(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１ミクロン〜１００ミクロンの厚さの範囲内の薄膜ポリマーまたはセラミック材料と、
電極付き活性薄膜材料を形成するように薄膜材料の両側に連結される電極と、
を備えるヒートポンプ要素であって、
前記電極付き活性薄膜材料は、１０ミクロン〜１０ミリメートルの厚さの範囲内のチャネル中の熱伝達流体によって分離され、また熱伝達流体に密接に接触し、前記流体は課される圧力場によって前記要素を通して前後に移動されることが可能であり、
前記熱伝達流体は、前記電極付き活性薄膜材料と直接熱的に接触する周囲空気であり、
前記周囲空気は、前記活性膜上での凝縮を防止するように過剰冷却または乾燥技術を使用して除湿されることを特徴とするヒートポンプ要素。
【請求項２】
０．１ミクロン〜１００ミクロンの厚さの範囲内の薄膜ポリマーまたはセラミック材料と、
電極付き活性薄膜材料を形成するように薄膜材料の両側に連結される電極と、
を備えるヒートポンプ要素であって、
前記電極付き活性薄膜材料は、１０ミクロン〜１０ミリメートルの厚さの範囲内のチャネル中の熱伝達流体によって分離され、また熱伝達流体に密接に接触し、前記流体は課される圧力場によって前記要素を通して前後に移動されることが可能であり、
前記薄膜材料および電極は、薄膜材料および電極の多層材料の一部として含まれ、
前記多層材料は、疲労を防止するよう薄膜材料を支持するように構成された少なくとも１つの基板をさらに含み、前記少なくとも１つの基板は、最小の可能なビオ数で最小の必要な支持を提供するように最適化され、
前記少なくとも１つの基板は、複数の基板を備え、前記複数の基板は、熱伝達流体流れ用のチャネルを作成するように前記薄膜材料を分離するための拡張部分を備え、
前記薄膜材料は、基板−セパレータに面する電極が、前記基板または流体にわたるアーキングを防止するように、同じ極性で通電されるように配置されることを特徴とするヒートポンプ要素。
【請求項３】
０．１ミクロン〜１００ミクロンの厚さの範囲内の薄膜ポリマーまたはセラミック材料と、
電極付き活性薄膜材料を形成するように薄膜材料の両側に連結される電極と、
を備えるヒートポンプ要素であって、
前記電極付き活性薄膜材料は、１０ミクロン〜１０ミリメートルの厚さの範囲内のチャネル中の熱伝達流体によって分離され、また熱伝達流体に密接に接触し、前記流体は課される圧力場によって前記要素を通して前後に移動されることが可能であり、
前記薄膜材料および電極は、薄膜材料および電極の多層材料の一部として含まれ、
前記多層材料は、疲労を防止するよう薄膜材料を支持するように構成された少なくとも１つの基板をさらに含み、前記少なくとも１つの基板は、最小の可能なビオ数で最小の必要な支持を提供するように最適化され、
少なくとも１つの基板が、前記電極によって通電されるように構成された場活性物質を備え、前記電極は、前記少なくとも１つの基板の寄生影響を相殺する容量を生成するために活性膜に通電するように構成されることを特徴とするヒートポンプ要素。
【請求項４】
０．１ミクロン〜１００ミクロンの厚さの範囲内の薄膜ポリマーまたはセラミック材料と、
電極付き活性薄膜材料を形成するように薄膜材料の両側に連結される電極と、
を備えるヒートポンプ要素であって、
前記電極付き活性薄膜材料は、１０ミクロン〜１０ミリメートルの厚さの範囲内のチャネル中の熱伝達流体によって分離され、また熱伝達流体に密接に接触し、前記流体は課される圧力場によって前記要素を通して前後に移動されることが可能であり、
前記薄膜材料は、前記流体と前記薄膜材料との密接な接触を提供するために熱伝達流体用のチャネルを作成するように機械加工された縦方向の溝またはクロスドリル孔を備えることを特徴とするヒートポンプ要素。
【請求項５】
前記薄膜材料はその一部が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、およびチタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）のうちの少なくとも１つから作成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ要素。
【請求項６】
前記多層材料は、ほぼ１〜１０層を含むことを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ要素。
【請求項７】
前記薄膜材料は、単一層と、一緒に積層される、単一層に関連する基板とを備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ要素。
【請求項８】
前記流体内に温度勾配を作るとともに温度上昇を増大させるように前記薄膜材料が通電および遮断される間、前記ヒートポンプ要素は、前記熱伝達流体を前後に移動させるよう構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ要素。
【請求項９】
前記ヒートポンプ要素は、ヒートポンプの容量対入力電力の最大比率を提供するために前記ヒートポンプ要素に必要とされる相対的な容量および温度上昇の関数である位相関係で前記流体流れの振動に前記薄膜材料の作動を同期させるように構成されることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ要素。
【請求項１０】
前記薄膜材料および電極は、流体層および基板層に連結される層であり、前記薄膜材料、電極および基板層は、流れの方向において熱伝導を減少させるように、流体流れの方向にセグメント化され、流体が充填された隙間によって分離されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ要素。
【請求項１１】
前記薄膜材料のキュリー温度は、各セグメントにおける前記材料のキュリー温度が前記要素の設計条件での前記セグメントの期待される作動温度により近くなるように、連続的に、またはセグメントからセグメントへと勾配が付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ要素。
【請求項１２】
前記ヒートポンプ要素は、熱伝達流体用のチャネルを備える基板上への電気熱量セラミックまたはポリマーおよび電極の溶液堆積または真空蒸着によって作成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ要素。
【請求項１３】
前記熱伝達流体用のチャネルは、セラミックのハニカム構造を備えることを特徴とする請求項１２に記載のヒートポンプ要素。
【請求項１４】
前記熱伝達流体は、少なくとも部分的に気体または蒸気であり、流体運動の作動は、電気熱量効果（ＥＣＥ）と圧縮の両方の温度上昇を加える組み合わされたサイクルを生成するように、薄膜材料の通電および遮断との制御された位相関係で同期される、圧縮、移動、膨張および移動の順序を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヒートポンプ要素。
【請求項１５】
ＥＣＥに対して不活性である不活性物質が、ＥＣＥと圧縮との間に温度上昇のバランスを提供するように前記薄膜材料または基板に連結されることを特徴とする請求項１４に記載のヒートポンプ要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械的歪み、磁界または電界を受けるときの断熱温度変化を示す物質が、ヒートポンプサイクルを製造するために使用されてきた。基本サイクルは図１に示されている。状態１では、材料は定常温度であり、材料に直接印加される定常の磁界または電界にさらされる。印加される磁界または電界強度が上昇すると、状態２での材料温度が上昇する。熱は、状態３において高温のアンビエント値の近くで材料の温度を下げる、熱い周囲環境に排熱される。これは周囲空気と活性物質を直接接触させることを通して最適に完了される。磁界または電界強度の減少により、状態４で材料温度が減少する。このサイクルは、次に熱を冷たい環境から吸収することにより、また好ましくは直接接触させることにより、完了し、材料温度を状態１の値に戻して上昇させる。このサイクルは、排熱に関連する磁界または電界作動のタイミングに依存する、ほぼ理想的なカルノーサイクル、ブレイトンサイクルまたはエリクソンサイクルであり得る。
【０００３】
電気熱量材料または磁気熱量材料として既知で入手可能な断熱温度の上昇は、通常、環境制御のようなたいていの商用のヒートポンプの用途に必要な上昇よりも低い。温度を上昇させるためによく知られた手法の１つ（容量を犠牲にして）は、温度の再生である。再生は温度勾配を拡大し、これにより磁界または電界アクティブ型材料を組み込む再生器における温度上昇を増大させるために使用される。
【０００４】
再生熱交換器は、ヒートポンプを提供するために、磁界または電界アクティブ型材料よりもむしろ流体圧縮を使用するサイクルにおいては一般的である。例えば、変更されたスターリングサイクルを印加する熱音響冷却器が通常、使用されている。これらの装置は、要素の両側に、１つまたは複数の音響ドライバ、共鳴容積、再生要素および熱交換器を含む。この技術の根本は、再生熱交換器内の流体を圧縮し、膨張させ、さらに軸方向に移動させる圧力および速度の変動の励起である。流体は、圧縮されるときに１つの軸方向位置で再生器マトリックスに熱を放出し、膨張されるときに異なる軸方向位置で熱を吸収し戻す。これらの熱交換は、再生器マトリックスと再生器内の流体によって共有される温度勾配を作る。この勾配は、熱を移動させるために、上述の磁界または電界アクティブ型再生器の場合に類似した方法で、高温と低温の熱交換器の間を往復移動する。類似しているのは、再生器内の流体が、いくつかの機械的手段によって軸方向に移動されることである。しかしながら、それらは磁界または電界アクティブ型の場合では、ヒートポンプのための仕事はもっぱら、再生器の固体材料に課される磁界または電界から来て、流体は再生用に熱容量を提供し、一方、熱音響の場合では、ヒートポンプのための仕事は再生器内の流体の圧縮／膨張から来て、再生器の固体材料は再生器に熱容量を提供するという点で異なる。また、熱音響またはその他の圧力ベースの冷却サイクルにおいては、熱交換器を使用して、圧力がかけられた作動流体を著しい性能低下をもたらす周囲空気から分離させることが必要である。磁界または電界アクティブ型再生器は、活性物質と直接接触する周囲空気とともに操作されることができる。
【０００５】
パッシブ型再生器は、いくつかの重要な性能特性により利益を有すると知られている。それは、１）再生されるべきエネルギーを蓄えるための固体媒体中に適切な熱容量を有し、２）過剰な流動抵抗なく作動流体の通過が可能であり、３）再生器質量と作動流体との間の熱伝達を可能にし、４）温度勾配（および流れ）の方向に沿う熱伝導を防がねばならない。典型的な実施例はワイヤメッシュの層または小さな金属球体が充填されたダクトから作られた円筒形状のスタックである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施例はヒートポンプ要素を対象とし、ヒートポンプ要素は、０．１ミクロン〜１００ミクロンの厚さの範囲内の薄膜ポリマーまたはセラミック材料と、電極付き活性薄膜材料を形成するように薄膜材料の両側に連結される電極と、を備え、この薄膜材料は、１０ミクロン〜１０ミリメートルの厚さの範囲内のチャネル中の熱伝達流体によって分離され、また熱伝達流体に密接に接触し、流体は課される圧力場によって要素を通して前後に移動されることが可能である。
【０００７】
追加の実施例については以下に説明する。
【０００８】
本発明は、実施例として示され、同じ参照番号が同様な要素を示す添付図面の図に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】先行技術による基本的な磁界または電界アクティブ化されたヒートポンプサイクルの図である。
【図２】密接な電界の印加と直接接触の熱交換を可能にする、電界アクティブ型再生器のための単一層デバイスの図である。
【図３Ａ】電界アクティブ型再生器のための多層デバイスの図である。
【図３Ｂ】電界アクティブ型再生器のための多層デバイスの図である。
【図４】図２および図３Ａ〜図３Ｂの実施例の変形形態を示す。
【図５】従来の基板上にあるセラミックおよび電極材料の格子構造のめっきを備える構造を示す。
【図６】アクティブ型およびパッシブ型の再生器の機能を同時に組み込む、組み合わされたサイクルシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
様々な接続は、以下の記載および図面の要素間に示されていることに注意する（その内容は参照により本開示に含まれる）。一般的に、これらの接続は、本明細書で特に指示がない限り、直接または間接的であってよく、本明細書はこの点において限定を意図するものではないことに注意する。この点において、エンティティ間の連結は、直接的または間接的接続のいずれかを意味し得る。
【００１１】
装置、システムおよび方法の例示的な実施例は、ヒートポンプ要素を提供するために記載されている。ヒートポンプ要素は、薄膜ポリマーまたはセラミック材料を含み得る。一対の電極は、薄膜材料に密接に接続され得る。例えば、第１の電極は薄膜材料の第１の面に連結されてよく、第２の電極は薄膜材料の第２の面に連結されてよい。薄膜材料は、１つまたは複数のチャネル中の熱伝達流体により分離され、また熱伝達流体に密接に接触してよい。熱伝達流体は、中間の熱交換器がない周囲空気であってよい。流体は課された圧力場によってヒートポンプ要素を通じて前後に移動されることが可能であり得る。
【００１２】
本開示の実施例は、電界が印加されるとき温度を変更する電気熱量材料を使用する、電界アクティブ型再生器の機能を最適に実行するのに必要な特徴を示すデバイスのクラスを対象としている。
【００１３】
有用な電気熱量特性を有するとして知られている、強誘電性セラミックおよびポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）ポリマーという、２つのクラスの材料がある。いくつかの適用環境において、いずれの材料の既知の実施例における適切なエントロピーおよび断熱温度の変化を改善するために、１ＭＶ／ｃｍ超の電界が誘電破壊なく材料に印加されなければならない。この必要条件は非常に薄い膜に適合し、１ミクロン程度で、破壊強度を低減する欠陥を最小化する。これらの膜は、また、電界を印加するために両側が金属で被覆され、電極は表面にわたるアーキングを防止するように配置されなければならない。このような膜は、再生器構造を通って移動され得る熱伝達流体と熱的に接触され、熱力学に迅速に応答しなければならない。いくつかの実施例では、基礎膜は約０．１〜約１００ミクロン、またはその間の任意の範囲（例えば、０．３〜３ミクロン）の厚さを有してよい。このような厚さは、１）妥当なデバイス容積でヒートポンプ容量を作るのに必要な、それぞれの膜における材料の適切な質量を確実にし、２）管理可能なレベルで１ＭＶ／ｃｍの電界を作るために必要な印加電圧を維持し、３）膜と熱伝達流体との間で迅速な熱移動を確実にし、流体移動頻度を上げて、したがって容量を増大し得る。電界アクティブ型再生器の基礎構造は、図２にて示される単一層のデバイスである。このような構造により、周囲空気が活性膜と直接接触する熱伝達媒体として機能し、最新技術では一般的な中間の熱交換器に関連した熱損失を防ぐ。
【００１４】
図２の基本の、単一層構造は、再生器デバイスに関連して改善または向上され得る。例えば、環境冷却に関連した所与の印加は、ｋＷ当たり数十グラムから数百グラムが必要であり、そのため多くのこのような層が必要になり得る。次に、いくつかの構造がこれらの非常に薄い膜を支えるために必要になり得る。この構造は、再生器内の活性物質に寄生熱損失を示し得るため、構造の質量、および活性物質との熱接触が限定される必要があり得る。
【００１５】
場合によっては、性能は多層の活性物質を使用して最大化され得る。モデリングは、最適な性能が、（１）活性物質の全質量、（２）関連する流体の蓄積されたエネルギーに対する膜の蓄積されたエネルギーの比、（３）材料から流体への熱伝達率、（４）流路を通る移動する流体に関連する損失、（５）電極の寄生蓄熱、（６）電極のジュール熱、（７）材料が通電される周波数、および（８）印加される電圧または電界に関連する値または電力のうち１つまたは複数のものなどの、いくつかの要因または制限のバランスをとることで達成されてよいことを示し得る。
【００１６】
いくつかまたはすべての上述の制限を含む組み合わせのバランスをとると、例えば、３ミクロンよりも厚い膜になり得る。この必要性を満たすため、依然として印加される電圧を限定しているが、多層構造が適用されることができ、図３Ａ〜図３Ｂに示された（全体的に図３として本明細書では称されている）熱伝達路の間の図２の基礎構造の多層を積み重ねる。
【００１７】
図３にて示すように、単一または多層膜３０８は、熱伝達流体チャネルを確立する機能も有する不活性基板３１６により支持されている。示されている電極３２４の極性（＋／−）は、流体チャネルまたは基板３１６をわたる電位がないように配置され得る。また示されているのは、電極３２４へのアクセスを確立するために使用され得るコンタクトパッドまたはコンタクトビア３２６である。
【００１８】
基板３１６の寄生熱損失を最小にするため、基板３１６の設計は適切な支持を提供し得るが、膜３０８と基板３１６との間の一時的な熱伝達も最小化する。これは基板３１６の容積または熱容量を最小化するだけでなく、等しいビオ（Ｂｉｏｔ）数も最小化することによって達成され得る。このような基板３１６は、膜３０８の端の周りの薄いフレームであり得る。追加の薄いブレースは、膜３０８の支持がより必要とされる場合には、フレームにわたって追加されることが可能であり、結果として基板が「レール膜」という種類になる。膜３０８および基板３１６は、１つまたは複数の、成形されまたはエッチングされた基板ポスト３３２または同様の機構を使用して、支持され、互いに分離され得る。
【００１９】
逆に、寄生損失は、このアクティブ型の基板がアクティブ型の膜３０８とともに通電されるように、基板３１６に電界アクティブ型材料を使用することによって最小化され得る。この場合、電極３２４は、基板およびアクティブ型の膜に完全な電位を印加するために配置されるであろう。
【００２０】
図３の設計は、上述のアクティブ型再生器の必要条件およびパッシブ型再生器の必要条件を満たすことができ、温度勾配の方向に沿って熱伝導を防止することが、あり得る例外である。一般的に、使用される材料は、標準的な再生器材料と比較して、低伝導を有し得るが、依然として再生器は、図２〜図３に関連する多くの上述の基本モジュールの軸方向のセグメントで出来ており、その間の狭い空隙は熱伝達流体を導管で伝えるシェルにすべて包まれている。この種類の設計はまた、各モジュールにおける電気熱量材料と関係した電極が連続して作動することを可能にする。これは、必要に応じて電界および流量の同期における柔軟性を可能にし、異なる条件におけるモジュールの性能を最適化する。加えて、電気熱量材料の最適な配合は、異なる配合が温度勾配に沿って所望されるように、温度依存型であり得る。異なるモジュールは、最適なキュリー温度の材料を使用してそれぞれが作られることが可能であり、ＴCurieの連続する勾配を有する材料がモジュールにおいて適用され得る。
【００２１】
いくつかの実施例では、前述の基本モジュールの変形形態が使用され得る。図４は、２つの異なる材料のクラスにおける必要条件を満たす、２つのこのような変形形態または実施例を示す。
【００２２】
第１の実施例４０８では、薄いポリマー膜または多層４１６が前述したように作られる。溝または突起４２４が、ローリング、エッチングまたは類似のプロセスによって表面上に作られ得る。これらの特徴は、１０％の膜厚から、上昇した突起４２４の場合に数倍の厚さであり得る。膜４１６は、蒸発または類似のプロセスによって金属被覆され得る。膜４１６は次に、特徴の方向に直交して丸められてよく、溝または突起４２４によって作られた軸に沿う経路を備えた環状の円柱を作る。ワイヤは、材料の包みの端部で電極に取り付けられて材料に通電することができ、またはパターニングされた電極は、各層４１６の半周に合致するために堆積されてよく、次に包みの各端で平行に接続され得る。
【００２３】
第２の実施例４１６においては、薄いセラミック膜が基板４１２上に階層化される。この層は電極４２０を分離することを含み、基板４１２、電極４２０、電気熱量効果（ＥＣＥ）セラミック４２８、電極４２０、ＥＣＥセラミック４２８等の構成になる。これらの層は物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ溶射または類似の既知のプロセスにより形成され得る。交互になっている電極層４２０は、例えば全ての奇数の電極層４２０が容易に１つの電圧に並列して接続されることを可能にするように一方に配置され得る。一方、偶数の電極層４２０は別の電圧源に接続される。
【００２４】
各層が形成されると気体経路４５２が作られ得る。図４は、各層における孔４３６を残しまたはエッチングするためのマイクロリソグラフィーまたは類似の技術を使用する実施例を示す。多くの層は、１つまたは複数の再生器要素４６０を作るために積層され、基板はエッチングされ、多くの軸方向の気体経路４５２は、電極／材料層に直交する材料を通ったままでよい。一実施例では、溝は、次の層が堆積されるときに、層に並行して隙間が残るように、各層の表面にエッチングされ得る。この場合、気体経路は、電極／材料層に並行であってよい。
【００２５】
図４における再生器要素４６０は、円柱形状の構造に含まれるように示されている。いくつかの実施例では、その他の形状が使用されてよい（例えば、六角形、楕円形等）。
【００２６】
以前と同じように、再生器構造４６０は、温度勾配の方向に沿う熱伝導を防ぐ必要があり、ＥＣＥ材料の最適な配合は、異なる配合が温度勾配に沿って所望されるように、温度依存型であり得る。前述の構造は、このような必要条件を直接支援しない可能性がある。モジュラー再生器の構造は、前述の各要素が最適な配合で作られる場合に提供され、次にこの層はほぼ０．１から５ミリメートルの軸方向の気体の隙間で積層され得る。各層は、局所的な温度に適切な連続的配合を有してよく、その隙間は軸方向の伝導を防ぎ得る。
【００２７】
図５に示す別の実施例は、従来の基板５２０上にあるＥＣＥセラミック５０４および電極５１２材料の格子構造のめっきを備えることができ、熱伝達媒体に開放表面を暴露し得る。自動車の排気用触媒に適用されるハニカム構造のような従来の構造は、基板５２０として機能し得る。基板５２０は、次に、湿式または真空技術を使用して、所望の厚さの電極５１２とＥＣＥ材料５０４の連続層によりコーティングされ得る。電極５１２は、交互の電極が構造の各端部から電気的にアクセスされることが可能なように、交互の構造を有し得る。
【００２８】
前述の実施例は、組み合わされたサイクルシステムを作るために、前述の２つのサイクルにおけるアクティブ型およびパッシブ型再生器の特徴を利用し得る。図６を参照すると、本システムは、場アクティブ型材料６０６でできた再生熱交換器を含む、システム６００により実施されてよく、アクティブ型再生熱交換器において流体圧力および流体移動を生成するように同期されるリニアアクチエータまたは音響ドライバ６１４を含み得る。この概念は、直接的に接触する熱伝達媒体として周囲空気の使用を支援せず、したがって中間の熱交換器を必要とするだろう。
【００２９】
概念の範囲を示すために、電気熱量ポリマーまたはセラミックの多くの薄膜を備え、電極および分散された熱伝達流体チャネルを有するアクティブ型電気熱量材料再生器と、高温および低温熱交換器と、加圧されているかまたはされていない気体または液体であり得る作動流体の簡易リニアアクチュエータ駆動の並行流と、を使用して、初期の構成が提供され得る。
【００３０】
場アクティブ型再生器要素６０６に密接に接触することを通した場（例えば、電界、放射線／光の場、磁界、ひずみ等）の印加は、材料温度を上昇させ得る。流体は再生器の媒体として機能し、ここで高温の固体材料との熱交換を通して温度が上昇する。アクチュエータ６１４はここで同時に右から左へと移動する場合には、再生器コア６０６中の高温流体は、高温の熱交換器内に移動し、排熱してよく、一方、低温の熱交換器からのより低温の流体が再生器６０６内に移動し再生器材料を局所的に冷却（再生）し得る。材料を冷却するように場を解除し、流体を左から右へと移動させることでサイクルは完了し得る。極僅かな圧力変化による純粋な流体移動の場合には、これは簡易な場アクティブ型の再生サイクルとして前述と同じプロセスであることに注意する。システム６００の性能は、印加される場および流れのタイミングおよび同期に依存し得る。このようなタイミングは材料の熱的性質、負荷および所望の温度上昇で変化し得る。したがって、このプロセスの注意深い制御が十分な性能を達成するために必要とされ得る。
【００３１】
組み合わされたサイクルを考慮すると、場が作動され、材料６０６は温度が上昇し得る。また、熱は再生のために流体に移動し得る。ここで、排熱するために単純に流れを移動させるよりもむしろ、アクチュエータ６１４は、流体が最初に加圧され、次に移動されるように、または一度の移動中に何回か加圧されまた減圧されるように操作され得る。圧縮は、さらに流体を熱し、熱はここで流体の再生のために固体の再生器材料６０６へ移動され得る。ここで、この移動は以前と同様に完了されることができ、サイクルの冷却側が実行される。場が作動されるプロセスおよび圧縮プロセスの両方の温度の上昇および容量は類似の基本的な容積中に重ねられ、その結果、より少ない再生通過数で、上昇およびより高い電力密度が得られる。このプロセスは、特定の温度の上昇および容量の必要条件を考慮した最も高いシステム全体の効率を達成するために、所定の時間および空間で、圧力、速度および電解の勾配の重ね合わせを制御するように、場およびアクチュエータ６１４のよりいっそう正確な一時的制御を必要とし得る。
【００３２】
最後に、上述の組み合わされたサイクルの場合には、全体の再生器が活性物質で作られる必要は必ずしもない可能性がある。活性物質をその他の不活性の従来の再生器材料間に分散させて熱音響圧縮プロセスおよび電気熱量プロセスによって移動された熱のバランスを正しくすることは有利であり得る。これは不活性物質が活性物質と直接熱的に接触しない場合に限り行われ得る。構造は電気熱量ポリマーフィルムのような場アクティブ型要素と、各材料を分離する流体の隙間を有するように流れの方向に沿って交互に積層されるワイヤスクリーン積層のような不活性要素と、を有し得る。
【００３３】
実施例は、場感応材料でできた多孔質の薄膜要素と、熱伝達流体チャネルと、２つ以上の熱交換器と、１つまたは複数のアクチュエータと、１つまたは複数の圧力、温度または速度センサと、アクチュエータを制御し、センサ信号に応答して、またはセンサ信号に基づいて事前决定または展開され得る特定の順序で再生器に場を印加するよう構成された１つまたは複数の装置と、を含む流体充填システムを対象とする。さらに、アクチュエータは、完全に固体状態の機械を作るように圧電材料でできてよい。
【００３４】
高忠実度モデリングは、既存の気体圧縮加熱、換気およびエアコンディショニング（ＨＶＡＣ）デバイスを、類似のまたはよりよい性能、低コスト、低ノイズを提供するとともに環境的に有害な冷媒またはいかなる放出可能な化学物質も含まない固体状態の電気熱量ヒートポンプに置き換えるのに十分な性能を、周囲空気と直接接触している電気熱量ヒートポンプが提供され得ることを示す。
【００３５】
本開示の実施例は、流れる熱伝達流体に密接に接触した再生熱交換器中に電気熱量材料を使用し得る。
【００３６】
いくつかの実施例では、流れる熱伝達流体は、電気熱量ヒートポンプ要素と直接熱的に接触する周囲空気であり得る。
【００３７】
いくつかの実施例では、膜を支持および分離する基板と、関連する電極の極性とが、熱伝達の領域を最大化し寄生損失を最小化するための特定の必要条件が定義され得る。
【００３８】
いくつかの実施例では、ＨＶＡＣ条件における性能について膜厚の最適な範囲を特定するためにモデルが使用され得る。
【００３９】
いくつかの実施例では、容量および上昇変更として活性制御される、流体運動と材料活性との間の特定の位相関係が、定義され得る。
【００４０】
いくつかの実施例では、全体の温度上昇を増大させるように電気熱量材料の活性化との定義および制御される位相関係において圧縮／移動／膨張を作るために熱伝達流体運動の作動が提供され得る。
【００４１】
実施例は、高電界能力に対し欠点が低減された、０．１ミクロン〜１００ミクロンの厚さ（またはその間の任意の範囲）のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）またはチタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）のような、薄膜ポリマーまたはセラミック材料と、１０ミクロン〜１０ミリメートルの厚さ（またはその間の任意の範囲）のチャネルにおいて熱伝達流体によって分離されまたは熱伝達流体に密接に接触した、両側にある電極と、を含む薄膜電気熱量ヒートポンプ要素を対象にしてよく、チャネルにおいて流体は課された圧力場によって要素を通って前後に移動され得る。
【００４２】
実施例は、前述の要素に類似する要素を対象としてよく、薄膜は電極−膜−電極−膜・・・電極から成る多層材料に置き換えられる。層の数は、３００Ｖを超えて印加電圧を増大させることなく、より大きな装置容積当たりのＥＣＥ質量を可能とする２〜２０であり得る。
【００４３】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、基板が、疲労を防止するように膜を支持する。この基板は、最小の可能なビオ数で最小の必要な支持を提供するように最適化され得る。
【００４４】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、基板は熱伝達流体流れ用のチャネルを作成する、膜を分離するための拡張部分を含み、基板−膜−基板−膜・・・基板の積層を可能にする。膜は、基板−セパレータに面する電極が、基板または流体にわたるアーキングを防止する同じ極性で通電されるように配置され得る。
【００４５】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、流体内に温度勾配を作るとともに温度上昇を増大させるように活性物質が通電および遮断される間、熱伝達流体は前後に移動される。
【００４６】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、材料の作動は、ヒートポンプの容量／入力電力の最大比率を提供するために装置に必要とされる相対的な容量および温度上昇の関数である位相関係で流体の流れの振動に同期される。
【００４７】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、材料−電極−流体−基板の層は、流れの方向において熱伝導を減少させるように、流体流れの方向にセグメント化され、流体が充填された隙間によって分離される。
【００４８】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、材料のキュリー温度は、各セグメントにおける材料のキュリー温度が要素の設計条件でのセグメントの期待される作動温度により近くなるように、連続的に、またはセグメントからセグメントへと勾配が付けられる。
【００４９】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、活性物質の膜は流体と材料との密接な接触を可能にする熱伝達流体用のチャネルを作成するように機械加工された縦方向の溝またはクロスドリル孔を含有する。
【００５０】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、セラミックのハニカム構造などの熱伝達流体チャネルをすでに含む基板上への電気熱量セラミックまたはポリマーおよび電極の溶液堆積または真空蒸着によって作成される。
【００５１】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、熱伝達流体は少なくとも部分的に気体または蒸気であり、流体運動の作動は、ＥＣＥ材料の通電および遮断との制御された位相関係で同期される、圧縮、移動、膨張および移動の順序を作り、ＥＣ効果と圧縮の両方の温度上昇を加え、必要な温度上昇を生成するためにより少ない再生を必要とする、組み合わされたサイクルを生成する。
【００５２】
実施例は、前述の１つまたは複数の要素に類似する要素を対象としてよく、このような組み合わされたサイクルで作動し、ＥＣ効果と圧縮の効果との間に最良のバランスを達成する目的で、不活性物質が電気熱量薄膜材料または基板に追加される。
【００５３】
実施例は、ヒートポンプ要素を対象としてよく、熱伝達流体が、電極付き活性薄膜材料と直接熱的に接触する周囲空気である。電極付き活性薄膜材料は、薄膜材料の両側に連結された電極によって形成され得る。いくつかの実施例では、周囲空気は、活性膜上での凝縮を防止するように過剰冷却または乾燥技術を使用して除湿される。
【００５４】
本明細書に記載されるように、いくつかの実施例では、様々な機能または作用が、所与の位置にておよび／または１つまたは複数の装置、システムまたはデバイスの操作に関連して起こり得る。例えば、いくつかの実施例では、所与の機能または作用の一部が、第１のデバイスまたは位置にて実行されてよく、機能または作用の残りは１つまたは複数の追加のデバイスまたは位置で実行されてよい。
【００５５】
本開示の態様は、その例示的な実施例の観点から記載されてきた。添付の特許請求の範囲と精神の範囲内である、数多くのその他の実施例、変更形態および変形形態は、本開示の検討から当業者が思いつくであろう。例えば、例示的な図面とともに記載されている工程は、記載される順番以外で実行されてよく、例示される１つまたは複数の工程は任意であることを当業者は理解するであろう。
なお、好ましいヒートポンプ要素について、以下に記載する。
好ましいヒートポンプ要素は、
０．１ミクロン〜１００ミクロンの厚さの範囲内の薄膜ポリマーまたはセラミック材料と、
電極付き活性薄膜材料を形成するように薄膜材料の両側に連結される電極と、
を備え、
前記電極付き活性薄膜材料は、１０ミクロン〜１０ミリメートルの厚さの範囲内のチャネル中の熱伝達流体によって分離され、また熱伝達流体に密接に接触し、前記流体は課される圧力場によって前記要素を通して前後に移動されることが可能である。
好ましくは、前記熱伝達流体は、前記電極付き活性薄膜材料と直接熱的に接触する周囲空気である。
好ましくは、前記周囲空気は、前記活性膜上での凝縮を防止するように過剰冷却または乾燥技術を使用して除湿される。
好ましくは、前記薄膜材料はその一部が、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、およびチタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）のうちの少なくとも１つから作成される。
好ましくは、前記薄膜材料および電極は、薄膜材料および電極の多層材料の一部として含まれる。
好ましくは、前記多層材料は、ほぼ１〜１０層を含む。
好ましくは、前記多層材料は、疲労を防止するよう薄膜材料を支持するように構成された少なくとも１つの基板をさらに含み、前記少なくとも１つの基板は、最小の可能なビオ数で最小の必要な支持を提供するように最適化される。
好ましくは、前記少なくとも１つの基板は、複数の基板を備え、前記複数の基板は、熱伝達流体流れ用のチャネルを作成するように前記薄膜材料を分離するための拡張部分を備える。
好ましくは、前記薄膜材料は、基板−セパレータに面する電極が、前記基板または流体にわたるアーキングを防止するように、同じ極性で通電されるように配置される。
好ましくは、少なくとも１つの基板が、前記電極によって通電されるように構成された場活性物質を備え、前記電極は、前記少なくとも１つの基板の寄生影響を相殺する容量を生成するために活性膜に通電するように構成される。
好ましくは、前記薄膜材料は、単一層と、一緒に積層される、単一層に関連する基板とを備える。
好ましくは、前記流体内に温度勾配を作るとともに温度上昇を増大させるように前記薄膜材料が通電および遮断される間、前記ヒートポンプ要素は、前記熱伝達流体を前後に移動させるよう構成される。
好ましくは、前記ヒートポンプ要素は、ヒートポンプの容量対入力電力の最大比率を提供するために前記ヒートポンプ要素に必要とされる相対的な容量および温度上昇の関数である位相関係で前記流体流れの振動に前記薄膜材料の作動を同期させるように構成される。
好ましくは、前記薄膜材料および電極は、流体層および基板層に連結される層であり、前記薄膜材料、電極および基板層は、流れの方向において熱伝導を減少させるように、流体流れの方向にセグメント化され、流体が充填された隙間によって分離される。
好ましくは、前記薄膜材料のキュリー温度は、各セグメントにおける前記材料のキュリー温度が前記要素の設計条件での前記セグメントの期待される作動温度により近くなるように、連続的に、またはセグメントからセグメントへと勾配が付けられる。
好ましくは、前記薄膜材料は、前記流体と前記薄膜材料との密接な接触を提供するために熱伝達流体用のチャネルを作成するように機械加工された縦方向の溝またはクロスドリル孔を備える。
好ましくは、前記ヒートポンプ要素は、熱伝達流体用のチャネルを備える基板上への電気熱量セラミックまたはポリマーおよび電極の溶液堆積または真空蒸着によって作成される。
好ましくは、前記熱伝達流体用のチャネルは、セラミックのハニカム構造を備える。
好ましくは、前記熱伝達流体は、少なくとも部分的に気体または蒸気であり、流体運動の作動は、電気熱量効果（ＥＣＥ）と圧縮の両方の温度上昇を加える組み合わされたサイクルを生成するように、薄膜材料の通電および遮断との制御された位相関係で同期される、圧縮、移動、膨張および移動の順序を含む。
好ましくは、不活性物質が、ＥＣＥと圧縮との間にバランスを提供するように前記薄膜材料または基板に連結される。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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