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。

当对具有电偶极子的物质施加或去除电场时，由于极化熵的变化而产生热量和吸热。这被称为电热效应，预计将被用作高效热泵。在这项研究中，我们重点研究了铁电薄膜在低电压运行时的电热效应。即使在热容较小的薄膜中，我们也证明了利用高频电场引起的电热效应创建器件的可行性。・我们通过使用高密度薄膜热电偶实际测量有机铁电薄膜中的电热效应，研究了有机铁电薄膜中的电热效应。在交流电场下，观察到温度变化随着频率的增加而增加。利用有限元法计算了模拟交流电场下电热效应的热扩散模型，结果发现，随着频率的增加，热扩散长度减小，而进入和离开的热量的面密度却增加。膜增加了。这表明，即使是体积热容较小的薄膜，也可以通过使用高频电场来实现高热密度，并且还对实验结果进行了解释。结果表明，在10kHz下获得了0.69W/cm2的热密度。对基于弛豫剂的有机铁电P（VDF-TrFE-CFE）薄膜进行了类似的测量和分析，得到了1.54 W/cm2的热密度。・高频下利用电热效应的热泵提案由于包含机械移动部件的结构不合适，因此我们提出了一种在全固体结构中设计电场施加方法的驱动方法。通过采用电介质材料和电极层叠的结构，并且通过对施加到各层的交流电场赋予相位差，电场强度的峰值位置沿一个方向传播。通过观察相速度和热扩散率之间的相关性，我们研究了最佳条件。假设结构由 10 层 PVDF 组成，我们通过数值计算计算出装置两端引起的温差，结果存在相位的最佳值，最大热泵运行为 0.91 mW/cm2。揭示了这一点。