CN104296416B

CN104296416B - 回热电卡制冷装置

Info

Publication number: CN104296416B
Application number: CN201410347350.5A
Authority: CN
Inventors: 程爱兰; 章启明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2034-07-21
Also published as: CN104296416A

Abstract

本发明提供了一种回热电卡装置，包括中心轴支持的上电卡环以及支架轴支持的下电卡环，上、下电卡环为堆叠设置，其中：上、下电卡环为相反的旋转接触并分别包括由间隔物隔开的高电场区和低电场区，其中上、下电卡环中的高电场区与低电场区相对设置并经施加电源形成有热端和冷端，热端和冷端分别接触一个热负载，在这两个热负载之间设有防止热量散失的低导热层，藉由上述结构与构造的结合，解决了回热节省能源，利于环境的技术问题，实现了工艺简单、提升制冷功率和效率以及节能环保的良好效果。

Description

回热电卡制冷装置

技术领域

本发明提供一种回热电卡制冷装置，尤其是指利用一种可旋转的电卡材料环制成的回热电卡制冷装置。

背景技术

一般，气候调节设备(如热泵、冰箱及空调)是通过机械蒸汽压缩循环实现制冷的。这种制冷系统不仅效率低，而且能耗大，其产生温室效应的气体对环境的影响也很大。提高能源利用率、降低成本和保护环境等的气候调节设备便成了业务探究的新课题。

电卡效应是绝缘介电材料的热性能(如熵和温度)与电学性能(如电场和极化)之间直接耦合的结果。在这种类型的材料中，改变施加电场引起相应的极性变化，进而导致偶极熵变S_p，所述的熵变可用等温熵变ΔS来直接度量。如果电场的变化是在绝热的条件下，那么绝缘材料将会经历一个绝热温度变化ΔT的过程。目前，大型电卡效应已经被(李新宇、钱小实、鲁圣国、程继平、方钊和章启明)发现并被开发。在弛豫铁电体或聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)三元共聚物中，电卡效应的温度依赖性是可调节的。刘新宇、钱小实、顾海明、陈翔中、鲁圣国、林敏仁和贝特曼·弗雷德和章启明在Appl.Phys.Lett.99,052907(2011)期刊中发表了铁电体聚合物(偏二氟乙烯-三氟乙烯)共聚物在一级铁电相变处的巨型电卡效应。室温下，当外加电场变化至180MV/m时，电卡聚合物温度变化ΔT最大为28℃(见图1)。

制冷设备的一个关键组成部分是熵从冷端到热端之间的传递。其目的是使熵以一种可逆方式从一个温度态传到另一个温度态。这就要求制冷剂的熵可以被除了温度以外的其它变量而改变。在本发明的制冷设备中，这种物质是电卡材料，所述的电卡物质的熵和/或温度可以通过外加电场来改变。

所有稳态转换必须是循环的，因为熵所承载的物质是没有被消耗。图2是说明理想状态制冷循环(卡诺循环),此循环包括两个绝热过程和两个等温过程。对于卡诺循环而言，从冷源吸收的热量是Q_c＝T_c(S_c-S_h)及性能系数COP＝Q_c/W(所述的W是在制冷过程中外界所作的功)，性能系数还可以表达成COP＝T_c/(T_h-T_c)等式(1)。

在图2中的制冷循环(和基于图2中制冷循环原则的制冷设备)，最大温度差T_h-T_c是由电卡材料的绝热温度变化ΔT所决定的。为了增加温度差并提高效率，在实际的气候调节设备，如抽湿机中通常引入了回热过程和/或回热器。例如，图3a及图3b中说明一个理想的EC埃里克森循环，交流换热器跨越温度从T_h变化到T_c时，加在以电卡材料作为致冷剂上的电场没有变化。T_h-T_c比电卡材料因场强变化E_h–E₁所引起的温度差ΔT大。于是，一些基于电卡效应的制冷循环以被开发。图4a中呈现回热电卡制冷装置，说明了用热量交换液体从冷端(吸收热量Q_c)传递热量到热端(散发热量Q_h)。其中有两个电卡层和一个如图4b所示施加在两个电卡层的电场。由于电场(电压)在其中一个电卡层(如ECE1)中由低向高变化，导致在该电卡层的温度升高，而在另一个电卡层(如ECE2)的电场由高向低改变，这就引起电卡层的温度降低，这两个电卡层的变化都归结于电卡效应。在此情形下的热量交换液体先是逆时针再是顺时针流动，并从冷端吸收热量，在热端释放热量，这些可以归纳为属于第一个半循环。而另一个半循环中，在两个电卡层上的电场是反向的，热量交换液体是顺时针方向流动的。因此，每一个电卡层的热量交换流向具有双向流动性。

图5所示的是在设备处于一个稳定状态操作(保持热端与冷端的温度分别在在T_h和T_c主)时，电卡层在如图4a及图4b所示的制冷设备的制冷循环处于不同阶段的温度曲线。在第一阶段中，施加电场提高电卡层的温度。第二阶段中，热量交换液体从电卡层长度X＝0处抽取热量至X＝L处，散热片(T_H)将电卡层的热量散出。第三阶段中，去除电场导致电卡层(没有热量交换液体流动)的冷却，并且在第四阶段中，热量交换液体将以相反的方向从冷端(温度为T_c)抽取并吸收热量。如图2所示的是应用在主动电卡回热制冷中的两个电卡层。电卡层包括电卡板并以通道方式平行堆叠，且通道容热交换液体双向流动，其中通道的宽度取决于热交换液体的热扩散长度，一般而言，通道的宽度为0.1mm-0.5mm。然而，电卡板之间的通道比较窄，会导致高流动阻力，从而限制了制冷功率，即减少了制冷效率。

将图4a、图4b和图5中的装置与图3a及图3b中埃里克森循环进行比较，图4a及图4b所示回热过程是不理想的，因为在回热过程(热交换液体)中，其温度的变化是随电场而改变。因此业界研发了一种固态电卡，然而增加固态电卡制冷设备的回热温度仍随着外加电场而变化(可参见顾海明、BrentCraven、钱小实、李新宇、程爱兰、S·C·Yao、章启明，在Appl.Phys.Lett.102,112901【2013】中发表的具有高制冷功率密度的电卡冰箱模拟实验)。在这些回热设备中，电场会随着回热设备的长度及所经过的时间而变化，也引起了回热设备的温度变化。因此热交换液体在图4a及图4b所示的制冷设备中双向流动也不畅通。

尽管电卡材料在制冷设备是对提高制冷功率(即制冷效率)具有很大潜力，但以现有的电卡制冷设备来适用该电卡材料时的应用效果并不特别理想，其并不能充分发挥该电卡材料的良好性能。因此，急需一种能有效发挥电卡材料的新的制冷设备便成为业务研发的新课题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于一种回热电卡制冷装置。

为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：一种回热电卡装置，包括中心轴支持的上电卡环以及支架轴支持的下电卡环，上、下电卡环为堆叠设置，其中：上、下电卡环为相反的旋转接触并分别包括由间隔物隔开的高电场区和低电场区，其中上、下电卡环中的高电场区与低电场区相对设置并经施加电源形成有热端和冷端，热端和冷端分别接触一个热负载，在这两个热负载之间设有防止热量散失的低导热层。

在本发明实施例中优选，所述间隔物是具有绝缘的低热导率的材料成型。

在本发明实施例中优选，所述间隔物具有多孔，多孔的腔体内具有空气或真空。

在本发明实施例中优选，所述高电场区及低电场区分别包括多个电卡片段。

在本发明实施例中优选，所述多个电卡片段中，相邻的电卡片段之间设有间隔物。

在本发明实施例中优选，所述电卡片段为电卡聚合物、电卡陶瓷或电卡复合物。

在本发明实施例中优选，所述电卡复合物为电卡聚合物内嵌入电卡陶瓷构成。

在本发明实施例中优选，所述两个热负载均为铝片，铝片以静态的形式接触上电卡环或下电卡环，并不随之一起转动。

在本发明实施例中优选，所述回热电卡装置进一步包括保护层，保护层分别贴合于上、下电卡环的正反两面。

在本发明实施例中优选，所述上、下电卡环分别具有容纳小电卡环套装的同心圆空间，其中分别设于上、下同心圆空间的上、下小电卡环之间以相反方向旋转，且分别与上、下电卡环之间也为以相反方向旋转。

本发明与现有技术相比，其有益的效果是：一是工艺简单，容易实现；二是略加变动相关结构的厚度，便可实用多种不同的电卡材料；三是理论证明能够有效提升制冷功率和效率；四是节能且利于环境。

附图说明

参考附图中，具有相同数字标号的表示相同元件。

图1是表示随着电卡材料(如聚合物)上外加电场的变化而产生的绝热温度变化过程的图形。

图2是基于电卡效应的热力学制冷循环(卡诺循环)的图形表示，此处的S表示熵，T表示温度，E表示外加电场，下标h和c分别表示热端温度和冷端温度，以及在“A”和“C”旁边的方块箭头代表电卡材料分别处于无序偶极排列和有序偶极排列的两种状态。

图3a是电卡效应埃里克森制冷循环图中表示电场(E)与温度(T)的关系图；图3b是电卡效应埃里克森制冷循环图中表示熵(S)与温度(T)的关系图。

图4a是使用了具有热交换液体两个电卡层的回热电卡冷却装置的结构示意图；图4b是在图4a中所表示的冷却装置的两个电卡层ECE1和ECE2上的外加电场模式的一个例图，且该图中表示通过双向液体泵实现冷却装置的热交换液体双向移动。

图5表示图4a所示的一个获取稳定状态的电卡层的温度曲线示意图和制冷循环的图形表示。

图6a是本发明的一个具体实施例示意图，图6b是图6a中B-D的截面示意图。

图7a是图6a所示的冷却装置的理想制冷循环的温-熵图；图7b是图6a所示的冷却装置的在非理想状态下的制冷循环的温-熵图，在本图中E_L＝0，但对于一般情况下E_L<E_H且E_L可能不等于0。

图8a是两个相互对齐的电卡环的示意图，该电卡片段和设置电卡片段之间具有低导电率间隔物且相互对齐；图b是图8a中的片段未对准时的示意图；图8c是图6a中两个环的分解放大视图；图8d是图8a、图8b和图8c的环段的位置与时间的对应关系示意图。

图9a,9b和9c是图6a中的两个环在运动时的不同方位的三个截面示意图。

图10是多个图9a电卡环相互堆叠而成的回热电卡单元。

图11是另一个回热电卡冷却装置结构示意图，所术结构的电场施加区域分成至少两个。

图12是具有同轴环的回热电卡冷却装置的结构示意图。

图13a具有多个电卡片段的电卡环示意图，其中每个电卡片段都是由单个电极所覆盖；图13b是图13a中的通过多个较小型电极覆盖在每个电卡片段上的电卡环示意图。

具体实施方式

为了清楚地描述回热电卡制冷装置，以下的术语和定义适用于整个说明书。

T_H(T_h)：电卡冷却装置的散热片(热端)温度。

T_c(T_L)：电卡冷却装置的冷负荷(冷端)温度。

E_H(E_h)：作用在本发明实施例中冷却装置上的最大电场。

E_L(orE_L＝0)：作用在本发明实施例中冷却装置上的最小电场。

ΔE＝E_H-E_L：表示电场的变化。

电卡环：环形电卡组件的外径(OD)，内径(ID)，厚度为d，且该电卡环具有由低热导率(k<0.2W/mK)间隔物隔开的多个电卡片段。

带或不带电场的区域：所述的区域在空间中固定。当电卡环旋转时，电卡片段离开不带电场的区域，进入并穿过带电场区域。

热扩散长度此处的ω是角频率，热扩散率α＝k/(ρc)。

热交换层：包括高热导率片段(如热导率大于100W/mK的铝)和填充在高热导率片段之间内的低热导率片段。高热导片段与电卡环在T_h和T_c区域内进行热接触时，电卡环与外部散热片和冷负载之间进行热量交换。

两个电卡环处于对齐位置：一个电卡环的电卡片段和空隙与另一个电卡环的电卡片和空隙分别相互对齐。

本发明提供了一种回热电卡制冷装置，实用于热泵、空调及电电冰箱等气候调节设备，其包括两个旋转方向相对反向的电卡材料环，并可相互直接热接触，其中热量在两个电卡环之间流动并实现回热。还包括通过电源提供的可穿过部分电卡环的电场，具有电场的电卡环部分表现出了重新排列的偶极状态，即从无序偶极状态到有序偶极状态。在绝热系统中，偶极子从无序到有序时，物质的熵减少，同时其温度会增加，反之，部分电卡材料因电场消除，偶极子又会处于无序状态，从而熵会增加而温度会降低。

电场穿过至少一个电卡环的部分区域，并结合两个电卡环的旋转，便形成有一个热端和一个冷端，其中：冷端从具有热量的并且希望被冷却的对象处吸收热量，再通过热端的散热片排除热量。通俗地说，当给电卡环部分区域外加电场时，电场部分的电卡环温度增加(即偶极子为有序排列，熵便减少)，比其没有电场的部分电卡环温度高。也就是说，热量会从外加电场的电卡环传递到与其相对设置的没有电场的电卡环实现回热循环。

在本发明创造中，一对反向设置且旋转方向相反的电卡环，分别包括具有低热导率材料间隔物，以及具有高电场区和低电场区，其中高电场区域与低电场区域相对设置并进行热量相互交换。在本实施例中，相对和相反设置的电卡环可以为多个高电场区与多个低电场区。

为了加强电极在部分电卡环中的电场，每一个电卡片段都有一个或者多个电极。为了提高制冷功率及效果，所述装置可以是多个相互叠加的电卡环组成。

图6a和图6b是本发明所述装置70的一个较佳实施例示意图，该装置包括堆叠在一起的上、下电卡环700、705，其中：上电卡环700与下电卡环705沿着Z轴方向相互热耦合(Z轴垂直于环的平面的方向)，所述上、下电卡环700、705绕着Z轴转动，即该上、下电卡环700、705是沿着中心轴800和/或支架轴810作相反方向转动，所述Z轴包括转臂和/或支架。

请再参阅图6a所示，上电卡环700为顺时针旋转780，下电卡环705为逆时针旋转790，在本发明实施例中“上”、“下”，“左”、“右”，“逆时针”、“顺时针”只是用来表述(但不限于)其位置与运动方向，例如：上、下电卡环也可以为左右堆叠设置，还可以是倾斜设置，其上电卡环700为逆时针旋转，下电卡环705为顺时针旋转。

在本实施例中，上、下电卡环700、705分别具有多个电卡片段710、730，将电场E＝E_H施加在上电卡环700的一半电卡片段710上，而另一半的电卡片段710则不施加电场。所述一半为图中的六个填有交叉线的电卡片段710，所述另一半为图中六个没有填充交叉线的电卡片段710。

在本实施例中，下电卡环705在电场区域下的区段与上电卡环700在电场区域下的区段为间隔180度。换句话说，上电卡环700的片段710处于电场E_H中时，在下电卡环705的片段730是没有电场的(或者低电场)；当上电卡环700顺时针780旋转时，温度接近T_h端的电卡片段710(高温端)从没有电场(E＝0)或低电场(E＝E_L)向高电场E_H区域移动，这种移动导致熵减少，并且热量从没有电场或低电场的电卡片段向高电场区散出。同理，下电卡环705逆时针790旋转时，温度接近T_h端的电卡片段730从没有电场(E＝0)或低电场(E＝E_H)E_L向高电场E_H散出热量。

在本实施例中，当温度为T_c时，上电卡环700的电卡片段710和下电卡环705的电卡片段730分别从高电场区向无电场或低电场区转动，通过这种方式以增加电卡片段的熵，并从冷端吸收热量来降低其温度；当上电卡环700在电场E_H中沿着从T_h到T_c方向(沿着T_h-B-T_c的路径)顺时针旋转时，电卡片段710的温度将从T_h降低至T_c，与此同时，当下电卡环705在无电场(或低电场)区内沿着T_c到T_h方向(沿着T_c-B-T_h的路径)逆时针旋转时，电卡片段的温度将从T_c升高至T_h，通过这两个环之间的热量交换，其在回热过程所发生的热量会从上电卡环700的电卡片段710流动至下电卡环705的电卡片段730中。本实施例中，沿着Z轴箭头的方向表示热量传递的方向，如“吸热”、“放热”。

请继续参阅图6a所示，所述的另一半是指图中右手边的一半电卡环，热量从下电卡环705的电卡片段730传递至上电卡环700的电卡片段710。再结合参阅图6b所示，是为了说明上、下电卡环700、705从电场强度为0的区域向电场强度为E_H的区域转动，并使回热热量在制冷设备中流动。

在本发明中，所述的装置在稳定状态下运行时，上电卡环700的电卡片段710进入电场为E_H的区域时，电卡效应导致温度升高，当温度为T_h时，热量传送至散热片。此外，当上电卡环700的电卡片段710以顺时针从T_h向T_c转动时，下电卡环705的电卡片段730为逆时针从T_c向T_h转动。热量从上电卡环700的处于高电场区的电卡片段710传递至下电卡环705的处于无电场或低电场区域的电卡片段730。热量传递的方向如图6b中垂直方向的箭头770所示，以此提供了一种相似与图3、图7所示的回热过程。所述相似的回热过程发生在另一半对应的环上，也就是说上电卡环700与下电卡环的功能相反。如图6b中，当右边半下电卡环705的电卡片段730的温度比上电卡环700的电卡片段710的温度高时，热量将会从下电卡环705传递至上电卡环700；当左边半上电卡环700的电卡片段710的温度比下电卡环705的电卡片段730的温度高时，热量将会从上电卡环700传递至下电卡环705。当电卡片段710、730的温度升高至接近T_c时，电卡片段的电场被从E_H减少至E_L，该片段的熵增加，同时电卡片段的温度降低，并且电卡片段从冷端吸收热量，以实现热源的制冷。为了使图6a中的装置高效发挥作用，电卡片段710、730沿着Z轴方向的热导率应该尽可能高，以使得上、下电卡环可以在沿Z轴的温度差较小(即小于1℃)并能在很短时间内产生回热，以此较高的热导速度并结合上、下电卡环的高速旋转，为提高制冷功率创造了条件。

请参阅图7a和图7b，是高电场下的一半上电卡环700和处于无电场或低电场中的一半下电卡环705的温熵曲线。同理，高电场下的另一半电卡环的两部分也具有相同的温熵曲线。总之，两个环相互直接热耦合，使热从处于高电场的电卡片段传递至处于低电场中相对应的电卡片段。关于图7中，图7a是个理想的热循环图，即准静态热量循环。而在实际情况下，电卡设备不会在很低的速度下运作，并且电卡片段接近T_h区间和T_c区间时存在温度差异。然而，电卡片段接近T_h区间时的温度会比外部散热片的温度高一些，而电卡片段接近T_c区间时的温度会比外部冷却负载的温度低。上述两个影响将会反映在图7b中的温熵曲线中。尽管上下电卡环以相反的方向转动，一旦达到了稳定状态，温度分布将不会随时间发生改变。温度梯度沿着上、下电卡环的平面(以下简称φ方向)从T_h至T_c，导致热量从T_h端传导至T_c端。然而，沿φ方向上的热量传导是一个热量散失、降低制冷功率和效率的过程。因此，减少或消除沿φ方向上的传递是十分重要的。

请再参阅图6a并结合参阅图7a和图7b所示，为了减少上、下电卡环沿φ方向的热导率，上、下电卡环的相邻的电卡片段710、730之间以狭窄的间隔物720、740分隔，该间隔物720、740采用了具有绝缘低热导率的材料或环氧树脂(k<0.2W/mK)，然而，所述的间隔物720、740为多孔材料成型，其多孔材料的腔体内可以是空气(如SF6的特殊气体或真空)，在这里，可以理解的是多孔材料比无孔材料的热导率低。

根据以上描述，可以理解的是该装置的电卡环应当具有一个沿Z轴方向较高的热导率和一个沿φ方向较低的热导率。对于图6a所示的装置，电卡片段可以是电卡聚合物或电卡陶瓷，电卡聚合物的热导率较低(通常小于0.3W/mK)，与之相反的是电卡陶瓷，具有较高的热导率(如k>5W/mK)，因此，通过在电卡聚合物内嵌入高热导率的电卡陶瓷，制造成电卡复合物，使之用于电卡片段的热导率可以提高至大于1W/mK。

在本实施例中，间隔物720、740的宽度比电卡片段710、730的宽度要窄，具体地说，间隔物720、740的宽度是电卡片段710、730宽度的5％至15％，优选为10％，当然，所述间隔物720、740的宽度也可以通过所述的装置功能(如制冷功率、温度范围T_h-T_c、性能系数COP)或制造成本等所决定。

在本发明中，电卡环的制造工艺相对比较简单，电卡环的直径尺寸大约为5cm，厚度为0.2mm，通常会加工为两个对应的环，如图6a中的上电卡环700与下电卡环705，在本实施例中上、下电卡环分别具有12个电卡片段，并各具有六个具高电场作用片段和六个无电场或低电场片段，上电卡环中六个具有高电场片段对应下电卡环中六个具有无电场或低电场作用的片段设置；同理，上电卡环中另六个具有无电场或低电场片段对应下电卡环中另六个具有高电场片段设置。

在本实施例中，电卡环的电卡特性应不被理论所约束，如图6a所示的装置，将电卡聚合物作为电卡材料，施加电场的变化为ΔE＝100MV/m和熵变化为ΔS＝0.081J/cm³K，导致从冷端吸收的热量为Q_c＝24.3J/cm³。制冷循环中，电卡环与外界冷负载之间的热量交换是发生在热扩散长度内的接口处，其中热扩散长度ω是角频率，α＝k/(ρc)是热扩散率。对于电卡复合物在没有电卡效应的影响下，增加小部分的高热导率填充物可以使电卡复合物的电卡热导率提高至大于0.5W/mK至1W/mK。尽管制冷装置可以在两个环以恒定角速度转动时工作，但一个可变的角速度(如阶梯式旋转)可以用来降低热端和冷端之间的热导损失，从而提高两个环沿Z轴方向的热交换回热过程。通过提高两个环间热交换也可提高电卡装置的制冷功率和效率。

如图8a、图8b、图8c和图8d所示，上、下电卡环700、705以相反方向旋转，旋转时可以如图8a所示方向对齐和/或以图8b所示方向错开，其中：对齐是指上电卡环700的间隔物720与下电卡环705的间隔物740对齐，以及上、下电子环700、705分别的电卡片段710，730也对齐。然而，当错开时，上电卡环700中的间隔物720与下电卡环705的电卡片段730接触。在这里，可以理解为，非对齐位置时导致沿φ方向的热导率较高，这是因为电卡片段710，730在热导间隔物720，740处热导短路。换句话说，当电卡环处于非对齐位置时，热导路径绕过间隔物720，740而导通。如此，就需要尽可能地将两个环700，705运行时处于非对齐位置的时间段降低或减少。

在本发明的又一实施例中，当上、下电卡环700，705以相反方向非匀速旋转时，驱动器驱动电卡环的过渡时间(t_trans)相反，远小于电卡环处于相对对齐(如图8a)的稳态时间(t_stat)，即两个环处于相互不对齐的时间要小于(如图8b)两个电卡环处于相对对齐的稳态时间(t_stat)，其中t_trans<0.3t_stat至t_trans<0.05_tstat，并且在某种情况下优选：t_trans<0.2t_stat或t_trans<0.15t_stat。能够理解的是在稳态时间内，上、下电卡环不一定相对运动,但它们必须是有热接触及沿Z轴方向的热交换。如此上、下电卡环则应处于步进电机驱动，才能使之处于非对齐位置的过渡时间(t_trans)比处于对齐位置的稳态时间(t_stat)要短。如图8c和图8d，其图8d是图8c中上电卡环700的电卡片段U1转动，与下电卡环705的电卡片段B1、B2和B3重叠并随着时间变化的函数图。虽然上、下电卡环转动方向相反，但一旦达到稳定状态后，该装置的温度曲线不会随时间而变化。

在本发明中，公开了一种具有上述特征或结构的装置，从而更容易实现冷端、热端与外部热负载的热交换，例如：铝片A1(在室温下k_Al＝205W/mK)与电卡环的直接接触为电卡环与外部热负载提供热量交换，所述的外部热负载如图9a中的数字标号920所示。铝具有很高的热导率，此处的铝片厚度可以为0.1mm或者更薄，当然，铝片的厚度是因该装置的需要所决定。铝片与环的接触面积和电卡环其中的一个片段的面积相同。在本实施例中，热交换铝片是固定的，它不随电卡环一起转动。为了提供电卡片段与冷端的冷负载T_c及电卡片段与热端的散热片T_h之间的高效率热交换，热交换铝片分别与在热端和冷端的电卡环直接热接触。两个高导热性热交换铝片之间的剩余区域可具有一个防止热量散失的低导热层930。

请参阅图6a并结合参阅图9a所示，所述的装置70，包括上、下电卡环700、705，其旋转摩擦会造成对电卡片段损伤，因此，本发明进一步设有可以降低或减小摩损的保护层910，所述保护层包括但不限于为50微米厚的耐磨材料(如不锈钢层、镍合金层、铜合金层、钴层、钴合金层、碳化硅层及碳化铝层等)。在本实施例中，所述保护层具有以减少摩擦的光滑的接触表面，而且保护层910之间可能有也可能没有一个比较薄的润滑层(如液体或油脂)，以此提高保护层之间的热接触，并降低两者之间的摩擦力。保护层910分别牢固地贴合在电卡环700、705正反两面，并在T_h到T_c的区间对热量散失没有明显影响。

在本发明中，所述电卡片段是电卡复合物，当温度为300K且电场变化量为100MV/m时，电卡效应的复合物具有ΔT＝9K且Q_c＝24.3J/cm³的电卡响应。

在本发明中，所述电卡片段是电卡陶瓷，如Ba(Ti_0.8Zr_0.2)TiO₃和其它通过电场改变诱导产生高电卡响应,其在室温下，当电场变化量小于20MV/m时，所述电卡陶瓷的电卡效应为|ΔT|>5K且Q_c＝15.4J/cm³。由于所述的装置采用热导率比较高的电卡陶瓷(k＝6W/mK)，相比使用电卡聚合物的工作频率要高，对于上、下电卡环的厚度均为0.2mm，热量沿着Z轴方向穿过的时间大约为0.11秒，当COP>8.5温度差为T_h–T_c＝20K时，如此可以获得大于90W/cm³的制冷功率。然而，应该考虑陶瓷的特性较脆，采用陶瓷电卡的环的厚度需要比电卡聚合物的环的厚度要大，如陶瓷的环的厚度为0.4mm，而聚合物的环的厚度为0.2mm，通过增加厚度来降低制冷功率的下限值至23W/cm³，当然这样的制冷功率仍是一个较高的制冷功率。所述电卡片段也可以通过减小横向尺寸来使用聚合物和环氧树脂组合，再将电卡单元中较小陶瓷区域与较大面积电卡制冷单元相关联，从而提高陶瓷电卡片段的抗断裂能力。

在本发明中，所述的回热电卡制冷装置包括多个两相对的电卡环堆叠制成或多个电卡环组堆叠制成，其多个两相对电卡环或多个电卡环组堆叠成大容量的回热电卡制冷装置(如图10)。可以理解的是在所述装置中的电卡环数量是可以变化的，如可以从1个单元到5个单元，5个单元到10个单元，10个单元到15个单元，15个单元到20个单元，20个单元到30个单元，30个单元到40个单元，40个单元到60个单元，60个到80个单元，80个到100个单元甚至更多。通过这种方式，多个上电卡环700与多个下电卡环705为交错堆叠。因此，每个上电卡环700与其相对应的每个下电卡环705滑动接触并以相反的方向旋转。

在本发明中，所述的回热电卡制冷装置的实施方法是：通过将电场施加在特定电卡片段中的区域上，而不限于施加在如图6a选定的六个电卡区域。为了方便理解，正面列举电场可以被施加在如图11所示的两个区域上，其中带有电场的两个区域与没有电场的区域为交错设置。藉此增加如图6a所示的电卡装置的制冷功率倍数。通过增加有电场区域和无电场区域的数量来提高的制冷功率。如图11中，热交换是通过增加相应的热交换片的数量调节。在图6a中，有一个带电场的区域和一个没有带电场的区域，因此两个高热导率片的一个用T_h端，另一个用在T_c端(如图9b和图9c所示)。不过，图11中，两个高电场区域和两个无电场区域用到了四个高热导率片，一个用在了每个T_h端，另一个用在了每个T_c端。一般来说，带电场区域的数量是由设备的尺寸决定，如图6a中，有一对带电场区域，而图11中有两对带电场的区域。大尺寸环可以被分割成多区域，这也是由热端和冷端之间的热导损失所决定的。随着施加和去除电场区的数量，冷端和热端之间距离会被减小，继而，如果在T_h到T_c区间温度的增加，将会增大热导损失。同样，如果在制冷装置中大量的施加和去除电场区域会增加设计和制造的难度。因此，制冷装置的设计需要综合考虑以上所提到的部分或全部因素。

本发明再一实施例，提供了一种增加制冷功率的方法。如果图6a、图8a-图8c和图11中，其电卡环包括一个较大的外径和内径，在内径中具有一个相对大的空间。在这种状况下，通过大环套小环方式，即添加同轴小环(小外径电卡环)以利用如图12所示的相对大的空间来提高设备的制冷功率。如图6a中，有一个大的外径(如50cm)和大的内径(如30cm)时，就可以使用图12中的结构，采取所述的大环套小环来强化制冷功率。通过充分利用内部空间，即放置具有更小外径的环于外环内径内的空间，可增加每单位体积的总冷却功率。在本发明之制冷装置中，大环和小环可以是相同的角速度旋转，并对每个环中片段的数量和带电场区域的数量以及不带电场的数量可以相应进行优化，即根据冷却功率密度、性能系数在T_h到T_c温度跨度获取一个高效率的回热电卡制冷装置。当然，本发明实施例，并不限于小直径的内环和大直径外环以不同的角速度旋转和/或二者具有不同数量的区段。一般而言，在绝热条件下降低制冷功率将会增加温度差(T_h–T_c)，也就是说，在T_h至T_c温度区间内，电卡设备与外部负载和散热片之间没有热量交换，T_h–T_c，将完全取决于设备热导中的热量损失和工作过程中电卡材料的温度变化，因此考虑使用电卡材料来获取T_h–T_c>40K的温度差。

在本发明中，当电卡环在转入和转出高电场区域时，电卡片段的温度发生变化。为了将电场施加在电卡片段上，在电卡片段上采用涂敷有导电材料(薄膜层)以形成或用作电极，所述的电极可以由一个铝(Al)薄膜或金(Au)薄膜制作而成，其中铝薄膜或金薄膜的厚度为10纳米至1微米，优选为20纳米至50纳米。

再请参阅图13a和13b所示，在上电卡环700中，标有两个不同电极图案。下电卡环705中也标有电极图案。在图13a中，每个电卡片段710都通过不带电极间隔物730的单个薄电极U1……U12所涂敷。也就是说，标有电极图案的电场变化将会发生在一个电卡片段中，因为相邻电场片段是通过绝缘低热导性间隔物730所隔开的。如，随着上电卡环700顺时针旋转，电卡片段U1将会进入高电场区域，然后电卡片段U2将会进入高电场区域，之后是U3，依此类推。直至U1到电卡片段U7时，将会离开高电场区域，U2到U8，U3到U9，以此类推。然而，每一个电卡片段都能可以进一步划分为如图13b所示的两个或者更多电极区域。相应的，随着每个电卡片段进入高电场区域，每一个电卡片段的电场与图13a所示的设计相比都是以一个很小的增量在增长。对于图13b中的每一个都是两个电极区间，施加电场或去除电场的增量可以分成两半，如从E_H变为1/2(E_H-E_L)或当E_L＝0时变为1/2E_H。随着上电卡环的旋转，电卡区间U1a将会进入场强为1/2E_H的电场内，然后进入场强为E_H的电场内，与此同时，电卡区间U1b将会进入电场强度为1/2E_H的区间内。本实施例中，小场强增量将会提高电卡制冷装置的可靠性及其效率。一般来说，每个电卡片段的电极最好是被分割成为M个区间，且M>1，与此同时，当E_L＝0时，电场增量应该也变为E_H/M，当E_L≠0电场增量应该变为(E_H-E_L)/M。然而，随着电卡片段进入高电场区域时，降低电场增量可以提高电卡装置的性能，因为一个大的突变性电场变化将会增加电卡材料的电击穿概率。

为了有效地实施本发明，以下提供一个具体实施例，但并不以此限制本发明创造的范围。如：假定电卡环具有各向异性的热导率，沿着Z轴方向的热导率为k_z，垂直于Z轴方向的热导率为k_□，通过不同的电卡聚合物，k_z和k_φ是可以不同的。假定基本电卡聚合物的导热系数为k＝0.2W/mK，并且参照以下参数，如第一种情况k_z＝0.5W/mK且k_φ＝0.2W/mK；第二种情况k_z＝1W/mK和k_φ＝0.2W/mK。出于实验目的，使用如图6a所示的电卡制冷装置的电卡环(如厚度为0.2mm、外径为5.5cm、内径为3cm)，可以通过其环的厚度计算出理想热量扩散长度为0.2，也可以计算出每一个电卡环具有由低热导率聚合物k＝0.2W/mK相互间隔连接在一起的12个片段。对图6所示的电卡制冷装置进行仿真实验，在比热容为c＝1.5J/gK和密度为ρ＝1.8J/cm3的电卡片段上施加一个高达100MV/m的电场。结果显示电卡设备表现出温度变化为ΔT＝9K，熵变为ΔS＝0.081J/cm3K，从冷端吸收的热量为Qc＝24.3J/cm³。因此，在图6a装置的运行过程中，当每个片段经过电场变化为E＝100MV/m时，并假设每个片段的热量都有足够的时间通过热交换传导至冷端，其吸收的总热量为Qc＝8.11J。在第一种情况下，热导的时间为1.3秒，这个时间内一个电卡片段穿过电场的变化。在第二种情况下，热导的时间为0.65秒，当电场从高场强E_H变化到低场强，电卡片段将会从冷端吸收8.11J的热量。在第一种情况下，考虑到实际中是两个环的电卡装置，在冷端的制冷功率为W_c＝2x8.11/0.5＝12.5W；在第二种情况下，总制冷功率为25W，考虑到电卡装置的电卡环尺寸为0.4mm厚且外径为5.5cm。图6所示的装置的电卡环被分成片段且片段的相邻片段之间有低热导间隔物，藉此会表现出一个相当高的远大于26W/cm3的制冷功率密度。实验及分析结果表明，在实际温度差为T_h–T_c＝20K，制冷功率>20W/cm³可获得性能系数大于9(卡诺性能系数为15)，温度梯度为T_h至T_c，将会导致热量传导损失而降低制冷功率和效率。

Claims

1.一种回热电卡制冷装置，包括中心轴支持的上电卡环以及支架轴支持的下电卡环，上、下电卡环为堆叠设置，其中：上、下电卡环为相反的旋转接触，并分别包括高电场区和低电场区，其特征在于：上电卡环中的高电场区与下电卡环中的低电场区相对设置，上电卡环中的低电场区与下电卡环中的高电场区相对设置，经施加电源并使上、下电卡环旋转时，高电场区产生热，为热端，无电场区或低电场区不产生热，为冷端，热端和冷端分别接触一个热负载，在这两个热负载之间设有防止热量散失的低导热层。

2.如权利要求1所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述高电场区及低电场区分别包括多个电卡片段。

3.如权利要求2所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述多个电卡片段中，相邻的电卡片段之间设有间隔物。

4.如权利要求2所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述电卡片段为电卡聚合物、电卡陶瓷或电卡复合物。

5.如权利要求4所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述电卡复合物为电卡聚合物内嵌入电卡陶瓷构成。

6.如权利要求3所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述间隔物是具有绝缘的低热导率的材料成型。

7.如权利要求1所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述两个热负载均为高热导率的铝片，铝片以静态的形式接触上电卡环或下电卡环并不随之一起转动。

8.如权利要求1所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述回热电卡制冷装置进一步包括保护层，保护层分别贴合于上、下电卡环的正反两面。

9.如权利要求1所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述上、下电卡环分别具有容纳小电卡环套装的同心圆空间，其中分别设于上、下同心圆空间的上、下小电卡环之间以相反方向旋转，且分别与上、下电卡环之间也为以相反方向旋转。

10.如权利要求1所述的回热电卡制冷装置，其特征在于：所述高电场区与低电场区之间还设有间隔物，间隔物具有多孔，多孔的腔体内具有空气或真空。