ES2858574T3 - Módulo electrocalórico y sistema de transferencia de calor electrocalórico con electrodos estructurados según un patrón y, en consecuencia, método de transferencia de calor - Google Patents

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Abstract

Un módulo electrocalórico (310), que comprende un elemento electrocalórico que comprende una película electrocalórica (12), un primer electrodo (14) sobre una primera superficie de la película electrocalórica y un segundo electrodo (16) sobre una segunda superficie de la película electrocalórica; un soporte (22) unido a lo largo de una porción de borde de la película electrocalórica, dejando sin soporte una porción central de la película electrocalórica; una primera conexión térmica (326) configurada para conectarse a una primera trayectoria de flujo térmico (318) entre el elemento electrocalórico y un disipador de calor (317); una segunda conexión térmica (328) configurada para conectarse a una segunda trayectoria de flujo térmico entre el elemento electrocalórico y una fuente de calor (320); y una conexión de alimentación conectada a los electrodos configurada para conectarse a una fuente de alimentación, en donde al menos uno del primer y el segundo electrodos comprende una disposición estructurada según un patrón de material conductor sobre la superficie de película; caracterizado por que: la disposición estructurada según un patrón de material conductor comprende una pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor separadas por unas áreas de separación no conductoras sobre la película electrocalórica; y la pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor presentan una separación entre sí de una dimensión de 0,5 veces el espesor de película a 2 veces el espesor de película.

Description

DESCRIPCIÓN
Módulo electrocalórico y sistema de transferencia de calor electrocalórico con electrodos estructurados según un patrón y, en consecuencia, método de transferencia de calor
La presente invención se refiere a módulos electrocalóricos, en particular a un sistema de transferencia de calor que comprende un módulo electrocalórico y, en consecuencia, a métodos de transferencia de calor.
Antecedentes
Existe una amplia diversidad de tecnologías para aplicaciones de enfriamiento, incluyendo, pero sin limitarse a, enfriamiento por evaporación, enfriamiento por convección o enfriamiento de estado sólido, tal como enfriamiento electrotérmico. Una de las tecnologías más predominantes en uso para el aire acondicionado y la refrigeración residencial y comercial es el circuito de transferencia de calor de refrigerante por compresión de vapor. Habitualmente, estos circuitos hacen circular un refrigerante que tiene unas propiedades termodinámicas apropiadas a través de un circuito que comprende un compresor, un intercambiador de calor de eliminación de calor (es decir, un condensador intercambiador de calor), un dispositivo de expansión y un intercambiador de calor de absorción de calor (es decir, un evaporador intercambiador de calor). Los circuitos de refrigerante por compresión de vapor proporcionan enfriamiento y refrigeración de manera eficaz en una diversidad de ajustes y, en algunas situaciones, pueden funcionar a la inversa, como una bomba de calor. Sin embargo, muchos de los refrigerantes pueden presentar peligros ambientales tales como el potencial de agotamiento de ozono (PAO) o el potencial de calentamiento global (PCG), o pueden ser tóxicos o inflamables. Adicionalmente, los circuitos de refrigerante por compresión de vapor pueden ser poco prácticos o poco ventajosos en entornos que carecen de una fuente de alimentación de fácil acceso, suficiente para accionar el compresor mecánico en el circuito de refrigerante. Por ejemplo, en un vehículo eléctrico, la demanda de potencia de un compresor de aire acondicionado puede dar como resultado un acortamiento significativo en la duración de batería de vehículo o en la autonomía de conducción. De manera similar, los requisitos de peso y de potencia del compresor pueden ser problemáticos en diversas aplicaciones de enfriamiento portátiles.
En consecuencia, ha habido interés en desarrollar tecnologías de enfriamiento como alternativas a los circuitos de refrigerante por compresión de vapor. Se han propuesto diversas tecnologías tales como los sistemas de transferencia de calor sensible a corriente eléctrica o de calor activo en campo que se basan en materiales tales como materiales electrocalóricos, materiales magnetocalóricos o materiales termoeléctricos. Sin embargo, muchas propuestas se han configurado como demostraciones a escala de laboratorio con unas capacidades limitadas. El documento WO 2015/156794 A1 divulga un módulo electrocalórico de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y un método de transferencia de calor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 4.
Breve descripción
De acuerdo con la invención, se proporciona un módulo electrocalórico de acuerdo con la reivindicación 1. El módulo electrocalórico comprende un elemento electrocalórico que comprende una película electrocalórica, un primer electrodo sobre una primera superficie de la película electrocalórica y un segundo electrodo sobre una segunda superficie de la película electrocalórica. Un soporte está unido a lo largo de una porción de borde de la película electrocalórica, dejando sin soporte una porción central de la película electrocalórica. Al menos uno del primer y el segundo electrodos comprende una disposición estructurada según un patrón de material conductor sobre la superficie de película. El módulo electrocalórico también incluye una primera conexión térmica configurada para conectarse a una primera trayectoria de flujo térmico entre el elemento electrocalórico y un disipador de calor, una segunda conexión térmica configurada para conectarse a una segunda trayectoria de flujo térmico entre el elemento electrocalórico y una fuente de calor, y una conexión de alimentación conectada a los electrodos configurada para conectarse a una fuente de alimentación. La disposición estructurada según un patrón de material conductor comprende una pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor separadas por unas áreas de separación no conductoras sobre la película electrocalórica. La pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor presentan una separación entre sí de una dimensión de 0,5 veces el espesor de película a 2 veces el espesor de película.
En algunas realizaciones, un sistema de transferencia de calor comprende el módulo electrocalórico descrito anteriormente, una primera trayectoria de flujo térmico entre los elementos electrocalóricos y un disipador de calor a través de la primera conexión térmica, una segunda trayectoria de flujo térmico entre los elementos electrocalóricos y una fuente de calor a través de la segunda conexión térmica, una conexión eléctrica entre una fuente de alimentación y los electrodos adicionalmente a través de la conexión de alimentación, y un controlador configurado para aplicar selectivamente un voltaje para activar los electrodos en coordinación con una transferencia de calor a lo largo de la primera y la segunda trayectorias de flujo térmico para transferir calor desde la fuente de calor al disipador de calor.
El módulo electrocalórico puede comprender una pluralidad de elementos electrocalóricos que comprenden individualmente una película electrocalórica, un primer electrodo sobre una primera superficie de la película electrocalórica y un segundo electrodo sobre una segunda superficie de la película electrocalórica.
De acuerdo con la invención, se proporciona un método de transferencia de calor de acuerdo con la reivindicación 4. El método de transferencia de calor comprende la aplicación selectiva de voltaje para activar electrodos sobre una primera y una segunda superficies de un material electrocalórico dispuesto en un módulo electrocalórico, en donde la película electrocalórica está soportada a lo largo de una porción de borde de la película electrocalórica y no soportada a lo largo de una porción central de la película electrocalórica, y al menos uno de los electrodos comprende una disposición estructurada según un patrón de material conductor sobre la superficie de película. Además, de acuerdo con el método, se transfiere calor, en coordinación con la aplicación de voltaje a los electrodos, desde la fuente de calor al material electrocalórico y desde el material electrocalórico al disipador de calor. La disposición estructurada según un patrón de material conductor comprende una pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor separadas por unas áreas de separación no conductoras sobre la película electrocalórica. La pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor presentan una separación entre sí de una dimensión de 0,5 veces el espesor de película a 2 veces el espesor de película.
El primer y el segundo electrodos pueden estar en el mismo lado de la película electrocalórica.
El primer y el segundo electrodos pueden estar en lados opuestos de la película electrocalórica.
La pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor pueden estar configuradas como una pluralidad de extensiones lineales de material conductor a lo largo de la superficie de película que se extienden en perpendicular a un vector de deformación sobre la película electrocalórica durante el funcionamiento.
La pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor pueden estar configuradas como una pluralidad de extensiones lineales de material conductor a lo largo de la superficie de película separadas por áreas de separación.
Las extensiones lineales de material conductor se pueden extender en perpendicular a un vector de deformación sobre la película electrocalórica durante el funcionamiento.
Las extensiones lineales de material conductor se pueden extender en paralelo a una línea entre bordes soportados en extremos opuestos de la película electrocalórica.
Las extensiones lineales de material conductor se pueden extender en al menos dos direcciones.
Las extensiones lineales de material conductor se pueden extender de forma omnidireccional.
La porción de borde soportada de la película electrocalórica se puede extender parcialmente alrededor del borde de película electrocalórica.
La porción de borde soportada de la película electrocalórica se puede extender completamente alrededor del borde de película electrocalórica.
La película electrocalórica puede tener forma cuadrada o rectangular y la porción de borde soportada de la película electrocalórica se extiende a lo largo de dos lados opuestos del cuadrado o rectángulo.
La película electrocalórica puede tener forma cuadrada o rectangular y la porción de borde soportada de la película electrocalórica se extiende a lo largo de todos los lados del cuadrado o rectángulo.
La disposición estructurada según un patrón de material conductor puede comprender una variación de espesor en una dirección normal a la superficie de película.
Breve descripción de los dibujos
La materia objeto de la invención se señala y se reivindica claramente en las reivindicaciones al término de la memoria descriptiva. Los detalles y ventajas de la presente invención son evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, que se proporciona solo a modo de ejemplo, tomada junto con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una representación esquemática de una vista superior de una realización ilustrativa de un módulo de transferencia de calor electrocalórico;
la figura 2 es una representación esquemática de una vista lateral en sección transversal de una pila electrocalórica que incluye el módulo de la figura 1;
la figura 3 es una representación esquemática de una realización ilustrativa de un sistema de transferencia de calor electrocalórico;
la figura 4 es una representación esquemática de un módulo electrocalórico a partir de la vista de la figura 2; la figura 5A es una representación esquemática de una vista superior de electrodos estructurados según un patrón en una configuración interdigitada, la figura 5B representa una representación esquemática de una vista lateral en sección transversal de los electrodos en lados opuestos de una película electrocalórica, y la figura 5C representa una representación esquemática de una vista lateral en sección transversal de los electrodos en el mismo lado de una película electrocalórica; y
las figuras 6A, 6B y 6C representan, cada una, una descripción esquemática de una configuración de patrón diferente para electrodos estructurados según un patrón.
Descripción detallada
Como se ha mencionado anteriormente, se divulga un sistema de transferencia de calor que comprende un módulo electrocalórico. En las figuras 1 y 2 se representan esquemáticamente realizaciones ilustrativas de tales módulos. Aunque se considera que cualquiera de las direcciones descritas en el presente documento (por ejemplo, "arriba", "abajo", "superior", "inferior", "izquierda", "derecha", "encima", "debajo", etc.) es arbitraria y que no tiene significado absoluto alguno, sino solo un significado en relación con otras direcciones, la figura 1 se puede describir como una vista "superior" de una realización ilustrativa de un módulo y la figura 2 se puede describir como una vista en sección transversal "lateral" tomada a lo largo de la línea A ^ A mostrada en la figura 1. Como se muestra en las figuras 1 y 2, un módulo electrocalórico 10 comprende un elemento electrocalórico que comprende una película electrocalórica 12, un primer electrodo 14 en un primer lado de la película y un segundo electrodo 16 en un segundo lado de la película. Se observa que, para facilitar la ilustración, de tal modo que no se oculten detalles de la película electrocalórica 12 y otros componentes, los electrodos 14, 16 se omiten en la figura 1 y solo se ilustran en las figuras 2 y 4.
La película electrocalórica 12 puede comprender cualquiera de un número de materiales electrocalóricos. En algunas realizaciones, el espesor de película electrocalórica puede estar en un intervalo que tiene un límite inferior de 0,1 nm, más específicamente 0,5 nm, e incluso más específicamente 1 nm. En algunas realizaciones, el intervalo de espesor de película puede tener un límite superior de 1000 pm, más específicamente 100 pm, e incluso más específicamente 10 pm. Se entiende que estos límites de intervalo superior e inferior se pueden combinar independientemente para divulgar un número de intervalos posibles diferentes. Los ejemplos de materiales electrocalóricos para la película electrocalórica pueden incluir, pero no se limitan a, materiales inorgánicos (por ejemplo, cerámica), polímeros electrocalóricos y materiales compuestos de polímero/cerámica. Los ejemplos de materiales inorgánicos incluyen, pero no se limitan a, PbTiO3 ("PT"), Pb(Mg-i/3 Nb2/3 )O3 ("PMN"), PMN-PT, LiTaO3 , titanato de bario-estroncio (BST) o PZT (plomo, circonio, titanio, oxígeno). Los ejemplos de polímeros electrocalóricos incluyen, pero no se limitan a, polímeros ferroeléctricos, polímeros de cristal líquido y elastómeros de cristal líquido.
Los polímeros ferroeléctricos son polímeros cristalinos, o polímeros con un grado de cristalinidad alto, en donde la alineación cristalina de las cadenas de polímero en laminillas y/o estructuras de esferulitas se puede modificar mediante la aplicación de un campo eléctrico. Estas características se pueden proporcionar mediante estructuras polares integradas en la cadena principal de polímero o unidas a la cadena principal de polímero con una orientación fija con respecto a la cadena principal. Los ejemplos de polímeros ferroeléctricos incluyen poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), poli(fluoruro de trietileno), nailon de número impar, copolímeros que contienen unidades de repetición derivadas de fluoruro de vinilideno y copolímeros que contienen unidades de repetición derivadas de fluoruro de trietileno. El poli(fluoruro de vinilideno) y los copolímeros que contienen unidades de repetición derivadas del fluoruro de vinilideno se han estudiado ampliamente en cuanto a sus propiedades ferroeléctricas y electrocalóricas. Los ejemplos de copolímeros que contienen fluoruro de vinilideno incluyen copolímeros con metacrilato de metilo y copolímeros con uno o más comonómeros halogenados, incluyendo, pero sin limitarse a, trifluoroetileno, tetrafluoroetileno, clorotrifluoroetileno, tricloroetileno, cloruro de vinilideno, cloruro de vinilo y otros monómeros insaturados halogenados.
Los polímeros de cristal líquido o cristales líquidos de polímero comprenden moléculas de polímero que incluyen grupos mesogénicos. Las estructuras moleculares mesogénicas son bien conocidas, y a menudo se describen como estructuras moleculares en forma de varilla o en forma de disco que tienen unas orientaciones de densidad de electrones que producen un momento dipolar en respuesta a un campo externo tal como un campo eléctrico externo. Habitualmente, los polímeros de cristal líquido comprenden numerosos grupos mesogénicos conectados por estructuras moleculares no mesogénicas. Las estructuras de conexión no mesogénicas y su conexión, colocación y separación en la molécula de polímero junto con estructuras mesogénicas son importantes para proporcionar una respuesta deformable de fluido al campo externo. Habitualmente, las estructuras de conexión proporcionan una rigidez lo suficientemente baja como para que se induzca una realineación molecular mediante la aplicación del campo externo, y lo suficientemente alta como para proporcionar las características de un polímero cuando no se aplica el campo externo.
En algunas realizaciones ilustrativas, un polímero de cristal líquido puede tener estructuras mesogénicas en forma de varilla en la cadena principal de polímero separadas por grupos de separación no mesogénicos que tienen flexibilidad para permitir la reordenación de los grupos mesogénicos en respuesta a un campo externo. Tales polímeros también se conocen como polímeros de cristal líquido de cadena principal. En algunas realizaciones ilustrativas, un polímero de cristal líquido puede tener unas estructuras mesogénicas en forma de varilla unidas como grupos laterales unidos a la cadena principal de polímero. Tales polímeros también se conocen como polímeros de cristal líquido de cadena lateral.
Con referencia continua a la figura 1, el primer electrodo 14 está conectado eléctricamente a un primer elemento de barra colectora eléctrica 18. De manera similar, el segundo electrodo 16 está conectado eléctricamente al segundo elemento de barra colectora eléctrica 20. Los elementos de barra colectora incluyen una conexión de alimentación (no mostrada) configurada para una fuente de alimentación eléctrica (no mostrada). Los electrodos pueden ser de cualquier tipo de material conductor, incluyendo, pero sin limitarse a, capas metalizadas de un metal conductor tal como aluminio o cobre, u otros materiales conductores tales como carbono (por ejemplo, nanotubos de carbono, grafeno u otro carbono conductor). También se pueden usar metales nobles, pero no se requieren. También se pueden usar otros materiales conductores tales como un semiconductor dopado, cerámica o polímero, o polímeros conductores.
Se pueden incluir opcionalmente uno o más elementos de soporte 22 para el soporte y la retención del elemento electrocalórico. Sin embargo, no se requieren elementos de soporte separados, debido a que el soporte y la retención también pueden ser proporcionados por los elementos de barra colectora como se muestra en la figura 2 que se describe a continuación. Como se muestra en la figura 1, el elemento o elementos de soporte 22 se pueden configurar para proporcionar unos espacios de cabeza 24 y 26 para el transporte de fluidos de trabajo a y desde el elemento electrocalórico a lo largo de la trayectoria de flujo de fluido 25. Aunque no se requiere en todas las configuraciones de diseño, en algunas realizaciones, los elementos de soporte pueden estar hechos de un material eléctricamente no conductor. Los elementos de separación 28 se pueden incluir opcionalmente para ayudar a mantener la separación con respecto a elementos electrocalóricos adyacentes para una trayectoria de flujo de fluido para un fluido de trabajo (por ejemplo, o bien un fluido a calentar o a enfriar directamente tal como aire, o bien un fluido de transferencia de calor tal como un compuesto orgánico dieléctrico). Se puede utilizar cualquier configuración de elementos de separación, tal como un conjunto de elementos de separación de disco discretos o elementos de separación que se extienden axialmente, lineales o no lineales.
Pasando a continuación a la figura 2, en donde se usa una numeración semejante a la de la figura 1, se muestra un número de módulos electrocalóricos ensamblados entre sí en una pila 30. Como se puede ver en la figura 3, los separadores promueven el mantenimiento de una separación física entre elementos electrocalóricos adyacentes para proporcionar una trayectoria de flujo de fluido 25 entre los separadores y los elementos electrocalóricos adyacentes. Aunque no es necesario en todas las configuraciones de diseño, en las configuraciones de diseño en donde los elementos de separación están dispuestos adyacentes a electrodos de polaridad opuesta, los elementos de separación pueden estar hechos de un material eléctricamente no conductor. En algunas realizaciones, los elementos de barra colectora eléctrica 18, 20 adyacentes pueden tener una configuración de enclavamiento (con un contorno complementario de salientes y rebajes en donde un saliente de un elemento de barra colectora sobresale, es adyacente o sobresale a un hueco complementario de un elemento de barra colectora adyacente) como se muestra en la figura 2. Los elementos de barra colectora eléctrica encajan entre sí para formar unas barras colectoras que se conectan a través de unas conexiones eléctricas (no mostradas) a una fuente de alimentación eléctrica (no mostrada). Las barras colectoras también pueden servir como un alojamiento 17 si las mismas están aisladas sobre la superficie exterior.
Una realización ilustrativa de un sistema de transferencia de calor y su funcionamiento se describen adicionalmente con respecto a la figura 3. Como se muestra en la figura 3, un sistema de transferencia de calor 300 comprende un módulo electrocalórico 310 tal como la pila 30 de la figura 2, u otra configuración. El elemento electrocalórico está en comunicación térmica con un disipador de calor 317 a través de una primera trayectoria de flujo térmico 318, y en comunicación térmica con una fuente de calor 320 a través de una segunda trayectoria de flujo térmico 322. Las trayectorias de flujo térmico se describen a continuación con respecto a la transferencia térmica a través del flujo de un fluido de transferencia de calor a través de las válvulas de control 326 y 328 entre el elemento electrocalórico y el disipador de calor y la fuente de calor, pero también pueden ser a través de una transferencia de calor por conducción a través de conmutadores termoeléctricos de calor de estado sólido en un contacto térmicamente conductor con el elemento electrocalórico y la fuente de calor o el disipador de calor, o conmutadores termomecánicos que son móviles para establecer un contacto térmicamente conductor entre el elemento electrocalórico y la fuente de calor o el disipador de calor. Un controlador 324 está configurado para controlar la corriente eléctrica a través de una fuente de alimentación (no mostrada) para activar selectivamente los electrodos 314, 316. El controlador 324 también está configurado para abrir y cerrar las válvulas de control 326 y 328 para dirigir selectivamente el fluido de transferencia de calor a lo largo de la primera y la segunda trayectorias de flujo 318 y 322.
Durante el funcionamiento, el sistema 300 puede ser operado por el controlador 324 aplicando un campo eléctrico como diferencial de voltaje de un lado a otro del elemento electrocalórico para provocar una disminución en la entropía y una liberación de energía térmica por los elementos electrocalóricos. El controlador 324 abre la válvula de control 326 para transferir al menos una porción de la energía térmica liberada a lo largo de la trayectoria de flujo 318 al disipador de calor 317. Esta transferencia de calor puede tener lugar después de que la temperatura de los elementos electrocalóricos haya subido a una temperatura umbral. En algunas realizaciones, la transferencia de calor al disipador de calor 317 se comienza tan pronto como la temperatura de los elementos electrocalóricos aumenta para ser aproximadamente igual a la temperatura del disipador de calor 317. Después de la aplicación del campo eléctrico durante un tiempo para inducir una liberación y transferencia deseadas de energía térmica desde los elementos electrocalóricos al disipador de calor 317, se puede retirar el campo eléctrico. La retirada del campo eléctrico provoca un aumento en la entropía y una disminución en la energía térmica de los elementos electrocalóricos. Esta disminución en la energía térmica se manifiesta como una reducción en la temperatura de los elementos electrocalóricos a una temperatura por debajo de la de la fuente de calor 320. El controlador 324 cierra la válvula de control 326 para terminar el flujo a lo largo de la trayectoria de flujo 318 y abre el dispositivo de control 328 para transferir energía térmica desde la fuente de calor 320 a los elementos electrocalóricos más fríos con el fin de regenerar los elementos electrocalóricos para otro ciclo.
En algunas realizaciones, por ejemplo, en donde se puede utilizar un sistema de transferencia de calor para mantener una temperatura en un espacio acondicionado u objetivo térmico, el campo eléctrico se puede aplicar a los elementos electrocalóricos para aumentar su temperatura hasta que la temperatura del elemento electrocalórico haya alcanzado un primer umbral. Después del primer umbral de temperatura, el controlador 324 abre la válvula de control 326 para transferir calor desde los elementos electrocalóricos al disipador de calor 317 hasta que se haya alcanzado un segundo umbral de temperatura. Se puede continuar aplicando el campo eléctrico durante todo o una porción del período de tiempo entre el primer y el segundo umbral de temperatura, y entonces se retira para reducir la temperatura de los elementos electrocalóricos hasta que se haya alcanzado un tercer umbral de temperatura. El controlador 324 cierra entonces la válvula de control 326 para terminar la transferencia de flujo de calor a lo largo de la trayectoria de flujo de calor 318, y abre la válvula de control 328 para transferir calor desde la fuente de calor 320 a los elementos electrocalóricos. Las etapas anteriores se pueden repetir opcionalmente hasta que se haya alcanzado una temperatura objetivo del espacio acondicionado o un objetivo térmico (que puede ser o bien la fuente de calor o bien el disipador de calor).
Con referencia a continuación a la figura 4, se representa esquemáticamente una vista lateral de una vista lateral de un elemento electrocalórico. Como se muestra en la figura 4, el primer electrodo 14 está conectado eléctricamente a un primer elemento de barra colectora eléctrica 18. De manera similar, el segundo electrodo 16 está conectado eléctricamente al segundo elemento de barra colectora eléctrica 20. Los electrodos pueden ser de cualquier tipo de material conductor, incluyendo, pero sin limitarse a, capas metalizadas de un metal conductor tal como aluminio o cobre, u otros materiales conductores tales como carbono (por ejemplo, nanotubos de carbono, grafeno u otro carbono conductor). También se pueden usar metales nobles, pero no se requieren. También se pueden usar otros materiales conductores tales como un semiconductor dopado, cerámica o polímero, o polímeros conductores. Los electrodos estructurados según un patrón se pueden aplicar mediante una diversidad de técnicas, incluyendo la aplicación por inyección de tinta, la deposición por vapor, la electrodeposición, la implantación de iones y otras. En la publicación de solicitud de patente de EE. UU. n.° 2020/0212284 A1, titulada "Method of Making Electrocaloric Artides" ("Método de fabricación de artículos electrocalóricos"), se divulga una divulgación adicional con respecto a la aplicación de electrodos estructurados según un patrón. Los electrodos 14 y 16 mostrados en la figura 4 se pueden extender desde una posición en contacto con un elemento de barra colectora eléctrica en un borde de la película y extenderse de un lado a otro de la película hasta una posición que no está en contacto con el elemento de barra colectora eléctrica de polaridad opuesta en el otro borde de la película 12.
Como se ha mencionado anteriormente, al menos uno de los electrodos y, en algunas realizaciones, ambos de los electrodos 14 y 16, comprenden una disposición estructurada según un patrón de material conductor sobre la superficie de la película electrocalórica 12. En algunas realizaciones, la disposición estructurada según un patrón puede comprender una pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor separadas por unas áreas de separación no conductoras sobre la película electrocalórica. En algunas realizaciones, la separación entre áreas que comprenden el material conductor puede estar en un intervalo con un extremo inferior de 0,1 veces el espesor de película, o 10 veces el espesor de película, o 0,2 veces el espesor de película, y un extremo superior de 5 veces el espesor de película, o 0,5 veces el espesor de película, o 2 veces el espesor de película. En algunas realizaciones, tal separación puede proporcionar un efecto técnico de promover la distribución a través de la película electrocalórica de un campo eléctrico formado cuando se alimentan los electrodos. En algunas realizaciones, el electrodo o electrodos que comprenden una disposición estructurada según un patrón de material conductor pueden tener opcionalmente una capa protectora sobre el electrodo (por ejemplo, una capa protectora o de barrera de polímero) tal como la capa protectora 19 mostrada en la figura 4. En algunas realizaciones, una capa protectora puede proporcionar una barrera protectora para evitar que la humedad u otros contaminantes alcancen el electrodo o electrodos y/o promover la resistencia a la formación de arco eléctrico.
En algunas realizaciones, el electrodo o electrodos se pueden configurar como extensiones lineales de material conductor a lo largo de la superficie de película separadas por áreas de separación no conductoras sobre la película electrocalórica. En algunas realizaciones, la separación entre extensiones lineales adyacentes como una función del espesor de película puede estar en cualquiera de los intervalos anteriores. En algunas realizaciones, los electrodos estructurados según un patrón pueden proporcionar un efecto técnico de promover la acomodación de la tensión y la deformación que resultan de los efectos electroestrictivos sobre la película electrocalórica que pueden acompañar a los cambios de entropía en el material que producen el efecto electrocalórico. Varias realizaciones ilustrativas de configuraciones se describen a continuación con respecto a ciertas configuraciones de electrodo (por ejemplo, extensiones lineales de material conductor a lo largo de la superficie de película separadas por áreas de separación sobre la película electrocalórica), pero los efectos técnicos descritos anteriormente no se limitan a tales configuraciones, como se analiza más adelante.
Una realización ilustrativa de electrodos que comprenden extensiones lineales de material conductor se muestra esquemáticamente en las figuras 5A, 5B y 5c . Como se muestra en la figura 5A, unos electrodos 36 y 38 se muestran en una vista superior sobre una película electrocalórica 12 que tiene unos bordes 40, 42, 44 y 46. Los conectores eléctricos 48 y 50 proporcionan una conexión a una fuente de alimentación y/o a un controlador (no mostrado). Los electrodos 36 y 38 (y, por lo tanto, la primera y la segunda superficies de película sobre las que están dispuestos los electrodos) pueden estar en el mismo lado de la película electrocalórica 12 como se muestra en la figura 5C, o en lados opuestos de la película electrocalórica 12 como se muestra en la figura 5B. Como se muestra en las figuras 5A-5C, unas áreas de separación no numeradas de la superficie de película libres de material de electrodo se interponen entre los dedos de electrodo, y la separación entre los dedos se puede establecer con respecto al espesor de película en cualquiera de los intervalos descritos anteriormente.
En algunas realizaciones, las extensiones lineales de electrodo se pueden extender en una dirección a lo largo de la superficie de película en perpendicular a un vector de tensión o de deformación sobre la película electrocalórica durante el funcionamiento. Por ejemplo, la realización ilustrativa de la figura 5A muestra unos electrodos que se extienden en una dirección en perpendicular a un vector de tensión o de deformación en una dirección entre los bordes de película 42 y 46. Tras la aplicación de un potencial entre los dos electrodos de un elemento capacitivo polimérico (ya sean de arriba a abajo o interdigitados), se desarrolla una fuerza de atracción entre electrodos opuestos. En consecuencia, se juntan las superficies de los electrodos, a lo largo de una línea normal a los potenciales; y se comprime el material contenido por debajo de los electrodos. Como resultado de la compresión, el polímero tiende a expandirse en una dirección en paralelo a las líneas de campo debido a la relación de Poisson para el polímero, presentando de este modo deformación. Si la estructura de electrodo unida al polímero no es mecánicamente adaptable en grado suficiente para dar cabida a la deformación, el polímero no se puede expandir completamente y, por lo tanto, se puede reducir el efecto electrocalórico-elastocalórico combinado, conduciendo a una disminución reducida en la entropía y a un efecto electrocalórico reducido. Las estructuras de electrodo compatibles pueden promover la expansión lateral, permitiendo que el polímero logre un estado de entropía más baja y una capacidad de enfriamiento mayor. En algunas realizaciones (por ejemplo, en realizaciones en las que un elemento electrocalórico se soporta sobre dos segmentos de borde opuestos, pero no en segmentos de borde en perpendicular a los bordes soportados), se puede incurrir en tensión o deformación por un elemento electrocalórico en una dirección en perpendicular a la dirección de una línea más corta entre los bordes soportados, caso en el cual las extensiones lineales de electrodo se pueden extender en una dirección en paralelo a la línea más corta entre los bordes soportados. Por supuesto, el borde soportado se puede extender parcialmente alrededor del borde de la película electrocalórica o completamente alrededor del borde de la película electrocalórica, y pueden tener lugar tensiones o deformaciones a lo largo de múltiples vectores.
Las extensiones lineales de electrodo mostradas en la figura 5A comprenden salientes en forma de dedo recto, pero se pueden usar muchas otras configuraciones. Se pueden usar extensiones lineales de forma curva o compleja para dar cabida a una diversidad de patrones de tensión/deformación a los que se puede someter un elemento electrocalórico durante el funcionamiento. Varias realizaciones ilustrativas de patrones de electrodo se muestran en una vista superior en las figuras 6A, 6B y 6C. Cada una de las figuras 6A, 6B y 6C muestra una imagen superior de aumento menor y una imagen inferior de aumento mayor de realizaciones ilustrativas de extensiones lineales curvas o de forma compleja. En algunas realizaciones, las extensiones lineales curvas o de forma compleja pueden proporcionar un efecto técnico de promover la acomodación de la tensión o de la deformación en múltiples direcciones y, en algunas realizaciones, pueden promover la acomodación de la tensión o de la deformación desde cualquier dirección (es decir, omnidireccional). Se pueden usar otras configuraciones de patrón de electrodo además de las extensiones lineales separadas por áreas de separación. Por ejemplo, una variación de espesor del material conductor del electrodo en una dirección normal a la superficie de película (que se puede repetir de un lado a otro de la superficie) puede proporcionar una configuración con una estructura o patrón en forma de onda que puede absorber tensión o deformación en una dirección a lo largo de (en paralelo a) la superficie de película. Asimismo, realizaciones alternativas podrían incluir electrodos configurados con un patrón de un campo de metalización por lo demás contiguo con áreas de separación de formas circulares, ovulares, poligonales u otras, colocadas al azar o de forma regular en el campo de metalización.
Aunque la presente invención se ha descrito con detalle en relación con solo un número limitado de realizaciones, se debería entender fácilmente que la presente invención no se limita a tales realizaciones divulgadas. Más bien, la presente invención se puede modificar para incorporar cualquier número de variaciones, alteraciones, sustituciones o disposiciones equivalentes no descritas hasta el momento, pero que están dentro del alcance de la invención, como se define mediante las reivindicaciones adjuntas. Adicionalmente, aunque se han descrito diversas realizaciones de la presente divulgación, se ha de entender que los aspectos de la presente invención pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. En consecuencia, la presente invención no se ha de contemplar como limitada por la descripción anterior, sino que solo está limitada por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un módulo electrocalórico (310), que comprende
un elemento electrocalórico que comprende una película electrocalórica (12), un primer electrodo (14) sobre una primera superficie de la película electrocalórica y un segundo electrodo (16) sobre una segunda superficie de la película electrocalórica;
un soporte (22) unido a lo largo de una porción de borde de la película electrocalórica, dejando sin soporte una porción central de la película electrocalórica;
una primera conexión térmica (326) configurada para conectarse a una primera trayectoria de flujo térmico (318) entre el elemento electrocalórico y un disipador de calor (317);
una segunda conexión térmica (328) configurada para conectarse a una segunda trayectoria de flujo térmico entre el elemento electrocalórico y una fuente de calor (320); y una conexión de alimentación conectada a los electrodos configurada para conectarse a una fuente de alimentación,
en donde al menos uno del primer y el segundo electrodos comprende una disposición estructurada según un patrón de material conductor sobre la superficie de película;
caracterizado por que:
la disposición estructurada según un patrón de material conductor comprende una pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor separadas por unas áreas de separación no conductoras sobre la película electrocalórica; y
la pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor presentan una separación entre sí de una dimensión de 0,5 veces el espesor de película a 2 veces el espesor de película.
2. Un sistema de transferencia de calor (300) que comprende:
el módulo electrocalórico de la reivindicación 1,
una primera trayectoria de flujo térmico (318) entre el elemento electrocalórico y un disipador de calor (317) a través de la primera conexión térmica,
una segunda trayectoria de flujo térmico (322) entre el elemento electrocalórico y una fuente de calor a través de la segunda conexión térmica,
una conexión eléctrica entre la fuente de alimentación y los electrodos adicionalmente a través de la conexión de alimentación, y
un controlador (324) configurado para aplicar selectivamente un voltaje para activar los electrodos en coordinación con una transferencia de calor a lo largo de la primera y la segunda trayectorias de flujo térmico para transferir calor desde la fuente de calor al disipador de calor.
3. El módulo electrocalórico de la reivindicación 1 o el sistema de transferencia de calor de la reivindicación 2, en donde el módulo electrocalórico comprende una pluralidad de elementos electrocalóricos que comprenden individualmente la película electrocalórica (12), el primer electrodo (14) sobre la primera superficie de la película electrocalórica y el segundo electrodo (16) sobre la segunda superficie de la película electrocalórica.
4. Un método de transferencia de calor, que comprende
aplicar selectivamente un voltaje para activar unos electrodos (14, 16) sobre una primera y una segunda superficies de una película electrocalórica (12), en donde la película electrocalórica está soportada a lo largo de una porción de borde de la película electrocalórica y no soportada a lo largo de una porción central de la película electrocalórica, y al menos uno de los electrodos comprende una disposición estructurada según un patrón de material conductor sobre la superficie de película; y
en coordinación con la aplicación de voltaje a los electrodos, transferir calor desde una fuente de calor (320) al material electrocalórico y desde el material electrocalórico a un disipador de calor (317),
caracterizado por que:
la disposición estructurada según un patrón de material conductor comprende una pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor separadas por unas áreas de separación no conductoras sobre la película electrocalórica; y
la pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor presentan una separación entre sí de una dimensión de 0,5 veces el espesor de película a 2 veces el espesor de película.
5. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el primer y el segundo electrodos están en el mismo lado de la película electrocalórica.
6. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en donde el primer y el segundo electrodos están en lados opuestos de la película electrocalórica.
7. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde la pluralidad de áreas sobre la superficie de película electrocalórica que comprenden el material conductor están configuradas como una pluralidad de extensiones lineales de material conductor a lo largo de la superficie de película separadas por áreas de separación.
8. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de la reivindicación 7, en donde las extensiones lineales de material conductor se extienden en perpendicular a un vector de deformación sobre la película electrocalórica durante el funcionamiento.
9. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de las reivindicaciones 7 u 8, en donde las extensiones lineales de material conductor se extienden en paralelo a una línea entre bordes soportados en extremos opuestos de la película electrocalórica.
10. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 7-9, en donde las extensiones lineales de material conductor se extienden en al menos dos direcciones.
11. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 7-10, en donde las extensiones lineales de material conductor se extienden de forma omnidireccional.
12. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en donde la porción de borde soportada de la película electrocalórica se extiende parcial o completamente alrededor del borde de película electrocalórica.
13. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en donde la película electrocalórica tiene forma cuadrada o rectangular y la porción de borde soportada de la película electrocalórica se extiende a lo largo de dos lados opuestos del cuadrado o rectángulo o a lo largo de todos los lados del cuadrado o rectángulo.
14. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la disposición estructurada según un patrón de material conductor comprende una variación de espesor en una dirección normal a la superficie de película.
15. El módulo electrocalórico o sistema o método de transferencia de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una capa protectora está dispuesta sobre el electrodo o electrodos que comprenden una disposición estructurada según un patrón de material conductor.
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