压热材料的用途和压热设备制造技术

本文描述了有机材料在压热冷却方法中的用途。当该有机材料在非等容相变诸如非等容一级相变附近时，可以展现出压热效应。该有机材料具有一个或多个碳原子，并且可以是有机化合物或其盐。在一些情况下，该有机材料是软质材料，诸如塑晶或液晶。这些方法可适于该有机材料作为加热剂的用途。料作为加热剂的用途。料作为加热剂的用途。

【技术实现步骤摘要】
压热材料的用途和压热设备
[0001]本申请是申请日为2017年10月13日、申请号为201780063498.8(国际申请号为PCT/EP2017/076203)、名称为“压热材料的用途和压热设备”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]相关申请
[0003]本案要求于2016年10月14日(14/10/2016)提交的GB 1617508.5的优先权和权益，将其内容通过引用以其全文并入本文。
[0004]资助
[0005]导致本申请的项目已收到来自European Research Council(ERC)在欧盟地平线2020研究和创新计划下的资助(拨款协议号680032)。


[0006]本专利技术提供了有机材料在压热(barocaloric)冷却方法中的用途。本专利技术还提供了这些有机材料用于实现压热冷却效应(诸如在冷却方法中)的用途。还提供了一种冷却设备，该冷却设备包含用作压热冷却剂的有机材料。

技术介绍

[0007]食品、饮料、医疗产品和医疗样品、电子产品、以及人口密集空间诸如办公室都需要冷却。目前的制冷和空调单元主要依赖于对环境有害流体的压缩和膨胀，并且对开发避免此类流体的冷却系统存在浓厚的兴趣。该领域中的最新发展已着眼于在室温附近显示出磁、电和机械驱动相变的固体材料。只有如果显示这些材料是便宜的并且能够展现出由易于产生的施加场驱动的大的可逆热变化，它们才将获得商业认可。
[0008]由于环保冷却应用的前景，目前正在对热量效应进行深入研究。迄今为止，此领域的工作主要集中在开发大磁热效应和大电热效应，但是前者需要大磁场，这些磁场难以经济地产生，并且后者需要大电场，这些电场典型地只能施加于薄样品而不发生击穿。出于这些原因，最近的工作已转向机械热效应(mechanocaloric effect)，诸如弹热效应(elastocaloric effect)(其中该效应是由施加的单轴应力驱动的)和压热效应(由各向同性应力(流体静压)驱动的)。这些效应是有吸引力的，因为机械应力易于产生，并且在相对低的施加应力下观察到大的机械热效应。然而，弹热材料的使用受到限制，因为这些材料展现出塑性流动，对于金属材料，塑性流动在MPa范围内形成。对于压热材料，不存在与塑性变形相关的能量损失或机械故障。
[0009]已观察到在相变附近由流体静压驱动的大压热效应(也称为BC效应)，但是通常仅在少量相对昂贵的磁性材料中。在此，磁化的变化伴有体积变化，并且有或没有晶体对称性变化。
[0010]已知的是一级相变释放或吸收潜热。这种潜热可以通过特定的场的施加来释放或吸收，在压热材料的情况下，特定的场的施加为机械应力的施加、并且更精确的是流体静压的施加。当施加的各向同性应力引发一级相变时，在相变温度附近观察到大压热效应。
[0011]例如，Matsunami等人已经描述了由Mn3GaN中反铁磁相阻挫而增强的大压热效应。
在此，大压热效应是由体积变化与奈耳温度(N
é
el temperature)的压力系数的比率的增强引起的。相变在大约290K发生。由于0.09GPa的流体静压变化(相对于环境压力)，该材料表现出大约21J K
‑1kg
‑1的压力驱动等温熵变，提供232J K
‑1kg
‑1GPa
‑1的压热强度(|ΔS|/|Δp|，其用与最大化|ΔS|相容的最小|Δp|来最大化)和125J kg
‑1的制冷容量。
[0012]最近，诸位本专利技术人已描述了在低压力下在硫酸铁铵中的较大压热效应(参见Lloveras等人)。在此，硫酸铵在大约220K下经受中心对称正交结构与正交极性结构之间的一级相变。大压热效应与离子有序(ionic ordering)的压力驱动变化相关联，这与在磁性材料中观察到的较小效应(与费米能级附近的电子态密度的压力驱动变化有关)形成对比。
[0013]由于0.10GPa的流体静压变化(相对于环境压力)，硫酸铵表现出大约60J K
‑1kg
‑1的压力驱动等温熵变，提供600J K
‑1kg
‑1GPa
‑1的压热强度和276J kg
‑1的制冷容量。
[0014]希望鉴别出展现大压热效应的材料，并且最特别地，希望鉴别出在相对低的压力下显示出大等温熵变的材料。鉴别出在响应于施加的各向同性应力时展现出大绝热温度变化的材料以及具有相对较大潜热的那些材料是有帮助的。还存在对鉴别在环境温度附近发生相变的材料的实际需要。

技术实现思路

[0015]在一般方面，本专利技术提供了有机材料(诸如分子量为2,000或更小的有机材料)作为压热冷却剂的用途，例如其中该有机材料在非等容相变(诸如非等容的一级相变)附近使用。允许使用有机材料作为冷却剂的方法可适于有机材料作为加热剂的用途。
[0016]至今，已知提供显著压热效应的材料通常限于无机材料，诸如Mn3GaN和硫酸铵。诸位专利技术人已发现，由于一级相变而显示出体积变化的有机材料可用于提供压热效应。这些有机材料典型地显示出相变温度的非常大的压力驱动偏移。实际上，看到流体静压的微小变化在这些材料中的相变处或附近驱动巨压热效应。
[0017]有机材料的压热效应与先前对于无机材料(诸如，磁性、铁电和铁电无机材料)所观察到的那些可比较或超过。因此，这些有机材料适用于压热冷却方法和压热冷却设备。例如，这些有机材料(诸如塑晶)的压力驱动等温熵变值可以与对于Mn3GaN或硫酸铵所报道的那些可比较或超过。这些有机材料(诸如塑晶)的潜热值和绝热温度变化可以与对于Mn3GaN或硫酸铵所报道的那些可比较或超过。此外，与诸如硫酸铵的材料相比，这些有机材料的相变温度可更接近环境温度。
[0018]与无机材料所需的压力相比，驱动这些有机材料中相变所需的压力还可以是小的。这些有机材料中的相变还具有与针对目前在冰箱和空调单元中使用的材料所报道的那些可比较的潜热值。
[0019]这些有机材料是有吸引力的，因为它们可广泛获得，并且许多材料可以大规模低成本地获得，并且这些材料具有低毒性，并且在使用后可以容易且轻易地处置。在这些方面，有机材料的使用优于先前报道的使用磁性材料的压热方法。
[0020]在本专利技术的一个方面，提供了有机材料作为压热冷却剂的用途。在此，可由相对较低的施加流体静压产生压热效应(典型地为大压热效应)。
[0021]在本专利技术的第二方面，提供了一种冷却方法，诸如压热冷却方法，该方法包括以下步骤：
[0022](i)向有机材料施加流体静压；并且
[0023](ii)允许流出或流向该有机材料(诸如流出或流向该有机材料)的热流；
[0024](iii)从处于施加压力下的有机材料中释放流体静压；并且
[0025](iv)允许流向或流出该有机材料(诸如流向或流出该有机材料)的热流。
[0026]本专利技术的方法可包括重复步骤(i)至(iv)，例如以提供持续冷却。可以根据通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.有机材料作为压热冷却剂或压热加热剂的用途，其中，该有机材料是液晶，该液晶包含一个或多个选自烷基、环烷基和芳基的基团。2.一种压热冷却或压热加热方法，该方法包括以下步骤：(i)向有机材料施加流体静压；并且(ii)允许流出或流向该有机材料的热流；(iii)从处于施加压力下的有机材料中释放流体静压；并且(iv)允许流向或流出该有机材料的热流，其中，该有机材料是液晶，该液晶包含一个或多个选自烷基、环烷基和芳基的基团。3.一种冷却或加热装置，该装置包括作为压热冷却剂或压热加热剂的有机材料和向该有机材料传递热量和从其中传递出热量的装置，其中，该有机材料是液晶，该液晶包含一个或多个选自烷基、环烷基和芳基的基团，并且其中，用于向该有机材料传递热量和从其中传递出热量的装置适于为具有至少25kJ kg
‑1的潜热|Q0|的压热转变传递热量。4.根据权利要求1至3中任一项所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：加泰罗尼亚理工大学巴塞罗那大学，
类型：发明
国别省市：