物。除了普通鐵電體之外，諸如方蝴石 及方納石之外質（或非固有）鐵電體可與本發明一起使用。藉 由本發明採用鐵電體之自發極化允許使用來自冷凝器之熱^ 在溫度範圍上的熱量至電能之穩固轉換。可藉由傳導、對流或 ^射或藉由其任-組合，及藉由—相或兩相熱轉㈣統，將熱 夏輸入至鐵電體或自鐵電體抽取熱量。 在-態樣中，本發明係關於一種用於將冷凝器熱量轉換至 電之裝置。在-實施例中，該裝置包括—鐵電層，該鐵電層具 有一第-表面及-相反的第二表面，其中該鐵電層包含一具有 -相轉變溫度之鐵電材料，使得當該㈣處於―鐵電相中時， 自發極化社於麟财，且該鐵電層#經成辦產生一她體 淨自發極化；且使得，隨著鐵電體之溫度改變使得其越過該轉 變溫度’該材料進人—順電或反鐵電相，其中該鐵電層具有可 忽略之總體淨極化或無總體淨極化。 該裝置亦具有：-對分別定位於該鐵電層之該第一表面及 該第二表面上之電極，其中該等電極包含—導纽導電材料； 201223114 ^目對於賴電極定位之構件’其用於交替地將熱量輸入至該 古、層及自該鐵電層移除熱量，以便分別地在比該相轉變溫度 、:之，皿1TH下加熱該鐵電層，及在比該相轉變溫度低之一 :度TL 了冷部該鐵電層，使得該鐵電材料藉此經歷在⑴ &鐵電相與（2)該順電或反鐵電相之間的交替相轉變。 在另L樣巾’本發明侧於—種用於將冷凝器熱量轉換 具有。在—實施例+，域置包括—鐵電層，該鐵電層 ini表面及—相反的第二表面。該鐵電層由-特徵為一 〜e之鐵電㈣域，使得當該鐵電材料之溫度比該 Te低時，該鐵電材料處於—鐵電相，在該鐵電相中 ^發極化’且當該鐵電材料之溫度比該居里溫度Tc大 時，自發極化錢立於雜電材射。該裝置亦包括—對 疋位於該鐵電層之該第-表面及該第二表面上 極包含-導熱且導電材料。 卞这對電 替地= = 之構件，其用於交 朁傳€〜體及一熱流體，以便交替地 溫度Tc低之-第一溫度TL下冷卻 在比5亥居里 a. Φ * T - s及（2)在比該 居里皿度Tc向之-第二溫度TH下加熱該鐵電層， 電权該鐵電材料藉此隨著溫度循環而經歷 _ 相之間的交替相轉變。 包仙興m電 另外，該裝置可具有-對連接至該對電極之 當該鐵電材料經循環以減少該鐵電層之總:传 將對應於紐喊之祕電躺魏Μ轉對電在^電$ 201223114 、、’二由，關連接該等電導線’以准許在該對電導線之間施加— DC電壓’以產生當鐵電材料處於其戦相巾或正轉變至其鐵 電:時施加之成極場。此外’对置可包括用於監視該鐵電層 之1度及電谷及加熱及冷卻流體之溫度及壓力中之一或多 之構件。 在另一實施例中，傳遞構件包含：一第一流體通道及一第 二流體通道，其分卿狀雜電極上、軸㈣對電極處或 ^近該對電極形成，使得#—冷流體穿過該第—及該第二流體 $中之至少—者時，該鐵電層經冷卻，且當—熱流體穿過該 及該第二流體通道中之至少一者時，該鐵電屬經加熱；一 個熱交換器，其經定位使得該第—及該第二流體通道交替 ，遞一冷流體及-熱流體，以交替地在一第一溫度几下冷 2鐵電層及在一第二溫度TH下加熱該鐵電層；及複數個控 ’其__或多倾交換料通，祕㈣冷及熱流體之 由該複數個控制閥由微控制器(Microllers, MC)控制，且其 ^該器件之電路的電腦控制經由—控制電路進行協_ 战所要的循環，其一些實例在本文中描述。 至I在又—隸中’本發明係_—觀於將冷凝ϋ熱量轉換 有=方法。在-實施财，該方法包括以下步驟：提供一具 含:表面及-相反的第二表面之鐵電層，其中該鐵電層包 相中；相觀財之戦㈣，使得當該㈣處於-鐵電 自猶錄频龍巾，且該鐵電層 總體淨自發極化，且使得，隨著鐵電體之溫度改變使得其 11 3 201223114 越過該轉變溫度時，該材料進入一順電或反鐵電相，在該順電 或反鐵電相中該鐵電層具有讦忽略之總體淨自發極化或無總 體淨自發極化’·及包括一對分別定位於該鐵電層之該第一表面 及該第二表面上之一對電極，該等電極包含一導熱且導電材 料。 該方法亦包括以下步驟：交替地傳遞一冷流體及一熱流體 以便交替地將該鐵電層冷卻至一比居里溫度Tc低之溫度及將 該鐵電層加熱至一比該居里溫度Tc高之第二溫度。在一實施 例中，在此等步驟期間，電路斷開，且在恆定極化下發生冷卻 及加熱。在一實施例中，熱流體包含由冷凝器冷凝之蒸氣。 該方法亦包括以下步驟：交替地等溫地將熱量提供至該鐵 電層及自忒鐵電層移除熱量，其藉由交替地傳遞熱流體之一流 及冷流體之一流以便交替地添加或移除至該鐵電層之熱量，同 時總極化改變至分別表示為PL及PH之對應的低及高位準。 在一實施例中，在此等步驟期間，電路經閉合以允許改變之極 化，且移除或添加之熱量對應於轉變焓。在一實施例中，熱流 體包含由冷凝器冷凝之蒸氣。 該方法亦包括使在溫度TLT處於鐵電相中的該鐵電層之 該鐵電材料成極。在_實關中，該成極由—自在該鐵電體之 表面上的該等電極上之殘餘自由電荷產生的場執行。該方法亦 包括在正將熱量等溫地輸人至該鐵電層且極化減少至最小位 準PL的同時藉由閉合電路將在該鐵電層之該鐵電材料中產生 的該電能放電料部電路之步驟。pL職於足叫立一足夠 201223114 用於成極之場的殘餘電荷。在另一實施例中，藉由施加來自 DC電壓源之小成極％來實現成極。在彼實施例中，在將於鐵 電層之鐵電材料中產生之電能放電至外部電路的步驟期間，最 小極化可變得可忽略或變為零。 在其他實施例中，替代使鐵電材料循環經過相轉變，其自 始至終保持在鐵電相中且自較大的極化程度循環至較少= 化程度。 除了具有晶體結構之材料之外，可電極化之非晶形聚合物 材料亦可與本發明一起使用。對於此等非晶形聚合物，可極化 單元展現在原子及分子層級之電偶極行為。在此等可極化非晶 形聚合物及共聚物系統之情況下’當經成極時，發生總體淨: 化，且當材料之溫度越過去極化轉變溫度時，彼淨極化減少及 消失。本發明減本發明❹在結晶戦材料巾發生的自發極 化及極化改變的方式相_大體方式採㈣由使此等非晶形 聚合物系關繞其核化轉變溫度循環而發生的極化改變。對 於非晶形材料，去極化轉變溫度類似於Te或類似於鐵電相轉 變。在本發明中對使用鐵電材料及鐵電層進行參考之處，應理 解’具有適當極化及觀·之可極㈣日日日形聚合物及共聚物 亦可與本發明一起使用。 單級鐵電電力轉換模組包括一單一鐵電材料。因而，盆通 常具有-反映鐵電相與順電或反鐵電相之_轉變之單一相 =變溫度。在本發明之冷凝器實施中的熱源與散熱狀間的溫 △τ TH - TL)通常不大。然而，可能需要使用一系列

2〇J223ll4 们以上鐵電材料’該等鐵電材料具有漸增地涵蓋熱源與散熱 片之間的溫度範圍之-連串相轉變溫度。使用多個鐵電體之需 要性將視包括（例如）相轉變之銳度的各種因素而定。 在來自冷凝器的經加熱之廢液充當熱源之場合，可使用多 個鐵電體。在-實施例令，多級裝置具有按一堆疊排列之複數 個鐵電模組{FMn}，其tn=卜2、3........N，N為大於一 之整數。每一鐵電模組FMn包括—鐵電層，該鐵電層具有一 第表面及才目反的第二表面，其中該鐵電層由一特徵為一轉 I溫度Τη之鐵電材料形成，使得當該鐵電材料處於一鐵電相 +時’自發極化建立於該鐵電體之單位晶财，且該鐵電層在 成極後產生-總體淨自發極化，减得，隨著鐵電體之溫度改 變使得其越過該轉變溫度，該材料進入一順電或反鐵電相，在 =電或反鐵電相中該鐵電層具有可忽略之或沒有總體淨自 =i化。在-以例中’由—導熱且導電材料組成之_對電極 疋位於該鐵電堆疊之贫笛 亥弟—表面及該第二表面上。在另一實施 :坌：等電極亦疋位於每一鐵電模組™η之該第-表面及 等電極由-電絕緣體相實=中’在鄰賴電触之間的此 设數個鐵電模組{FMn}之轉變溫度 时詈二半、、片之溫度之間的範圍上連續變化。 位之構;，其用: = 該等堆叠之鐵電模組{F則定 {FMn}及自該等堆疊將熱®輸人至該等堆疊之鐵電模組 在比每-轉變溫度Tn低之^^施}移除熱®，以便交替地 * 第一溫度下冷卻該等堆疊之鐵電 201223114 模組{FMn}，及在比每一轉變溫度Tn高之一第二溫度下加熱 該等堆疊之鐵電模組{FMn) ’使得該等堆疊之鐵電模組{FMn} 之每一鐵電層藉此經歷在（1)該鐵電相與（2)該順電或反鐵 電相之間的交替相轉變。 該裝置可進一步包括用以尤其監視一或多個鐵電模組 FMn之溫度及電容及加熱及冷卻流體之溫度及壓力♦的一或 多者之器件。依據本發明之一般循環（包括成極及放電），在 包月^控制下協調熱循環與鐵電模組之電狀態，以便使加 熱及冷卻與電輸入及輸出同步。 在再一態樣中，本發明係關於一種用於將冷凝器熱量轉換 至電能之裝置。在-實施例中’該裝置具有按_堆疊排列之複 數個鐵電模組{FMn}，其中ny、2、3........么士於

及該第二表面上。該複數個鐵電模組{FMn}< 一相同鐵電材料或不同鐵電材料。在一第一 Μη之該第一表面 之不同鐵電層包含 電極及一第二電極 15 201223114 定位於每-鐵電模組FMn之該第-表面及該第二表面上之一 實施例中，每兩補近鐵電模組由—電絕緣體分開。複數個鐵 電模組{FMn}之居里溫度{Ten}可在熱源與散料之溫度之間 的範圍上連續變化。 該裝置進-步包括相對於料堆疊之鐵電模M{FMn}定 位之構件，其用於在該等堆疊之鐵電模組{FMn}上交替地傳遞 一冷流體及-熱流體，以便交替地在比每一居里溫度Tcn低之 一第一溫度下冷卻該等堆疊之鐵電模組{FMn}，及在比每一居 里溫度Ten高之-第二溫度下加熱該等堆疊之鐵電模組 {FMn}，藉此該等堆疊之鐵電模組{FMn}之每一鐵電層隨著溫 度循環而經歷在該鐵電相與順電相之間的交替相轉變。 在其他實施例中，該裝置使用如所描述的鐵電層之多級建 構，但將多層鐵電體整合至冷凝H，使得其藉由與正被冷凝的 ?备氣或其他氣體之直接熱接觸而加熱。可直接將多層鐵電體貼 附至冷凝器管之外表面，其中具有最低轉變溫度之層鄰近外 殼。一或多個其他電極為如上文描述的多層鐵電體之部分。冷 凝器腔室在其他方面如針對一級實施例所描述而組態，使得冷 凝蒸氣將熱量提供至鐵電體。鐵電體由冷凝器管中之循環水或 其他流體冷卻。在控制電路之引導下，多級鐵電材料熱且電循 %。 該裝置可進一步包括用以監視一或多個鐵電模組FMn之 溫度及電容及加熱及冷卻流體之溫度及壓力之器件。依據可與 本發明一起使用的熱力循環中之任一者（包括利用兩個等溫步 201223114 驟及在恆定極化下之兩個步驟連同成極及放電之循環），麫由 ： 控制電路協調熱循環與鐵電模組{FMn}之電狀態，以使加熱及 . 冷卻與電輸入及輸出同步。 自結合下列圖式的較佳實施例之以下描述，本發明之此等 及其他態樣將變得顯而易見，但在不脫離本發明之新穎概余之 精神及範疇的情況下，可實行其中之變化及修改。 “ 【實施方式】 隨附圖式說明本發明之一或多個態樣或實施例，且與書面 描述一起，用以解釋本發明之原理。在可行之情況下，將:同 參考數字貫穿圖式用以指代實施例之相同或相似元件。 本發明更特定地描述於僅意欲作為說明性之下列實例 中，此係因為其中之眾多修改及變化將對熟習此項技術者顯而 易見。現詳細描述本發明之各種實施例。參看圖式，該等視圖 中，相似的數字指示相似的組件。如在本文中之描述中且接下 來之申請專利範圍使用中，「-」及「該」之意義包括複數個 參考物，除非上下文另有清晰地指示。又，如在本文中之描述 中且接下來之申請專利範圍中使用，「在……中」之意義包括 「在……中」及「在……上」，除非上下文另有清晰地指示。另 外，在此說明書中使用之一些術語更特定地在下文予以定義。 在此說明書中使用之術語通常具有其在此項技術中、在本 發明之脈絡内及在使用每一術語之特定脈絡中之普通意義。用 以描述本發明之某些術語在以下或本說明書中之其他處論述 以對實踐者提供關於本發明之描述之額外指導。在此說明書中 17 201223114 任何處之實例（包括本文中論述的任何術語之實例）之使用僅 為說明性，且決不限制本發明或任一舉例說明之船吾的範缚及 意義。同樣地，本發明不限於在此朗書#給出之各種實施例。 如本文中使用，「大約」、「約」或「大致」應大體上意謂 在給定值或範圍之百分之20内、較佳地百分之1〇内且更佳地 百分之5内。本文巾給出之數量為近似數，其意謂若未明確陳 述，則可推斷術語「大約」、「約」或「大致」。 如本文中使用，術s吾「單位晶胞」指為晶體中的原子之唯 -排列之晶體結構。晶體結構由一主結構、按一特定方式排列 之-組原子’及-晶格構成。主結構位於晶格之點上，晶格為 在三維中職性地重複之闕_。可將該等點看作形成填充 晶格之空間之相同的微小框（叫作單位晶胞）。單位晶胞之邊 緣之長度及其間之角度叫作晶格參數。材料之晶體結構或晶體 結構中的原子之可按其單位晶胞贿。單位晶胞為含有一 或多個主結構（原子之空間排列）的微小框。在三維空間中堆 疊之單位晶胞描述晶體之軒的本體射，卜晶體結構具有三維 形狀。單位晶胞由其晶格參數、晶胞邊緣之長度及晶胞邊緣間 之角度給出，而在單位晶胞内部的原子之位置由自—晶格點量 測之原子位置之集合描述。 如本文中使用’術語「居里溫度」或Te指鐵電材料之特 性屬性。在低於居里溫度之溫度下，鐵電材料大體上處於鐵電 相，其中自發極化建立於鐵電材料之單位晶胞中。隨著溫 向居里溫度增加’在單位晶胞中建立之自發極化減少。在^里 201223114 風度以上’鐵電材料大體上處於順電相，其中自發極化未建立 :鐵電材料之單位晶胞中。然而，存在鐵電相高於轉變溫度之 :m度之鐵電體’且該材料在低於彼轉變溫度時為順電性。又， 子在/、本發明有關的鐵電相與反鐵電相之間的轉變溫度（如本 文中所描述），且鐵電相可發生於比反鐵電相高的溫度下。似 乎並不存在關於「居里溫度」是否亦適用於此等後面的種類之 「轉憂的轉變溫度之3㈣確定之n術語「相轉變溫度」及 轉變度」在本文中用以包括所有前述類型之相轉變。可僅 將居里溫度」或Tc與第一類型之相轉變相結合使用，或可 更廣泛地使用當自上下文顯而易見時。 實務上，對於所有以上描述之類型之相轉變，當材料溫度 5越轉度時的相轉變之銳度由組合物及晶體結構之均質 $判定，使得相之間的轉變可隨著鐵電材料之溫度在材料之指 定轉變溫度㈣之溫度範圍上增加或減少而漸進地發生。 無論何時當在本文中揭示鐵電材料之用途時希望此等使 用包括普通及非固有鐵電體兩者，其中使鐵電材料相對於其如 戶Γ述之相轉變而循環。在外質鐵電體之情況下，極化表示二 P白參數，其輕合至某—階參數。 除了具有晶體結構之鐵電材料之外，可極化之非晶形材料 =可與本發日卜起使H此特料提供用於將熱能轉換至 -之非ΐ穩©基礎。對於此等非晶轉料，去極化轉變溫度類 似於Tc或如上所述之鐵電相轉變溫度。無論何時當在本文中 揭示鐵電材料之用途時’希望彼用途包括此等可極化非晶形材 201223114 料之循¥。在讀況下’類似鐵電材料地循環可極化非晶形材 料，其中鋪鐵電相轉變溫度在循射㈣去極化轉變溫度。 此等非SS形材料巾及在聚合物鐵電材料巾，可極化單元展現 在原子及分子層級之電偶極行為。 各種可極化非晶形材料具有關於本發明之特定效用，此係 因為其去極化轉變溫度處於大體上小於〜25(rc之範圍（其特別 適用於冷凝$)中，且當經循環時’其產生電能之穩固放電。 能量、極化與電容率之間的關係為： U = Ρ2/2εε0 〇 其中Ρ在此等非晶形聚合物之情;兄下大體上比（例如）鐵 電陶究之情況小’此等材料之電容率小得多，從而增加能量密 度U。 有時，在本文中使用「極化」，在該情況下，其可能更精 確地指「電位移」。因為在此脈絡中不存在術語之間的顯著差 異，所以為了簡單且清晰，貫穿全文使用極化。 並不忍欲限制本發明之範疇，以下給出根據本發明之實施 例的例示性裝置及方法及其有關結果。注意，為了讀者之方便 起見，可能在實例中使用標題或副標題，其決不應限制本發明 之範疇。此外，本文中提議且揭示了某些理論；然而，不管其 正確或是錯誤，只要根據本發明實踐本發明，其就決不應限制 本發明之範驚，而不考慮動作之任一特定理論或方案。 201223114 ☆根據如本文中體現且廣泛描述的本發明之目的，本發明在 二2樣中係關於-種用於使用鐵電或其他可極化材料且不使 θ穿^_中間機械機構或不穿過其他形式而將冷凝器熱量轉 換至電之裝置及方法。本發明採用當鐵電材料處於其鐵電相中 時在其中產生之大_有自發極化。在不施加外部場之情況下 發生由本發縣用的出現於鐵電或其他可極化材料中之自發 極化。作為㈣轉變域電相之結果，自發地發生電偶極之協 力對準’當已藉由成極對準可極化單元及晶料，其總體上在 材料中產生大的總體淨極化。本發明進_步採用當溫度的改變 造成鐵電材料或其他可極化材料轉具有可忽略之淨極化 的相時，發生的總體淨自發極化之大改變。 本發明准許移除及使用當材料處於鐵電相中時發生之自 發極化所產生的電能。如此產生之電能可與材料自鐵電相至非 極生相之相轉變相結合地輸出至外部電路。當材料轉變至非鐵 電相時，固有的淨自發極化p s消失。通常，致使p S可忽略之 相轉變將為自鐵電相至順電相，但其亦可為自鐵電相至反鐵電 相此係因為反鐵電相在整體材料中產生可忽略之淨自發極 化。 為了允許藉由本發明將熱能轉換至電能，使基本鐵電模組 圍繞其相轉變溫度循環。彼溫度循環由在鐵電模組與熱源及散 熱片之間界面連接的-或多個熱交換器實現。熱交換器及熱源 不受限制，且可包括轉移熱能之任一模式，包括對流、傳導及 輕射轉移’及—相及兩相熱轉移系統。在以下情況下：（1)在 S . 21 201223114 熱源溫度ΤΗ與散叔u . • 、 ·、、、片溫度丁[之間的溫度範圍之至少一部分 二？兰的許夕鐵電材料中之-者之相轉變溫度之範圍内;及 (2)溫差、口 y 〜1L)足以允許有效轉換，本發明可大體上 用以將冷凝器熱量轉換至電。 、存在具有在自低達約〇°c至大於70(TC之範圍内的相轉變 度的鐵电體熟習此項技術者應認識到，在彼範圍内之一些 /皿度適。於將冷;h熱量轉換至電，可賴之溫度隨冷凝器之 雜及其應用及操作而變化。通常，用於冷凝器之th將小於 100C ’但不存在對裝置或方法之操作溫度的理論限制 ，且在 有適當鐵電體可用且針對此等溫度可_冷凝器熱量及散熱 片之範圍内，可在任何溫度下使用該裝置或方法。 熟省此項技術者應認識到，在鐵電材料與處於ΤΗ之熱源 及處於TL之散熱片之間將存在某一溫度梯度。雖然在假定工 作介質（此處，其為鐵電體）與熱源及散熱片之間的理想等溫 熱轉移之準靜態熱力分析中常忽視彼梯度，但在實務上，熱量 之流動要求某一梯度。為了簡單起見，此處忽視彼梯度，且 ΤΗ可用以指定熱源之溫度及鐵電體被加熱至的溫度兩者。類 似地，TL可用以指定散熱片之溫度及鐵電體被冷卻至的溫度 兩者。實務上，實際梯度之程度可影響總熱效率、功率密度及 其他因素。 在使用冷凝器廢水作為熱源（處於ΤΗ)的本發明之實施 中’本發明不限於或不特定針對任一特定熱交換器格式或組 態。類似地，在使用冷凝蒸氣或氣體將熱量直接輸入至鐵電器

S 22 201223114 件而無須彼熱4經由熱交換器或其他方式之中間轉移的本發 明之貫施中’本發明秘於或不特定針對任_特定格式或纪 態^目反，科係普通的’騎Μ在允許如核巾所描述熱 循电-或多個鐵電體之任-組態中將冷凝器熱量轉換至電。在 各種組態巾，可藉由經輯流、料或輻狀熱輸送及藉由一 相或兩相熱轉移系統實現將熱量輸入至鐵電體及自鐵電體抽 取熱量以造成溫度及相循環。 一般而言’可使用不同材料實踐本發明。特定鐵電體在圍 繞其相轉變溫度循環時將可有效地將熱量轉換至電能。如提 及，將常與本發明之相轉變為自鐵電至順電且返回至 鐵電之相轉變。然而，自鐵電至反鐵電且返回之相轉變亦可鱼 本發明用…階觀在鐵電材财齡見的，且許多^ 階轉變材料適合於與本發明-起制。展現二階轉變之鐵電材 料亦可與本發明一起使用。 影響鐵電材料對於-特定應用之合適性之準則包括：⑴ 匹配來自熱源及散熱片的熱能之可範圍之相轉變溫度； ⑴隨溫度而變的彼材料之相轉變之銳度；（3)在自極化狀離 至非極化狀態之觀射轉放的能4，如由u = ρ2/2㈣表達 (在高電容率鐵㈣之情況下’鐵電狀g巾之自發極化較佳地 22 μΟ cm-2 ’但可使用具有低得多之極化的非晶形聚合物，此 係因為其可具有非常低的電容率）；⑷^高__ 1 避免在儲存之電能可在高電壓下移除到外部之前電極上之電 荷經由鐵電介料漏；及⑴與在循軸間加熱晶格所需之

23 — 201223114 成置相比’比較高的鐵電轉變能量或焓（此因素將部分視在高 與低循環溫度之_溫差之量值而定）。 —多種多樣的鐵電材料可供本發明使用，此係因為特定材料： ft文實際上無止境的變化以使其效能（包括其轉變溫度）最； 仏化。可用於（例如）1(rc_8(fc之冷凝器溫度範圍的鐵電體 包括以過氯酸鹽用作為陰離子取代物改料捕(imidaz〇H聰） 四氟爛酸控制轉變溫度及能量；曱銨漠化絲；改質及未改質之 硫酸二甘胺酸；及過渡金屬方硼石，諸如，銅、鎳及鈷方硼石。 此等鐵電材料可具有在5 kj/LWO kJ/L之範圍中的鐵電轉變 焓，及具有小至3。(：或更少之轉變寬度的急劇相轉變。在此等 例示性鐵電材料中，可經由適當原子及分子之取代達成對轉變 溫度之精確控制，以達成在…^^(^^或以上之範圍上的相轉 變溫度。 許多其他鐵電材料可供本發明使用，特別因為可藉由變化 構成元素之百分比來改質材料之特定效能特性。可供本發明使 用的許多鐵電體及反鐵電體中之一些之清單闡明於M. Lines 及 A. Glass 之 PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF FERROELECTRICS AND RELATED MATERIALS, APR F ( 1977, Oxford 2004再版）中，但該清單並不詳盡。附錄F併 入本文中。本發明可與處於固體或液體形式之鐵電體一起使 用，後者包括（例如）液體鐵電體及懸浮於適合於特定應用之 液體中之鐵電細晶體。以實例說明，可使用之固體材料包括陶 瓷鐵電體、鐵電聚合物及其他可極化聚合物。在聚合物系統

S 24 201223114 中了藉由形成共聚物及捧合物來變化及控制相轉變溫度。可 供本發明使用之可極化非晶形材料之實例為MXD6耐綸，其 具有大致78°C之轉變溫度，且已產生大致8〇〇 v的量測之放 電電壓（對於70μιη厚的樣本）。 在本發明之各種實施例中，使用在指定溫度下轉入及轉出 極性相的鐵電體或其他可極化材料將熱量轉換至電^使用來自 冷凝器之熱量及用以冷卻冷凝器的諸如冷卻流體之散熱片熱 循裒材料。彼熱循環允許裝置藉由利用自發極化及隨著循環發 生的彼極化之迅速改變而將熱能轉換至電。藉由使電偶極成極 以便對準可極化單元及㈣，協調作狀個別電偶極之極化組 合而在整個材料系統中產生大的淨自發極化。彼大的淨極化又 誘發在鐵電材料之任—側上的電極上之電性減之屏蔽電 荷，且最終，彼等屏蔽電荷被作為電能移除，如本文中更詳細 地描述。 使用冷凝器廢水作為熱能源。冷凝器為用以藉由自蒸氣移 除熱夏而將蒸氣冷凝成液體的熱交換H之類型。存在熟習此項 技術者已知的許多麵及組態之冷凝器，且大體上其中之任何 ^可與本發明—起使用。在許多應用中使用冷㈣。舉例而 言’在熱電薇，表面冷凝器或水冷殼管式熱交換器通常在冉肯 循環中自蒸汽渦輪機接收廢蒸汽且將其冷凝至水。 此等冷凝器之實例示意性展示於圖24及圖25中，其中在 溫度TL下之循環冷卻水進入水入口 A且穿過一組管τ，、最終 在較高溫度TH下經由水出口 b退出冷凝器。雜機廢蒸汽$ 25 201223114 進入冷凝器腔室，在冷凝器腔室，其由於與冷卻水穿過之管τ 接觸而冷卻。在圖24中之說明性描繪中，在蒸汽腔室中存在 一系列隔板Ρ。在圖24及圖25中說明之器件中，經冷凝之廢 热汽落至冷凝器之底部，被作為冷凝物〇移除，且接著在冉 月#環中重新使用。將廢蒸汽與冷卻水分離，由於自冷凝蒸汽 接收之熱量，冷卻水在較高溫度ΤΗ下退出冷凝器。 在電廠使用之此等冷凝器及其他者及在許多其他應用中 使用之冷凝器可與本發明一起使用。在無足夠的冷卻水可利用 之I#況下，可使用直接或間接氣冷式冷凝器。使用不同於水或 空氣之冷卻流體的冷凝器可與本發明一起使用，且冷凝不同於 蒸汽(steam)之蒸氣(vapor)的器件可與本發明一起使用。在如圖 23中說明的本發明之一實施中，排除之冷凝器熱量幻8經回 收且經由一或多個熱交換器832轉移至一或多個工作流體，且 接著將彼等工作流體用以將熱量提供至鐵電發電機834，以便 根據如本文中描述之熱力循環來循環材料，以便將熱量轉換至 電。如圖23中所說明，散熱片836亦經由一或多個熱交換器 832耦接至鐵電發電機834以移除在循環期間排除之熱量。以 實例說明，在一實施例中，將在TL下輪入至冷凝器内（如圖 24及圖25中所說明）之冷卻流體用作散熱片，且彼同一流體 當在TH下退出冷凝器時充當熱源。 可藉由在鐵電發電機與冷凝H之間操作的許多不同熱交 換器來實踐本發明’如圖23中示意性騎。此處提供之實施 例表示許多賴之冷凝ϋ，其中可使用循環水或另—冷卻流體

S 26 201223114 提供用於本發明之鐵電發電機的熱源及散熱片。可與本發明一 起使用的熱轉移及熱交換器機構之裝置及方法為熟習此項技 術者熟知。 將鐵電轉換器整合至冷凝器。在其他實施例中，本文中描 =之鐵電n件經整合至冷凝n，使得其直接自冷凝蒸氣接收熱 置。在此等實關中’ #由與經冷凝之該的直接熱接觸來加 熱鐵電器件。藉由允許轉換器帶走在枝姻直接自蒸氣釋放 之潛…可達到鐵電發電機之較大操作at，其又給發電機提 供較大潛在熱效率，最大的此效率T]C等於ΔΤ/ΤΗ。 寻ν;旋器（包括普通表面殼管式熱交換器）之許多組態 及設計為熟習此項技術者熟知，且當經修改聰合裝置之肋 形狀及操作時，可藉由任—此冷凝Μ體上如本文中所描述地 ，用树I在—慨實施财，本發明使祕型的表面冷凝 =殼管式結構，如大體在圖24及圖25中表示。如在傳統冷 凝為中’冷卻循環水流過管以將熱量移除至卵。然而，藉由 將本文中描述之鐵電轉換器貼附至冷凝器内的管之外表㈣ 建構該等管，該等管由導熱且導電材料製成。需要管為薄壁型 以使對熱傳導之阻礙最小化。對於跨越壁之相同總溫差，較厚 =管壁將與厚度成_地賴_移；相反地，為了維持跨越 =厚官壁的相同速率之熱轉移，將需要與厚度成比例地增大溫 差’此將降低裝置之熱效率。因包括效率 =薄壁管建構亦在傳統冷凝器中合乎需要。管可= 及其他时支撐於冷㈣中以准許較料壁建構。傳統冷凝Ϊ 27 201223114 s大i通¥為15 mm 〇D至5g _ ，且此 他大小可與本發明—+ ^i、及其 性、效車bt 疋大小之考慮因素係關於經濟 度及管之長度以及其他考慮因素。 構&之材料將部分視特定應用而定。許多材料 且為熟習此項技術者熟知。防垢性及高熱導率作 麻點_、«舰、微生物誘發之雜及全面腐^ :抵抗性為材料選擇的考慮因素中之一些。可使用銅合金，但 於銅輸运至峨及雌細（在鋪及雜機處，可發生 積j的可ιί! ’鋼合金可在高壓峨及核反應器系統中呈 問題現在在冷凝||巾通常使用且可供本發明使用 海將^_至73%._至12%311、最多_= 及餘里的Ζη)、相、！g黃銅、|g青銅、9請、7〇_如 Cu-Ni、冷軋碳鋼、不鏽鋼（例如，遍316)、耐賴不鐵鋼 及欽^雖綠,卩冑，但鈦及耐舰不鏽織有高耐腐錄及減 少的管_之風險。鱗及其讀料可祕本發明之薄壁管建 構0 在-實施例中，將鐵電及其他可極化材料貼附至管之外表 面。導電管充當兩個電極中之第—者，較言之，充當電接地。 如本文中其他搞描述’將第二電極施加至可極化材料。電導 線附接至兩個電極，韻於本文中其他處描述之目的及功能。 在-實施例中’將親水性界面活_絲似物質之層塗覆至外 部第二電極以有助於在電極之表面上的冷凝，藉此增強冷凝蒸 氣與鐵電層之_熱轉移。此㈣可增強冷凝統在鐵電層之 28 ,

S 201223114 環期間自錢翔電體之熱 外表面上的凝核，藉此有助於在循 轉移。 在一實施例中的冷凝器管 中，總體上或撕之若干特徵:声=不-性展示於圖％ :比例繪製。如圖26中所說明，冷卻流體 自鐵電層263移除熱量。管262之傳導壁電接 將鐵電或其他可極化材料之層加_至導熱且導電管之表 :2:Γ使二一/至另—者之熱傳導最大化及准許由經極化之 層加之束缚表面電荷誘發管壁上之屏蔽電荷。第二電極挪 貼附至可極化材料之層263之表面。導線附接至兩個電極，且 在循環期間如本文中所描述加以使用。在一實施射，將具有 親水性界面雜劑之表面塗層泌塗覆至第二電極加以有助 於及加速在洛氣之冷凝期間釋放的熱量至鐵電層之轉移，當至 冷凝f室之閥（未圖示）打開時，蒸氣進入冷凝腔室，且與建 構的管之最外層直接接觸。表面塗層26S亦可提供用於鐵電層 及第二導體之密封件以防止系統中之電短路。 在一實施例中’管可包括在管之外側上之導熱且導電鰭或 類似特徵以增強當蒸氣冷凝時自其之熱轉移，在該情況下鐵 電層、第二電極及任何額外親水性界面活性劑或使用之其他塗 層將亦附著至彼等特徵。在又一實施例中，熱傳導鰭或類似特 徵可包括於管之内側以增強冷卻流體與鐵電材料之間的熱轉 移。 在此等實施例及其他者中之鐵電發電機如下所述操作。如

C:.' 29 201223114 =文^所描述進行藉由控制電路之在電腦控制下的熱及電循 二此等實_巾，在熱力循環之適#步驟（在以下描述之 2性熱力循環中，步驟AB及BC)期間將熱量輸入至鐵電 _、的机體為冷凝蒸氣，且移除熱量（在步驟cd及DA期間） =冷部流體為（例如）流過冷凝㈣之冷卻循環水或另一冷卻 ^此實施中’藉由交替地使鐵電體包封之管經受在犯下 之蒸氣以將熱量輸入至材料及接著藉由使在tl之冷卻流體通 =管_料抽取熱量來實現循環。在—實施例中，此藉由將總 -冷凝⑽室再分成兩個或兩個以上區段來實現。經由一或多 個閥將镇人至冷凝H之廢蒸汽或其他蒸氣交替地引導至腔室 ，一區段。當用大致在蒸氣供應源之壓力（例如，渦輪機之排 氣壓力）下的蒸氣填滿彼腔室時，閥關閉且將蒸氣供應引導至 複數個冷凝器腔室t之另-者。#腔室已填滿蒸氣時，隨著蒸 亂冷凝’賴量轉移至鐵電體。接著藉由（例如）管中之冷卻 流體自鐵電體移除熱量，6關了蒸汽或其他統腔室。:控 制電路之，下，根據本文中描述_環中之—者與在此過程 期間之熱量之輸人及抽取相結合地電循環鐵電體。控制電路亦 使將蒸㈣導至特定冷凝器㈣之閥與為冷凝器管之部分的 鐵電體之熱循環同步。作為蒸氣冷凝之結果，冷凝器腔室中之 壓力減小，從而有助於當重新打開閥時蒸氣迅速輸入至腔室 内。隨著蒸氣冷凝’其落至熱井或水箱内，倾收集及使用（如 同普通冷凝器）。 201223114 藉由當關閉閥時封堵蒸汽之傳輸，可在不再分冷凝器腔室 之情況下使用本發明。然而’由於蒸汽之背壓可在_閉時顯 著變化’因此通常可較佳地使用如本文中所描述之具有兩個或 兩個以上再分之冷凝器腔室的多腔室組態。若需要至冷凝器的 上游蒸氣源經歷極小的背壓變化，則可使用複數個再分之冷凝 裔腔室，使得蒸氣不斷地進人冷凝n，且场統壓力將保持 恆定（如同傳統冷凝器）。 鐵電材料因此如本文中所描述地熱且電循環，且其操作， 且由如本文中描述之控制電路控制，以便自自冷凝蒸氣移除之 熱能發電m與外部電極说接料，其*造成電短 然.可發生自外電極至冷凝器之接地金屬之電短路，且在一 實施例中’可在第二電極之外邊緣處制電絕緣（若外邊緣緊 接金屬接地）亦可使電導線絕緣以防止短路。此處呈現之例 示性實施例魏明本發明，本發明域體性且意欲用於許多其 他組態中，如魏日雜實蝴巾，該m餅在蒸氣冷凝期 間釋放之熱量直接將熱量輸入至鐵電材料内。 熱能至電之轉換。圖丄為熱量至電轉換裝置的基本元件之 代表性描繪。參看@卜根據本發明之—實關示意性展示利 用自溫度循環發生的自發極化之改變以產生在高電壓下放電 至外部電路之電荷的單級鐵電轉換器件/裝置100。裝置100包 括-鐵電層110 ’其具有—第—表面112及—相反的第二表面 114。鐵電層11G由由相轉變溫度表徵之鐵電材料組成，在相 轉變溫度下’材料經歷自鐵電相至順電或反鐵電相之相變，且 201223114 當溫度反向改變時，再次經歷返回之相變。鐵電層11〇可由特 徵為居里溫度Te之鐵電材料組成，使得當鐵電材料之溫度比 居里溫度Tc低時’鐵電材料處於一鐵電相，其中自發極化建 立於鐵電材料之單位晶胞中，且當鐵電材料之溫度比居里溫度 Tc大時’㈣極化不建立於鐵電材料之單位晶胞中或可忽略。 鐵電層1H)亦可由當鐵電轉之溫料低至轉變溫度以下時 經歷自鐵電至順電之相轉變的鐵電材料組成。鐵電層則亦可 由在相轉變溫度下經歷自鐵電相至反鐵電相之相轉變的鐵電 材料組成’當溫度反向改變時，此材料改變回至鐵電相。鐵電 具有界定於第-表面112與第二表面114之間的厚度。 轉==度視若干參數而定，包括:特定應用及可用以 钭之㈣1 4之特性及量；湘之特麵電㈣；及鐵電材 通常r裝置刚之一級中的鐵一 發明。鐵電層：、:在1 cm之間。亦可利用其他厚度值實踐本 其电離僅/f成上為平坦的或具有任-其他形狀， 言^m㈣件之製造技術及操作考慮料卜舉例而 面冷凝，中，將可極化材料貼附至殼管式表 狀，如本文中===圓周’因此具有或多或少的管狀形 應：二層二度二及形狀由鐵電材料之性質， 因素判定。不存在對㈣…里之特性及量、熱轉移機構及其他 制為可· φ、層uG之寬度及長度的理論限制。限 特疋鐵電材料及特定應用之操作因素時常存在之 32 201223114 實際製造限制。在鐵電層110之寬度及長度受到實際考慮限制 之情況下’可按-陣列或按-堆疊排列許多類似或相同器 有效地擴大利於與將圖1中躲之ϋ件與絲及散熱片界 面連接之熱父換器連通之表面。在此應用中，自電極之傳導 線可接合至電匯流排，且累積陣列將接著充當具有大致等於: 別器件之總面積之面積的較大器件，藉此准許產生僅受到 用之熱能之數量及特性限制的電力。此陣列之一實例由圖 明。 凡 一對電極122及124分別定位於鐵電層ιι〇之第— 112及第二表面114上。電極122及124由導熱且導電材料组 成。此專電極122及124實質上與熱電材料/層ιι〇之第—表 面=及第二表面m接觸’以便提供電接觸城熱導率最大 以對電極122及124可包含（例如）具有足以准許傳導所 ==電流但足夠薄以使對熱交換輯鐵電材料之間的敎導 =干擾最小化之厚度的薄銀塗層。銀電極之厚度可為約、(例 微米至5微米些實施 層110之邊緣猶微倒退（例如）lm而要具有自鐵電 層no之邊緣周圍的放電。）lmm之電極，以避免在鐵電 =外’裝置100包括相斜於該對電極122及以定位之構 ^用於交替地將熱量傳遞140至鐵電層110之第一表面 二=二表面自鐵電層11〇之第一表面112及第二表 TLT)/v冑14G熱里’以便料地纽轉變溫度低之第一溫度 下冷卻鐵電層110,及在比轉變溫度高之第二溫度TH下加 33 201223114 熱鐵電層110，使得鐵電層11〇之鐵電材料藉此隨著溫度循環 經歷在（1)鐵電相與（2)順電或反鐵電相之間的交替相轉變。 在此例示性實施例中’傳遞構件包含與熱源及散熱片（未圖示） 流體連通之兩個熱交換器…及以，用於將來自熱源之熱量 輸入至鐵電層110以便在第二溫度TH下加熱鐵電層11〇，及 將來自鐵電層110之熱量抽取至散熱片以便在第一溫度TL下 冷卻鐵電層110。熱能之此吸收及排斥是滿足熱力學第二定律 所必而的，其准許僅經由熱吸收及熱排斥之過程將熱能轉換至 另一形式之能量或功。 裝置100亦具有分別電連接至該對電極122及124之一對 %導線152及154。在各種實施例中，導線可經組態至一或多 個外。負載、至一外部Dc源，或經組態以產生開路，或一開 關可准許藉由-控制電路在—或多個此等組態之間切換，該控 制電路根據可與本發明—起使用的電熱力循環中之一者而作 用使鐵電材料之晶臂成極使得當其自介穩態轉變至穩定鐵電 狀態時能夠在鐵電料產⑽常大_淨自發極化。彼總淨自 發極化=分別在該對電極122& 124上誘發非常密集的電性相 反的屏蔽電荷。在-些實施例中，成極場可由在每一循環期門 施加之外部DC電壓提供，如（例如）在美國專利申請案^ 12/465,924號中。在其他實施例中，成極場由在電極上之在泫 循環之放電步驟後糾的殘餘建立，如（例如）在美國^ =申請案第13/228,G51號中。雖然#成極由在電極上之殘餘電 何所產生之場達成時在循環期間不需要外部Dc電壓，但此 34 2〇l223li4 電壓源應仍可用《針對初料環

少至低於成極所需量的軌下建立成極場了奸作期間減 在一實施例’如（"你丨Jfrt、Ά Y 號中，當’ 、國專财請轉13/226,799 執至、、田二格而將鐵電層U°之鐵電材料加 …、至,皿度TH時，電路斷開，同 寸 係因為電路斷開以便防止在電極切之放雷疋PH’此 合，同時等溫地賴量添加至電路接著閉 電以^ w 鐵<而使雜相反的屏蔽 何在非h的錢下放電至該對電導線152及154。該對電 線152及154准許來自電極之放電電流傳導至可使用之任何 卜部負載’或至匯流排以收集及分配由多個器件產生之電。告 碡由自電極上之殘餘未屏蔽電荷產生的場達成成極時在咳; ，導線152與⑼之間不需要外部施加之電壓（除了在第一循 環期間及針對如本文中描述的隨後操作中之偶爾使用之外 當使用電極122及124上之殘餘電荷達成成極時，電流將 回應於在鐵電層中發生的淨自發極化之改變在彼步驟期間在 電極之間流動。可將彼電流用作輸出至外部負載的額外電能來 源。在系統自介穩態至穩定狀態之鬆弛期間輸出的此能量由在 圖19中展示之TL等溫線之自由能曲線中的點d與a之間的 下坡鬆弛描繪。此發生於當正自鐵電層移除QL時之TL處。 在一實施例中’藉由使在DA步驟期間之電流穿過當開關S1 處於圖6中之位置B中時包括於電路中的一全波整流器（未圖 示），可使在該循環之DA部分期間的電流之方向與在主要放 電（如圖20及圖21中描繪及其他處描述之步驟BC)期間的 35 201223114 電 向重σ此整流器可（例如）為橋接電路。整流5|使 動至編22糊及自電㈣讀流動，以3 載壯處具有同_方向，而不管電流在該循環之Β負

步驟期間發生。 X疋UA 圖2示意性展示處於鐵電相中的鐵電體210中之晶备215 之對準’亦即’鐵電體21〇之溫度比鐵電體2 可 "低。鐵電體210具有一第-表面加及-相反的第= 別曰，其界定其間之鐵電層體216。鐵電層體216特徵為且有 大莖可極化單元之複數個㈣215。如在圖2⑷巾，每二晶 疇215由一自發極化（由偶極箭頭217指示）表徵，但隨機: 向’使得在鐵電體210中不存在總淨自發極化。圖2⑻展 示朝向同-總方向對準之偶極217，使得在鐵電體⑽中存在 非常強大的淨自發極化。可藉由將成極場施加至鐵電層體⑽ 來達成此對準。® 2 (e)酬通常僅蝴於材料之晶體或分 子結構之特殊條件下達到的理想對準之鐵電體。 y自在相變中及前後的材料系統之蘭道（Landau)現象模 型計算出可藉由採用在給定鐵電體之熱循、 之改變提取之電能。此模型化為比傳統準靜態二= 的系統之熱力衫。傳鮮㈣熱力錢魏上限於平ς條 件’而蘭道模型化為包括非平衡條件之較廣動態表示，諸如， 依據蘭道-卡拉尼科夫（Landau-Khalatnikov)等式自介浐熊朝 向較穩定狀態之鬆弛。對於普通鐵電體，蘭道_金茲柏格得文 夏（Landau-Ginzburg-Devonshire)自由能泛函按獨立參數溫度

36 201223114 τ及階參數p(其表示由系統中之偶極自發地及若存在電場則 誘發地產生之總極化）表達了鐵電材料系統之自由能。電場可 歸因於在電極上施加外質電位，或其可歸因於電極上的未屏蔽 電荷。將蘭道·金茲柏格-得文夏自由能泛函表達為： G(T, P) = α1(Τ)·Ρ2 + α11·Ρ4 + α111·Ρ6 其中G為自由能泛函。G的单位為J/in3，且P的單位為 C/m2。極化爲全熱力變數’且其表示由G(T，p)描述之全極系。α參數具體針對 一給定材料系統，且對於彼等給定參數，蘭道-金茲柏格·得文 夏自由月b泛函長：供用於鐵電材料系統之經由相轉變及在相轉 變前後的熱循環及用於經由可極化聚合物系統之去極化轉變 及在去極化轉變前後之可極化聚合物系統之全部資訊。 圖14為就溫度τ及極化p而言的自由能泛函之曲線圖之 實例，其中材料參數表示鈦酸鉛PbTi〇3之樣本，其中K兰％6 K。個別曲線圖係針對材料之各種溫度。當材料處於非極性狀 態下時（亦即，在P = 0之情況下），對〇指派值G。接著按根 據蘭道-金茲柏袼-得文夏泛函之計算針對自75〇κ至幻0K之 各種溫度值用曲線表示自由能G。對於高於轉變溫度之溫度， 自由能從不低於針賴電狀態下之材料職派之參考值= 種 曲線圖中之全域最小值表示平衡狀態。 在材料處於其鐵電相之情況下，系統將具有兩個自由能最 小值，在兩個井之低財之每—者處有—個。在不存在場之b 況下’彼等平衡點中之每-者同等地有可能，且自由能之減少 37 201223114 在兩個井中係相同的，此係因為材料系統為對稱的。藉由 料系統進入鐵電相時使偶極成極，對系統加偏壓，使得系:將 下落至對應於雜之定向的狀相。龜並賴著 ： 統之自由能。 μ a $ „ 圖15為作爲溫度之函數之自由能的_，其中____ 4 C/m2。再次，在繪製自由能泛函之曲線圖過程中使用之參數為 鈦酸船之樣本之彼料性，其中Te = 766 κ。在自由能心 度之間的此紐_可為在狀在本發日种使㈣鐵電材料 之適當熱力循環過程中之考慮因素。圖15指示在一些情況下 在寬的溫度範圍上循環鐵電體可為理想的，此係因為自由能之 改變隨著循環之溫度範圍增大而增大。理想地，可將此作為提 供最高可能效率之完美的卡諾引擎執行。然而，藉由在較寬溫 度&圍上循環而實狀熱效率可降低，此係由於若不能執行完 Ϊ的再生’則對於較寬溫度循環有增大的晶格熱量影響。亦應 :識到蘭道-金兹柏格_得文夏模型之準確度通常隨著溫度更 遂離相變溫度而降低’因此在大的溫度範圍上，線性關係可能 並不如此準確。 圖16表示針對相同鈦酸鉛參數之各種電場值的自發極化 對'皿度之曲線。在Ε、自由能G、P與Τ之間的關係係自自由 能泛函得出，且可表達為： £ ~ = 2otl(T)p+4allP3+6alllP5。

S 38 114 2〇l223 p藉由本發明，E值表Μ在電極上之切蔽電荷產生之 二電場㈣亦可包括自DC錢源施加之小成極場（在施加 卜部成極場之情況下）。 圖η為針對各種e值的作為溫度之函數之爛值s的曲線 圖，其中按伏特每公尺量測參數E。熵值與P2成比例，且 S = -α0· [PS(T, E)]2 αΐ = αΟ(Τ-ΤΟ) » 其中ΤΟ為居里韋斯（Curie-Weiss)溫度，其為具有二階 相轉變之㈣的相轉變溫度，但對於—階轉變材料，具有= 值。 可依據各種熱力-電循環實踐本發明，且本文中的循環之 實例僅為說雖且決不_本發明之範似意義。可與本發明 -起使用之-個此熱力循環之實例按理想形式料於圖如 中。其具有兩辦溫步驟BC及以，及保持極化蚊之兩個 步驟AB及CD。本文中更詳細地描述此循環之特定操作。 在一些熱力循環中，在循環之過程期間電極至外部負載之 放電可完全錢乎完全。在其他循環之情盯，電極之放電不 完全。實情為’在完成放電前’使小的未屏蔽絲電荷留在電 39 201223114 極上，且彼殘餘電荷用以在下一個循環期間使材料成極。除了 按需要提供成極場外，通常需要允許自電極移除，以便使 在該循環之彼步驟期間抽取的電能之量最大化'。足以在轉變至 鐵電相期間建立使自發電偶極成極之場的對應於PL之留下來 ^殘餘電狀餘視㈣系統、麟狀_及其他因素而 定。系統與負載之阻抗必須匹配，使得在切斷外部成極場後之 任何時間’去極化場不超頑場(_ 价π之值由 在針對該循環之局部自由能最大值下發生的P值狀。在使用 本文中描狀麻_環之—實施财，將彼局部自由能最大 值描繪為在圖19中的自由能等溫線上之點D。以實例說明， =聊3之鐵電樣本，PLsG15C/m2通常產生足夠的成 甘二如在圖19中所指示。亦可藉㈣PL至零來實踐本發明， 搞猎由在該循環之DA步驟期間施加外部場來執行隨後成 的特定循環之任意點c，材料處於相 “皿度TH下，且處於順電或反鐵電相。在—實 鐵電體之表面上的電極已在紅處放電，使得僅足夠的殘餘= :電供心職環回至麵電相時使 2體成。接者，在該循環之⑶步_間’將鐵電體 =至相對低的溫度TL，同時電路斷開，使得總極化 寸的m狀日日格熱里。在步驟c 轉至點d處之介穩態。 __自點c 201223114 電路在該循環之點D處閉合。在DA步驟期間，在鐵電體 處於TL下時等溫地抽取熱量QL，直至自發極化達到最大值 PH。彼值PH可與由特定鐵電材料系統所准許—樣大，而不造 成電崩潰或經由鐵電層之顯著電洩漏。在所有其他因素皆相等 之情況下’達到高PH值將通常對應於在每一循環中的電能之 較大輸出。PH將視鐵電材料系統、鐵電層之_及其他因素 而變化。在鈦酸鉛樣本之說明性情況下，pH可具有〇 4 之值，如在圖18及圖19中所示。 在DA步驟期間，電路閉合且電流自鐵電體之一側上的電 極流動至在鐵電體之相反側上的電極，直至產生出等於鐵電體 之表面上的相反束_荷之屏蔽電荷。又，在該循環之Μ步 驟期間’在點D處自電極上之未屏蔽電荷產生的小殘餘場使 所得偶極躺-個方向定向，亦即，其經纽。在另―實施例 令’成極場可為外部施加之電位之結果。在Da步驟期間抽取 之熱量QL對應於相轉變之潛熱。在DA步驟綱，材料系統 自在點D處之介穩態鬆弛至在點a處之穩定狀態，如在圖Η 及圖20中所示。 在DA步驟期間’在不同於藉由外部施加之電壓進行成極 之彼等實施例中’產生電能。在步驟DA_如此產生之能量 :放電至外部電路以執行電功。在—實施例中，可將全波整流 :用以整流去往及來自電極822及824之電流，以在負載處具 同-方向’而不管電流在該循環之BC或是DA步驟期間發 。此全波整流器可由（例如）橋接電路组成。如其他處提到， r> 201223114 =可藉由跨在鐵電層上之表面上的電極自Dc電壓源施加外部 場來達成成極。在彼等場合，對系統執行電功，而非在步驟 DA期間由系統產生電功。 在該循環之下一個步驟AB中，電路斷開，且在恆定極化

下將鐵電體加熱至高於材料轉變溫度之TH。在該循環之點B

處，鐵電體處於介穩態下，且接著閉合電路。在該循環之BC 步驟期間，當極化減小至PL且鐵電體自點3處之介穩態朝向 點c鬆_，等溫地輸人熱量。在BC步驟期間添力 =熱量 QH等於對應於極化之改變的焓改變。在彼步驟期間，電極上 之屏蔽電荷變得不受屏蔽，且放電至外部電路内以執行電功， 在點C處之總極化減小至pl，在該點，電路斷開以防止進一 步放電。 在該循環之若干步驟期間自穩錄態至介穩態的材料系 統之轉變或自介穩態至穩定狀態的材料系統之轉變由蘭道-卡 拉尼科夫（Landau-Khalatnikov)時間相依相轉變理論描述， 該理論可用以使負载之回應時間與自介穩態之轉變時間匹配。 TH及TL分別高於轉變溫度及低於轉變溫度，以便允許 相變。視材料之特性（諸如，晶體結構之均質性）而定， 及TL可與轉變溫度相差攝氏數度或更少。TH& TL亦可與轉 變溫度相差相當大的量，例如，相差攝氏20度或更多。在另 一實施中，若在較大極化值與較小極化值之間循環材料則 TH及TL可皆低於轉變溫度。 熟習此項技術者應認識到’圖20 _說明之循環插繪按一 42 201223114 σ、—、式執行之循環。實務上，通常可能存在與該循環之理想 $兀美等溫或恆定極化步驟之偏離，及與在ρΗ與PL之間的 之偏離。應認識到，通常將實踐本發明使得實際循環 及實際成極可在—絲度上麟於理想狀態。 田在本發明之—些實施例中，鐵電相發生在比轉變溫度高之 /JDL度下且順電相或反鐵電相發生在轉變溫度以下的溫度。在 a實^例中，圖2〇中描繪之循環除了在相反方向上外相同 地操作。四個步驟為DC、CB、BA及。步驟DC及分 別發生在恆定極化PL及PH下。在步驟DC及BA期間分別僅 輸入及抽取晶格熱量。在步驟CB期間等溫地輸入熱量QH， 且在Y驟AD期間等溫地抽取熱量QL·。在步驟CB期間，電 路閉δ，發生藉由DC電壓或内部產生之場之成極；且電流自 鐵電體之一側上的電極流動至在相反側上的電極，直至產生等 於鐵電體之表面上的相反束缚電荷之屏蔽電荷。在步驟AD期 間’電路閉合且將電放電至負載。 可使用自自由能泛函計算之值評估特定熱力循環之穩固 眭。如同圖14，圖18及圖19為依據溫度τ及極化p的自由 忐泛函之曲線圖之實例，其中材料參數表示鈦酸鉛

PbTi〇3 之 樣本，其中Tc s 766K。個別曲線係針對材料之各種溫度。 圖18包括在圖20中描繪的循環之點之名稱（A、B、C及D)， 其具有兩個等溫步驟及極化值定之兩個步驟。在圖〗8中，在 循環之過程期間，PL減小至可忽略位準或零。圖19為針對在 圖20中描繪之循環的自由能之類似曲線圖其具有標明於其 43 201223114 上的循環之點，但不允許PL變為零。實情為，在循環之放電步 驟BC期間，保留足夠的電荷以在下一個循環期間成極之值 由出現在循環之局部自由能最大值處的p值判定，如在圖19中 所示。在圖15、圖18及圖19中的丁及卩之值僅為說明性， 且並不意欲暗示其為理想的或唯一的。 圖21說明針對在圖2〇中描繪之循環的作為溫度之函數之 熵值僅考慮極化對自由能之影響。在該說明中忽視可對熵值 改變有影響之其他可能自由度，諸如，晶格熱量及聚合物主 鏈。在彼等其他因素可忽略之情況下，在步驟AB及C D期間， 甚至在不存在再生之情況下，循環為等熵的。 圖22展示對應於50 Km厚度之P(VDF-TrFE)共聚物之不 同替續器接通溫度的由永久極化之改變導致的加熱階段期間 產生的量測之電流。負载電阻器RL具有1〇ΜΩ之電阻，且分 別選擇量測電阻ilRm2處於M22kQ。歸因於共聚物之 稍微寬的轉變，水伟已經A幅擴大，其使原始峰值（線〇 看起來平坦。圖22中之線2-6展示隨著增加延遲溫度（時間） 而產生之電。此等線對應於圖2〇中展示的熱力循環中之AB 乂驟在樣本上產生之電位（場）隨著延遲溫度變大而顯著地 ，大’達到藉由線1之原始峰值所達到之電位的約1〇倍。隨 著延遲溫度變大而增大的電輯應於在蚊極化（ab步驟） 下沿著溫度軸的矩形循環之擴大。在熱力學上，此導致較大的 效率。如所_ ’積分之強度很大程度絲持惶定。 圖3示意性展示在鐵電相中之鐵電模組5〇〇，其具有產生

S 44 201223114 於鐵電層510之表面上的束缚表面電荷，及產生於電極522及 524上的對應的屏蔽電荷。在例示性實施例中，（例如）藉由 小的成極場，對準電偶極517，藉此使大的總淨自發極械夠 發生於鐵电層510中。所得大的淨自發極化在鐵電層训之表 面512及5H上產生非常密集的束缚電荷及犯。結果， 電流流動至電極522及524。屏蔽電荷521及奶藉此產°生於 電極522及524上，辞莖js #中 °亥等屏敝電何521及523等於在鐵電層 510之表面512及514處的束缚電荷511及513，但在電荷: 與束缚電荷511及513相反。在彼點，因為電極切及5 2 ’所以電極522及汹中之淨電場必要地可忽略或棒 鐵電層51〇中之束缚電荷511*513由對準之電偶極517及 適^生，而電極522及524上之屏蔽電荷521及切又由束 相荷511及513產生，且與彼等束縛電荷犯及M3相反。 當鐵電體經歷相轉變且變得順電或反鐵電時，鐵電層51〇 之自發極化消失。結果，在電極522與似之間的極之 電極522及524上之屏蔽電荷521及523變得衫 介電質崩定鐵電體及模組之組態而定，但在 电買朋㈣猎由適當材料可達到超過30，_伏特之電位 圖4及圖5展示根據本發明的熱量至電轉換器件_之另 分在該例示性實施例中，11件_具有—鐵電層⑽、 =形成於鐵電層61〇之表面上的一對電極622及_ 声:=極622及624之一傳遞構件’該傳遞構件用於 曰之表面上交替傳遞冷流體及熱流體’以便交替地在第一溫度 45 201223114 TL<Tc下冷卻鐵電層610及在第二溫度TH>Tc下加熱鐵電層 610 ;藉此鐵電層610之鐵電材料隨著溫度循環經歷在鐵電相 與順電或反鐵電相之間的交替相轉變。 如圖4中所示，傳遞構件具有一第一流體通道631及一第 二流體通道633、包括第一流體通道631及第二流體通道633 之許多熱交換器632及634，及與熱交換器632及633連通之 複數個控制閥660。 第一流體通道631及第二流體通道633經組態使得當冷流 體穿過第一流體通道631及第二流體通道633中之至少一者 時’朝向第一溫度TL冷卻鐵電層610，且當熱流體穿過第一 流體通道及第二流體通道中之至少一者時，朝向第二溫度TH 加熱鐵電層。分別經由（例如）管道640自散熱片644及熱源 642供應冷及熱流體之流。 熱交換器632及634經調適用於交替地傳遞冷流體與熱流 體之流，以便交替地在第一溫度TL下冷卻鐵電層61〇及在第 二溫度TH下加熱鐵電層610。複數個控制閥66〇經調適用於 控制冷及熱流體之流，以便圍繞鐵電模組之各別轉變溫度循環 鐵電模組。由微控制器（Microllers，MC)控制之複數個控制閥 660連接至加熱及冷卻流體中之熱電偶，且附接至鐵電體，且 可使用溫度及其他資料（諸如，鐵電體之電容）控制控制閥 660之打開及關閉。亦可分別監視在一或多個位置處的熱及冷 流體中之壓力。使鐵電體之冷卻及加熱與電路之斷開及閉合協 調（所有皆在經受電腦控制的控制電路之引導下），以達成本

S 46 201223114 文中描述之循環。藉由直接監視尤其鐵電體之溫度（用諸如執 :電^閘流體之器件）、加熱及冷卻流體之溫度、鐵電系統之 :電# 鐵電層之總體溫度相關之電容、鐵電層之極化及/或 熱及冷流體之壓力（特定言之，在兩相熱交換器組態中），協 Γ電及熱循環。亦可監視在電極622及上的無束缚電荷之 其_控_環’且尤其，用於判枝鐵電層no 搞〃鐵電袖間自彼電荷產生之場何時保持足夠使偶極 成極。 圖6根據本發明之—實侧示意性說明連接至若必要則 能之電源供應器謂且連接至用於接收產生之電 ^ 、载電阻RL的熱量至電能轉換器件8〇〇。根據一實 :二件Ϊ =視器件(未圖示)附接至鐵電器輸入於 電材料之溫度。舉例而言，可藉由一或多 流體或藉由監視器件之電容來進行此監視。另 為與負载可保持處於電路中以監視電流，此係因 經電阻〶比’其具有可忽略之電阻。可藉由積分流 模也_， 的電流來監視極化。貫穿該循環，鐵電 示之控制電路作用之-或多個電腦 (如本文中所描述）電腦控制加熱及冷卻且控制開關S1 以自熱_’W模組獅及 循環中之# 行中。因此’循環之描述可開始於該 任一點。為了說明在一實施例中的器件之操作之目 47 201223114 點d假弋鐵電模組60〇或800處於圖20中描繪的循環之 处。在彼點，開關S1斷開，且鐵電層810 極化處於PL ' 1 層_轉㈣其他處所描述，凡之值可對應於產生當鐵電 場的殘餘^電相時足夠用於使自發引起之電偶極成極之 藉由埶旦Lt缚電荷。當開關S1在中間位置處保持斷開時， 入至圖^取，將鐵電層810冷卻至TL，從而將該循環帶 及咖或自雷之太點D。保持開關S1斷開防止電荷流至電極822 本發==於成極之彼等實施例中’在第—循環後的 之k _作中的循環之點D處，_ S1切換至如圖6 厂、位置B，其閉合電極822及824與負載電阻虹之門 ^路。當開關S1處於位置B中時，對應於圖2Q中描_ ^ V驟DA，在TL下等溫地自鐵電層810抽取熱量。在 v驟DA中’極化保持其方向，但增大至值四。所得總自發 極化Ps在戦層_之表面上產生非常大的束缚電荷。彼等 束缚電荷使屏蔽電荷產生於電極822及咖上，屏蔽電荷與在 鐵電層810之表面處之束缚電荷相等取目反。在該循環之μ 步驟期間抽取之熱量QL對應於相轉變之給。在點a處，鐵電 層8财之自發極化處於最大值pH，且電極中之淨電場可忽 略’此係因為電極現在載有㈣電荷以平衡束缚電荷（歸因於 PH)。在步驟DA期間，自發產生對應於（例如）在圖时 之點D與A之間的自由能差的大量電能。

S 48 201223114 圖3說明（1)為對準之 之束缚雷葙，另之結果的在鐵電财 屏菽雷# 彼等束缚電荷相反的在電極上出 =何，如將發生在該猶環之點八處(但 電阻虹將不像在圖3中所贿地處於電路中）。負載 =Γ，且在第一循環中，或若因任何原因，在操作期 變得二=處來自電極822及824上之殘餘電荷的場 :::加在r環之點d處，_切換至位二： 極戶^ f C電肋在觀_使自發引起之偶極成極。成 料而定’但與自鐵電器件8。〇放電電荷之電 丄: 此等情況下成極所需之最小值外，不需要

Si斷^1 施加電壓’且電壓間斷。當極化達到ΡΗ時，開 中 1^6+觀+繼，且峨_〇之循環 成極之場視蚊材料、其幾何形狀、器件在單級 組態中操作及其他因素而定。最小成極場通常將具有 « '不官其是否由在該循環之點CD處在電極阳 、之殘餘電荷產生，或其是否自—外部Dc電壓源強 力二說明，對於大致^ _厚度的一些單級基於錯之 體而言，藉由大致2〇〇伏特之電壓可達成足夠的成極 之下，在放電期間，此材料的所產生之電壓可超過 6，_伏特。在不成極之情況下，當材料處於鐵電㈣，可極 49 201223114 化材料將自發展現電偶極，但總體合計㈣，偶極將不對準。 此對準對於達成由本發明採用之高的總Ps值係至關重要的。 在圖20中描、·會的循環之AB步驟期間，開關w斷開，且‘ 將鐵電層⑽加熱至TH，使得其轉變出鐵電相。因為開關斷： 開所以防止电極上之無束缚電荷在發生於Μ步驟期間之晶 格加熱期間放電，且總極化保持於pH。 在該循環之點B處，開關S1切換至圖6中之位置B，且 在ΊΓΗ下將熱量等溫地添加至鐵電層81〇，使得將大量電能自 鐵電模組800釋放至負載肚。當自電極822及824移除電荷 時，電荷在非常高的電覆下由負載電阻器RL或由可用以儲 存、傳輸或利用電以做功之任一其他合適器件接收。當保留在 電極822及824上之自由電荷已減小至足夠建立一場以在轉變 回至鐵電狀態期間使自發偶極成極之最小值時’在經由内部產 生之場達成成極之彼等實施例中，藉由斷開開關S1來停止自 電極抽取電能，其對應於該循環之點c。在彼點處之總極化為 PL，且鐵電層81〇處於TH。 在一實施例中，當開關S1處於位置B中時，一全波整流 器（未圖示）包括於該電路中。該整流器使電流流動至電極 822及824及自電極822及824流動，以在負載RL處具有同 一方向，而不管電流在該循環之BC或是DA步驟期間發生。 此全波整流器可由（例如）橋接電路組成。以此方式整流信號 可簡化隨後對在循環期間產生的電能之使用或儲存。 在另一實施例中，鐵電材料不依據圖20中闡明且如本文

S 50 2〇l223114 中其他處描述之熱力循環而循環。相反，可使用允許鐵電材料 自自發偶極經成極之_狀_環至其中_極化 減小至低於最小位準Pk順钱輯電狀狀任—循 來循環鐵電模組，其對應於產生足夠在鐵= 間成極之場_b降在又—細巾，如〇中= 循環之步驟DA齡_ 6中之關S1處於位置A中朗 時’允許PL變得可忽略或變為零，謂由施加外加％電壓 而達成成極。 在又一實施例中，替代使鐵電材料循環經過相轉變，一直 將其維持在鐵電相中，且使其自社雜化程度彳轉至較少的 極化程度。 於該循環中，熱循環及電輸入及輸出受電腦控制。在該循 %之各種步驟㈣的加熱及冷卻由微控㈣使熱與冷流體交 替地引導至鐵電模組8〇〇來實現。可使用微控制器結合電腦及 控制電路獲得如可適合於一特定應用及適合於一特定加熱及 冷卻系統之不同控制。在一實施例中調節至鐵電體之加熱及冷 卻流體之流的控制閥說明於圖4及圖5中。電腦控制自熱電偶 或監視加熱及冷卻流體中及鐵電材料中之溫度之其他器件接 枚溫度值。亦可監視熱及冷流體中之壓力。電腦控制亦監視如 (例如）由如圖6中展示之電阻器R1及R2量測之極化及負载 電流。可藉由積分流經電阻器R1及/或R2之電流來監視極化。 電腦及控制電路根據正使用之熱力循環控制熱交換器以引起 鐵電模組之適當的熱循環。在電腦控制下接收此監視資料之微 51 201223114 控制器亦引導開關si之位置。替代熱電偶或閘流體或除了熱 電偶或閘流體之外’可將—或多個控制鐵電體之電容或其他量 測結果用作監視ϋ及用以藉由控制電路控㈣環及切換 序。 日參看圖7，根據本發明之一實施例展示用於操作用於將熱 里轉換至電能的本發明II件之方法鶴。在—實施例中，方法 900包括下列步驟：在步驟S91〇處，提供一鐵電層。鐵電層 包含特徵為居里溫度Te之鐵電材料。—對電極分別定位於鐵 電層之第一表面及第二表面上，其中電導線自電極行進至外部 電路。遠等電極包含一導熱且導電材料。 在步驟S920處’交替地傳遞冷流體及熱流體以便交替地 將鐵電層冷卻至比居里溫度Tc低之第一溫度TL及將鐵電層 加熱至比居里溫度Tc高之第二溫度TH。在步驟920期間，電 路斷開’使得冷卻及加熱發生在實際上恆定極化下（分別PL 及PH)’同時發生晶格冷卻及加熱。冷流體及熱流體可交替地 由熱交換器、控制閥或類似者傳遞，與資料監視器協調地且在 來自控制電路之引導下受到控制。 在步驟930處，交替地傳遞冷流體及熱流體以便交替地在 比居里溫度Tc低之第一溫度TL下等溫地自鐵電層移除熱 量，及在比居里溫度Tc高之第二溫度TH下等溫地將熱量添 加至鐵電層。在步驟930期間，電路閉合，使得當極化自PL 改變至PH時發生熱量之移除，及當極化自PH改變至PL時 發生熱量之添加。冷流體及熱流體可交替地由熱交換器、控制 201223114 閥或類似者㈣’與資料監視地且在來自㈣電路之引 導下受到控制。 在步驟940處，其中鐵電材料最初處於介穩態τ，鐵電材 料中的晶嘴之自發極化在溫度TL下成極，以便在該對電極上 ，生電性相反之屏蔽電荷。在一實施例中，藉由將小的DC電 壓施加至鐵電層以建立對準偶極之成極場來執行成極。 在步驟950處，在TH下將熱量等溫地添加至鐵電材料， 且使電路閉合。在非常高的電壓下，將對應於在該對電極上的 產生之電性相反之屏蔽電荷的電能輸出至外部電路。在一實施 例中’使電路斷開’以允許保留在電極上之足夠的殘餘電荷提 供用於在下一個循環期間進行成極之場。 應注意，雖然器件之必要功能發生在具有一給定鐵電材料 之單一層中，但在許多鐵電材料組合於一系列級中之情況下本 發明可更有用，且可產生更大量的電能。將熱能轉換至另一形 式之能量或功的任一系統之最大效率為卡諾效率，= AT〆 ΤΗ。單級鐵電電力轉換模組包括一單一鐵電材料。因而，其 大體上具有一反映鐵電相與順電或反鐵電相之間的轉變之單 一相轉麦/jnL度。在冷凝器實施中的熱源與散熱片之間的溫差 (ΔΤ - TH - TL)可相對小。舉例而言，在熱電廠，進入與離 開冷凝器之循環水溫度之差通常可為〜1(rc，且進入冷凝器之 低壓洛汽與進入冷凝器之冷卻循環水之間的溫度之差可為 〜20C。然而，可能需要使用一系列的一個以上鐵電材料，鐵 電材料具有漸增地涵蓋可利用之溫度範圍之一連串相轉變溫

53 201223114 度。使用多個鐵電體之需要性將視包括（例如）相轉變之銳度 (亦即’發生多數或全部相轉變的溫度範圍之量值）的各種因 素而定。 可藉由本發明藉以將鐵電發電機耦合至冷凝器熱量之兩 個基本方式中之任一者使用多個鐵電體一亦即，（1)藉由將 來自冷凝器的經加熱之廢水用作熱源，《⑵藉由建構冷凝 器，使得鐵電體與冷凝蒸氣直接熱接觸。在多級裝置之先前實 施中，圖8展示裝置100〇具有複數個鐵電模組FM1、 ....................之一實施例，該等鐵電模組按一 陣列排列以擴大與熱交換器界面連接之工作表面，以便增加可 自熱源接收且轉換至電能的熱能之量。電輸出由連接至每一模 組之電極的匯流排1001移除。 在多層組態中，可按經形成以便使熱導率最大化之堆疊排 列一系列鐵電層。將所得多層鐵電結構置放於一對電極之間， 該多層鐵電結構類似於如上文揭示之單層器件。此組態由圖9 及圖10圖解說明。依序的層FE卜FE2......FEn-Ι及FEn由相 同的鐵電材料或實質上不同的鐵電材料形成。居里溫度Tcl、

Tc2......Tcn-1 及 Ten 對應於依序層 FE1、FE2......FEn-1 及 FEn 中之鐵電材料。在一實施例中，多層鐵電材料經陣列排列使得 Tci+l>Tci。在一實施例中，組合之多層模組接著經熱且電循 環’使得在具有兩個等溫步驟及將層中之總極化維持恆定之兩 個步驟的一循環中，每一個別層圍繞其相轉變溫度循環。在一 循環之過程期間，單層器件之每一層經歷如本文中所描述之鐵

S 54 201223114 電―順電或鐵電-反鐵電循環及成極與放電。藉由此多層組 :_ ’如圖9及® 1(3中所示，在循環之放電步驟顧在高電壓 •下移除之電能與在電極與命名為FE1及FEn之鐵電材料之接 合點處的總自發極化&有關，該極化由-起起作用的每一砰 層之累積自發極化產生。 參看圖11 ’根據本發明展示多層鐵電器件13⑻之另一實 知例。多層鐵電器件1300之此組態類似於如在圖9中揭示之 器件，但將分開的電極置放於每一鐵電層之間。舉例而言，鐵 電層FE1與FE2由電極1321分開，而鐵電層卩此心與FEn由 電極1328分開。此等電極丨32〇、1321......1328及1329由導 熱且導電材料形成。器件13〇〇之熱及電循環及操作類似於如 在圖9及圖10中揭示之器件。然而，自器件的電能之提取不 同。在此組態中，在該循環之放電步驟期間，自所有電極132〇、 1321……1328及1329抽取電能，如在圖11中所示。自電極 1320、1321......1328及1329抽取之電能可接著經由連接導線 輸送至負載電阻或至匯流排以用於輸出至此外部電路及按需 要使用。 圖12示意性展示多層鐵電器件14〇〇之一替代實施例。多 層鐵電器件1400之此組態類似於如在圖η中揭示之器件，但 每一鐵電層與鐵電材料之鄰近層相隔兩個電極，該兩個電極又 由電絕緣體1480分開’電絕緣體1480經選擇以最低限度地阻 礙熱轉移。 圖13示意性說明具有一系列不同相轉變溫度Tel至Ten 55 201223114 2 另丨電模組之系統’該等不同相轉變溫度位於在熱源 之，度TH與散熱片之溫度TL之間的增大（或減小）序列中’ 且藉由熱乂換器系統操作以便使每-鐵電級FEi圍繞其各 別相轉變/皿度Tei循環。在此組n中，相轉變溫度在不同 曰 .......FEn_1及FEn間有變化。如圖13中所示，如 ，中展示之系列單層器件按一堆疊排列。每一單層器件藉 由k擇性加熱及冷卻侧鐵電模組之熱交換器操作，使得第i 層圍繞其各別相轉變溫度Tci熱循環。在此組態令，將鐵電模 組與使每—鐵電模組剛圍繞其轉變溫度Td循環的網路化之 熱交換器整合。熱交換11可經互相有助於再生性減及冷 部:或有助於操作具有降低之溫度的級聯之鐵電模組。鄰近^ 熱父換&可藉由熱絕緣體158G相互減緣，如在圖13中所 不。在此祕中，鱗祕植，使得貫料、紐視加教及冷 部流體之溫度’以及侧模組中的鐵電體之溫度或電容。在I =電財起作用的微控制器之系統接著按本文中針對單級 。件Μ之成極及熱及賴環之格式及方法料在適當溫产 下之加熱及冷卻雜以使每—鐵€級 w/m又 Μ m圍繞其各別相轉變

，皿度TC1趣。在一實施例中，各種鐵電級F 中針對單級描述的經協調之熱及電循環，該循Γ裏= 兩個專溫步驟及將射之總極化維触定之兩個步驟^ 抽取之電能可經由連接導線輸送至負载電 於輸出至此外部電路及可按需要使用。$ ; μ排以用 在將鐵電體整合至冷凝器之情況下，如（例如）在將鐵電 56 201223114 =貼附至冷凝n管使得當錢冷_鐵電體由㈣ 接熱接觸而加熱之情況下，亦可使用的如描述的鐵電層 建構U此實施财’多層鐵電體直接貼:^ ::器:的傳導管之外表面，其中具有最低轉變溫度= 的Lit外錢#接地電極。—❹個其他電極為如上所述 的夕層鐵電體之部分。冷難腔室在其他方面如針對—級實^ 例所描述-般組態，使得在無中間熱交換器之情況下，正被二 凝之蒸氣將在TH下之熱源提供至多級鐵電體。在一實_ 中’冷凝減至財内（如同普通冷凝器），且被自該處移除。 鐵電體由於在TL下之冷卻水或其他频在冷凝料中之循環 而冷卻。因此在控制電路之引導下，如本文中在各種實例中戶= 描述地熱且電循環多級鐵電材料。 本發明之例示性實補之前述描述僅為了說明及插述之 目的而呈現’且並不4欲為詳盡的或將本發明限制於揭示之精 確形式。按A?、上述教示，可能作出許多修改及變化。 選擇及描述該等實施例以便解釋本發明之原理及其實際 應用，以便啟發其他熟習此項技術者利用本發明及各種實施 例，及適合於设想之特定用途的各種修改。在不脫離本發明之 精神及範嘴的情況下，替代實施例將對熟習本發明關於之技術 者變得顯而易見。因此，本發明之範疇由隨附申請專利範圍而 非本文中描述之前述描述及例示性實施例界定。 57 '4 201223114 【圖式簡單說明】 之』^轉換至電能 r 一變產生二 圖2示意性說明在鐵電體中的㈣ 說=極之隨機定向’其中每別:(二 ==電偶極組成;2(b)說明偶極在=方： ^向之實貝上成極之材料；及2⑷說明 圖3不意性說明在鐵電結構/層之表面上之 =相= (在不存在外部場之情況下:； 可表=為/1 時在電極之鄰近表面上誘發之相反屏蔽電荷。 根縣發明之-實關的躲將熱量轉 換至電能之鐵電器件之橫截面圖。 里 圖5示意性展示如® 4巾展示的鐵fit件之透視圖。 备普圖j以、性展不根據本發明之-實施·用於與電阻性 負載一起操作之鐵電發電機。 之财據本發明之—實施例的用於將熱量轉換至電能 換至^^根據本發明之-實施例的用於將熱量轉 轉換本發明之另-實施例的用於將熱量 圖10不思性展不根據本發明之又一實施例的用於將熱量

S 58 201223114 轉換至電能之鐵電器件。 圖11示意性展示根據本發明之一替代實施例的用於將熱 量轉換至電能之鐵電器件。 圖12示意性展示根據本發明之另一實施例的用於將熱量 轉換至電能之鐵電器件。 圖13示意性展示根據本發明之再一實施例的用於將熱量 轉換至電能之鐵電器件。 圖14為使用用於鈦酸鉛PbTi〇3之樣本的參數的依據溫度 T及極化P之自由能泛函之曲線圖。G為吉布斯自由能。溫度 按克耳文（Kelvin)量測；極化按c/m2量測；且自由能G按 3 1 Λ J/m量測。極化為全熱力變數，且其表示由G(T，ρ)描述之全 極系。 圖15為欽酸錯PbTi〇3之樣本的作為溫度之函數的自由能 之曲線。極化恆定在p = 〇 4 C/m2。 、圖16為在各種電場值E下的極化之曲線。溫度按克耳文 量測，且E場值單位為伏特每公尺。 圖Π為鈦酸鉛PbTi〇3之樣本的針對各種E場值的作為溫 度之函數_狀轉®。溫錢K制，且舰按j/m3.K 之單位量測。 圖18為針對各種溫度值的作為極化之函數之自由能之曲 線匕疊加於曲_上的為可與本發明—起使㈣-熱力循環 。極化為全熱力變數，且其表示由G(T，p)描述之全極 系0 圆 始1SI。紅二對各種溫度值的作為極化之函數之自由能之曲 線圖。立加於曲線圖上的為可盘 扣佔田M ^ 之步階。^勹」/、本發明一起使用的一熱力循環 盾妹供藉由内部產生之成極場進行的成極。在循 χά- 59 201223114 環之放電步驟BC期間，保留足夠 成極。PL之值由在針對讀循環之 ^何以在下一個循環期間 值判定。 、局邛自由能最大值下發生的1> 圖20為鐵電體之熱力 的且兩個步驟為等極化的 1 ° 其中兩個步驟為等溫 的熱量之移除及添加。 η曰不分別在等溫步驟期間 圖21說明針對在圖2〇中描哈 m 熵值。僅考慮極化對自由能之影勿溫度之函數之 晶格熱及聚合物主鏈。 胃％、視其他自由度，諸如， 圖22展示在加熱階段期 極化之改變產生’該等改 電：產生’其由永久 共聚物薄膜之不同“二二;^厚度之 圖23為說明總體袭置之示立固皿度。 換器使用冷凝器熱量來加熱工作=’，=糟由一或多個熱交 將熱量提供至鐵電發電機；且^L 作流體接著用以 供—或多歡作流體以自鐵料電機=^多個熱交換器提 說明一水冷式表面冷凝器。 圖25為在熱電廠使用的典 立 對於管側及殼侧皆為單程式，：2 =思圖。此冷凝器 汽進入，在底部具有-熱井，冷凝水收集於:二口用於廢蒸 圖26為可在鐵電發電機直 凝。井處。 使用的冷凝器管之橫截面之示 之一實施例中 父換器之情況下，將在蒸氣之冷_歹'，在無中間熱 鐵電體内。冷凝發生於鐵電材料 潛熱直接輸入至 過冷凝器管之循環水冷卻。之表面處或附近。鐵電體由流 201223114 【主要元件符號說明】 100 :單級鐵電轉換器件/裝置 110 :鐵電層 112 :第一表面 114 :相反的第二表面 122 :電極 124 :電極 132 :熱交換器 134 :熱交換器 140 :傳遞 152 :電導線 154 :電導線 210 :鐵電體 212 :第一表面 214 :相反的第二表面 215 :晶疇 216 :鐵電層體 217 :偶極 261 :冷卻流體 262 :管 263 :鐵電或其他可極化材料之層 264 :第二電極 265 :具有親水性界面活性劑之表面塗層 500 :鐵電模組 510 :鐵電層 511 :束缚電荷 201223114 512 :鐵電層之表面 513 :束缚電荷 514 :鐵電層之表面 517 :電偶極 521 :屏蔽電荷 522 :電極 523 :屏蔽電荷 524 :電極 600 :熱量至電轉換器件 610 :鐵電層 622 .電極 624 :電極 631 :第一流體通道 632 :熱交換器 633 :第二流體通道 634 :熱交換器 640 :管道 642 :熱源 644 :散熱片 660 :控制閥 800 :鐵電模組 810 :鐵電層 822 :電極 824 :電極 830 :DC電源供應器 832 :熱交換器

S 62 201223114 834 :鐵電發電機 836 :散熱片 838 :冷凝器熱量 900:用於操作用於將熱量轉換至電能的本發明器件之方 法 1000 :裝置 1001 :匯流排 1300 :多層鐵電器件 1320 :電極 1321 :電極 1328 :電極 1329 :電極 1400 ··多層鐵電器件 1480 :電絕緣體 1580 :熱絕緣體 FE1 :鐵電層 FE2 :鐵電層 FEn :鐵電層 FEn_1 :鐵電層 FM1 :鐵電模組 FM2 :鐵電模組 FMn :鐵電模組 FMn-Ι :鐵電模組 R1 :電阻器 R2 :電阻器 RL:負載/負載電阻/負載電阻器 63 2^. 201223114 si :開關 A :水入口 B :水出口 T :管 S :蒸氣 P :隔板 0 :冷凝物

S 64

Claims (1)

1. 201223114 七、申請專利範圍： 一種用於將熱量轉換至電能之方法，其包含： 藉由父ί地將熱此添加至一可電極化材料及自今 在—第—溫度與—第二溫度之^循環 第m中該可電極化材料定位於—第-電極與一 ^-電極之間，母-電極由—導熱且導電材料形成，1中 現在該第一溫度下之一自發極化，且其中由該可 3 第二溫度下展現之該自發極化比由該可電極 材料在該第一溫度下展現之該自發極化小； 可雷經施加至該可電極化材料，使得當該 =電極化材料處於包括該第—溫度的熱循環之__第 倾料產生一賴淨自發極化且屏蔽電荷產生於 該第一電極及該第二電極上； 雷極電極及該第三電極連接至—負载，使得當該可 =極化材料處於包括該第二溫度的熱循環之—第二部分中 時’電能自該第-電極及該第二電極輸出至該負載；及 其中將該熱能添加至該可電極化材料包含自—氣體 ==以將該氣體冷凝成—液數將該熱能轉移至該可電極 ^ ^如請求項1之服將熱量難至電能之紐，其中使 與該可電極化材料或與—與該可電極化材料直接或間 紐“之材料接觸以將雜能自錢體轉移至該可電極化材 料’藉此將該氣體冷凝成該液體。 兮」.如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將 该熱能添加至該可電極化材料包含： 使該氣體與-熱轉移流體或與—與該熱轉移流體直接或 § 65 2〇1223114 =接，觸之材料接觸以將該熱能自該氣體轉移至該熱轉移流 稭此將S亥氣體冷凝成該液體；及 ^使該熱轉移流體與該可電極化材料或與—與該可電 ㈣㈣㈣纽自該熱轉移 熱轉之祕將熱量轉換至電能之紐，其中該 5.如請求们之用於將熱量轉換至電能之方法 ==極化材料抽取熱能包含將—第二熱轉移麵之一流傳 路k可電極化材料或至一與該可電極化材料直接戍間 =材料，使得該熱能自該可電極化材料轉移至該第二熱轉移 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中在 f該負載後殘餘電荷留在該第—電極及該第二電極 壓。/、該等殘餘電荷提供用於下一個循環之該DC成極電 雷^山如請求項6之祕賴⑽魅電能之方法，其中在 =輸出至該負載後留在該第一電極及該第二電極上之該等 笑餘電荷使得該所得極化超過當將該可電極化材料自該第一 循環至該第二溫度時發生的在局部自由==之 ^如請求項丨之餘將熱量轉換至電能之方法，其進一 =1 3 自該第—電極及該第二電極輪出至 該電 处如β求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其中將 C添加至該可電極化材料及自該可電極化材料抽取該熱 S 66 201223114 月b包含將一流體流傳遞至該可電極化材料或至與該可電極 ： 材料直接或間接接觸之一材料，使得在該流艘與該可電極化杜 料之間交換該熱能。 10. 如請求項9之用於將熱量轉換至電能之方法，t 流體為水。 11. 如請求項9之用於將熱量轉換至電能之方法，其中該 流體自該氣體提取該熱能以將該氣體冷凝成該液體。 X 12. 如請求項9之用於將熱量轉換至電能之方法，其中一 或多個流體通道形成於該第一電極及該第二電極中之每一者 中、上或鄰近該第一電極及該第二電極中之每一者而形成，且 其中該流體經傳遞至該等流體通道，使得在該一或多個流體與 該可電極化材料的一或多個層之間交換該熱能。 〃 13. 如請求項12之用於將熱量轉換至電能之方法，其進 一步包含監視該流體之溫度及/或壓力。 、 如請求項1之用於將熱量轉換至電能之方法，其進一 步包含監視下列中之一或多者： 、 該可電極化材料之溫度； 該可電極化材料之電容； 該可電極化材料之極化；及/或 流至該第一電極及該第二電極及/或自該第一電極及該第 二電極流動之電流。 Λ 15· —種用於將一氣體冷凝成一液體之裝置，其包含： 一外體，其形成一腔室； ^在該腔室内部之一或多個管道，其用於傳送一冷卻流體， 該一或多個管道中之每一者具有一内表面及一外表面； 第電極’其由一導熱且導電材料在該一或多個管道中 67 201223114 之至少一者的該外表面之至少一部分上形成； 一第二電極，其由該導熱且導電材料形成，其中該第二電 極與該第一電極間隔開；及 在該第一電極與該第二電極之間的一可電極化材料之一 或多個層； 一在該外體中之冷卻流體入口； /在該外體中之冷卻流體出口； /在該外體中之氣體入口；及 〆在該外體中之冷凝物出口； 其中該一或多個管道與該冷卻流體入口及該冷卻流體出 雜連通’使得一冷卻流體可自該冷卻流體入口經由該一或 管道流至該冷卻流體出口；及 其中經由該氣體入口引入至該腔室内之一氣體接觸該一 戒 泠卻流體 夕#1管道’使得該熱能可自該氣體轉移至流經該一或多個管 ^ 丨6.如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 進/夕包含在該第二電極之與該一或多個可電極化材料層 其的〆表面上之一親水性材料。 如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 准〆资包含在該第一電極及該第一電極之邊緣上的電絕緣。 务 18.如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， /少包含在該一或多個管道之该外表面及/或該内表面上 或多個鰭。 ’ 如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 中该〆或多個管道中之每一者為一管。 2〇.如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， S 68 201223114 其進一步包含在該腔室内部之一或多個隔板。 21. 如請求項20之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 其中該一或多個隔板及該外體形成一穿過該腔室之通道，且其 中經由該氣體入口引入至該腔室内之該氣體可經由該通道流 向該冷凝物出口。 22. 如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 其中該一或多個管道中之至少一者的至少一部分包含一導熱 且導電材料之一外層，且其中該外層為該第一電極。 23. 如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 其進一步包含在該第二電極之該等邊緣上的電絕緣。 24. 如請求項16之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 其進一步包含在該第二電極之該等邊緣上及/或在該一或多個 可電極化材料層之該等邊緣上的一親水性材料。 25. 如請求項15之用於將一氣體冷凝成一液體之裝置， 其進一步包含一氣體出口以允許尚未在該腔室中冷凝之氣體 退出該腔室。 26. —種用於將熱量轉換至電能之裝置，其包含： 一第一電極，其由一導熱且導電材料形成； 一第二電極，其由一導熱且導電材料形成，其中該第二電 極與該第一電極間隔開； 在該第一電極與該第二電極之間的一或多個可電極化材 料層； 一第一熱交換器，其用於將一熱能添加至該一或多個可電 極化材料層，其中該熱交換器與一熱源熱連通；及 一第二熱交換器，其用於自該一或多個可電極化材料層移 除該熱能，其中該熱交換器與一第一散熱片熱連通； 69 201223114 其中該熱源為一用於將一氣體冷凝成一液體之裝置。 27. 如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 用於將一氣體冷凝成一液體之該裝置為一表面冷凝裝置或一 直接或間接氣冷式冷凝裝置。 28. 如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 用於將一氣體冷凝成一液體之該裝置與一散熱片熱連通。 29. 如請求項28之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 該第二熱交換器及用於將一氣體冷凝成一液體之該裝置與同 一散熱片熱連通。 30. 如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 用於將一氣體冷凝成一液體之該裝置包含： 一外體，其形成一腔室； 在該腔室内部之一或多個管道，其用於傳送一冷卻流體， 該一或多個管道中之每一者具有一内表面及一外表面； 一在該外體中之冷卻流體入口； 一在該外體中之冷卻流體出口； 一在該外體中之氣體入口；及 一在該外體中之冷凝物出口； 其中該一或多個管道與該冷卻流體入口及該冷卻流體出 口流體連通，使得一冷卻流體可自該冷卻流體入口經由該一或 多個管道流至該冷卻流體出口；及 其中經由該氣體入口引入至該外體内之一氣體接觸該一 或多個管道，使得一熱能可自該氣體轉移至流經該一或多個管 道之該冷卻流體。 31. 如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進 一步包含： 201223114 一控制電路，該控制電路： 藉由分別使用該第-熱交換器及該第二熱哭 將該熱能添加至該一或多個可電極化材料芦纺二=地 可電極化材料層抽取該熱能在—第—溫度愈 二二、夕個 二循環該「或多個可電極化材料層，其中該可電極 在該第一溫度下之一自發極化，且其中由該带 ；現 二溫度下展現之該自發極化比由該可電極：=該 溫度下展現之該自發極化小； 了 叶隹该第一 恩Λ中Γ DC成極電壓經施加至該—衫個可電極化材粗 二’使传當該材料處於包括該第—溫度的熱循環之 '八 中時，該可電極化材料產生—總體淨自發極化且 2 於該第一電極及該第二電極上；及 電何產生 其中該第一電極及該第二電極連接至一負載， :極處於包括該第二溫度的熱循環之-第二；“ 時’電此自該第-電極及該第二電極輸出至該負載。 六求項31之餘將熱量轉触魏之裝置，其中 在電月b輸出至該負載後殘餘電荷留在該第-電缺該第二雷 =。Χ Λ +€荷提供用於下一個循環之該^ C成極 請求項32之用於將轉換至魏之裝置，盆中 在電此輸出至該負载後留在該第—電極 ς 所得極化超過當將該可電極化 之該=該第二溫度時發生的在局部自由能最大值下 該控之^於_轉__置，其中 進^包含一在一電路中與該第一電極及該第二 € 71 201223114 電極及該負載連接之全波整流器。 一 35.如請求項34之用於將熱量轉換至 當在該初始循環後熱循環時，該第一電榀 、，八中 接至該負載。 1極及该第二電極保持連 制電:6.:如請求項31之用於將熱量轉換至電能之裝置，該控 在每-魏之該卜科#游將 極連接至該負載；及 电肛夂这第一電 在每一循環之該第一部分期間，將 該-或多個可電極化材料層。祕電壓施加至 項34之用於將熱量轉換至電能之裝置，盆中 = 環期間在該DC成極電壓與該負載之間切 換該第t極及該弟二電極，使得在每 及該第二電極連接至請成極電壓或該負載』1料電極 ㈣^如睛求項31之用於將熱量轉換至電能之褒置，其中 該第二溫度比該第一溫度高。 …39.如請求項31之用於將熱量轉換至電能之i置， 3亥第一溫度比該第二溫度高。 八 40. 如請求項31之用於將熱量轉換至電能之裝置，苴中 ίΓίί個可電極化材料層中之每一者具有一相轉變溫度:在 ~目轉t:溫度處該材料在該材料展現該自發極化之—相與該 材料不展現自發極化之一相之間轉變。 41. 如請求項40之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 該=電極化材料處於在該第—溫度該第—溫度及該第二溫度 下展現該自發極化的該相中。 42. 如請求項4〇之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 S 72 201223114 ί可於在該第—溫度下展現該自發極化的該相 減#嫩蝴^咖展現該自發 兮26之用於將熱夏轉換至電能之裝置，其中 該可電極化材料為-可電極化非晶形聚合物材料。 44. 如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，立中 該-或多個可電極化材料層中之每—者包含—具有—居里溫 ，Tc之鐵電材料，使得當該鐵電材料之該溫度_居里^ Tc低時，該鐵電材料處於—鐵電相，且當該鐵電材料之該^ 比該居里溫度Te大時，該鐵電材料處於—順電或—反鐵電^ 45. 如請求項30之用於將熱量轉換至電能之裝置， 二步包含-DC電壓源，在該初始循環期間，該控制電路將 材ίίΓί電壓源之—DC成極電壓施加至該1多個可電極化 46.如請求項32之用於將熱量轉換至電能之裝置， 了步包含-詩量聰留在該第—電極及該第二電 = ，殘餘電荷之量之科，當該等殘餘電荷達到_預定位日二 该控制電路將該第—電極及該第二電極與該負載斷開連接γ ’ ▲々47.如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其 β亥第熱乂換器及該第二熱交換器中之每一者包含—芎件、宜 用於將-流體流傳遞至該-或多個可電極化材料層^至與^ :或多個可電極化材料層直接或間接接觸之一材料，使得誃= 忐經在該流體與該一或多個可電極化材料層之間交換。〜、、、 :48.如请求項47之用於將熱量轉換至電能之裝置，其 該第一熱交換器及該第二熱交換器中之每一者進一步包&一 用於監視該流體之溫度之溫度量測器件及/或一用於監视^漭

   73 201223114 體之壓力之壓力量㈣件。 _ 49.如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 或多個流體通道形成於該第一電極及該第二電極中之每一 中'上或鄰近該第一電極及該第二電極中之每一者而形成， 且其t該第一熱交換器及該第二熱交換器中之每一者將一流 體傳遞至該等雜通道，使得減絲職體無 電極化材料層之間交換。 50. 如請求項47之用於將熱量轉換至電能之裝置，其中 該第一熱交換器及該第二熱交換器中之每一者包含用於控制 該流體之該流的一或多個控制閥。 51. 如請求項50之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進 一步包含一或多個微控制器(Microllers，MC)，其中該一或多個 控制閥中之每一者由一或多個微控制器控制。 52. 如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其進 一步包含： 一溫度量測器件，其用於監視該一或多個可電極化材料層 之該溫度； 一電容量測器件，其用於監視該一或多個可電極化材料層 之電容； 一極化量測器件’其用於監視該一或多個可電極化材料層 之極化；及/或 一電流量測器件，其用於監視去往及/或來自該等電極之 電流。 53. 如請求項26之用於將熱量轉換至電能之裝置，其包 含在該第一電極與該第二電極之間按一堆疊排列之複數個可 電極化材料層。 201223114 _電路包含一二之一用置，，中 1=關’其巾該_連接賊第 第二=::該斷開位置中時’電流不在該第-電極與該 一電連—γγ^，請電麵跨該第 及該if亥第二閉合位置中時，該負載跨該第-電極 當該開關處於該第^及—第二電阻器，其中： DC電壓源串聯；及 才° 中時’該第一電阻器與該 其中富5亥開關處於該裳_ 人 該第二電阻器與該負載串聯了才口位置中時，該第-電阻器及 中該控制電熱4轉換至電能之裝置置，其 該第二閉合位置中時3 ’且其中當該開關“ 極而連接。 存辑跨該第―電極及該第二電 75