CN113266959B - 电热热传递系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种热传递系统，其包括多个电热元件（12），所述电热元件包括电热膜（14）、电热膜的第一侧上的第一电极（16）以及电热膜的第二侧上的第二电极（18）。流体流动路径（20）沿着所述多个电热元件安置、由波状流体流动引导元件（19）形成。

Description

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，或者可能是有毒的或易燃的。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，开发冷却技术作为蒸气压缩制冷剂回路的替代物已经受到关注。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活化热量或电流响应性热传递系统的各种技术。然而，很多提议已经被配置成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多个电热元件，所述电热元件包括电热膜、电热膜的第一侧上的第一电极以及电热膜的第二侧上的第二电极。流体流动路径沿着多个电热元件安置、由波状流体流动引导元件形成。

根据本公开的一些实施方案，一种热传递系统包括连续电热膜，所述连续电热膜在其每一侧上均包括电极层、环绕在多个支撑元件上以形成电热聚合物膜的多个物理分隔层，从而在相邻层之间提供流体流动路径。

在任何前述实施方案中，波状流体流动引导元件包括安置在相邻电热元件之间的不导电波状间隔元件。

在任何前述实施方案中，波状流体流动引导元件包括安置在相邻电热元件之间的导电波状间隔件。

在任何前述实施方案中，导电波状间隔件包括与相邻电热元件上的电极电接触的成形的导电结构。

在任何前述实施方案中，导电波状间隔件包括相邻电热元件上的导电材料电极在垂直于电热聚合物膜的表面的方向上的延伸部。

在任何前述实施方案中，导电波状间隔件被配置为微通道结构或开孔泡沫。

在任何前述实施方案中，导电波状间隔件包括碳纳米管。

在任何前述实施方案中，流体流动引导元件包括来自所述多个电热元件的电热元件。

在任何前述实施方案中，电热元件包括交替的相邻的平坦电热元件和波状电热元件。

在任何前述实施方案中，电热元件包括配合形成蜂窝结构的互补波状电热元件。

在任何前述实施方案中，相邻电热元件在相交接合部处包括粘合接头。

在任何前述实施方案中，多个电热元件以相邻电热元件之间极性交替的顺序布置。

在任何前述实施方案中，电热膜包含电热聚合物、液晶聚合物（LCP）、电热陶瓷或电热聚合物/陶瓷复合材料。

在任何前述实施方案中，相邻电热元件之间的物理分隔为1μm至100mm。

在任何前述实施方案中，电热元件具有1μm至1000μm的厚度。

在任何前述实施方案中，电热膜包含电热聚合物。

在包括连续环状电热膜的任何前述实施方案中，热传递系统还包括安置在电热膜的相邻层之间的一个或多个间隔元件。在一些实施方案中，一个或多个间隔元件是导电的。在一些实施方案中，一个或多个间隔元件是不导电的。

在包括连续环形电热膜的任何前述实施方案中，支撑元件还包括与导电材料电极层电接触的电总线元件。

在包括连续环状电热热膜的任何前述实施方案中，连续电热聚合物膜的环路呈往复来回的配置。

在任何前述实施方案中，热传递系统包括至少两个相邻电热元件，该至少两个相邻电热元件共用至少部分嵌入在相邻电热元件的电热膜之间的电极。在一些实施方案中，嵌入的电极是火线电极，并且包括与流体流动路径相邻的接地电极。

在任何前述实施方案中，电热膜包括处于拉伸应力下的电热聚合物膜。

在任何前述实施方案中，热传递系统还包括在流体流动路径和散热器之间的第一热流动路径；在流体流动路径和热源之间的第二热流动路径；以及控制器，其被配置成控制到所述电极的电流，并且选择性地引导热能沿着所述第一热流动路径从与电热元件热连通的所述流体流动路径传递到所述散热器，或者沿着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流体流动路径。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护本公开的主题。本公开的前述和其他特征以及优点根据结合附图进行的以下具体描述是显而易见的，在附图中：

图1是电热热传递系统以及堆栈和间隔件配置的示例性实施方案的示意图；

图2A、2B、2C、2D、2E和2F各自是不同波状间隔件配置的示例性实施方案的示意图；

图3是具有导电间隔件的波状间隔件配置的示例性实施方案的示意图；

图4是与电热元件电极集成的间隔件的示例性实施方案的示意图；

图5是与电热元件电极集成的间隔件的另一示例性实施方案的示意图；

图6是具有不导电间隔件的波状间隔件配置的示例性实施方案的示意图；

图7是其中电热元件用作波状间隔件的示例性实施方案的示意图；

图8是其中电热元件用作波状间隔件的另一个示例性实施方案的示意图；

图9是其中电热元件用作波状间隔件的另一个示例性实施方案的示意图；

图10是电热热传递系统以及堆栈和间隔件配置的替代实施方案的示意图；

图11是电热热传递系统以及堆栈和间隔件配置的替代实施方案的示意图；和

图12是包括电热堆栈和其他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

如上所述，本文公开的传热系统包括沿着多个电热元件的流体流动路径，所述流体流动路径由波状流体流动引导元件形成。在一些实施方案中，波状流体流动引导元件可以意味着配置有脊和/或凹槽的流体流动引导元件。波状配置不限于任何特定的配置或设计，并且可以包括包含凹槽和/或脊的任何配置，包括但不限于交替的凹槽和脊、凹槽、脊、翼、凸出部和/或延伸部的规则图案或具有上述特征中的任何特征的不规则图案。波状配置的示例包括但不限于锯齿状图案、三角形、正弦波状、规则或不规则波形、三角形、梯形、菱形、切口状、方形或矩形切口状、沟槽状、百叶窗状的（其具有与凹槽、百叶窗状微通道、脊、翼或延伸部邻近或位于凹槽、百叶窗状微通道、脊、翼或延伸部之间的间隔元件通过的开口）或任何类型的不规则凹凸图案，诸如开孔泡沫。

现在参考图1，以透视图和分解性前视截面图示出电热元件12的堆栈10的示例。如图1所示，电热元件12包括电热膜14、第一电极16和第二电极18。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。应理解，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)、聚氟化三乙烯、奇数尼龙、含有衍生自偏二氟乙烯的重复单元的共聚物和含有衍生自氟化三乙烯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、氯乙烯和其他卤代不饱和单体。

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。

继续参考图1，波状间隔元件19安置在电热元件12之间，并且形成沿着电热元件12、用于与外部热源或散热器进行热连通的工作流体的流体流动路径20，所述工作流体诸如待热调节流体（例如，空气）或传热流体（例如，介电有机化合物）。在一些方面，波状图案位于大体上垂直于流体流动路径20的平面上，并且沿大体上平行于流体流动路径20的方向延伸。沿着流体流动路径的延伸可以是线性的（即，以直线）或非线性的。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，分隔间距范围可以具有200mm、更具体地10mm、甚至更具体地2mm的上限。应理解，这些上限和下限范围可以独立地组合以公开许多不同的可能范围。

波状间隔元件可以具有各种不同的配置。在图2A至图2F中示出了安置在电热元件12之间的间隔件19的不同配置的若干代表性示例。图2A描绘了沿着流体流动路径线性延伸的三角形波状间隔件配置。图2B描绘了沿着流体流动路径非线性地延伸的三角形波状间隔件配置（在这种情况下是波形延伸，但也设想到其他非线性延伸图案）。图2C描绘了沿着流体流动路径线性延伸的正弦波状配置。图2D描绘了沿着流体流动路径非线性延伸的梯形波状配置。图2E描绘了沿着流体流动路径非线性延伸的矩形带波状配置。图2F描绘了沿着流体流动路径线性延伸的圆柱形波状配置。这些示例当然仅代表波状间隔元件的许多可能的配置，并且不应被认为是限制性的。还应注意，虽然图1描绘了每个电热元件之间的单个连续间隔元件，但也可以使用电热元件之间的多个离散的波状间隔元件。

在本公开的一些方面，波状间隔元件可有助于维持用于流体流动路径的电热元件之间的物理分隔。在本公开的一些方面，波状间隔元件可以有助于电热元件的堆栈结构的结构完整性。在一些方面，波状间隔元件可以有助于相同极性的电极之间的电连续性，并且在一些方面中，波状间隔元件可以有助于维持不同极性或相反极性的电极之间的电隔离。就这一点而言，波状间隔元件可以是导电的或不导电的。

在图3中描绘了导电间隔元件的实施方案的示例。如图3所示，电热元件12以相邻电热元件之间极性交替的顺序以堆栈进行安置，其中电热元件12示出在堆栈的顶部处，所述堆栈在顶部上具有正极性电极且在底部上具有负极性电极。替代地，代替堆栈中的正电极和负电极，电极可以被分类为火线电极（正极性或负极性）或接地电极。与顶部电极相邻的电热元件12具有极性相反的顺序，其中负电极在顶部上且正电极在底部上。然后，可以在整个堆栈中重复这种极性交替的顺序。这样的配置允许波状间隔元件19a导电，这可以有助于促进电极上电荷均匀并避免可能不利地影响电热性能的寄生或不均匀电流。导电间隔元件可以通过各种技术形成，包括但不限于沉积如金属或碳纳米管的导电材料层，并将波状图案光刻蚀刻到该层中（例如通过光刻掩模）或沉积导电材料或以波状图案生长碳纳米管、微通道挤出、开孔泡沫，或者通过将导电材料的波状层层压到电热元件。

在一些方面，导电间隔件可以部分地或完全地与一个或多个电极集成，使得一个元件既用作电热元件之间的间隔件，又用作作为一个或多个电热元件的一部分的电极。图4和图5中示出了此类实施方案的示例。如图4所示，通过将间隔元件19a形成为电极18a的延伸部来实现部分集成，然后将电极18a的延伸部电连接到电极18b。这可以例如通过沉积用于电极18a的导电层（例如，通过化学气相沉积来沉积碳纳米管或通过溅射或其他沉积技术来沉积金属）来实现。然后，可以在除了期望间隔件19a之外的区域中掩蔽导电层，并且导电层继续沉积连续不断的导电材料以形成导电间隔件19a。然后，所得到的结构利用导电间隔件19a和相邻电极18b之间的电连接连接到相邻电热元件，且在在电热膜14的与电极18a和18b相对的侧上安置有不同极性的电极。在图5中示出了导电间隔件与相邻电热元件上的电极的完全集成的示例。在图5中，导电组合电极18a和间隔件19a可以通过微通道挤出技术形成并且安置在相邻电热元件14之间。

在图6中描绘了不导电间隔元件的实施方案的示例。如图6所示，电热元件12以一致的极性顺序以堆栈进行安置，其中每个电热元件12在顶部上具有负极性电极且在底部上具有正极性电极。替代地，代替堆栈中的正电极和负电极，电极可以被分类为火线电极（正极性或负极性）或接地电极。在该配置中，不导电的间隔元件19b可以通过在不提供导电路径的情况下维持电热元件之间的物理分隔来有助于不同极性的电极之间的电隔离。如上所述的用于导电间隔元件的类似制造技术可以用于不导电间隔元件，但要借助不导电材料例如塑料或陶瓷。

在一些实施方案中，波状间隔元件可以由电热元件本身形成，使得电热元件和波状间隔元件两者由相同的结构提供。图7和图8中示出了此类实施方案的示例。如图7所示，电热元件14a的蜂窝结构以堆栈10a进行安置、通过电总线/支撑元件22保持在边缘处。电热元件14a的蜂窝结构还提供了波状流动引导结构19c。如本文所用，“蜂窝”包括大体上平行于流体流动方向延伸的任何蜂窝结构，并且不限于六边形蜂窝结构。例如，图7中描绘的蜂窝结构具有菱形的蜂窝结构。在一些方面，电热元件的蜂窝结构可以利用上述极性交替的顺序配置来避免在结构中的邻接电热元件上的短路，然而这不是必需的，因为绝缘体例如绝缘粘合剂也可以用于防止短路。这种交替极性配置的示例在图8中示出为六角形蜂窝结构，其中电热元件14（包括如本文所述的夹在导电电极之间的电热膜）配置成蜂窝图案以既用作电热元件又用作波状间隔件结构19c。导电粘合剂（例如，聚合物树脂粘合剂）接头24可以可选地安置在相邻电热元件之间的界面处以促进结构的电气和结构完整性。如果不需要或不期望界面处的电连接，则也可以使用不导电粘合剂。在另一个实施方案中，平坦或平面电热元件12与波状电热元件19交替以形成蜂窝结构（其中电热元件包括如本文所述的夹在导电电极之间的电热膜）。在图9中示出了这种结构的示例。

在图10中描绘了实施方案的另一个示例。现在参考图10，示出了其中总线元件电极16a和18a连接到母线22的堆栈。如图10所示，电极18a至少部分地嵌入在相邻电热元件的电热膜14之间。在该实施方案中，电极18a用作两个相邻电热元件的电极，或换句话说，两个相邻电热元件共用单个电极。极性相反的电极16a安置在电热元件“夹层”的外侧并且不共用。间隔元件19在电极16a的侧面上安置在相邻电热元件之间。图10的配置可以通过保护嵌入的电极18a免受潜在的短路而提供技术效益。在一些实施方案中，至少部分嵌入的电极是火线电极，且暴露于流体流动路径的电极是接地电极。在一些实施方案中，可以印刷不同形状或配置的嵌入的电极以向电热元件提供各种属性（例如，应力管理）。应注意，虽然图10描绘了围绕嵌入的电极的两个膜的夹层结构，但还设想了具有交替极性的嵌入的电极的多于两个膜的夹层。

另一种类型的波状图案可以由连续电热膜提供，所述连续电热膜在其每一侧上均包括电极层、环绕在多个支撑元件上。在图11中示意性地描绘了此类实施方案的示例，其中连续电热元件14a围绕支撑电总线元件22a和22b以往复来回的配置环绕。在该配置中，正极性总线元件22b和负极性总线元件22a以及往复来回的配置配合以提供具有极性交替的顺序的堆栈配置，使得间隔元件26可以导电而不会导致短路。当然，间隔元件26也可以是不导电的。在其他替代实施方案中，总线元件可以是火线的和接地的，而不是正极性和负极性。替代地，总线元件可以是火线元件和接地元件。在一些实施方案中，电热膜是处于拉伸应力下的电热聚合物膜。本领域技术人员可以调节拉伸应力的水平以便影响电热聚合物材料中的晶体结构排序。在一些实施方案中，拉伸应力足以维持电热膜拉紧或伸展，这在某些情况下可以提供促进维持堆栈配置中的膜层之间的物理分隔。尽管本文描述的任何实施方案可以配置有处于拉伸应力下的电热元件，但在一些实施方案中，当施加拉伸应力时，图11的环路配置可以促进与支撑元件的牢固连接。

关于图12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12所示，热传递系统310包括电热堆栈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液体。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栈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着第一流动路径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施加电场作为堆栈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着流动路径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，但应理解，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 (6)

1.一种热传递系统，其包括

多个电热元件，所述电热元件包括电热膜、所述电热膜的第一侧上的第一电极以及所述电热膜的第二侧上的第二电极；和

沿着所述多个电热元件的流体流动路径，所述流体流动路径由波状流体流动引导元件形成，其中所述波状流体流动引导元件包括安置在相邻电热元件之间的导电波状间隔件；

其中所述导电波状间隔件包括相邻电热元件上的导电材料电极在垂直于电热膜的表面的方向上的延伸部。

2.根据权利要求1所述的热传递系统，其中所述导电波状间隔件包括与相邻电热元件上的电极电接触的成形的导电结构。

3.根据权利要求1所述的热传递系统，其中所述导电波状间隔件被配置为微通道结构或开孔泡沫。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热传递系统，其中所述导电波状间隔件包括碳纳米管。

5.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在相邻电热元件之间以极性交替的顺序布置。

6.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、电热陶瓷或电热聚合物/陶瓷复合材料。

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