CN104737458A - 无线电力传送系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电力传送系统，其包含：(a)在电子装置中的接收磁共振器，用于接收能够在所述接收磁共振器中感应电流的电磁能量；(b)与发电机耦合的至少一个发射磁共振器，用于发射电磁能量；和(c)散热装置，其中所述散热装置包含聚烯烃纤维。
Description
本发明涉及无线电力传送系统，其包含：(a)在电子装置中的至少一个接收磁共振器，用于接收能够在所述接收磁共振器中感应电流的电磁能量；(b)与发电机耦合的至少一个发射磁共振器，用于发射电磁能量；和(c)至少一个散热装置。
在过去的几十年里，无线电力传送系统已经变得无处不在，其用于对例如在商业、企业、个人、消费者和其他应用中使用的便携式或移动装置供电。这些装置的示例包括蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、笔记本计算机、移动电子邮件装置、黑莓装置、蓝牙耳机、助听器、音乐播放器(例如MP3播放器)、收音机、光盘播放器、视频游戏控制机、数码相机、步话机或其他通讯装置、GPS装置、便携式计算机、电动剃须刀和电动牙刷。用于给上文提到的装置供电或充电的无线电力传送系统典型地包含发射磁共振器，通常为绕组或线圈和以适当的操作频率驱动其的电子器件；和接收磁共振器，例如同样是绕组或线圈，在其中接收电力，然后整流以获得所要求的DC电压。如果这两种共振器在物理上彼此接近，则从发射器向接收器感应地(即通过感应)传送电力，而没有任何物理的电子连接。例如，文件US2012/0146545A1和WO2012/047550A1公开了由发射线圈组件和接收线圈组件制成的无线电力系统。这些线圈可以包含聚乙烯作为绝缘介质，这在本领域中是公知的。
然而，本领域中已知的无线电力传送系统的常见问题是，操作时发射磁共振器尤其会达到高的温度，这转而会对装置造成损害或者甚至变成健康危害。对于需要大电力传送的情况，温度升高通常更大。因此，设计用于高电力无线传送的装置变得愈发困难。
为了防止温度的升高，可以设置装置，以在较低功率下操作；然而，这会对其功能造成损害。
因此，本发明的目标可以是提供一种较少受上述缺点影响的无线电力传送系统。因此，本发明提供包含至少一个散热装置的无线电力传送系统，其中所述散热装置包含聚烯烃纤维。
据观察，本发明的系统可以在高功率下操作，而不会达到危险的高温。还观察到，本发明系统操作的功率可以提高到高于已知的无线电力传送系统的正常限制，并且/或者，本发明所述系统可以在正常水平功率或高水平功率下操作更长时间。
本发明系统包含至少一个散热装置，该装置是消散热量并且可以与发射磁共振器和/或与接收共振器接触(尤其热接触)的装置。优选地，一个散热装置可以与发射磁共振器和接收共振器同时热接触。更优选地，发射共振器与一个散热装置热接触，并且接收共振器与第二散热装置接触。本文中“散热装置”被理解为能够捕获并消散由所述共振器产生的热量的装置。本文中“热接触”被理解为热量能够在所述共振器和所述装置之间传送。因为最佳的热量传送可以通过导热介质来实现，因此所述装置不必与所述共振器物理接触，导热介质为例如可商购的导热胶或介质(诸如WO2008/043540所公开的介质，该文献通过引用并入本文)。尽管不太优选，但空气也可以被认为是导热介质。优选地，所述装置与所述共振器物理接触，更优选地所述装置通过导热介质与所述共振器热接触，优选地通过包含含有导热填料的塑性组合物的介质与所述共振器热接触。塑性组合物的合适例子公开于WO 2008/043540中。据观察，按照本发明使用的散热装置也具有良好的电绝缘性质。
本发明还涉及至少一个包含聚烯烃纤维的散热装置，其中聚烯烃纤维是超高分子量聚烯烃(UHMWPO)纤维、优选地聚乙烯纤维、更优选地高分子量聚乙烯(HMWPE)纤维或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。超高分子量聚烯烃可以是聚烯烃，例如聚乙烯或聚丙烯，或者乙烯和/或丙烯的共聚物，其具有20000至8000000g/mol、优选地500000至2000000g/mol的重均分子量。
优选地，所述散热装置包含含有多个聚烯烃纤维的体件。
所述体件可以具有本领域中已知的任何形状。所述体件的形状的合适例子包括圆形，例如圆或椭圆；和非圆形，例如矩形；杯形和锥形，以使与发射器和接收器相关的装置可以以一个在另一个的内部放置和/或在一个所述体件中以这些形状的混合放置。体件可以例如为平的、圆形或非圆形体件，例如板。优选地，所述体件是板。所述体件也可以具有任意尺寸，例如任意长度、宽度、厚度。体件的尺寸通常可以取决于无线电力传送系统的尺寸和要传送的电力。例如，体件的尺寸可以比最大的共振器的尺寸大至多10倍。体件尺寸的合适的实际例子包括1mm至25m、优选地5mm至20m、更优选地10mm至15m、甚至更优选地50mm至5m和100mm至1m和50mm至0.5m范围内的长度和宽度。对于圆形来说，长度和宽度也可以分别是纵向和横向直径。厚度可以例如为0.1mm至20mm、更优选地0.5mm至10mm、更优选地0.5至5mm。优选地，长度和宽度是相同。体件可以包含可用于使体件内部的所述纤维稳定的基质或粘结剂材料，例如用于防止纤维移动并对体件提供可操作性。在一个优选的实施方式中，所述体件不包含粘结剂和/或基质材料。这种基质和粘结剂材料对本领域技术人员来说是已知的。所述体件可以是柔性体件或刚性体件，最优选的是刚性体件；并且所述体件可以具有二维(2D)或三维(3D)形状。本文中“刚性体件”被理解为弯曲强度至少10MPa、更优选地至少20MPa、最优选地至少40MPa的体件。在一个优选的实施方式中，刚性体件的弯曲模量为至少5GPa、更优选地至少20GPa、最优选地至少40GPa。弯曲强度和模量可以根据ASTM D790-07来测量；为了适应各种体件厚度，根据ASTM D790-07的第7.3段通过采用制品厚度两倍的加载刀尖半径和支持刀尖半径(aloading and a support nose radius)以及32的跨高比来进行测量。在存在或不存在基质材料的情况下，通过在压力和温度下压缩多个纤维来获得刚性体件。这种压缩工艺在本领域中是公知的。适用于制备体件的另一个方法是树脂传递模塑工艺(RTM)。RTM工艺在复合材料工业中是一种公知的方法，并且其也被称为真空注射。在该工艺中，通常通过织物的纤维叠层注射液体树脂，然后进行使液体树脂凝固的固化过程。
可包含于根据本发明的体件中的聚烯烃纤维可以以随机的顺序排列，例如形成毛毡，或者它们可以被排列在包含纤维的层中，其中多个层形成所述板。本文中，包含含有纤维的多个层的体件简称为多层体件。
优选地，根据本发明的体件是多层体件。更优选地，体件是多层板。单个层优选地包含含有聚烯烃纤维的织物，其中所述织物可以是纺织或无纺织物。无纺织物的实例包括毛毡、编织物和单向织物，即其中纤维以基本上平行的方式排列的公知织物。
多种热固性或热塑性材料可以被用作基质或粘结剂。合适的热固性和热塑性聚合物基质材料被列举于例如WO 91/12136A1(第15-21页)中，该文献通过引用并入本文。在热固性聚合物的组中，优选的是乙烯基酯、不饱和聚酯、环氧化物或酚醛树脂。在热塑性聚合物的组中，优选的是聚氨酯类、聚乙烯类、聚丙烯酸类、聚烯烃或热塑性弹性体嵌段共聚物(例如聚异丙烯-聚乙烯-丁烯-聚苯乙烯或聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯嵌段共聚物)。
本文中“纤维”被理解为长度比其横向尺寸(例如直径、宽度和/或厚度)大得多的至少一个细长体。术语“纤维”还包括各种实施方式，例如长丝(filament)、丝带、条、宽带、带、膜等。纤维还可以具有规则的横截面，例如椭圆形、圆环形、长方形、正方形、平行四边形；或不规则的横截面，例如叶状、C-形、U-形。纤维可以具有连续的长度(在本领域中也称为长丝)或者不连续的长度(在本领域中称为短切纤维(staple fiber))。短切纤维通常可以通过切割或拉伸断裂长丝来获得。出于本发明的目的，纱线是含有多个纤维的细长体。
优选地，根据本发明的散热装置包含多个超高分子量聚烯烃纤维。
在本发明的一个特殊的实施方式中，聚烯烃纤维是聚烯烃带，即纤维具有带状形状。优选但不必须的是，按照本发明所使用的带是非纤维带，即采用与包括生产纤维的步骤和使用(例如熔融)纤维制备带的步骤的工艺不同的工艺获得的带。出于本发明的目的，合适的带可以是具有优选地至少5∶1、更优选地至少20∶1、甚至更优选地至少100∶1和甚至还更优选地至少1000∶1的横截面纵横比(即宽度与厚度的比)的带。带的宽度优选地为1mm至600mm、更优选地10mm至400mm、甚至更优选地30mm至300mm、还甚至更优选地50mm至200mm和最优选地70mm至150mm。带优选地具有1μm至200μm、更优选地5μm至100μm的厚度。在一个优选的实施方式中，带是通过固态方法生产的，即包括如下步骤的方法：压缩聚烯烃粉末以形成带状形状的前体制品，并滚压和/或拉延(拉伸)所述制品以形成带，例如在EP1627719中所公开的，该文献通过引用并入本文。这种固态方法是本领域中公知的。
当聚烯烃纤维是超高分子量聚烯烃(UHMWPO)纤维时，可以获得良好的结果。当聚烯烃纤维是聚乙烯纤维、更优选地高分子量聚乙烯(HMWPE)纤维或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维时，可以获得甚至更好的结果。聚乙烯纤维可以通过本领域中已知的任何技术来制造，优选地通过熔融或凝胶纺丝工艺。最优选的是，聚烯烃纤维是凝胶纺丝的UHMWPE纤维，例如DSM Dyneema，NL在名称下售卖的纤维。如果使用熔融纺丝工艺，则制造其的聚乙烯原料优选地具有20000至600000g/mol、更优选地60000至200000g/mol的重均分子量。熔融纺丝工艺的一个例子公开于EP1350868中，该文献通过引用包含于本文中。如果使用凝胶纺丝工艺来制造所述纤维的话，优选地，使用为特性粘度(IV)至少3dl/g、更优选地至少4dl/g、最优选地至少5dl/g的UHMWPE。优选地，IV为至多40dl/g、更优选地至多25dl/g、更优选地至多15dl/g。聚烯烃的IV以及具体地聚乙烯的IV是根据ASTM D1601在135℃下在十氢化萘中来进行测定的，溶解时间为16小时，以2g/l溶液的量使用DBPC作为抗氧化剂，通过将在不同浓度下所测得的粘度外推至零浓度来确定。优选地，UHMWPE具有每100个C原子小于1个侧链、更优选地每300个C原子小于1个侧链。聚乙烯或UHMWPE样品中的侧链是通过FTIR在2mm厚压缩模制的膜上使用基于NMR测量的校准曲线通过对在1375cm-1处的吸收定量来测定的(如在例如EP 0 269 151中)。优选地，根据凝胶纺丝工艺制造UHMWPE纤维，凝胶纺丝工艺在大量出版物中描述，包括EP 0205960A、EP 0213208A1、US4413110、GB 2042414A、GB-A-2051667、EP 0200547B1、EP 0472114B1、WO 01/73173Al、EP 1,699,954和“Advanced Fibre SpinningTechnology”，Ed.T.Nakajima，Woodhead Publ.Ltd(1994)，ISBN 185573 1827中。为了生产带状形状的纤维，可以通过使用具有狭缝而非纺丝孔的纺丝染料来对上面引述的工艺进行常规的修改。
在一个优选的实施方式中，本发明的无线电力传送系统是无线充电系统、无线电源插座和插头、无线连接器或用于无线电力发射器和接收器的发电装置，更优选地是无线充电系统。因此，本发明还涉及一种装置，其包含所述无线充电系统、无线电源插座、无线电源插头、无线连接器或用于无线电力发射器和接收器的发电装置。
本发明还涉及包含根据本发明的无线电力传送系统的产品，其中该产品选自包括如下的产品组：蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、笔记本计算机、移动电子邮件装置、蓝牙(BluetoothTM)耳机、助听器、音乐播放器(例如MP3播放器)、收音机、光盘播放器、视频游戏控制机、数码相机、步话机或其他通讯装置、GPS装置、便携式计算机、电动车辆(例如汽车和大客车)、电动剃须刀和电动牙刷。对于必须发射大电力的情况或者期望轻重量或小尺寸的情况，本发明是尤其优选的。优选地，本发明应用于电力传送超过100瓦特、更优选地超过500瓦特和甚至更优选地当电力传送超过3000瓦特时的装置。
本发明还涉及聚烯烃纤维用于散热的用途，其中聚烯烃纤维是超高分子量聚烯烃(UHMWPO)纤维、优选地聚乙烯纤维、更优选地高分子量聚乙烯(HMWPE)纤维或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。
应注意的是，本发明涉及权利要求书中所引述的特征的所有可能的组合。说明书中所描述的特征可以进一步组合。
还应注意的是，术语“包含”、“包括”不排除其他要素的存在。然而，也应理解的是，对包含某些组分的产品的描述也公开了由这些组分组成的产品。同样地，也应理解的是，对包含某些步骤的方法的描述也公开了由这些步骤组成的方法。
本发明将由如下实施例进一步阐明，但不限于此。
实施例
从可商购的无线充电装置(PMM-HO100)移除前面原始的覆盖物，以使电力发射线圈及其磁铁暴露出来。然后，如下文所述，用各种种类的塑性材料制得的不同的覆盖物替换该原始的覆盖物。该替换覆盖物的尺寸为100mm x100mm x1mm(长x宽x厚)。
使用如下的塑性材料来制备塑性覆盖物：
-丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)；
-聚碳酸酯(PC)；
-100重量％超高分子量聚乙烯带，被称为来自DSM Dyneema的BT10；
-混杂织物，其由来自DSM被称为SK75的超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维组成。织物包含SK75纤维和碳纤维的体积比为1∶2的共混物。
用于制备覆盖物的材料均是可商购的。
由ABS和PC制成的覆盖物也是可商购的。这种覆盖物通常是通过比聚合物(ABS或PC)的熔融温度高大约20℃的温度下注射模塑制备的。
包含100重量％Dyneema的覆盖物是通过在140℃的温度下和100bar压强下压缩模塑BT10带材料30分钟来制备的。
由ABS和PC制成的覆盖物也可以从可商购的片材切割得到。这种覆盖物通常是通过在比聚合物(ABS或PC)的熔融温度高大约20℃的温度下注射模塑制备的。
包含100重量％Dyneema的覆盖物是通过在140℃的温度下和100bar压强下压缩模塑BT10带交叉层片(cross ply)材料30分钟来制备的。
包含SK75纤维/碳纤维(1∶2)混杂复合织物的覆盖物是通过采用树脂传递模塑工艺制备的。在室温下用液态树脂浸渍混杂织物(SK75纤维/碳纤维(1∶2))的叠层，同时使用真空技术小心地使空气气泡(空隙)的存在最小。使叠层在两个聚酰胺膜之间交错，从而在树脂注射时避免树脂溢出并维持所应用的真空。之后，将叠层在2bar的压强下压制，并将温度升高至100℃，直到树脂完全被凝固。固化后从压机中移除样品。移除聚酰胺覆盖物膜，从而显露出混杂的复合物试样，将其切割成尺寸(100mm x100mm x1mm)。
将直流(DC)电源与线圈连接。使用连接到在线圈中心正上方的板上侧的热图像照相机和热电偶，来记录在板顶部上的温度。经证实，热电偶和照相机所记录的温度是相同的。使用5A的DC电流在6.25W的耗散功率下驱动线圈。
打开电源后，线圈开始发射电力穿过塑性覆盖物。根据所使用的材料的散热容量，塑性覆盖物开始变热。热图像照相机和热电偶记录塑性覆盖物的温度随时间的升高。10分钟后停止实验。
表1中的结果清楚地表明，与其他材料相比，包含UHMWPE的覆盖物材料随时间的散热容量较高。
表1
Claims (15)
1.无线电力传送系统，其包含：
a.在电子装置中的至少一个接收磁共振器，用于接收能够在所述接收磁共振器中感应电流的电磁能量；
b.与发电机耦合的至少一个发射磁共振器，用于发射所述电磁能量；和
c.至少一个散热装置，
其中所述散热装置包含聚烯烃纤维。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述聚烯烃纤维是聚烯烃带。
3.根据前面权利要求中任意一项所述的系统，其中所述聚烯烃纤维是超高分子量聚烯烃(UHMWPO)纤维。
4.根据前面权利要求中任意一项所述的系统，其中所述聚烯烃纤维是聚乙烯纤维、更优选地高分子量聚乙烯(HMWPE)纤维或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。
5.根据前面权利要求中任意一项所述的系统，其中所述散热装置包含含有多个聚烯烃纤维的体件。
6.根据前面权利要求中任意一项所述的系统，其中所述体件包含用于使所述纤维稳定的基质和/或粘结剂材料。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的系统，其中所述体件不包含粘结剂和/或基质材料。
8.根据前面权利要求中任意一项所述的系统，其中所述体件是柔性体件或刚性体件。
9.根据权利要求5至8中任意一项所述的系统，其中所述体件是板。
10.根据前面权利要求中任意一项所述的系统，其中所述体件具有至少10MPa的弯曲强度，弯曲强度根据ASTM D790-07来测量。
11.根据前面权利要求5至9中任意一项所述的系统，其中所述体件具有至少5GPa的弯曲模量，弯曲模量根据ASTM D790-07来测量。
12.根据前面权利要求中任意一项所述的系统，其中所述系统是无线充电系统、无线电源插座、无线电源插头、无线连接器、用于无线电力发射器和接收器的发电装置。
13.包含根据前面权利要求中任意一项所述的系统的产品，其中所述产品选自包括如下的产品组：蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、笔记本计算机、移动电子邮件装置、BluetoothTM耳机、助听器、音乐播放器、收音机、光盘播放器、视频游戏控制机、数码相机、步话机、GPS装置、便携式计算机、电动车辆、电动剃须刀和电动牙刷。
14.包含聚烯烃纤维的散热装置，其中所述聚烯烃纤维是超高分子量聚烯烃(UHMWPO)纤维、优选地聚乙烯纤维、更优选地高分子量聚乙烯(HMWPE)纤维或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。
15.聚烯烃纤维用于散热的用途，其中所述聚烯烃纤维是超高分子量聚烯烃(UHMWPO)纤维、优选地聚乙烯纤维、更优选地高分子量聚乙烯(HMWPE)纤维或超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维。
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