[发明专利]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

说明书

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

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

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ΔS而测量出来的电偶极子熵S_p的改变(熵变和热的关系是Q＝TΔS，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ΔT。

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

本发明的一优点在于包括制冷装置，例如空调，冰箱和热泵，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ΔT和ΔT/ΔE特性。

一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_c负荷至较高的温度T_h(T_h>T_c)端。

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。

高性能的电卡聚合物可包括，例如，化学式为P(VDF_1-x-y-R¹_x-R²_y)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(VDF_1-z-TrFE_z)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(VDF_1-z-TFE_z)，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。

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℃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30℃，高于100MV/m的电场且时间超过一分钟。

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

附图中的同一元件具有相同的标号，其中：