形成具有内置直流偏压电场电卡聚合物的方法及制冷装置的制造方法
形成具有内置直流偏压电场电卡聚合物的方法及制冷装置的制造方法
【专利说明】
[0001 ]本申请主张于2014年9月15日申请的美国临时申请号为62/050,613号的优先权。
技术领域
[0002]本发明涉及一种利用电卡聚合物的制冷装置。特别的，本申请是有关于包括具有内置的直流偏压电场的电卡聚合物的制冷装置及其制造方法。
【背景技术】
[0003]电卡效应提供了一种有效的方式来实现高效和环保的冷却工艺，尤其是如果在该效应是很巨大时。电卡效应是热特性和电特性之间直接耦合的结果，例如热特性有熵和温度，电特性有电场和绝缘介电材料中的极化。例如施加电场的改变引起对应的电极化的改变，进一步引起通过在电介质中的热熵变A S而测量出来的电偶极子熵Sp的改变(熵变和热的关系是Q = T AS，其中T是指温度)。如果电场的变化是在绝热状态下实现的，电介质将历经绝热温度的变化AT。
[0004]然而，过去所报道的具有较小电卡效应的材料(ΔT〈2K)对于制冷装置并不实用。近期，发现一类有极电介质聚合物，可以产生一种非常巨大的电卡效应(尼斯等，在接近室温的铁电聚合物中的大型电卡效应。科学，321,821-823(2008);卢等，具有巨大电卡效应的有机和无机弛豫铁电体，Appl.Phys.Lett.,97,162904(2010);李等，在弛豫铁电体中的电卡效应的可调谐温度特性P( VDF-TrFE-CFE)三元共聚物，Appl.Phys.Lett.99，052907(2011))。因此，继续需要改进电卡聚合物的电卡效应以及这些聚合物在制冷装置中的使用。
【发明内容】
[0005]本发明的一优点在于包括制冷装置，例如空调，冰箱和热栗，包括设有内置的直流偏压场的电卡效应聚合物。该电卡效应聚合物具有增强的A T和△ T/ △ E特性。
[0006]—制冷装置至少部分地满足很多优点，包括具有电卡聚合物(EC polymer)的制冷剂，其中该电卡聚合物具有内置的直流偏压场。有利地，该制冷装置可从一温度到另一温度来进行传输热量，特别是从一较低的温度T。负荷至较高的温度Th(Th>T。)端。
[0007]具有内置的直流偏压场的电卡聚合物，其可为聚合物层，混合物，或复合材料的形式，例如，具有高电卡效应的纳米复合材料。例如，该增强的电卡聚合物可包括，混合物或以多层的形式排列:(i)至少一高性能电卡聚合物以及(ii)至少一其他聚合物，例如常规铁电聚合物，其可提供一内置的直流偏压场。或者，该增强的电卡聚合物可包括:(i)至少一高性能电卡聚合物和(ii)至少一陶瓷材料，其可提供一内置的直流偏压电场。
[0008]高性能的电卡聚合物可包括，例如，化学式为P(VDF1-X1-R1X-R2y)的三元共聚物，其中R1是TrFE或TFE，或者它们的结合，而R2是CFE，CTFE，CDFE，HFP，HFE，VDC，VF，TFE或它们的结合。变量X的范围是从0.01到0.49，而y的范围是从0.01到0.15。该至少一聚合物或一陶瓷材料可提供材料内置的直流偏压电场，例如，化学式为P (VDF1-z-TrFEz)的共聚物，其中z的范围是从0.1到0.5，最佳的范围是0.2到0.45，或者化学式为P(VDF1-Z-TFEz),其中Z的范围是从0.1到0.4，最佳为从0.15到0.3，或者是钛酸钡以及其派生物。
[0009]本发明的另一优点包括形成一具有内置的直流偏压场的电卡聚合物的方法。该方法包括将具有附加材料的电卡聚合物在电场中使得该附加材料经受极化并为电卡聚合物形成一内置的直流偏压电场。该具有附加材料的电卡聚合物可经过电压高于1000伏而温度超过30°C的电晕极化。或者，该具有附加材料的电卡聚合物经过温度高于300C，高于100MV/m的电场且时间超过一分钟。
[0010]本发明的其他优点在于对于本领域技术人员来说根据下面的描述变得更加显而易见，其中给出了本发明的较佳实施方式，较佳实施方式可简明地描述本发明。本发明可以有其他的不同的实施方式，且具体内容可以有各种的变化，其都属于本发明的一部分。因此，本发明的附图和说明并不构成对本发明的限制。
【附图说明】
[0011]附图中的同一元件具有相同的标号，其中:
[0012]图1(a)和1(b)图表用于说明聚合物的电卡效应随外加电场的变化。图1(a)是显示在P(VDF-TrFE-CFE)弛豫铁电体三元共聚物中由电卡效应诱导的绝热温度变化Δ T(李等，Appl.Phys.Lett.99,052907(2011);图1(b)是显示对于一在图1(a)中具有一内置的直流偏压电场EMater(EMater = 40MV/m，在例子中)的电卡聚合物对于相同的Δ E而增加的Δ T。图中显示在没有一40MV/m的内置的直流偏压电场时，AE = 20MV/m将产生delta(T)=40(inarb.Unit)而在内置的直流偏压电场EMater = 40MV/m，a Δ E = 20MV/m将产生一delta(T) = 200(in arb.Unit)，是其5倍高。
[0013]图2说明弛豫铁电体三元共聚物在室温下的极化电场循环与标准的铁电体P(VDF-TrFE)的极化电场循环的比较。
[0014]图3(a)和图3(b)说明具有一内置的直流偏压电场的电卡聚合物。图3(a)是一具有内置的直流偏压电场的多层电卡聚合物的原理图，其多层电卡聚合物由驰豫铁电体聚合物和常规铁电体聚合物交替组成，其内置的直流偏压电场由常规铁电体聚合物提供。一般而言，电卡聚合物层的厚度应该大致是常规铁电体聚合物层厚度的10倍。图3(b)是在P(VDF-TrFE)层320(其作为在电卡聚合物中的一内置的(嵌入)直流偏压电场)中的对齐的电偶极子而在电卡(驰豫铁电体)铁电体聚合物310中诱导电偶极子的部分的取向的示意图。
[0015]图4是一种其内为常规铁电体聚合物分散在电卡聚合物基体中的混合或其内为一种常规铁电体陶瓷的纳米粒子分散在电卡聚合物基体中的纳米复合材料的示意图。
[0016]图5(a)和图5(b)图表中的图5(a)显示了在增强的电卡聚合物内的增强的极化反应，其为一驰豫铁电体P (VDF-TrFE-CFE) /P (VDF-TrFE) (90/1 Owt % )的极化混合。当该混合被极化以及该操作场(作用场)是沿着该极化方向，在整体电压范围内该极化显著地增加。图 5 (b)显示了在驰豫铁电体混合物 P (VDF-TrFE-CFE) /P (VDF-TrFE )90/10wt%*，在 10MV/m的作用场下增强的极化和VDF组份的关系。内置的直流偏压电场取决于P(VDF-TrFE)的成分。在混合物中，如果P(VDF2-TrFE1-Z)中VDF的成分z>0.9，与纯三元共聚物相比，该极化级别降低。
[0017]图6 显示了在驰豫铁电体 P(VDF-TrFE-CFE)/P(VDF-TrFE)(65/35mol%)90/10wt%的混合物，由于已建立的内置的直流偏压电场，增强的电卡效应(A T)与施加电场的关系。也就是说，极化的混合物(增强的电卡聚合物)的A T高于未极化混合物的△ T，特别是在低电场中，例如在低于50MV/m的施加电场中。
【具体实施方式】
[0018]本发明是有关于制冷装置，包括但不限于热栗，冰箱和空调，气候控制系统，等等，其包括一个或多个设有内置的直流偏压电场作为制冷剂的电卡效应聚合物，例如，切实可行的包括在装置中以传输热量，例如从低温载荷传输热量至高温散热片。有益地，具有内置的直流偏压电场的电卡聚合物，在施加和取消外加电场或电压时，具有一很大的温度/熵的变化。
[0019]电卡聚合物可具有通过包括有附加的材料来产生内置的直流偏压电场而增强的电卡特性。在聚合物中，在其内可获得一大的电卡效应(参见示例图1(a))，当该施加电场低，该电卡效应也低。例如，当施加电场是从O到40MV/m( △ E = 40MV/m)增加时，由于电卡效应，聚合物的温度变量(A T)小于0.8K。另一方面，电场从40MV/m增强到80MV/m( Δ E = 40MV/111)时，八1'变为>4.21((当电场从0增加至8(^/111，八丁 = 510。有图1(&)所测量到的该电卡聚合物为P (VDF-TrFE-CFE)驰豫铁电体三元共聚物。
[0020]如果电卡聚合物具有一内置的直流偏压电场等于40MV/m，该施加电场从O到40MV/m的变化将导致ΛΤ = 4.2Κ，而不是低于0.8K的值。在电卡性能中，4.2K是一个显著的改进。对于实际的制冷装置，如果可以诱导相同的AT，一低操作电场被认为是比较好的。换言之，对于实际的制冷装置，一大的A T和△ T/ △ E被认为是比较好的。
[0021]例如图1 (b)所示，对于一具有内置的直流偏置电场(在例子中，EMater = 40MV/m)的电卡聚合物(图1(a))的相同的ΔΕ，AT可显著地增加。该具有一内置的直流偏压电场的电卡聚合物可由一具有一常规铁电体聚合物如P( VDF-TrFE)的电卡聚合物混合而制备。图1(a)和图1(b)给出了不具有内置的直流偏压电场，40MV/m，AE = 20MV/m将产生一 Δ (T)?40(在arb.Un i t)。设有一内部的内置直流偏压电场Enater = 40MV/m ,ΔΕ = 20MV/m将产生Λ (T)??200(在arb.Unit)。
[0022]关于驰豫铁电体例如(P(VDF-TrFE-R)，(P(VDF-TrFE)的电卡聚合物在低电场时的低电卡效应的原因是，当该施加电场E = O时，接近零极化P的聚合物的特性，如图2所示。驰豫铁电体例如(P(VDF-TrFE-R)，( P (VDF-TrFE )，聚酯的(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(vinylidene fluoride-trifluoroethylene )，其中 R 可为氯氣乙稀((chi or of luoroethylene))，三氣氯乙稀(chlorotrifluoro ethylene)，或者六氣丙稀(hexaf luorop
【专利说明】
[0001 ]本申请主张于2014年9月15日申请的美国临时申请号为62/050,613号的优先权。
技术领域
[0002]本发明涉及一种利用电卡聚合物的制冷装置。特别的，本申请是有关于包括具有内置的直流偏压电场的电卡聚合物的制冷装置及其制造方法。
【背景技术】
[0003]电卡效应提供了一种有效的方式来实现高效和环保的冷却工艺，尤其是如果在该效应是很巨大时。电卡效应是热特性和电特性之间直接耦合的结果，例如热特性有熵和温度，电特性有电场和绝缘介电材料中的极化。例如施加电场的改变引起对应的电极化的改变，进一步引起通过在电介质中的热熵变A S而测量出来的电偶极子熵Sp的改变(熵变和热的关系是Q = T AS，其中T是指温度)。如果电场的变化是在绝热状态下实现的，电介质将历经绝热温度的变化AT。
[0004]然而，过去所报道的具有较小电卡效应的材料(ΔT〈2K)对于制冷装置并不实用。近期，发现一类有极电介质聚合物，可以产生一种非常巨大的电卡效应(尼斯等，在接近室温的铁电聚合物中的大型电卡效应。科学，321,821-823(2008);卢等，具有巨大电卡效应的有机和无机弛豫铁电体，Appl.Phys.Lett.,97,162904(2010);李等，在弛豫铁电体中的电卡效应的可调谐温度特性P( VDF-TrFE-CFE)三元共聚物，Appl.Phys.Lett.99，052907(2011))。因此，继续需要改进电卡聚合物的电卡效应以及这些聚合物在制冷装置中的使用。
【发明内容】
[0005]本发明的一优点在于包括制冷装置，例如空调，冰箱和热栗，包括设有内置的直流偏压场的电卡效应聚合物。该电卡效应聚合物具有增强的A T和△ T/ △ E特性。
[0006]—制冷装置至少部分地满足很多优点，包括具有电卡聚合物(EC polymer)的制冷剂，其中该电卡聚合物具有内置的直流偏压场。有利地，该制冷装置可从一温度到另一温度来进行传输热量，特别是从一较低的温度T。负荷至较高的温度Th(Th>T。)端。
[0007]具有内置的直流偏压场的电卡聚合物，其可为聚合物层，混合物，或复合材料的形式，例如，具有高电卡效应的纳米复合材料。例如，该增强的电卡聚合物可包括，混合物或以多层的形式排列:(i)至少一高性能电卡聚合物以及(ii)至少一其他聚合物，例如常规铁电聚合物，其可提供一内置的直流偏压场。或者，该增强的电卡聚合物可包括:(i)至少一高性能电卡聚合物和(ii)至少一陶瓷材料，其可提供一内置的直流偏压电场。
[0008]高性能的电卡聚合物可包括，例如，化学式为P(VDF1-X1-R1X-R2y)的三元共聚物，其中R1是TrFE或TFE，或者它们的结合，而R2是CFE，CTFE，CDFE，HFP，HFE，VDC，VF，TFE或它们的结合。变量X的范围是从0.01到0.49，而y的范围是从0.01到0.15。该至少一聚合物或一陶瓷材料可提供材料内置的直流偏压电场，例如，化学式为P (VDF1-z-TrFEz)的共聚物，其中z的范围是从0.1到0.5，最佳的范围是0.2到0.45，或者化学式为P(VDF1-Z-TFEz),其中Z的范围是从0.1到0.4，最佳为从0.15到0.3，或者是钛酸钡以及其派生物。
[0009]本发明的另一优点包括形成一具有内置的直流偏压场的电卡聚合物的方法。该方法包括将具有附加材料的电卡聚合物在电场中使得该附加材料经受极化并为电卡聚合物形成一内置的直流偏压电场。该具有附加材料的电卡聚合物可经过电压高于1000伏而温度超过30°C的电晕极化。或者，该具有附加材料的电卡聚合物经过温度高于300C，高于100MV/m的电场且时间超过一分钟。
[0010]本发明的其他优点在于对于本领域技术人员来说根据下面的描述变得更加显而易见，其中给出了本发明的较佳实施方式，较佳实施方式可简明地描述本发明。本发明可以有其他的不同的实施方式，且具体内容可以有各种的变化，其都属于本发明的一部分。因此，本发明的附图和说明并不构成对本发明的限制。
【附图说明】
[0011]附图中的同一元件具有相同的标号，其中:
[0012]图1(a)和1(b)图表用于说明聚合物的电卡效应随外加电场的变化。图1(a)是显示在P(VDF-TrFE-CFE)弛豫铁电体三元共聚物中由电卡效应诱导的绝热温度变化Δ T(李等，Appl.Phys.Lett.99,052907(2011);图1(b)是显示对于一在图1(a)中具有一内置的直流偏压电场EMater(EMater = 40MV/m，在例子中)的电卡聚合物对于相同的Δ E而增加的Δ T。图中显示在没有一40MV/m的内置的直流偏压电场时，AE = 20MV/m将产生delta(T)=40(inarb.Unit)而在内置的直流偏压电场EMater = 40MV/m，a Δ E = 20MV/m将产生一delta(T) = 200(in arb.Unit)，是其5倍高。
[0013]图2说明弛豫铁电体三元共聚物在室温下的极化电场循环与标准的铁电体P(VDF-TrFE)的极化电场循环的比较。
[0014]图3(a)和图3(b)说明具有一内置的直流偏压电场的电卡聚合物。图3(a)是一具有内置的直流偏压电场的多层电卡聚合物的原理图，其多层电卡聚合物由驰豫铁电体聚合物和常规铁电体聚合物交替组成，其内置的直流偏压电场由常规铁电体聚合物提供。一般而言，电卡聚合物层的厚度应该大致是常规铁电体聚合物层厚度的10倍。图3(b)是在P(VDF-TrFE)层320(其作为在电卡聚合物中的一内置的(嵌入)直流偏压电场)中的对齐的电偶极子而在电卡(驰豫铁电体)铁电体聚合物310中诱导电偶极子的部分的取向的示意图。
[0015]图4是一种其内为常规铁电体聚合物分散在电卡聚合物基体中的混合或其内为一种常规铁电体陶瓷的纳米粒子分散在电卡聚合物基体中的纳米复合材料的示意图。
[0016]图5(a)和图5(b)图表中的图5(a)显示了在增强的电卡聚合物内的增强的极化反应，其为一驰豫铁电体P (VDF-TrFE-CFE) /P (VDF-TrFE) (90/1 Owt % )的极化混合。当该混合被极化以及该操作场(作用场)是沿着该极化方向，在整体电压范围内该极化显著地增加。图 5 (b)显示了在驰豫铁电体混合物 P (VDF-TrFE-CFE) /P (VDF-TrFE )90/10wt%*，在 10MV/m的作用场下增强的极化和VDF组份的关系。内置的直流偏压电场取决于P(VDF-TrFE)的成分。在混合物中，如果P(VDF2-TrFE1-Z)中VDF的成分z>0.9，与纯三元共聚物相比，该极化级别降低。
[0017]图6 显示了在驰豫铁电体 P(VDF-TrFE-CFE)/P(VDF-TrFE)(65/35mol%)90/10wt%的混合物，由于已建立的内置的直流偏压电场，增强的电卡效应(A T)与施加电场的关系。也就是说，极化的混合物(增强的电卡聚合物)的A T高于未极化混合物的△ T，特别是在低电场中，例如在低于50MV/m的施加电场中。
【具体实施方式】
[0018]本发明是有关于制冷装置，包括但不限于热栗，冰箱和空调，气候控制系统，等等，其包括一个或多个设有内置的直流偏压电场作为制冷剂的电卡效应聚合物，例如，切实可行的包括在装置中以传输热量，例如从低温载荷传输热量至高温散热片。有益地，具有内置的直流偏压电场的电卡聚合物，在施加和取消外加电场或电压时，具有一很大的温度/熵的变化。
[0019]电卡聚合物可具有通过包括有附加的材料来产生内置的直流偏压电场而增强的电卡特性。在聚合物中，在其内可获得一大的电卡效应(参见示例图1(a))，当该施加电场低，该电卡效应也低。例如，当施加电场是从O到40MV/m( △ E = 40MV/m)增加时，由于电卡效应，聚合物的温度变量(A T)小于0.8K。另一方面，电场从40MV/m增强到80MV/m( Δ E = 40MV/111)时，八1'变为>4.21((当电场从0增加至8(^/111，八丁 = 510。有图1(&)所测量到的该电卡聚合物为P (VDF-TrFE-CFE)驰豫铁电体三元共聚物。
[0020]如果电卡聚合物具有一内置的直流偏压电场等于40MV/m，该施加电场从O到40MV/m的变化将导致ΛΤ = 4.2Κ，而不是低于0.8K的值。在电卡性能中，4.2K是一个显著的改进。对于实际的制冷装置，如果可以诱导相同的AT，一低操作电场被认为是比较好的。换言之，对于实际的制冷装置，一大的A T和△ T/ △ E被认为是比较好的。
[0021]例如图1 (b)所示，对于一具有内置的直流偏置电场(在例子中，EMater = 40MV/m)的电卡聚合物(图1(a))的相同的ΔΕ，AT可显著地增加。该具有一内置的直流偏压电场的电卡聚合物可由一具有一常规铁电体聚合物如P( VDF-TrFE)的电卡聚合物混合而制备。图1(a)和图1(b)给出了不具有内置的直流偏压电场，40MV/m，AE = 20MV/m将产生一 Δ (T)?40(在arb.Un i t)。设有一内部的内置直流偏压电场Enater = 40MV/m ,ΔΕ = 20MV/m将产生Λ (T)??200(在arb.Unit)。
[0022]关于驰豫铁电体例如(P(VDF-TrFE-R)，(P(VDF-TrFE)的电卡聚合物在低电场时的低电卡效应的原因是，当该施加电场E = O时，接近零极化P的聚合物的特性，如图2所示。驰豫铁电体例如(P(VDF-TrFE-R)，( P (VDF-TrFE )，聚酯的(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(vinylidene fluoride-trifluoroethylene )，其中 R 可为氯氣乙稀((chi or of luoroethylene))，三氣氯乙稀(chlorotrifluoro ethylene)，或者六氣丙稀(hexaf luorop
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0访客 来自[中国] 2023年02月10日 06:31有样板机实际运转的具体地址就好了？实地考察之后！一旦应用，数年，会改写制冷行业标准。
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