基于导电聚合物的近场换热器系统

1.本发明涉及传热传质及能量转换领域，具体地，涉及一种基于导电聚合物的近场换热器系统。


背景技术：

2.自从科学家首次发现聚乙炔掺杂后导电率可以达到金属的级别以来(导电率从10-6
s/cm增加到103s/cm)，提出了导电聚合物这一概念。与常见的金属和半导体相比，导电聚合物具有成本低，质量轻、易成型等特点，以及具有良好的导电性、光电性等优点。通过掺杂一些氧化物或者硫化物，可以使得导电聚合物的热稳定温度达到300℃以上，如聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜具有非常优异的热稳定特性，十分适合应用在传热传质领域，比如太阳能电池，热电，热光伏等部件上，从而发挥导电聚合物柔性薄膜的一些特有性质，克服无机刚性材料的一些缺点和无机材料制备成本的局限。
3.现有公开号为cn114355692a的中国专利，其公开了一种基于近场热辐射的石墨烯智能热控薄膜，通过电压控制石墨烯中的电解质含量改变石墨烯的介电常数，从而改变真空层两侧的近场热辐射能量，进而对薄膜有效热辐射特性进行控制。该智能热控薄膜结构简单，耗电低，有助于灵活、有效控制卫星的温度场。本发明含真空层，引进了近场热辐射，同时利用了石墨烯介电性能调节和近场热辐射调节，增加了整个薄膜的有效发射率的调节范围。
4.现有公开号为cn111609750a的中国专利，其公开了一种基于近场辐射的可调控换热器件构造方法及系统，包括：步骤s1：搭建换热器件主体部分；采用温度监测传感器和电压调控器作为测试调控传感器；步骤s2：通过调控施加在石墨烯上的电压大小，调控换热器件的反馈换热；步骤s3：选择石墨烯和双曲超材料六方氮化硼搭建可调控换热器件；步骤s4：采用近场热辐射的散热机理搭建可调控换热器件；步骤s5：控制近场间距，获取基于近场辐射的可调控换热器件。
5.发明人认为目前技术主要利用石墨烯进行近场热辐射进行调控，调控薄膜的热辐射特性。但由于没有对薄膜建立反馈调节机制，从而无法自主调节换热量，且对于薄膜的使用没有采用具有双曲介电常数特性的导电聚合物，导致换热效果不佳。因此，需要提供一种建立反馈调节机制，能够自主调节换热量，且充分利用薄膜的双曲介电常数特性的基于导电聚合物的近场换热器系统。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于导电聚合物的近场换热器系统。
7.根据本发明提供的一种基于导电聚合物的近场换热器系统,包括：柔性复合结构、计算机、偏置电压控制器以及温度传感器；所述柔性复合结构包括导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜和石墨烯层；两个所述柔性复合结构相对设置，所述偏置电压控制器
和所述温度传感器均设置在位于下端的所述柔性复合结构的表面；所述偏置电压控制器和所述温度传感器均与所述计算机电连接。
8.优选地，所述聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜与所述石墨烯层通过化学合成与转移制备形成所述柔性复合结构。
9.优选地，所述聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的制备方法包括如下步骤：将三氟甲磺酸铁溶解在乙醇、聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇和n-甲基吡咯烷酮的混合溶液中，静置后与3,4-乙烯二氧噻吩混合，直接喷洒在聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯基底上进行不同转速的旋涂就可以得到不同厚度的聚3，4-乙基二氧噻吩：三氟甲磺酸盐，再滴加硫酸放置干燥后就可得到聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜。
10.优选地，所述聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐通过旋涂转速控制的薄膜厚度为50-80纳米。
11.优选地，所述石墨烯层为化学气相沉积得到的单层石墨烯层，通过转移方法放置到所述聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜上制备形成所述柔性复合结构。
12.优选地，两个柔性复合结构之间的间距在20-100纳米之间。
13.优选地，位于下端的所述柔性复合结构的控制温度为300k。
14.优选地，所述温度传感器包括温度热电偶传感器，用于探测所述柔性复合结构(1)的表面温度。
15.优选地，所述偏置电压控制器(3)用于调控所述石墨烯层的化学势能。
16.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
17.1、本发明通过利用导电聚合物的柔性特性与介电常数的双曲特性，结合石墨烯层进行近场换热器的有机调控，通过温度传感器探测柔性复合结构的表面温度，通过偏置电压控制器调控石墨烯层的化学势能，通过计算机进行反馈控制调节，实现对近场换热系统的换热量的动态调控。
18.2、本发明通过采用具有双曲特性的柔性导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐，可以有效解决普通柔性材料近场热辐射的低换热量问题，有助于实现高效换热。
附图说明
19.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
20.图1为本发明主要体现基于导电聚合物的近场换热器系统的整体结构示意图；
21.图2为本发明主要体现导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的面内和面外介电常数实部；
22.图3为本发明主要体现导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的面内和面外介电常数虚部；
23.图4为本发明主要体现导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜和天然双曲材料六方氮化硼的近场热辐射随近场间距的变化；
24.图5为本发明主要体现导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的近场热辐射在不同近场间距下随温差变化的影响情况；
25.图6为本发明主要体现导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐与石墨烯构建的
柔性复合结构的近场热辐射随近场间距的变化。
26.图中所示：
27.柔性复合结构1计算机2偏置电压控制器3
28.温度传感器4
具体实施方式
29.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
30.如图1所示，根据本发明提供的一种基于导电聚合物的近场换热器系统，包括：柔性复合结构1、计算机2、偏置电压控制器3以及温度传感器4；柔性复合结构1包括导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜和石墨烯层；两个柔性复合结构1相对设置，偏置电压控制器3和温度传感器4均设置在位于下端的柔性复合结构1的表面；偏置电压控制器3和温度传感器4均与计算机2电连接。
31.本技术采用聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜构建近场热辐射系统，并利用石墨烯层与聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的复合结构，通过导线建立温度传感器4与偏置电压控制器3、计算机2的信号连接，实现对换热器系统的调节与控制，从而进行换热量的主动调控。基于有机等离子体共振的近场热辐射系统，可以实现不同近场间距和不同偏置电压下的换热量调节。本技术能够有效解决现有近场换热器系统需要采用无机刚性材料，换热调节性能差的问题，可以很大程度上促进柔性近场换热器系统在消费电子高效传热等领域的应用。
32.聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜与石墨烯层通过化学合成与转移制备形成柔性复合结构1。
33.聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的制备方法包括如下步骤：将三氟甲磺酸铁溶解在乙醇、聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇和n-甲基吡咯烷酮的混合溶液中，静置后与3,4-乙烯二氧噻吩混合，直接喷洒在聚苯乙烯-聚乙烯-聚丁烯-聚苯乙烯基底上进行不同转速的旋涂就可以得到不同厚度的聚3，4-乙基二氧噻吩：三氟甲磺酸盐，再滴加硫酸放置干燥后就可得到聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜。
34.聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐通过旋涂转速控制的薄膜厚度为50-80纳米。
35.石墨烯层为化学气相沉积得到的单层石墨烯层，通过转移方法放置到聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜上制备形成柔性复合结构1。
36.温度传感器4包括温度热电偶传感器，用于探测柔性复合结构1的表面温度。采用温度传感器4实时监测制冷端温度，通过反馈控制，实现对换热器系统热端的温度控制与换热量调控。
37.偏置电压控制器3用于调控石墨烯层的化学势能，实现对近场换热量的动态调控，且石墨烯层与导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜均属于柔性材料，可以进一步扩展使用场景。
38.两个柔性复合结构1之间的间距在20-100纳米之间。位于下端即制冷端的柔性复
合结构1的控制温度为300k。利用导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的介电常数表现出的双曲特性进行近场热输运增强，可以有效解决普通柔性材料近场热辐射的低换热量问题，实现高效换热，从而实现较强的近场换热量控制能力。温度传感器4和偏置电压控制器3，利用计算机2进行反馈控制调节，通过施加偏置电压，实现对近场换热系统的换热量的动态调控。
39.本技术主要是利用导电聚合物的柔性特性与介电常数的双曲特性，结合石墨烯进行近场换热器的有机调控。
40.如图2和图3所示，为本技术合成的导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的介电函数实部和虚部。可以发现面内介电常数的实部在0.3
–
7.02μm和7.48
–
9μm之间表现为正值，在7.02
–
7.48μm之间为负值。而面外介电常数的实部在0.3
–
0.71μm之间为正值，其他波段为负值。因此聚3，4-乙基二氧噻吩：三氟甲磺酸盐的介电常数在0.3
–
0.71μm表现出椭圆特性，在0.71μm附近表现出近零现象，而在0.71
–
7.02μm和大于7.48μm表现出非常强的双曲特性。
41.如图4所示，为导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜和天然双曲材料六方氮化硼的近场热辐射随近场间距的变化情况。为了体现对比性，计算了天然双曲材料六方氮化硼(hbn)之间的近场热辐射。可以明显的发现在近场间距小于1000nm时，聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的近场辐射量远大于hbn。其中当近场间距为10nm时，聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜之间的近场辐射量为3.86
×
105w/m2，远大于同温度下六方氮化硼之间的近场辐射量(7.66
×
104w/m2)，可以明显发现其近场热辐射相比六方氮化硼可以增加5倍以上。
42.如图5所示，为导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的近场热辐射在不同近场间距下随温差变化的影响情况。随着温差的增加，近场热辐射量基本线性增加。当近场间距为20nm和温差为200k时，导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的近场热辐射为2.06
×
106w/m2，而此时六方氮化硼的近场热辐射为4.28
×
105w/m2。导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜作为导电聚合物，表现出非常强的近场增强特性，并且在不同的近场间距下的相比六方氮化硼都表现出更具优异的近场增强效果。
43.如图6所示，为导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐与石墨烯构建的柔性复合结构1的近场热辐射随近场间距的变化；通过在聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜表面覆盖一层石墨烯层，可以有效增强近场热辐射。且石墨烯层受热激发的等离子体激元的强度和激发波段一定程度可以应用偏置电压进行调控，从而改变近场热辐射特性。可以看到当近场间距小于35nm时，导电聚合物聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐与石墨烯构建的柔性复合结构1的近场热辐射量大于聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜。而随着近场间距的增加，聚3，4-乙基二氧噻吩：硫酸盐薄膜的近场热辐射量增大。说明随着最近间距的增加，石墨烯的作用在下降，甚至会造成柔性复合结构1近场传热量降低。
44.本技术主要是利用导电聚合物的柔性特性与介电常数的双曲特性，结合石墨烯进行近场换热器的有机调控。温度传感器4用于探测柔性复合结构1的表面温度，偏置电压控制器3用于调控石墨烯层的化学势能，利用计算机2进行反馈控制调节，通过施加偏置电压，实现对近场换热系统的换热量的动态调控。
45.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖
直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
46.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。