CN108475721A - 在电热膜上形成电极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制造电热元件的方法，所述方法包括在包含电热材料的膜的相对表面上形成导电层以形成电热元件，其中所述导电层的所述形成包括以下一者或多者：在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中在减压下的所述持续时间少于240分钟；在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中暴露于导电材料沉积的所述持续时间少于240分钟；在减压下对所述导电层进行气相沉积，其中所述减压为10‑8托至500托；或在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于200℃的温度。
Description
背景技术
存在用于冷却应用的各种各样的技术，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。用于住宅和商用制冷以及空气调节的最流行的技术之一是蒸气压缩制冷剂传热回路。这些回路通常使具有适当的热力学性质的制冷剂循环穿过包括压缩机、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。蒸气压缩制冷剂回路在各种环境中能有效地提供冷却和制冷，并且在一些情况下可以反过来作为热泵运行。然而，许多制冷剂会带来环境危害，诸如臭氧消耗潜势(ODP)或全球变暖潜势(GWP)，或可能是有毒的或易燃的。另外，蒸气压缩制冷剂回路在缺乏足以驱动制冷剂回路中的机械压缩机的备用电源的环境中可能是不切实际的或不利的。例如，在电动车辆中，空调压缩机的电力需求会导致明显缩短的车辆电池寿命或可行驶里程。类似地，压缩机的重量和电力需求在各种便携式冷却应用中可能是有问题的。
因此，开发作为蒸气压缩制冷剂回路的替代方案的冷却技术一直受到人们的关注。已提出了各种技术，诸如场激活热或电流响应式传热系统，所述传热系统依赖于材料，诸如电热材料、磁热材料或热电材料。然而，许多提议已被实现为可缩放性能力或批量生产受限的小型示范。
已提出电热膜来供传热系统使用。然而，当为了实现诸如与常规蒸气压缩传热系统相当的温升的性能参数而在极薄的膜系统中制作时，所述电热聚合物存在许多潜在问题。一个值得关注的方面是电极材料到电热膜上的施加，这会不利地影响薄的电热聚合物膜或其他电热材料中的电热性质或机械性质。
发明内容
在一些实施方案中，一种制造传热系统的方法包括在包含电热材料的膜的相对表面上形成导电层以形成电热元件，其中导电层的形成包括以下一者或多者：
在减压下对导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中在减压下的持续时间少于240分钟；
在减压下对导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中暴露于导电材料沉积的持续时间少于240分钟；
在减压下对导电层进行气相沉积，其中减压为10-8托至500托；或
在导电层的形成期间保持膜处于小于或等于200℃的温度。
另外，在电热元件与热源或散热器之间提供流体流动路径以在电热元件与热源或散热器之间进行受控的传热。
在一些实施方案中，一种制造电热元件的方法包括在包含电热材料的膜的相对表面上形成导电层以形成电热元件，其中导电层的形成包括以下一者或多者：
在减压下对导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中在减压下的持续时间少于240分钟；
在减压下对导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中暴露于导电材料沉积的持续时间少于240分钟；
在减压下对导电层进行气相沉积，其中减压为10-8托至500托；或
在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于100℃的温度。
在任何前述实施方案中，导电层的形成包括在减压下对导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中在减压下的持续时间少于240分钟。
在任何前述实施方案中，在减压下的持续时间少于30分钟。
在任何前述实施方案中，在减压下的持续时间少于10分钟。
在任何前述实施方案中，在减压下的持续时间为至少1毫秒。
如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中导电层的形成包括在减压下对导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中暴露于导电材料沉积的持续时间少于240分钟。
在任何前述实施方案中，暴露于导电材料沉积的持续时间少于30分钟。
在任何前述实施方案中，暴露于导电材料沉积的持续时间少于10分钟。
在任何前述实施方案中，暴露于导电材料沉积的持续时间为至少1毫秒。
在任何前述实施方案中，导电层的形成包括在减压下进行导电层的气相沉积，其中减压为10-8托至500托。
在任何前述实施方案中，减压为至少10-7托。
在任何前述实施方案中，减压为至少10-6托。
在任何前述实施方案中，减压小于200托。
在任何前述实施方案中，减压小于100托。
在任何前述实施方案中，在导电层的形成期间保持膜处于小于或等于200℃的温度。
在任何前述实施方案中，在导电层的形成期间保持膜处于小于或等于100℃的温度。
在任何前述实施方案中，在导电层的形成期间保持膜处于小于或等于50℃的温度。
在任何前述实施方案中，在导电层的形成期间保持膜处于小于或等于20℃的温度。
在任何前述实施方案中，在导电层的形成期间保持膜温度处于小于或等于200℃的温度的情况下，导电层的形成可以不只利用气相沉积。
在任何前述实施方案中，导电层的形成包括对导电层进行气相沉积，所述导电层包含铝或铝与至少一种其他金属的合金，所述至少一种其他金属包括硅、铬或钛。
在任何前述实施方案中，所述膜在导电层的形成期间与散热器进行热接触。
在任何前述实施方案中，电热材料包括电热聚合物。
在一些实施方案中，电热元件通过根据以上实施方案中的任一个的方法来形成。
在一些实施方案中，一种传热系统包括电热元件，所述电热元件通过以上实施方案中的任一个的方法来形成；第一热流动路径，所述第一热流动路径在电热元件与散热器之间；第二热流动路径，所述第二热流动路径在电热元件与热源之间；以及控制器，所述控制器被配置成控制到达导电层的电流并且选择性地引导热能从电热元件沿着第一热流动路径传递到散热器或从热源沿着第二热流动路径传递到电热元件的热能传递。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求书中具体指出并明确主张了本公开的主题。本公开的前述和其他特征以及优点根据以下结合附图进行的具体实施方式将是显而易见的，在附图中：
附图是包括电热元件和其他部件的传热系统的示例实施方案的示意图。
具体实施方式
如上所述，一种制造电热元件的方法包括在包含电热材料的膜的相对表面上形成导电层。在一些实施方案中，电热膜厚度可以是在下限为0.1 µm、更具体地为0.5 µm以及甚至更具体地为1 µm的范围内。在一些实施方案中，膜厚度范围可以具有1000 µm、更具体地为100 µm以及甚至更具体地为10 µm的上限。用于电热膜的电热材料的实例可以包括但不限于无机材料和电热聚合物。无机物质的实例包括但不限于：PbTiO3 (“PT”)、Pb(Mg1/ 3Nb2/3)O3 (“PMN”)、PMN-PT、LiTaO3、钛酸锶钡(BST)或PZT (铅、锆、钛、氧)。电热聚合物的实例包括但不限于：铁电聚合物、液晶聚合物和液晶弹性体。
铁电聚合物是晶体状聚合物、或具有高程度结晶度的聚合物，其中聚合物链到片晶和/或球晶结构的晶体排列可以通过电场的施加来修改。这类特征可以通过结合到聚合物主链中或附加到聚合物主链的相对于主链具有固定取向的极性结构来提供。铁电聚合物的实例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟乙烯、奇数尼龙、含有衍生自偏二氟乙烯的重复单元的共聚物以及含有衍生自三氟乙烯的重复单元的共聚物。已针对其铁电和电热性质广泛研究了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。含有偏二氟乙烯的共聚物的实例包括具有甲基丙烯酸甲酯的共聚物和具有一个或多个卤化共聚单体的共聚物，所述卤化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、氯乙烯以及其他卤化的不饱和单体。
液晶聚合物或聚合物液晶包括聚合物分子，所述聚合物分子包括介晶基团。介晶分子结构是众所周知的，并且经常被描述为具有电子密度取向的杆状或盘状分子结构，所述分子结构响应于诸如外部电场的外部场而产生偶极矩。液晶聚合物通常包括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、放置和间距连同介晶结构在对外部场提供流体可变形响应方面来说是很重要的。通常，连接结构提供的刚度足够低，使得通过外部场的施加能诱导分子重新排列，并且足够高以在未施加外部场时提供聚合物的特征。
在一些示例性实施方案中，液晶聚合物可以具有在聚合物主链中由非介晶间隔基团隔开的杆状介晶结构，所述非介晶间隔基团具有柔性以允许响应于外部场而对介晶基团进行重新排序。这类聚合物又被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在侧基附接到聚合物主链时附接的杆状介晶结构。这类聚合物又被称为侧链液晶聚合物。
主链液晶聚合物的实例包括具有示出为具有分别如下的C10和C8聚乙烯间隔基团的重复结构的那些聚合物：
。
侧链液晶聚合物的实例包括具有示出为具有分别如下的C4和C10聚乙烯间隔基团的重复结构的那些聚合物：
。
当然，以上结构是示例性的。许多其他液晶聚合物是已知的，并且可以容易地被技术人员使用。
在一些实施方案中，液晶弹性体可以是基于已用交联改性的液晶聚合物。交联密度可以被调整为足够低的，使得局部分子柔性被保持来允许响应于外部场而对介晶基团进行向列型或近晶型排序。然而，交联密度可以被设定为足够高的，以使聚合物针对外部场产生宏观的弹性变形响应，而不是针对外部场产生流体、非弹性宏观响应的布朗分子运动。交联反应可以依赖于任何类型的交联机理，诸如在聚合期间使单体反应物中包括具有三个或更多个官能团的单体，或通过包括附接到聚合物链的官能侧基，诸如羟基，所述官能侧基可以与诸如二异氰酸酯的交联剂发生反应。官能侧基可以被选择来产生结合在交联链中的介晶基团，或介晶基团可以在聚合物链上的侧基与为非介晶的交联链分离时进行附接。许多液晶弹性体是已知的，并且可以容易地被技术人员使用。
在一些实施方案中，导电层通过导电层的气相沉积形成于膜的相对表面上以形成电热元件。用于气相沉积的金属可以包括铝、铝合金(例如，由铝和以下任一者形成的那些铝合金：硅、铬和钛)以及由铜、镍、铬、锌、银、金、其组合和其他导电金属形成的合金。在一些实施方案中，气相沉积的电极可以具有10 nm至200 nm的厚度范围。气相沉积技术可以包括物理气相沉积或化学气相沉积技术。物理气相沉积技术的实例包括但不限于溅射，其中靶材料经受等离子体放电，所述等离子体放电磁性地局部化在靶周围或朝向所述靶聚焦，从而使靶中的一些作为蒸气喷射和沉积到膜上。也可以使用电子束物理气相沉积，其中在真空下用由带电钨丝发出的电子束轰击作为阳极的金属靶，从而使靶材料蒸发并将金属涂布到同样定位在真空室中的膜上。脉冲激光沉积(PLD)在真空室中用高功率激光脉冲轰击靶，从而导致蒸发的等离子体羽流从靶沉积到膜上。还可以使用其他技术，诸如阴极电弧沉积或蒸发沉积。化学气相沉积(CVD)技术也可以用于沉积金属层(例如，铝、铜)、诸如石墨烯或碳纳米管的导电碳层、或可以被掺杂来提供电极所需的导电性的半导体(例如，多晶硅)。
在一些实施方案中，涉及减压的气相沉积技术(例如，电子束物理气相沉积、溅射、脉冲激光沉积)要在减压下保持一定持续时间，其中在减压下的持续时间少于240分钟。在一些实施方案中，在减压下的持续时间少于60分钟。在一些实施方案中，在减压下的持续时间少于30分钟。在一些实施方案中，在减压下的持续时间少于10分钟。在一些实施方案中，在减压下的持续时间少于5分钟。尤其是在通过使膜穿过连续的装载锁定室以连续方式或可选地以卷对卷配置完成沉积的情况下，进行有意义的导电电极的沉积所需的在减压下的最短时间可以是0.01毫秒、更具体地为0.1毫秒。应理解，以上持续时间的上限和下限可以独立地组合，从而产生许多不同的范围。在一些实施方案中，对减压下的持续时间进行限制可以缓解诸如电热聚合物的底层电热膜中的次生孔隙。
在一些实施方案中，气相沉积技术包括将电热膜暴露于蒸发的导电材料的持续时间限制为少于600秒。在一些实施方案中，暴露于蒸发的导电材料的持续时间少于240分钟。在一些实施方案中，暴露于蒸发的导电材料的持续时间少于60分钟。在一些实施方案中，暴露于蒸发的导电材料的持续时间少于30分钟。在一些实施方案中，暴露于蒸发的导电材料的持续时间少于10分钟。在一些实施方案中，暴露于蒸发的导电材料的持续时间少于5分钟。在一些实施方案中，暴露于蒸发的导电材料的持续时间少于2分钟。尤其是在通过使膜穿过连续的装载锁定室以连续方式或可选地以卷对卷配置完成沉积的情况下，进行有意义的沉积所需的蒸发的导电材料或其他导体暴露的最短时间可以是0.01毫秒、更具体地为0.1毫秒。应理解，以上暴露于蒸发的导电材料的持续时间的上限和下限可以独立地组合，从而产生许多不同的范围。在一些实施方案中，对电热膜在蒸发的导电材料中的暴露的持续时间进行限制可以限制电热聚合物晶体结构的热退化以及其伴随而来的电热性质的退化。
在一些实施方案中，导电材料在减压下的气相沉积可以在指定范围内的减压下执行。减压下的气相沉积技术可以在范围下限为10-8托、更具体地为10-7托以及甚至更具体地为10-6托的压力下执行。对于范围的上限，压力可以是500托、更具体地为200托以及甚至更具体地为100托。应理解，以上压力的上限和下限可以独立地组合，从而产生许多不同的范围。在一些实施方案中，保持压力高于这些范围中任一者的下限可以缓解诸如电热聚合物的底层电热膜中的次生孔隙。在一些实施方案中，保持压力低于这些范围中任一者的上限可以提供气相沉积所需的对比温度，从而限制电热聚合物晶体结构的热退化以及其伴随而来的电热性质的退化。
在一些实施方案中，电热膜在气相沉积期间可以保持处于低于200℃、更具体地低于100℃、甚至更具体地低于50℃以及甚至更具体地低于20℃的温度。除了上文描述的技术，诸如限制减压范围的上限或限制暴露于蒸发的导电材料的持续时间，还可以使用其他温度管理技术，包括但不限于：在气相沉积期间使膜在所述膜的与暴露于蒸发的导电材料的一侧相对的那侧上保持与固体散热器支撑件接触，或在气相沉积期间将相对冷的空气流引导到所述膜的与暴露于蒸发的导电材料的一侧相对的那侧上。当然，膜的温度不需要保持得不必要地低，并且气相沉积期间的最低温度通常要高于0℃。
除了气相沉积之外的技术也可以用于避免电热膜在电极的施加期间的过高的温升。例如，电热膜的表面可以掺杂有诸如金属原子或盐的导电材料，或膜可以被制作成在膜表面附近具有一定浓度的导电填料，诸如碳纳米管、石墨烯纳米薄片或导电金属纳米颗粒。可选地，电热膜可以涂布或层压有诸如聚苯胺的导电聚合物的表面层。
相对于附图进一步描述了传热系统及其操作的示例实施方案。如图所示，传热系统310包括电热元件，所述电热元件包括在其相对侧上具有电极314和316的电热膜312。还可以使用以堆叠体配置的多个电热元件。在一些实施方案中，在堆叠体中的相邻的电热元件之间的空间可以是在下限为1 µm、更具体地为10 µm以及甚至更具体地为50 µm的范围内。在一些实施方案中，分离范围可以具有200 mm、更具体地为10 mm、甚至更具体地为2 mm的上限。电热元件经由第一热流动路径318与散热器317热连通，并且经由第二热流动路径322与热源320热连通。以下相对于传热流体经由控制阀326和328在电热元件与散热器和热源之间流动的的过程中的传热描述了热流动路径，但是所述热流动路径也可以利用经由与电热元件和热源或散热器导热接触的固态热热电开关实现的传导性传热，或热机械开关可移动来在电热元件与热源或散热器之间形成导热接触。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电极314、316。控制器324还被配置成打开和关闭控制阀326和328以沿着第一流动路径318和第二流动路径322选择性地引导传热流体。
在操作中，系统310可以由控制器324以电压差的形式将电场施加在整个电热元件上来操作以引起电热元件的熵的降低和热能的释放。控制器324打开控制阀326以使释放的热能的至少一部分沿着流动路径318传递到散热器317。这个传热可以在电热元件的温度已上升到阈值温度之后进行。在一些实施方案中，在电热元件的温度刚增加到约等于散热器317的温度时就开始进行到散热器317的传热。在电场施加持续一定时间以诱导从电热元件到散热器317的所需的热能释放和传递之后，可以去除电场。电场的去除引起了电热元件的熵的增加和热能的降低。这个热能的降低显现为电热元件的温度降低到低于热源320的温度。控制器324关闭控制阀326以终止沿着流动路径318的流动，并且打开控制装置328以将热能从热源320传递到较低温的电热元件，以便于使电热元件再生用于另一个循环。
在一些实施方案中，例如在传热系统被用于保持受调节空间或热靶中的温度的情况下，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为止。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为止。可以在第一温度阈值与第二温度阈值之间的时间段的全部或一部分期间继续施加电场，并且之后去除所述电场以使电热元件的温度降低，直到达到第三温度阈值为止。控制器324之后关闭控制阀326以终止沿着热流动路径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。可以任选地重复以上步骤，直到达到受调节空间或热靶(其可以为热源或散热器) 的目标温度为止。
虽然仅结合有限数目的实施方案详细描述了本公开，但是应容易理解，本公开并不限于这类公开的实施方案。相反，可以修改本公开，以结合至今未描述的，但与本公开的精神和范围相称的任何数目的变化、改变、取代或等效布置。此外，虽然已经描述了本公开的各种实施方案，但是应理解，本公开的各方面可以包括所描述实施方案中的仅一些。因此，本公开并不被视为受限于前文描述，而是仅受限于随附权利要求的范围。
Claims (25)
1.一种制造传热系统的方法，所述方法包括：
在包含电热材料的膜的相对表面上形成导电层以形成电热元件，其中所述导电层的所述形成包括以下一者或多者：
在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中在减压下的所述持续时间少于240分钟；
在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中暴露于导电材料沉积的所述持续时间少于240分钟；
在减压下对所述导电层进行气相沉积，其中所述减压为10-8托至500托；或
在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于200℃的温度；以及
在所述电热元件与热源或散热器之间提供流体流动路径以在所述电热元件与所述热源或所述散热器之间进行受控的传热。
2.一种制造电热元件的方法，所述方法包括：
形成包含电热材料的膜；
在所述膜的相对表面上形成导电层，其中所述导电层的所述形成包括以下一者或多者：
在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中在减压下的所述持续时间少于240分钟；
在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中暴露于导电材料沉积的所述持续时间少于240分钟；
在减压下对所述导电层进行气相沉积，其中所述减压为10-8托至500托；或
在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于100℃的温度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述导电层的所述形成包括在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中在减压下的所述持续时间少于240分钟。
4.如权利要求3所述的方法，其中在减压下的所述持续时间少于30分钟。
5.如权利要求3所述的方法，其中在减压下的所述持续时间少于10分钟。
6.如权利要求3至5中任一项所述的方法，其中在减压下的所述持续时间为至少1毫秒。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述导电层的所述形成包括在减压下对所述导电层进行一定持续时间的气相沉积，其中暴露于导电材料沉积的所述持续时间少于240分钟。
8.如权利要求7所述的方法，其中暴露于导电材料沉积的所述持续时间少于30分钟。
9.如权利要求7所述的方法，其中暴露于导电材料沉积的所述持续时间少于10分钟。
10.如权利要求7至9中任一项所述的方法，其中暴露于导电材料沉积的所述持续时间为至少1毫秒。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述导电层的所述形成包括在减压下对所述导电层进行气相沉积，其中所述减压为10-8托至500托。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述减压为至少10-7托。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述减压为至少10-6托。
14.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述减压小于200托。
15.如权利要求10至13中任一项所述的方法，其中所述减压小于100托。
16.如权利要求1至15中任一项所述的方法，其中在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于200℃的温度。
17.如权利要求16所述的方法，其中在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于100℃的温度。
18.如权利要求16所述的方法，其中在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于50℃的温度。
19.如权利要求16所述的方法，其中在所述导电层的形成期间保持所述膜处于小于或等于20℃的温度。
20.如从属于权利要求1或2的权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述导电层的所述形成不只利用气相沉积。
21.如权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述导电层的所述形成包括对所述导电层进行气相沉积，所述导电层包含铝或铝与至少一种其他金属的合金，所述至少一种其他金属包括硅、铬或钛。
22.如权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述膜在所述导电层的形成期间与散热器进行热接触。
23.如权利要求1至22中任一项所述的方法，其中所述电热材料包括电热聚合物。
24.一种电热元件，所述电热元件由如权利要求2或者从属于权利要求2的权利要求3至23中任一项或其组合所述的方法来形成。
25.一种传热系统，所述传热系统包括：
如权利要求24所述的电热元件；
第一热流动路径，所述第一热流动路径在所述电热元件与散热器之间；
第二热流动路径，所述第二热流动路径在所述电热元件与热源之间；以及
控制器，所述控制器被配置成控制到达所述导电层的电流并且选择性地引导热能从所述电热元件沿着所述第一热流动路径传递到所述散热器或从所述热源沿着所述第二热流动路径传递到所述电热元件。
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