CN108369040B - 具有导电液体的电热热传递系统 - Google Patents

Abstract

一种热传递系统包括包含电热膜（12）的电热元件。第一电导体设置在所述电热膜的第一侧上，且第二电导体设置在所述电热膜的第二侧上。所述第一电导体和第二电导体中的至少一个为导电液体。电源（20）与所述第一电导体和第二电导体电接触，并且被配置成提供横跨所述电热膜的电场。液体流动路径（28）沿所述多个电热元件设置，以用于导电液体。

Description

具有导电液体的电热热传递系统

技术领域

本发明涉及一种具有导电液体的电热热传递系统。

背景技术

存在多种用于冷却应用的技术，包括但不限于蒸发冷却、对流冷却或诸如电热冷却的固态冷却。用于住宅和商业制冷以及空调的最为普遍的技术中的一种是蒸汽压缩制冷剂热传递回路。这些回路通常使具有适当热力学性质的制冷剂通过包括压缩机、排热换热器（即换热器冷凝器）、膨胀装置和吸热换热器（即换热器蒸发器）的回路进行循环。蒸汽压缩制冷剂回路在各种设置中有效地提供冷却和制冷，并且在一些情况下可以作为热力泵反向运行。然而，许多制冷剂可能存在诸如臭氧消耗潜势(ODP)或全球变暖潜势(GWP)的环境危害，或者可能是有毒或易燃的。另外，在缺乏足以驱动制冷剂回路中的机械压缩机的现成动力源的环境中，蒸汽压缩制冷剂回路可能是不切实际的或不利的。例如，在电动车辆中，空调压缩机的动力需求可能会导致车辆电池寿命或行驶范围显著缩短。类似地，压缩机的重量和供电要求在各种便携式冷却应用中也可能成为问题。

因此，开发作为蒸汽压缩制冷剂回路的替代方案的冷却技术已经受到关注。已经提出了诸如依靠例如电热材料、磁热材料或热电材料等材料的场激活热或电流响应热传递系统的各种技术。然而，很多提议已经被配置为可扩展性或批量生产能力有限的小规模示范。

发明内容

根据本公开的一些实施方案，一种热传递系统包括包含电热膜的电热元件。第一电导体设置在电热膜的第一侧上，且第二电导体设置在电热膜的第二侧上。第一电导体和第二电导体中的至少一个包括导电液体。电源与第一电导体和第二电导体电接触，并且被配置成提供横跨电热膜的电场。液体流动路径沿多个电热元件设置，以用于导电液体。

在任一前述实施方案中，热传递系统包括多个所述电热元件。

在任一前述实施方案中，电热元件以堆垛（stack）配置设置。

在任一前述实施方案中，热传递系统还包括用于与多个电热元件液体连通的导电液体的歧管。

在任一前述实施方案中，热传递系统还包括与导电液体液体连通的一个或多个换热器。

在任一前述实施方案中，一个或多个换热器包括非导电导管或具有非导电层的导电导管。

在任一前述实施方案中，第一电导体包括第一导电液体，且第二电导体包括第二导电液体。

在任一前述实施方案中，第一电导体包括导电液体，且第二电导体包括导电膜电极。

在任一前述实施方案中，导电膜电极被配置为火线（live）电极，且导电液体被配置为接地电极。

在任一前述实施方案中，导电膜电极嵌入在相邻电热元件之间。

在任一前述实施方案中，导电膜电极设置在设置于电热元件堆垛的最外面的电热膜的一侧上。

在任一前述实施方案中，导电膜电极具有波纹配置。

在任一前述实施方案中，导电膜电极被配置为火线电极，且导电液体被配置为接地电极。

在任一前述实施方案中，导电膜电极被配置为接地电极，且导电液体被配置为火线电极。

在任一前述实施方案中，热传递系统包括嵌入在相邻电热元件之间的导电金属膜电极。

在任一前述实施方案中，热传递系统还包括位于设置在电热元件堆垛最外面的电热膜的一侧上的导电金属膜电极。

在任一前述实施方案中，多个电热元件以相邻电热元件之间交替的极性顺序布置。

在任一前述实施方案中，热传递系统还包括包含电阻或电导传感器的导电液体泄漏检测器。

在任一前述实施方案中，导电液体包括离子液体。

在任一前述实施方案中，导电液体包括电解质水溶液。

在任一前述实施方案中，电热膜包括电热聚合物、液晶聚合物（LCP）、电热陶瓷或电热聚合物/陶瓷复合材料。

在任一前述实施方案中，电热元件还包括电热膜和导电液体之间的阻挡层。

在任一前述实施方案中，相邻电热元件之间的物理分隔为1μm至100mm。

在任一前述实施方案中，电热元件具有1μm至100μm的厚度。

在任一前述实施方案中，热传递系统还包括处于导电液体和散热器之间的第一热流动路径；处于导电液体和热源之间的第二热流动路径；以及控制器，其被配置成控制到电极的电流，并且选择性地引导热能沿第一热流动路径从与电热元件热连通的导电液体传递到散热器，或者沿第二热流动路径从热源传递到与电热元件热连通的导电液体。

在本公开的一些实施方案中，一种操作任一前述实施方案的热传递系统的方法包括向第一电导体和第二电导体施加电场，并且使导电液体或电解液在沿多个电热元件的液体流动路径与热源或散热器之间流动。

附图说明

在说明书所附权利要求书中特别指出并明确要求保护本公开的主题。本公开的前述和其它特征以及优点从结合附图进行的以下详细描述中显而易见，在附图中：

图1是包括呈堆垛布置具有不同极性的两个液体电极的电热元件的热传递系统的示例性实施方案的示意图；

图2是包括呈堆垛布置具有公共液体电极的电热元件的热传递系统的替代示例性实施方案的示意图；

图3是电极和电热膜配置的示例性实施方案的示意图；并且

图4是包括电热堆垛和其它部件的热传递系统的示例性实施方案的示意图。

具体实施方式

现参照附图，图1示意性地描绘了热传递系统10，其包括以堆垛11进行布置的电热元件的横截面图。每一个电热元件的核心是电热膜12。在一些实施方案中，电热膜厚度可以处于从具有0.1μm、更具体地0.5μm且甚至更具体地1μm的下限起的范围内。在一些实施方案中，膜厚度范围可以并且具有1000μm、更具体地100μm、且甚至更具体地10μm的上限。应当该理解的是，这些范围上限和下限可以独立地组合以公开许多不同的可能范围。用于电热膜的电热材料的示例可以包括但不限于无机材料（例如陶瓷）、电热聚合物和聚合物/陶瓷复合材料。无机物的示例包括但不限于PbTiO₃（“PT”）、Pb（Mg_1/3Nb_2/3）O₃（“PMN”）、PMN-PT、LiTaO₃、钛酸锶钡（BST）或PZT（铅、锆、钛、氧）。电热聚合物的示例包括但不限于铁电聚合物、液晶聚合物和液晶弹性体。

铁电聚合物是结晶聚合物或具有高结晶度的聚合物，其中聚合物的结晶排列链接成薄片和/或可以通过施加电场来改变球晶结构。这种特性可以通过整合到聚合物主链中的极性结构，或者以相对于主链的固定取向而附加到聚合物主链上的极性结构来提供。铁电聚合物的示例包括聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚三亚乙基氟化物、奇数尼龙、含有衍生自偏二氟乙烯的重复单元的共聚物和含有衍生自三亚乙基氟化物的重复单元的共聚物。已就聚偏二氟乙烯和含有衍生自偏二氟乙烯的重复单元的共聚物的铁电和电热性质进行了广泛研究。含偏二氟乙烯的共聚物的示例包括与甲基丙烯酸甲酯的共聚物以及与一种或多种卤代共聚单体的共聚物，该卤代共聚单体包括但不限于三氟乙烯、四氟乙烯、三氟氯乙烯、三氯乙烯、偏二氯乙烯、氯乙烯和其它卤代不饱和单体。

液晶聚合物或聚合物液晶包括含有介晶基团的聚合物分子。介晶分子结构是众所周知的，且通常被描述为杆状或盘状分子结构，其具有响应于诸如外电场的外源场而产生偶极矩的电子密度取向。液晶聚合物通常包含通过非介晶分子结构连接的众多介晶基团。非介晶连接结构及其在聚合物分子中的连接、布置和间隔连同介晶结构在提供对外源场的流体可变形响应方面较为重要。通常，连接结构提供足够低的刚性使得通过施加外源场而引起分子重新排列，并且提供足够高的刚性以在未施加外源场时提供聚合物的特性。

在一些示例性实施方案中，液晶聚合物在通过非介晶间隔基团分隔开的聚合物主链中可以具有杆状介晶结构，该非介晶间隔基团具有柔性以允许介晶基团响应于外源场而重新排序。这种聚合物也称为主链液晶聚合物。在一些示例性实施方案中，液晶聚合物可以具有作为附接到聚合物主链的侧基而附接的杆状介晶结构。这种聚合物也称为侧链液晶聚合物。

在操作期间，通过对设置在电热膜12的相对侧上的电导体（即，电极）之间施加电场，在电热膜12中引起电热效应。如本文所公开的，电热膜的相对侧上的电导体中的一个或两个可以包括导电液体。可以利用任何具有导电性的液体，该导电性可以给予电场以在电热膜中引起电热效应。在一些实施方案中，导电液体可以具有小于或等于500μΩ·cm的电阻率。在一些实施方案中，导电液体包括电解质水溶液或非水溶液。电解液的示例包括但不限于以下物质的水溶液：无机盐（氯化钠、氯化钙、硝酸钾、碳酸铵等）、有机盐（乙酸钠、谷氨酸一钠等）、金属盐（氯化银、氯化铜、硫酸铜、氯化镍）、聚合物电解质（例如磺化聚合物 -聚苯乙烯磺酸盐、例如磺酸改性聚合物 - 聚苯乙烯磺酸，聚乙烯亚胺、聚丙烯酸）、离聚物（聚甲基丙烯酸及其共聚物、全氟磺酸及其它全氟磺酸聚合物）、离子液体改性聚合物、离子液体、无机酸（硫酸、盐酸、磷酸）和有机酸（乙酸、柠檬酸、山梨酸），以及碱（氢氧化钠、氢氧化钾及其组合）。根据溶解在溶液中的电解质的特性，电解质水溶液的浓度可以不尽相同。如本领域技术人员将理解的，也可以使用非水溶剂（例如，极性有机溶剂，或在某些情况下的非极性有机溶剂，诸如具有在非极性有机溶剂中具有溶解度的离子聚合物）以及水溶性有机溶剂和水的混合物。

在一些实施方案中，导电液体可以包括离子液体。离子液体被定义为在热传递系统的操作温度范围内呈液态的盐。可以使用具有足够大的体积且使其各自的电荷充分离域以将离子液体的熔点降至应用操作范围内的阳离子和阴离子的任何离子液体。如果在电解质溶液中使用，也可以对阳离子和阴离子进行调整，使得其可溶于所期望的溶液中。如果使用离子液体、未搀水，则不需要针对溶解度而对阳离子和阴离子进行调整。离子液体的示例包括但不限于以下所公开的那些：Khupse和N.Kumar, Ionic Liquids: New Materialswith Wide Applications, Indian J. Chem., 49a，第 635-48页，2010年5月-6月，其公开内容通过引用全部并入本文。

在一些实施方案中，电热元件可以包括处于电热膜与导电液体之间的阻挡层（图3），以防止导电液体渗透（即跨越、扩散或吸收）电热膜。在一些实施方案中，阻挡层的厚度可以是1纳米至500nm，并且可以包括但不限于薄金属化层或诸如聚（对二甲苯）的化学气相沉积涂层（CVD）。在一些实施方案中，阻挡层是导电的；然而，在厚度小于500nm时，并不一定需要导电性。

再次参照图1，导电液体14和16被示出为具有不同的极性。图1中不同的极性可以诸如能够与直流系统一起使用而被识别为正极（导电液体14）和负极（导电液体16），但是也可以诸如能够与交流系统一起使用而作为火线的和接地的。在一些实施方案中，堆垛中的所有电极可以是导电液体。然而，泄漏的预防和缓解有时是存在问题的，因此在一些实施方案中，堆垛设计被配置成通过将液体保持朝向结构的内部来减少泄漏机会。相应地，在图1中，导电膜电极18设置在设置于堆垛中最外面的电热膜12上。用于导电膜电极的材料的示例可以包括但不限于诸如铝或铜等导电金属的金属化层或诸如碳（例如碳纳米管、石墨烯或其它导电碳）等其它导电材料。也可以使用贵金属，但这不是必需的。也可以使用诸如掺杂半导体、陶瓷、聚合物或导电聚合物等其它导电材料。

如图1所示，电热元件以相邻电热元件之间交替的极性顺序设置在堆垛中，其中在堆垛顶部处示出的电热膜12在顶部上具有正极性电极并且在底部上具有负极性电极。堆垛中向下的下一个电热膜12具有相反顺序的极性，其中顶部上为负电极，底部上为正电极。然后可以在整个堆垛中重复这种交替的极性顺序。因为电热膜本身用作隔板，所以在不需要绝缘隔板的情况下，这种配置提供了不同极性的导电液体的分隔。在一些实施方案中，相邻电热元件之间的间隔可以处于从具有1μm、更具体地10μm、且甚至更具体地50μm的下限起的范围内。在一些实施方案中，分隔范围可以具有200mm、更具体地10mm、且甚至更具体地2mm的上限。应当该理解的是，这些范围上限和下限可以独立地组合以公开许多不同的可能范围。

继续参照图1，包括导电液体16的电极通过电连接22连接到电源20的一个极。包括导电液体14和导电膜18的电极通过电连接24连接到电源20的另一极。支撑元件26保持电热膜12，并且为导电液体14、16提供流动路径28。支撑元件26也可以协作形成用于对来自不同电热膜12之间相同极性的导电液体进行共同混合的顶部（header）空间（未示出）。可以围绕电热膜中的每一个的周边设置导电回路30（例如，金属导线回路）以用于检测导电流体的泄漏。在正常条件下测量回路30与导电液体14、16之间的电阻通常将获得无穷大的电阻，但是在泄漏到流动路径28外部的支撑元件26的情况下将获得较低的电阻。

在操作期间，控制器（未示出）可以选择性地激活电源20以控制到电极的电流，并且在电热膜12与导电液体14、16之间选择性地引导热能的传递。控制器还选择性地控制导电液体14、16的流动和其中将热量传递到散热器（未示出）或从热源（也未示出）接收热量的一个或多个换热器（未示出）。对于带电液体，换热器可以包括单独的用于不同极性的液体的电隔离通路，或者可以将液体14和16中的每一种导引到单独的换热器。换热器也可以与外部接触电隔离以避免短路。电隔离可以通过利用非导电材料（例如，塑料）制造与导电液体14、16（例如，管）接触的换热器部件来提供或通过向该部件提供非导电层或涂层来提供。以下关于图3描述系统操作的进一步细节。

在图2中示意性地描绘了具有堆垛11a的热传递系统10a的另一示例性实施方案。如图2所示，导电液体电极32与导电膜电极34在电热膜12之间以交替配置进行设置。导电液体电极32通过电连接36连接到电源20，并且导电膜电极34通过电连接38连接到电源20。在一些实施方案中，诸如如图2所示，膜电极34至少部分地嵌入在相邻电热元件的电热膜12之间，这可以促进电极32和34之间的电隔离。在该实施方案中，电极34用作两个相邻电热元件的电极，或者换言之，两个相邻电热元件共用单个电极。导电液体电极32和导电膜电极34诸如在直流系统中可以具有不同的极性，或者诸如在交流系统中两者中的任一个可以是火线电极而另一个可以是接地电极。虽然电极32和34中的任一个可以是火线电极而另一个是接地电极，但是在一些实施方案中，嵌入的导电膜电极34是火线电极，且导电液体电极32是接地电极。这种配置可以帮助减少或避免在诸如换热器等系统其它部分中电隔离导电液体的需要。应当注意的是，虽然图2描绘了围绕嵌入的电极的两个膜12的夹层，但是也设想了具有交替极性的嵌入的电极34的多于两个膜的夹层。图2还描绘了用于当导电液体32流入和流出流动路径28时共同混合导电液体32的顶部空间40。

如图1和图2所示的导电膜电极被描绘为平坦的或平面的；然而，这仅是实施方案的示例，并且可以使用其它配置。在如图3所示的实施方案的另一示例中，导电膜电极34具有波纹配置。如本文所使用的，波纹意味着具有脊和/或槽的配置，其可以按照规则图案交替或者可以具有任何类型的不规则图案。图3中描绘的“之”字形图案仅为示例性的，并且可以使用其它波纹图案，包括但不限于：三角形、正弦波、规则或不规则波纹、三角形、菱形、锯齿状、方形或矩形锯齿状、或任何种类的不规则凹凸图案。如在上文中更详细描述的，图3还描绘了电热膜12和导电液体32之间的阻挡层42。

在一些实施方案中，导电液体电极可以避免对将电极沉积在电热膜上的额外的金属化过程的需求，和/或有助于促进横跨电极的均匀电荷并避免可能不利地影响电热性能的寄生性或非均匀电流。在一些实施方案中，液体电极也可以提供液体静压力以促进对相邻膜之间的物理分隔的维持。而且，在一些实施方案中，使用导电液体，电极和热传递工作流体两者都可以有助于促进良好的热传递效率。

关于图4进一步描述了热传递系统及其操作的示例性实施方案。如图4所示，热传递系统310包括电热堆垛311，其具有通过第一热流动路径318与散热器317热连通并通过第二热流动路径322与热源320热连通的一种或多种导电流体。控制器324被配置成控制通过电源（未示出）的电流以选择性地激活堆垛311中的电热元件（未示出）。控制器324还被配置成打开和关闭控制阀326和328以选择性地引导导电流体沿第一流动路径318和第二流动路径322流动。

在操作中，系统310可以通过控制器324施加电场作为堆垛311中的电热元件两端的电压差以通过电热元件引起熵减少和热能释放来进行操作。控制器324打开控制阀326以将所释放的热能的至少一部分沿流动路径318传递到散热器317。这种热传递可以在电热元件的温度升高到阈值温度之后发生。在一些实施方案中，一旦电热元件的温度增加到约等于散热器317的温度时，就开始到散热器317的热传递。在施加一段时间电场以引起所期望的热能从电热元件释放和传递到散热器317之后，可以移除电场。移除电场引起电热元件的熵增加和热能减少。这种热能的减少表现为电热元件的温度降低至低于热源320的温度。控制器324关闭控制阀326以终止沿流动路径318的流动，并且打开控制装置328以将热能从热源320传递到较冷的电热元件。

在一些实施方案中，例如在利用热传递系统来维持空调空间或热目标中的温度的情况下，可以将电场施加到电热元件以增加其温度，直到电热元件的温度达到第一阈值。在第一温度阈值之后，控制器324打开控制阀326以将热量从电热元件传递到散热器317，直到达到第二温度阈值。可以在第一温度阈值和第二温度阈值之间的全部或部分时间段内继续施加电场，且然后移除电场以降低电热元件的温度，直到达到第三温度阈值。然后控制器324关闭控制阀326以终止沿热流动路径318的热流传递，并且打开控制阀328以将热量从热源320传递到电热元件。可以任选地重复上述步骤，直到达到空调空间或热目标(其可以是热源或散热器)的目标温度。

虽然已经仅结合有限数量的实施方案详细描述了本公开，但应当容易地理解，本公开不限于这些公开的实施方案。相反，可以对本公开进行修改以并入之前未曾描述但与本公开的精神和范围相符的任何数量的变型、变更、替代或等效布置。另外，尽管已经描述了本公开的各个实施方案，但是应当理解，本公开的各个方面可以仅包括所描述的实施方案中的一些。因此，本公开不应被视为受限于前述描述，而是仅受限于所附权利要求书的范围。

Claims (22)

1.一种热传递系统，其包括

电热元件，其包括电热膜、所述电热膜的第一侧上的第一电导体和所述电热膜的第二侧上的第二电导体，其中所述第一电导体和所述第二电导体中的至少一个包括导电液体；

电源，其与所述第一电导体和所述第二电导体电接触，被配置成提供横跨所述电热膜的电场；以及

沿着多个电热元件的液体流动路径，以用于所述导电液体。

2.根据权利要求1所述的热传递系统，其包括多个所述电热元件。

3.根据权利要求2所述的热传递系统，其中所述电热元件以堆垛配置进行设置。

4.根据权利要求2或3所述的热传递系统，其还包括用于与所述多个电热元件液体连通的导电液体的歧管。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其还包括与所述导电液体液体连通的一个或多个换热器。

6.根据权利要求5所述的热传递系统，其中所述一个或多个换热器包括非导电导管或具有非导电层的导电导管。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述第一电导体包括第一导电液体，并且所述第二电导体包括与所述第一导电液体电隔离的第二导电液体。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述第一电导体包括导电液体，并且所述第二电导体包括导电膜电极。

9.根据权利要求8所述的热传递系统，其中所述导电膜电极被配置为火线电极，并且所述导电液体被配置为接地电极。

10.根据权利要求8所述的热传递系统，其中所述导电膜电极被嵌入在相邻电热元件之间。

11.根据权利要求8所述的热传递系统，其中所述导电膜电极设置在设置于电热元件堆垛的最外面的电热膜的一侧上。

12.根据权利要求8所述的热传递系统，其中所述导电膜电极具有波纹配置。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述多个电热元件以相邻电热元件之间交替的极性顺序进行布置。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其还包括包含电阻或电导传感器的导电液体泄漏检测器。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述导电液体包括离子液体。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述导电液体包括水性或非水性电解质溶液。

17.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述电热膜包括电热聚合物、液晶聚合物（LCP）、电热陶瓷或电热聚合物/陶瓷复合材料。

18.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述电热元件还包括处于所述电热膜和所述导电液体之间的阻挡层。

19.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中相邻电热元件之间的物理分隔为1μm至100mm。

20.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述电热元件具有1μm至100μm的厚度。

21.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其还包括：

第一热流动路径，其处于所述导电液体与散热器之间；

第二热流动路径，其处于所述导电液体与热源之间；以及

控制器，其被配置成控制到电极的电流，并且选择性地引导热能沿所述第一热流动路径从与电热元件热连通的所述导电液体传递到所述散热器，或者沿所述第二热流动路径从热源传递到与所述电热元件热连通的所述导电液体。

22.一种操作根据权利要求1至21中任一项所述的热传递系统的方法，其包括向所述第一电导体和所述第二电导体施加电场，并且使所述导电液体或电解液在沿所述多个电热元件的所述液体流动路径与热源或散热器之间流动。

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