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。
已提出诸如聚偏二氟乙烯(pvdf)的电热聚合物来供传热系统使用。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。诸如热塑膜挤出法的常规聚合物膜制作技术往往并不产生对于电热性能而言最优的聚合物晶体结构。溶剂流延法可用作替代的膜制作技术。然而，溶剂流延法会产生多孔膜，所述多孔膜在暴露于电场时会产生电弧放电而在膜中诱导电热效应，这进而会导致过早的膜击穿。
发明简述
在本公开的一些实施方案中，一种制造传热系统的方法包括将电热聚合物溶解或分散于在1个大气压下具有小于100℃的沸点的有机溶剂中以形成包含电热聚合物的液体组合物。在衬底上流延液体组合物的膜，并且将有机溶剂蒸发以形成包含电热聚合物的膜。从衬底移除膜并且将所述膜设置在电导体之间以形成电热元件。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将电热聚合物溶解或分散于在1个大气压下具有小于100℃的沸点的有机溶剂中以形成包含电热聚合物的液体组合物。在衬底上流延液体组合物的膜，并且将有机溶剂蒸发以形成包含电热聚合物的膜。从衬底移除膜并且将所述膜设置在电导体之间以形成电热元件。
在任何以上实施方案中，溶剂在1个大气压下具有小于80℃的沸点。
在任何以上实施方案中，溶剂在1个大气压下具有小于70℃的沸点。
在任何以上实施方案中，溶剂在1个大气压下具有至少50℃的沸点。
在任何以上实施方案中，基于液体组合物的总重量，液体组合物包含0.1重量％至50重量％的电热聚合物。
在任何以上实施方案中，电热聚合物是聚偏二氟乙烯或液晶聚合物。
在任何以上实施方案中，在<＝10atm、但更具体地<＝3atm、但更具体地<＝1atm下在0℃至100℃的温度下将所述有机溶剂蒸发。
在任何以上实施方案中，在有机溶剂的蒸发之后使所述膜退火1分钟至1000小时。
在任何以上实施方案中，在有机溶剂的蒸发之后在0℃至200℃的温度下使所述膜退火。
在任何以上实施方案中，所述膜具有至少10v/μm的击穿强度。
在任何以上实施方案中，所述膜具有至少50v/μm的击穿强度。
在任何以上实施方案中，所述膜具有至少100v/μm的击穿强度。
在任何以上实施方案中，当在20v/um和25℃的外部温度下测量时，所述膜具有至少0.1℃的电热绝热温升。
在任何以上实施方案中，当在20v/um和25℃的外部温度下测量时，所述膜具有至少5℃的电热绝热温升。
在任何以上实施方案中，当在20v/um和25℃的外部温度下测量时，所述膜具有至少10℃的电热绝热温升。
在任何以上实施方案中，所述膜具有至少1010ω·cm的电阻率。
在任何以上实施方案中，所述膜具有小于或等于0.5的介电损耗角正切。
在任何以上实施方案中，所述膜具有至少0.001的介电损耗角正切。
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。
附图简述
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：
图1是根据本公开制备的电热聚合物膜的显微照片；
图2是对比电热聚合物膜的显微照片；并且
图3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将电热聚合物溶解或分散在具有小于100℃的沸点的有机溶剂中。如本文所使用，除非另外明确说明，否则沸点意指在1个大气压下的沸点。电热聚合物可以是在经受电场时展现出电热效应的任何类型的聚合物。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。
相对于溶剂，可以使用在指定沸点范围内的任何有机溶剂。在一些实施方案中，使用极性有机溶剂，并且所述极性有机溶剂在一些方面可以提供对电热聚合物的极性的相容性。在其他实施方案中，可以使用非极性有机溶剂。也可以使用极性和非极性有机溶剂的混合物。溶剂的实例包括但不限于：四氢呋喃(thf)、丁酮(即，甲基乙基酮或mek)、氯苯、超临界co2。在一些实施方案中，溶剂具有小于或等于100℃的沸点。在一些实施方案中，溶剂具有小于或等于80℃的沸点。在一些实施方案中，溶剂具有小于或等于75℃的沸点。在一些实施方案中，溶剂具有小于或等于70℃的沸点。在一些实施方案中，溶剂具有大于50℃的沸点。在一些实施方案中，溶剂具有大于55℃的沸点。在一些实施方案中，溶剂具有大于60℃的沸点。应理解，这些范围上限和下限可以独立地组合，从而披露许多不同的可行范围。
电热聚合物在涂层组合物的浓度可以广泛变化，这取决于涂布技术的类型和涂层的所需的干燥后的厚度。在一些实施方案中，电热聚合物含量范围基于涂层组合物的总重量为0.1重量％、更具体地为1重量％的下端点到50重量％、更具体地为20重量％的上端点，但是应理解，以上端点可以独立地组合来产生许多不同的范围。诸如表面活性剂、润滑剂、衬底释放剂、稳定剂、抗氧化剂和其他试剂的添加剂和涂层助剂可以被包括在内。可以使用各种衬底，包括但不限于：玻璃、抛光的不锈钢、或耐溶剂型聚合物(聚四氟乙烯)或可溶解于除了用于涂布电热聚合物的溶剂之外的溶剂中的聚合物(例如，聚丙烯)。可以通过使用诸如聚硅氧烷的低表面能液体实现衬底的功能化或通过将聚合物衬底溶解于不会溶解涂布的电热膜的溶剂(例如，非极性有机溶剂)中来促进电热膜的释放。可以使用各种涂布技术中的任一种。涂布技术的实例包括：刮刀式涂布、喷涂、辊式涂布、刷涂、旋涂以及其他已知的涂布技术。在一些方面，刮刀式涂布在1mm/秒到1km/秒的恒速下使用。在涂布之后，流延膜可以进行干燥(例如，持续1至24小时)并且从衬底移除。在一些实施方案中，在0℃至100℃的温度下将有机溶剂蒸发。在一些实施方案中，在小于或等于1个大气压的压力下将溶剂蒸发，但是压力在一些实施方案中也可以高达3个大气压或甚至高达10个大气压。在一些实施方案中，衬底上的流延膜可以在水或将不利地影响膜性质的有机液体中浸泡一段时间(例如，1分钟至100小时、更具体地为6分钟至2小时)以有助于膜与衬底的分离。在从衬底移除之后，所述膜可以经受额外的干燥(如果需要的话)以去除为了方便其与衬底的分离而使用的任何液体。在一些实施方案中，所述膜可以任选地经受退火。退火可以在具有30℃、更具体地为40℃的下端点和200℃、更具体地为100℃的上端点的范围内的温度下执行，但是应理解，这些端点可以独立地组合来产生许多不同的范围。
在一些实施方案中，本文描述的方法可以产生具有各种有益性质的电热膜。在一些实施方案中，如根据astmd14909(2013)所确定，所述膜具有至少10v/μm的击穿强度。在一些实施方案中，所述膜具有至少50v/μm的击穿强度。在一些实施方案中，所述膜具有至少100v/μm的击穿强度。在一些实施方案中，当在20v/um和25℃的外部温度下测量时，所述膜具有至少0.1℃的电热绝热温升。在一些实施方案中，当在20v/um和25℃的外部温度下测量时，所述膜具有至少5℃的电热绝热温升。在一些实施方案中，当在20v/um和25℃的外部温度下测量时，所述膜具有至少10℃的电热绝热温升。如权利要求14所述的方法，其中当在20v/um和25℃的外部温度下测量时，所述膜具有至少10℃的电热绝热温升。在一些实施方案中，所述膜具有至少1010ω·cm的电阻率。在一些实施方案中，所述膜具有小于或等于0.5的介电损耗角正切。在一些实施方案中，所述膜具有至少0.001的介电损耗角正切。介电损耗角正切可以例如根据诸如is13203或等效标准的已知的标准来测量。
相对于图3进一步描述了传热系统及其操作的示例实施方案。如图3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的电热聚合物膜312。还可以使用以堆叠体配置的多个电热元件。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型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。
以下实施例中提供了另外的公开内容。
实施例
将电热聚偏二氟乙烯聚合物溶解于固体含量为0.05g/cc的四氢呋喃中并且将其涂布到玻璃衬底上。将溶剂蒸发，直到膜变干为止，并且在从衬底移除膜之前将涂布的衬底在水中沉浸1小时。对所述膜进行干燥去除残余水，并且对不受支撑的膜进行显微成像，其结果示出于图1中。使用类似的量和过程来制备对比膜，但是使用二甲基甲酰胺(dmf，bp近似为153℃)作为溶剂，并且显微成像结果示出于图2中。如从图1和图2的对比中可以容易看到，用低沸点溶剂制备的膜与用高沸点溶剂制备的膜相比较展现出明显降低的孔隙度和更大的表面密度。
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。