(57)【要約】【課題】電気熱量効果を利用したヒートポンプシステムにおいて、熱輸送性能を向上させる。【解決手段】電気熱量効果を有する強誘電体１４、１５と、強誘電体に電界を印加するための第１、第２電極１６、１７、１８と、強誘電体で発生した熱を輸送する液相の熱輸送媒体１１と、強誘電体１４、１５、電極１６、１７、１８および熱輸送媒体１１を収容する筐体１０とを備えている。熱輸送媒体１１は導電性を有しており、第１電極１６、１７は熱輸送媒体１１に接しておらず、第２電極１８は熱輸送媒体１１に接しており、かつ、グランドに接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気熱量効果を有する強誘電体（１４、１５、２３、２８、３０）と、
前記強誘電体に電界を印加するための第１、第２電極（１６、１７、１８、２０、２４、２５、２６、２７、２９、３１）と、
前記強誘電体で発生した熱を輸送する液相の熱輸送媒体（１１）と、
前記強誘電体、前記電極および前記熱輸送媒体を収容する筐体（１０）と、
を備え、
前記熱輸送媒体は導電性を有しており、
前記第１電極（１６、１７、２４、２９、３１）は前記熱輸送媒体に接しておらず、
前記第２電極（１８、２０、２５、２６、２７）は前記熱輸送媒体に接しており、かつ、グランドに接続されているヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記第２電極（１８、２０、２５、２６）は、前記熱輸送媒体を介して前記強誘電体と電気的に接続している請求項１に記載のヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記第１電極（２４、２９、３１）は、前記強誘電体（２３、２８、３０）に覆われている請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記強誘電体は複数設けられており、隣り合う前記強誘電体の間を前記熱輸送媒体が流通可能となっている請求項１ないし３のいずれか１つに記載のヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記筐体は絶縁性を有している請求項１ないし４のいずれか１つに記載のヒートポンプシステム。
【請求項６】
前記第１、第２電極に周期的に電圧を印加する電圧源（１９）を備える請求項１ないし５のいずれか１つに記載のヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記電圧源による前記第１、第２電極への電圧の印加は、前記熱輸送媒体が電気分解される電位より低い電位となるように行われる請求項６に記載のヒートポンプシステム。
【請求項８】
前記電圧源による前記第１、第２電極への電圧の印加は、分極が反転する抗電界以上の電界を前記強誘電体の印加可能な周波数で行われる請求項６または７に記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気熱量効果を利用したヒートポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体は電気熱量効果（Electrocaloric effect）を備えており、電界を印加すると発熱し、電界を除去すると吸熱するという特性がある。強誘電体は絶縁体であり、損失となるリーク電流はほとんど流れないため、高効率なヒートポンプシステムが構築可能である。一方、強誘電体は、素子自体が発熱と吸熱を繰り返すため、強誘電体から熱を輸送するシステムが別途必要になる。
【０００３】
例えば特許文献１では、電気熱量構造体と対象物との物理的な接触と非接触によって熱輸送を行うことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５９７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、電気熱量構造体と対象物が接触している間しか熱輸送できないこと、電気熱量構造体と対象物の接触及び非接触の切り替えに時間を要することから、熱輸送効率が低くなる。また、物理的な接触及び非接触を繰り返すことで、騒音や疲労破壊の問題が生じる。以上の問題は液体などの熱輸送媒体を使用することで解決することができる。
【０００６】
熱輸送媒体を利用するヒートポンプシステムとして、強磁性体が有する磁気熱量効果を利用したＡＭＲ（Active Magnetic Regenerator）方式がある。このヒートポンプシステムでは、熱輸送媒体として液体を利用しており、高効率な熱輸送が可能となっている。ＡＭＲ方式のヒートポンプシステムでは、ケースに強磁性体及び液体からなる熱輸送媒体を収容し、強磁性体への磁場の印加・除去に応じて、熱輸送媒体を強磁性体の一端側及び他端側の間を往復移動させることで、一端側及び他端側の間に温度勾配を形成する。
【０００７】
このＡＭＲ方式のヒートポンプシステムの強磁性体による磁気熱量効果を利用する部分を強誘電体の電気熱量効果に変更すれば、ＡＭＲ同様、電気熱量効果を利用したヒートポンプシステムでも高効率なシステムが構築できることが期待される。この方式をＡＥＲ（Active Electric Regenerator）方式と呼ぶ。しかしながら、ＡＥＲ方式のヒートポンプシステムでは、強誘電体を挟んだ電極間に高い電圧を印加するため、導電性を有する液体を介して電極間や電極とケースとの間でショートするおそれがある。これに対して、フロリナートのような絶縁性の液体を熱輸送媒体として用いることが考えられるが、絶縁性の液体は熱伝導率が悪く、熱輸送性能が低下する。
【０００８】
本発明は上記点に鑑み、電気熱量効果を利用したヒートポンプシステムにおいて、熱輸送性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電気熱量効果を有する強誘電体（１４、１５、２３、２８、３０）と、強誘電体に電界を印加するための第１、第２電極（１６、１７、１８、２０、２４、２５、２６、２７、２９、３１）と、強誘電体で発生した熱を輸送する液相の熱輸送媒体（１１）と、強誘電体、電極および熱輸送媒体を収容する筐体（１０）と、を備え、
熱輸送媒体は導電性を有しており、第１電極（１６、１７、２４、２９、３１）は熱輸送媒体に接しておらず、第２電極（１８、２０、２５、２６、２７）は熱輸送媒体に接しており、かつ、グランドに接続されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、導電性の熱輸送媒体を用いることで、熱輸送媒体の熱伝導率を高くすることができ、強誘電体で発生した熱の熱輸送性能を向上させることができる。
【００１１】
また、熱輸送媒体に接している他方の電極をグランドに接続することで、熱輸送媒体の電位を接地電位にすることができる。このため、強誘電体には電圧が印加されるものの、熱輸送媒体には電圧が印加されず、導電性の熱輸送媒体を介してショートが発生することを防止できる。
【００１２】
なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、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る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態のヒートポンプシステムの概念図である。
【図２】第２実施形態のヒートポンプシステムの概念図である。
【図３】第３実施形態のヒートポンプシステムの概念図である。
【図４】第４実施形態のヒートポンプシステムの概念図である。
【図５】第５実施形態のヒートポンプシステムの概念図である。
【図６】第６実施形態のヒートポンプシステムの概念図である。
【図７】第７実施形態のヒートポンプシステムの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１５】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態のヒートポンプシステムは、熱輸送媒体１１を収容する筐体１０を備えている。筐体１０は絶縁性を有しており、例えば樹脂材料のような絶縁性材料から構成されている。筐体１０は、少なくとも外表面と、後述する非接地電極１６、１７と接地電極１８の間が絶縁されていればよい。
【００１７】
筐体１０の内部には、液相の熱輸送媒体１１が充填されている。熱輸送媒体１１は、導電性を有する液体であり、例えば水やエチレングリコール水溶液等を用いることができる。熱輸送媒体１１は、後述する強誘電体１４、１５で発生した熱を輸送する。
【００１８】
筐体１０の内部には、流路形成部材１２が設けられている。流路形成部材１２は、筐体１０の内部に熱輸送媒体１１の流路を形成する。流路形成部材１２は、筐体１０と同様に絶縁性を有しており、例えば樹脂材料のような絶縁性材料から構成されている。
【００１９】
筐体１０には、ポンプ１３が設けられている。ポンプ１３を作動させることで、筐体１０の内部で熱輸送媒体１１を流動させることができる。ポンプ１３は、熱輸送媒体１１の流動方向を変更することができる。このため、熱輸送媒体１１は、流路形成部材１２によって形成された流路を往復移動可能となっている。
【００２０】
筐体１０の内部には、強誘電体１４、１５が設けられている。本実施形態では、２つの強誘電体１４、１５が設けられている。
【００２１】
強誘電体１４、１５は、電気双極子を有しており、かつ電気双極子の方向を外部電界によってコントロール可能な物質である。強誘電体１４、１５としては、例えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）のような有機材料を用いることができる。
【００２２】
強誘電体１４、１５は、電界を印加すると発熱し、電界を除去すると吸熱する電気熱量効果を有している。電気熱量効果は、電界によって強誘電体１４、１５内の電気双極子モーメントが変化し、これに伴うエントロピ変化によって発熱・吸熱が起こる現象である。
【００２３】
第１強誘電体１４は、筐体１０の内壁面に設けられている。第２強誘電体１５は、流路形成部材１２に設けられている。第１強誘電体１４および第２強誘電体１５は、筐体１０の内部空間に露出しており、熱輸送媒体１１に接触している。第１強誘電体１４および第２強誘電体１５は、所定距離離れて対向して配置されている。隣り合う強誘電体１４、１５の間を熱輸送媒体１１が流通可能となっている。
【００２４】
ヒートポンプシステムには、強誘電体１４、１５に電界を印加するための非接地電極１６、１７および接地電極１８が設けられている。本実施形態では、２つの非接地電極１６、１７と、１つの接地電極１８が設けられている。なお、非接地電極１６、１７が本発明の第１電極に相当し、接地電極１８が本発明の第２電極に相当している。
【００２５】
非接地電極１６、１７は、強誘電体１４、１５に直接接しており、強誘電体１４、１５と電気的に接続されている。
【００２６】
第１非接地電極１６は第１強誘電体１４に対応して設けられており、第２非接地電極１７は第２強誘電体１５に対応して設けられている。第１非接地電極１６は第１強誘電体１４における熱輸送媒体１１と接触する部位の反対側に設けられ、第２非接地電極１７は第２強誘電体１５における熱輸送媒体１１と接触する部位の反対側に設けられている。
【００２７】
第１非接地電極１６は筐体１０に埋め込まれており、第２非接地電極１７は流路形成部材１２に埋め込まれている。このため、非接地電極１６、１７は熱輸送媒体１１と接触しておらず、非接地電極１６、１７と熱輸送媒体１１との間は絶縁されている。
【００２８】
接地電極１８は、筐体１０の内壁に設けられている。接地電極１８は、熱輸送媒体１１と接触している。接地電極１８は、グランドに接続されている。このため、接地電極１８の電位と、接地電極１８と接触している筐体１０および熱輸送媒体１１の電位は、接地電位となる。
【００２９】
接地電極１８と強誘電体１４、１５との間には熱輸送媒体１１が存在している。このため、強誘電体１４、１５における熱輸送媒体１１と接触している部位と、接地電極１８は、導電性の熱輸送媒体１１を介して電気的に接続されている。
【００３０】
非接地電極１６、１７および接地電極１８は、配線によって電圧源１９に接続されている。電圧源１９は、非接地電極１６、１７および接地電極１８に電圧を印加する。これにより、強誘電体１４、１５に電界が印加される。電圧源１９による電圧印加は、周期的にオンオフされる。この結果、強誘電体１４、１５に対する電界の印加および除去が周期的に行われる。電圧源１９による電極１６、１７、１８への電圧印加の周期数がヒートポンプシステムの駆動周波数となる。
【００３１】
ただし、実際には熱輸送媒体１１にも抵抗成分が存在する。このため、電圧源１９による電極１６、１７、１８への電圧印加時に、熱輸送媒体１１にいくらかの電圧が印加されてしまい、熱輸送媒体１１が電気分解される可能性がある。熱輸送媒体１１の電位は、熱輸送媒体１１の抵抗率の他、ヒートポンプシステムの駆動周波数、強誘電体１４、１５の静電容量等の複数のパラメータに依存すると推定される。本実施形態では、電圧源１９による電極１６、１７、１８への電圧印加を、熱輸送媒体１１が電気分解される電位より低い電位となる電圧および周波数で行うようにしている。
【００３２】
また、熱輸送媒体１１と強誘電体１４、１５の間には電気二重層が形成され、容量成分が直列接続した回路構成となる。電気二重層と強誘電体１４、１５の容量の関係から、ヒートポンプシステムの駆動周波数によっては強誘電体に電圧が充分に印加されない可能性がある。このため、ヒートポンプシステムは、強誘電体１４、１５に電圧が充分に印加できる範囲の周波数で駆動する必要がある。そこで、本実施形態では、電圧源１９による電極１６、１７、１８への電圧印加を、分極が反転する抗電界以上の電界を強誘電体１４、１５に印加できる範囲の周波数で行っている。
【００３３】
ここで、上記構成のヒートポンプシステムの作動について説明する。
【００３４】
（１）まず、電圧源１９による非接地電極１６、１７および接地電極１８への電圧印加を行う。これにより、強誘電体１４、１５に電界が印加され、強誘電体１４、１５が発熱する。強誘電体１４、１５の発熱によって熱輸送媒体１１が加熱される。
【００３５】
（２）次に、ポンプ１３によって２つの非接地電極１６、１７の間で熱輸送媒体１１を第１の流動方向に流動させる。第１の流動方向は、例えば図１における右から左に向かう方向とすることができる。これにより、２つの非接地電極１６、１７の一端側（例えば左側）が高温端となる。
【００３６】
（３）次に、電圧源１９による非接地電極１６、１７および接地電極１８への電圧印加を停止する。これにより、強誘電体１４、１５から電界が除去され、強誘電体１４、１５が吸熱する。強誘電体１４、１５の吸熱によって熱輸送媒体１１が冷却される。
【００３７】
（４）次に、ポンプ１３によって２つの非接地電極１６、１７の間で熱輸送媒体１１を第２の流動方向に流動させる。第２の流動方向は、第１の流動方向の反対方向であり、例えば図１における左から右に向かう方向とすることができる。これにより、２つの非接地電極１６、１７の他端側（例えば右側）が低温端となる。
【００３８】
これらの（１）〜（４）の過程を繰り返すことで、熱輸送媒体に温度勾配ができ、高温端と低温端との間に大きな温度差を生成することができる。
【００３９】
以上説明した本実施形態では、導電性の熱輸送媒体１１を用いることで、熱輸送媒体１１の熱伝導率を高くすることができ、強誘電体１４、１５で発生した熱の熱輸送性能を向上させることができる。
【００４０】
また、本実施形態では、強誘電体１４、１５に電界を印加するための電極１６、１７、１８のうち、非接地電極１６、１７は熱輸送媒体１１に接しておらず、接地電極１８は熱輸送媒体１１に接しており、かつ、接地電極１８はグランドに接続されている。このため、熱輸送媒体１１の電位を接地電位にすることができ、強誘電体１４、１５には電圧が印加されるものの、熱輸送媒体１１には電圧が印加されない。これにより、導電性の熱輸送媒体１１を介してショートが発生することを防止できる。
【００４１】
また、本実施形態では、導電性の熱輸送媒体１１を介して接地電極１８と強誘電体１４、１５が電気的に接触している。これにより、熱輸送媒体１１の抵抗成分による電圧低下を抑制でき、熱輸送媒体１１を介して接地電極１８から強誘電体１４、１５に電圧を印加することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、非接地電極１６、１７と熱輸送媒体１１との間は絶縁されているので、熱輸送媒体１１を介して非接地電極１６、１７と接地電極１８の間がショートすることを防止できる。
【００４３】
また、本実施形態では、強誘電体１４、１５が熱輸送媒体１１と直接接触している。これにより、強誘電体１４、１５の熱を熱輸送媒体１１に効率よく伝達することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、隣り合う強誘電体１４、１５の間に熱輸送媒体１１が流通可能となっている。これによっても、強誘電体１４、１５の熱を熱輸送媒体１１に効率よく伝達することができる。
【００４５】
また、本実施形態では、絶縁性を有する筐体１０を用いている。これにより、強誘電体１４、１５に高電圧を印加する電極１６、１８が筐体１０に接触する場合においても、筐体１０から漏電することを防止できる。
【００４６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４７】
図２に示すように、本第２実施形態では、上記第１実施形態と比較して、接地電極２０の構成が異なっている。本第２実施形態では、接地電極２０が２つの強誘電体１４、１５の間に設けられている。接地電極２０は、第１強誘電体１４および第２強誘電体１５の両方に対して所定距離離れて対向して配置されている。接地電極２０は、上記第１実施形態に比較して、第１強誘電体１４および第２強誘電体１５に近接している。
【００４８】
本第２実施形態によれば、接地電極２０が強誘電体１４、１５に対向して近接配置されている。このため、接地電極２０によって強誘電体１４、１５に電界を印加する際の電力損失を抑制できる。
【００４９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５０】
図３に示すように、本第３実施形態では、上記各実施形態と比較して、接地電極２１、２２の構成が異なっている。本第３実施形態では、２つの接地電極２１、２２が設けられている。本第３実施形態の接地電極２１、２２は、強誘電体１４、１５に直接接触している。第１接地電極２１は、第１強誘電体１４における第１非接地電極１６が設けられた側の反対側に接触するように配置されている。第２接地電極２２は、第２強誘電体１５における第２非接地電極１７が設けられた側の反対側に接触するように配置されている。
【００５１】
本第３実施形態によれば、接地電極２１、２２が強誘電体１４、１５に直接接触していることから、接地電極２１、２２によって強誘電体１４、１５に電界を印加する際の電力損失を抑制できる。
【００５２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５３】
図４に示すように、本第４実施形態では、上記第１実施形態と比較して、強誘電体２３および非接地電極２４の構成が異なっている。本第４実施形態では、１つの強誘電体２３と１つの非接地電極２４が設けられている。非接地電極２４は強誘電体２３の内部に埋め込まれている。つまり、非接地電極２４は全体が強誘電体２３に覆われている。このため、強誘電体２３は熱輸送媒体１１と接触しているのに対し、非接地電極２４は熱輸送媒体１１と接触していない。
【００５４】
本第４実施形態によれば、非接地電極２４の全体が強誘電体２３に覆われており、強誘電体２３の外表面全体が熱輸送媒体１１と接触している。このため、強誘電体２３と熱輸送媒体１１との接触面積を極力大きくすることができ、強誘電体２３の熱を熱輸送媒体１１に効率よく伝達することができる。
【００５５】
また、非接地電極２４の全体が強誘電体２３に覆われていることから、非接地電極２４と熱輸送媒体１１との間の絶縁性を向上させることができる。
【００５６】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５７】
図５に示すように、本第５実施形態では、上記第４実施形態と比較して、接地電極２５、２６の構成が異なっている。本第５実施形態では、２つの接地電極２５、２６が設けられている。第１接地電極２５および第２接地電極２６は、強誘電体２３の外表面に対向して近接配置されている。第１接地電極２５は、筐体１０の内壁面における強誘電体２３に対向する部位に配置されている。第２接地電極２６は、流路形成部材１２における強誘電体２３に対向する部位に配置されている。
【００５８】
本第５実施形態によれば、接地電極２５、２６が強誘電体２３に対向して近接配置されている。このため、接地電極２５、２６によって強誘電体２３に電界を印加する際の電力損失を抑制できる。
【００５９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６０】
図６に示すように、本第６実施形態では、上記第４実施形態と比較して、接地電極２７の構成が異なっている。本第６実施形態では、非接地電極２４が強誘電体２３の内部に埋め込まれており、さらに非接地電極２４および強誘電体２３が接地電極２７の内部に埋め込まれている。つまり、強誘電体２３は全体が接地電極２７に覆われており、強誘電体２３と接地電極２７が直接接触している。
【００６１】
本第６実施形態によれば、強誘電体２３は全体が接地電極２７と直接接触している。このため、接地電極２３によって強誘電体２７に電界を印加する際の電力損失を抑制できる。
【００６２】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６３】
図７に示すように、本第７実施形態では、上記第４実施形態と比較して、強誘電体２３、２８、３０と非接地電極２４、２９、３１が複数組設けられている点が異なっている。本第７実施形態では、強誘電体２３、２８、３０と、強誘電体２３、２８、３０に覆われた非接地電極２４、２９、３１が３組設けられている。具体的には、第１非接地電極２４は全体が第１強誘電体２３に覆われており、第２非接地電極２９は全体が第２強誘電体２８に覆われており、第３非接地電極３１は全体が第３強誘電体３０に覆われている。
【００６４】
本第７実施形態によれば、多段に配置された複数の強誘電体２３、２８、３０がそれぞれ熱輸送媒体１１と接触している。このため、強誘電体２３、２８、３０と熱輸送媒体１１との接触面積を極力大きくすることができ、強誘電体２３、２８、３０の熱を熱輸送媒体１１に効率よく伝達することができる。
【００６５】
また、本第７実施形態のように、非接地電極２４、２９、３１が強誘電体２３、２８、３０に覆われている構成であれば、強誘電体２３、２８、３０の多段化を容易に行うことができる。
【００６６】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１０    筐体
１１    熱輸送媒体
１４、１５、２３、２８、３０  強誘電体
１６、１７、２４、２９、３１  非接地電極（第１電極）
１８、２０、２５、２６、２７  接地電極（第２電極）
１９    電圧源
【図１】
2020003082.tif 000003
【図２】
2020003082.tif 000004
【図３】
2020003082.tif 000005
【図４】
2020003082.tif 000006
【図５】
2020003082.tif 000007
【図６】
2020003082.tif 000008
【図７】
2020003082.tif 000009