基于膜的空调系统技术方案

提供了一种空调(AC)系统，其采用磺化共聚物(SC)层作为选择性渗透和离子交换膜。磺化嵌段共聚物的IEC大于0.5meq/g。在某些实施方案中，磺化嵌段共聚物用于形成膜本身或粘合/涂覆到膜或泡沫上。在某些实施方案中，AC采用膜电极组件，即在除湿机中使用跨膜电场来输送水分，从而产生干燥空气流，同时使用蒸发冷却机通过蒸发诱导冷却来自除湿机的干燥空气流来去除潜热。该系统作为闭环运行，其中冷却后的室内空气被再循环或循环回除湿膜电极组件，以产生用于蒸发冷却机的干燥空气，从而产生调节过的空气。过的空气。过的空气。

Membrane based air conditioning system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于膜的空调系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求申请日为2019年10月10日的美国临时申请号 62/913421、申请日为2019年11月14日的美国临时申请号62/935305 和申请日为2020年1月26日的美国临时申请号62/966011的优先权, 其整个公开内容通过引用并入本文。


[0003]本公开涉及包含磺酸盐共聚物膜的空调器和空气除湿机。

技术介绍

[0004]基于水蒸发散热的传统冷却器有两种：(1)用于冷却大空间的大型 冷却塔，其提供间接蒸发冷却，由于基础设施尺寸要求，无法轻易缩小 规模；(2)沙漠冷却器，其通过增湿周围环境提供直接蒸发冷却，和由于 湿度饱和问题，其在高湿度环境下无法正常工作。
[0005]基于制冷剂的传统空调器(A/C)通过具有循环制冷剂冷凝和蒸发循 环的工艺空气热交换提供间接冷却。该空调器效率低下，因为水冷凝导 致工艺空气温度降低，水冷凝热量降低了系统的冷却效率。在许多情况 下，除湿是基于制冷剂的系统的主要功能，在许多情况下，这包括除湿 步骤后的空气加热循环，以调节分配的空气温度，从而进一步降低系统 效率。
[0006]基于干燥剂轮或制冷循环的现有技术除湿系统对于湿空气除湿、干 燥剂再生和制冷循环运行具有极高的能量要求。
[0007]随着气候变化带来各种环境挑战，特别是随着空调需求的不断增长， 因此有必要使用更节能的空调来为家庭、办公室、工厂等进行冷却和除 湿。因为目前的技术状态是能源密集型的，这会导致能源生产层面的高 碳排放。
[0008]专利技术概述
[0009]在一个方面，本公开涉及一种包括除湿机组或蒸发冷却机组或二者 的AC系统，其中除湿机和蒸发冷却机组包括选择性渗透和离子交换聚 合物基膜组件。如果不是完全由磺化共聚物(SC)构成，膜组件可主要包 括磺化共聚物(SC)，或者可制备为包括其他材料(例如泡沫)的SC基复 合材料。SC优选具有大于0.5meq/g的IEC。在某些实施方案中，除湿 机组采用包括一对电极的膜电极组件(MEA)。在MEA上施加电压允许空 气水分从MEA的入口侧扩散到出口侧。由于选择性渗透和离子交换聚合 物基膜可渗透空气水分，但不渗透其他空气成分，因此在MEA从潮湿空 气中提取水分后产生除湿过的空气。蒸发冷却机组的选择性渗透和离子 交换聚合物基膜用作水蒸发介质，其中存在于膜中的水分子在吸收通过 的暖空气的潜热时蒸发，从而导致空气流的冷却。所述空调系统作为闭 环运行，其中室内空气循环回到除湿和蒸发冷却机组以进行另一轮冷却 和除湿。
[0010]蒸发冷却机组包括以下：进气口；一个或多个选择性透水和高离子 交换容量的膜组件；用于向用作蒸发介质的膜提供水的水源；一个或多 个带有扇叶的风扇，扇叶可涂覆有选择性渗透膜；和回风口。除湿机组 包括以下：一个或多个选择性透水和高离子交换容
量的膜；位于膜的相 对两侧的一对电极；用于在电极上产生电压的电源；和除湿过的风的回 口。除湿机组可用于对相对湿度(RH)为至少10％的空气进行除湿。电极 可引入包括金属、金属氧化物、有机金属化合物以及无机和有机化合物 的材料。电极还可包括一种或多种例如以下形式的颗粒或成分：碳布、 织造和非织造导电材料、纳米管、纳米片、纳米颗粒。
[0011]在另一方面，选择性透水和高离子交换容量的膜允许质子交换穿过 膜且具有大于0.5meq/g的离子交换容量。所述膜可包括一个或多个SC 层，其厚度在约5
‑
500微米之间。在其他实施方案中，SC可具有至少 25％的磺化度。在某些实施方案中，所述膜主要由至少一种类型的磺化 聚合物或共聚物制成。所述膜可提供抗菌性能。
[0012]在某些实施方案中，磺化共聚物可具有以下任何构型：A
‑
B
‑
D
‑
B
‑
A、 A
‑
D
‑
B
‑
D
‑
A、(A
‑
D
‑
B)
n
A、(A
‑
B
‑
D)
n
A、(A
‑
B
‑
D)
n
X和(A
‑
D
‑
B)
n
X。A
‑
嵌段优 选基本上不含磺酸或磺酸酯官能团，且选自以下聚合物单元中的一种或 多种：(i)对位取代的苯乙烯单体，(ii)乙烯，(iii)3
‑
18个碳原子的α
ꢀ‑
烯烃；(iv)1,3
‑
环二烯单体，(v)氢化前乙烯基含量小于35mol％的共 轭二烯单体，(vi)丙烯酸酯，(vii)甲基丙烯酸酯，和(viii)它们的混合 物，其中n为2
‑
30的整数，X为偶联剂残基。
[0013]基于单体单元的数量，B嵌段可包含约10
‑
100mol％的磺酸或磺酸酯 官能团，并包含一个或多个聚合乙烯基芳香族单体的链段，其中n为约 2
‑
30的整数，其中X为偶联剂残基。嵌段D可包含选自异戊二烯和1,3
‑ꢀ
丁二烯及其混合物的共轭二烯的氢化聚合物或共聚物，其中n为约2
‑
30 的整数，且X为偶联剂残基。
[0014]可用于该应用的替代选择性渗透离子交换材料包括全氟化和磺化 聚合物，或具有(A
‑
B
‑
A)n构型的磺化嵌段聚合物。
[0015]空调器的蒸发冷却部件表面可涂覆有选择性渗透材料，例如具有选 择性亲水性的磺化苯乙烯嵌段共聚物，其显示出比自由水明显更高的蒸 发焓，从而促进每单位蒸发的水量中经过空气的更大的温度降低。表面 涂层可通过喷涂、浸渍、喷漆或浇铸工艺涂覆在传统蒸发冷却介质上， 或者，涂层也可涂覆在风扇叶片表面内有供水的特殊设计的风扇上。
[0016]附图简述
[0017]图1是空调系统的实施方案的示意图。
[0018]图2是示出空调装置内的除湿部件的实施方案的示意图。
[0019]图3是示出中空纤维膜(HFM)组件的实施方案的示意图。
[0020]图4A是示出除湿系统中选择性透水膜堆叠实例的示意图。
[0021]图4B是图4A中每层除湿的中心板的示意图。
[0022]图4C示出了具有真空驱动扩散的除湿板组件的细节，其设计特点 旨在最大化活性膜表面积。
[0023]图4D示出了除湿芯的概观，该芯带有除湿用真空接头。
[0024]图5是示出整个空调系统的示意图。
[0025]图6是窗式空调器的一个实施方案的示意图。
[0026]图7A是用于空调器的风扇的实施方案的示意图。
[0027]图7B是风扇中中空叶片的实施方案的示意图。
[0028]图8是示出窗式空调系统的实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种空调系统，其包括：a)用于将空气吸入空调系统的入口；b)具有多个用于在所述空调系统内循环空气的风扇叶片的风扇组件；c)至少一个蒸发冷却机组，其包括蒸发冷却机介质和用于向所述蒸发冷却机介质供水的水源；d)至少一个除湿机组，其包括：包括至少一个膜的膜组件，所述至少一个膜包含选择性渗透和离子交换聚合物，以下中的至少之一：i)位于所述至少一个膜的相对两侧的一对电极，其与用于跨所述电极产生电压的电源结合，ii)与所述至少一个膜接触的气密室，所述气密室与真空源连接以能够从与所述气密室接触的所述至少一个膜中抽湿；e)用于从所述空调系统回风的出口；其中所述选择性渗透和离子交换聚合物是具有至少0.5meq/g的离子交换容量的磺化共聚物。2.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述膜组件包括多个作为中空纤维膜的膜，每个中空纤维膜具有中空芯，其中所述中空纤维膜的外侧涂覆有所述选择性渗透和离子交换聚合物，且其中所述中空纤维膜的中空芯与真空源连接，从而能够从所述纤维膜中抽湿。3.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述膜组件包括布置在框架和板组件中的多个膜，所述框架和板组件在其间具有交替的工艺空气通道和真空室，和每个膜都支撑在支撑框架上，其中所述交替的真空室与所述真空源相互连接，从而能够从膜中抽湿，且其中所述选择性渗透和离子交换聚合物被涂覆或层压到所述支撑框架上。4.根据权利要求1所述的空调系统，其中基于所述磺化共聚物中的可磺化单体单元的数量，所述磺化共聚物被选择性磺化以包含10
‑
100mol％的磺酸或磺酸盐官能团。5.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述磺化共聚物选自全氟磺酸聚合物、聚苯乙烯磺酸盐、磺化嵌段共聚物、聚砜、聚酮、及其混合物。6.根据权利要求1所述的空调系统，其中所述磺化共聚物是具有聚四氟乙烯(PTFE)主链和乙烯基醚(例如
‑
O
‑
CF2‑‑
CF
‑
O
‑
CF2‑
CF2‑
)侧链的磺化四氟乙烯共聚物，其中所述侧链终止于簇区域中的磺酸基团。7.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的空调系统，其还包括位于每个膜的两个相对侧的一对电极和用于跨所述电极产生电压的电源。8.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的空调系统，其中所述蒸发冷却机介质包括选择性渗透和离子交换聚合物，且其中所述选择性渗透和离子交换聚合物被涂覆在所述多个风扇叶片上。9.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的空调系统，其中所述蒸发冷却机介质包括选择性渗透和离子交换聚合物膜，且其中所述选择性渗透和离子交换聚合物膜被拉伸跨过所述多个风扇叶片。10.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的空调系统，其中所述蒸发冷却机介质包括选择性渗透和离子交换聚合物膜。
11.根据权利要求1
‑
6中任一项所述的空调系统，其中所述包含选择性渗透和离子交换聚合物的膜包括厚度为约5
‑
500微米的磺化嵌段共聚物膜。12.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的空调系统，其中所述磺化共聚物是磺化度为至少25mol％的磺化嵌段共聚物。13.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的空调系统，其中所述至少一种磺化嵌段共聚物包含对应于A
‑
B
‑
D
‑
B
‑
A、A
‑
D
‑
B
‑
D
‑
A、...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：科腾聚合物有限责任公司，
类型：发明
国别省市：