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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-04
(45)【発行日】2022-03-14
(54)【発明の名称】誘電熱量システム
(51)【国際特許分類】
F25B 21/00 20060101AFI20220307BHJP
【ＦＩ】
F25B21/00 Z
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2017220548
(22)【出願日】2017-11-16
(65)【公開番号】P2018096675
(43)【公開日】2018-06-21
【審査請求日】2020-11-13
(31)【優先権主張番号】15/375,713
(32)【優先日】2016-12-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】504407000
【氏名又は名称】パロ アルト リサーチ センター インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100088694
【弁理士】
【氏名又は名称】弟子丸 健
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100109335
【弁理士】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(72)【発明者】
【氏名】デイヴィット・イー・シュワルツ
(72)【発明者】
【氏名】ユンダ・ワン
【審査官】飯星 潤耶
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－００５４２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００３３７６２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－０５９７３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－３１３２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－１７８４７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／０４１６２１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ ２１／００－２１／０４
Ｂ６０Ｈ １／３２
Ｈ０１Ｆ １／０１
Ｈ０２Ｎ １１／００
Ｈ０１Ｌ ３７／０２
Ｆ２４Ｆ １／００９７
Ｆ２４Ｆ １／０３７８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の列の誘電熱量コンデンサのコンデンサが第１の組の絶縁領域によって分離された第１の列の誘電熱量コンデンサと、前記第１の列の誘電熱量コンデンサに近接しており、第２の列の誘電熱量コンデンサのコンデンサが第２の組の絶縁領域によって分離された第２の列の誘電熱量コンデンサとを備え、
前記第１の列の誘電熱量コンデンサに第１の電界が印加され且つ前記第２の列の誘電熱量コンデンサに第２の電界が印加され、
前記第１及び第２の電界が各誘電熱量コンデンサに印加されると、前記第１の電界の上昇に応じて前記第１の誘電熱量コンデンサの温度が上昇し且つ前記第２の電界の下降に応じて前記第２の誘電熱量コンデンサの温度が下降するように、又は、前記第１の電界の下降に応じて前記第１の誘電熱量コンデンサの温度が下降し且つ前記第２の電界の上昇に応じて前記第２の誘電熱量コンデンサの温度が上昇するように、前記第１及び第２の電界が相補的であり、
さらに、前記第１の列の誘電熱量コンデンサと前記第２の列の誘電熱量コンデンサとの間に支持層を備え、
さらに、前記支持層を通る少なくとも１つの熱伝導性ビアを備える、システム。
【請求項2】
第１の列の誘電熱量コンデンサのコンデンサが第１の組の絶縁領域によって分離された第１の列の誘電熱量コンデンサと、
前記第１の列の誘電熱量コンデンサに近接しており、第２の列の誘電熱量コンデンサのコンデンサが第２の組の絶縁領域によって分離された第２の列の誘電熱量コンデンサとを備え、
前記第１の列の誘電熱量コンデンサに第１の電界が印加され且つ前記第２の列の誘電熱量コンデンサに第２の電界が印加され、
前記第１及び第２の電界が各誘電熱量コンデンサに印加されると、前記第１の電界の上昇に応じて前記第１の誘電熱量コンデンサの温度が上昇し且つ前記第２の電界の下降に応じて前記第２の誘電熱量コンデンサの温度が下降するように、又は、前記第１の電界の下降に応じて前記第１の誘電熱量コンデンサの温度が下降し且つ前記第２の電界の上昇に応じて前記第２の誘電熱量コンデンサの温度が上昇するように、前記第１及び第２の電界が相補的であり、
さらに、前記第１の列の誘電熱量コンデンサと前記第２の列の誘電熱量コンデンサとの間に支持層を備え、
前記支持層が断熱材料を含む、システム。
【請求項3】
第１の層の誘電熱量コンデンサのコンデンサが第１の列の絶縁領域によって分離された第１の層の誘電熱量コンデンサと、前記第１の層の誘電熱量コンデンサに近接した第２の層の誘電熱量コンデンサであって、前記第１及び第２の誘電熱量コンデンサの間の熱伝達が可能であり、前記第２の層の誘電熱量コンデンサのコンデンサが第２の列の絶縁領域によって分離された第２の層の誘電熱量コンデンサと、
前記第２の層の誘電熱量コンデンサに対して前記第１の層の誘電熱量コンデンサを移動させるように構成されたアクチュエータとを備え、
前記第１の層の誘電熱量コンデンサに第１の電界が印加され且つ前記第２の層の誘電熱量コンデンサに第２の電界が印加され、
前記第１及び第２の電界が各誘電熱量コンデンサに印加されると、前記第１の電界の上昇に応じて前記第１の誘電熱量コンデンサの温度が上昇し且つ前記第２の電界の下降に応じて前記第２の誘電熱量コンデンサの温度が下降するように、又は、前記第１の電界の下降に応じて前記第１の誘電熱量コンデンサの温度が下降し且つ前記第２の電界の上昇に応じて前記第２の誘電熱量コンデンサの温度が上昇するように、前記第１及び第２の電界が相補的であり、
前記アクチュエータが、前記第１及び第２の電界の上昇及び下降に対応して前記第２の層の誘電熱量コンデンサに対して前記第１の層の誘電熱量コンデンサを移動させるように構成されており、
さらに、前記第１の列の誘電熱量コンデンサと前記第２の列の誘電熱量コンデンサとの間に支持層を備え、
さらに、前記支持層を通る少なくとも１つの熱伝導性ビアを備え、システム。
【請求項4】
第１の層の誘電熱量コンデンサに対して第２の層の誘電熱量コンデンサを第１の方向に移動させることであって、前記第１の層の誘電熱量コンデンサのコンデンサが、第１の絶縁領域によって分離され、前記第２の層の誘電熱量コンデンサのコンデンサが、第２の絶縁領域によって分離されることと、前記第２の層の誘電熱量コンデンサにおける電界を下降させたときに前記第１の層の誘電熱量コンデンサにおける電界を上昇させ、それにより、熱が前記第１の層の誘電熱量コンデンサから前記第２の層の誘電熱量コンデンサへと伝達されることと、
前記第１の層の誘電熱量コンデンサに対して前記第１の方向と反対方向に前記第２の層の誘電熱量コンデンサを移動させることと、
前記第１の層の誘電熱量コンデンサにおける電界を下降させたときに前記第２の層の誘電熱量コンデンサにおける電界を上昇させ、それにより、熱が前記第２の層の誘電熱量コンデンサから前記第１の層の誘電熱量コンデンサへと伝達されることとを備え、
前記第１の列の誘電熱量コンデンサと前記第２の列の誘電熱量コンデンサとの間の支持層を通って配設された少なくとも１つのビアを使用して前記第１及び第２のコンデンサ層間において垂直方向に熱を伝達することをさらに備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、誘電熱量冷却及び／又は加熱装置並びにそのような装置に関連する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ヒートポンプ、空調、及び／又は他のエネルギ変換用途についてのいくつかの技術が研究されている。これらの技術は、エネルギ効率の向上、コンパクト化、騒音レベルの低減、並びに環境への影響の低減をもたらすことがある誘電熱量エネルギ変換の使用を含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0003】
システムは、第１の列の誘電熱量コンデンサを備える。誘電熱量コンデンサの第１の列のコンデンサは、第１の組の絶縁領域によって分離される。第２の列の誘電熱量コンデンサは、第１の列の誘電熱量コンデンサに近接して配設される。第２の列の誘電熱量コンデンサのコンデンサは、第２の組の絶縁領域によって分離される。第１の電界が第１の列の誘電熱量コンデンサに印加され、第２の電界が第２の列の誘電熱量コンデンサに印加される。第１及び第２の電界が各誘電熱量コンデンサに印加されると、第１の電界の上昇に応じて第１の誘電熱量コンデンサの温度が上昇し且つ第２の電界の下降に応じて第２の誘電熱量コンデンサの温度が下降するように、又は、第１の電界の下降に応じて第１の誘電熱量コンデンサの温度が下降し且つ第２の電界の上昇に応じて第２の誘電熱量コンデンサの温度が上昇するように、第１及び第２の電界は相補的である。
【0004】
本願明細書に記載された様々な実施形態は、第１の層の誘電熱量コンデンサを備えるシステムを含む。第１の列の第１の誘電熱量コンデンサのコンデンサは、第１の絶縁領域によって分離される。第２の層の誘電熱量コンデンサは、第１の誘電熱量コンデンサに近接して配設され、近接性は、第１及び第２の誘電熱量コンデンサの間の熱伝達を可能とする。第２の列の誘電熱量コンデンサのコンデンサは、第２の絶縁領域によって分離される。アクチュエータは、第２の層の誘電熱量コンデンサに対して第１の層の誘電熱量コンデンサを移動させるように構成されている。第１の電界が第１の層の誘電熱量コンデンサに印加され、第２の電界が第２の層の誘電熱量コンデンサに印加される。第１及び第２の電界が各誘電熱量コンデンサに印加されると、第１の電界の上昇に応じて第１の誘電熱量コンデンサの温度が上昇し且つ第２の電界の下降に応じて第２の誘電熱量コンデンサの温度が下降するように、又は、第１の電界の下降に応じて第１の誘電熱量コンデンサの温度が下降し且つ第２の電界の上昇に応じて第２の誘電熱量コンデンサの温度が上昇するように、第１及び第２の電界は相補的である。アクチュエータは、第１及び第２の電界の上昇及び下降に対応して第２の層の誘電熱量コンデンサに対して第１の層の誘電熱量コンデンサを移動させるように構成されている。
【0005】
方法は、第１の層の誘電熱量コンデンサに対して第２の層の誘電熱量コンデンサを第１の方向に移動させることを備え、第１の層の誘電熱量コンデンサのコンデンサが、第１の絶縁領域によって分離され、第２の層の誘電熱量コンデンサのコンデンサが、第２の絶縁領域によって分離される。第２の層の誘電熱量コンデンサにおける電界を下降させると第１の層の誘電熱量コンデンサにおける電界が上昇し、それにより、熱が第１の層の誘電熱量コンデンサから第２の層の誘電熱量コンデンサへと伝達される。第２の層の誘電熱量コンデンサは、第１の層の誘電熱量コンデンサに対して第１の方向と反対方向に移動される。第１の層の誘電熱量コンデンサにおける電界を下降させると第２の層の誘電熱量コンデンサにおける電界が上昇し、それにより、熱が第２の層の誘電熱量コンデンサから第１の層の誘電熱量コンデンサへと伝達される。
【0006】
上記概要は、各実施形態又は全ての実装を記載するように意図するものではない。添付図面とともに以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照することにより、より完全な理解が明らかになって理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【発明を実施するための形態】
【0008】
図面は必ずしも縮尺どおりではない。図面において使用されている同様の符号は、同様の構成要素を指している。しかしながら、所定の図面において構成要素を指すための符号の使用は、同じ符号によってラベル付けされた他の図面における構成要素を限定することを意図するものではないことが理解される。
【0009】
誘電熱量効果（ＥＣＥ）及び焦電効果は、同じ現象、すなわち、変化する電界に関連する材料の温度の変化を指す。冷却又は冷凍用途に材料が使用される場合、用語「誘電熱量」が一般に使用される。熱から電気又は機械的仕事を発生させるために材料が使用される場合（すなわち、熱機関として）、用語「焦電」が使用される。
【0010】
誘電熱量システムにおいて使用されるコンデンサは、ＢａＴｉＯ３、ＰＬＺＴ、及び／又はＰｂＢａＺｒＯ３などの誘電熱量誘電体を含むことができる。特定の材料、特にＰ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）ベースの重合体及び共重合体及びジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミック材料は、大きなＥＣＥを有することが示されている。本願明細書に記載された実施形態によれば、コンデンサモジュールは、温度変化に応答したコンデンサの表面電荷の変化を指す焦電効果を発揮することができ、熱機関を形成するために使用することができる。
【0011】
冷却装置においてＥＣＥ（「ＥＣ材料」）を呈する材料を使用するために、電界を印加することによって誘導される温度変化は、熱が装置の一方側から抽出されて他方に供給されるように、熱流束に方向性を形成するいくつかの手段と同期させることができる。これを行う１つの手段は、ＥＣコンデンサの両側に高熱伝導経路を交互に形成する熱スイッチである。他の手段は再生によるものである。様々な実装によれば、熱スイッチ及び能動的再生の組み合わせが使用可能である。
【0012】
ここで図１Ａ～図１Ｃを参照すると、能動的再生を介して誘電熱量冷却するためのシステム２００を示す概略が理解されることができる。システム２００は、第１のＥＣコンデンサ２０２及び第２のＥＣコンデンサ２０４を設けている。この第２のＥＣコンデンサ２０４に印加される電界は、第１のＥＣコンデンサ２０２の温度が下降すると第２のＥＣコンデンサ２０４の温度が上昇し且つその逆でもあるように、第１のＥＣコンデンサ２０２に印加される電界に相補的である。図１Ｃは、様々なシステム段階においてＥＣコンデンサ２０２及び２０４のそれぞれにわたる温度の解釈を助けるように温度スケールを提供していることに留意されたい。図１Ａ～図１Ｃは、コンデンサ２０２及び２０４のそれぞれの内部の別個のセクションを示しており、セクションは、実際には異なる温度で最適に動作するように調整された異なるＥＣ材料から構成されてもよく、又は、セクションは、均質なＥＣ材料にわたって温度勾配を示すセクションを有する均質なＥＣ材料から構成されてもよいことに留意すべきである。
【0013】
図１Ａは、システム２００の再生段階を示している。再生段階において、第１のＥＣコンデンサ２０２は、比較的高温である（高電界が印加されている）一方で、第２のＥＣコンデンサ２０４は、比較的低温である（低電界がされている）。熱は、第１のＥＣコンデンサ２０２から第２のＥＣコンデンサ２０４へと伝達される。第１及び第２のＥＣコンデンサ２０２及び２０４のそれぞれは、複数の誘電熱量材料２１２を含むことに留意されたい。本構成において、複数の誘電熱量材料２１２は、直列又は並列の向きであるが、誘電熱量材料はまた、所望の誘電熱量機能を有する所望の誘電熱量コンデンサを製造するために、層状にしてもよく、あるいは混合してもよい。
【0014】
図１Ｂは、システム２００の熱伝達段階を示している。熱伝達段階において、第２のＥＣコンデンサ２０４は、第１のＥＣコンデンサ２０２の固定位置に対して移動又は変位されており、ＥＣコンデンサ２０２及び２０４のいずれか又は双方は、特定の用途に応じて適切に変位されることができる。さらに、熱伝達段階において、第２のＥＣコンデンサ２０４は、比較的高温である（高電界が印加されている）一方で、第１のＥＣコンデンサ２０２は、比較的低温であり（低電界がされている）、そのため、熱は、第２のＥＣコンデンサ２０４から第１のＥＣコンデンサ２０２へと伝達される。さらに、熱伝達段階において、第２のＥＣコンデンサ２０４の高温側は、高温Ｔｈにおいてヒートシンク２０６と接触しており、第１のＥＣコンデンサ２０２の低温側は、低温Ｔｃにおいて冷却されるべき物体２０８と接触している。ここで、Ｔｃ＜Ｔｈである。図１Ａ及び図１Ｂにおける垂直方向矢印は、熱流の方向を示している。２つのコンデンサ２０２及び２０４の温度は一定ではなく、常時コンデンサ２０２及び２０４のそれぞれにわたって温度勾配がある、すなわち、右が高温であり且つ左が低温であることに留意すべきである。
【0015】
図２Ａ及び図２Ｂは、第１のＥＣコンデンサ２０２及び第２のＥＣコンデンサ２０４を有するシステム２００を同様に示している。図２Ａは、電圧源がないことによって示される低電界に第２のＥＣコンデンサ２０４が供され、第２のＥＣコンデンサ２０４を比較的低温に保持しつつ、第１のＥＣコンデンサ２０２に高電界を印加する電圧源２１０を有するシステム２００の再生段階を示している。側方矢印は、ＥＣコンデンサ２０２及び２０４の変位運動を示しており、いずれか又は双方が変位されることができる。垂直方向矢印は、第１のＥＣコンデンサ２０２から第２のＥＣコンデンサ２０４への熱伝達の方向を示している。
【0016】
図２Ｂは、システム２００の熱伝達段階を示しており、電圧源２１０によって生成された高電界は、第２のＥＣコンデンサ２０４に印加され、電圧源がないことによって示される低電界は、第１のコンデンサ２０２に印加される。ヒートシンク２０６は、第２のＥＣコンデンサ２０４の高温側に同様に設けられ、冷却されるべき物体２０８は、第１のＥＣコンデンサ２０２の低温側に同様に設けられる。垂直方向矢印は、熱伝達の方向を同様に示している。図２Ａ及び図２Ｂは、さらに、ＥＣコンデンサのそれぞれが、誘電熱量重合体、誘電熱量共重合体及び／又は誘電熱量セラミックを含むことができる１つ以上のＥＣ材料２１２から製造されることを強調している。重合体は、一般に、低弾性率を有するが、セラミックスは脆い可能性がある。そのため、金属箔又は他の支持材料によってＥＣコンデンサを強化する必要があることがある。
【0017】
図１及び図２の能動的再生システム２００を介した誘電熱量冷却は、以下の４段階サイクルである：（１）１方向に移動させる、例えば、第１のＥＣコンデンサ２０２に対して左に第２のＥＣコンデンサ２０４を移動させる；（２）２つの電界のうちの他方の低く保持しつつ第１を上昇させる、例えば、第１のＥＣコンデンサ２０２における電界を上昇させる；（３）他の方向に移動させる、例えば、第１のＥＣコンデンサ２０２に対して右に第２のＥＣコンデンサ２０４を移動させる；及び（４）２つの電界のうちの他方を低く保持しつつ第２を上昇させる、例えば、第２のＥＣコンデンサ２０４における電界を上昇させる。ステップのそれぞれは、離散的な運動及び電界変化を提供するが、システム２００はまた、連続的であってもよい。
【0018】
図３Ａは、離散運動及び電界変化に関連付けられる波形を示しており、具体的には、時間に対する位置、第１のＥＣコンデンサ２０２における電界、及び第２のＥＣコンデンサ２０４における電界を示している。図３Ｂは、連続運動及び電界変化に関連付けられる波形を示しており、具体的には、時間に対する位置、第１のＥＣコンデンサ２０２における電界、及び第２のＥＣコンデンサ２０４における電界を示している。図３Ｂは、ランプ波形を示しているが、システム２００が適切に同期される限り、例えば正弦波などの他の種類の連続波形も可能であることに留意すべきである。
【0019】
図１及び図２は、２つのＥＣコンデンサ層（２０２及び２０４）のみを有するシステム２００の例示的な実施形態を示しているが、実際には、多くの層のＥＣコンデンサが積層されてもよい。図４Ａ及び図４Ｂは、例えば２０２（ａ）～（ｄ）などの複数の第１のＥＣコンデンサが複数の第２のＥＣコンデンサ２０４（ａ）～（ｄ）と交互に積層されているシステム２００の例示的な実施形態を示している。同様に、側方矢印は、運動方向を示し、垂直方向矢印は、熱伝達の方向を示している。ヒートシンク２０６及び冷却すべき物体２０８はまた、図４Ｂの構成にも組み込まれる。任意数のＥＣコンデンサ層が特定の用途に適したものとして使用可能である。
【0020】
ＥＣコンデンサ２０２及び２０４のうちの一方又は双方の運動は、モータ及び／又は他のアクチュエータによって達成されることができる。積層ＥＣコンデンサの場合、代替のＥＣコンデンサ層は、略均一で且つ同時の移動を提供するように互いに取り付けられることができる。ＥＣコンデンサ層間の良好な熱接触を可能とし且つ運動中の摩擦を低減するために、各ＥＣコンデンサ層の中間に潤滑層を設けることができる。潤滑剤は、熱伝導性オイルを含むことができ、あるいは、任意の他の適切なオイル若しくは液体潤滑剤及び／又はグラファイトなどの固体潤滑剤、又は熱伝導若しくは断熱材料の粒子を含有するオイルを含むことができる。ＥＣコンデンサ層についての運動の長さ（又は変位距離）、ＥＣコンデンサ層の厚さ、電界発生電圧などは材料及びシステムの選択に依存し、それゆえに、特定の用途に応じて適切に選択されることができる。
【0021】
ヒートシンク２０６及び冷却されるべき物体２０８は、特定の用途に適した任意の方法でシステム２００に接続されることができる。例えば、ヒートシンク２０６及び物体２０８は、液体ループ又は他のポンピング液体冷却を介してシステム２００に接続されることができる。他の例示的な実施形態において、金属ブロック２２２の形態などの固体連結が使用可能である。ＥＣコンデンサ層２０２及び２０４が金属ブロック２２２に近接して配置される図５Ａ及び運動がＥＣコンデンサを金属ブロック２２２と熱伝達接触させる図５Ｂを参照のこと。金属ブロック２２２は、順次、ヒートシンク及び冷却されるべき物体及び／又は空気熱交換器又は液体ループなどに結合されることができる。システム２００のコネクタの例が本願明細書に記載されているが、システム２００に接続するために任意の他の適切な熱交換機構が使用されてもよい。
【0022】
上記開示は、直線往復運動を有する直線状に構成されたＥＣコンデンサに焦点をあててきたが、ＥＣコンデンサ及びそれらの運動は、直線又は往復である必要はないことに留意すべきである。例えば、ＥＣコンデンサは、例えば、くさび、半ディスクなどのディスクの一部であってもよく、運動は回転式であってもよい。回転運動が可能とされる熱伝達材料２２４内のくさび構成でシステム２００を示す図６Ａを参照のこと。図６Ｂは、第１のＥＣコンデンサ２０２及び第１のＥＣコンデンサ２０２に対して回転運動可能な第２のＥＣコンデンサ２０４を示す図６Ａの断面図である。
【0023】
本願明細書に記載されたシステム２００の様々な実施形態は、より多くの活性物質の量によるより高い電力密度及び／又はより高い温度上昇並びにより効果的な熱伝達によるより高い効率という利点を提供することができる。
【0024】
上述したコアシステムは、焦電式熱機関として構成されることができる。焦電式熱機関の構成において、焦電材料は、誘電熱量材料に代替される。焦電材料は、熱環境発電を最適化するように選択される。上述した冷却構成とは対照的に、熱は、高温側において装置によって吸収され、低温側において排除される。冷却構成の高電圧供給は、熱機関構成における負荷に置き換えられる。負荷は、コンデンサの運動に同期したインピーダンス又は電圧によって受動的又は能動的とすることができる。
【0025】
図７Ａ～図７Ｃは、能動的再生による焦電式発電用のシステム７００を示している。システム７００は、第１の焦電（ＰＥ）コンデンサ７０２及び第２のＰＥコンデンサ７０４を設けている。熱源７０６及びヒートシンク７０８もまた設けられる。図７Ｃは、様々なシステム段階においてＰＥコンデンサ７０２及び７０４のそれぞれにわたる温度の解釈を助けるように温度スケールを提供していることに留意されたい。図７Ａ～図７Ｃは、コンデンサ７０２及び７０４のそれぞれの内部の別個のセクションを示しており、セクションは、実際には異なる温度で最適に動作するように調整された異なるＰＥ材料から構成されてもよく、又は、セクションは、均質なＰＥ材料にわたって温度勾配を示すセクションを有する均質なＰＥ材料から構成されてもよいことに留意すべきである。
【0026】
図７Ａは、焦電式熱機関内の熱力学サイクルの１つの相を示している。ＰＥコンデンサ７０２は、その高温側が熱源７０６と連通する一方で、熱を吸収するようにその電圧が下降するように移動される。同時に、ＰＥコンデンサ７０２と連通しているＰＥコンデンサ７０４は、ＰＥコンデンサ７０２への熱を排除するようにその電圧が上昇している。第２の段階において、図７Ｂを通じて、ＰＥコンデンサ７０２は、その低温側がヒートシンク７０８と連通しているように移動される。ヒートシンク７０８並びにその電圧が下降したＰＥコンデンサ７０４への熱を排除するように、その電圧は上昇する。焦電効果のために、サイクルあたりにシステムに投入される充電時間電圧の観点からの正味の電気エネルギは、抽出されるエネルギよりも少ない。このようにして、装置は熱機関として動作する。焦電コンデンサ、熱源、及びヒートシンクの他の構成が可能であり、他の焦電式環境発電も可能である。
【0027】
本願明細書に記載された様々な実施形態によれば、熱スイッチは、単独で又は上述した能動的再生システムを介した誘電熱量冷却と組み合わせて使用可能である。熱スイッチシステムは、ＥＣコンデンサの両側において高熱伝導経路を交互に形成する。熱スイッチベースのシステムにおいて、誘電熱量ＥＣ誘電体を有するコンデンサに対する熱流束は、熱スイッチによって制御される。熱スイッチベースのシステムにおいて、熱伝導性は、高値と低値との間で能動的に切り替えられることができる。
【0028】
図８Ａ～図８Ｅは、誘電熱量冷却システムについての熱スイッチを使用するプロセスを示している。まず、図８Ａにおいて、ヌル及び／又は低電界（ＥＬ）がＥＣコンデンサモジュール８２０にわたって印加される。ＥＣコンデンサシステムは、温度Ｔｃ８７５を有する低温浴側８１０と、温度Ｔｈを有する高温浴側８３０とを有する。第１のステップにおいて、ＥＣコンデンサモジュール８２０の低温側８１０の熱スイッチ８６０は、閉鎖（オン）位置にあり、ＥＣコンデンサ８２０の高温側８３０の熱スイッチ８６５は、開放（オフ）位置にある。スイッチが閉鎖すると、回路は完全し、それゆえに、熱スイッチはアクティブになる。スイッチが開放すると、回路は不完全であり、熱スイッチは非アクティブ状態にある。ＥＣコンデンサモジュール８２０の平均温度（ＴＥＣ）は、図８Ｅにおける第１の温度（Ｔ１）８８０で始まる。ここで、Ｔ１はＴｃよりも小さい。ＥＣコンデンサモジュール８２０の温度は、図８Ｃに示されるように、ＥＣモジュール８２０が低温浴から熱８１５を吸収するのにともない、温度Ｔ２８８２まで上昇する。熱スイッチの有限のオフ抵抗のために、少量の熱がＥＣコンデンサモジュールの高温側から吸収されることができる８２５。
【0029】
双方の熱スイッチ８６１、８６６がオフ（開放）状態にされた図８Ｂにプロセスの第２の状態が示されている。ＥＣコンデンサモジュール８２２に印加される電界は、高値（ＥＨ）に切り替えられる。高電界値は、図８Ｅに示されるようにＴ２からＴ３へと温度を上昇させる８８４。これは、誘電熱量効果によって引き起こされる。Ｔ２からＴ３への温度上昇８８４は、図８Ｃに示されるように、電界が上昇するのにともない略瞬時に起こる。様々な実装によれば、Ｔ３は、高温浴温度Ｔｈ８７０よりも高い。矢印８１７及び８２７によって示されるようにスイッチの有限オフ抵抗のために、ＥＣモジュールと高温及び／又は低温側との間に少量の熱伝達が存在してもよい。熱伝達の量は、プロセスの第２の状態の短い持続時間によって制限される。
【0030】
ＥＨにおいて電界を維持しつつ、ＥＣコンデンサモジュール８２４の高温側８３４についての熱スイッチ８６７は、図８Ｃに示されるようにオン（閉鎖）される。ＥＣコンデンサモジュール８２４は、高温浴の温度よりも高い温度であることから、ＥＣモジュールからの熱が高温浴によって吸収されるのにともない８５５、ＥＣモジュールの温度は、Ｔ３からＴ４へと下降する８８６。一部の熱はまた、熱スイッチの有限オフ抵抗に起因して低温側における熱スイッチ８６２が開放状態であるにもかかわらず、ＥＣモジュール８２４の低温側８１４に漏れてもよい８４５。
【0031】
図８Ｄに示される最終ステップにおいて、双方の熱スイッチは、オフ（開放）され８６３、８６８、電界は、ＥＬに戻される。この電界の下降は、図８Ｅに示されるように、Ｔ４からＴ１へと戻る８９０ＥＣコンデンサモジュール８２６における略瞬時の温度低下８８８をもたらす。コンデンサモジュールが温度Ｔ１へと戻ることが記載されているが、最終温度は、初期温度（Ｔ１）とは異なる温度であってもよいことが理解されるべきである。同様に、矢印８４７及び８５７によって示されるようにスイッチの有限オフ抵抗のために、ＥＣモジュールと高温及び／又は低温側との間に少量の熱伝達が存在してもよい。熱伝達の量は、プロセスの最終状態の短い持続時間によって制限される。
【0032】
図９Ａ及び図９Ｂは、本願明細書に記載された実施形態にかかる熱スイッチ及び／又は能動的再生を利用するＥＣコンデンサシステムを示している。ＥＣコンデンサシステムのコンデンサは、単層又は多層コンデンサとすることができる。場合によっては、ＥＣコンデンサは、多層チップコンデンサである。ＥＣコンデンサシステムのコンデンサは、コンデンサのアレイを表すことができる。図９Ａ及び図９Ｂは、第１の列のＥＣコンデンサ９１０、９１２及び第２の列のＥＣコンデンサ９２０、９２２を示している。第１の列のＥＣコンデンサ９１０、９１２のコンデンサは、第１の組の絶縁領域９３０、９３２によって分離され、第２の列のＥＣコンデンサ９２０のコンデンサは、第２の組の絶縁領域９３５、９３７によって分離される。絶縁領域９３０、９３２、９３５、９３７は、低い熱伝導率を有することができる。例えば、絶縁領域は、約０．０２から１Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有することができる。各列における隣接するコンデンサ間の熱伝導は、コンデンサ列のコンデンサ間の間隔の大きさに関連することができる。より大きい間隔量は、より低い熱伝導性を生じさせる。この間隔は、装置の所望のサイズ及びコンデンサ列のコンデンサ間の所望の量の熱伝導によってバランスをとることができる。コンデンサ間の間隔は、例えば、約１００μｍから１ｃｍとすることができる。場合によっては、システムにおける少なくともいくつかの隣接するコンデンサ間の間隔は、特定の用途の要件に応じて１００μｍ未満であるか及び／又は１ｃｍよりも大きい。絶縁領域は、熱が装置において横方向に伝達するのを防止する（すなわち、熱が装置の単一列又は層のコンデンサ間において伝達するのを防止する）。横方向の熱伝導の量はまた、絶縁領域の材料に依存することができる。絶縁領域は、例えば、空気、真空、エーロゲル、及び／又はキセノンなどのガスを含むことができる。図９Ａ～図９Ｂは、コンデンサ列のコンデンサ間の絶縁領域が略同じ大きさであることを示しているが、間隔及び／又はコンデンサ幅は、コンデンサの間隔及び幅の合計の大きさがシステムにおけるコンデンサの全て又は一部について略同一である限り、異なってもよいことが理解されるべきである。
【0033】
様々な実施形態によれば、第１の電界が第１の列のＥＣコンデンサ９１０、９１２に印加され、第２の電界が第２の列のＥＣコンデンサ９２０、９２２に印加される。場合によっては、第１及び第２の電界が各ＥＣコンデンサ列に印加されると、第１の電界の上昇に応じて第１の列のＥＣコンデンサ９１０、９１２の温度が上昇し且つ第２の電界の下降に応じて第２の列のＥＣコンデンサ９２０、９２２の温度が下降するように、第１及び第２の電界は相補的である。場合によっては、第１の電界の下降に応じて第１の列のＥＣコンデンサ９１０、９１２の温度は下降し、第２の電界の上昇に応じて第２の列のＥＣコンデンサ９２０、９２２の温度は上昇する。
【0034】
様々な実施形態によれば、図９Ａ及び図９Ｂに示されるように、２つの列のＥＣコンデンサ９１２、９２２の間に少なくとも１つの支持層９５０、９６０、９６５がある。少なくとも１つの支持層は、構造的支持層及び／又は構造とすることができる。支持構造部９５０、９６０、９６５は、以下のうちの１つ以上を行う：コンデンサについての機械的支持を提供し、他のコンデンサ層に対する摺動のために滑らかな表面を提供し、隣接するコンデンサ間において低熱伝導性を維持するように断熱し、及び／又は２つの列のコンデンサ間の良好な熱接触を可能とする。構造的支持層は、可能な限り薄いが、できるだけ低い熱伝導率を有することができる。例えば、構造的支持層は、約５０μｍから２ｍｍの厚さとすることができる。場合によっては、構造的支持層は、例えば、ガラス、重合体、セラミック、及び／又はＦＲ－４などの印刷回路基板（ＰＣＢ）材料を含む。
【0035】
図９Ｂにおいて、第１の支持層９６０は、第１の列のＥＣコンデンサ９１２に近接して示されており、第２の支持構造部９６５は、第２の列のＥＣコンデンサ９２２に近接して示されている。場合によっては、第１の支持構造部及び／又は他方の支持構造部に面している第２の支持構造部の各側面は、ＥＣコンデンサ列間の横方向の運動を容易とするように略平坦である。ＥＣコンデンサ列間の横方向運動の促進は、支持構造部の少なくとも一部を研磨することによって達成されることができる。場合によっては、ＥＣコンデンサ列９１２、９２２の間における横方向運動を容易とするために構造的支持層間に潤滑層９７０がある。潤滑層は、熱伝導性オイル及び／又は任意の他の適切なオイル若しくは液体潤滑剤及び／又はグラファイトなどの固体潤滑剤を含むことができる。場合によっては、潤滑層は、熱伝導若しくは断熱材料の粒子を含有するオイルを含む。潤滑層は、低い熱伝導率を有することができ、約１μｍから１００μｍの厚さとすることができる。場合によっては、支持構造部９６０、９６５は、横方向に低い熱伝導率を有する及び／又は列間において垂直方向に熱伝達を可能とするように垂直方向に熱伝導性であってもよい。
【0036】
構造的支持部９６０、９６５のうちの少なくとも一方及び潤滑層９７０を通る１つ以上のビア及び／又はシャント９４０は、さらに、垂直方向熱伝達を可能とすることができる。ビアを形成するためにレーザ及び／又は機械的穿孔が使用可能である。場合によっては、ビアは、機械的穿孔、レーザ穿孔、エッチング、及び／又はスルーガラスプロセスを使用して形成される。ビアは、コンデンサ層間の垂直方向熱伝導率を容易とするために鍍金されることができる及び／又は熱伝導性材料によって充填されることができる。例えば、ビアは、金属によって充填されることができる。いくつかの実施形態において、支持構造部９６０、９６５は、ＰＣＢ及び鍍金された又は電気的ビアが充填された熱ビアとすることができる。図９Ｂは、絶縁領域内の単一ビアを示しているが、各絶縁領域内の構造的支持部を通る複数のビアが存在してもよいことが理解されるべきである。１つ以上のビアは、例えば、約５０から４００Ｗ／ｍＫよりも大きい熱伝導率を有することができる。
【0037】
上述したように、ＥＣコンデンサの列は、互いに対して横方向に移動するように構成されることができる。この場合、コンデンサシステムは、少なくとも２つの位置を有する。図１０Ａ及び図１０Ｂは、ＥＣコンデンサシステムの２つの位置を示している。図１０Ａにおいて、高電界が第１の列のＥＣコンデンサ１０１２に印加される。高電界は、第１の列のＥＣコンデンサ１０１２に第２の列のＥＣコンデンサ１０２２と比較して比較的高温を有させる。矢印１０８０は、比較的暖かい第１の列のＥＣコンデンサ１０１２から比較的冷たい第２の列のＥＣコンデンサ１０２２へと移動する熱を表している。
【0038】
第１の列のＥＣコンデンサ１０１２及び第２の列のＥＣコンデンサ１０２２のうちの少なくとも一方は、図１０Ｂに示されるように、コンデンサシステムについての第２の可能な位置に到達するように互いに対して横方向に移動される。ＥＣコンデンサ列１０１２、１０２２のうちの一方又は双方の運動は、コンデンサ列１０１２、１０２２のうちの一方又は双方に結合されたモータ又はボイスコイルなどの他のアクチュエータによって達成されることができる。例えば、図１０Ａは、反対の列に対して第１のＥＣコンデンサ列１０１２及び第２のＥＣコンデンサ列１０２２のうちの一方又は双方を移動するように構成されたアクチュエータ１０５７を示している。様々な実装によれば、電界は、第２の列のＥＣコンデンサ１０２２に比較的高い電界が印加されるとともに第１の組のＥＣコンデンサ１０１２に低い及び／又はヌル電界が印加されるように、移動するとき及び／又はコンデンサ列が第２の位置に移動した後に反転される。反転した電界は、第１の列のＥＣコンデンサ１０１２の温度を下降させ且つ第２の組のＥＣコンデンサ１０２２の温度を上昇させる。
【0039】
第２の位置にあるとき、熱は、矢印１０８５によって示されるように、第２の組のＥＣコンデンサ１０２２から第１の組のＥＣコンデンサ１０１２へと伝達される。熱源１０９０はまた、第１の列のＥＣコンデンサ１０１２における対応するコンデンサ１０１３へと熱１０８５を伝達する。第２の組のＥＣコンデンサ１０２２のコンデンサ１０１４は、ヒートシンク１０９５へと熱を伝達する。熱源及びヒートシンクは、異なるコンデンサ列又は同じコンデンサ列に結合されることができる。例えば、図１０Ｂは、ヒートシンク１０９０が第１の列のＥＣコンデンサ１０１２の対応するコンデンサ１０１３に熱結合され且つヒートシンクが第２の列のＥＣコンデンサ１０２２の対応するコンデンサ１０１４に熱結合されることを示している。
【0040】
場合によっては、ヒートシンク及び熱源は、同じコンデンサ列に結合されている。例えば、図１０Ｃ及び図１０Ｂは、第１のコンデンサ列１０１５において第２のコンデンサ列１０２５とは異なる数のコンデンサが存在する例を示している。この場合、コンデンサが第１の位置にあるとき、熱は、第１の列１０１５から第２の列１０２５へと伝達される１０８２。ヒートシンク１０９６は、第１の列１０１５における対応するコンデンサ１０１６に熱結合される。図１０Ｃに示される第１の位置において、熱源１０９１は、対応するコンデンサを有しておらず、それゆえに、システムに熱を直接伝達しない。図１０Ｄに示される第２の位置において、熱は、第２のコンデンサ列１０２５から第１のコンデンサ列１０１５へと伝達される１０８４。熱源１０９２は、第１のコンデンサ列１０１５における対応するコンデンサ１０１８へと熱を伝達する。図１０Ｄに示される第２の位置において、ヒートシンク１０９７は、対応するコンデンサを有しておらず、それゆえに、システムから熱を直接吸収しない。様々な実装によれば、熱源とコンデンサとの間及びコンデンサとヒートシンクとの間における熱伝達は、直接接続を介して発生することができる及び／又は伝熱流体及び／又は他の界面を介して発生することができる。
【0041】
様々な実施形態によれば、所定時間が経過した後、コンデンサシステムは、アクチュエータ１０５７を使用して図１０Ａ及び／又は図１０Ｃに示されるような第１の位置に戻る。所定時間は、１つの組のコンデンサから他の組のコンデンサへの熱伝達の時定数に基づくことができる及び／又は他の検討事項を含むことができる。図１０Ｂは、第２の位置にあるときに整列された絶縁領域を示しているが、絶縁領域が完全に整列しないように、絶縁領域は、第２の位置にあるときにオフセットされてもよいことが理解されるべきである。第１の位置と第２の位置との間における移動は、第１及び第２の電界の上昇及び下降に対応して断続的に又は連続的に発生することができる。
【0042】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、２つのＥＣコンデンサ層１０１２、１０２２のみを有する例を示したが、場合によっては、第１及び第２の列のコンデンサを有するコンデンサ組の複数層が積層されてもよい。図１１Ａ及び図１１Ｂは、複数の第１のＥＣコンデンサ列１１１２及び複数の第２のＥＣコンデンサ列１０２２を有する実施形態を示している。第１のコンデンサ層１０１２及び第２のコンデンサ層１０２２は、第１のＥＣコンデンサ列１１１２及び第２のＥＣ列１１２２の交互の対構成で積層される。様々な実装によれば、アクチュエータは、図１１Ｂに示されるように互いに対して同様の誘電熱量層を略同期して移動するように構成されている。場合によっては、アクチュエータは、第１及び第２の電界の上昇及び下降に対応して断続的に又は連続的に交互対構成における同様の誘電熱量コンデンサ層を移動するように構成されている。いくつかの実施形態において、アクチュエータは、線形又は回転運動に応じて交互対構成における同様のＥＣコンデンサ層を移動するように構成されている。図１１Ｃは、ＥＣコンデンサ１１４０の間に配設された絶縁領域１１５０を有する第１のＥＣコンデンサ列１１１５及び第２の列のＥＣコンデンサ列１１１７の３次元アレイを含むコンデンサ装置３０３を示している。図１１Ｃは、コンデンサの２つの３次元列を示しているが、図１１Ａ及び図１１Ｂに示されるように３つ以上の列が存在することができることが理解されるべきである。第１の列のＥＣコンデンサ１０１５及び第２の列のＥＣコンデンサ１０１７のうちの少なくとも一方は、図１０Ａ及び図１０Ｂに記載された横方向移動と同様に矢印１１３０及び矢印１１３５のうちの少なくとも一方に応じて第２の可能な位置に到達するように互いに対して横方向に移動される。様々な実装によれば、絶縁領域は、運動に対して垂直な方向においてコンデンサの列間に存在しない。これは、コンデンサの列が１次元で（ｙ軸に沿って）連続的であり且つ他次元で（ｘ軸に沿って）絶縁領域を有する図１１Ｃに示されている。
【0043】
本願明細書に記載された様々な実装によれば、各コンデンサは、多層コンデンサとすることができる。場合によっては、本願明細書に記載されたコンデンサシステムは、コンデンサの群及び／又はコンデンサモジュールに結合された多層コンデンサを含むことができる。本願明細書に記載されたコンデンサモジュールは、例えば、７個の標準パッケージ化コンデンサを使用して約１１．２ｍｍ×２．６ｍｍ×３．３ｍｍの寸法を有することができる。標準的な個々のコンデンサの寸法は、１．６ｍｍ×２．６ｍｍ×３．２ｍｍとすることができる。様々な実装によれば、ＥＣ冷却又は熱ポンプシステムの容積、電力、及び幾何学的要件を満たすことができるＥＣコンデンサを形成するために、例えば、０４０２、０６０３、又は１２０６表面実装パッケージコンデンサなどの標準パッケージ化コンデンサを使用可能である。
【0044】
図１２は、本願明細書に記載された様々な実施形態にかかるＥＣコンデンサを使用して冷却するためのプロセスを示している。第２の層のＥＣコンデンサは、第１の層のＥＣコンデンサに対して第１の方向に移動される１２１０。様々な実施形態によれば、第１の層のＥＣコンデンサのコンデンサは、第１の絶縁領域によって分離され、第２の層のＥＣコンデンサのコンデンサは、第２の絶縁領域によって分離される。第２の層のＥＣコンデンサにおける電界を下降させると第１の層のＥＣコンデンサにおける電界が上昇し１２２０、熱を第１の層のＥＣコンデンサから第２の層のＥＣコンデンサへと伝達させる。第２の層のＥＣコンデンサは、第１の層のＥＣコンデンサに対して第１の方向と反対方向に移動される１２３０。第１の層のＥＣコンデンサにおける電界を下降させると第２の層のＥＣコンデンサにおける電界が上昇し１２４０、熱を第２の層のＥＣコンデンサから第１の層のＥＣコンデンサへと伝達させる。本願明細書に記載された様々な実施形態によれば、支持層（例えば、構造的支持層）は、第１の層のＥＣコンデンサと第２の層のＥＣコンデンサとの間に配設されている。場合によっては、熱は、支持層を通って配設された少なくとも１つのビアを使用して第１及び第２のコンデンサ層間において垂直方向に伝達される。
【0045】
他に示されていない限り、明細書及び特許請求の範囲において使用される特徴サイズ、量、及び物理的特性を表す全ての数字は、用語「約」によって全ての場合において修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、特に断らない限り、上述した明細書及び添付の特許請求の範囲に記載された数値パラメータは、本願明細書に開示された教示を利用する当業者によって得られるように所望の特性に応じて変化することができる近似値である。端点による数値範囲の使用は、その範囲内の全ての数（例えば、１から５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）及びその範囲内の任意の範囲を含む。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】