強誘電体における電気熱量効果を利用した小型ヒートポンプの開発

利用铁电材料的电热效应开发小型热泵

基本信息

批准号：
17J10583
负责人：
松下裕司
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Osaka Prefecture University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

電気双極子を有する物質に電界を印加・除去すると、分極エントロピー変化に由来する発熱・吸熱が起こる。これは電気熱量効果と呼ばれ、高効率なヒートポンプとしての応用が期待されている。本研究では低電圧動作に向けて強誘電体薄膜における電気熱量効果に着目してきた。熱容量の小さな薄膜においても、高周波電界により誘起される電気熱量効果を利用することでデバイスの実現可能性を示した。・有機強誘電体薄膜における電気熱量効果の高熱密度化薄膜熱電対による実測により、有機強誘電体薄膜における電気熱量効果について調べた。交流電界下において、高周波になるにつれ増加する温度変化が得られた。有限要素法を用い交流電界下の電気熱量効果を模した熱拡散モデルを計算した結果、熱の拡散長は周波数の増加に伴い減少する一方、膜を出入りする熱の面積密度は増大することがわかった。これは体積熱容量の小さな薄膜でも高周波電界を利用することで高い熱密度が得られることを示し、実験結果も説明される。10kHzにおいて、0.69 W/cm2の熱密度が得られることを明らかにした。また同様の測定・解析をリラクサ系有機強誘電体P(VDF-TrFE-CFE)薄膜において行い、1.54 W/cm2の熱密度を得た。・高周波下電気熱量効果を用いたヒートポンプの提案機械的な可動部を含む構造は適さないため、全固体構造において電界の印加方法を工夫する駆動方法を提案した。誘電体と電極を積層した構造を採用し、各層に印加する交流電界に位相差を与えることで、電界強度のピーク位置は一方向に伝播する。その位相速度と熱の拡散速度の相関を見ることで、最適な条件の検討を行った。10層のPVDFを積層した構造を想定し、数値計算によりデバイスの両端に誘起される温度差を計算した結果、位相に対し最適値が存在し、最大で0.91 mW/cm2のヒートポンプ動作が得られることを明らかにした。

当将电场施加或将电偶极子施加到材料上时，由于熵的变化而引起的热量产生和热量产生。这称为电热效应，预计将用作高效的热泵。这项研究的重点是铁电薄膜中的电氧化效应，以降低电压操作。即使在热容量较小的薄膜中，通过利用高频电场引起的电热效应来证明设备的可行性。 - 通过使用高热密度薄膜热电偶来确定有机铁电薄膜的电热效应，研究了有机铁电薄膜的电热效应。在交流电场下，获得了随着高频而增加的温度变化。使用有限元法，计算了在AC电场下模拟电热效应的热扩散模型，并发现尽管热扩散长度随频率的增加而减小，但热量的面积密度进入并离开膜增加。这表明，即使使用高频电场，即使具有较小体积热容量的薄膜也可以获得高热密度，并且还解释了实验结果。发现在10 kHz时可以获得0.69 w/cm2的热密度。在松弛器有机铁电P（VDF-TRFE-CFE）薄膜上进行了类似的测量和分析，以获得1.54 W/cm2的热密度。 - 使用高频电热效应的热泵提案，因为包含机械可移动部分的结构是不合适的，因此提出了一种驾驶方法，该方法设计了在全稳态结构中应用电场的方法。通过采用一个结构，其中介电和电极被堆叠，将相位差应用于应用于每层的交流电场，电场强度的峰位置沿一个方向传播。通过查看相速度与热扩散速度之间的相关性，我们研究了最佳条件。假设将10层PVDF堆叠在一起的结构，我们通过数值计算计算了设备两端诱导的温度差，发现该相的最佳值是最佳的值，导致热泵操作高达0.91 mW/cm2。