使用高電卡效應(yīng)和高彈性模量聚合物復(fù)合材料的制冷裝置的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求申請(qǐng)日為2014年9月18日申請(qǐng)?zhí)枮?2/052,205的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先 權(quán),并將其整體納入本文作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請(qǐng)披露了使用電卡化C)聚合物復(fù)合材料的制冷裝置。特別的,本申請(qǐng)?jiān)O(shè)及通 過(guò)形成復(fù)合物來(lái)提高EC聚合物的機(jī)械性能及減少由于形成復(fù)合物而導(dǎo)致的EC聚合物蠕變 的方法,其復(fù)合物包括具有絕緣纖維的EC含氣聚合物。
【背景技術(shù)】
[0004] 電卡效應(yīng)提供一種實(shí)現(xiàn)高效率并且對(duì)環(huán)境友好的制冷技術(shù)的引人注目的方式,特 別是當(dāng)EC效應(yīng)大時(shí)。電卡效應(yīng)化CE)是絕緣電介質(zhì)材料的熱性能(如賭和溫度)與電性能(如 電場(chǎng)和極化)之間直接禪合的結(jié)果,其中,外加電場(chǎng)的改變誘導(dǎo)極化的相應(yīng)改變,運(yùn)又導(dǎo)致 在電介質(zhì)材料中由等溫賭變AS測(cè)量的偶極賭的改變(賭變?cè)O(shè)及熱量Q = TAS,其中T是溫 度)。如果電場(chǎng)的變化是在一個(gè)絕熱條件下,那么電介質(zhì)將會(huì)經(jīng)歷一個(gè)絕熱溫度變化AT。然 而,過(guò)去報(bào)道的在臨近室溫時(shí)具有較小的電卡效應(yīng)(A Τ<2Κ)的材料應(yīng)用在制冷設(shè)備上是 不切實(shí)際的。最近,在一種極性電介質(zhì)聚合物中,一個(gè)巨電卡效應(yīng)化CE)(例如,在低于 140MV/md或更低的電場(chǎng)下ΔΤ〉10Κ)能夠被獲得(Neese等,在臨近室溫時(shí)鐵電聚合物的大電 卡效應(yīng),科學(xué)雜志,^,2,8-823(2008);魯?shù)?,具有巨大電卡效?yīng)的有機(jī)弛豫鐵電體和無(wú)機(jī) 鐵電體,Appl.I%ys丄ett.鳴,162904(2010);李等,在弛豫鐵電體P(VDF-TrFE-C陽(yáng))Ξ元聚 合物中電卡效應(yīng)的可調(diào)溫度特性,Appl. Phys丄ett. 99,052907(2011))。
[0005] 電卡聚合物作為用于制冷裝置及熱累的固態(tài)制冷劑。在運(yùn)樣的裝置中,EC聚合物 可被為多層模塊,被稱為EC模塊。然而,制冷裝置或熱累的一般操作特征是E對(duì)莫塊的全部將 承受應(yīng)力,各部位所承受的所述的應(yīng)力可能是不相同的。運(yùn)個(gè)應(yīng)力能導(dǎo)致EC聚合物模塊的 變形(在不同位置EC聚合物模塊改變形狀)和蠕變(甚至在撤除應(yīng)力之后,遲緩的形變會(huì)成 為永久的形變),運(yùn)變形會(huì)降低制冷裝置的性能,并且能夠?qū)е翬C聚合物模塊的永久損傷或 者甚至失效。因此,有必要降低EC制冷裝置中E對(duì)莫塊的變形及蠕變。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于公開(kāi)了一種制冷裝置,例如空氣調(diào)節(jié)、制冷和熱累,所述制冷裝 置包含EC含氣聚合物復(fù)合材料。所述EC含氣聚合物復(fù)合材料可W包括具有絕緣纖維的EC含 氣聚合物。優(yōu)選地,絕緣纖維能夠提高EC含氣聚合物復(fù)合材料的彈性性能(例如,彈性模量 和拉伸強(qiáng)度),并且減少EC含氣聚合物的蠕變,但不影響聚合物的電卡效應(yīng)。
[0007] 本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)通過(guò)一個(gè)制冷裝置被實(shí)現(xiàn)。所述制冷裝置包含一包括電卡化C) 含氣聚合物復(fù)合材料的制冷劑。優(yōu)選地,所述EC含氣聚合物復(fù)合材料具有一高于0.5G化的 彈性模量。運(yùn)樣的制冷裝置通過(guò)使用EC含氣聚合物復(fù)合材料能夠從冷端(低溫巧Ij熱端(高 溫)傳遞熱量,反之亦然。所述制冷裝置進(jìn)一步包括一電場(chǎng)或電壓發(fā)生器,所述發(fā)生器向所 述EC含氣聚合物復(fù)合材料施加一周期性的電場(chǎng)或電壓W通過(guò)電卡效應(yīng)誘導(dǎo)一周期性的溫 度變化(例如,增加和減少)。
[0008] 本發(fā)明的實(shí)施例包括下述的單獨(dú)的一個(gè)或多個(gè)特征的或各個(gè)特征的結(jié)合。例如, 所述EC含氣聚合物復(fù)合材料可W具有一沿著一個(gè)方向在溫度從-10°C到50°C的范圍內(nèi)比 0.5G化高的彈性模量。在一個(gè)實(shí)施例中,所述EC含氣聚合物復(fù)合材料可W具有一電場(chǎng)誘導(dǎo) 溫度變化,在絕熱條件下,例如,在不高于lOOMV/m的電場(chǎng)下,高于6°C的變化(施加電場(chǎng)時(shí)加 熱6°C和撤除電場(chǎng)時(shí)冷卻6°C)。在另一實(shí)施例中,所述EC含氣聚合物復(fù)合材料對(duì)于EC含氣聚 合物復(fù)合材料薄膜具有一高于200MV/m的介質(zhì)擊穿場(chǎng)。在進(jìn)一步的實(shí)施例中,此外,所述EC 含氣聚合物復(fù)合材料可W包括EC陶瓷,和高熱導(dǎo)率(〉50W/mK)納米-纖維/板/管。
[0009] 所述EC含氣聚合物可W具有在室溫下高于10的介電常數(shù),例如,高于15。在某一實(shí) 施例中,所述EC含氣聚合物復(fù)合材料可W包括EC含氣聚合物的混合,例如,EC含氣聚合物在 室溫下有高于10的介電常數(shù)。
[0010] 在另一實(shí)施例中,所述EC含氣聚合物復(fù)合材料包含表現(xiàn)出明顯ECE的EC含氣聚合 物。用于EC含氣聚合物復(fù)合材料的EC含氣聚合物的例子包括一個(gè)或多個(gè)Ξ元含氣聚合物 (terfluoropolymerS)、共聚含氣聚合物(cof luoropo lymerS)及彼此之間的混合。所述Ξ元 含氣聚合物可W有如下化學(xué)式:P(V肌-χ-y-RVR2y),其中VDF是偏二氣乙締 (vinylidene fluoride),r1 可 ^是^氣乙締(trifluoroethylene,TrFE)和 / 或四氣乙締 (tetraf luoroethyleneJFE),及R2可 W是氯氣乙締 (chlorof luo;roethylene,C陽(yáng))、氯Ξ氣 乙締 (rotrif luoroethylene,CT陽(yáng))、一氯二氣乙締(;油1〇1'〇山;1^luo;roeth5dene,CD陽(yáng))、六氣 丙締化exaf luoropropylene,HFP)、六氣乙締化exaf luoroethylene,HFE)、偏二氯乙締 (vinylidene chlo;ride,VDC)、氯乙締(vin}d fluo;ride,VF)、町?及其組合,其中X的范圍是 0.25~0.49,y的范圍是0.03~0.2。所述EC含氣聚合物包括但不限于純的Ξ元聚合物,例如 P(VDFi-x-廣TrFEx-CFEy),P(VDFi-x-廣TrFEx-CTFEy),P(VDFi-x-y-TFEx-CTFEy),和P(VDFi-x-廣 TFEx-CFEy)的Ξ元聚合物。所述共聚物可 W從包含P(VDFi-z-CTFEz),P(VDFi-z-TFEz),P (VDFi-z-TrFEz)(其中,z的范圍是0<z^0.49)及其混合的群組中選擇。所述EC含氣聚合物 復(fù)合材料也可W包括具有共聚含氣聚合物的Ξ元含氣聚合物的混合,例如P(VDFi-z-R3z)與P (VFi-z-R3z )(其中Z的范圍是0<z^0.49)的共聚物,r3是TrFE,TFE,CT陽(yáng),HFP,CFE及其混合 物。
[0011] 所述絕緣纖維可W是無(wú)機(jī)的或有機(jī)的,并且可W有一高于20GPa的彈性模量和高 于100的縱橫比(長(zhǎng)度/直徑)。在某一實(shí)施例中,例如,所述絕緣纖維是玻璃纖維、氧化侶纖 維、氮化棚(BN)、聚乙締高取向纖維(PE)及凱芙拉纖維中的任意一種。本發(fā)明纖維包括具有 高縱橫比(長(zhǎng)度/直徑>100)的微米級(jí)尺寸的纖維(直徑是微米級(jí)的)。在另一實(shí)施例中,所 述絕緣纖維可W有大于0.2微米的直徑,且彼此基本上取向排列近一致。所述對(duì)齊有利于沿 纖維長(zhǎng)度方向和復(fù)合材料薄膜表面方向增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量。
[0012] 在本發(fā)明附加的實(shí)施例中公開(kāi),所述復(fù)合材料由(1)一種或多種EC含氣聚合物、 (2)-種或多種EC陶瓷納米粒子和(3)或絕緣纖維組成。例如,纖維具有高彈性模量且電絕 緣。在某一實(shí)施例中,所述包括絕緣纖維于具有EC陶瓷納米粒子的EC聚合物形成的聚合物 基體,可增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械性能。
[OOU]有益的纖維包括具有高彈性模量(>20GPa)的無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維和Al2〇3纖維,氮化 棚(BN),聚乙締高取向纖維(PE),玻璃纖維和凱芙拉纖維。
[0014] 從W下的細(xì)節(jié)描述本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易明白本發(fā)明其余的優(yōu)點(diǎn),即本領(lǐng)域技 術(shù)人員通過(guò)本發(fā)明所展示和描述的優(yōu)選實(shí)施例,就可W簡(jiǎn)單的通過(guò)舉例說(shuō)明來(lái)實(shí)施本發(fā) 明。應(yīng)當(dāng)理解的是,本發(fā)明還有其他不同的實(shí)施例,本發(fā)明的若干細(xì)節(jié)可W在各方面修改W 重新定義,W上均為未脫離本發(fā)明所保護(hù)的范圍。相應(yīng)地,本發(fā)明的附圖和描述文字應(yīng)當(dāng)被 認(rèn)為是說(shuō)明性的,而不是限制性的。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 參考附圖中,具有相同參考數(shù)字標(biāo)號(hào)的元件在整個(gè)文件中指的是相同元件。應(yīng)當(dāng) 理解為W下附圖所表示的僅僅是用于解釋本文所公開(kāi)的幾個(gè)具體實(shí)施例,而不應(yīng)該理解為 限制其范圍,其中:
[0016] 圖1(a)和圖1(b)說(shuō)明一 EC聚合物模塊和裝配。圖1(a)顯示具有多層EC聚合物結(jié)構(gòu) 的EC聚合物模塊;圖1(b)顯示在裝配中具有換熱流體通道的平行設(shè)置的所述EC聚