CN106091470A - 一种制冷设备及其制冷方法 - Google Patents

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刘宏波
何建萍
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

本发明提出了一种制冷设备，包括制冷单元、散热片、制冷片、热开关、电源系统，所述制冷单元包括电卡材料与电极，其中，电卡材料为具有电卡效应的铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物，所述电极采用导热、导电性能良好的金属；电卡材料两侧连接热开关；热开关能够实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热传导的接通或断开；制冷单元连接主电源，每个热开关分别连接独立电源。一方面减轻环境污染，另一方面降低噪音及故障发生率。

Description

一种制冷设备及其制冷方法
技术领域
本发明专利涉及制冷领域，具体指一种利用极性材料电卡效应实现制冷设备及其使用方法。
背景技术
目前常见的民用空调、冰箱等制冷器的制冷设备主要是通过机械蒸发-凝聚循环，不仅效率较低，更增加了电力峰值负荷，而使用的氟利昂也是引起温室效应的气体。因此需要寻求相对低廉、环境友好的新制冷技术。
电卡材料是电热领域的新材料，其具有的电卡效应能够在施加外部电场的情况下自身产生温度变化，达到制热及制冷的目的。2014年《无机材料学报》第29卷第1期《铁电材料中的大电卡效应》综述了电卡效应的热力学理论、弛豫铁电聚合物中的大电卡效应，简述了电卡效应的在制冷方面的应用前景，但却没有给出具体的实现制冷的办法。
发明内容
本发明的目的是为克服上述技术问题，提出的利用电卡材料实现制冷的设备，一方面减轻环境污染，另一方面降低噪音及故障发生率，为新技术应用提出方向。
本发明提出的一种制冷设备，包括制冷单元、散热片、制冷片、热开关、电源系统，所述制冷单元包括电卡材料与热开关，其中，电卡材料为具有电卡效应的铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物，在外部电场作用下，利用其自身熵变实现热量由制冷片向散热片的传导，所述热开关由导热、导电性能良好的金属和夹于其中的各向异性导热材料组成；电卡材料两侧连接热开关，其中一个热开关连接制冷片，另一热开关连接散热片；所述热开关能够实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热传导的接通或断开；制冷单元连接主电源，每个热开关分别连接独立电源。
其具体制冷过程为：
1)启动：两组热开关断开，主电源向制冷单元供给脉冲电压产生电场，主电源电压逐渐增大，电卡单元绝热受电场作用升温。
2)传导：第一独立电源供电，接通制冷单元与散热器间的热开关，制冷单元向散热片传导热量。
3)降温：第一独立电源停止供电，制冷单元与散热器之间热开关断开，随后逐渐降低主电源电压，制冷单元绝热降温。
4)吸热：第二独立电源供电，制冷单元与制冷片间的热开关接通，制冷片的热量向制冷单元传导，断开第二独立电源，使制冷单元恢复到步骤一的初始状态。
进一步的，热开关中各向异性导热材料体系优选为液晶分子或悬浮于液体中的碳纳米管。
在本发明创造的热开关的结构设计中，处于强电场作用下，液晶分子与电极垂直，导热性增加，热开关接通；而在弱电场作用下，液晶分子与电极平行，导热性降低，热开关断开。
更进一步的，电卡材料优选为PbZr0.95Ti0.05O3、0.63PMN-0.37PT、P(VDF-TrFE)等具有强电卡效应的材料。
进一步的，热开关电极材料为Au、Ag、Cu，其与散热片、制冷片接触表面溅射BeO或者AlN等材料薄膜，形成良导热，不导电层。一方面促进电卡制冷单元与制冷片、散热片的热传导，另一方面防止电卡制冷单元与制冷片、散热片之间的电导通。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明电卡制冷效应的原理图。
图3是本发明施加于电卡制冷单元的脉冲电场(a)、电卡制冷单元与散热片之间热开关脉冲电场(b)、和电卡制冷单元与制冷片之间热开关脉冲电场(c)与时间的关系图。
其中，1——电卡材料，2——电极，3——各向异性导热体系，4——主电源，5、6——独立电源，7——制冷片，8——散热片。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种制冷设备，包括制冷单元、散热片、制冷片、热开关、电源系统，所述制冷单元包括电卡材料、电极、各向异性导热体系。其中，电卡材料为具有电卡效应的铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物，所述电极采用导热、导电性能良好的金属。电极与各向异性导热体系形成两组热开关。一个热开关与连接制冷片，另一侧的热开关连接散热片。所述热开关能够实现电卡材料与散热片、制冷片之间热传导的接通或断开；制冷单元连接主电源，热开关分别连接独立电源。
所述各向异性导热系统为液晶分子或悬浮于液体中的碳纳米管等具有各向异性导热特性的体系。
所述电卡材料为PbZr0.95Ti0.05O3、0.63PMN-0.37PT、P(VDF-TrFE)等具有电卡效应的材料。
电极的材料为Au、Ag、Cu等良导体材料，其接触表面溅射BeO或者AlN等作为钝化层。
如图2所示，电卡制冷循环一次经过四个步骤：(1)给电卡材料施加电压且不与外界热交换，材料体系实现绝热升温过程1-2。由于电卡效应，材料从状态1(E1，Tc，Sh)变化到状态2(E2，Th，Sh)。(2)电压继续增大材料与恒温环境(Th)进行热交换，材料体系实现等温放热过程2-3。材料从状态2(E2，Th，Sh)变化到状态3(E3，Th，Sc)。(3)电压降低且材料不与外界热交换，材料体系实现绝热降温过程3-4。材料从状态3(E3，Th，Sc)变化到状态4(E4，Tc，Sc)。(4)电压继续降低且材料与恒温环境(Tc)进行热交换，材料等温吸热过程4-1。材料中状态4(E4，Tc，Sc)变化到状态1(E1，Tc，Sh)。经过一次循环，材料体系恢复到初始状态。经过一次循环，实现热量TcΔS的散出。
如图3所示，在阶段1，电场从0变为E，电卡制冷单元升温；在阶段2，电卡制冷单元与散热片接触放热；在阶段3，电场从E变为0，电卡制冷单元绝热冷却；在阶段4，电卡制冷单元从制冷片吸热，最终恢复到初始状态，完成一次循环。经过往复循环，最终实现制冷。其中，如图3(b)所示，通过电源6控制，只有在阶段2，电卡制冷单元与散热片之间热开关接通，实现向散热片放热。如图3(c)所示，只有在阶段4，通过电源5控制，电卡制冷单元与制冷片之间热开关接通，实现从制冷片吸热。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种制冷设备，包括制冷单元、散热片、制冷片、热开关、电源系统，其特征在于：所述制冷单元包括电卡材料与热开关，其中，电卡材料为具有电卡效应的铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物；所述热开关由导热、导电性能良好的金属和贯穿其中的各向异性导热体系组成；电卡制冷单元一测连接制冷片，另一侧连接散热片；所述热开关能够实现制冷单元与散热片、制冷片之间热传导的接通或断开，
制冷单元连接主电源，每个热开关分别连接独立电源。
2.根据权利要求1所述的一种制冷设备，其特征在于：所述热开关为两块电极和电极中间的具有各向异性导热性能的液晶分子或悬浮于液体中的碳纳米管组成。
3.根据权利要求1所述的一种制冷设备，其特征在于：所述电卡材料为具有电卡效应的PbZr0.95Ti0.05O3、0.63PMN-0.37PT、P(VDF-TrFE)。
4.根据权利要求1所述的一种制冷设备，其特征在于：热开关电极材料为Au、Ag、Cu良导体材料，其与制冷片、散热片接触表面溅射BeO或者AlN材料以形成薄膜，导热性能良好、绝缘性能良好。
5.运用权利要求1所述制冷设备的制冷方法，其特征在于：所述制冷方法包括以下步骤，
1)启动：两组热开关断开，主电源向制冷单元供给脉冲电压产生电场，主电源电压逐渐增大，电卡单元绝热受电场作用升温；
2)传导：第一独立电源供电，接通制冷单元与散热器间的热开关，制冷单元向散热片传导热量；
3)降温：第一独立电源停止供电，制冷单元与散热器之间热开关断开，随后逐渐降低主电源电压，制冷单元绝热降温；
4)吸热：第二独立电源供电，制冷单元与制冷片间的热开关接通，制冷片的热量向制冷单元传导，断开第二独立电源，使制冷单元恢复到步骤一的初始状态。
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