ES2918327T3

ES2918327T3 - Dispositivo y procedimiento para la producción y la transferencia de energía de calentamiento y de enfriamiento

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Publication number: ES2918327T3
Application number: ES15754005T
Authority: ES
Inventors: Ernesto Colognesi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2015-07-09
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2035-07-09
Also published as: US20170146270A1; CN107076479B; US20200049385A1; WO2016005932A1; EP3167236A1; EP3167236B1; PL3167236T3; CN107076479A; PL3167236T4

Abstract

Se describe un dispositivo y proceso para la producción y transferencia de la potencia de calefacción y enfriamiento, en el que se utiliza un circuito eléctrico resonante que tiene al menos un condensador con un dieléctrico de material electrocalórico conectado a un inductor. El circuito resonante comprende una sección de fuente de alimentación eléctrica variable con una frecuencia de trabajo correspondiente a la frecuencia de resonancia del circuito. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y procedimiento para la producción y la transferencia de energía de calentamiento y de enfriamiento

Campo de la invención

La presente invención versa acerca de un dispositivo y un procedimiento para la producción y la transferencia de energía de calentamiento y de enfriamiento y, en particular, acerca de un dispositivo y un procedimiento que aprovecha las propiedades de materiales dieléctricos electrocalóricos en un circuito eléctrico alimentado de forma adecuada por una fuente de alimentación de energía eléctrica.

Técnica anterior

Algunos tipos de materiales muestran el efecto electrocalórico en forma de cambio de temperatura del material cuando se aplica un campo eléctrico al propio material; sin embargo, el efecto es reversible, es decir que, en ausencia del campo eléctrico, el material vuelve a su temperatura inicial. En general, los materiales que tienen esta propiedad son materiales dieléctricos y pueden ser utilizados para fabricar condensadores.

Hace mucho tiempo que se conocen diversos materiales que tienen estas propiedades y han sido estudiados durante varios años, aunque no se han encontrado aplicaciones prácticas. Solo en años más recientes, se han estudiado nuevos polímeros y materiales cerámicos, en forma de una o más capas de películas delgadas, de películas gruesas o de cristales que, habiendo mostrado propiedades electrocalóricas elevadas, generan, por lo tanto, un interés particular para potenciales aplicaciones prácticas en el campo industrial, por ejemplo para enfriar componentes electrónicos o similares.

La patente US n° 6877325 describe, por ejemplo, un dispositivo para la transferencia de calor que aprovecha el efecto electrocalórico de diversos tipos de materiales dieléctricos incorporados en condensadores, que tienen un campo eléctrico aplicado a los mismos. Se menciona genéricamente una “circuitería de resonancia”, que carga/descarga de forma alterna un par de condensadores. Según las enseñanzas de este documento, las varias disposiciones descritas son capaces de obtener cambios de temperatura que varían desde -10 °C hasta 50 °C, aunque no se realiza ninguna especificación en cuanto a los parámetros, en particular la frecuencia y el ciclo de trabajo, de la tensión de alimentación que genera el campo eléctrico en los terminales de los diversos condensadores.

La patente US n° 8371128 describe algunas técnicas para usar materiales ferromagnéticos que tienen propiedades electrocalóricas para enfriar componentes electrónicos. La gestión del enfriamiento es controlada por un circuito que regula los parámetros de la fuente de alimentación del campo eléctrico sobre la capa de material electrocalórico. El circuito de control es capaz de regular varios parámetros, incluyendo la frecuencia y el ciclo de trabajo de la fuente de alimentación; en particular, se pueden configurar realizaciones de la frecuencia de trabajo en 1 kHz y se configura el ciclo de trabajo en un valor inferior al 50%, en particular un 20%.

Sin embargo, durante estudios experimentales recientes se ha descubierto que el efecto electrocalórico depende en gran medida de la frecuencia de la tensión de alimentación aplicada para generar el campo magnético al que es sometido el material eléctrico. Por ejemplo, esto sale a relucir de la publicación “Differential scanning calorimeter and infrared imaging for electrocaloric characterization of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) terpolymer" (Gael Sebald, Laurence Seveyrat, Jean-Fabien Capsal, Pierre-Jean Cottinet y Daniel Guyomar -APPLIED PHYSICS l Et TERS 101, 022907 - 2012). De hecho, en otros estudios, el terpolímero sometido a pruebas, conocido de forma abreviada como P(VDF-TrFE-CFE), ha sido considerado uno de los materiales que tiene propiedades electrocalóricas elevadas, hasta valores AT estimados de aproximadamente 12 K (Kelvin) para un campo eléctrico aplicado de unos cientos de V/pm. A partir de estos estudios experimentales se ha comprobado además que las propiedades electrocalóricas del termopolímero disminuyen drásticamente cuando la frecuencia de la tensión de alimentación del campo eléctrico supera el valor de 1 Hz. Por ejemplo, manteniendo un campo eléctrico de 60 V/mm a medida que la frecuencia supera el valor crítico de 1 Hz, AT se reduce hasta valores inferiores a 1 K.

La patente US n° 5644184 describe un dispositivo y un procedimiento para convertir energía de calentamiento en energía eléctrica aprovechando el efecto piezoeléctrico de materiales adaptados para formar el dieléctrico de un condensador. Por lo tanto, este documento versa acerca de un procedimiento de conversión exactamente opuesto al de la presente invención, aunque describe algunos ejemplos de circuitos LC de resonancia en los que se utiliza un impulso, aplicado al circuito de resonancia por medio de un transformador en el que el devanado secundario constituye el inductor del circuito de resonancia, para activar la oscilación en el circuito de resonancia, iniciando, de ese modo, la conversión de energía de calentamiento en energía eléctrica; al suministrar continuamente energía de calentamiento al material piezoeléctrico del condensador, es posible garantizar el mantenimiento de la frecuencia de resonancia.

La solicitud de patente internacional WO 2013/167176 describe otro ejemplo de conversión de energía de calentamiento en energía eléctrica, es decir un procedimiento de conversión opuesto al de la presente invención. Las realizaciones descritas en este documento básicamente proporcionan el acoplamiento de dos circuitos de resonancia a frecuencias ligeramente distintas para provocar una interferencia (o frecuencia de batido) que capta, del material piroeléctrico que constituye el dieléctrico de un condensador, los electrones que tienen una mayor entropía, generando, de ese modo, la corriente que ha de ser transferida a una carga.

El objeto de la presente invención es proponer un dispositivo y un procedimiento que permitan aprovechar, de forma ventajosa, las propiedades de los materiales electrocalóricos para la producción y la transferencia de energía de calentamiento y de enfriamiento.

Otro objeto de la presente invención es proponer un dispositivo y un procedimiento del tipo mencionado anteriormente que permitan minimizar la energía requerida para producir y transferir la energía de calentamiento y de enfriamiento aprovechando las propiedades de materiales electrocalóricos.

Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un dispositivo y un procedimiento que permitan aprovechar, de forma ventajosa, las propiedades de materiales electrocalóricos incluso con tensiones de alimentación a frecuencias elevadas.

Un objeto adicional de la presente invención es proponer un dispositivo del tipo mencionado anteriormente que puede fabricarse en muchas formas y tamaños, permitiendo, de ese modo, implementar diversos tipos de aparatos para la producción y la transferencia de energía de calentamiento y de enfriamiento que aprovechan el efecto electrocalórico de materiales.

Sumario de la invención

Estos objetos se logran según la invención por medio de un dispositivo según la reivindicación 1 y por medio de un procedimiento según la reivindicación 11. Se proporcionan características y detalles adicionales de la presente invención en las reivindicaciones dependientes respectivas.

Un dispositivo para la producción y la transferencia de energía de calentamiento y de enfriamiento según una realización de la presente invención básicamente comprende un circuito de resonancia que tiene al menos un primer inductor conectado con al menos un primer condensador con un dieléctrico de material electrocalórico. El circuito de resonancia comprende, además, una sección de fuente de alimentación eléctrica variable con una frecuencia de trabajo correspondiente a la frecuencia de resonancia del circuito. La sección de fuente de alimentación eléctrica del circuito de resonancia comprende, de forma ventajosa, una fuente de tensión constante y al menos una fuente de impulsos con un ciclo predeterminado de trabajo para modular la tensión constante.

Un dispositivo según la invención permite aprovechar de distintas maneras las propiedades de materiales electrocalóricos con un mínimo consumo energético incluso a frecuencias definitivamente superiores que aquellas a las que se reduce el efecto electrocalórico. De hecho, el circuito de resonancia aprovecha por completo la “potencia reactiva” que, en un estado de resonancia, se establece entre el primer inductor y el primer condensador para generar el campo eléctrico deseado sobre el dieléctrico del material electrocalórico del primer condensador, mientras que solo se utiliza mínimamente la “potencia activa” para compensar pérdidas inevitables de conmutación y pérdidas en los materiales, por ejemplo en el dieléctrico de los condensadores, y la resistividad de los conductores que forman los inductores.

De hecho, en la técnica tradicional se cree que la potencia activa, es decir el mismo tipo de energía eléctrica que puede activar motores eléctricos, enciende luces u otros tipos de aparatos de calentamiento o de enfriamiento, es la única utilizable, mientras que la potencia reactiva no sería utilizable y solo supondría una carga para las redes de distribución de energía y los aparatos conectados a las mismas.

En otras palabras, a diferencia de convenciones de sistemas conocidos que solo aprovechan la “potencia activa” para generar trabajo, por ejemplo si se utiliza una resistencia eléctrica para generar calor mediante el efecto Joule, la presente invención presenta el aprovechamiento de la única “potencia reactiva” para generar el “trabajo” de calentamiento o enfriamiento deseado, minimizando, de facto, tanto como sea posible el consumo de “potencia activa”.

Sin embargo, en la perspectiva de la presente invención, se debería apreciar que todas las realizaciones de los circuitos de resonancia que forman el dispositivo están libres de resistencias eléctricas, es decir de componentes pasivos que aprovechan la “potencia activa” para obtener, por ejemplo, el calentamiento mediante un efecto Joule. De forma similar, no hay diodos que puedan impedir la resonancia del circuito.

En otra realización de la presente invención, al menos un segundo inductor está acoplado magnético con el primer inductor y al menos un segundo condensador con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado con el segundo inductor.

Esto permite aprovechar adicionalmente las propiedades de un circuito según la presente invención, provocando el acoplamiento entre inductores para transferir energía también al segundo condensador, estando conectado este con el segundo inductor acoplado con el primero, sin requerir la adición de fuentes de alimentación adicionales y aumentando, de ese modo, también la ganancia total del circuito.

Ampliando adicionalmente este principio a un número cualquiera deseado de pares de inductor/condensador, es posible, por lo tanto, permitir una realización en la que el circuito de resonancia comprende una pluralidad de etapas conectadas en paralelo con la tensión constante de alimentación; por lo tanto, cada etapa comprende al menos un primer inductor y al menos un primer condensador con un dieléctrico de material electrocalórico.

En una realización alternativa, en la que el circuito de resonancia siempre está compuesto de un número cualquiera de etapas conectadas en paralelo con la tensión constante de alimentación, cada etapa comprende al menos un segundo inductor acoplado magnéticamente con el primer inductor; un primer condensador con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado con el primer inductor y un segundo condensador con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado con el segundo inductor.

El dieléctrico de material electrocalórico puede estar formado por una o más capas de una película delgada, una película gruesa o cristales bien de un terpolímero que tiene estas propiedades, tal como, por ejemplo, el ya mencionado P(VDF-TrFE-CFE), o bien un material cerámico tal como B a T Ó con capacidad para calentar un cuerpo macizo, un fluido o una combinación de los mismos.

Por otra parte, para obtener un enfriamiento, el dieléctrico del material electrocalórico de los condensadores comprende una o más capas de una película delgada, de una película gruesa o de cristales de un material cerámico ferroeléctrico, tal como, por ejemplo, materiales cerámicos que contienen PMN-PT (niobato de plomo y magnesiotitanato de plomo), PZN-PT (niobato de plomo y cinc - titanato de plomo), PST (tantalato de plomo y escandio) o similares.

Para lograr una eficacia elevada de un dispositivo según la presente invención, los inductores pueden comprender, por ejemplo, núcleos magnéticos nanocristalinos y los devanados pueden estar fabricados de nanotubos de carbono.

Para mejorar adicionalmente el rendimiento y reducir las pérdidas de conmutación en un dispositivo según la presente invención, la fuente de impulsos con un ciclo predeterminado de trabajo puede incluir, por ejemplo, al menos un transistor con efecto de campo de nitruro de galio.

La invención versa, además, acerca de un procedimiento para producir y transferir energía de calentamiento y de enfriamiento, que comprende las etapas de:

a) proporcionar un circuito eléctrico de resonancia que tiene al menos un primer inductor conectado con al menos un primer condensador con un dieléctrico de material electrocalórico; y

b) alimentar eléctricamente el primer condensador y el primer inductor con una tensión variable que tiene una frecuencia de trabajo correspondiente a la frecuencia resonancia del circuito.

En la etapa b), el suministro de energía del circuito se realiza alimentando el circuito de resonancia con una fuente de tensión constante y modulando la tensión constante con una fuente de impulsos que tiene un ciclo de trabajo predeterminado.

El procedimiento según la invención también puede proporcionar la etapa de acoplar magnéticamente al menos un segundo inductor con el primer inductor, por ejemplo con un simple acoplamiento a través del aire o a través de un núcleo magnético. Un segundo condensador con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado, además, con el segundo inductor.

El efecto electrocalórico puede ser aprovechado tanto para calentar un cuerpo macizo, un fluido o una combinación de los mismos, como para enfriarlos. En caso de calentamiento, el dieléctrico del material electrocalórico de los condensadores comprende, por ejemplo, una película delgada, una película gruesa o cristales de terpolímero mientras que, en el caso de enfriamiento, el dieléctrico del material electrocalórico de los condensadores comprende, por ejemplo, una película delgada, una película gruesa o cristales de material cerámico ferroeléctrico.

En el procedimiento según la invención, tensión constante de alimentación puede ser modulada con un ciclo de trabajo adecuado; de hecho, se conoce que según se reduce el ciclo de trabajo de un circuito LC de resonancia aumenta la ganancia por lo que se tienen que utilizar, preferiblemente, valores limitados del ciclo de trabajo, pero es en todo caso variable dependiendo de los componentes utilizados para mantener una ganancia elevada y reducir los valores de inductancia en el circuito de resonancia. De forma similar, aún teniendo en cuenta los criterios de optimización del dispositivo en función de los componentes empleados, la frecuencia / r de resonancia también puede ser superior o igual a 2 kHz.

Breve descripción de los dibujos

Serán más evidentes características y ventajas de la presente invención a partir de la siguiente descripción, realizada con fines ilustrativos y sin limitación, con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que:

- La Figura 1 es un diagrama eléctrico de una posible realización de un circuito de resonancia según la presente invención con un único inductor y un único condensador;

- la Figura 2 es un diagrama similar al de la Figura 1 pero con una conexión distinta del único condensador;

- la Figura 3 es un diagrama de otra realización del circuito de resonancia que comprende dos inductores y dos condensadores conectados entre sí de diversas formas;

- la Figura 4 es un diagrama similar al de la Figura 3 pero con una conexión distinta de los componentes;

- la Figura 5 es un diagrama similar al de la Figura 1 pero con un par de inductores conectados en paralelo entre sí;

- la Figura 6 es un diagrama de una realización de un circuito de resonancia según la presente invención, estando acoplados magnéticamente dos inductores entre sí;

- la Figura 7 es un diagrama similar al de la Figura 6 pero con una conexión distinta de uno de los condensadores del circuito de resonancia;

- la Figura 8 es un diagrama similar al de la Figura 6 con la adición de inductores conectados en paralelo a los dos inductores acoplados;

- la Figura 9 es un diagrama de un circuito de resonancia según otra realización de la presente invención, en el que hay múltiples acoplamientos entre inductores;

- la Figura 10 es un diagrama de un circuito de resonancia según otra realización de la presente invención, en el que un número de etapas están alimentadas en paralelo con la tensión de alimentación;

- la Figura 11 es un diagrama de un circuito de resonancia similar al de la Figura 10, en el que se proporciona un número de etapas de inductores acoplados;

- la Figura 12 es un diagrama de un circuito de resonancia similar al de la Figura 11, en el que cada etapa comprende inductores acoplados e inductores conectados en paralelo con los componentes acoplados; y

- la Figura 13 es un diagrama equivalente de un prototipo de condensador implementado y comprobado experimentalmente.

Modos para llevar a cabo la invención

En la realización más sencilla mostrada en la Figura 1, el circuito de resonancia de un dispositivo según la presente invención comprende un primer inductor L1 y al menos un primer condensador C1 con un dieléctrico de material electrocalórico, conectados en paralelo entre sí.

En cuanto a los inductores descritos aquí y a continuación, los devanados tienen que estar fabricados, preferiblemente, de conductores que tienen una resistividad reducida, tales como, por ejemplo, conductores fabricados de nanotubos de carbono. De forma alternativa, también pueden utilizarse devanados de conductores fabricados de aleaciones conductoras más comunes, por ejemplo aleaciones a base de cobre o similares.

Los inductores también pueden estar enrollados sobre núcleos magnéticos para aumentar su inductancia dejando inalterado el tamaño total. Los materiales particularmente adecuados para fabricar núcleos tienen una permeabilidad elevada, por ejemplo materiales nanocristalinos de FeCuNbSiB, que permiten fabricar inductores que tienen valores elevados de inductancia incluso con un número limitado de devanados. De forma alternativa, en ausencia de limitaciones específicas al tamaño y/o si no se requieren valores particularmente elevados de inductancia, los núcleos magnéticos también pueden ser núcleos comunes de ferrita.

Los componentes L1 y C1 están alimentados por una fuente V1 de tensión constante modulada por medio de una fuente V2 de impulsos, con un ciclo de trabajo predeterminado, que es aplicada por medio de un dispositivo semiconductor M1, preferiblemente un FET de nitruro de galio para limitar tanto como sea posible las pérdidas de conmutación; si no, por medio de dispositivos equivalentes aunque tengan rendimientos menos significativos, tales como, por ejemplo, un transistor IRFH5020 de tipo MOSFET fabricado por International Rectifier (EE. UU.). El ciclo de trabajo aplicado al circuito es reducido, preferiblemente, para que tenga una ganancia elevada.

Aquí y a continuación, el símbolo adoptado para la fuente V2 de impulsos, en la que se estiliza un impulso de onda cuadrada o rectangular, es simplemente indicativo; por lo tanto, los impulsos proporcionados por la fuente V2 pueden adoptar cualquier forma, por ejemplo triangular, sinusoidal o similar.

En la realización aquí mostrada, al modular la tensión constante generada por la fuente V1 es posible fijar la frecuencia apropiada /r de resonancia en la conexión entre C1 y L1, definida por la fórmula:

en la que L es la inductancia de L1 y C es la capacitancia de C1.

Para obtener potencias de salida elevadas, el circuito tiene que ser alimentado a una frecuencia preferiblemente superior a 2 kHz. De hecho, se observó que el efecto electrocalórico se produce en cualquier caso con rendimientos significativos incluso utilizando frecuencias muy superiores a 1 Hz: teniendo en cuenta que el trabajo es producido de esta forma por la única potencia reactiva, el efecto obtenido sigue siendo considerable si se lo compara con el consumo sumamente bajo de energía del circuito.

En los diagramas eléctricos descritos a continuación, las mismas abreviaturas de referencia de la Figura 1 indican los mismos componentes, si no se especifica lo contrario. De forma similar, se tiene que considerar que todos los condensadores adicionales que serán descritos en los siguientes diagramas siempre están dotados de un dieléctrico de material electrocalórico.

Por ejemplo, en el diagrama de la Figura 2 están todos los mismos componentes de la Figura 1, aunque el condensador C1 ya no está dispuesto en paralelo con el inductor L1 sino que está puesto a tierra, en cambio, por uno de sus terminales.

El diagrama de la Figura 3, además del condensador C1 y del inductor L1 conectados en paralelo entre sí, también incluye un inductor adicional L1' y un condensador adicional C1' conectados en serie entre sí; los terminales de la conexión en serie de C1' y de L1' están conectados, a su vez, en paralelo con los componentes L y C. En la Figura 4 se muestra un circuito similar pero en el que la conexión en serie del condensador C1' y del inductor L1' tiene, en cambio, un terminal conectado con tierra (o polo negativo) en vez de conectado con el polo positivo de la fuente V1 de tensión constante.

En ambas realizaciones de las Figuras 3 y 4, el valor de capacitancia del condensador C1 puede ser igual al del condensador C1', de forma que se distribuya de manera sustancialmente uniforme el efecto electrocalórico sobre ambos, mientras que los valores de inductancia de los inductores L1 y L1' también pueden ser distintos entre sí, dependiendo de la frecuencia deseada de resonancia a la que debería operar el circuito.

En el diagrama de la Figura 5 se muestra un circuito similar al de la Figura 1, en el que hay dos inductores L1 y L1' conectados en paralelo y tienen, preferiblemente, la misma inductancia. Esto permite la distribución de cualquier carga excesiva de corriente en el circuito oscilante. Como es evidente para un experto en la técnica, también puede haber más de dos inductores conectados en paralelo y los dos o más inductores pueden tener devanados fabricados sin ningún núcleo magnético, o, si no, enrollados en el mismo núcleo magnético o en núcleos magnéticos diferenciados.

En cambio, en la realización de la Figura 6 se proporcionan dos inductores L1 y L2 acoplados magnéticamente entre sí. El primer condensador C1 está conectado en paralelo con el primer inductor L1, como ya se muestra, por ejemplo, en la Figura 1, mientras que un segundo condensador C2 está conectado en paralelo con el segundo inductor L2. Debido al acoplamiento magnético entre los dos inductores L1 y L2, también los dos componentes C2 y L2 conectados entre sí están sometidos a la misma frecuencia de trabajo aplicada a los componentes C1 y L1 y pueden compartir los mismos valores de capacitancia y de inductancia con los mismos.

Los inductores pueden estar acoplados magnéticamente a través del aire o a través de un núcleo magnético. En este caso, el núcleo magnético para acoplar los inductores L1 y L2 mostrados en la Figura 6 también está fabricado, preferiblemente, de materiales que tienen una permeabilidad elevada, tales como materiales nanocristalinos de FeCuNbSiB. De forma similar a los inductores individuales descritos hasta ahora, los núcleos magnéticos acoplados también pueden adoptar la forma de núcleos comunes de ferrita, tales como los disponibles en el mercado con la abreviatura ETD (diseño económico de transformador). Esto también se aplica a todos los inductores acoplados de los circuitos descritos a continuación.

En cuanto al acoplamiento magnético entre los inductores mostrados en la Figura 6, al igual que para el acoplamiento de los descritos a continuación, la relación de acoplamiento, o de transformación, puede ser de 1:1, es decir con inductores acoplados que tienen el mismo valor de inductancia, o, si no, con distintas relaciones, bien con una relación de transformación “elevadora” o bien con una relación de transformación “reductora”, por lo que los inductores tendrán valores de inductancia distintos entre sí. A su vez, se seleccionarán los valores de capacitancia de los condensadores conectados con los inductores acoplados para amoldarse a la frecuencia de resonancia fijada en el circuito. El circuito de la Figura 7 es similar al de la Figura 6, siendo la única diferencia entre ellos que uno de los terminales del condensador C1 está conectado con tierra en vez de con el polo positivo del generador V1.

El circuito de la Figura 8 es otra variación del circuito de la Figura 6, con inductores adicionales L1' y L2' conectados en paralelo, respectivamente, con los inductores acoplados L1 y L2 en el caso en el que se provocan corrientes elevadas en el circuito de resonancia. Todos los inductores tienen, preferiblemente, el mismo valor de inductancia, aunque también pueden proporcionarse variaciones a esta solución en casos particulares. Los inductores adicionales conectados en paralelo a los inductores acoplados también pueden ser más que los mostrados.

La Figura 9 muestra otro diagrama de un circuito de resonancia según la invención, en el que se proporcionan grupos de inductores acoplados en cascada. En particular, además de los inductores acoplados L1 y L2, que están conectados con condensadores respectivos C1 y C2, se conecta un inductor adicional L2' en paralelo con el inductor L2 y, a su vez, se acopla con un inductor adicional L3 conectado con un condensador respectivo C3. También en este caso, más grupos de componentes pueden seguir el principio de acoplar en cascada los inductores entre sí. Se determinan los valores de inductancia y de capacitancia de los diversos componentes en cada grupo de manera que se mantenga la resonancia de todos los grupos a la misma frecuencia.

En el circuito de la Figura 10 se utiliza un número de etapas de inductores y de condensadores conectadas entre sí; a su vez, todas las etapas están conectadas en paralelo con la misma fuente V1 de tensión de CC modulada por la misma fuente V2 de impulsos. En la práctica, se aplica simultáneamente la misma fuente de alimentación a todas las etapas C1a-L1a, L2a-C2a, C3a-L3a hasta la etapa enésima Cna-Lna. Por ejemplo, el número “n” de etapas de inductor/condensador puede depender de la energía de calentamiento requerido para la aplicación particular y/o del tamaño del cuerpo o del fluido que ha de ser calentado/enfriado. En la presente realización, todos los inductores tendrán, preferiblemente, un valor idéntico de inductancia pero, en casos particulares, también pueden proporcionarse variaciones a esta solución; por lo tanto, los condensadores tendrán un valor idéntico de capacitancia, o un valor calculado para amoldarse a la frecuencia de resonancia fijada en el circuito.

También se pueden encontrar los mismos principios del circuito de la Figura 10 en el circuito de la Figura 11, en el que se proporciona una pluralidad de “n” etapas que comprenden un segundo inductor L1b, L2b, L3b... Lnb, acoplados, respectivamente, con cada primer inductor L1a, L2a, L3a... Lna. Cada inductor L1a, L2a, L3a... Lna está conectado en paralelo con un condensador respectivo C1a, C2a, C3a... Cna, al igual que cada inductor L1b, L2b, L3b... Lnb está conectado en paralelo con un condensador respectivo C1b, C2b, C3b... Cnb. También en la presente realización, todos los inductores pueden tener un valor idéntico de inductancia o, en casos particulares, también pueden ser distintos entre sí, teniendo en cuenta, por lo tanto, que los condensadores tendrán un valor de capacitancia adecuado para amoldarse a la frecuencia de resonancia fijada en el circuito.

El diagrama de la Figura 12 es una combinación de las diversas realizaciones ya ilustradas en la presente memoria, en el que hay conectada una pluralidad de etapas en paralelo con las mismas fuentes V1 y V2. En la práctica, la primera etapa en la parte superior del diagrama incluye inductores acoplados L1a y L1b que están conectados en paralelo con inductores respectivos L1a' y L1b' y condensadores respectivos C1a y C1b; en la segunda etapa, los inductores acoplados L2a y L2b están conectados en paralelo con inductores respectivos L2a' y L2b' y condensadores respectivos C2a y C2b; en la tercera etapa, los inductores acoplados L3a y L3b están conectados en paralelo con inductores respectivos L3a" y L3b' y condensadores respectivos C3a y C3b, etcétera, hasta la etapa enésima, en la que los inductores acoplados Lna y Lnb están conectados en paralelo con inductores respectivos Lna' y Lnb' y condensadores respectivos Cna y Cnb. En la presente realización, al igual que en las descritas hasta ahora, se determinarán los valores de inductancia y de capacitancia de inductores y de condensadores de manera que se amolden a la frecuencia de resonancia fijada en el circuito.

El material electrocalórico que ha de ser utilizado como un dieléctrico para condensadores es seleccionado en función de diversas aplicaciones de calentamiento o de enfriamiento que han de ser implementadas. En el caso de calentamiento, un material adecuado puede ser, por ejemplo, un terpolímero, mientras que en el caso de enfriamiento es posible utilizar un material cerámico ferroeléctrico, por ejemplo.

Estos materiales pueden ser utilizados en forma de películas delgadas, películas gruesas o cristales para fabricar condensadores planos que puedan ser aplicados a un intercambiador de calor, por ejemplo un aparato de intercambio de calor del tipo “bloque de refrigeración por agua” o similar, es decir un bloque macizo en el que se hace que fluya un fluido de intercambio de calor. Se pueden aplicar condensadores planos a la superficie del cuerpo macizo del intercambiador, intercalando, posiblemente, una película de material eléctricamente aislante que tiene, sin embargo, propiedades de transferencia de calor elevada, por ejemplo el que tiene el nombre comercial KAPTON® disponible en DuPont.

Sin embargo, en la fabricación de un aparato de calentamiento, se deberían considerar las limitaciones de los materiales electrocalóricos conocidos hasta ahora. Por ejemplo, el terpolímero P(VDF-TrFE-CFE) mencionado anteriormente tiene una temperatura de fusión de aproximadamente 80°C. Por lo tanto, para evitar que se dañe el dieléctrico del condensador, debería utilizarse a temperaturas inferiores, por ejemplo que no supere temperaturas de 50 °C. Si es necesario lograr una mayor caída térmica AT, es posible, sin embargo, poner en serie varios intercambiadores de calor que tengan elementos (condensadores) de calentamiento del mismo tipo.

51 se tiene que implementar un calentador instantáneo de agua, suponiendo una caída térmica diana AT de 25 °C, puede lograrse la temperatura deseada mediante varios intercambiadores de calor en serie y, en función del caudal de agua que ha de ser calentado, se puede llevar a cabo un control automático actuando sobre la tensión de alimentación y/o habilitando o excluyendo elementos individuales de calentamiento.

Para calentar hogares o, en general, edificios, debido a que deben lograrse temperaturas muy elevadas es posible utilizar, por ejemplo, un calentador con termoestratificación. Suponiendo que la máxima temperatura que puede lograrse por el agua caliente es de 50°C, para proteger los elementos de calentamiento, un aparato de este tipo puede aumentar la temperatura hasta más de 75°C.

En el caso de enfriamiento, que se lleva a cabo como ya se ha mencionado implementando condensadores con dieléctricos constituidos por películas delgadas, películas gruesas o cristales de materiales cerámicos ferroeléctricos, pueden utilizarse las mismas soluciones.

A continuación en la presente memoria hay algunos ejemplos para determinar la posibilidad real de aprovechar un material electrocalórico, en particular un terpolímero, con capacidad de calentarse, aunque sea sometido a un campo eléctrico de frecuencia elevada.

Ejemplo 1: Implementación de un prototipo de elemento de calentamiento

Se ha implementado un prototipo de condensador plano que tiene el dieléctrico compuesto de dos capas cercanas entre sí y que se adhieren a las placas. El primer dieléctrico era un terpolímero PVDF-TrFE-CTFE (material electrocalórico), mientras que la segunda capa estaba constituida por aire. Por lo tanto, el diagrama equivalente es el de dos condensadores conectados en serie, según se muestra en la Figura 13.

Las características del terpolímero dieléctrico fueron las siguientes:

Lado=0,03 x 0,03 m

Superficie S = 0,0009 m2

Grosor de la película de PVDF-TrFE-CTFE = 10 pm

Teniendo en cuenta la constante dieléctrica en el vacío (£0 = 8.854*10'12 F/m), se calcularon los valores de los condensadores C1 (terpolímero) y C2 (aire).

Se calculó el valor de C1 como sigue:

Permitividad relativa del terpolímero £r1 = 37

el = 327,6* 10'12 F/m = erl xeo

C1 = 29,480*10'12 F (e l* Superficie/Grosor)

A su vez, se calculó el valor de C2 como sigue:

Espesor del aire = 4,23 pm

Permitividad relativa del aire £r2 = 1

e2 = 8,854*10'12 F/m = er2 x Eo

C2 = 1883,8* 10‘12 F (s2* Superficie/Grosor)

La conexión en serie de los dos condensadores se corresponde con una capacitancia total calculada según la fórmula:

C to ta l

1773 * 10~ i2 F = 1,773 11F

Ejemplo 2: Pruebas experimentales

El condensador fabricado según el ejemplo se conectó en paralelo con un inductor, como en el circuito de la Figura 1. Se seleccionaron una tensión sinusoidal con una frecuencia de trabajo de 87.600 Hz (87,6 kHz) y un valor eficaz de la tensión de 200 Vrms para ser fijado en el circuito.

Una vez conocida la capacitancia total del condensador, se calculó que el valor de inductancia que satisfacía la relación con la frecuencia de trabajo de 87,6 kHz era de 1,86 mH.

Se comparó el calor generado por la película de PVDF-TrFE-CTFE con el calor generado por una resistencia eléctrica de 220 O alimentada a 22,69 voltios y una absorción de corriente de 0,103136 A.

Dado que la temperatura de los dos sistemas alcanzó 50 °C, fue posible calcular la energía térmica generada por la película electrocalórica detectando la energía eléctrica consumida por la resistencia eléctrica, igual a 2,34 W.

Se calcularon las porciones de potencia por cada parte del prototipo de condensador del Ejemplo 1 teniendo en cuenta la reactancia total X^cy las reactancias individuales X^c1 y X^c2 según la fórmula conocida:

de la que se colige:

Ctotal = 1773 pF Xc = 1025,3 O Vrms = 200 A = 0,195 vatios = 39;

C1 = 29480 pF Xc1 = 61,66 O Vrms = 12 A = 0,195 vatios = 2,34;

C2 = 1883,8 pF Xc2 = 964,6 O Vrms = 188 A = 0,195 vatios = 36,66.

Conociendo la tensión total, se calcularon la tensión parcial aplicada a la película electrocalórica y la tensión parcial aplicada al aire. Por lo tanto, fue posible calcular la energía real absorbida por la película electrocalórica, dado que el aire absorbe energía sin devolver energía de calentamiento.

Se pueden realizar diversas modificaciones a las realizaciones descritas en la presente memoria sin alejarse del alcance de la presente invención. Por ejemplo, en vez de los componentes mostrados esquemáticamente con V2 y M1, se puede adoptar un oscilador programado de forma adecuada siempre que sea capaz de proporcionar las características requeridas de frecuencia y de ciclo de trabajo. Además, se pueden utilizar otros materiales adecuados que tengan el efecto electrocalórico, además de los mencionados explícitamente en la descripción.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo para la producción y la transferencia de energía de calentamiento y de enfriamiento, que comprende al menos un primer condensador (C1) con un dieléctrico de material electrocalórico y un circuito eléctrico de resonancia que tiene al menos un primer inductor (L1) conectado con dicho al menos un primer condensador (C1), comprendiendo dicho circuito de resonancia una sección de suministro de energía eléctrica variable para alimentar dicho circuito de resonancia con una frecuencia de trabajo correspondiente a la frecuencia de resonancia del circuito, comprendiendo la sección de suministro de energía eléctrica para alimentar dicho circuito de resonancia una fuente (V1) de tensión constante y al menos una fuente (V2) de impulsos con un ciclo predeterminado de trabajo para modular dicha tensión constante (V1).

2. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que dicho circuito de resonancia carece de resistencias eléctricas y diodos.

3. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que al menos un segundo inductor (L2) está acoplado magnéticamente con dicho al menos un primer inductor (L1), y en el que al menos un segundo condensador (C2) con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado con dicho al menos un segundo inductor (L2).

4. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que dicho circuito de resonancia comprende una pluralidad de etapas conectadas en paralelo con dicha tensión constante (V1) de alimentación, y en el que cada una de dichas etapas comprende al menos un primer inductor (L1a-Lna) y al menos un primer condensador (C1a-Cna) con un dieléctrico de material electrocalórico.

5. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que dicho circuito de resonancia comprende una pluralidad de etapas conectadas en paralelo con dicha tensión constante de alimentación, en el que cada una de dichas etapas comprende al menos un segundo inductor (L1b-Lnb) acoplado magnéticamente con dicho al menos un primer inductor (L1a-Lna), y en el que al menos un primer condensador (C1a-Cna) con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado con dicho al menos un primer inductor (L1a-Lna), y un segundo condensador (C1b-Cnb) con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado con dicho al menos un segundo inductor (L1b-Lnb).

6. El dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5, en el que el dieléctrico de material electrocalórico de dichos condensadores (C1, C1', C2, C2', C3, C1a-Cna, C1b-Cnb, C1a'-Cna', C1b'-Cnb') comprende una o más capas de una película delgada, de una película gruesa o de cristales bien de un terpolímero o bien de un material cerámico ferroeléctrico con capacidad de calentarse cuando es sometido a un campo eléctrico.

7. El dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5, en el que el dieléctrico de material electrocalórico de dichos condensadores (C1, C1', C2, C2', C3, C1a-Cna, C1b-Cnb, C1a'-Cna', C1b'-Cnb') comprende una o más capas de una película delgada, de una película gruesa o de cristales de un material cerámico ferroeléctrico con capacidad de enfriarse cuando es sometido a un campo eléctrico.

8. El dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos inductores (L1, L1', L2, L2', L3, L1a-Lna, L1b-Lnb, L1a'-Lna', L1b'-Lnb') comprenden núcleos magnéticos nanocristalinos.

9. El dispositivo según las reivindicaciones 1 a 5, en el que dichos inductores (L1, L1', L2, L2', L3, L1a-Lna, L1b-Lnb, L1a'-Lna', L1b'-Lnb') comprenden devanados de conductores fabricados de nanotubos de carbono.

10. El dispositivo según la reivindicación 1, en el que dicha fuente (V2) de impulsos con un ciclo predeterminado de trabajo comprende al menos un transistor (M1) con efecto de campo de nitruro de galio.

11. Un procedimiento para producir y transferir energía de calentamiento y de enfriamiento, que comprende las etapas de:

a) proporcionar un circuito eléctrico de resonancia que tiene al menos un primer inductor (L1) conectado con al menos un primer condensador (C1) con un dieléctrico de material electrocalórico; y

b) alimentar eléctricamente dicho al menos un primer condensador (C1) y dicho al menos un primer inductor (L1) con una tensión variable que tiene una frecuencia de trabajo igual a la frecuencia de resonancia del circuito, alimentando el circuito de resonancia con una fuente (V1) de tensión constante y modulando dicha tensión constante (V1) con una fuente (V2) de impulsos que tiene un ciclo predeterminado de trabajo.

12. El procedimiento según la reivindicación 11, en el que se proporciona una etapa que comprende acoplar magnéticamente al menos un segundo inductor (L2) con dicho al menos un primer inductor (L1), y en el que al menos un segundo condensador (C2) con un dieléctrico de material electrocalórico está conectado con dicho al menos un segundo inductor (L2).

13. El procedimiento según las reivindicaciones 11 a 12, en el que la producción y la transferencia de energía de calentamiento comprenden calentar un cuerpo macizo, un fluido o una combinación de los mismos, y en el que el dieléctrico de material electrocalórico de dichos condensadores (C1, C1', C2, C2', C3, C1a-Cna, C1b-Cnb, C1a'-Cna', C1b'-Cnb') comprende una o más capas de una película delgada, de una película gruesa o de cristales bien de un terpolímero o bien de un material cerámico ferroeléctrico.

14. El procedimiento según las reivindicaciones 11 a 12, en el que la producción y la transferencia de energía de enfriamiento comprenden enfriar un cuerpo macizo, un fluido o una combinación de los mismos, y en el que el dieléctrico de material electrocalórico de dichos condensadores (C1, C1', C2, C2', C3, C1a-Cna, C1b-Cnb, C1a'-Cna', C1b'-Cnb') comprende una o más capas de una película delgada, de una película gruesa o de cristales de un material cerámico ferroeléctrico.

15. El procedimiento según la reivindicación 11, en el que dicha frecuencia / de resonancia es superior o igual a 2 kHz.

16. Un aparato de calentamiento o de enfriamiento que comprende un dispositivo para la producción y la transferencia de energía de calentamiento o de enfriamiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10.