CN103148633B - 基于afr的室温铁电制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁电制冷机，具体涉及一种旋转式主动回热（或称蓄冷）室温铁电制冷机。本发明中的旋转式铁电制冷机包括传动装置、由传动装置带动的被分为偶数个工质床格的铁电工质床、换热流体、换热流体流向控制阀门。因为铁电工质在周期性施加电场和减场时会加电场升温和去电场降温，所述的换热流体在铁电工质间往复流动而运载出热量和冷量。本发明中的旋转式铁电制冷机独特设计的分割成多个工质床格的铁电工质床很好地解决了工质的连续旋转和换热过程的方向切换之间的矛盾，减少了内部流体的短路，提升了换热效果，配合换热流体流向转换阀门使得本发明中的旋转式铁电制冷机结构紧凑、效率高、功率大、制造成本低。

Description

基于AFR的室温铁电制冷机

技术领域

本发明涉及一种室温铁电制冷机，具体涉及一种基于主动式铁电材料回热（或称铁电蓄冷AFR）的室温铁电制冷机。本发明中的铁电制冷机包括电场施加与撤除系统，换热流体系统；伴随电场对铁电制冷工质周期性的加场升温和去场降温，所述的换热流体在冷热换热器之间经过铁电制冷工质床周期性往复流动。降温后的流体与制冷物体或空间进行热交换，从而实现制冷目的。该制冷机的逆循环运行也可以做热泵使用。还有，该机器及所述方法也可以反过来使用，即在外热源间循环，则对外输出电力，尤其可以在温差不大的热源间发电。

背景技术

传统广泛应用的制冷方式是机械式蒸汽压缩循环制冷。这种制冷技术使用的制冷工质会破坏大气层上空的臭氧环境，而现在的替代工质有很大的温室效应指数和燃爆性，不但制冷效率不高，而且严重地影响到能源的利用和人类的生存环境。

研究和发展节能、安全、环保的新型制冷方式非常重要。室温铁电制冷技术作为一种新型制冷方式，具有高能效、无污染、无噪音、安全可靠等优点：它不需要使用导致大气臭氧层破坏和加剧全球变暖的有机制冷剂，而只需依靠铁电材料的电场热效应，通过加电场和去电场过程的反复循环达到制冷目的。因此，使用具有巨电场热效应的铁电制冷技术是一种近年来才被发现的新型绿色环保的制冷技术，受到了包括美国宾州州立大学等研究机构的广泛关注。

2006年以来，美国宾州州立大学章启明教授等发现一些陶瓷铁电材料（如锆钛酸铅镧陶瓷PLZT）和塑料材料（如聚偏氟乙烯P(VDF-TrFE-CFE)）的铁电薄膜在强电场下具有非常高的温度特性。与传统的铁电材料很微弱的电场热效应相比，这种新型的材料因为施加的电场高而热效应很显著，但使用这些铁电材料来做制冷机的方案还没有出现。

这类新材料其温度变化虽然可以高达20K以上，但铁电类的卡诺循环还不能直接使用，其原因在于通常用于空调用途的温差要在30K以上（需要考虑传热温差），此外还因为这些铁电薄膜单层厚度在微米以下才具有强的电场热效应，而这时的电场强度已经远远高于普通绝缘材料的击穿极限。所以要使用铁电材料做制冷用途电场强度不能太强，而且还要解决防止雪崩击穿导致材料整体破坏的问题。从这些考虑出发，如何引入回热机制来解决大温跨防击穿问题以及换热等一系列问题就成为室温铁电制冷的关键。此外，这些材料是固体属性，其热效应在固体内部，必须采用流体做载体才能形成循环，所以必须寻找高效合理的循环方案来实现铁电制冷。

因为铁电材料的热效应还不够大，不能直接采用加场去高温热源放热然后减场去低温热源吸热的方法，而需要引入回热（蓄冷）技术来加大温差才能实际使用。从使用铁电工质进行制冷的工作方式来看，使用回热的制冷循环主要有往复式和旋转式两种方式。前者制冷工质的运动是间断不连续的，每次都要经历停——开——停——开——停这样一个周而复始的过程。旋转式铁电制冷机采用连续运转铁电工质的旋转方式。此外，还可以让制冷工质静止而交替施加电场的方式来获得制冷效果，并且这种方式最为经济简单。

发明内容

本发明目的是针对铁电材料的特点，根据电场热效应原理，设计出一款新型旋转式铁电制冷机。该系统采用相互独立平行可以整体转动的铁电工质床外接电源，在工质床转动时其内部的铁电工质交替加减电场，再配合换热流体的来回流动而实现制冷，其结构紧凑、效率高、噪音低。

一种旋转式铁电制冷机，包括：

     传动装置；

  铁电工质床，所述的铁电工质床采用绝缘绝热性能好的材料制成，为中空圆筒形，在该圆筒的内壁和外壁之间形成的截面为圆环的空间中将所述空间等分成偶数个工质床格，工质床格中放置铁电工质；所述的铁电工质床外部一端固定设置有一半圆形的电源阳极，另一端设置有电源阴极；所述每个铁电工质床格中铁电工质通过相互绝缘的电极与所述半圆形的电源阳极动态连接，且当所述铁电工质床被所述传动装置驱动旋转时，在任一时刻，总有一半铁电工质床格中的铁电工质通电加场，而剩余的一半则断电去场；

设置在所述铁电工质床两端至少一端的换热流体流向控制阀门，所述换热流体流向控制阀门包括引流部分、分流部分、顺流部分和法兰，所述的引流部分带有引流通道，分流部分带有与引流部分引流通道相配合的分流槽，分流槽将换热流体分流至带有与所述工质格相对应的顺流孔的顺流部分；所述的法兰和顺流部分通过法兰与铁电工质床上的法兰固定连接并随所述传动装置一起运动；所述的引流部分和分流部分与所述的法兰和顺流部分活动连接，并不随传动装置一起运动。

在一种具体实施方式中，所述电源阳极与所述每个铁电工质床格的电极之间通过导电滚珠或导电弹性片动态连接。

在一种具体实施方式中，所述铁电工质床的每一个铁电工质床格通过导线连接到位于铁电工质床外壁上的对应铁电工质格电极。

在又一种具体实施方式中，所述铁电工质床的每一个铁电工质床格通过导线连接到固定在所述铁电工质床外的圆筒形电极板的对应铁电工质格电极，所述电极板采用绝缘材料制成且分成与铁电工质床格数目相同的等份。

在本发明的一个具体实施方式中，所述的铁电工质床截面为圆环的空间被等分为24个工质床格。

在本发明的又一个具体实施方式中，所述的铁电工质床与换热流体流向控制阀门之间带有密封过滤装置。

本发明中的旋转式铁电制冷机系统采用独特设计的分割成多个工质床格的铁电工质床提升了换热效果，配合换热流体流向转换阀门使得本发明中的旋转式铁电制冷机结构紧凑、效率高、制造成本低。

附图说明

图1  为本发明一种旋转式铁电制冷机的结构分解示意图；

图2  为图1中已装配好的旋转式铁电制冷机的示意图；

图3A 为一种用于本发明的电源阳极和阴极示意图；

图3B 为根据本发明的一种铁电工质床格电极示意图；

图3C为根据本发明的又一种铁电工质床格电极示意图；

图4  为本发明一种铁电工质床结构示意图；

图5  为本发明一种换热流体流向控制阀门的结构分解示意图；

图6  为本发明一种密封过滤圈的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。应该清楚，附图中所描述的本发明的具体实施方式仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制。本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。

图1示出了本发明一种旋转式铁电制冷机的结构分解示意图。如图1 所示，本发明中的旋转式铁电制冷机包括一传动动装置，该驱动装置包括电机80和由电机通过皮带驱动的转轴50。转轴51也可由电机80直接驱动。

本发明中的旋转式铁电制冷机还包括一由上述传动装置驱动的铁电工质床40，具体结构如图5所示。铁电工质床40为中空圆筒形，在圆筒的内壁41和外壁43之间形成的空间（俯视为圆环，即具有环形截面）中由绝热性能好的材料将圆环分成数目若干（最好为偶数）的多个工质床格42，工质床格42中放置有铁电工质。所述的铁电工质床40引出两电极，分别与来自电源的两极61、62动态相连，并固定在转轴50上随着转轴一起运动。

所述的铁电工质床采用绝热绝缘性能好的材料制成，优选采用不锈钢材料制成。所述的铁电工质为具有大的电场热效应的材料，包括但不限于陶瓷铁电材料（如锆钛酸铅镧陶瓷PLZT）和塑料材料（如聚偏氟乙烯P(VDF-TrFE-CFE)），或它们的复合材料，或具有高热导的复合室温电场热效应材料，即将高热导材料与室温电场热效应材料复合所得到的材料。

所述的铁电工质通常为柱状或管状。这些柱状或管状材料相互平行形成阵列，沿着材料的轴向可以分成若干段，且段与段之间也可以插入很薄的绝热网以阻断沿轴向的漏热。所有的铁电工质都有电极与工质床外的电极相连以保证电场的施加与撤除。通常管状材料有更好的换热效果。

所述铁电工质与铁电工质床40外的电极61、62的连接方式如图3A、3B、3C所示。参见图3A，电极61为阳极，成圆筒状固定在铁电工质床40的外部一端。电极62为阴极，也成圆筒状固定在铁电工质床40的另外一端。阳电极61只有其中的圆筒的一半611带电，而另一半612则不带电。使阳电极61一半带电、一半不带电的方法可采用本技术领域已知的方法，例如但不限于其中的一半611采用良好导电材料制成，而另一半612采用绝缘材料制成；或者阳电极都采用良好导电材料制成，而在另一半612上涂一层绝缘胶。阴电极62采用良好导电材料制成。

如图3B、3C所示，从每一铁电工质床格（请参见图4）一端采用导线（图中未示出）引出的电极都连接至固定在铁电工质床上的圆筒形电极板65上，圆筒形电极板65采用绝缘材料制成并优选分成与铁电工质床格数目相同的等份，使每一工质床格中的铁电工质通过导线连接至电极板65上与之对应的电极上。图3B中，与工质格对应的电极包括弹性片652和导电触点651构成（作为示意，图中仅示出了两个电极，数目并不局限于此）。图3C中，与工质格对应的电极为导电滚珠653，如钢珠。为进一步提高电极之间的绝缘效果，还可在每个电极之间设置绝缘格654，如工程塑料制成的绝缘格。为保证电源接通，对应于每一个工质床格，可设置两个或更多个导电滚珠653。

以上设置使得电极板65随铁电工质床40旋转时，电极板65上对应于各个铁电工质床格的电极与阳极61动态连接，而各个铁电工质床格的另一端通过导线与阴电极62连接，即，在任一时刻，总有一半铁电工质床格中的铁电工质通电加场，而剩余的一半则断电去场。

所述与铁电工质床格对应的电极也可直接设置在由绝缘绝热性能好材料制成的铁电工质床的外壁43上。

所述阳极61也可仅带有导电部分611，即成半圆环状固定设置于所述铁电工质床40的外部。

水泵90驱动流体在低温热交换器11和高温热交换器12之间流动。通常泵流体的输出端指向高温热交换器。

如前文所述，转轴50和所述的铁电工质床40固定连接，即铁电工质床40和转轴50一起运动。甚至去除转轴而将工质床40兼作转轴使用。

所述的旋转式铁电制冷机还带有换热流体流向控制阀门。所述的换热流体流向控制阀门的结构分解图如图6所示。作为本发明的一种情况，换热流体流向控制阀门20（21和22） 包括一具有双通道的引流部分201、一带有两个分流槽的分流部分202及与铁电工质床工质床格对准的顺流部分203；顺流部分203做成扁平的圆柱体并带有与铁电工质床工质床格数目相同的通孔2031，通孔2031与所述的铁电工质床相应的工质床格对准以方便换热流体顺利进入铁电工质床40。

所述的顺流部分203和换热流体流向控制阀门的法兰204固定连接并通过法兰204和所述的铁电工质床40固定连接，随转轴50一同旋转。引流部分201和分流部分202套装在转轴上，不随转轴50一起做旋转运动。

所述的引流部分201的两个通道2011和2012分别作为换热流体的流进或流出通道。在所述的顺流部分203和铁电工质床40之间优选设置密封过滤圈31、32（如图6所示）进行密封，以防止换热流体泄露。同时，所述的密封过滤网31、32还可以起到阻挡铁电工质在与流体换热过程中产生的碎屑从而起到过滤效果。

所述的密封过滤网31、32优选采用高弹性、高韧性的材料制成，如采用橡胶材料制成。在铁电工质床40的法兰和换热流体流向控制阀门的法兰204上优选带有与所述密封过滤网31、32外形尺寸相应的槽，当密封过滤网31、32安装到位时，密封过滤网31、32上的孔311 （321） 与铁电工质床40的工质床格42分别对准。

所述的引流部分201、分流部分202及顺流部分203采用绝热性能和耐磨性能良好的材料制成，优选聚四氟乙烯或其它超高分子材料如超高分子聚乙烯制成。

在所述的引流部分201和分流部分202之间、分流部分202和顺流部分203之间优选设置密封圈进行密封，以防止换热流体泄露。所述的密封圈优选采用高弹性、高韧性的材料制成，如采用橡胶材料或者低摩擦系数的塑料制成。优选地，分别在引流部分201和分流部分202（或分流部分202和顺流部分203）相对面上加工相应的槽，安装时，将所述的密封圈压紧在相应的槽中。

由于图1中的旋转式铁电制冷机的铁电工质床40中装有柱状或管状阵列的铁电工质，在柱柱之间或管管之间存在一定的空隙率可以允许流体流动，因此对铁电工质床施加周期性的电场，并由泵驱动换热流体周期性往返流动时，换热流体就能与铁电工质换热从而达到制冷效果。

图2为图1中已装配好的旋转式铁电制冷机的示意图。图2中的旋转式铁电制冷机运行时，前半周期为：水泵90驱动冷端换热器11过来的换热流体流向换热流体流向控制阀门21 入口，冷端换热流体进入加场换热流体升温引流通道，再经分流部分的分流槽将相当集中的水柱分流为12个通道，经过过滤密封31（见图1）进入铁电工质床。由此，12股均匀的换热流体能够顺利进入铁电工质床。铁电工质加场，过冷流，换热流体升温，经过滤密封32过滤，再通过与冷端相对应的换热流体流向控制阀门22，使得换热流体顺利进入热端换热器12，进行换热。流体流向控制阀门21和流体流向控制阀门22与前述的流体流向控制阀门20具有相同的结构。

后半周期为：水泵90驱动热端换热器12中的换热流体流向换热流体流向控制阀门22入口，热端换热流体进入减场换热流体降温引流通道，再经分流部分的分流槽将相当集中的换热流体分流为12个通道。由此，12股均匀的水柱能够经过过滤密封32进入铁电工质床。由此，12股均匀的换热流体顺利进入铁电工质床。铁电工质撤去电场，过热流，换热流体降温，经过滤密封31过滤，再通过与热端相对应的换热流体流向控制阀门21，使得换热流体顺利进入冷端换热器11，进行换热。

此处描述的前半周期、后半周期实质是在同一时刻内的描述。即：加上电场升温过冷流和撤去电场降温过热流是同时发生的，也就是说铁电工质床有24个工质床格，通过电动机驱动，铁电工质床各有一半工质床格，即各有12个工质床格分别承担加场升温过冷流和去场降温过热流的功能。

此处描述的换热流体通常为绝缘性能良好的乙二醇、丙三醇、酒精等载冷剂。如果铁电工质床40内的铁电工质电极绝缘良好，则当然也可采用水，或其它导热性能良好的流体，以及它们和水的混合物等。

由于前述制冷机采用分割成多个工质床格的铁电工质床配合动态切换阀门分流换热流体，而能够平稳的将断续工作的循环转换成几乎连续的旋转方式，从而显著加快了循环速度，提高了换热效果；配合换热流体流向转换阀门使得本发明中的旋转式铁电制冷机结构紧凑、效率高、制造成本低。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (10)

1.一种旋转式铁电制冷机，包括：

      传动装置；

    铁电工质床，所述的铁电工质床采用绝缘绝热性能好的材料制成，为中空圆筒形，在该圆筒的内壁和外壁之间形成的截面为圆环的空间中将所述空间等分成偶数个工质床格，工质床格中放置铁电工质；所述的铁电工质床外部一端固定设置有一半圆形的电源阳极，另一端设置有电源阴极；所述每个工质床格中铁电工质通过相互绝缘的电极与所述半圆形的电源阳极动态连接，且当所述铁电工质床被所述传动装置驱动旋转时，在任一时刻，总有一半工质床格中的铁电工质通电加场，而剩余的一半则断电去场；

设置在所述铁电工质床两端至少一端的换热流体流向控制阀门，所述换热流体流向控制阀门包括引流部分、分流部分、顺流部分和法兰，所述的引流部分带有引流通道，分流部分带有与引流部分引流通道相配合的分流槽，分流槽将换热流体分流至带有与所述工质床格相对应的顺流孔的顺流部分；所述的法兰和顺流部分通过法兰与铁电工质床上的法兰固定连接并随所述传动装置一起运动；所述的引流部分和分流部分与所述的法兰和顺流部分活动连接，并不随传动装置一起运动。

2.根据权利要求1所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述电源阳极与所述每个工质床格的电极之间通过导电滚珠或导电弹性片动态连接。

3.根据权利要求1或2所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述铁电工质床的每一个工质床格通过导线连接到位于铁电工质床外壁上的对应工质床格电极。

4.根据权利要求1或2所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述铁电工质床的每一个工质床格通过导线连接到固定在所述铁电工质床外的圆筒形电极板的对应工质床格电极，所述电极板采用绝缘材料制成且分成与工质床格数目相同的等份。

5.根据权利要求4所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述的铁电工质为陶瓷铁电材料、塑料型铁电材料，或具有高热导的复合室温电场热效应材料。

6.根据权利要求5所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述的换热流体流向控制阀门的引流部分带有2个引流通道，所述的分流部分带有与所述2个引流通道相配合的2个分流槽，所述的顺流部分带有与所述偶数个工质床格配合的顺流孔。

7.根据权利要求6所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述的铁电工质床与换热流体流向控制阀门之间设置过滤密封装置。

8.根据权利要求7所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述的换热流体流向控制阀门的引流部分和分流部分之间、分流部分和顺流部分之间设置密封装置。

9.根据权利要求8所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述的密封装置由在引流部分或顺流部分和分流部分相应的位置上设置的凹槽及设置于所述凹槽内的弹性橡胶或者低摩擦系数的塑料组成。

10.根据权利要求9所述的旋转式铁电制冷机，其特征在于，所述的换热流体选自乙二醇、丙三醇、酒精或水。