TWI502779B

TWI502779B - 用於使用兩相熱轉移之快速熱循環以將熱量轉化為電及用於其他用途之裝置及方法

Info

Publication number: TWI502779B
Application number: TW100140652A
Authority: TW
Inventors: Ahmet Erbil; David F Walbert
Original assignee: Neothermal Energy Co
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2015-10-01
Also published as: WO2012064607A2; EP2638629A4; TW201251154A; CA2815938A1; US9166139B2; US20150233615A1; EP2638629A2; US9777953B2; US20120048508A1; WO2012064607A3; CN103238272B; CN103238272A

Description

用於使用兩相熱轉移之快速熱循環以將熱量轉化為電及用於其他用途之裝置及方法

本發明大體係關於使用兩相熱轉移對材料、器件及其他系統進行之熱循環，且更明確而言。本發明係關於允許至材料、器件及其他系統的熱量之快速添加及移除之方法及裝置。利用熱於兩相轉移達成快速的熱循環，並伴隨著工作流體因為控制溫度與壓力的改變而於氣相與液相中轉換，導致系統在所要溫度周圍循環時造成熱量之快速移除及添加。此快速熱循環可供許多及不相同的技術使用以(例如)自熱量發電、藉由電力冷卻或加熱及用於許多其他應用及目的。

熱交換器長久以來已用於許多目的。近年來，已使用兩相熱交換器達成高的熱轉移速率，其利用以下事實：在給定溫差下，蒸發潛熱(latent heat)通常比增加相同質量之流體之溫度需要的顯熱(sensible heat)高得多。彼事實允許兩相熱交換器針對類似溫度梯度ΔT在相同面積上比藉由單相熱轉移系統可達成者更快速地轉移熱能。兩相熱轉移技術通常為熟習此項技術者所熟知，且在文獻中有充分的描述。藉由熱交換器的熱量之轉移亦為熟知的，且許多眾所公認的文書解決了熱轉移及熱交換器機構之設計及工程設計。

存在對於准許材料、器件及其他系統之快速熱循環之新技術的眾所公認之需要。本發明揭示一種一般使用兩相熱轉移來快速將熱量輸入至系統及自系統移除熱量，以使得系統之快速熱循環發生在所要溫度範圍內之新穎方式。藉由變化在腔室中的工作流體之壓力，以使得流體之某一部分在液相與氣相之間快速來回循環來達成熱循環。當在彼等相變期間交替發生冷凝與蒸發時，大量潛熱分別由流體放出及吸收。由流體放出及吸收之彼大量潛熱又分別用以將熱量輸入至所要系統及自所要系統移除熱量。藉此達成系統之快速熱循環。

本發明之熱循環可用於廣泛範圍的應用中。一個此應用為用於使用鐵電體或其他可電極化材料來自熱能發電。用於使用鐵電體及可極化非晶形聚合物之固有自發極化之裝置及方法及隨溫度循環而發生的此極化之快速改變揭示於(例如)以上提及之美國專利及專利申請案中。本兩相發明的較快速熱循環允許彼等材料及器件之更有效使用。舉例而言，在發電之情況下，在一些情境中，材料之比功率可與循環速度之平方成比例地增加。存在快速熱循環合乎需要之其他應用，且本發明通常可供此等應用用以達成較有效的循環及較穩健的熱轉移。亦期望在未來開發需要快速熱循環或自快速熱循環受益之額外應用，且本發明將亦適用於彼等應用。

根據本發明之目的，如本文中體現及廣泛地描述，在一態樣中，本發明係關於一種用於使用兩相熱轉移以便提供至材料、器件或其他系統的熱量之快速添加及移除之裝置及方法。熱量之彼添加及移除可用以針對任何所要目的(包括自熱量發電)在指定溫度範圍內快速循環指明之系統的溫度。如本文中體現及廣泛地描述，在一態樣中，本發明亦可用於冷凍或用作熱泵。在彼等稍後模態中，在指定溫度周圍經由電功或磁功之輸入來對材料、器件或其他系統進行熱循環，使得在循環過程期間，將熱量自較冷的儲集器移至較熱的儲集器。

在一實施例中，本發明利用單獨之儲集器，其中之每一者含有工作流體。在每一儲集器中，將流體維持為兩相氣-液混合物。在每一儲集器中，將混合物大致平衡地維持於蒸氣相與液相之間。在熱儲集器中，將混合物維持在較高壓力及較高溫度(分別為PH及TH)下。在冷儲集器中，將流體維持在較低壓力及較低溫度(分別為PL及TL)下。通常，液體之平衡(或飽和)蒸氣壓力隨溫度之變化而增加。

本發明不限於任何特定工作流體。實情為，其可按照所要的循環溫度範圍、合乎需要之壓力、蒸發潛熱及其他此等因素而與適合於特定用途之任何工作流體一起使用。通常，需要利用具有高蒸發潛熱值的流體，包括熱轉移流體。在一些應用中亦可能需要使用如下流體：在所要溫度下之平衡蒸氣壓力比外部或環境大氣大，以使空氣或另一環境流體經由洩漏進入系統之機率最小化。在其他應用中，工作壓力可比環境大氣壓力小，在該情況下，維持無洩漏系統。

在一實施例中，待熱循環之系統含於經建構以允許蒸氣通過的熱腔室中。該腔室經由閥連接至熱及冷儲集器，使得當至熱儲集器之閥打開且至冷儲集器之閥關閉時，腔室將含有處於PH及TH下之蒸氣。當該等閥反轉使得至冷儲集器之閥打開且至熱儲集器之閥關閉時，含有模組的腔室中之蒸氣快速改變至PL及TL。當藉由閥之適當定位而使腔室中之蒸氣改變至PH時，由於發生在模組之表面處或表面上之冷凝的原因，熱量快速輸入至模組內。相反，當熱腔室中之蒸氣壓力降低至PL時，作為工作流體自模組之表面蒸發之結果，熱量自模組快速移除。當所要量的熱量已輸入至模組內或自模組移除時，可反轉閥之位置，且重複該循環。

因為快速熱轉移發生在正被熱循環之模組之表面上的流體之冷凝及蒸發期間，所以需要維持其上之流體層。在各種實施例中，例如，若模組之表面由親水性界面活性劑、多孔薄膜或使流體層在熱循環期間得以保留之另一表面組態或材料組成，則可達成此目的。

在各種實施例中，熱量用於對鐵電材料或其他可極化材料進行熱循環以將熱能轉化為電。如同熱能至另一形式之能量或功之任何轉化，亦必須遵守熱力學第二定律來排出熱量。將散熱片用於彼目的，其中冷卻可極化材料的工作流體中之一或多者藉由與散熱片之直接熱連通或藉由與散熱片熱連通之熱交換器來加以冷卻。在此等實例中，鐵電發電機包括鐵電材料，其中當處於其鐵電相時，在無藉由外場之施加進行的誘發之情況下，電極化自發地產生於介質中。藉由使彼等電偶極成極以便對準可極化單元及晶疇，合作起作用之個別電偶極之極化組合以在整個材料系統中產生極大之淨自發極化，指明為Ps。在一實施例中，本發明利用自發極化連同在熱循環期間發生的彼極化之快速改變來將熱量轉化為電能。使用本發明之兩相熱轉移裝置及方法，鐵電材料之溫度經控制，使得其經歷至鐵電相之轉變。在彼轉變期間，相對小的電場使鐵電體成極。彼成極場(poling field)在由特定材料之分子及晶體結構允許之程度上對準自發電偶極。

舉例而言，在於美國專利第7,982,360號及第8,035,274號中闡明之裝置及方法中，自外部DC電壓源創建成極場。舉例而言，在於美國專利申請案第13/228,051號中闡明之裝置及方法中，自在鐵電材料之表面上的電極上之殘餘自由電荷產生成極場。兩個此等裝置及方法皆可供本發明利用。

自對準之偶極產生的自發極化引起在鐵電體之表面上的非常密集的受縛電荷，該等受縛電荷又誘發在處於鐵電材料之表面上的電極上之相反的屏蔽電荷。藉由使用本發明之兩相熱轉移裝置及方法分別經由蒸發或冷凝來移除或添加熱量，接著改變鐵電體之溫度，使得其變為順電或反鐵電的，從而致使受縛表面電荷可忽略。電極上之屏蔽電荷接著變得未屏蔽，且可在高壓下移除至外部電路。

如在以上提及之美國專利及專利申請案中所揭示，可圍繞相轉變溫度循環鐵電材料之溫度，使得可藉由本發明在熱源與散熱片之間操作而將熱能有效地轉化為電能。可使用各種熱力循環將鐵電體中之自發極化用於將熱量轉化為電之目的，包括在美國專利第7,982,360號及第8,035,274號中闡明之一般循環。在藉由本發明所利用之兩相熱轉移系統而發生的工作流體之冷凝及蒸發期間，在此等熱力循環之過程中分別輸入及抽取熱量。

在可與本發明一起使用之熱力循環中有具有兩個等溫步驟及在恆定極化下之兩個步驟的循環，如在美國專利申請案第13/226,799號中所揭示。在彼循環之第一步驟期間，鐵電體藉由在其表面上或表面處的流體之蒸發而冷卻至低溫TL，而總極化保持恆定在相對低值PL下，且電路斷開。在下一個步驟期間，藉由蒸發，等溫地抽取熱量，直至將極化增大至該循環之最大值PH，此時，在電極之表面上存在非常密集的受縛電荷。在彼步驟期間，閉合電路，使得電流自鐵電體之一側上的電極流至鐵電體之相反側上的電極。在電極上產生的屏蔽電荷等於在鐵電體之表面處的相反受縛電荷。正是在彼步驟期間成極場使所得偶極被偏壓於一定向上(亦即，其變得成極)。

在該循環之下一個步驟中，斷開電路，同時藉由在總極化保持恆定之同時冷凝在材料表面上或表面處之流體而將鐵電體加熱至相對高溫TH。在該循環之最後步驟期間，電路再次閉合，且經由在表面上的流體之冷凝等溫地輸入熱量，直至將極化減小至PL。在彼步驟期間，電極上之屏蔽電荷變得未屏蔽，且在自我產生之高電壓下放電至外部電路內。在如在美國專利申請案13/228,051中所揭示之一實施例中，在彼步驟期間在存在足夠大的殘餘電荷以建立足夠用於成極之場的時刻，斷開電路。

接著連續地重複該循環，使得在高電壓下將熱能連續地轉化為電能。在一些實施例中，本發明可與處於固體或液體形式下之鐵電體一起使用，液體形式下之鐵電體包括液體鐵電體及懸浮於液體中之鐵電細晶體。舉例而言，可使用之固體材料包括陶瓷鐵電體、鐵電聚合物及其他可極化聚合物。除了普通鐵電體之外，諸如方硼石及方鈉石之外質(或非固有)鐵電體可與本發明一起使用。

單級鐵電電力轉化模組包括通常具有單一相轉變溫度之單一鐵電材料。然而，可能需要使用一系列鐵電材料，該等鐵電材料具有漸增地覆蓋熱源與散熱片之間的溫度範圍中之所有溫度或至少一些溫度之一連串相轉變溫度。熱再生技術之使用亦可影響可能需要的級數。

在一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉化為電之裝置。在一實施例中，該裝置具有一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相對第二表面，其中該鐵電層包含具有一相轉變溫度之鐵電材料，使得當該材料處於鐵電相中時，自發極化建立於其中，且該鐵電層當經成極時產生一總體淨自發極化；且使得隨著鐵電體之溫度改變使得其越過該轉變溫度，該材料進入一順電或反鐵電相，其中該鐵電層具有可忽略之或無總體淨極化。該裝置亦具有：分別定位於該鐵電層之第一表面及第二表面上之一對電極，其中該等電極由一導熱且導電材料組成；及相對於該對電極定位之構件，其用於藉由流體之冷凝及蒸發交替地將熱量輸入至該鐵電層及自該鐵電層移除熱量，以便分別在比該相轉變溫度高之一溫度TH下加熱該鐵電層，及交替地在比該相轉變溫度低之一溫度TL下冷卻該鐵電層。該鐵電材料藉此經歷在(1)該鐵電相與(2)該順電或反鐵電相之間的交替相轉變。

在另一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉化為電能之裝置。在一實施例中，該裝置包括一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相對第二表面。該鐵電層由特徵為一居里溫度(Curie temperature)Tc之鐵電材料組成，使得當該鐵電材料之溫度比該居里溫度Tc低時，該鐵電材料處於一鐵電相，其中自發極化建立於該鐵電材料中，且當該鐵電材料之溫度比該居里溫度Tc大時，自發極化不建立於該鐵電材料中。該裝置亦包括分別定位於該鐵電層之該第一表面及該第二表面上之一對電極。該對電極包含一導熱且導電材料。

此外，該裝置包括相對於該對電極定位之構件，其用於交替地傳遞一冷流體及一熱流體以便交替地(1)在比該居里溫度Tc低之第一溫度TL下冷卻該鐵電層，及(2)在比該居里溫度Tc高之第二溫度TH下加熱該鐵電層。該鐵電層之該鐵電材料藉此隨著溫度循環而經歷在鐵電相與順電相之間的交替相轉變。依據本發明之兩相熱轉移機構及方法，加熱及冷卻分別發生在冷凝及蒸發期間。

另外，該裝置可具有電連接至該對電極之一對電導線，使得當該鐵電材料經循環以減少該鐵電層之總極化時，在高電壓下將對應於電性相反之屏蔽電荷的電能輸出至該對電導線。該等電導線亦可經由一開關而連接，以准許在該對電導線之間施加一DC電壓，以便當該鐵電材料處於其鐵電相中或正轉變至其鐵電相時施加一成極場。此外，該裝置可包括用於監視該鐵電層之溫度及電容、該等加熱及冷卻流體之溫度及壓力及其他系統資料中之一或多者之構件。

在另一實施例中，傳遞構件包含：流體通道，使得一熱流體在高溫TH及高壓PH下穿過該等流體通道中之至少一者至一含有鐵電模組之腔室，藉此造成在該鐵電模組之表面上或表面處的流體之快速冷凝，該快速冷凝又使熱量快速輸入至該鐵電模組；使得當該高壓、高溫流體經由該等通道中之一或多者退出該腔室時，在該腔室中的蒸氣之壓力快速減小至PL，藉此造成流體自該鐵電模組之該表面的快速蒸發，該快速蒸發又自該鐵電模組快速移除熱量；一或多個熱交換器，使得經由第一流體通道及第二流體通道交替循環流體造成一或多個該鐵電層之外表面與與一冷蒸發流體及一熱冷凝流體交替接觸，藉此經由該流體之交替蒸發及冷凝而交替地在一第一溫度TL下自該鐵電層移除熱量且在一第二溫度TH下將熱量添加至該鐵電層；及複數個控制閥，其與該一或多個熱交換器連通，用於控制冷及熱流體之流動。該複數個控制閥由微控制器(Microllers,MC)控制，且其協調為由電腦藉由一控制電路控制器件之電路以達成所要循環。

在又一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉化為電之方法。在一實施例中，該方法包括以下步驟：提供具有一第一表面及一相對第二表面之鐵電層，其中該鐵電層包含具有一相轉變溫度之鐵電材料，使得當該材料處於一鐵電相中時，自發極化建立於該鐵電體中，且該鐵電層在成極後產生一總體淨自發極化；且使得隨著鐵電體之溫度改變使得其越過該轉變溫度，該材料進入一順電或反鐵電相，在順電或反鐵電相中，該鐵電層具有可忽略之或無總體淨自發極化；及包括分別定位於該鐵電層之第一表面及第二表面上之一對電極，該等電極包含一導熱且導電材料。

該方法亦包括以下步驟：交替地傳遞一冷流體及一熱流體以便交替地經由蒸發將該鐵電層冷卻至比居里溫度Tc低之溫度及經由冷凝將該鐵電層加熱至比該居里溫度Tc高之第二溫度。在此等步驟期間，電路斷開，且在恆定極化下發生冷卻及加熱。

在一實施例中，該方法亦包括以下步驟：藉由交替地將一熱流體及一冷流體提供至該鐵電層且交替地分別冷凝及蒸發在該鐵電層之表面處的流體，等溫地將熱量添加至該鐵電層及自該鐵電層移除熱量，同時總極化改變至分別表示為PL及PH之對應的低及高位準。在此等步驟期間，電路閉合以允許改變之極化，且移除或添加之熱量對應於轉變焓。

該方法亦包括使在溫度TL下處於鐵電相中的該鐵電層之該鐵電材料成極。在一實施例中，該成極由自在該鐵電體之表面上的該等電極上之殘餘自由電荷產生的場執行。該方法亦包括在正將熱量等溫地輸入至該鐵電層(在一實施例中，其經等溫地進行)且極化減少至最小位準PL的同時，藉由閉合電路將在該鐵電層之該鐵電材料中產生的該電能放電至外部電路之步驟。在一實施例中，PL對應於足以建立足夠用於成極之場的殘餘電荷。在另一實施例中，藉由自DC電壓源施加小成極場來實現成極。在彼實施例中，在將在鐵電層之鐵電材料中產生的電能放電至外部電路(其中電路閉合)同時藉由在鐵電層之表面上的流體之冷凝等溫地將熱量輸入至鐵電層之步驟期間，最小極化可變得可忽略或為零。

在一實施例中，該熱傳遞步驟由與一熱源及一散熱片熱連通之一或多個兩相熱交換器執行，該一或多個熱交換器用於將熱量自該熱源輸入至該鐵電層以便在該工作流體之冷凝期間將其加熱，及在該工作流體之蒸發期間自該鐵電層抽取熱量至該散熱片以便將其冷卻。在另一實施例中，該熱傳遞步驟由一或多個兩相熱交換器及與該一或多個熱交換器連通之複數個控制閥執行，其中定位用於交替地將一冷流體及一熱流體傳遞至該鐵電層之外表面，以便藉由在該鐵電層之該外表面上的流體之交替蒸發及冷凝而交替地自該鐵電層移除熱量及將熱量添加至該鐵電層之第一流體通道及第二流體通道，且其中該複數個控制閥經調適用於控制冷及熱流體之流量。在每一情況下，配合本文中描述之加熱及冷卻循環，在斷開與閉合位置之間切換電路。

在其他實施例中，替代使鐵電材料經由相轉變而循環，鐵電材料自始至終保持在鐵電相中，且自較大的極化程度循環至較小的極化程度。

除了具有晶體結構之材料之外，可電極化之非晶形聚合物材料亦可與本發明一起使用。對於此等非晶形聚合物，可極化單元展現在原子級及分子級之電偶極行為。在此等可極化非晶形聚合物及共聚物系統之情況下，當經成極時，發生總體淨極化，且當材料之溫度越過去極化轉變溫度時，彼淨極化減少且消失。本發明按與本發明使用在結晶鐵電材料中發生的自發極化及極化改變的方式相同的大體方式來利用藉由使此等非晶形聚合物系統圍繞其去極化轉變溫度循環而發生的極化改變。對於非晶形材料，去極化轉變溫度類似於Tc或類似於鐵電相轉變。在提及在本發明中使用鐵電材料及鐵電層時，應理解，具有適當極化及轉變特性之可極化非晶形聚合物(及共聚物)亦可與本發明一起使用。

在另一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉化為電之裝置。在一實施例中，該裝置具有按一堆疊排列之複數個鐵電模組{FMn}，其中n=1、2、3、……、N，N為大於1之整數。每一鐵電模組FMn包括一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相對第二表面，其中該鐵電層由特徵為一轉變溫度Tn之鐵電材料形成，使得當該鐵電材料處於一鐵電相中時，自發極化建立於該鐵電體之單位晶胞中，且該鐵電層在成極後產生一總體淨自發極化，且使得隨著鐵電體之溫度改變使得其越過該轉變溫度，該材料進入一順電或反鐵電相，在順電或反鐵電相中，該鐵電層具有可忽略之或無總體淨自發極化。在一實施例中，由一導熱且導電材料組成之一對電極定位於該鐵電堆疊之第一表面及第二表面上。在另一實施例中，此等電極亦定位於每一鐵電模組FMn之第一表面及第二表面上；且在又一實施例中，在鄰近鐵電模組之間的此等電極由一電絕緣體分開。複數個鐵電模組{FMn}之轉變溫度{Tn}可在熱源與散熱片之溫度之間的範圍上連續變化。

該裝置進一步包括相對於該等堆疊之鐵電模組{FMn}定位之構件，其用於藉由在該等模組之該(等)表面上或表面處之循環冷凝及蒸發而交替地將熱量輸入至該等堆疊之鐵電模組{FMn}及自該等堆疊之鐵電模組{FMn}移除熱量，以便交替地在比每一轉變溫度Tn低之一第一溫度下冷卻該等堆疊之鐵電模組{FMn}，及在比每一轉變溫度Tn高之一第二溫度下加熱該等堆疊之鐵電模組{FMn}，使得該等堆疊之鐵電模組{FMn}之每一鐵電層藉此經歷在(1)該鐵電相與(2)該順電或反鐵電相之間的交替相轉變。

該裝置可進一步包括用以尤其監視一或多個鐵電模組FMn之溫度與電容，及加熱與冷卻流體之溫度與壓力中的一或多者之器件。依據本發明之一般循環(包括成極及放電)，在電腦控制下協調熱循環與鐵電模組{FMn}之電狀態，以便使加熱及冷卻與電輸入及輸出同步。

在再一態樣中，本發明係關於一種用於將熱量轉化為電能之裝置。在一實施例中，該裝置具有按一堆疊排列之複數個鐵電模組{FMn}，其中n=1、2、3、……、N，N為大於1之整數。每一鐵電模組FMn包括一鐵電層，該鐵電層具有一第一表面及一相對第二表面，其中該鐵電層由特徵為一居里溫度Tcn之鐵電材料形成，使得當該鐵電材料之溫度比該居里溫度Tcn低時，該鐵電材料處於一鐵電相，在鐵電相中，自發極化建立於該鐵電材料中，且當該鐵電材料之該溫度比該居里溫度Tcn大時，自發極化通常不建立於該鐵電材料中；且在一實施例中，一第一電極及一第二電極分別定位於該鐵電體堆疊之第一表面及第二表面上；且在另一實施例中，一第一電極及一第二電極定位於每一鐵電模組FMn之第一表面及第二表面上。該複數個鐵電模組{FMn}之不同鐵電層包含相同鐵電材料或不同鐵電材料。在一第一電極及一第二電極定位於每一鐵電模組FMn之第一表面及第二表面上之一實施例中，每兩個鄰近鐵電模組由一電絕緣體分開。複數個鐵電模組{FMn}之居里溫度{Tcn}可在熱源與散熱片之溫度之間的範圍上連續變化。

該裝置進一步包括相對於該等堆疊之鐵電模組{FMn}定位之構件，其用於交替地在該等堆疊之鐵電模組{FMn}上提供一冷流體及一熱流體，藉此該等堆疊之鐵電模組{FMn}分別藉由交替的在比每一居里溫度Tcn低之第一溫度下的蒸發及在比每一居里溫度Tcn高之第二溫度下的冷凝而冷卻及加熱。藉此該等堆疊之鐵電模組{FMn}之每一鐵電層隨著溫度循環而經歷在該鐵電相與順電相之間的交替相轉變。

在用於多級裝置及操作的本發明之又一實施例中，N個個別模組{FMn}包含如本文中描述之鐵電材料及其他組件，每一模組具有按在散熱片之溫度TL與熱源之溫度TH之間的遞增序列而變化的一不同相轉變溫度Tc1至TcN。使用本發明之兩相裝置及方法使每一鐵電級或模組FMn在其各別相轉變溫度Tcn周圍熱循環。在一實施例中，此藉由將用於第n級之冷儲集器用作用於具有次低轉變溫度Tcn-1之級FMn-1之熱儲集器來實現。在該等級中之一或多者中亦可使用再生性加熱。

在本發明之又一實施例中，詳言之，大體經歷本發明之熱循環及在熱量至電之鐵電轉化之情況下的熱及電循環之該模組位於一熱儲集器之蒸氣區域中，而非含在與該熱儲集器藉由一閥分開之熱腔室中。作為將熱量輸入至熱儲集器之結果，該熱儲集器處於高溫TH及高壓PH下。在此實施例中，在熱儲集器之頂部存在一閥，該閥經打開及關閉以將該熱儲集器之該蒸氣區域連接至處於一低溫TL及低壓PL下之冷儲集器。將熱量自該冷儲集器抽取至一散熱片，且熱再生亦可與此組態一起使用。在一實施例中，該模組之熱循環與至該冷儲集器的該閥之打開及關閉一起發生，其造成分別經由循環蒸發及冷凝在該模組之表面上的兩相熱轉移。

在本發明之又一實施例中，剛描述之裝置利用為取決於流體組合物而具有不同沸點的流體之混合物之工作流體，該工作流體接著用以使循環蒸發及冷凝發生在一系列逐漸減小之Tcn(當n自1變化至N時)周圍，該等漸減之轉變溫度Tcn對應於不同鐵電層或模組{FMn}。該一連串模組{FMn}位於某些層位處，使得在裝置之各別層位處的流體混合物當作為至低壓儲集器的閥之打開及關閉之結果而循環經歷冷凝及蒸發時，使該等模組在其各別轉變溫度周圍熱循環。因此，針對如本文中描述之每一模組FMn發生快速的兩相熱轉移，且每一模組之溫度結合在模組之表面上的循環冷凝及蒸發而在Tcn周圍循環。在鐵電發電之情況下，亦結合熱循環而對於每一模組FMn執行電循環，如本文中針對其他實施例所描述。

在又一實施例中，鐵電模組{FMn}之多級系列含於與熱及冷儲集器分開之熱腔室中。該等鐵電模組按逐漸減小之轉變溫度Tcn排成陣列。在此實施例中之工作流體為具有不同沸點的流體之混合物，使得當藉由經由閥將熱腔室及模組{FMn}交替地連接至熱及冷儲集器而使流體在TH及PH與TL及PL之間循環時，該工作流體交替地在一連串溫度Tcn周圍蒸發及冷凝。循環冷凝及蒸發在熱腔室中之模組FMn所位於之層位處在溫度Tcn周圍發生，使得每一模組FMn與電循環一起經歷如本文中描述之熱循環。藉由結合所描述之電及熱循環方法而使該等閥循環，電藉此由每一模組FMn在由該系列中之模組{FMn}表示的Tcn之範圍上產生。

該裝置可進一步包括用以監視一或多個鐵電模組{FMn}之溫度與電容，及加熱與冷卻流體之溫度與壓力之器件。經由一控制電路在電腦控制下使熱循環與該等鐵電模組{FMn}之電狀態協調，以便使加熱及冷卻與電輸入及輸出同步。

自結合下列圖式進行的較佳實施例之以下描述，本發明之此等及其他態樣將變得顯而易見，但在不脫離本發明之新穎概念之精神及範疇的情況下，可實行其中之變化及修改。

隨附圖式說明本發明之一或多個態樣或實施例，且與書面描述一起用以解釋本發明之原理。在可行之情況下，相同參考數字於圖式中用以指代實施例之相同或相似元件。

本發明更特定地描述於僅意欲作為說明性之下列實例中，此係因為其中之眾多修改及變化將對熟習此項技術者顯而易見。現詳細描述本發明之各種實施例。參看圖式，於該等視圖中，相似的數字指示相似的組件。如在本文中之描述中且於接下來之申請專利範圍中使用，「一」及「該」之意義包括複數個提及物，除非上下文另有清晰地指示。又，如在本文中之描述中且於接下來之申請專利範圍中使用，「在……中」之意義包括「在……中」及「在……上」，除非上下文另有清晰地指示。另外，在此說明書中使用之一些術語更特定地在以下定義。

在此說明書中使用之術語通常具有其在此項技術中、在本發明之上下文內及在使用每一術語之特定上下文中之普通意義。用以描述本發明之某些術語在以下或本說明書中之其他處論述以對實踐者提供關於本發明之描述之額外指導。在此說明書中任何處之實例(包括本文中論述的任何術語之實例)之使用僅為說明性，且決不限制本發明或任一舉例說明之術語的範疇及意義。同樣地，本發明不限於在此說明書中給出之各種實施例。

如本文中使用，「大約」、「約」或「大致」應通常意謂在給定值或範圍之百分之20內、較佳地百分之10內且更佳地百分之5內。本文中給出之數量為近似數，其意謂若未明確陳述，則可推斷術語「大約」、「約」或「大致」。

如本文中使用，術語「居里溫度」或Tc指鐵電材料或鐵磁材料之特性屬性。在居里溫度下之溫度下，鐵電材料通常處於鐵電相，其中自發極化建立於鐵電材料中。隨著溫度朝向居里溫度增加，在材料中建立之自發極化減少。在居里溫度上，鐵電材料通常處於順電相，其中自發極化通常未建立於鐵電材料中。然而，存在鐵電相存在於在轉變溫度上之溫度下之鐵電體，且該材料在彼轉變溫度下為順電性。又，存在與本發明相關之在鐵電相與反鐵電相之間的轉變溫度，如本文中所描述。似乎並不存在關於「居里溫度」是否亦適用於此等後面的種類之相轉變的轉變溫度之明確確定之用法。術語「相轉變溫度」及「轉變溫度」在本文中用以包括所有前述類型之相轉變。可僅將「居里溫度」或Tc與第一類型之相轉變結合使用，或當自上下文顯而易見時，其可更廣泛地加以使用。無論何時當本文中揭示鐵電材料之用途時，希望此等使用包括普通及非固有鐵電體兩者，其中使鐵電材料相對於其如所描述之相轉變而循環。在外質鐵電體之情況下，極化表示二階參數，其耦合至某一一階參數。

對於鐵磁材料，通常存在磁性偶極自發建立於鐵磁材料中之鐵磁相。隨著溫度朝向居里溫度增加，材料中之磁化減少。在高於居里溫度時，鐵磁材料通常處於順磁相。然而，存在鐵磁相存在於高於轉變溫度之溫度下之鐵磁材料，且該材料在低於彼轉變溫度時為順磁性的。又，存在與本發明相關之在鐵磁相與反鐵磁相之間的轉變溫度，如本文中所描述。如同鐵電材料，術語「相轉變溫度」及「轉變溫度」用以包括用於鐵磁材料的所有前述類型之相轉變。「居里溫度」或Tc可僅與第一類型之鐵磁相轉變結合使用(在該情況下，當溫度增加且越過Tc時，材料自鐵磁變為順磁)，或當自上下文顯而易見時可更廣泛地使用。

實務上，對於所有以上描述之類型之相轉變，當材料溫度跨越轉變溫度時的相變之銳度由組合物及材料結構之均質性判定，使得相之間的轉變可隨著材料之溫度在材料之指定轉變溫度周圍之溫度範圍上分別增加或減少而漸進地發生。

除了具有晶體結構之材料之外，可電極化之非晶形材料亦可供本發明用以將熱量轉化為電。對於此等非晶形材料，去極化轉變溫度類似於Tc或類似於如上所述之鐵電相轉變。在此等非晶形材料中及在聚合鐵電或鐵磁材料中，可極化單元展現在原子級及分子級之偶極行為。在提及鐵電或鐵磁材料之用途之情況下，應理解，如本文中所描述的具有適當極化及轉變特性之可極化非晶形聚合物(及共聚物)亦可與本發明一起使用，且此等用途亦意欲加以揭示。在此等情況下，「轉變溫度」或「居里溫度」或「Tc」應認為係指去極化轉變溫度。

有時，在本文中使用「極化」，在該情況下，其可能更精確地指「電位移」。因為在此上下文中不存在術語之間的顯著差異，所以為了簡單且清晰，於全文中使用極化。

參數「P」在本文中用以指明電極化及壓力兩者以與文獻中之普通用法一致。在給定情況下意欲哪一意義將自上下文顯而易見。

熟習此項技術者應認識到，溫度梯度將存在於任何兩個物件或材料(熱量在其間流動)之間。在假定工作介質與熱源或散熱片之間的理想等溫熱轉移之準靜態熱力分析中常忽視彼梯度。為了簡單起見，此處忽視彼梯度，且可使用TH指明熱源之溫度或諸如鐵電模組之物件被加熱至的溫度。類似地，可使用TL指明散熱片之溫度或諸如鐵電模組之物件被冷卻至的溫度。實務上，實際梯度之程度可影響總熱效率、功率密度、在冷卻應用中之性能係數及其他因素。

並不意欲限制本發明之範疇，以下給出根據本發明之實施例的例示性裝置及方法。注意，為了讀者之方便起見，可能在實例中使用標題或副標題，其決不應限制本發明之範疇。此外，本文中提議且揭示了某些理論；然而，不管其正確或是錯誤，只要根據本發明實踐本發明，其就決不應限制本發明之範疇，而不考慮動作之任一特定理論或方案。

本發明揭示一般使用兩相熱轉移快速地將熱量輸入至系統及自系統移除熱量，以使得系統之快速熱循環發生在所要溫度範圍上之新穎方式。藉由變化在腔室中的工作流體之壓力及溫度使得工作流體之一部分在液相與氣相之間快速來回循環來達成熱循環。當在彼等相變期間交替發生冷凝與蒸發時，大量潛熱分別由流體放出及吸收。由流體放出及吸收之彼大量潛熱又分別用以將熱量輸入至所要系統及自所要系統移除熱量。藉此達成系統之快速熱循環。

兩相熱轉移提供優於習知熱轉移系統之相當大的優勢，諸如，較高的熱轉移係數、較好的溫度均勻性及較小的冷卻劑速率。兩相熱轉移可藉由控制接取腔室的一或多個閥之同步化打開及關閉而使樣本腔室中之溫度在其中快速循環。本發明之潛在用途範圍廣泛，且存在設計、實施及使用該裝置之許多方式。可結合針對給定應用之系統設計考慮兩相熱轉移過程之若干態樣。此等因素尤其包括微通道中之兩相流動、沸騰、冷凝、壓降、氣泡活動性及流型、熱轉移特性及臨界熱流通量。在本文中描述之模組(例如，圖1中之710)之兩相熱循環中，且詳言之，在為了如本文中所描述自熱量發電之目的的鐵電模組之熱循環之情況下，熱轉移將主要由在閥(例如，圖1至圖3中之735及745)上之蒸氣質量流動速率及歸因於沸騰及冷凝之熱轉移速率判定。

在具有流量係數C _v 之音速流中在閥上之流動速率由下式給出

對於，

其中N ₂ 為對於一組給定單元之數值常數，p1為上游壓力，p2為下游壓力，Gg為氣體比重(空氣=1)，且T1為絕對上旃溫度(單位：K)，例如，當分別按標準單位L/min、kg/cm2及K表達q、p及T時，N ₂ =6816。可選擇參數Cv及p1作為設計參數以具有在閥上之足夠流動速率。

可藉由使用用於介電工作流體之沸騰的羅森奧相關(Rohsenow correlation)(其假定池核沸騰(nucleate pool boiling))來估計鐵電模組之冷卻(例如，歸因於蒸發)。舉例而言，此模組可描繪為圖3中之710。如下文描述，可藉由在鐵電層上使用多孔薄膜來維持足夠量的流體層。歸因於核沸騰之熱流通量由下式給出

舉例而言，碳氟化合物介電工作流體之特徵性屬性為液相比熱容量Cp,l=1100 J/(kg‧K)、蒸發潛熱hfg=84,400 J/kg、液體密度ρl=1619 kg/m3、蒸氣密度ρv=13.4 kg/m3、表面張力σ=8.1×10-3 kg/s2、液體黏度μl=440×10-6 kg/(m‧s)及普朗特數(Prandtl number)Prl=9.01。此外，核沸騰約束為Cs,f=0.005且n=1.7。熱流通量q單位為W/m2。過溫由ΔT _e =T _s -T _sat 定義，其中Ts為表面溫度，且Tsat為蒸氣飽和溫度。熱流通量可非常大，超過100 kW/m2。

當將蒸氣之溫度降低至低於其飽和溫度時，冷凝亦可按非常大的速率傳遞熱量。在冷凝中，釋放蒸氣之潛熱，將熱量轉移至表面，且形成冷凝物。對於在垂直板上之層狀膜冷凝過程，可將熱流通量表達為

其中熱轉移係數由下式給出

且雷諾數(Reynolds number)由下式給出

參數h ^' _fg 為按雅各布數(Jakob number)Ja表達之經修改之蒸發潛熱，其中

h ^' _f g =h _fg (1+0.68Ja )。

雅各布數由下式定義

膜式及滴式冷凝兩者皆可達成非常高的熱流通量傳遞速率，超過100 kW/m2。可藉由兩相熱轉移系統達成之高的熱流通量率為可藉由本發明達成的快速熱循環速率之整體組成部分。

如本文中體現及廣泛地描述，在一態樣中，本發明係關於一種用於使用兩相熱轉移對材料、器件或其他系統進行快速熱循環之裝置及方法。在一實施例中，此裝置示意性地表示於圖1中。如圖1中所示，模組710位於熱腔室720內部，其中模組710為經歷熱循環之材料、器件或其他系統。熱腔室720分別由較佳熱絕緣之管道730及740連接至熱儲集器750以及冷儲集器760。熱儲集器750含有維持在高壓PH及高溫TH下的工作流體之兩相混合物。冷儲集器760含有維持在較低壓力PL及較低溫度TL下的相同工作流體之兩相混合物。管道730附接至熱儲集器750，使得管道通向熱儲集器750中的混合物之蒸氣部分，且管道740附接至冷儲集器760。管道730及740皆附接至熱腔室720，以便提供蒸氣可自熱儲集器750傳送至腔室720之通路及蒸氣可自熱腔室720傳送至冷儲集器760之通路。

管道730及740之相對尺寸使得當閥735打開且閥745關閉時，熱儲集器750中之蒸氣可快速以最小阻力傳送至腔室720，且當閥745打開且閥735關閉時，熱腔室720中之蒸氣可快速以最小阻力傳送至低溫儲集器760。在一實施例中，為了促進在緊密接近於TH及TL之溫度下在熱腔室720內的溫度循環，在熱儲集器750及冷儲集器760兩者中的蒸氣之容量實質上大於腔室720中的蒸氣之容量。若在熱或冷儲集器中的蒸氣之量並不顯著大於熱腔室中的蒸氣之容量，則當在彼儲集器與熱腔室720之間的各別閥打開時，在操作期間可發生在儲集器中之蒸氣的溫度變化。

泵770將工作流體經由管道775(在一實施例中，其絕緣)自低溫儲集器760返回至高溫儲集器750。在不存在洩漏之情況下，工作流體為自含式循環系統，且不需要補給。然而，在於操作期間存在材料洩漏之情況下，工作流體(圖中未示)之源與器件700連通，使得可在必要時補給工作流體。

熱儲集器750自熱源(圖中未示)接收熱量，該熱源可為一般熱源且具有許多種類，只要溫度、熱流通量及其他特性適合於特定用途即可。經由一或多個熱交換器將熱量自熱源轉移至熱儲集器750。經由熱量之受控輸入及受控壓力，在操作期間將熱儲集器750中之兩相混合物維持在壓力PH及溫度TH下。類似地，經由壓力之控制且藉由經由一或多個熱交換器與散熱片(圖中未示)之熱連通，將冷儲集器760中之兩相流體維持在TL及PL下。可用以將熱量提供至熱儲集器750及自冷儲集器760移除熱量之熱交換器為熟習此項技術者所熟知。

圖2為如同圖1中說明之裝置的本發明之另一實施例之示意性描繪，但包括一熱再生器780。熱量產生為熟習此項技術者所熟知。在此實施例中，將自熱腔室720至低溫儲集器760之管道740導引至且穿過再生器780。

在於圖1及圖2中示意性說明之例示性實施例中，閥735及745之受控且同步之打開及關閉造成在處於TH及PH下與處於TL及PL下之蒸氣狀態之間循環的在熱腔室720中之蒸氣之壓力及溫度的快速改變。當閥735打開時，閥745關閉，且當閥735關閉時，閥745打開。當閥735打開時，熱腔室720立即自熱儲集器750接收處於PH及TH下之蒸氣，藉此將模組710曝露至處於TH下之蒸氣，且如本文中詳細描述，因為腔室720中之蒸氣冷凝在模組710之表面上，所以當將熱量輸入至模組710內時，將模組710之溫度快速升高至TH。閥735接著關閉且閥745打開。當蒸氣自腔室720傳送至冷儲集器760時，熱腔室720中的蒸氣之壓力及溫度立即改變至PL及TL。當模組710之表面上的冷凝物蒸發時，模組快速冷卻至TL。如本文中詳細地描述，當自模組移除熱量時，模組710之溫度藉此快速降低至TL。在本發明之一實施例中，連續重複前述序列，從而造成在所要溫度T周圍的模組710之正在進行的循環，其中TL<T<TH。

複數個控制閥735及745由電腦控制，視應用而定，該電腦可接收來自儲集器750及760中的流體混合物之溫度及壓力資料、來自模組710之溫度及其他資料、來自熱腔室720之溫度及壓力資料以及其他資料。

因為當至熱儲集器750或冷儲集器760之各別閥打開且相對的閥關閉時熱腔室720中的蒸氣之溫度及壓力實際上瞬時改變，所以可達成模組710之快速溫度改變。流體之壓力及溫度特性經由管道730及740以大致音速(對於特定流體)自熱儲集器750傳至腔室720及自腔室720傳至冷儲集器760。熱腔室720中的蒸氣之溫度因此在TH與TL之間快速循環，其與閥735或745中之哪一者在給定時間打開，同步地關閉相對的閥相符。熱腔室720中的蒸氣之壓力在PH與PL之間同等快速地循環。

作為熱腔室720中的蒸氣之溫度及壓力改變之結果，模組710之溫度改變的速度視許多因素而定，包括模組710之表面積對其熱質量之比率。主要藉由交替在模組710之表面上的工作流體之冷凝及蒸發將熱能添加至模組710或自模組710移除熱能。因為與腔室720中的工作流體之顯熱相比，蒸發或冷凝之潛熱通常非常大，所以此兩相熱轉移及熱循環比藉由其他熱轉移系統可達成者快得多。

在本發明之一實施例中，模組710之表面經處理及/或組態以便使液體工作流體之薄層在溫度循環期間保留在模組710之表面上。此液體層之效應為增強在循環期間至模組710內及離開模組710的熱轉移之速率。液體層分別在冷凝及蒸發期間快速地排放且移除大量熱量。液體層又以比在模組710與腔室720中的工作流體之間的界面為嚴格的蒸氣-模組界面情況下將發生者高得多的速率將熱量轉移至模組710內及轉移出模組710。在此實施例中的液體層之厚度應足以避免在冷卻至溫度TL期間自模組之表面之完全蒸發(變乾)，但由於過多厚度將添加可使模組710之熱循環變慢的額外熱質量，因此不得不必要地厚。在模組710上的此液體層之特定特性將視應用之具體細節、模組710之性質及組態、特定工作流體及由給定應用判定之其他因素而定。

如所指出，影響模組710在TL與TH之間循環之速率的因素為與模組710之總熱質量相比的發生冷凝及蒸發的模組之相對表面積。在某些實施例中，可藉由建構模組以使得其包含薄材料條帶或材料片來增強模組710的與其熱質量相比之面積，薄材料條帶或材料片亦可組態成各種幾何形狀(其准許蒸氣穿透彼幾何形狀)，藉此增大在蒸發及冷凝期間發生至模組710內及離開模組710之熱轉移的可利用表面積。

舉例而言，在一實施例中，如本文中其他處所描述，模組710可包括非晶形聚合物材料，其可藉由熱循環而用以(例如)將熱量轉化為電。聚合物可形成為(例如)大致100微米之厚度且大致2 cm之寬度的條帶，且該條帶可纏繞成或多或少螺旋形幾何形狀，其中在螺旋體之鄰近層之間存在空間以大體上允許熱腔室720中的蒸氣自兩個方向接取鬆散纏繞之螺旋條帶的全部表面積。對於此模組，在表面已經處理以便維持工作流體之薄液體膜以促進熱轉移之情況下，當如本文中描述而改變熱腔室中的蒸氣之溫度及壓力時，模組之溫度幾乎立即改變。

舉例而言，圖6表示作為改變之壓力之函數的此模組之溫度改變之量測結果。使用如同在圖1中描述之裝置進行量測。在此實例中，在樣本地帶中的自大致16 psig至10.5 psig之壓力之降低發生在約0.1 s內。自約90.2℃至約85.6℃的在樣本中之溫度之降低亦發生在約0.1 s內。如圖6中所反映，溫度之改變隨著時間而緊密跟隨壓力之改變。模組之改變之溫度滯後改變之壓力僅約0.05 s。在腔室720中的壓力(及溫度)循環之速率視許多因素而定，包括開關閥735及745之特性及速度。圖6中呈現之結果並不意欲表明其為可藉由本發明達成的循環速度之限制。在某些應用中，可達成更快速的循環，且在其他應用中，循環亦可限於較慢速度，其視許多因素而定，包括模組710之表面積對模組710之熱質量之比率。

在使用如同在圖1中示意性說明之裝置之一實例中，按1 Hz量測之循環在圖5中以圖形方式呈現，圖5呈現在五個循環之過程上隨時間而變之壓力。對於某些工作流體，約20 psi之壓力循環範圍對應於約20℃至25℃之溫度循環範圍。再次，視各種因素而定，在各種應用中，可達成較快速循環。

在一態樣中，本發明係關於一種用於藉由鐵電或其他可電極化介質之快速熱循環將熱能直接轉化為電能之裝置及方法。快速熱循環利用當使此等材料在此等材料之轉變溫度周圍循環時在其中產生的極化之改變，此極化為材料所固有的，且在無藉由外部電場之施加而進行之誘發下發生。藉由鐵電材料，作為材料轉變至鐵電相內之結果，發生自發單位晶胞極化。當藉由成極而使單位晶胞及晶疇對準時，自發發生的單位晶胞之強大的固有極化總體上在鐵電材料中產生大的總淨極化。本發明進一步利用當鐵電材料之溫度之改變造成至具有可忽略之淨極化的相(不管是順電或是反鐵電)之轉變時發生的總淨極化之大改變。無論何時當本文中揭示鐵電材料之用途時，希望此等使用包括普通及非固有(外質)鐵電體兩者，其中鐵電材料相對於其如所描述之相轉變而循環。在外質鐵電體之情況下，極化表示二階參數，其耦合至某一一階參數。

類似地，在可極化非晶形聚合物(及共聚物)系統之情況下，當成極時，固有地發生總體淨極化，且當材料之溫度越過去極化轉變溫度時，彼淨極化減少及消失。本發明按與本發明使用在鐵電材料中發生的自發極化及自發極化之改變的方式相同的大體方式利用藉由使此等非晶形聚合物系統圍繞其去極化轉變溫度循環而發生的極化之改變。

各種可極化非晶形材料對於本發明具有特定效用，此係因為對於許多應用，其去極化轉變溫度處於有用範圍中，通常小於約250℃，但其亦可處於較大溫度下，且當循環時，其產生電能之穩健放電。能量、極化與電容率之間的關係為：

U=P² /2εε₀ 。

其中P在此等非晶形聚合物之情況下通常比(例如)鐵電陶瓷之情況小，此等材料之電容率小得多，從而產生高能量密度U。可與本發明一起使用之可極化非晶形材料之實例包括MXD6耐綸，其具有大致78℃之轉變溫度，且已產生大致800 V的量測之放電電壓(對於樣本70 μm厚)。50 μm厚之PANMA-4丙烯腈共聚物樣本已產生大致1,300 V之放電電壓，伴有大致100℃之轉變溫度。

本發明准許移除及使用藉由當材料處於鐵電相中時發生之自發極化而在鐵電材料中產生的電能。如此產生之電能可結合材料自鐵電相至非極性相之相轉變而導出至外部電路。當材料轉變至非鐵電相時，固有的淨自發極化Ps消失。通常，致使Ps可忽略之相轉變將為自鐵電相至順電相，但其亦可為自鐵電相至反鐵電相，此係因為反鐵電相在材料整體中產生可忽略之淨自發極化。

為了允許藉由本發明的熱能至電能之轉化，使基本鐵電模組圍繞其相轉變溫度循環。彼溫度循環由在鐵電模組與熱源及散熱片之間形成界面的一或多個兩相熱交換器實現。熱源及散熱片不受限制，其中之任一者可熱連結至按轉移熱能之任一模式(包括對流、傳導及輻射轉移)使鐵電轉化器循環之兩相熱交換器，及單相及兩相熱轉移系統。在以下情況下：(1)在熱源溫度TH與散熱片溫度TL之間的溫度範圍之至少一部分處於存在的許多鐵電材料中之一者之相轉變溫度之範圍內；及(2)溫差ΔT=(TH-TL)足以允許有效轉化，本發明可通常用以轉化熱能。存在具有範圍自低至約0℃至700℃及更高之相轉變溫度的鐵電體。不存在對裝置或方法之操作溫度的理論限制，且其亦可在低於0℃及高於700℃之溫度下使用(只要適當鐵電體可利用，且熱源及散熱片可用於此等溫度即可)。

許多一階轉變材料適合於與本發明一起使用，但亦可使用具有二階轉變之鐵電材料。舉例而言，基於鉛之鐵電材料系統提供可使用之廣泛範圍的材料組合，諸如，PZT、PZST、PLT等。構成元素之特定百分比組成將影響材料之特定效能特性，包括相轉變溫度。在聚合物系統中，可藉由形成共聚物及摻合物來變化及控制相轉變溫度。可與本發明一起使用的許多鐵電體及反鐵電體之清單闡明於M. Lines及A. Glass之PRINCIPLES AND APPLICATIONS OF FERROELECTRICS AND RELATED MATERIALS,APP. F(1977，Oxford 2004再版)中，但該清單並不詳盡。彼附錄F併入本文中。本發明可與處於固體或液體形式下之鐵電體一起使用，液體形式下之鐵電體包括(例如)液體鐵電體及懸浮於適合於特定應用之液體中之鐵電細晶體。

以實例說明，本發明可與許多鈣鈦礦鐵電體(諸如，PZT或PLT)一起使用，鈣鈦礦鐵電體當單位晶胞結構經歷自立方體(順電相)至四方體(鐵電相)之轉變時主要經歷一階轉變。圖24(a)說明處於順電相中的鈣鈦礦晶體之單位晶胞結構，其中T>Tc。在該實例中，立方體之八個角由鉛原子佔據；立方體之六個面由氧原子佔據；且立方體之中心由鈦或鋯原子佔據。圖24(b)描繪當材料處於鐵電相且T<Tc時離子之位置之轉換。正是彼轉換引起單位晶胞之局部電偶極，且正是彼等電偶極彙總地產生鐵電材料之自發極化Ps。圖25說明以埃為單位的實體位移之量值，該實體位移可發生於處於鐵電相中的單位晶胞中之離子間，該位移引起單位晶胞電偶極。

影響鐵電材料或可極化非晶形聚合物之有用性之準則包括：(1)匹配可利用之熱源與散熱片之相轉變溫度；(2)隨溫度而變的相轉變之銳度；(3)在自極化狀態至非極化狀態之轉變期間釋放的能量，如由U=P2/2εε0表達(在高電容率鐵電體之情況下，鐵電狀態中之自發極化較佳2 μC cm-2，但可使用具有低得多之極化的非晶形聚合物，在該情況下，其具有低的電容率)；(4)足夠高的電阻率，以避免在可在高電壓下於外部移除所儲存之電能之前在鄰近電極上之電荷經由介質洩漏；(5)藉由比較小之場在至鐵電或其他極化狀態之轉變期間成極以使得成極電壓實質上比移除電荷之電壓小(通常，需要成極電壓小於所產生之電壓的約20%，且較佳地，小於約5%)之能力；及(6)與在循環期間加熱晶格所需之能量相比，相對高的轉變能量或焓(此因素將部分地視在高與低循環溫度之間的溫差之量值而定)。

在關於熱能至電之轉化的本發明之一實施例中，圖12示意性展示單級鐵電轉化器件/裝置100，其利用自溫度循環發生的自發極化之改變而產生在高電壓下放電至外部電路之電荷。裝置100包括一鐵電層110，鐵電層110具有一第一表面112及一相對第二表面114。鐵電層110由特徵為相轉變溫度之固體或液體鐵電材料組成，在相轉變溫度下，材料經歷自鐵電相至順電或反鐵電相之相變，且當溫度反向改變時，再次經歷返回之相變。鐵電層110可由特徵為居里溫度Tc之鐵電材料組成，使得當鐵電材料之溫度比居里溫度Tc低時，鐵電材料處於一鐵電相，在鐵電相中，自發極化建立於鐵電材料之單位晶胞中，且當鐵電材料之溫度比居里溫度Tc大時，自發極化不建立於鐵電材料之單位晶胞中或可忽略。鐵電層110亦可由當鐵電材料之溫度降低至轉變溫度以下時經歷自鐵電至順電之相轉變的鐵電材料組成。鐵電層110亦可由在相轉變溫度下經歷自鐵電相至反鐵電相之相轉變的鐵電材料組成，當溫度反向改變時，此材料改變回至鐵電相。鐵電層110具有界定於第一表面112與第二表面114之間的厚度。實務上需要之厚度視若干參數而定，包括：特定應用及可用以轉化為電的熱量之特性及量；所利用之特定鐵電材料；及鐵電材料之熱導率。

通常，在裝置100之一個級中的鐵電層110之厚度處於約0.01 mm與約1 cm之間。亦可利用其他厚度值來實踐本發明。鐵電層110可在形狀上為平坦的或具有任何其他形狀，其組態僅受到用於器件之製造技術及操作考慮限制。詳言之，可經由熟習此項技術者熟知之技術按非常廣的形狀範圍製造及應用可極化非晶形聚合物(及共聚物)，且呈片、條帶或其他形狀之可撓性聚合物可施加於在實施能量轉化器件過程中之許多不同表面。在一實施例中，條帶或片可足夠厚以在使用期間維持結構完整性，但並不比對於彼目的所必要者厚，此係因為額外的厚度添加熱質量且可使循環速度變慢。在其他實施例中，為了結構完整性，可結合非常薄的支撐結構使用條帶或片(特定言之，若厚度小於幾微米厚)。

圖12之鐵電層110之寬度、長度及形狀由鐵電材料之性質、特定應用、可用以轉化為電的熱量之特性及量、熱轉移機構及其他因素判定。不存在對鐵電層110之厚度、寬度及長度的理論限制。限制為可對於特定鐵電材料及特定應用之操作因素時常存在之實際製造限制。在鐵電層110之寬度及長度受到實際考慮限制之情況下，可按一陣列或按一堆疊排列許多類似或相同器件以有效地擴大可用於與將圖12中描繪之器件與熱源及散熱片形成界面之熱交換器連通之表面。在此應用中，自電極之傳導導線可接合至電匯流排，且累積陣列將接著充當具有大致等於個別器件之總面積之熱交換器面積的較大器件，藉此准許僅受到可利用之熱能之量及特性限制的電力之產生。此陣列之一實例由圖19說明。

一對電極122及124分別定位於鐵電層110之第一表面112及第二表面114上。電極122及124由導熱且導電材料組成。此等電極122及124實質上與熱電材料/層110之第一表面112及第二表面114接觸，以便提供電接觸且使熱導率最大化。該對電極122及124可包含(例如)具有足以准許所產生的電流之傳導但足夠薄以使對熱交換器與鐵電材料之間的熱導率之干擾最小化之厚度的薄銀塗層。銀電極之厚度可(例如)為約1微米至5微米。在一些實施例中，可能需要使電極自鐵電層110之邊緣稍微後推(例如)1 mm，以避免在鐵電層110之邊緣周圍的放電。在某些實施例中，可極化材料(且詳言之，可極化非晶形聚合物)可塗覆或貼附至所要組態之傳導片、條帶或物件，且此片可接著充當電極中之一者。

在一實施例中，圖12之鐵電層100經處理、表面處理及/或組態以便使液體工作流體層在溫度循環期間保留在鐵電層100之表面上。在又一實施例中，藉由將多孔薄膜(或具有開放多孔結構之任何其他層)塗覆至鐵電層而維持其上之足夠量的流體層，如本文中其他處所描述。此液體層之效應為增強在循環期間至鐵電層100內及離開鐵電層100的兩相熱轉移之速率。在一實施例中，此組態示意性地由圖4說明，其中鐵電層1在每一側上具有電極3，且接著塗覆額外多孔材料以確保在熱循環期間存在足夠量的流體層以促進如本文中描述之熱轉移。此表面可由親水性或疏水性界面活性劑、多孔薄膜或使足夠的流體層於熱循環期間保留之另一表面組態或材料組成。此流體層之特定特性將視應用之具體細節、鐵電層100之性質及組態、特定工作流體及特定地針對給定應用之其他因素而定。在一實施例中，圖4中描繪之表面處理2(不管是多孔薄膜或是其他)經塗覆超出電極3至鐵電材料1之端部以使電短路之可能性最小化。

在另一實施例中，可極化材料貼附至傳導條帶；將第二電極施加至可極化材料；可能需要且塗覆諸如其他物質(例如，親水性界面活性劑)；且接著使該條帶成形為合乎需要之幾何形狀以用於如本文中描述之熱及電循環。在一實施例中，該條帶經如此製造且接著組態成(例如)具有螺旋形幾何形狀的模組。在此形狀中，螺旋體之鄰近線圈之分開足以允許工作流體穿透幾何形狀，使得熱轉移有效地發生於大多數或全部可利用表面上。

如圖8中所說明，在一實施例中，兩個可極化材料條帶可彼此或多或少地同心盤繞以組態圖3之模組710。可極化材料在圖8中由條帶10及20表示。每一可極化材料10及20之層在其表面中之每一者上具有電極(如本文中所描述)，此等電極在圖8中描繪為30、40、50及60。另外，可將額外材料層(圖中未示)塗覆至如本文中描述之電極以維持其表面上之液體層以促進在圖1、圖2或圖3之腔室720中的工作流體之蒸發及冷凝期間至及自模組之熱轉移。在一實施例中，該等條帶可經組態使得實體上相對之電極(例如，40及50)處於或多或少相同的電壓下，因此使鄰近電極之間的短路之可能性最小化。在彼實施例中，舉例而言，圖8之電極40及50可皆處於低電壓或接地，且電極30及60可皆為高電壓電極。在各種實施例中，可使用分離器維持鄰近條帶之間的實體分離。圖8包括一種分離器70之說明，但分離器可具有與圖8中所描繪之實例不同的變化之幾何形狀。舉例而言，分離器可為附接至作用條帶之表面的絕緣短螺紋件或薄kapton條帶或適當地壓印之絕緣薄片。

在一實施例中，條帶可(例如)由具有約100 μm之厚度的P(VDF-TrFE)共聚物製成。條帶之寬度可實質上變化且可窄至10 μm或寬至50 cm。其他尺寸亦可與本發明一起使用。條帶之長度亦可實質上變化，且可短至1 cm或長至100 m，且其他長度亦可與本發明一起使用。若形成為螺旋形線圈，則線圈可由少數或許多迴圈(諸如5個或5個以上)組成，且線圈之直徑可小至少於一公分或大至大於一公尺。

另外，圖12中之裝置100包括相對於該對電極122及124定位之構件，用於交替地將熱量140轉移至鐵電層110之第一表面112及第二表面114及自鐵電層110之第一表面112及第二表面114轉移熱量140，以便交替地在比轉變溫度低之第一溫度TL下冷卻鐵電層110及在比轉變溫度高之第二溫度TH下加熱鐵電層110。鐵電層110之鐵電材料藉此隨著溫度循環而經歷在(1)鐵電相與(2)順電相或反鐵電相之間的交替相轉變。傳遞構件由本文中描述之兩相熱交換器組成。圖12之儲集器或熱交換器132及134含有兩相工作流體混合物，在一實施例中，該流體為介電流體，其處於兩個不同各別壓力及溫度下，在儲集器132中，較高溫度TH及壓力PH，且在儲集器134中，較低溫度TL及壓力PL，使得處於壓力PH及PL下的工作流體之平衡蒸氣溫度分別為TH及TL。將在每一儲集器132及134中的工作流體之蒸氣相或液相維持於大致平衡。如本文中所描述，藉由一或多個閥之操作，交替地使儲集器132及134中的流體之蒸氣相與鐵電層之外表面中之一或兩者直接連通，使得根據本文中及在上文提及之Erbil等人之專利及專利申請案中描述的熱力循環將鐵電材料交替地在TH下加熱及在TL下冷卻。

當鐵電體與較高壓力儲集器132連通時，熱量快速轉移至鐵電體(及可整合至其之其他材料，諸如，電極)，此係因為冷凝之蒸氣傳遞冷凝之潛熱。相反，當鐵電體與較低壓力儲集器134連通時，熱量快速地自鐵電體(及可整合至其之其他材料，諸如，電極)移除，此係因為液體蒸發，藉此移除蒸發潛熱。

在一實施例中，可藉由將親水性(或疏水性，視使用之流體而定)界面活性劑或類似物質之層塗覆至電極中之一或兩者以促進在模組之加熱期間在鐵電模組之表面上的冷凝及促進自鐵電模組的表面之蒸發(從而冷卻該模組)來增強至鐵電層內之熱轉移及離開鐵電層之熱轉移。達成鐵電模組之快速熱循環的工作流體之壓力及流量之變化由如本文中描述之控制電路結合鐵電體之電循環控制。在循環期間，蒸氣相中之工作流體自儲集器132遷移至儲集器134。工作流體在其液相下自儲集器134轉移回(圖1上未展示)至儲集器132。另外，將熱量自供器件使用之熱源輸入至儲集器/熱交換器132，且將熱量自儲集器/熱交換器134抽取至供器件使用之散熱片。

圖12之裝置100亦具有分別電連接至該對電極122及124之一對電導線152及154。使鐵電材料之晶疇成極使非常大的總體淨自發極化能夠在鐵電層中產生。彼總體淨自發極化又誘發分別在該對電極122及124上的電性相反之屏蔽電荷。可藉由在每一循環期間施加之外部DC電壓(如在美國專利第7,982,360號及第8,035,274號中所描述)或藉由在循環之放電步驟後保留在電極上之殘餘電荷(如在美國專利申請案第13/228,051號中所描述)來建立成極場。雖然因此在本發明之彼實施中通常不需要施加DC電壓，但DC電壓源應仍然可用以建立用於初始循環之成極場，且結果，殘餘電荷在操作期間減少至建立成極場所需電荷之下。

在一例示性循環中，在自發極化增大至最大值後，當經由將熱量添加至晶格而將鐵電層110之鐵電材料加熱至溫度TH時，電路斷開，同時總極化保持恆定在PH，此係因為電路斷開以防止在電極上的電荷之放電。電路接著閉合，同時等溫地將熱量添加至鐵電層，從而使電性相反的屏蔽電荷在高電壓下放電至該對電導線152及154。該對電導線152及154准許來自電極之放電電流傳導至可使用之任何外部負載，或傳導至匯流排以收集及分配由多個器件產生之電。

當成極係由自電極122及124上之殘餘未屏蔽電荷產生之場達成時，電流將回應於在鐵電層中發生的淨自發極化之改變而在彼等電極之間流動。可將彼電流用作輸出至外部負載的額外電能來源。彼能量輸出由在圖31中展示之TL等溫線之自由能曲線中的點D與A之間的向下鬆弛表面。在一實施例中，藉由使在DA步驟期間之電流穿過當開關S1處於圖17中之位置B中時亦包括於電路中的一全波整流器(圖中未示)，可使在該循環之DA部分期間的電流之方向與在主要放電(如圖32中描繪及其他處描述之步驟BC)期間的電流之方向重合。此整流器可(例如)為橋接電路。整流器使電流流動至電極822及824及自電極822及824流動，以在負載RL處具有同一方向，而不管電流在該循環之BC或是DA步驟期間發生。

圖13示意性展示處於鐵電相中的鐵電體210中之晶疇215之對準，亦即，鐵電體210之溫度比鐵電體210之居里溫度Tc低。鐵電體210具有一第一表面212及一相對第二表面214，其界定其間之鐵電層體216。鐵電層體216特徵為具有大量可極化單元之複數個晶疇215。如在圖13(a)中，每一晶疇215由一自發極化(由偶極箭頭217指示)表徵，但隨機定向，使得在鐵電體210中不存在總淨自發極化。圖13(b)展示朝向同一總方向對準之偶極217，使得在鐵電體210中存在非常強大的淨自發極化。可藉由將成極場施加至鐵電層體216來達成此對準。圖13(c)說明通常僅在係關於材料之晶體或分子結構之特殊條件下獲得的理想對準之鐵電體。

可自在相變中及前後的材料系統之蘭道(Landau)現象模型計算可藉由利用在給定鐵電體之熱循環期間的自發極化之改變提取之電能。此模型化為比傳統準靜態熱力分析全面的系統之熱力表示。傳統準靜態熱力分析實際上限於平衡條件，而蘭道模型化為包括非平衡條件之較寬泛動態表示，諸如，依據蘭道-卡拉尼科夫(Landau-Khalatnikov)等式自介穩態朝向較穩定狀態之鬆弛。對於普通鐵電體，蘭道-金茲柏格-得文夏(Landau-Ginzburg-Devonshire)自由能泛函按獨立參數溫度T及階參數P(其表示由系統中之偶極自發及若存在電場則誘發產生之總極化)表達了鐵電材料系統之自由能。電場可歸因於在電極上的外延電位之施加，或其可歸因於電極上的未屏蔽電荷。將蘭道-金茲柏格-得文夏自由能泛函表達為：

G(T,P)=α₁ (T)‧P² +α₁₁ ‧P⁴ +α₁₁₁ ‧P⁶

其中G為自由能泛函。G的單位為J/m3，且P的單位為C/m2。極化為全熱力變數，且其表示由G(T,P)描述之全極系。α參數具體針對一給定材料系統，且對於彼等給定參數，蘭道-金茲柏格-得文夏自由能泛函提供用於鐵電材料系統之經由相轉變及在相轉變前後的熱循環及用於經由可極化聚合物系統之去極化轉變及在去極化轉變前後之可極化聚合物系統之全部資訊。

圖26為就溫度T及極化P而言的自由能泛函之曲線之實例，其中材料參數表示鈦酸鉛PbTiO₃ 之樣本，其中Tc766K。個別曲線係針對材料之各種溫度。按J/m3量測自由能值G。當材料處於非極性狀態下時(亦即，在P=0之情況下)，對G指派值0。接著按根據蘭道-金茲柏格-得文夏泛函之計算針對自750K至820K之各種溫度值用曲線表示自由能G。對於高於轉變溫度之溫度，自由能從不低於針對順電狀態下之材料所指派之參考值。各種曲線中之全域最小值表示平衡狀態。

在材料處於其鐵電相之情況下，系統將具有兩個自由能最小值，在兩個井之低點中之每一者處各有一個。在不存在場之情況下，彼等平衡點中之每一者同等地有可能，且自由能之減少在兩個井中係相同的，此係因為材料系統對稱。藉由當材料系統進入鐵電相時使偶極成極，對系統加偏壓，使得系統將下落至對應於成極之定向的特定井內。成極並不實質上影響系統之自由能。

圖27為作為溫度之函數之自由能的曲線，其中將極化恆定保持在0.4 C/m2。再次，在繪製自由能泛函曲線過程中使用之參數為鈦酸鉛之樣本之彼等特性，其中Tc766K。在自由能與溫度之間的此線性關係可為在判定在本發明中使用的鐵電材料之適當熱力循環過程中之考慮因素。圖27指示在一些情況下在寬的溫度範圍上循環鐵電體可為理想的，此係因為自由能之改變隨著循環之溫度範圍增大而增大。理想地，可將此作為提供最高可能效率之完美的卡諾引擎執行。然而，藉由在較寬溫度範圍上循環而實現之熱效率可降低，此係由於若不能執行完美的再生，則對於較寬溫度循環有增大的晶格熱量影響。亦應認識到，蘭道-金茲柏格-得文夏模型(Landau-Ginzburg-Devonshire model)之準確度通常隨著溫度更遠離相變溫度而降低，因此在大的溫度範圍上，線性關係可能並不如此準確。

圖28表示針對相同鈦酸鉛參數之各種電場值的極化對溫度之曲線。在E、自由能G、P與T之間的關係係自自由能泛函得出，且可表達為：

藉由本發明，E值表示由在電極上之未屏蔽電荷產生之場。電場值E亦可包括自DC電壓源施加之小成極場(在施加外部成極場之情況下)。

圖29為針對各種E值的作為溫度之函數的熵值S之曲線，其中按伏特每公尺量測參數E。熵值與P2成比例，且

S=-α₀ ‧[P_S (T,E)]²

其中熵值按J/(m3‧K)量測。按以下表達式，參數α0與材料參數有關

α₁ =α₀ (T-T₀ )，

其中T0為居里-韋斯(Curie-Weiss)溫度，其為具有二階相轉變之材料的相轉變溫度，但對於一階轉變材料，具有不同值。

可依據各種熱力-電循環實踐本發明，且本文中的循環之實例僅為說明性且決不限制本發明之範疇及意義。可與本發明一起使用之一個此熱力循環之實例按理想形式描繪於圖32中。其具有兩個等溫步驟BC及DA，及保持極化恆定之兩個步驟AB及CD。本文中更詳細地描述此循環之特定操作。

在一些熱力循環中，在循環之過程期間電極至外部負載之放電可完全或幾乎完全。在其他循環之情況下，電極之放電不完全。實情為，在完成放電前，使小的未屏蔽殘餘電荷留在電極上，且彼殘餘電荷用以在下一個循環期間使材料成極。除了按需要提供成極場外，通常需要允許自電極移除電荷，以便使在該循環之彼步驟期間抽取的電能之量最大化。足以在轉變至鐵電相期間建立使自發電偶極成極之場的對應於PL之留下來的殘餘電荷之量將視材料系統、鐵電層之組態及其他因素而定。系統與負載之阻抗必須匹配，使得在切斷外部成極場後之任何時間，去極化場不超過矯頑場(coercive field)。PL之值由在針對該循環之局部自由能最大值下發生的P值判定。在使用本文中描述之例示性循環之一實施例中，將彼局部自由能最大值描繪為在圖31中的自由能等溫線上之點D。以實例說明，對於PbTiO3之鐵電樣本，PL0.15 C/m2通常產生足夠的成極場，如在圖31中所指示。亦可藉由使PL至零來實踐本發明，其中藉由在該循環之DA步驟期間施加外場來執行隨後成極。

開始於由圖32說明的特定循環之任意點C，材料處於相對高溫度TH下，且處於順電或反鐵電相。在一實施例中，在鐵電體之表面上的電極已在點C處放電，使得僅足夠的殘餘電荷保留在電極上以提供足以當鐵電體循環回至其鐵電相時使鐵電體成極之場。接著，在該循環之CD步驟期間，將鐵電體冷卻至相對低的溫度TL，同時電路斷開，使得總極化保持恆定在最小值PL。在CD步驟期間抽取之熱量對應於用以冷卻材料的可感測之晶格熱量。在步驟CD期間，鐵電材料自點C轉至點D處之介穩態。

電路在該循環之點D處閉合。在DA步驟期間，在鐵電體處於TL下時等溫地抽取熱量QL，直至自發極化達到最大值PH。彼值PH可與由特定鐵電材料系統所准許一樣大，而不造成電崩潰或經由鐵電層之顯著的電洩漏。在所有其他因素皆相等之情況下，達到高PH值將通常對應於在每一循環中的電能之較大輸出。PH將視鐵電材料系統、鐵電層之組態及其他因素而變化。在鈦酸鉛樣本之說明性情況下，PH可具有0.4 C/m2之值，如在圖30及圖31中所示。

在DA步驟期間，電路閉合且電流自鐵電體之一側上的電極流動至在鐵電體之相對側上的電極，直至產生等於鐵電體之表面上的相反受縛電荷之屏蔽電荷。又，在該循環之DA步驟期間，在點D處自電極上之未屏蔽電荷產生的小殘餘場使所得偶極朝向一個方向定向，亦即，其經成極。在另一實施例中，成極場可為外部施加之電位之結果。在DA步驟期間抽取之熱量QL對應於相轉變之潛熱。在DA步驟期間，材料系統自在點D處之介穩態鬆弛至在點A處之穩定狀態，如在圖31及圖32中所示。

在DA步驟期間，在不同於藉由外部施加之電壓進行成極之彼等實施例中，產生電能。在步驟DA期間如此產生之能量可放電至外部電路以執行電功。在一實施例中，全波整流器可用以整流至及自電極822及824之電流，以在負載處具有同一方向，而不管電流在該循環之BC或是DA步驟期間發生。此全波整流器可由(例如)橋接電路組成。如其他處提到，亦可藉由跨在鐵電層上之表面上的電極自DC電壓源施加外場來達成成極。在彼等時候，對系統執行電功，而非在步驟DA期間由系統產生電功。

在該循環之下一個步驟AB中，電路斷開，且在恆定極化下將鐵電體加熱至高於材料轉變溫度之TH。在該循環之點B處，鐵電體處於介穩態下，且接著閉合電路。在該循環之BC步驟期間，當極化減小至PL且鐵電體自在點B處之介穩態朝向點C鬆弛時，等溫地輸入熱量。在BC步驟期間添加之熱量QH等於對應於極化之改變的焓改變。在彼步驟期間，電極上之屏蔽電荷變得不受屏蔽，且放電至外部電路內以執行電功，在點C處之總極化減小至PL，在該點，電路斷開以防止進一步放電。

在該循環之若干步驟期間自穩定狀態至介穩態的材料系統之轉變或自介穩態至穩定狀態的材料系統之轉變由蘭道-卡拉尼科夫(Landau-Khalatnikov)時間相關相轉變理論描述，該理論可用以使負載之回應時間與自介穩態之轉變時間匹配。

TH及TL分別高於及低於轉變溫度，以便允許相變。視材料之特性(諸如，晶體結構之均質性)而定，TH及TL可與轉變溫度相差攝氏數度或更少。TH及TL亦可與轉變溫度相差相當大的量，例如，相差攝氏20度或更大。在另一實施中，若在較大極化值與較小極化值之間循環材料，則TH及TL可皆低於轉變溫度。

熟習此項技術者應認識到，圖32中說明之循環描繪按一理想方式執行之循環。實務上，通常可能存在與該循環之理想或完美等溫或恆定極化步驟之偏離及與在PH與PL之間的完美循環之偏離。應認識到，通常將實踐本發明使得實際循環及實際成極可在一定程度上脫離於理想狀態。

在本發明之一些實施例中，鐵電相發生在比轉變溫度高之溫度下，且順電相或反鐵電相發生在轉變溫度以下的溫度。在此等實施例中，圖32中描繪之循環除了在相反方向上外相同地操作。四個步驟為DC、CB、BA及AD。步驟DC及BA分別發生在恆定極化PL及PH下。在步驟DC及BA期間分別僅輸入及抽取晶格熱量。在步驟CB期間等溫地輸入熱量QH，且在步驟AD期間等溫地抽取熱量QL。在步驟CB期間，電路閉合，發生藉由DC電壓或內部產生之場之成極；且電流自鐵電體之一側上的電極流動至在相對側上的電極，直至產生等於鐵電體之表面上的相反受縛電荷之屏蔽電荷。在步驟AD期間，電路閉合且將電放電至負載。

可使用自自由能泛函計算之值評估特定熱力循環之穩健性。如同圖26，圖30及圖31為依據溫度T及極化P的自由能泛函之曲線之實例，其中材料參數表示鈦酸鉛PbTiO₃ 之樣本，其中Tc766K。個別曲線係針對材料之各種溫度。圖30包括在圖32中描繪的循環之點之名稱(A、B、C及D)，其具有兩個等溫步驟及極化恆定之兩個步驟。在圖30中，在循環之過程期間，PL減小至可忽略級別或零。圖31為針對在圖32中描繪之循環的自由能之類似曲線，其具有指明於其上的循環之點，但不允許PL變為零。實情為，在循環之放電步驟BC期間，保留足夠的電荷以在下一個循環期間成極。PL之值由出現在循環之局部自由能最大值處的P值判定，如在圖31中所示。在圖29、圖30及圖31中的T及P之值僅為說明性，且並不意欲暗示其為理想的或唯一的。

圖33說明針對在圖32中描繪之循環的作為溫度之函數之熵值。僅考慮極化對自由能之影響。在該說明中忽視可對熵值改變有影響之其他可能自由度，諸如，晶格熱量及聚合物主鏈。在彼等其他因素可忽略之情況下，在步驟AB及CD期間，甚至在不存在再生之情況下，循環為等熵的。

圖34展示對應於50 μm厚度之P(VDF-TrFE)共聚物之不同替續器接通溫度的由永久極化之改變導致的在加熱階段期間產生的量測之電流。負載電阻器RL具有10 MΩ之電阻，且分別選擇量測電阻器R1及R2處於0及22 kΩ。歸因於共聚物之稍微寬的轉變，水平軸已經大大地擴大，其使原始峰值(線1)看起來平坦。圖34中之線2-6展示隨著增加延遲溫度(時間)而產生之電。此等線對應於圖32中展示的熱力循環中之AB步驟。在樣本上產生之電位(場)隨著延遲溫度變大而顯著地增大，達到藉由線1之原始峰值所達到之電位的約10倍。隨著延遲溫度變大而增大電位對應於在恆定極化(AB步驟)下沿著溫度軸的矩形循環之擴大。在熱力學上，此導致較大的效率。如所預期，積分之強度很大程度上保持恆定。

圖14示意性展示在鐵電相中之鐵電模組500，其中受縛表面電荷產生於鐵電層510之表面上，且對應的屏蔽電荷產生於電極522及524上。在例示性實施例中，(例如)藉由小的成極場，對準電偶極517，藉此使大的總體淨自發極化能夠發生於鐵電層510中。所得大的淨自發極化在鐵電層510之表面512及514上產生非常密集的受縛電荷511及513。結果，電流流動至電極522及524。屏蔽電荷521及523藉此產生於電極522及524上，該等屏蔽電荷521及523等於在鐵電層510之表面512及514處的受縛電荷511及513，但在電荷上與受縛電荷511及513相反。在彼點，因為電極522及524為導體，所以電極522及524中之淨電場必要地可忽略或為零。鐵電層510中之受縛電荷511及513自對準之電偶極517及Ps產生，而電極522及524上之屏蔽電荷521及523又自受縛電荷511及513產生，且與彼等受縛電荷511及513相反。

當鐵電體經歷相轉變且變得順電或反鐵電時，鐵電層510中之自發極化消失。結果，在電極522與524之間的極其高之電位差下，電極522及524上之屏蔽電荷521及523變得未屏蔽。精確的電位差將視特定鐵電體及模組之組態而定，但在介電質崩潰前藉由適當材料可獲得超過30,000伏特之電位。

圖15及圖16展示根據本發明的熱量至電轉化器件600之另一實施例。在該例示性實施例中，器件600具有一鐵電層610、分別形成於鐵電層610之表面上的一對電極622及624及關於該對電極622及624之一傳遞構件，該傳遞構件用於在鐵電層之表面上交替傳遞冷流體及熱流體，以便交替地在第一溫度TL<Tc下冷卻鐵電層610及在第二溫度TH>Tc下加熱鐵電層610；藉此鐵電層610之鐵電材料隨著溫度循環而經歷在鐵電相與順電或反鐵電相之間的交替相轉變。

在如圖3中說明之一實施例中，鐵電發電機模組710位於熱腔室720內部。模組710包括鐵電層610及其上之電極622及624，如描繪於圖15中且亦在圖12中描繪為110(鐵電層)及122及124(電極)。電極連接至將模組連接至外部電路之導線711及712。模組710亦可包括額外表面處理或本文中描述之其他特徵以維持在模組之表面上的液體層以增強當循環腔室720時藉由鐵電模組710之熱轉移。圖3中之腔室720連接至管道730及740(較佳地，熱絕緣)，該等管道亦分別連接至熱儲集器750及冷儲集器760。熱儲集器750含有維持在高壓PH及高溫TH下的工作流體之兩相混合物。冷儲集器760含有維持在低壓PL及低溫TL下的相同工作流體之兩相混合物。管道730附接至熱儲集器750，使得管道通向熱儲集器750中的混合物之蒸氣部分，且管道740附接至冷儲集器760，使得管道740通向冷儲集器760中的混合物之蒸氣部分。管道730及740皆附接至熱腔室720，以便分別提供蒸氣可自熱儲集器750傳送至腔室720之通路及蒸氣可自熱腔室720傳送至冷儲集器760之通路。

管道730及740之尺寸使得當閥735打開且閥745關閉時，熱儲集器750中之蒸氣可快速且以極小阻力傳送，且當閥745打開且閥735關閉時，熱腔室720中之蒸氣可快速且以極小阻力傳送至低溫儲集器760。泵770將工作流體經由管道775(在一實施例中，其絕緣)自低溫儲集器760返回至高溫儲集器750。在不存在洩漏之情況下，工作流體為自含式循環系統，且不需要補給。

熱儲集器750自熱源(圖中未示)接收熱量，該熱源可具有任何種類或特性，只要溫度、熱流通量及其他特性適合於特定裝置即可。經由一或多個熱交換器將熱量運送至熱儲集器750，使得將混合物之溫度維持在TH下，同時亦將壓力維持在PH下。類似地，藉由經由一或多個熱交換器與散熱片(圖中未示)之熱連通，將冷儲集器760中之兩相混合物維持在TL及PL下，同時將壓力維持在PL下。熱儲集器750及冷儲集器760中之壓力經監視及控制，且若必要，可由外部壓力源(諸如，泵或壓縮機)增加。可與本發明一起使用之可能熱源及散熱片中之一些描述於美國專利申請案第13/247,525號中，該申請案以引用的方式全部併入本文中。可用以將熱量提供至熱儲集器750及自冷儲集器760移除熱量之熱交換器為熟習此項技術者所熟知。

圖3為如同圖1中說明之裝置的本發明之一實施例之示意性描繪，但圖3中包括一熱再生器780。熱量產生為熟習此項技術者所熟知。在此實施例中，將自熱腔室720至低溫儲集器760之管道740導引至且穿過再生器780。圖3亦展示來自鐵電模組之導線711及712，彼等導線連接至鐵電層之表面上的電極，如本文中所描述。

圖3中之熱儲集器750及冷儲集器760對應於圖15中之熱交換器或儲集器632及634，圖15為總體器件之更一般化的圖解說明，其展示在一實施例中之鐵電層及電極。在於圖3中示意性說明之例示性實施例中，藉由控制電路進行的閥735及745之受控且同步之打開及關閉造成在TH及PH與TL及PL之間循環的在熱腔室720中之蒸氣之壓力及溫度的快速改變。當閥735打開時，閥745關閉，且當閥735關閉時，閥745打開。當閥735打開時，熱腔室720立即自熱儲集器750接收處於PH及TH下之蒸氣，藉此將鐵電模組710曝露至處於TH及PH下之蒸氣，如本文中詳細描述，從而當腔室720中之蒸氣冷凝在模組710之表面上時，當將熱量輸入至模組710內時，快速將模組710之溫度升高至TH。根據本文中提及的熱力電循環中之某些者，熱量進一步添加至模組，同時極化經控制且保持恆定。閥735接著關閉且閥745打開。當蒸氣自腔室720傳送至冷儲集器760時，熱腔室720中的蒸氣之壓力及溫度立即改變至PL及TL。當模組710之表面上的冷凝物蒸發時，鐵電模組710快速冷卻至TL。根據本文中描述的循環中之某些者，進一步自模組移除熱量，同時極化經控制且保持恆定。在本發明之一實施例中，連續重複前述序列，從而造成在所要溫度T周圍的模組710之正在進行的循環，其中TL＜T＜TH。

複數個控制閥735及745由電腦化之控制電路控制，視應用而定，該電腦化之控制電路可接收以下資料且作用於以下資料：來自儲集器750及760中的流體之溫度及壓力資料；來自發電機模組710之溫度、電容及電極化資料；來自熱腔室720之溫度及壓力資料；及其他資料。

如其他處所描述，在本發明之一實施例中，模組710之表面經處理及/或組態以便使液體工作流體之薄層在溫度循環期間保留在模組710之表面上。液體層在蒸發及冷凝期間快速移除及放出大量熱量，藉此促進至模組710內及離開模組710的熱量之快速轉移。在鐵電模組710上的此液體層之特定特性視模組710之性質及組態、特定工作流體及特定地針對給定應用之其他因素而定。在另一實施例中，可藉由組態模組使得增大發生冷凝及蒸發的模組之表面積相對於模組之總熱質量之比率來增加鐵電模組710吸收及排出熱量之速率。在某些實施例中，可藉由建構模組使得其包含可組態成各種幾何形狀(其准許蒸氣穿透彼幾何形狀)之薄材料條帶或片來增強模組710相對於其熱質量之面積，藉此與模組之熱質量相比，增大在腔室720中之工作流體與模組710之間發生熱轉移的可利用面積。

將熱量添加至鐵電模組710及自鐵電模組710移除熱量由控制電路連同與如本文中描述之熱及電循環(例如，包括圖32中描繪之循環)一致的電路之斷開及閉合加以協調。藉由直接監視且處理鐵電體之溫度(藉由諸如熱電偶或閘流體之器件)、鐵電系統之電容(當電容總體上與鐵電層之溫度相關時)、鐵電層之極化及/或藉由監視且處理其他資料來協調電及熱循環。在圖15中之電極622及624上的不受縛電荷之範圍亦可加以監視且用於控制循環中，且尤其用於判定在圖12中之鐵電層110轉變至其鐵電相期間自彼電荷產生之場保持足以使偶極成極之時間。

圖17根據本發明之一實施例示意性說明連接至當必要時則可用於成極之DC電源供應器830且至用於接收產生之放電之外部負載電阻RL的熱量至電能轉化器件800。根據一實施例，一或多個監視器件(圖中未示)附接至鐵電器件或嵌入於鐵電器件中以監視鐵電材料之溫度。舉例而言，可藉由一或多個熱電偶或閘流體或藉由監視器件之電容來進行此監視。另外，電阻器R1及R2可保持處於電路中以監視電流，此係因為與負載電阻RL相比，其具有可忽略之電阻。可藉由積分經由電阻器R1及/或R2之電流來監視極化。於該循環中，鐵電模組800經歷由經由控制電路(圖中未示)作用之一或多個電腦控制的動作，該一或多個電腦控制加熱及冷卻且控制開關S1(如本文中所描述)。

實務上，只要器件將用以自熱量發電，則鐵電模組600及800之循環即重複且在進行中。因此，循環之描述可開始於該循環中之任一點。為了說明在一實施例中的器件之操作之目的，最初假定鐵電模組600或800處於圖32中描繪的循環之點C處。在彼時刻，在圖17中描繪之開關S1斷開，且鐵電層810處於TH，且極化處於PL。如其他處所描述，PL之值可對應於產生當鐵電層810轉變至鐵電相時足夠用於使自發引起之電偶極成極之場的殘餘不受縛電荷。當開關S1在中間位置處保持斷開時，藉由熱量之抽取，將鐵電層810冷卻至TL，從而將該循環帶入至圖32中之點D。保持開關S1斷開防止電荷流至電極822及824或自電極822及824流動，使得在該循環之CD步驟期間，極化保持處於PL。

在將殘餘電荷用於成極之彼等實施例中，在第一循環後的本發明之通常操作中的循環之點D處，開關S1切換至如圖17上展示之位置B，其閉合電極822及824與負載電阻RL之間的電路。當開關S1處於位置B中時，對應於圖32中描繪的循環之步驟DA，在TL下等溫地自鐵電層810抽取熱量。在步驟DA中，極化保持其方向，但增大至值PH。所得總自發極化Ps在鐵電層810之表面上產生非常大的受縛電荷。彼等受縛電荷使屏蔽電荷產生於電極822及824上，屏蔽電荷與在鐵電層810之表面處之受縛電荷相等且相反。在該循環之DA步驟期間抽取之熱量QL對應於相轉變之焓。在點A處，鐵電層810中之自發極化處於最大值PH，且電極中之淨電場可忽略，此係因為電極現在載有足夠電荷以平衡受縛電荷(歸因於PH)。在步驟DA期間，自發產生對應於(例如)在圖31中之點D與A之間的自由能差的大量電能。

圖14說明(1)為對準之電偶極與Ps之結果的在鐵電體中之受縛電荷，及(2)與彼等受縛電荷相反的在電極上出現之屏蔽電荷，如將發生在該循環之點A處(但在點A處，負載電阻RL將不像在圖14中所描繪地處於電路中)。

在一實施例中，當開關S1處於位置A中時，DC電壓源包括於電路中，且在第一循環中，或若因任何原因，在操作期間在該循環之點D處來自電極822及824上之殘餘電荷的場變得不足以使鐵電層810成極，則彼電壓源可用於成極。在彼情況下，在該循環之點D處，開關S1切換至位置A，且跨鐵電層施加一DC電壓以在轉變期間使自發引起之偶極成極。成極所需之電壓視材料而定，但與自鐵電器件800放電電荷之電壓相比較小。除了在此等情況下成極所需之最小值外，不需要跨鐵電層810施加電壓，且電壓間斷。當極化達到PH時，開關S1斷開至圖17中說明之中間位置，且器件處於圖32之循環中的點A處。

足夠用於成極之場視特定材料、其幾何形狀、在單級或是多級組態中操作器件及其他因素而定。最小成極場通常將具有相當強度，不管其是否由在該循環之點C及D處在電極822及824上之殘餘電荷產生，或其是否自一外部DC電壓源強加。以實例說明，對於大致1.0 mm厚度的一些單級基於鉛之陶瓷鐵電體，藉由大致200伏特之電壓可達成足夠的成極場。相比之下，在放電期間，用於此材料的產生之電壓可超過6,000伏特。在不成極之情況下，當材料處於鐵電相時，可極化材料將自發展現電偶極，但總的說來，偶極將不對準。此對準對於達成由本發明利用之高的總Ps值係必要的。

在圖32中描繪的循環之AB步驟期間，開關S1斷開，且將鐵電層810加熱至TH，使得其轉變出鐵電相。因為開關斷開，所以防止電極上之不受縛電荷發生於AB步驟期間之晶格加熱期間放電，且總極化保持處於PH。

在該循環之點B處，開關S1切換至圖17中之位置B，且在TH下將熱量等溫地添加至鐵電層810，使得將大量電能自鐵電模組800釋放至負載RL。當自電極822及824移除電荷時，電荷在非常高的電壓下由負載電阻器RL或由可用以儲存、傳輸或利用電用於做功之任一其他合適器件接收。當保留在電極822及824上之自由電荷已減小至足夠建立一場以在轉變回至鐵電狀態期間使自發偶極成極之最小值時，在經由內部產生之場達成成極之彼等實施例中，藉由斷開開關S1來停止自電極抽取電能，其對應於該循環之點C。在彼點處之總極化為PL，且鐵電層810處於TH。

在一實施例中，當開關S1處於位置B中時，一全波整流器(圖中未示)包括於該電路中。該整流器使電流流動至電極822及824及自電極822及824流動，以在負載RL處具有同一方向，而不管電流在該循環之BC或是DA步驟期間發生。此全波整流器可由(例如)橋接電路組成。以此方式整流信號可簡化隨後對在循環期間產生的電能之使用或儲存。

在另一實施例中，鐵電材料不依據圖32中闡明且如本文中其他處描述之熱力循環而循環。實情為，可使用允許自自發偶極經成極之鐵電狀態至其中維持極化使得其不減小至最小級別PL下之順電或反鐵電狀態循環鐵電材料之任一熱力循環來循環鐵電模組，其中PL對應於產生足夠在轉變至鐵電相期間成極之場的極化之級別。在又一實施例中，在圖32中描繪的循環之步驟DA期間，允許PL變得可忽略或變為零，且藉由施加之DC電壓的施加達成成極，其中圖17中之開關S1處於位置A中。

在又一實施例中，替代使鐵電材料經由相轉變而循環，一直將其維持在鐵電相中且其自較大的極化程度循環至較少的極化程度。

熱循環及電輸入及輸出於該循環中藉由控制電路而受電腦控制。依據本發明，在循環之各種步驟期間的加熱及冷卻係藉由微控制器(Microllers,MC)使熱及冷流體被交替地引導至鐵電模組800來實現，彼等熱及冷流體對應於處於TH及PH與TL及PL下之各別蒸氣。可藉由使用微控制器結合電腦獲得如可適合於特定應用及適合於特定加熱及冷卻系統之不同控制。電腦控制(圖中未示)自熱電偶或監視加熱及冷卻流體中及鐵電材料中之溫度之其他器件接收溫度值。亦可監視熱及冷流體中之壓力。電腦控制亦監視如(例如)由如在圖17中展示之電阻器R1及R2量測之極化及負載電流。可藉由積分經由電阻器R1及/或R2之電流來監視極化。電腦及控制電路根據正使用之熱力循環控制熱交換器造成鐵電模組之適當的熱循環。接收在電腦控制下之此監視資料之微控制器亦引導開關S1之位置。替代熱電偶或閘流體或除了熱電偶或閘流體之外，一或多個控制鐵電體之電容或其他量測結果可用作監視器及用以藉由控制電路控制循環及切換之時序。

參看圖18，根據本發明之一實施例展示用於操作用於將熱量轉化為電能的器件之方法900。在一實施例中，方法900包括下列步驟：在步驟S910處，提供一鐵電層。鐵電層包含特徵為居里溫度Tc之鐵電材料。一對電極分別定位於鐵電層之第一表面及第二表面上，其中電導線自電極行進至外部電路。該等電極包含導熱且導電材料。

在步驟S920處，交替地傳遞冷流體及熱流體以便交替地將鐵電層冷卻至比居里溫度Tc低之第一溫度TL及將鐵電層加熱至比居里溫度Tc高之第二溫度TH。此加熱及冷卻自在鐵電層之表面上的流體之冷凝及蒸發而產生。在步驟S920期間，電路斷開，使得冷卻及加熱發生在恆定極化下(分別為PL及PH)，同時發生晶格冷卻及加熱。冷流體及熱流體可交替地由熱交換器、控制閥或其類似者傳遞，與資料監視器協調地且在來自電腦化控制電路之引導下受到控制。

在步驟S930處，交替地傳遞冷流體及熱流體以便交替地在比居里溫度Tc低之第一溫度TL下等溫地自鐵電層移除熱量，及在比居里溫度Tc高之第二溫度TH下等溫地將熱量添加至鐵電層。此加熱及冷卻自在鐵電層之表面上的流體之冷凝及蒸發產生。在步驟S930期間，電路閉合，使得當極化自PL改變至PH時發生熱量之移除，且當極化自PH改變至PL時發生熱量之添加。冷流體及熱流體可交替地由熱交換器、控制閥或其類似者傳遞，與資料監視器協調地且在來自電腦化控制電路之引導下受到控制。

在步驟S940處，其中鐵電材料最初處於介穩態下，鐵電材料中的晶疇之自發極化在溫度TL下成極，以便在該對電極上產生電性相反之屏蔽電荷。成極場由在處於鐵電層之表面上的電極上之殘餘電荷提供，在該循環之放電步驟期間未抽取該等殘餘電荷。保留之殘餘電荷為當鐵電層轉變回至其鐵電相時足以產生一成極場之電荷。在另一實施例中，當必要時，藉由將小的外部電場施加至鐵電層來執行成極。

在步驟S950處，藉由在表面上的流體之冷凝而在TH下將熱量等溫地添加至鐵電材料，同時電路閉合。在高電壓下，將對應於在該對電極上產生之電性相反之屏蔽電荷的電能輸出至外部電路。在一實施例中，電路斷開，以允許保留在電極上之足夠的殘餘電荷提供用於在下一個循環期間成極之場。

應注意，雖然器件之必要功能發生在具有一給定鐵電材料之單一層中，但在許多鐵電材料組合於一系列級中之情況下本發明可更適用於實際應用，且可自特定熱源產生更大量的電能。將熱能轉化為另一形式之能量或功的任一系統之最大效率為卡諾效率(Carnot efficiency)，ηc=ΔT/TH。在ΔT較大之應用中，可能需要利用包括一系列鐵電材料之多級轉化模組，該等鐵電材料具有對應於TH與TL之間的可利用溫度之一連串相轉變溫度。保證有多級處理的ΔT之量值視特定應用及使用之材料系統而變化。可存在適合在相對大的ΔT(例如，100℃或以上)上操作單級器件之應用，且結合熱再生技術，情況可尤其如此。

存在可藉以按具有多個鐵電體(具有多個相轉變溫度)之多級格式使用本發明之基本原理之許多組態或實施例，此處將描述該等實施例中之若干者。藉由提供此等描述，並不意欲將本發明限於此等組態，其僅為說明性的。又，在此等描述及實施例提及居里溫度Tc之情況下，應理解，該等描述同等地可適用於鐵電相存在於高於轉變溫度之溫度下且在低於彼轉變溫度時材料為順電之鐵電體、可適用於轉變係在鐵電相與反鐵電相之間的鐵電體，且可適用於可極化聚合物。

圖19展示具有複數個鐵電模組FM1、FM2、……、FMn-1及FMn之裝置1000，該等鐵電模組按一陣列排列以擴大與熱交換器界面連接之工作表面，以便增加可自熱源接收且轉化為電能的熱能之量。電輸出由連接至每一模組之電極的匯流排1001移除。可使用個別熱及冷儲集器在此陣列中對個別模組及熱腔室(例如，圖3中之720)進行熱循環，或許多模組及熱腔室可連接至一或複數個熱及冷儲集器，其中熱及冷儲集器之數目各自少於陣列中的模組之數目。

在多層組態中，可按經形成以便使熱導率最大化之堆疊排列一系列鐵電層。將所得多層鐵電結構置放於一對電極之間，該多層鐵電結構類似於如上揭示之單層器件。此組態由圖20及圖21圖解說明。依序層FE¹ 、FE² ……FE^n-1 及FEⁿ 由相同的鐵電材料或實質上不同鐵電材料形成。居里溫度Tc1、Tc2……Tcn-1及Tcn對應於依序層FE¹ 、FE² ……FE^n-1 及FEⁿ 中之鐵電材料。在一實施例中，多層鐵電材料經陣列排列使得Tci+1>Tci。在一實施例中，使用根據本發明之原理的兩相熱轉移循環組合之多層模組，使得每一個別層圍繞其相轉變溫度循環，且根據本文中描述之各種熱力電循環對組合之多層模組進行循環。在一循環之過程期間，每一層經歷鐵電-順電或鐵電-反鐵電循環，並伴隨著如本文中針對單層器件所描述之成極及放電。藉由此多層組態，如圖20及圖21中所示，在循環之放電步驟期間在高電壓下移除之電能與在電極與命名為FE¹ 及FEⁿ 之鐵電材料之接合點處的總自發極化Ps有關，該極化自一起作用的每一FE層之累積自發極化產生。

參看圖22，根據本發明展示多層鐵電器件1300之另一實施例。多層鐵電器件1300之此組態類似於如在圖22中揭示之器件，但將單獨的電極置放於每一鐵電層之間。舉例而言，鐵電層FE¹ 與FE² 由電極1321單獨，而鐵電層FE^n-1 與FEⁿ 由電極1328單獨。此等電極1320、1321……1328及1329由導熱且導電材料形成。器件1300之熱及電循環及操作類似於如在圖20及圖21中揭示之器件。然而，自器件的電能之提取不同。在此組態中，在該循環之放電步驟期間，自所有電極1320、1321……1328及1329抽取電能，如在圖22中所示。自電極1320、1321……1328及1329抽取之電能可接著經由連接導線輸送至負載電阻或至匯流排用於輸出至此外部電路及按需要之用途。

圖23示意性展示多層鐵電器件1400之一替代實施例。多層鐵電器件1400之此組態類似於如在圖22中揭示之器件，但每一鐵電層與鐵電材料之鄰近層相隔兩個電極，兩個電極又由電絕緣體1480分開，電絕緣體1480經選擇以最低限度地阻礙熱轉移。

在本發明之又一實施例中，在多級實施中，N個個別模組{FMn}(其中n為自1至N之整數)排成陣列，使得每一模組FMn包括特徵為轉變溫度Tcn之鐵電模組710，該模組710包含在熱腔室720內，如本文中結合(例如)圖3所描述。每一熱腔室720具有引向熱及冷儲集器之管道，該等管道含有如上所述之閥，使得在較高溫度及壓力與較低溫度及壓力之間循環熱腔室720中的蒸氣，藉此使模組710在其各別轉變溫度Tcn周圍熱循環。模組{FMn}由一系列不同相轉變溫度Tc1至TcN(其中Tcn+1>Tcn)表徵，且模組排成陣列，使得其相轉變溫度Tcn處於自最低Tc1(其中Tc1大於散熱片之溫度)至最高TcN(其中TcN小於熱源之溫度)之遞增序列中。使用本發明之兩相裝置及方法將每一鐵電級或模組FMn在其各別相轉變溫度Tcn周圍熱循環。在一實施例中，此藉由將第n級之冷儲集器760用作用於第(n-1)級之熱儲集器750來實現，用於第(n-1)級之熱儲集器750具有次低之轉變溫度Tcn-1。每一模組FMn經進一步循環，使得與如本文中描述之電循環一起執行此兩相熱循環。再生性加熱亦可用於各級中(如圖3中所說明)以及其他組態及方法中，該等技術將對熟習此項技術者顯而易見。可經由連接導線將自電極抽取之電能輸送至負載電阻或輸送至匯流排以用於導出至諸如可能需要之外部電路及用途。

在藉以將熱量轉化為電的本發明之又一實施例中，鐵電模組710位於熱儲集器750之蒸氣區域中(如圖9中示意性說明)，而非與熱及冷儲集器分開之熱腔室中(如圖3中)。作為通常按對於熱儲集器描述之方式及方法自熱源之熱量輸入的結果，熱儲集器處於高溫TH及高壓PH下。如圖9中所說明，管道740連接至熱儲集器750之頂部，且閥745在彼管道中。當閥745打開時，含有模組710的熱儲集器之蒸氣區域與冷儲集器760之蒸氣區域連通。冷儲集器760處於低溫TL及低壓PL下。如本文中所描述，將熱量自冷儲集器抽取至散熱片。在一實施例中，依據電腦化控制電路，模組710之熱循環與閥745之打開及關閉一起發生，其造成分別經由循環蒸發及冷凝在模組710之表面上的兩相熱轉移(如本文中所描述)。模組710之流動傳導使得其經歷全熱循環，而不實質上改變熱儲集器之溫度。當熱及電循環鐵電模組710時，自熱量產生電能，如本文中其他處所描述。所產生之電由導線711及712移除。熱再生亦可藉由(例如)至再生器(圖中未示)之導引管道740在其將流體返回至冷儲集器760前供此組態使用，以便在將彼流體再循環至熱儲集器內前將熱量轉移至工作流體。

在於圖10中示意性描繪的本發明之又一實施例中，圖9中描繪之裝置經修改以包括一系列N個模組{FMn}，其中n為範圍自1至N之整數，且該等模組成一系列位於熱儲集器750之蒸氣區段中。每一模組FMn含有具有轉變溫度Tcn之鐵電體。作為通常按對於熱儲集器描述之方式及方法自熱源之熱量輸入的結果，熱儲集器750處於高溫TH及高壓PH下。如同圖9中說明之實施例，此實施例之管道740中的閥745當打開時經由管道730將熱儲集器750之蒸氣區域連接至冷儲集器760之蒸氣區域。當閥745關閉時，腔室750中之蒸氣與冷儲集器760隔離。冷儲集器760處於低溫TL及低壓PL下。如本文中所描述，將熱量自冷儲集器抽取至散熱片。

隨著自FM1(最遠離冷儲集器760之模組)前進至FMN(最靠近閥745及冷儲集器760之模組)，熱儲集器750中之該堆疊模組具有逐漸減小之轉變溫度Tcn。在此實施例中之工作流體為具有不同沸點的流體之混合物。使用分餾之熟知原理及方法，在種類及相對量兩方面判定工作流體之成份，使得當閥745打開及關閉且在腔室750之頂部處的壓力藉此改變時，工作流體混合物交替地在一連串溫度Tcn周圍蒸發及冷凝。在Tcn周圍之交替冷凝及蒸發發生在該系列中具有轉變溫度Tcn之特定模組FMn之位置處。當在每一模組FMn之表面上的流體蒸發及冷凝時，分別交替地自其移除熱量及將熱量輸入至其內。當在裝置之對應層位處的流體混合物循環經歷冷凝及蒸發(作為閥745之打開及關閉之結果)時，該一連串模組FMn藉此在其各別轉變溫度周圍熱循環。為了達成鐵電發電，與熱循環一起針對每一模組FMn執行如本文中描述之電循環。如同其他實施例，熱及電循環由控制電路利用接收可尤其包括各種模組FM1至FMN之溫度、電容及極化及在各種位置處(例如，在腔室750、管道740、冷儲集器760及再生器中)的工作流體之溫度及壓力之資料的一或多個電腦控制。在可行之情況下，可使用重力輔助液體流替代泵來使液體自冷儲集器返回至熱儲集器。電導線711及712(經展示，但僅部分加以編號)附接至每一模組FMn之電極，且起到其他處所描述之功能。熱再生亦可供本發明之此實施使用。

在又一實施例中，如在圖11中示意性說明，鐵電模組{FMn}之多級系列含於與熱儲集器750及冷儲集器760分開之熱腔室720中。鐵電模組在此實施例中按一次序排成陣列，藉此其具有當自FM1進行至FMN(其中FM1為最靠近熱儲集器750之模組，且FMN為最靠近冷儲集器760之模組)時逐漸減小之轉變溫度Tcn。熱儲集器750含有處於高溫TH及高壓PH下之兩相蒸氣液體混合物，且低溫儲集器760含有處於低溫TL及低壓PL下之兩相蒸氣液體混合物。在此實施例中之工作流體為具有不同沸點的流體之混合物。使用分餾之熟知原理及方法，在種類及相對量兩方面判定工作流體之成份，使得當閥735打開且閥745關閉且當閥735關閉且閥745打開時，工作流體混合物交替地在一連串溫度Tcn周圍在腔室720中蒸發及冷凝。此循環冷凝及蒸發在腔室720中模組FMn所位於之層位處在溫度Tcn周圍發生，使得每一模組FMn經歷熱循環。藉由在利用如本文中描述之一或多個電腦及系統資料(包括在每一模組處之此資料)之控制電路下與本文中描述之電及熱循環方法一起循環閥735及745之打開及關閉，藉此藉由每一模組FMn在由該系列中之模組表示的Tcn之範圍上自熱量發電。亦可藉由本發明之此實施達成再生，例如，藉由在使流體返回至冷儲集器760前將管道740導引至再生器(圖中未示)。電導線711及712(經展示，但僅部分加以編號)附接至每一模組FMn之電極，且起到其他處所描述之功能。

在又一實施例中，鐵電模組{FMn}之多級系列含於與熱及冷儲集器分開之熱腔室中。該等鐵電模組按逐漸減小之轉變溫度Tcn排成陣列。在此實施例中之工作流體為具有不同沸點的流體之混合物，使得當藉由經由閥將熱腔室及模組{FMn}交替地連接至熱及冷儲集器而在TH及PH與TL及PL之間使流體循環時，該混合物交替地在一連串溫度Tcn周圍蒸發及冷凝。循環冷凝及蒸發在熱腔室中模組FMn所位於之層位處在溫度Tcn周圍發生，使得每一模組FMn經歷如本文中描述之循環。藉由與所描述之電及熱循環方法一起循環該等閥，藉此由每一模組FMn在由該系列中之模組{FMn}表示的Tcn之範圍上產生電。

總之，本發明尤其揭示用於對材料、器件及其他系統進行快速兩相熱循環之裝置及方法，及用於使用裝置及方法(詳言之)藉由使展現隨溫度改變的電極化之改變之一或多個鐵電或可極化非晶形聚合物循環而將熱量轉化為電。本發明亦可用於涉及電極化及磁化之快速熱循環的任一器件(諸如，用於發電、冷凍及熱量抽汲之電及磁性熱機)中。本發明之例示性實施例之前述描述已僅為了說明及描述之目的而呈現，且並不意欲為詳盡的或將本發明限制於揭示之精確形式。按照上述教示，可能作出許多修改及變化。選擇及描述該等實施例以便解釋本發明之原理及其實際應用，以便啟發其他熟習此項技術者利用本發明及各種實施例，及適合於設想之特定用途的各種修改。在不脫離本發明之精神及範疇的情況下，替代實施例將對熟習本發明所關於之技術者變得顯而易見。因此，本發明之範疇由隨附申請專利範圍而非本文中描述之前述描述及例示性實施例界定。

1．．．鐵電層/鐵電材料

2．．．表面處理

3．．．電極

10．．．可極化材料

20．．．可極化材料

30．．．電極

40．．．電極

50．．．電極

60．．．電極

70．．．分離器

100．．．單級鐵電轉化器件/裝置

110．．．鐵電層

112．．．第一表面

114．．．第二表面

122．．．電極

124．．．電極

132．．．儲集器或熱交換器

134．．．儲集器或熱交換器

140．．．熱量

152．．．電導線

154．．．電導線

210．．．鐵電體

212．．．第一表面

214．．．第二表面

215．．．晶疇

216．．．鐵電層體

217．．．偶極

500．．．鐵電模組

510．．．鐵電層

511．．．受縛電荷

512．．．鐵電層之表面

513．．．受縛電荷

514．．．鐵電層之表面

517．．．電偶極

521．．．屏蔽電荷

522．．．電極

523．．．屏蔽電荷

524．．．電極

600．．．熱量至電轉化器件

610．．．鐵電層

622．．．電極

624．．．電極

631．．．第一流體通道

632．．．熱交換器

633．．．第二流體通道

634．．．熱交換器

640．．．管道

642．．．熱源

644．．．散熱片

660．．．控制閥

710．．．模組

711．．．電導線

712．．．電導線

720．．．熱腔室

730．．．管道

735．．．閥

740．．．管道

745．．．閥

750．．．熱儲集器

760．．．冷儲集器

770．．．泵

775．．．管道

780．．．熱再生器

800．．．鐵電模組

810．．．鐵電層

822．．．電極

824．．．電極

830．．．DC電源供應器

900．．．用於操作用於將熱量轉化為電能的器件之方法

1000．．．裝置

1001．．．匯流排

1300．．．多層鐵電器件

1320．．．電極

1321．．．電極

1328．．．電極

1329．．．電極

1400．．．多層鐵電器件

1480．．．電絕緣體

7000．．．裝置

7100．．．裝置

7200．．．裝置

7400．．．裝置

7900．．．裝置．．．

8000．．．裝置

8100．．．裝置

FM1．．．鐵電模組

FM2．．．鐵電模組

FMn-1．．．鐵電模組

FMn．．．鐵電模組

FE¹ ．．．鐵電層

FE² ．．．鐵電層

FE^n-1 ．．．鐵電層

FEⁿ ．．．鐵電層

R1．．．電阻器

R2．．．電阻器

RL．．．負載電阻器

S1．．．開關

圖1為本發明的兩相熱轉移及熱循環裝置之基本組件之圖解說明。

圖2為類似於圖1，但其中包括一熱再生器之本發明的兩相熱轉移及熱循環裝置之基本組件之圖解說明。

圖3為類似於圖2之本發明的兩相熱轉移及熱循環裝置之基本組件之圖解說明。為此圖中的熱循環之物件之特定模組包括連接至外部電路之電導線。

圖4為包含一鐵電層、在鐵電層之每一側上的電極及在熱循環期間維持流體層之在電極上的多孔薄膜的鐵電器件之橫結面圖解說明。

圖5為在具有類似於圖1中描繪之元件之元件的裝置中藉由在打開與關閉狀況之間切換閥的壓力循環之量測結果。

圖6為展示在循環期間隨時間而變的溫度及壓力變化且展示溫度在具有極小時間延遲的情況下隨壓力變化之量測結果。

圖7說明對於兩種氟化介電工作流體之作為溫度之函數的平衡(飽和)蒸氣壓力。

圖8說明組態鐵電條之一方式。

圖9示意性說明根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件。

圖10示意性說明根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉化為電能之多級鐵電器件，其使用包括多成份之工作流體。

圖11示意性說明根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉化為電能之另一多級鐵電器件，其使用包括多成份之工作流體。

圖12為根據本發明之一實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件之橫截面示意圖，該鐵電器件利用在溫度循環中發生的自發極化之改變產生可在高電壓下移除至外部電路的電荷。

圖13示意性說明在鐵電體中的晶疇之對準，其中(a)說明未成極之隨機定向，其中每一晶疇由將在彼個別晶疇中類似地定向之大量電偶極組成；(b)說明偶極在同一總方向上定向之實質上成極之材料；且(c)說明一理想的、完全成極之鐵電體，其通常僅在係關於材料之原子及分子結構之特殊條件下獲得。

圖14示意性說明在鐵電結構/層之表面上之受縛電荷及當存在相當大的淨自發極化P _s (在不存在外場之情況下，其亦可表示為P _r )時在電極之鄰近表面上誘發之相反屏蔽電荷。

圖15示意性展示根據本發明之一實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件之橫截面圖。

圖16示意性展示如圖15中展示的鐵電器件之透視圖。

圖17示意性展示根據本發明之一實施例的用於與電阻性負載一起操作之鐵電發電機。

圖18為根據本發明之一實施例的用於將熱量轉化為電能之過程之流程圖。

圖19示意性展示根據本發明之一實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件。

圖20示意性展示根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件。

圖21示意性展示根據本發明之又一實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件。

圖22示意性展示根據本發明之一替代實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件。

圖23示意性展示根據本發明之另一實施例的用於將熱量轉化為電能之鐵電器件。

圖24示意性說明自24(a)鈣鈦礦晶體之順電立方狀態至24(b)四邊形組態之轉換，四邊形組態反映具有自單位晶胞之變形引起的移位離子之鐵電狀態，藉此使單位晶胞為電偶極，其與材料中之其他偶極彙總而引起自發極化P _s 。

圖25說明當在鐵電相中時在鈣鈦礦鈦酸鋇BaTiO₃ 之單位晶胞中發生且引起自發極化P _s 的離子位移之量值；

圖26為使用用於鈦酸鉛PbTiO₃ 之樣本的參數就溫度T及極化P而言之自由能泛函之曲線。G為吉布斯自由能。溫度按克耳文(Kelvin)量測；極化按C/m² 量測；且自由能G按J/m³ 量測。極化為全熱力變數，且其表示由G(T,P)描述之全極系。

圖27為鈦酸鉛PbTiO₃ 之樣本的自由能作為溫度之函數之曲線。極化恆定在P=0.4 C/m² 。

圖28為在各種電場值E下的極化之曲線。溫度按克耳文量測，且E場值單位為伏特每公尺。

圖29為鈦酸鉛PbTiO₃ 之樣本的熵值針對各種E場值作為溫度之函數之曲線。溫度按K量測，且熵值按J/m³ ‧K之單位量測。

圖30為針對各種溫度值之自由能作為極化之函數之曲線。疊加於曲線上的為可與本發明一起使用的一熱力循環之步階。極化為全熱力變數，且其表示由G(T,P)描述之全極系。

圖31為針對各種溫度值之自由能作為極化之函數之曲線。疊加於曲線上的為可與本發明一起使用的一熱力循環之步階。此循環提供藉由內部產生之成極場的成極。在循環之放電步驟BC期間，保留足夠的電荷以在下一個循環期間成極。P_L 之值由在針對該循環之局部自由能最大值下發生的P值判定。

圖32為鐵電體之熱力循環之說明，其中兩個步驟等溫且兩個步驟等極化。Q_L 及Q_H 指示分別在等溫步驟期間的熱量之移除及添加。

圖33說明針對在圖32中描繪之循環的作為溫度之函數之熵值。僅考慮極化對自由能之影響。忽視其他自由度，諸如，晶格熱及聚合物主鏈。

圖34展示在加熱階段期間的量測之電流產生，由自永久極化之改變產生，該等改變對應於具有50 μm厚度之P(VDF-TrFE)共聚物薄膜之不同替續器接通溫度。