CN102792106B - 电热冷却 - Google Patents

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Abstract

一般性地描述了针对使用电热材料作为致冷剂进行冷却的设备和使用电热材料进行冷却的方法的技术。示例冷却系统可以包括制冷单元，所述制冷单元具有设置在热沉和冷却负载之间的电热隔膜。电热隔膜可以在与热沉的热接触和与冷却负载的热接触之间交替。电热隔膜也可以经受交变电场，用于按照促进热从冷却负载到热沉的热传递的方式使得电热隔膜极化和去极化。

Description

电热冷却
发明人：文森索·卡萨桑塔三世
代理人案卷号：MTCWO01402
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年12月17日递交的题为“电热冷却(Electrocaloric cooling)”的美国申请12/641,153的优先权，其代理人案卷号为MTCWO01401。
背景技术
除非另有声明，这一部分中描述的材料不是本申请权利要求的现有技术，并且也不是承认这一部分所包括的是现有技术。
电热效应(ECE)是这样的现象：材料在施加的电场下显示出可逆的熵变化。这里将能够产生ECE的任意材料称作电热材料。电热材料中的熵变化可以与电热材料在绝热环境中的温度变化相对应，或者可以引起电热材料从绝热环境中的周围物体吸收或者释放热。当将电场施加至电热材料时，其感应出电热材料内的净电极化变化，其导致熵的变化。电热效应的特征在于随着电热材料中的热传递而发生的熵变化。
几十年来，电热材料已经成为科学关注的焦点。现有的文献公开了钙钛矿铁电陶瓷中的ECE，其展现出在大于200摄氏度(℃)的转变温度下最显著的ECE。2006年报道了锆钛酸铅(PZT)薄膜示出了12℃的ECE冷却，在约220℃的工作温度下具有4.8*107伏特/米(V/m)的电场变化(A.S.Mischenko等人在Science 311(2006)1270-1271发表的Giant Electrocaloric Effect in Thin-FilmPbZr0.95Ti0.0503”)。2008年，示出了PVDF的铁电共聚物在70℃工作温度下实现了约12℃的ECE(Bret Neese等人在Science 321(2008)发表的“Large Electrocaloric Effect in Ferroelectric Polymers nearRoom Temperature”和S.G.Lu和Q.Zhang在Adv.Mater.21(2009)1-5发表的“Electrocaloric Materials for Solid State Refrigeration”)。
本公开的技术可以用于使用电热材料的冷却系统和其他热传递设备。本公开可以提供另外的相关优势。
发明内容
本公开描述了一种用于电热冷却的方法和设备。一些示例冷却系统可以包括：致冷单元，包括热沉和与其热交换的热沉电极；冷却负载和与其热交换的冷却负载电极；以及分层的电热隔膜和电极结构，悬置于热沉电极和冷却负载电极之间，并且适用于交替地极化为低熵状态和去极化为高熵状态。偏置源使得分层的电热隔膜和电极结构交替地与热沉电极和冷却负载电极热交换，从而在冷却负载和热沉之间热传递。热沉电极的表面和冷却负载电极的表面可以包括钝化层，所述钝化层在与分层的电热隔膜和电极结构的机械接触期间提供电介质隔离。控制器可以适用于控制偏置源，从而控制分层的电热隔膜和电极结构的移动。例如，冷却系统可以适用于冷却半导体管芯或电子封装，或者用于致冷或空调系统。
用于操作冷却设备的一些示例方法可以包括：将热沉电极偏置，以使得分层的电热隔膜和电极结构与热沉热交换；在第一电极层和第二电极层上施加极化电压，以将电热隔膜极化到低熵状态；在保持极化电压的同时将热沉电极接地；将冷却负载电极偏置，以使得分层的电热隔膜和电极结构与冷却负载热交换；以及在保持冷却负载和分层的电热隔膜和电极结构之间热交换的同时去除极化电压，以允许将电热隔膜去极化为高熵状态，并且从冷却负载汲取热能。所述方法可以按照重复的周期执行以产生所需的热传递。所述方法可以依据来自控制器的电压控制命令而执行，所述电压控制命令提供用于将热沉电极偏置、施加极化电压、将热沉电极接地、将冷却负载电极偏置和/或去除极化电压的定时和/或电压电平。
以上概述只是说明性的，而并非是按照任何方式进行限制。除了上述说明性的方面、实施例和特征之外，另外的方面、实施例和特征通过参考附图和以下描述将变得清楚明白。
附图说明
根据结合附图的以下描述和所述权利要求，本公开的前述和其他特征将变得更加清楚明白。应该理解的是这些附图只是描述了根据本公开的几个实施例，因此不应该看作是限制其范围，将通过使用附图利用附加的特性和细节来描述本发明的开，其中：
图1是代表性冷却系统的示意图；
图2是具有与热沉热接触的电热材料的代表性冷却系统的示意图；
图3是配置用于控制冷却系统的代表性计算设备的方框图；
图4是示出了操作冷却系统的示例过程的流程图；
图5是示出了操作冷却系统的示例过程的附加方面的流程图；
图6是示出了冷却系统的示例操作期间冷却系统结构转变和电热材料熵转变的流程图；以及
图7示出了结合了冷却系统的代表性设备；以上图示均根据本公开的至少一些实施例来布置。
具体实施方式
以下详细描述参考附图，所述附图形成了描述的一部分。在附图中，除非上下文另有规定，类似的符号一般表示类似的部件。在详细描述、附图和权利要求中描述的说明性实施例并非意味着限制。在不脱离这里所展现主题的精神或范围的情况下，可以利用其他实施例或者可以进行其他变化。应该理解的是如这里一般性描述并且在附图中说明的本公开的方面可以按照多种不同的结构进行布置、替代、组合和设计，这里明确地考虑了这些内容并将其作为本公开的一部分。
其中，本公开一般地描绘为与使用电热材料作为致冷剂的冷却设备和使用电热材料进行冷却的方法等技术有关的方法、设备和/或系统。示例冷却系统可以包括致冷单元，用于使用电热材料进行冷却。示例冷却系统可以包括致冷单元，所述致冷单元具有设置在热沉和冷却负载之间的电热隔膜。所述电热隔膜可以在与热沉和冷却负载热接触之间交替。所述电热隔膜也可以经受交变电场，用于按照促进从冷却负载到热沉的热传递的方式极化和去极化所述电热隔膜。
图1是代表性冷却系统的示意图，所述冷却系统根据这里公开的至少一些实施例布置。示例系统100可以包括致冷单元105、电压源180和控制器300。致冷单元105可以包括热沉电极140、隔离物145、冷却负载电极160、腔体155、电热材料110以及第一电极层120和第二电极层130。图1也示出了热沉150和冷却负载170，其可以形成将系统100插入到其中的环境或设备的一部分，或者在一些实施例中可以包括其作为系统100的一部分。
在一些实施例中，致冷单元105可以配置为悬置于热沉150和冷却负载170之间。热沉电极140和冷却负载电极160可以配置为形成腔体155的侧壁，并且隔离物145可以配置作为腔体155的上壁和下壁。冷却系统100可以配置为将热沉电极140设置为与热沉150热交换，以及将冷却负载电极160设置为与冷却负载170热交换。
在一些实施例中，电热材料110可以配置在第一电极层120和第二电极层130之间。电热材料110、第一电极层120和第二电极层130可以配置在腔体155内。电热材料110、第一电极层120和第二电极层130可以配置为在与热沉150的热交换(例如如图2所示，经由与热沉电极140的接触)和与冷却负载170的热交换(例如，经由与冷却负载电极160的接触)之间交替。
在一些实施例中，电压源180可以配置为向第一电极层120、第二电极层130、热沉电极140和/或冷却负载电极160提供电压。可以经由耦合191、192、193和194提供电压。控制器300可以配置为控制电压源180，例如通过经由有线或无线连接195将电压控制命令196发送至电压源180。
图2是具有与热沉热接触的电热材料的代表性冷却系统的示意图，所述冷却系统根据这里所述的至少一些实施例布置。如图1那样，图2示出了示例系统100，所述系统100包括热沉电极140、隔离物145、冷却负载电极160、腔体155、电压源180和控制器300。图2示出了用于代替图1所示的电热材料110、第一电极层120和第二电极层130的电热材料和电极210。图2也示出了热沉150和冷却负载170。
图2示出了与图1类似的冷却系统100，用相似的标识符来表示类似的部件。电热材料和电极210可以提供与图1所示的电热材料110以及第一电极层120和第二电极层130相对应的分层电热材料和电极结构。换句话说，电热材料和电极210可以包括如图1的110、120和130所示的分层结构。为了便于说明根据一些实施例的与热沉电极140和/或160热接触的电热材料和电极210的柔性，在图2中以组合且轮廓更薄的视图说明了电热材料和电极210。
图1和图2所示的冷却系统100可以配置为在热传递循环中对冷却负载170进行冷却。冷却系统100可以通过将电热材料110设置为与冷却负载170热交换(这里也称作将电热材料110偏置为与冷却负载170热交换)、去除施加到电热材料110的极化电压、以及等待用于将热从冷却负载170到电热材料110的热交换的延迟时间段，来实现热传递循环的第一阶段。通过去除极化电压来去极化电热材料110增加了电热材料110的熵，引起电热材料110从冷却负载170吸收热。冷却系统100可以配置为从热传递循环的第一阶段前进到第二阶段。
冷却系统100可以配置为通过将电热材料110移出与冷却负载170的热交换、将电热材料110设置为与热沉150热交换(这里也称作将电热材料110偏置为与热沉150热交换)、向电热材料110施加极化电压并且等待用于将热从电热材料110到热沉150的热交换的延迟时间段，来实现热传递循环的第二阶段。通过施加极化电压来使电热材料110极化减小了电热材料110的熵，引起了电热材料110将热释放到热沉150中。冷却系统100可以配置为通过返回到第一阶段来重复热传递循环，即通过再次将电热材料110设置为与冷却负载170热交换、去除极化电压等等。这里参考图4和图5描述操作冷却系统100的技术的附加方面和实施例。
术语“偏置源”和“偏置装置”这里用于表示配置用于将电热材料设置为与热沉和/或冷却负载热交换的设备。冷却系统100可以配置有多种偏置源的任一个，以将电热材料和电极210从与热沉150热交换偏置为与冷却负载170热交换，以及将电热材料和电极210从与冷却负载170热交换偏置为与热沉150热交换。在一些实施例中，可以将电压施加至诸如图2之类结构中的电极140、160。电热材料110上的第二电极130和热沉电极之间的电压这里表示为VS，并且电热材料110上的第一电极120和冷却负载电极160之间的电压这里表示为VL。可以按照这样的方式施加电压VS和VL，使得以与热沉电极130和冷却负载电极140交替热交换的方式移动电热材料210。控制电热材料110内的电极化的电压这里表示为VE。
冷却系统100可以配置为将热沉电极140偏置为使电热材料和电极210与热沉电极140热交换，其中热沉电极140与图2所示的热沉150热交换。相反，冷却系统100可以配置为将冷却负载电极160偏置为使电热材料和电极210与冷却负载电极160热交换，其中所述冷却负载电极160与冷却负载170热交换。这里参考图3描述用于针对140和160以及120和130来偏置电极电压的技术的附加方面和实施例。
可以理解本公开具有这样的益处，其中在各种替代实施例中，冷却系统100可以配置为使用交替结构和偏置源将电热材料110从与热沉150热交换偏置为与冷却负载170热交换。例如，偏置源可以包括以下的一个或多个，并且可以通过以下的一个或多个来促进运动：铰链装置、弹簧装置、滑动装置和/或旋转装置。在旋转偏置装置的实施例中，所述电热材料110和电极层120、130可以配置为绕通过隔离物145的中心延伸的垂直轴旋转。在旋转实施例中，腔体155可以是圆柱形的，并且电热材料110和电极层120、130可以配置作为圆柱体的一部分，例如在腔体155内旋转的半圆柱体。电热材料110和电极层120、130的机械旋转可以消除对电极140、146的需要。
在滑动偏置装置实施例中，电热材料110和电极层120、130可以配置为可在电极140、160之间，例如沿在隔离物145上设置的轨道或其他结构滑动。可滑动电热材料110和电极层120、130可以采用如使用铁电陶瓷形成的刚性结构，或者如图2所示的柔性电热材料和电极210结构。
在一些滑动偏置装置实施例中，冷却系统100可以配置为保持电热材料110和电极层120、130处于适当的位置，同时将交替地移动热沉150和冷却负载170与电热材料110热交换。例如，冷却系统100可以与图1类似地配置，同时将隔离物145延长并且采用在所述隔离物145上的轨道或其他结构，其允许热沉150、电极140、冷却负载170和电极160交替地滑入和滑出与静止电热材料110和电极层120、130的热接触。
如应该理解的，本领域普通技术人员可以配置使用例如弹簧、铰链和多种其他结构的多种附加偏置源结构来获得本公开的益处。
热沉电极140的表面和冷却负载电极160的表面和/或第一电极层120和第二电极层130的表面可以配置为包括钝化层。钝化层可以配置为防止电极140、160和电极层120和130之间的电接触，例如如图2所示，当使得电热材料和电极210与热沉电极140机械接触时防止这样的电接触。钝化层允许机械接触的热交换优势，同时提供了接触期间的电介质隔离。在一些实施例中，可以利用氧化铍(BeO)或氮化铝(AlN)的溅射沉积薄膜作为钝化层。在一些实施例中，钝化层的厚度范围可以从约10nm到约100nm。
在一些实施例中，电热材料110可以配置作为聚合物膜，其可以在施加电场的情况下表现出铁电磁矩，并且在去除电场之后表现出固有的残余极化。铁电磁矩的调制可以产生对于制冷有用的熵性质的增加或减小。在本公开中有用的电热材料可以包括诸如聚偏氟乙烯(PVDF)之类的铁电聚合物材料及其类似物和共聚物，例如具有其他卤代物的共聚物。对于诸如图2之类的实施例，可以使用任意的电热材料，所述电热材料具有柔性性质，并且因此允许热沉150和冷却负载170之间的电热材料和电极210的位移。在这里所述的各种其他实施例中，可以使用刚性的非柔性电热材料，例如包括钙钛矿陶瓷的铁电陶瓷材料。
在一些实施例中，可以通过在电热聚合物隔膜的表面上沉积金属薄膜来配置电热材料和电极210。例如，可以使用蒸发或者溅射技术来沉积金属薄膜。可以通过所需粘附性、热性能和/或抗磨损性质来确定在金属薄膜中使用的金属。代表性金属包括铝、金、银、铁、铜、镍、铬、锌、铜及及其组合。金属薄膜可以配置为用作电极，所述电极能够在电热聚合物隔膜的两端形成电容器，其中所述电容器配置为允许在电热聚合物隔膜的两端施加电场，用于电热聚合物隔膜的极化。此外，金属薄膜可以配置为支持金属薄膜电极层与热沉电极140或冷却负载电极160之间的静电相互作用，使得向电极140和160施加的电压能够将电热材料和电极210向热沉电极140或冷却负载电极160电容性地驱动。
在一些实施例中，电热材料和电极210可以配置为具有选定厚度，其中所述选定厚度基于一个或多个功能参数。例如，电热材料和电极210的厚度可以影响极化所要求的电压和在每一个热传递循环时由电热材料和电极210吸收和释放的热量。较厚的电热材料和电极210可以在每次循环时传递更多的热，并且可能涉及更高的极化电压以获得适当的电场幅度。
电热材料和电极210的厚度也可以影响电热材料和电极210的形变性质。在配置用于通过施加电场来使电热材料和电极210形变的实施例中，例如图2，电热材料和电极210的厚度可以配置为在由在热沉电极140和电极层130之间以及冷却负载电极160和电极层120之间施加的电压产生的电场下允许足够的形变。在一些实施例中，电热材料和电极210的厚度范围可以从约0.5微米至约100微米。
可以影响电热材料和电极210的形变、并且最终影响电热材料和电极210厚度的其他代表性设计因素可以包括以下的一个或多个：电热材料110的弹性模量、电热材料110的存储和损耗模量、电热材料110的弹性限制和/或塑性区、在腔体155中保持的真空、可用系统电压和功率、热沉电极140和冷却负载电极160之间的距离、金属薄膜电极120和130以及热沉电极140和/或冷却负载电极160之间的总电容、和/或热沉电极140、冷却负载电极160和/或金属薄膜电极层120和130上的内部钝化介电常数和厚度。
因此，可以部分地基于由金属薄膜电极120和130在电热材料110中产生的外部施加电场的幅度、方向和分布来选择电热材料110的厚度。例如，可以选择较厚的电热材料110用于较强的电压，或者反之亦然。电场的强度可以随着可用系统电压而变化，因此在一些实施例中，可以基于可用系统电压来选择电热材料110的厚度。
在电热材料110中产生的电场将是标为VE的电压的函数，所述电压VE施加在金属薄膜电极层120和130上。可以选择VE和/或电热材料110的厚度，以在每一个热传递循环中将电热材料110充分极化为电介体饱和。例如，聚偏氟乙烯(PVDF)隔膜可以在范围约为108V/m的施加电场下达到所需的极化级别。因此，10微米厚的PVDF电热材料110可以通过在120和130上施加约1000V达到所需极化级别。
在一些实施例中可以用于选择电热材料110厚度的其他因素可以包括以下的一个或多个：电热材料110的铁电饱和极化场、电热材料110的热电系数和/或电热材料110的压电系数。在一些实施例中，电热材料110的厚度可以从约0.5微米到约100微米。
在一些实施例中，电热材料和电极210可以配置为通过两个边缘悬置以形成电热结构，所述电热结构类似于在靠近隔离物145的边缘处附着于隔离物145或者在靠近侧壁的边缘处附着于前部或后部侧壁(未示出)的矩形帆形物(或者依赖于腔体155的形状和电热材料和电极210的所需形状，可以是任意另一形状的帆形物)。替代地，电热材料和电极210可以通过一个边缘悬置以形成电热结构，所述电热结构类似于矩形(或其他腔体155形状)的片状物。同样在一些实施例中，电热材料和电极210可以通过所有的边缘悬置以形成电热结构，所述电热结构类似于鼓面。可以将悬置节点构建于隔离物145和/或致冷单元105的前壁和后壁上，并且可以由绝热绝缘材料构成。代表性悬置节点材料包括诸如例如聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯之类的刚性聚合物和陶瓷。在一些实施例中也可以使用诸如铰链和弹簧之类的悬置节点结构。
在一些实施例中，热沉电极140和冷却负载电极160可以配置为包括各种金属成分。电极140和160可以包括具有大于10W/m-K热导率的导电体材料。代表性材料包括铝、铜、钢及其组合。在一些实施例中，电极140和160可以包括低膨胀合金，例如在电子封装应用中使用的具有约106ppm/K热膨胀系数(CTE)的合金。在这一方面有用的代表性合金包括但是不局限于Ni-Fe合金42和科瓦铁镍钴合金。电极140和160的厚度范围可以从约100微米到约5mm。
在一些实施例中，与腔体155相背的冷却负载电极160的表面可以适用于与冷却负载170热交换。冷却负载170可以是需要冷却的任何设备或结构。与腔体155相背的热沉电极140的表面可以适用于与热沉150热交换。代表性热沉150包括鳍状铝和/或铜块。与腔体155相背的电极140的表面和电极160的表面可以保留其金属性质以有效地分别与热沉150和冷却负载170传递热能。此外，与腔体155相背的表面可以与冷却负载170和热沉150结构的形状共形。
面对腔体155的电极140的表面和电极160的表面按照需要可以是平面的或弯曲的。在代表性实施例100中，这些表面是平面的并且组成平板电容器。面对腔体155的电极140的表面和电极160的表面可以拥有如上所述的薄钝化层，这可以允许电热材料和电极210与电极140和160之间的机械接触，并且与热交换优势相对应，同时支持电热材料和电极210与电极140和160的电介质隔离。
在一些实施例中，隔离物145可以支撑电极140和160，并且可以提供电热材料和电极210的悬置点。隔离物145可以包括任意电绝缘和/或热绝缘材料。代表性隔离物材料可以包括诸如聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯之类的刚性聚合物和陶瓷。在一些实施例中，具有金属化密封环的陶瓷环形框可以用于隔离热沉电极140和冷却负载电极160。隔离物145可以类似于在半导体或混合电子封装中常用的薄陶瓷密封环形框，并且还能够维持这里所述的密封。
在一些实施例中，致冷单元105可以配置为支持腔体155中的真空。可以从腔体155中抽出环境空气，使得使用这里所述的静电/电容性驱动或其他结构将电热材料110和电极层120、130有效地吸引到电极140和160。腔体155中内部气体的电离和拖曳可以提供不利效果，限制了针对给定电容的电热材料和电极210的运动，腔体155中的真空可以防止这些不利效果。腔体155中不存在内部气体也可以防止电极层120、130与电极140和160之间的电弧放电，所述电弧放电也可以影响冷却系统100的操作。
可以通过机械初步抽空泵产生量级在1mTorr的真空。例如，可以使用在致冷单元105侧壁中的孔入口和通气阀门从腔体155抽吸空气。冷却系统100可以包括真空泵以按照需要恢复腔体155中的真空。替代地，本公开的致冷单元105可以装配到真空回流站或者接缝密封手套箱，与在电子封装工业中建立真空所采用的技术类似。例如，可以使用激光或接缝密封技术将电极140和160密封到真空腔室或手套箱中的框架密封环。
图3是配置用于控制冷却系统的代表性计算设备的方框图，所述冷却系统根据本公开的至少一些实施例布置。计算设备300提供了如图1和图2所示的控制器300的示例。计算设备300提供了如图1和图2所示的控制器300的示例。在非常基本的结构301中，计算设备300可以包括一个或多个处理器310和系统存储器320。存储器总线330可以用于在处理器310和系统存储器320之间通信。
依赖于所需结构，处理器310可以是任意类型，包括但不局限于微处理器(μP)、微控制器(μC)、数字信号处理器(DSP)或其任意组合。处理器310可以包括一级或多级高速缓存，例如级别一高速缓存311和级别二高速缓存312、处理器内核313和寄存器314。处理器内核313可以包括算法算术逻辑单元(ALU)、浮点单元(FPU)、数字信号处理内核(DSP内核)或者其任意组合。存储器控制器315也可以与处理器310一起使用，或者在一些实现中存储器控制器315可以是处理器310的内部部分。
依赖于所需结构，系统存储器320可以是任意类型，包括但不局限于易失性存储器(例如RAM)、非易失性存储器(例如ROM、闪速存储器等)或者其任意组合。系统存储器320典型地包括操作系统321、一个或多个应用322和程序数据325。应用322可以包括例如致冷单元控制模块323。程序数据325可以包括可以由模块323使用的致冷单元数据326。
致冷单元控制模块323可以配置为控制电压源180实现如这里所述的热传递循环。在一些实施例中，致冷单元控制模块323可以配置为实现根据图4和图5的方法。例如，致冷单元控制模块323可以经由有线或无线连接195向电压源180供应电压控制命令196。可以在电压源180处接收电压控制命令196，并在电压源180处通过以根据电压控制命令196的电压电平和定时间隔向耦合191、192、193和194施加电压，来实现电压控制命令196。电压控制命令196可以如上所述或者如参考图4和/或图5所述来实现热传递循环。
在一些实施例中，致冷单元控制模块323可以自适应地根据程序数据325配置电压控制命令196。例如，程序数据325可以规定冷却负载170的当前温度和冷却负载170的所需目标温度，并且电压控制命令196可以响应于当前温度、所需目标温度或者这两者来增加或者降低在致冷单元105处应用的热传递速率。
计算设备300可以具有附加的特征和功能以及附加的接口，用于促进在基本结构301和任意需要的设备和接口之间的通信。例如，总线/接口控制器340可以用于促进经由存储接口总线341在基本结构301和一个或多个数据存储设备350之间的通信。数据存储设备350可以是可去除的存储设备351、不可去除的存储设备352或其组合。可去除存储设备和不可去除存储设备的示例包括诸如软盘驱动器和硬盘驱动器(HDD)之类的磁盘设备、诸如光盘(CD)驱动器或数字通用盘(DVD)驱动器之类的光盘驱动器、固态驱动器(SSD)和磁带驱动器，仅举几个例子。示例计算机存储介质可以包括在用于存储信息的任意方法或技术中实现的易失性和非易失性、可去除和不可去除介质，所述信息例如是计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。
系统存储器320、可去除存储器351和不可去除存储器352是计算机存储介质的所有示例。计算机存储介质包括但是不局限于：RAM、ROM、EEPROM、闪速存储器或其他存储技术、CD-ROM、数字通用盘(DVD)或其他光学存储器、磁带盒、磁带、磁盘存储器或其他磁存储设备、或者可以用于存储所需信息并且可以通过计算设备300访问的任意其他介质。任意这种计算机存储介质可以是设备300的一部分。
计算设备300也可以包括接口总线342，用于促进经由总线/接口控制器340从各种接口设备(例如输出接口、外围接口和通信接口)到基本结构301的通信。示例输出设备360包括图形处理单元361和音频处理单元362，其可以配置为经由一个或多个A/V端口363与诸如显示器或扬声器之类的各种外部设备通信。
示例外围接口370可以包括串行接口控制器371或并行接口控制器372，其可以配置为经由一个或多个I/O端口373，通过有线或无线连接与例如电压源180等外部设备通信。其他外部设备可以包括输入设备(例如键盘、鼠标、手写笔、语音输入设备、触摸输入设备等)或者其他外围设备(例如打印机、扫描仪等)。
示例通信设备380包括网络控制器381，所述网络控制器381可以配置为促进经由一个或多个通信端口382，通过网络通信与一个或多个其他通信设备390进行通信。
计算机存储介质可以是通信介质的一个示例。通信介质可以典型地实现为计算机可读指令、数据结构、程序模块或诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且包括任意信息传递介质。“调制数据信号”可以是这样的信号，其一个或多个特性被设置或改变以在信号中对信息编码。作为示例但是不局限于此，通信介质可以包括诸如有线网络或直接有线连接之类的有线介质，以及诸如声学、射频(RF)、红外(IR)或者其他无线介质之类的无线介质。
计算设备300可以实现为小形状因子便携(或移动)电子设备的一部分，所述电子设备例如是蜂窝电话、个人数字助手(PDA)、个人媒体播放设备、无线网页观看设备、个人头戴设备、专用设备或者混合设备，所述混合设备包括以上功能的任一个。计算设备300也可以实现为包括膝上型计算机和非膝上型计算机结构的个人计算机。另外在一些实施例中，控制器300可以实现为微控制器、专用集成电路(ASIC)或其他电子控制设备。在一些实施例中，控制器300可以实现在电压源300内部，并且反之亦然。
图4是示出了操作冷却系统的示例过程的流程图，所述冷却系统根据本公开的至少一些实施例布置。图4示出了可以由冷却系统100在诸如控制器300或组合的电压源180和控制器300之类的设备的控制下执行的过程。示例过程可以包括如块410-430所示的一个或多个操作/模块，其代表可以在方法中执行的操作、设备300中的功能模块和/或可以记录到计算机可读介质450上的指令。所示的块410-430可以配置为提供包括块410处的“与热沉热交换”、块420处的“与冷却负载热交换”和/或块430处的“修改VE”中的一个或多个功能性操作。
在图4中，将块410-430示出为顺序地执行，首先执行块410最后执行块430。然而应该理解的是，可以根据需要重新排序这些块以便于适应具体的实施例，并且在一些实施例中可以同时执行这些块或者这些块的一部分。还应该理解的是在一些示例中，可以修改或去除多个块、将其划分为附加的块和/或与其他块进行组合。
图4示出了示例过程，据此可以实现热传递循环以将热从冷却负载传递至热沉。通常，所述过程可以包括：电热材料110在热沉150和冷却负载170之间的交替热交换，以及将周期性极化电压VE施加至电热材料110以产生所需的冷却效果。图4提供了示例过程的一般性描述，而图5提供了一般过程的一个实施例的详细视图。
在“与热沉热交换”块410中，可以将电热材料110和热沉150设置为进行热交换。热交换可以是经由在电热材料110和热沉150之间设置的任意个数的层，包括例如诸如120和140之类的电极层和相应的钝化层。在一些实施例中，可以经由用于使气体或液体在诸如140之类的层上流动的风扇或泵来实现热交换，其中所述气体或液体用作到电热材料110的热导体。
在一些实施例中，将电热材料110和热沉150设置为进行热交换可以包括将电热材料110移动至热沉150，如结合图5所述。然而，电热材料110和/或热沉150也可以使用如这里所述的交替结构来移动，并且在一些实施例中(例如其中将风扇或泵用于使气体或液体在诸如电热材料110之类的层上流动)可能不需要移动。块410之后可以是块420。
在“与冷却负载热交换”块420中，可以将电热材料110和冷却负载170设置为进行热交换。如参考块410所述，热交换可以经由任意个数的层，并且可以如参考块410所述的那样，通过移动电热材料110、或者使用交替结构将电热材料110和冷却负载170设置为进行热交换。块420之后可以是块430。
在“修改VE”块430中可以修改在电热材料110两端施加的极化电压VE。在一些实施例中，可以通过使用如图1和图2所示的电压源180和控制器300结构调节电极层120和130上的电压来修改VE。
在一些实施例中，每一次热传递循环可以修改VE两次。第一次VE修改可以减小净极化，而第二次VE修改可以增加净极化。VE修改的定时可以适当地与块410和420的操作同步。在一些实施例中，可以按照如图4所示的顺序在第三块中执行两个VE修改，结合图5进一步描述该实施例。在一些实施例中，可以在热传递循环中的其他点执行VE修改，例如参考图1和图2介绍的热传递循环中所述，其提供了两个阶段的循环，其中第一阶段包括将电热材料110设置为与冷却负载170热交换并且去除向电热材料110施加的极化电压，而第二阶段包括将电热材料110设置为与热沉150热交换并且向电热材料110施加极化电压。
图5是示出了操作冷却系统的示例过程的附加方面的流程图，所述冷却系统根据本公开的至少一些实施例来布置。图5示出了根据图4的以上描述的一些实施例的详细视图，相似的元件用相似的标识符表示。示例过程可以包括如块410-430所示的一个或多个操作/模块，其中块410可以包括块511-515，块420可以包括块521-523，以及块430可以包括块531-533。如图4那样，图5中所示的块表示可以在方法中执行的操作、设备300中的功能模块和/或可以在计算机可读介质450上记录的指令。“与热沉热交换”块410可以配置为提供包括以下的一个或多个的功能操作：在块511处“去除VL”，在块512处“施加VS”，在块513处“与热沉热交换”，在块514处“延迟T1”，和/或在块515处“去除VS”。块420，“与冷却负载热交换”可以配置为提供包括以下的一个或多个的功能操作：在块521处“施加VL”，在块522处“与冷却负载热交换”，和/或在块523处“延迟T2”。块430，“修改VE”可以配置为提供包括以下的一个或多个的功能操作：在块531处“修改VE”，在块532处“延迟T3”，和/或在块533处“修改VE”。
如同图4那样，将图5的块示出为顺序执行，包括410-430和511-515、521-523和531-533，首先执行块410最后执行块430。然而应该理解的是，可以重新排序这些块以便于适应具体的实施例，并且在一些实施例中可以同时执行这些块或者这些块的一部分。还应该理解的是在一些示例中，可以修改或去除多个块、将其划分为附加的块和/或与其他块进行组合。
结合图6可以更好的理解图5，图6示出了代表性冷却系统100的操作期间电热材料110的熵变化。如图5和图6所示，可以通过具有各种偏置的三个分离电势来控制电热材料110的运动和极化。如上所述，将电热材料110朝着热沉电极140拖曳的电压标记为VS，并且将电热材料110朝着冷却负载电极160拖曳的电压标记为VL。将控制电热材料110的极化的电压标记为VE。在图5中示出了产生致冷效应的示例顺序和偏置结构。
“与热沉热交换”块410可以包括：在块511处“去除VL”，在块512处“施加VS”，在块513处“与热沉热交换”，在块514处“延迟T1”，和/或在块515处“去除VS”。在“去除VL”块511中，可以去除向冷却负载电极160施加的电压VL。去除VL允许将电热材料和电极210从冷却负载电极160移开。块511之后可以是块512。
在“施加VS”块512中，设备300可以配置为产生电压控制命令，以利用电压VS正向偏置热沉电极140。VS可以在腔体155中施加电场，所述电场足以拖曳电热材料和电极210从而与热沉电极140热交换。可以将VS施加用于将电热材料和电极210位移至所需位置所需的时间。一旦电热材料和电极210已经到达所需位置，可以去除VS，或者在如下所述去除之前可以继续施加VS。块512之后可以是块513。
在“与热沉热交换”块513中，电热材料和电极210开始将热释放到热沉150中。所述热释放可以部分地由电热材料和电极210与热沉150之间的温度差产生，并且可以部分地由如下所述的由极化电压VE的施加感应的极化产生。
在“延迟T1”块514中，设备300可以配置为产生电压控制命令以将VS保持延迟时间段T1。T1可以是与热沉150热交换的任意所需时间。在一些实施例中，T1包括足以使电热材料110实质上到达饱和极化并且与热沉150达到热平衡的时间长度。块514之后可以是块515。
在“去除VS”块515中，设备300可以配置为产生电压控制命令以反向偏置VS，以便将电热材料和电极210移动为与冷却负载170热交换。在一些实施例中，电压源180可以通过将耦合191接地来将热沉电极140接地。块515之后可以是块420。
“与冷却负载热交换”块420可以包括：在块521处“施加VL”，在块522处“与冷却负载热交换”，和/或在块523处“延迟T3”。
在“施加VL”块521中，设备300可以配置为产生电压控制命令，以利用电压VL正向偏置冷却负载电极160。VL可以在腔体155中施加电场，所述电场足以将电热材料和电极210拖曳为与冷却负载电极160热交换。可以将VL施加足以使电热材料和电极210位移到所需位置所需要的时间长度。一旦电热材料和电极210已经到达所需位置，可以去除VL，或者在如下所述去除之前可以继续施加VL。块521之后可以是块522。
在“与冷却负载热交换”块522中，电热材料和电极210开始从冷却负载170吸收热。所述吸收可以部分地由电热材料和电极210与冷却负载170之间的温度差产生，并且部分地由在如下所述去除极化电压之后发生的去极化产生。块522之后可以是块523。
在“延迟T3”块523中，设备300可以配置为产生电压控制命令以将VL保持延迟时间段T3。T3可以是用于与冷却负载170热交换的第一阶段的任意所需时间。在一些实施例中，T3可以包括足以使电热材料110处于极化状态的时间长度，在所述极化状态中可以恒定地维持VE以实质上通过冷却负载电极160达到与冷却负载170的热平衡。块523之后可以是块430。
“修改VE”块430可以包括：在块531处“修改VE”，在块532处“延迟T3”，和/或在块533处“修改VE”。在“修改VE”块531中，设备300可以配置为产生电压控制命令，以减小或去除偏置VE以便允许通过从冷却负载170的热吸收将电热材料110去极化，从而增加电热材料110的熵。块531之后可以是块532。
在“延迟T3”块532中，设备300可以配置为产生电压控制命令，以将VL和/或浮置或者减小的VE状态维持延迟时间段T3。T3可以是与冷却负载170热交换的第二阶段的任意所需时间。在一些实施例中，T3可以包括足以使电热材料110通过去极化从冷却负载吸收热的时间长度，从而可以去除VE，并且允许电热材料110实质上到达去极化，通过冷却负载电极160实现与冷却负载170的热平衡。因为电热材料110通过冷却负载电极160从冷却负载170吸收热能，发生电热材料110的去极化。这导致了冷却负载170的冷却以及电热材料110的熵增加。块532之后可以是块533。
在“修改VE”块533中，设备300可以配置为产生电压控制命令以偏置VE，以便极化并且从而降低电热材料110的熵。块533可以紧接着是块511和512和/或与块511和512实质上同时地执行，从而将热沉电极140正向偏置，并且将电热材料和电极210再次拖曳至热沉电极，以重复热传递循环。
图6是示出了在冷却系统的示例操作期间冷却系统结构转变和电热材料熵转变的流程图，所述冷却系统根据本公开的至少一些实施例布置。图6示出了可以通过冷却系统100在诸如控制器300或组合的电压源180和控制器300之类的设备控制下执行的过程。示例过程可以实现由块610-615所示的各种设备和电热材料转变。所示块610-650可以配置为提供包括以下一个或多个的功能操作：在块610处“中性状态”，在块620处“VE修改和与热沉热交换”，在块630处“转变”，在块640处“与冷却负载热交换”，和/或在块650处“VE修改”。
在图6中，示出了顺序执行块610-650，首先执行块610并且最后执行块650。然而应该理解的是，可以重新排序这些块以便于适应具体的实施例，并且在一些实施例中可以同时执行这些块或者这些块的一部分。还应该理解的是在一些示例中，可以修改或去除多个块、将其划分为附加的块和/或与其他块进行组合。
图6示出了在如参考图5可以理解的冷却系统的示例操作期间的示例设备和电热材料熵转变。在“中性状态”块610中，可以将电热材料110保持在中性的未偏置状态，其中净极化是无序或高熵的高状态。在块610的左侧示出了热沉电极140，而在右侧示出了冷却负载电极160，并且在电极140和160之间示出了电极120和130。在冷却负载电极160的右侧示出了具有电热材料110的较高和较低熵状态的铁电极化的表示。块610之后可以转变到块620。
在“VE修改和与热沉热交换”块620中，可以将电压Vs正向偏置以将电热材料和电极210拖曳到热沉电极140。同时，可以将第二电压VE反向偏置以将电热材料110极化，直到电热材料110到达具有低熵的饱和极化，即有序的极化状态。块620之后可以是转变到块630。
在“转变”块630中，可以热沉电极140反向偏置，并且利用电压VL将冷却负载电极160正向偏置，这开始将处于低熵的有序状态的电热材料110拖曳到冷却负载电极160。块630之后可以转变到块640。
在“与冷却负载热交换”块640中，处于低熵的有序状态的电热材料110可以接触冷却负载电极160，直到达到热平衡。块604之后可以转变到块650。
在“VE修改”块650中，可以减小或去除电压VE，导致将电热材料110去极化为高熵的无序状态，同时从冷却负载170汲取热能。在达到热平衡之后，可以再次施加电压VS进行正向偏置，其将处于高熵的无序状态的电热材料110拖曳至热沉电极160。块650可以转变到块620，并且可以再次开始热传递循环。
根据图2、图5和图6的实施例可以使用电热聚合物隔膜的柔性性质来产生基于ECE的致冷。通过如图6所示的顺序电偏置热沉电极140、冷却负载电极160和金属薄膜电极层120和130，可以将柔性ECE聚合物隔膜110电容性地驱动为分别经由电极160和140与冷却负载170和热沉150实现周期性的机械和热接触。
在上述各种实施例中，当在热沉电极或冷却负载电极与薄膜电极层之间循环电压时，包括聚合物隔膜的电热材料在热沉电极和冷却负载电极之间前后移动。当在两个薄膜电极层120和130之间循环电压时，聚合物隔膜的铁电次序可以循环为高熵状态和低熵状态，能够从热沉电极140或冷却负载电极160释放和吸收能量。可以按照促进从冷却负载170到热沉150的热能传递的方式来施加这些偏置的顺序和方向。基于给定冷却负载的温度变化，极化偏置停留时间段、隔膜移动时间和热接触停留时间段范围可以从1秒到约10分钟。
图7示出了结合了冷却系统的代表性设备，所述冷却系统根据本公开的至少一些实施例来布置。设备770可以包括致冷单元700、热沉150、冷却负载170、传感器710和720以及设备温度控制器750。
在图7中，可以将致冷单元700设置在热沉150和冷却负载170之间。致冷单元700可以经由一个或多个耦合730与设备温度控制器750相连。可以将传感器710和720分别设置在热沉150和冷却负载170上。设备温度控制器750可以分别经由有线或无线连接715和725与传感器710和720相连，并且可以将传感器数据745从传感器710和720传送至设备温度控制器750。
在一些实施例中，设备温度控制器750可以配置为接收传感器数据745，并且将所述传感器数据存储为致冷单元数据326的一个方面，如上所述。设备温度控制器750可以通过增加或降低致冷单元700采取的冷却速率来表示对冷却负载170和/或热沉150温度的传感器数据745进行响应。例如，可以通过结合图5描述的增加和/或降低诸如T1、T2和T3之类的延迟时间段来修改冷却速率。也可以通过修改针对VS、VL和VE所采用的电压电平来修改冷却速率。
根据本公开的冷却系统可以用于多种设备770，包括例如要求微处理器冷却的计算机系统、用于冷却食品或其他易腐物的致冷系统、工业设备的冷却系统和环境冷却的空调系统。
在配置用于冷却计算设备的实施例中，冷却负载170可以包括半导体管芯，可以将致冷单元700与半导体管芯键合或者热交换。例如，半导体管芯可以包括图3所示的处理器310和其他部件。热沉150可以包括散热器或陶瓷芯片载体，可以将致冷单元700与其键合或者热交换。
致冷单元700可以包括这里所述的各种制冷单元结构的任一个，并且可以通过经由耦合730施加的电压来控制，耦合730将致冷单元700与设备温度控制器750相连。设备温度控制器750例如可以包括组合的电压源180和控制器300部件。
在一些实施例中，电热致冷单元700可以具有约300微米的厚度，以提供薄轮廓热管理系统。在其他实施例中，可以将多个诸如700之类的致冷单元形成为阵列，以对各种机械或电子外壳和印刷电路板(PCB)卡组件进行冷却。在正确配置的系统中，本公开的致冷单元700可以定位于严格的“热点”，以使能更有效的操作。在另一个实施例中，所述致冷单元700可以排列以形成食品冷却器、饮料冷却器、冰箱用具、平面居住空间空调(例如平面壁挂式冷却器)以及家庭或工业冷却台。
在系统的多个方面的硬件和软件实现方式之间存在一些小差别；硬件或软件的使用一般(但并非总是，因为在特定情况下硬件和软件之间的选择可能变得很重要)是一种体现成本与效率之间权衡的设计选择。可以各种手段(例如，硬件、软件和/或固件)来实施这里所描述的工艺和/或系统和/或其他技术，并且优选的手段将随着所述工艺和/或系统和/或其他技术所应用的环境而改变。例如，如果实现者确定速度和准确性是最重要的，则实现者可以选择主要为硬件和/或固件的手段；如果灵活性是最重要的，则实现者可以选择主要是软件的实施方式；或者，同样也是可选地，实现者可以选择硬件、软件和/或固件的某种组合。
以上的详细描述通过使用方框图、流程图和/或示例，已经阐述了设备和/或工艺的众多实施例。在这种方框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种方框图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本公开所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或编写软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字视频盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路和/或信道、无线通信链路等)。
本领域技术人员应认识到，以本文的形式描述设备和/或工艺以及此后使用工程实践来将所描述的设备和/或工艺集成到数据处理系统中是本领域的常用手段。也即，这里所述的设备和/或工艺的至少一部分可以通过合理数量的试验而被集成到数据处理系统中。本领域技术人员将认识到，典型的数据处理系统一般包括以下各项中的一项或多项：系统单元外壳；视频显示设备；存储器，如易失性和非易失性存储器；处理器，如微处理器和数字信号处理器；计算实体，如操作系统、驱动器、图形用户接口、以及应用程序；一个或多个交互设备，如触摸板或屏幕；和/或控制系统，包括反馈环和控制电动机(例如，用于感测位置和/或速度的反馈；用于移动和/或调整分量和/或数量的控制电动机)。典型的数据处理系统可以利用任意合适的商用部件(如数据计算/通信和/或网络计算/通信系统中常用的部件)予以实现。本公开所述的主题有时说明不同部件包含在不同的其他部件内或者不同部件与不同的其他部件相连。应当理解，这样描述的架构只是示例，事实上可以实现许多能够实现相同功能的其他架构。在概念上，有效地“关联”用以实现相同功能的部件的任意设置，从而实现所需功能。因此，这里组合实现具体功能的任意两个部件可以被视为彼此“关联”从而实现所需功能，而无论架构或中间部件如何。同样，任意两个如此关联的部件也可以看作是彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”以实现所需功能，且能够如此关联的任意两个部件也可以被视为彼此“能可操作地耦合”以实现所需功能。能可操作地耦合的具体示例包括但不限于物理上可连接和/或物理上交互的部件，和/或无线交互和/或可无线交互的部件，和/或逻辑交互和/或可逻辑交互的部件。
至于本文中任何关于多数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以从多数形式转换为单数形式，和/或从单数形式转换为多数形式，以适合具体环境和应用。为清楚起见，在此明确声明单数形式/多数形式可互换。
本领域技术人员应当理解，一般而言，所使用的术语，特别是所附权利要求中(例如，在所附权利要求的主体部分中)使用的术语，一般地应理解为“开放”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应解释为“至少具有”等)。本领域技术人员还应理解，如果意在所引入的权利要求中标明具体数目，则这种意图将在该权利要求中明确指出，而在没有这种明确标明的情况下，则不存在这种意图。例如，为帮助理解，所附权利要求可能使用了引导短语“至少一个”和“一个或多个”来引入权利要求中的特征。然而，这种短语的使用不应被解释为暗示着由不定冠词引入的权利要求特征将包含该特征的任意特定权利要求限制为仅包含一个该特征的发明，即便是该权利要求既包括引导短语“一个或多个”或“至少一个”又包括不定冠词如(例如，不定冠词应当典型地被解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)；在使用定冠词来引入权利要求中的特征时，同样如此。另外，即使明确指出了所引入权利要求特征的具体数目，本领域技术人员应认识到，这种列举应典型地解释为意指至少是所列数目(例如，不存在其他修饰语的短语“两个特征”典型地意指至少两个该特征，或者两个或更多该特征)。另外，在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。本领域技术人员还应理解，实质上任意表示两个或更多可选项目的转折连词和/或短语，无论是在说明书、权利要求书还是附图中，都应被理解为给出了包括这些项目之一、这些项目任一方、或两个项目的可能性。例如，短语“A或B”应当被理解为包括“A”或“B”、或“A和B”的可能性。
尽管已经在此使用各种方法、装置和系统描述和示出了确定的示例技术，是本领域技术人员应当明白在不脱离所要求主题的情况下可以进行各种其他改进、并且替代其等同物。此外在不脱离这里所述中心概念的情况下，可以进行许多修改以适应所要求主题教导的具体情况。因此，意欲将所要求的主题不是局限于公开的具体示例，而是所要求保护的主题也可以包括落在所附权利要求及其等同物范围内的所有实现。

Claims (29)

1.一种冷却系统，包括：
致冷单元，包括：
分层的电热隔膜和电极结构，包括位于第一电极层和第二电极层之间的电热隔膜，其中所述电热隔膜适用于响应于在所述第一电极层和所述第二电极层上施加极化电压而极化为低熵状态，以及其中所述电热隔膜适用于响应于去除极化电压而去极化为高熵状态；
热沉；
热沉电极，配置为与所述热沉热交换；
冷却负载；以及
冷却负载电极，配置为与所述冷却负载热交换，其中所述分层的电热隔膜和电极结构悬置于所述热沉电极和所述冷却负载电极之间；以及
偏置源，配置为响应于所述电热隔膜极化为低熵状态而通过所述致冷单元内的所述分层的电热隔膜和电极结构的移动对所述热沉电极进行偏置，使所述分层的电热隔膜和电极结构与所述热沉电极热交换并且不与所述冷却负载电极热交换，从而促进从致冷单元到热沉的热传递，并且配置为响应于所述电热隔膜去极化为高熵状态而通过所述致冷单元内的所述分层的电热隔膜和电极结构的移动对冷却负载电极进行偏置，使所述分层的电热隔膜和电极结构与所述冷却负载电极热交换并且不与所述热沉电极热交换，从而促进从冷却负载电极到热沉电极的热传递，
其中所述分层的电热隔膜和电极结构是柔性结构，其中使所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与所述热沉电极热交换包括使电热隔膜和电极结构朝所述热沉电极弯曲，其中使所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与所述冷却负载电极热交换包括使电热隔膜和电极结构朝所述冷却负载电极弯曲。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中热沉电极的表面和冷却负载电极的表面包括钝化层，其中所述钝化层适用于促进与分层的电热隔膜和电极结构的机械接触和热交换，同时在所述机械接触期间提供电介质隔离。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述分层的电热隔膜和电极结构的表面包括钝化层，所述钝化层适用于促进与所述热沉电极和冷却负载电极的机械接触和热交换，同时在所述机械接触期间提供电介质隔离。
4.根据权利要求1所述的冷却系统，还包括在所述分层的电热隔膜和电极结构、热沉电极和/或冷却负载电极中的一个或多个之上的钝化层，所述钝化层包括氧化铍和/或氮化铝中的一个或多个。
5.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述电热隔膜包括铁电聚合物。
6.根据权利要求5所述的冷却系统，其中所述铁电聚合物包括聚偏氟乙烯共聚物。
7.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述偏置源包括电压源，并且还包括控制器，所述控制器适用于控制所述电压源。
8.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述偏置源包括铰链装置、弹簧装置、滑动装置和旋转装置中的一个或多个。
9.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述冷却负载包括导体管芯。
10.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述冷却负载包括电子封装。
11.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述冷却负载包括致冷系统。
12.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述冷却负载包括空调系统。
13.一种封闭腔体冷却设备，包括：
热沉；
第一腔体侧壁，具有热沉电极，其中所述热沉电极适用于与所述热沉热交换；
第二腔体侧壁，实质上与所述第一腔体侧壁平行，所述第二腔体侧壁具有冷却负载电极，其中所述冷却负载电极适用于与冷却负载热交换；
第一隔离物，具有第一悬置节点；
第二隔离物，与所述第一隔离物平行并且具有第二悬置节点，其中所述第一隔离物和所述第二隔离物热绝缘且电绝缘，并且适用于隔离所述第一腔体侧壁和所述第二腔体侧壁；以及
分层的电热隔膜和电极结构，包括位于第一电极层和第二电极层之间的电热隔膜，
其中所述电热隔膜适用于响应于在所述第一电极层和所述第二电极层上施加极化电压而极化为低熵状态，以及响应于去除极化电压而去极化为高熵状态；
其中所述分层的电热隔膜和电极结构与所述第一悬置节点和所述第二悬置节点耦合，以提供悬置于所述第一腔体侧壁和所述第二腔体侧壁之间的结构并且允许所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与所述第一腔体侧壁热交换并且不与所述第二腔体侧壁热交换，以及允许所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与所述第二腔体侧壁热交换并且不与所述第一腔体侧壁热交换；
其中所述分层的电热隔膜和电极结构是柔性结构，其中使所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与所述第一腔体侧壁热交换包括使电热隔膜和电极结构朝所述第一腔体侧壁弯曲，其中使所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与所述第二腔体侧壁热交换包括使电热隔膜和电极结构朝所述第二腔体侧壁弯曲。
14.根据权利要求13所述的封闭腔体冷却设备，还包括电压源，所述电压源配置为响应于所述电热隔膜极化为低熵状态而对所述热沉电极进行偏置，使所述分层的电热隔膜和电极结构与所述第一腔体侧壁热交换，从而促进从所述分层的电热隔膜和电极结构到热沉的热传递，并且其中所述电压源被配置为响应于所述电热隔膜去极化为高熵状态而对冷却负载电极进行偏置，使所述分层的电热隔膜和电极结构与所述第二腔体侧壁热交换，从而促进从冷却负载到所述分层的电热隔膜和电极结构的热传递。
15.根据权利要求14所述的封闭腔体冷却设备，还包括控制器，所述控制器适用于控制所述电压源。
16.根据权利要求13所述的封闭腔体冷却设备，其中由所述第一腔体侧壁和所述第二腔体侧壁形成的封闭腔体排空了气体介质。
17.根据权利要求13所述的封闭腔体冷却设备，其中所述电热隔膜包括铁电聚合物。
18.根据权利要求13所述的封闭腔体冷却设备，其中所述冷却负载包括半导体管芯。
19.根据权利要求13所述的封闭腔体冷却设备，其中所述冷却负载包括电子封装。
20.根据权利要求13所述的封闭腔体冷却设备，其中所述冷却负载包括致冷系统。
21.根据权利要求13所述的封闭腔体冷却设备，其中所述冷却负载包括空调系统。
22.一种操作冷却设备的方法，包括：
通过所述冷却设备内的分层的电热隔膜和电极结构的移动将热沉电极偏置，以使得分层的电热隔膜和电极结构与热沉热交换并且不与冷却负载热交换，其中所述分层的电热隔膜和电极结构包括在第一电极层和第二电极层中间的电热隔膜；
在第一电极层和第二电极层上施加极化电压，以将电热隔膜极化到低熵状态，同时保持所述分层的电热隔膜和电极结构与所述热沉之间的热交换，使得将在极化期间产生的热从所述电热隔膜到所述热沉耗散掉；
通过所述冷却设备内的所述分层的电热隔膜和电极结构的移动将冷却负载电极偏置，以使得分层的电热隔膜和电极结构与冷却负载热交换并且不与热沉热交换；以及
在保持冷却负载和分层的电热隔膜和电极结构之间的热交换的同时去除极化电压，以允许电热隔膜去极化为高熵状态并且从冷却负载汲取热能，
其中所述分层的电热隔膜和电极结构是柔性结构，其中使所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与热沉热交换包括使电热隔膜和电极结构朝所述热沉弯曲，其中使所述分层的电热隔膜和电极结构移动为与冷却负载热交换包括使电热隔膜和电极结构朝所述冷却负载弯曲。
23.根据权利要求22所述的操作冷却设备的方法，还包括从控制器接收一个或多个电压控制命令，所述电压控制命令提供将所述热沉电极偏置、施加所述极化电压、将所述冷却负载电极偏置和/或去除所述极化电压的一个或多个定时和/或电压电平。
24.根据权利要求23所述的操作冷却设备的方法，还包括响应于接收的电压控制命令来修改定时和/或电压电平，以实现所述冷却负载的冷却速率。
25.根据权利要求22所述的操作冷却设备的方法，还包括将冷却负载电极接地并且在热传递循环中重复执行以下操作：将所述热沉电极偏置、施加所述极化电压、将所述冷却负载电极偏置和/或去除所述极化电压。
26.根据权利要求22所述的操作冷却设备的方法，还包括在将冷却负载电极偏置以使得分层的电热隔膜和电极结构与冷却负载热交换之前，在保持极化电压的同时将热沉电极接地。
27.一种冷却系统，包括：
热沉；
第一电极，配置为与所述热沉热交换；
第二电极，配置为与冷却负载热交换；
电热结构，悬置于所述第一电极和所述第二电极之间，其中所述电热结构适用于响应于在所述第一电极和所述第二电极上施加极化电压而极化为低熵状态，以及其中所述电热结构适用于响应于去除极化电压而去极化为高熵状态；以及
偏置源，通过所述冷却系统内的所述电热结构的移动将所述电热结构偏置为与所述第一电极和所述第二电极交替进行热交换，其中响应于所述电热结构极化为低熵状态而使所述电热结构与所述热沉热交换并且不与所述冷却负载热交换，从而促进从电热结构到热沉的热传递，并且响应于所述电热结构去极化为高熵状态而使所述电热结构与所述冷却负载热交换并且不与所述热沉热交换，使得促进从所述冷却负载到所述电热结构的热传递，
其中所述电热结构是柔性结构，其中使所述电热结构移动为与所述热沉热交换包括使所述电热结构朝所述热沉电极弯曲，其中使所述电热结构移动为与所述冷却负载热交换包括使所述电热结构朝所述冷却负载弯曲。
28.根据权利要求27所述的冷却系统，其中所述偏置源包括电压源。
29.根据权利要求27所述的冷却系统，其中所述偏置源包括铰链装置、弹簧装置、滑动装置或旋转装置中的一个或多个。
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