场活化直接接触式再生器的制作方法

背景

在经受机械应变、磁场或电场时展现出绝热温度变化的材料已经用于产生热泵循环。图1中示出了基本循环。在状态1，材料处于稳态温度并且经受直接施加至材料的稳定场。在状态2，所施加的场强度的加强会提高材料温度。在状态3，热量被排放到热环境，从而使材料温度下降为接近环境热值。这最好通过直接接触环境空气和活性材料来完成。在状态4，场强度的减弱会降低材料温度。之后所述循环通过以下方式来完成：再次优选地通过直接接触从冷环境吸收热量，从而使材料温度上升回到状态1的值。这个循环可以接近理想的卡诺(camot)、布雷顿(brayton)或埃里克森(ericsson)循环，这取决于场致动相对于排热的时机。

已知的电热或磁致热材料可获得的绝热温度升高典型地低于大多数商用热泵应用诸如环境控制所要求的温升(lift)。一种熟知的加大温度升高的手段(以容量为代价)是温度再生。再生用于产生温度梯度，并且因此使结合了场活化材料的再生器中的温度升高成倍加大。

再生热交换器普遍存在于使用流体压缩而不是场活化材料来提供热泵的循环中。例如，应用改良型斯特林循环(stirlingcycle)的热声冷却器是常见实例。这些装置包括一个或多个声学驱动器、谐振体积、再生器元件以及位于所述元件任一侧上的热交换器。这项技术的依据是激发压力和速度波动，它们会在再生热交换器内压缩流体并使所述流体膨胀，同时使所述流体轴向平移。所述流体在压缩时在一个轴向位置上对再生器基质放出热量，并且在其膨胀时在不同的轴向位置上往回吸收热量。这些热交换产生由再生器基质和再生器内的流体共享的温度梯度。这个梯度在热热交换器与冷热交换器之间来回平移以便以与上述场活化再生器情况相似的方式来泵运热量。相似性在于再生器内的流体通过某一机械手段来轴向平移。然而，它们的区别在于：在场活化情况下，出现热泵完全归因于施加到再生器的固体材料上的场并且由流体为再生提供热容，而在热声情况下，出现热泵归因于再生器内流体的压缩/膨胀并且由再生器的固体材料为再生提供热容。此外，在热声或其他基于压力的冷却循环中，有必要使用热交换器来将加压的工作流体与环境空气分开，从而导致性能的显著损失。场活化再生器可以在环境空气直接接触活性材料的情况下操作。

已知被动再生器受益于若干重要的性能特征。所述被动再生器必须：1)在固体介质内具有足够的热容来存储有待再生的能量；2)允许工作流体在不存在太大的流动阻力的情况下穿过；3)在再生器质量与工作流体之间实现热传递；以及4)防止沿温度梯度的方向的热传导(和热流)。典型的实施方案是由多层丝网形成的圆柱形叠层或填充有小金属球的导管。

简述

一个实施方案涉及热泵元件，所述热泵元件包括：薄膜聚合物或陶瓷材料，所述薄膜聚合物或陶瓷材料的厚度处在0.1微米-100微米的范围内；以及电极，所述电极联接至薄膜材料的两侧以形成电极化活性薄膜材料，其中薄膜材料由通道内的热传递流体隔开并且与所述热传递流体紧密接触，所述通道的厚度处在10微米-10毫米的范围内，其中所述流体能够通过施加的压力场而在整个元件上来回平移。

以下描述另外的实施方案。

附图简述

本公开通过举例说明并且并不限于附图，在附图中，相似参考数字指示相似元件。

图1是根据现有技术的基本场活化热泵循环的图；

图2是用于实现紧密的场施加和直接接触式热交换的场活化再生器的单层装置的图；

图3a-3b是用于场活化再生器的多层装置的图；

图4示出图2和图3a-3b的实施方案的变型；

图5示出包括常规衬底上含陶瓷和电极材料的晶格结构的镀层的结构；以及

图6示出同时结合主动和被动再生器功能的联合循环系统。

详述

应注意，在以下描述和附图(其内容以引用方式包括在本公开中)中阐述了元件之间的各种连接。应注意，除非另有规定，否则这些连接一般来说可以是直接的或间接的，并且本说明书并不意图在这方面受限制。在这方面，实体之间的联接可以指代直接连接或间接连接。

描述了用于提供热泵元件的设备、系统和方法的示例性实施方案。热泵元件可以包括薄膜聚合物或陶瓷材料。一对电极可以紧密地联接至薄膜材料。例如，第一电极可以联接至薄膜材料的第一侧，而第二电极可以联接至薄膜材料的第二侧。薄膜材料可以由一个或多个通道内的热传递流体隔开并且与所述热传递流体紧密接触。热传递流体可以是没有经过中间热交换器的环境空气。所述流体可能能够通过施加的压力场而在整个热泵元件上来回平移。

本公开的实施方案涉及一种装置，所述装置展现出使用在施加电场时改变温度的电热材料来执行电场活化再生器的功能所要求的特征。

已知存在两种具有有用的电热特性的材料：铁电陶瓷和聚偏二氟乙烯(pvdf)聚合物。在一些应用环境中，为了在任一种材料的已知实例中产生足够的熵和绝热温度变化，必须在不发生介电击穿的情况下将大于1mv/cm的电场施加至所述材料。这种要求倾向于偏好极薄的膜(大约为一微米)，以最小化降低击穿强度的缺陷。这些膜还必须在两侧上金属化来施加场，并且必须定位电极以便于避免在整个表面上产生电弧。这类膜必须与可以平移穿过再生器结构的热传递流体进行热接触并且必须迅速地对热动力学作出响应。在一些实施方案中，基本膜可以具有大约为0.1-100微米，或其间的任何范围(例如，0.3-3微米)的厚度。这种厚度可以1)确保每个膜中具有在合理的装置体积内产生热泵容量所需的足够质量的材料，2)将产生1mv/cm的场所需的外加电压维持在可管理的水平上，并且3)确保膜与热传递流体之间的快速热传递，以实现高流体平移频率并因此增大容量。场活化再生器的基本结构是如图2所示的单层装置。这种结构允许环境空气充当与活性膜直接接触的热传递介质，这避免了现有技术中常见的与中间热交换器相关联的热损失。

图2的基本单层结构可以结合再生器装置来改进或加强。例如，与环境冷却相关联的给定应用可能要求数十至数百克/kw，因此可能需要许多这种层。接着，可能需要某一结构来支撑这些极薄的膜。这个结构可以表示再生器中的活性材料的寄生热损失，因此结构的质量以及其与活性材料的热接触可能必需是有限的。

在一些情况下，可以使用多层活性材料来最大化性能。建模可以表明最佳性能可以通过平衡若干因素或约束来实现，诸如以下各项中的一项或多项：(1)活性材料的总质量，(2)膜的存储能量与相关联流体的存储能量之比，(3)从材料到流体的传热系数，(4)与流体移动流过流动通道有关的损失，(5)电极的寄生存储热量，(6)电极中的焦耳加热，(7)激励所述材料时所处的频率，以及(8)与施加的电压或场相关联的值或功率。

对涉及上述约束的一些或全部的组合的平衡可以表明膜厚于例如3微米。为了满足这个需求同时仍然限制外加电压，可以应用多层构造，在如图3a-3b(在本文中统称为图3)所示的热传递通道之间堆叠多层图2的基本结构。

如图3所示，单层或多层膜308由惰性衬底316支撑，所述惰性衬底316还用于建立热传递流体通道。所示电极324的极性(+/-)可以被布置成使得在整个流体通道或衬底316上不存在电势。还示出了可以用于建立对电极324的接入的接触垫或过孔326。

为了最小化衬底316的寄生热损失，衬底316的设计不仅可以提供足够的支撑，而且还最小化膜308与衬底316之间的瞬时热传递。这可以通过以下方式来完成：不仅最小化衬底316的体积或热容，而且还最小化等效毕奥数。这种衬底316可以是膜308的边缘周围的薄框架。如果要求对膜308给予更多支撑，那么可以在整个框架上添加额外的薄支架，从而产生“轨道膜”型衬底。膜308和衬底316可以使用一个或多个模制或蚀刻的衬底支柱332或类似机构来彼此支撑或彼此分离。

相反，寄生损失可以通过将场活化材料用于衬底316以使得这种活性衬底连同活性膜308一起被激励来最小化。在这种情况下，电极324将会被布置成将全电势施加至衬底以及活性膜。

图3的设计可以满足上述主动再生器要求和被动再生器要求，其中可能例外的是会防止沿温度梯度的方向的热传导。一般而言，所使用的材料可能具有相较于标准再生器材料而言更低的传导率，但是再生器仍然可以由上文结合图2-3描述的彼此之间具有较窄气隙的基本模块的多个轴向区段组成，所有轴向区段都封装在外壳中以用导管输送热传递流体。这种类型的设计还使得能够顺序活化每个模块中与电热材料相关联的电极。这允许在不同条件下根据需要实现对场和流体流的同步的灵活性以优化模块性能。此外，电热材料的最佳配制物可能是温度依赖性的，以至于沿温度梯度需要不同的配制物。不同的模块各自可以使用具有最优居里温度的材料来制造，或可以将具有t居里连续梯度的材料应用在所述模块中。

在一些实施方案中，可以使用上述基本模块的变型。图4示出满足两个不同材料类别的要求的两个这种变型或实施方案。

在第一实施方案408中，如上所述产生聚合物薄膜或多层416。可以通过滚轧、蚀刻或类似工艺来在表面上产生凹槽或凸块424。这些特征结构的厚度可以是从10％的膜厚度到多至凸起块424情况下为所述膜厚度的几倍。膜416可以通过蒸发或类似工艺来金属化。膜416之后可以按垂直于特征结构方向的方式卷绕以形成圆柱体，其中由凹槽或凸块424产生沿轴线的通道。可以在材料卷的端部处将导线附接至电极，以允许材料被激励，或可以沉积图案化电极以与每个层416的半个圆周匹配，并且之后并联连接在所述卷的每个边缘上。

在第二实施方案416中，陶瓷薄膜叠放在衬底412上。所述层包括分开的电极420，从而产生具有以下各项的结构：衬底412、电极420、电热效应(ece)陶瓷428、电极420、ece陶瓷428等。这些层可以通过物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、等离子喷镀或类似的已知工艺来形成。可以将交替电极层420移位至一侧以允许例如所有奇数电极层420容易地并联连接至一个电压，同时偶数电极层420连接至另一个电压源。

随着每个层的形成，可以产生气体通道452。图4示出使用缩微平版印刷术或类似技术来在每个层中留下或蚀刻孔436的实例。可以累积多个层来产生一个或多个再生器元件460，可能会蚀刻掉衬底，并且可能会在整个材料中留下垂直于电极/材料层的多个轴向气体通道452。在一个实施方案中，可以在每个层的表面中蚀刻出凹槽以使得随着下一个层的沉积，间隙仍然平行于所述层。在这种情况下，气体通道可以平行于电极/材料层。

图4中的再生器元件460被示出为包括在圆柱形形状结构中。在一些实施方案中，可以使用其他形状(例如，六边形、椭圆形等)。

如前所述，再生器结构460可能需要防止沿温度梯度的方向的热传导，并且ece材料的最佳配制物可能是温度依赖性的，以至于沿温度梯度需要不同的配制物。上述结构可能并不直接支持这类要求。可以提供模块化再生器结构，其中如上所述的每个元件都用最佳配制物来产生并且之后堆叠所述层，所述层具有大约为0.1至5毫米的轴向气体间隙。每个层可以具有适于局部温度的连续配制物，并且间隙可以防止轴向传导。

如图5所示的另一个实施方案将涉及将含ece陶瓷504和电极512材料的晶格结构镀覆在常规衬底520上以及将开放表面暴露于热传递介质。常规结构诸如施加至汽车废气催化剂的蜂窝体结构可以充当衬底520。之后可以使用湿式或真空技术以所希望的厚度对衬底520涂布电极512和ece材料504的连续层。电极512可以具有交替结构，以使得能够从所述结构的每一端电接入交替电极。

上述实施方案可以利用上述两个循环中的主动和被动再生器的特征来产生联合循环系统。参考图6，这个系统可以通过包括由场活化材料制成的再生热交换器606的系统600来体现，并且可以包括线性致动器或声学驱动器614，所述线性致动器或声学驱动器614被同步来在主动再生热交换器中产生流体压缩以及流体平移。这个概念不会支持使用环境空气作为直接接触的热传递介质，并且因此将需要中间热交换器。

为了说明概念的范围，可以使用主动电热材料再生器来提供初始构造，所述初始构造包括许多含电热聚合物或陶瓷的具有电极的薄膜和分散的热传递流体通道、热和冷热交换器、以及简单的由线性驱动器驱动的平移的工作流体流，所述工作流体可以是气体或液体，加压的或不加压的。

通过紧密接触将场(例如，电场、辐射场/光场、磁场、应变等)施加至场活化再生器元件606可以提高材料温度。流体可以充当再生器介质，利用当前温热的固体材料通过热交换来升温。如果致动器614现在同时从左侧移到右侧，那么再生器芯子606中的热流体可以移到热热交换器中，从而排放热量，同时来自冷热交换器的较冷流体可以移到再生器606中并且局部冷却(再生)再生器材料。释放场来冷却材料且将流体从左侧移到右侧可以完成循环。应注意，在压力变化可忽略的纯流体平移的情况下，这是与上文中描述为简单的场活化再生循环相同的过程。系统600的性能可以取决于施加的场和流的时机和同步，并且这种时机可能会随着材料的热特性、负载和所希望的温度升高而变化，因此可能需要小心控制这个过程来实现令人满意的性能。

考虑到联合循环，可以激励场并且可以使材料606升温。再次，热量可以传递到流体中以供再生。现在，可以操作致动器614，以使得流体先被加压，后被平移，或者甚至是在单次平移过程中进行多次加压和减压，而不是简单地平移所述流来排放热量。压缩可以进一步对流体加热，并且热量现在可以传递到固体再生器材料606中以供流体再生。现在，可以如前所述那样完成平移并且执行所述循环的冷侧。场致动过程和压缩过程两者的温度升高和容量可以叠加在同一个基本体积内，从而导致加大温升的再生次数变少以及功率密度变高。这个过程可能要求对场和致动器614的甚至更为精确的临时控制以在时间和空间上控制压力、速度和场梯度的叠加，从而在给出特定温度升高和容量要求的情况下实现最高总系统效率。

最终，在上述联合循环的情况下，可能并不需要整个再生器由活性材料制成。可能有利的是，将活性材料分散在其他非活性传统再生器材料当中来适当地平衡通过热声压缩过程和电热过程移动的热量。这仅可以在非活性材料未与活性材料直接热接触的情况下完成。结构可以具有场活化元件诸如电热聚合物膜，以及非活化元件诸如丝网堆，所述丝网堆沿流动方向交替堆叠，其中每种材料由流体间隙隔开。

一个实施方案涉及流体填充系统，所述流体填充系统含有由场敏感材料制成的多孔薄膜元件，热传递流体通道，两个或更多个热交换器，一个或多个致动器，一个或多个压力、温度或速度传感器以及一个或多个装置，所述一个或多个装置被配置来以特定顺序控制致动器并将场施加至再生器，所述特定顺序可能是预先确定的或者响应于或基于传感器信号而产生。另外，致动器可以由压电材料制成以产生完全呈固态的状态机。

高保真度建模表明直接接触环境空气的电热式热泵可以具备足够的性能来代替现有的蒸气压缩加热、通风和空调(hvac)装置，其中固态电热式热泵提供相似或更好的性能、更低的成本、更低的噪声并且不含有环境有害的制冷剂或任何可释放的化学质。

本公开的实施方案可以在与流动热传递流体紧密接触的再生热交换器中使用电热材料。

在一些实施方案中，流动热传递流体可以是与电热式热泵元件直接热接触的环境空气。

在一些实施方案中，可以针对支撑和隔开衬底的膜以及相关联的电极极性限定特殊要求以最大化热传递面积并且最小化寄生损失。

在一些实施方案中，模型可以用于识别hvac条件中对于性能而言的膜厚度的最佳范围。

在一些实施方案中，可以限定流体运动与材料活化之间的特定相态关系，所述特定相态关系根据容量和温升变化来进行有效控制。

在一些实施方案中，可以在电热材料活化的情况下提供对热传递流体运动的致动以便以限定的且受控的相态关系来产生压缩/平移/膨胀，从而使总温度升高成倍加大。

一个实施方案可以涉及薄膜型电热热泵元件，所述薄膜型电热热泵元件包括厚度为0.1微米-100微米(或其间的任何范围)的薄膜聚合物或陶瓷材料，诸如聚偏二氟乙烯(pvdf)、液晶聚合物(lcp)或钛酸锶钡(bst)，所述材料的缺陷变少归因于高电场作用能力；以及两侧上的电极，所述电极由通道内的热传递流体隔开并且与所述热传递流体紧密接触，所述通道的厚度为10微米-10毫米(或其间的任何范围)，其中所述流体可以通过施加的压力场而在整个元件上来回平移。

一个实施方案可以涉及与上述元件类似的元件，其中薄膜被由电极-膜-电极-膜……电极组成的多层材料代替。层的数目可以是2-20，从而允许每个单位体积具有更多的ece质量，而不需要将外加电压上升到高于300v。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中衬底支撑所述膜以防止疲劳。可以将这个衬底优化以在毕奥数可能最低的情况下提供必要的最小支撑。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中衬底包括延伸部以将膜隔开，从而产生用于热传递流体流的通道，进而实现衬底-膜-衬底-膜……衬底的叠层。膜可以被布置成使得面向衬底分隔体的电极将利用相同的极性来激励，以防止在衬底或流体上产生电弧。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中热传递流体来回平移，同时活性材料被激励和去激励以在流体中产生温度梯度并且加大温度升高。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中根据随着装置所要求的相对容量和温度升高的变化而变化的相态关系来将材料的活化与流体流的振荡同步以提供热泵容量/输入功率的最高比率。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中材料-电极-流体-衬底层在流体流动方向上分段并且由填充有流体的间隙隔开，从而减少流动方向上的热传导。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中所述材料的居里温度连续地或逐段地成梯度，以使得每个区段中的材料的居里温度更为接近所述区段在元件设计条件下的期望操作温度。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中活性材料膜含有在纵向上机械加工出的凹槽或横向钻出的孔，以产生用于热传递流体的通道，从而实现流体和材料的紧密接触。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，所述元件通过以下方式产生：将电热陶瓷或聚合物以及电极溶液或真空沉积在衬底上，所述衬底已经含有热传递流体通道，诸如陶瓷蜂窝体结构。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的元件，其中热传递流体至少部分是气体或蒸气，并且其中对流体运动的致动产生一系列：压缩、平移、膨胀以及根据受控相态关系利用对ece材料的激励和去激励来同步的平移，从而产生在ec效应和压缩两者之上加上温度升高的联合循环；并且要求更少的再生来产生所要求的温度升高。

一个实施方案可以涉及与上述一个或多个元件类似的在这种联合循环中操作的元件，其中将非活性材料添加至电热薄膜材料或衬底以用于实现ec效应与压缩效应之间的最佳平衡的目的。

一个实施方案可以涉及热泵元件，其中热传递流体是与电极化活性薄膜材料直接热接触的环境空气。电极化活性薄膜材料可以由联接至薄膜材料两侧的电极形成。在一些实施方案中，环境空气使用过度冷却或干燥技术来除湿以防止活性膜上发生冷凝。

如本文所述，在一些实施方案中，各种功能或动作可以在给定位置处发生和/或结合一个或多个设备、系统或装置的操作发生。例如，在一些实施方案中，给定功能或动作的部分可以在第一装置或位置处执行，并且所述功能或动作的其余部分可以在一个或多个另外的装置或位置处执行。

已就本公开的说明性实施方案描述了本公开的各方面。本领域普通技术人员通过回顾本公开将想到在所附权利要求的范围和精神内的众多其他实施方案、修改和变化。例如，本领域普通技术人员将了解，结合说明性附图所描述的步骤可以按所述次序以外的次序执行，并且所示出的一个或多个步骤可以是任选的。