CN106123392A - 一种电卡制冷系统 - Google Patents

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Abstract

一种电卡制冷系统，电源给电卡制冷单元提供脉冲电压，使得电卡制冷单元实现电卡制冷循环一次，(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，电卡材料从状态1(E1，Tc，Sh)变化到状态2(E2，Th，Sh)；(2)电压继续增大，电卡材料与恒温环境(Th)进行热交换，材料体系实现等温放热过程2‑3，电卡材料从状态2(E2，Th，Sh)变化到状态3(E3，Th，Sc)；(3)电压降低且电卡材料不与外界热交换，材料体系实现绝热降温过程3‑4，(4)电压继续降低且电卡材料与恒温环境(Tc)进行热交换，材料体系实现等温吸热过程4‑1。

Description

一种电卡制冷系统
技术领域
本发明属于制冷设备技术领域，特别涉及一种电卡制冷系统。
背景技术
电卡效应是指在外加电场下材料表现出的可逆的等温熵变或者绝热温度变化。能够产生电卡效应的材料称为电卡材料。对电卡材料施加外加电场，材料本身的极化有序方式发生变化，从而导致材料的熵变。在等温条件下，材料体系会与周围介质发生热交换；在绝热条件下，材料本身温度会发生变化。
民用空调、冰箱的制冷主要是通过机械蒸发-凝聚循环，其效率较低、增加了电力峰值负荷、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。如果利用具有大电卡效应的材料实现制冷，相比较传统的蒸发-压缩制冷而言，具有更高的效率和环保的优点。
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。
铁电材料本身具有自发极化，在增大外加电场条件下，无规则随机分布的极化在材料体系内由于电场力的作用规则排列，引起材料极化熵的降低。在绝热条件下，材料总熵不变，本身温度会升高；在等温条件下，材料会释放热量到环境当中。在降低外加电场条件下，材料体系发生去极化过程，引起材料极化熵增大，在绝热条件下，材料总熵不变，本身温度会降低；在等温条件下，材料会从环境吸收热量。
在493K条件下给PbZr0.95Ti0.05O3薄膜施加4.8*107V/m电场，实现了12K的温度变化。2008年，在343K在P(VDF-TrFE)中亦发现12K的温度变化。目前在接近室温的条件下，P(VDF-TrFE)可实现大约20K的温度变(95J kg-1K-1的熵变)。
前述的《铁电材料中的大电卡效应》虽然描述了相关原理，但是，文章没有给出具体的实现制冷的办法。
发明内容
本发明的目的在提供一种电卡制冷系统。
本发明的技术方案是，一种电卡制冷系统，包括电卡制冷单元、电源、散热片和制冷片，
电卡制冷单元由电卡材料和电极构成，具有单层或者多层结构，通过作用于电卡制冷单元的外加电场改变材料体系的极化熵来实现制冷，
电源给电卡制冷单元提供脉冲电压，使得电卡制冷单元实现电卡制冷循环一次，要经过4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，电卡材料从状态1(E1，Tc，Sh)变化到状态2(E2，Th，Sh)；
(2)电压继续增大，电卡材料与恒温环境(Th)进行热交换，材料体系实现等温放热过程2-3，电卡材料从状态2(E2，Th，Sh)变化到状态3(E3，Th，Sc)；
(3)电压降低且电卡材料不与外界热交换，材料体系实现绝热降温过程3-4，电卡材料从状态3(E3，Th，Sc)变化到状态4(E4，Tc，Sc)；
(4)电压继续降低且电卡材料与恒温环境(Tc)进行热交换，材料体系实现等温吸热过程4-1，电卡材料中状态4(E4，Tc，Sc)变化到状态1(E1，Tc，Sh)，
其中，作用于电卡制冷单元的外加电场增大后，电卡制冷单元与散热片接触放出热量，作用于电卡制冷单元的外加电场减小后，电卡制冷单元与制冷片接触实现吸热。
实现换热或者绝热过程中通过特殊结构和电场设计、热开关、马达驱动等方式实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间的接通和断开。
一种电卡制冷系统，包括电卡制冷单元、电极层、散热片、制冷片和电源。
电卡制冷单元由电卡材料层和被覆在电卡材料层表面的金属电极层构成双层电容结构，即在三层电极层中间插入两层电卡材料层，一端电极层-电卡材料层-电极层形成制冷冷端，另一端电极层-电卡材料层-电极层形成制冷热端。
通过电源分别给冷端、热端提供脉冲电压，且在一个脉冲周期内，电压的升高和降低具有不同的速率，在一个脉冲周期，电卡制冷单元的冷端电压经历迅速升高、保持电压、电压降低的过程，在对应的时间段，电卡制冷单元的热端经历电压迅速降低、保持低电压、电压升高的过程。
通过电卡制冷单元的冷端与制冷片接触、电卡制冷单元热端与散热片接触，实现热量的有效散出，反复循环达到制冷的效果。
电卡制冷单元中电容层的数量可扩展为任意的偶数层。
一种电卡制冷系统，包括电卡制冷单元、散热片、制冷片、热开关和电源。
其中，电卡制冷单元由电卡材料层和电极层构成，通过电源给电卡制冷单元提供脉冲电压，实现电卡制冷单元的升温、降温。
通过电场调节热开关中的液晶分子或碳纳米管，实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热传导的接通、断开，包括步骤：
首先，电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热开关保持断开，电压逐渐增大，电卡单元绝热升温；然后，电卡制冷单元与散热器之间热开关接通，电卡制冷单元向散热片传递热量；再次，电卡制冷单元与散热器之间热开关断开，逐渐降低电压，电卡制冷单元绝热降温；最后，电卡制冷单元与制冷片间热开关接通，电卡制冷单元从制冷片吸收热量，恢复到初始状态，
在一个周期，实现热的单向流动，即从制冷片吸热，向散热片放热，反复循环达到制冷的效果。
一种电卡制冷系统，包括电卡制冷单元、散热片、制冷片、马达和电源。
其中，电卡制冷单元由电卡材料层和电极层构成，通过马达，电卡制冷单元在散热片和制冷片之间往复运动，同时电源通过控制器给电卡制冷单元施加电场。
在电卡制冷系统向散热器运动过程中，电压逐渐增大，电卡单元绝热升温；在电卡制冷单元与散热器接触后可继续提高电压或者保持电压，电卡制冷单元向散热片传递热量；随后电卡制冷单元与散热器分离，同时逐渐降低电压，电卡制冷单元绝热降温；在电卡制冷单元与制冷片接触后继续降低电压或者保持电压最小值，电卡制冷单元从制冷片吸收热量。
一个往复周期，电源与马达在相同的时间段，实现热的单向流动，即从制冷片吸热，向散热片放热，反复循环达到制冷的效果。
所述的电卡材料层采用铁电、弛豫铁电材料材料。
所述的铁电材料是PbZr0.95Ti0.05O3、0.63Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.37PbTiO3、(Ba,Sr)TiO3或者P(VDF-TrFE)等具有电卡效应的材料。
所述的电极层的材料是金属金或银或者其它良导电材料。
与制冷片相接触的电极表面均形成BeO或者AlN等良导热不导电薄膜。
本发明可用于空调、冰箱等日用电器的制冷，也可应用于晶元、封装电路等微电子器件的制冷。为克服现有制冷器噪音大、机械故障等问题，本发明提供一种制冷系统，在有效散热的同时，实现无噪音和不易出故障。
附图说明
图1本发明涉及的电卡制冷效应原理图。
图2本发明系统组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述实例仅为本发明的一个例子，而不是所有可行的实施方案。基于相同的制冷原理，设计的其它实施例子，均属于本发明保护的范围。
图1为电卡制冷效应的原理图。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。
图2为本发明方法的示意图，通过电源给电卡制冷单元提供脉冲电压，电卡制冷单元实现类似于图1的循环过程。在电卡制冷单元中增大电场或者电场增大后，使电卡制冷单元与散热片接触放出热量，在电卡制冷单元中降低电场或者电场降低后，使电卡制冷单元与制冷片接触实现吸热。实现换热或者绝热过程可通过特殊的电压、电卡制冷单元结构设计，也可通过热开关实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间的接通和断开，还可通过机械马达往复运动实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间的接通和断开。
制冷器件的关键是从冷端向热端输运熵。即以一种可逆的办法来从一个温度水平向另一个温度水平输送熵而不在整个过程中新增熵。这就要求有一种物质，其熵值不仅仅依赖于温度。电卡材料具有这种特性，通过外加电场的变化能够实现熵变，问题的重点在于实现熵的输运。
本发明为实现热的有效转移，可通过以下方法之一实现：
1.包括电卡制冷单元、电极层、散热片、制冷片、电源系统组成的制冷器件。电卡制冷单元由电卡材料层和被覆在电卡材料层表面的金属电极层构成类似电容器的结构。在外加电场增加(或降低)情况下，材料体系的极化熵降低(或增大)，在绝热条件下，材料体系本身温度会升高(或降低)，在等温条件下，材料体系会放热(或吸热)。电卡制冷单元为双层电容结构，即在三层金属层中间插入两层电卡材料层，一边金属层-电卡材料层-金属层形成制冷冷端，另一边金属层-电卡材料层-金属层形成制冷热端。通过脉冲电源分别给冷端、热端提供脉冲电压，且在一个脉冲周期内，电压的升高和降低具有不同的速率。在一个脉冲周期，电卡制冷单元的冷端电压经历迅速升高、保持电压、电压降低的过程。在相同的时间段，电卡制冷单元的热端经历电压迅速降低、保持低电压、电压升高的过程。在一个周期，整个电卡制冷单元实现热的单向流动，即从冷端吸热，在热端放热，达到制冷的效果。通过电卡制冷单元的冷端与制冷片接触、电卡制冷单元热端与散热片接触，实现热量的有效散出。反复循环达到制冷的效果。电卡制冷单元中电容层的数量可扩展为任意的偶数层，如4、6、8等，能够为进一步提高单层的耐压强度，提高制冷效率。
2.包括电卡制冷单元、散热片、制冷片、热开关、电源系统组成的制冷器件。其中电卡制冷单元由具有电卡效应的铁电材料和电极构成，通过脉冲电源给电卡制冷单元提供脉冲电压，实现电卡制冷单元的升温、降温。通过电场调节热开关中的液晶分子(或碳纳米管)，实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热传导的接通、断开。首先，电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热开关保持断开，电压逐渐增大，电卡单元绝热升温；然后，电卡制冷单元与散热器之间热开关接通，电卡制冷单元向散热片传递热量；再次，电卡制冷单元与散热器之间热开关断开，逐渐降低电压，电卡制冷单元绝热降温；最后，电卡制冷单元与制冷片间热开关接通，电卡制冷单元从制冷片吸收热量，恢复到初始状态。在一个周期，实现热的单向流动，即从制冷片吸热，向散热片放热。反复循环达到制冷的效果。
3.包括电卡制冷单元、散热片、制冷片、马达系统、电源系统组成的制冷器件。其中电卡制冷单元由具有电卡效应的铁电材料和电极构成，通过马达，电卡制冷单元在散热片和制冷片之间往复运动，同时电源通过控制器给电卡制冷单元施加电场。在电卡制冷系统向散热器运动过程中，电压逐渐增大，电卡单元绝热升温；在电卡制冷单元与散热器接触后可继续提高电压或者保持电压，电卡制冷单元向散热片传递热量；随后电卡制冷单元与散热器分离，同时逐渐降低电压，电卡制冷单元绝热降温；在电卡制冷单元与制冷片接触后继续降低电压或者保持电压最小值，电卡制冷单元从制冷片吸收热量。一个往复周期，脉冲电源与马达使用相同的时间，实现热的单向流动，即从制冷片吸热，向散热片放热。反复循环达到制冷的效果。
本发明中电卡制冷单元中电卡材料由具有明显电卡效应的铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物等组成，比如PbZr0.95Ti0.05O3，0.63Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.37PbTiO3,(Ba,Sr)TiO3，和P(VDF-TrFE)等具有电卡效应的材料。电极层由金属Au、Ag、Cu等具有良好导热、导电性能的材料组成。
本发明中的电卡制冷单元通过金属电极与制冷片、散热片接触。且在其接触表面通过溅射形成BeO或者AlN的薄膜，促进电卡制冷单元与制冷片、散热片之间的热传导，保证电卡制冷单元与制冷片、散热片之间的电绝缘。
制冷片可与晶元、封装电路、空调、冰箱等的制冷部位相连接实现给相应设备制冷。

Claims (10)

1.一种电卡制冷系统，其特征在于，包括电卡制冷单元、电源、散热片和制冷片，
电卡制冷单元由电卡材料和电极构成，具有单层或者多层结构，通过作用于电卡制冷单元的外加电场改变材料体系的极化熵来实现制冷，
电源给电卡制冷单元提供脉冲电压，使得电卡制冷单元实现电卡制冷循环一次，要经过4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，电卡材料从状态1(E1，Tc，Sh)变化到状态2(E2，Th，Sh)；
(2)电压继续增大，电卡材料与恒温环境(Th)进行热交换，材料体系实现等温放热过程2-3，电卡材料从状态2(E2，Th，Sh)变化到状态3(E3，Th，Sc)；
(3)电压降低且电卡材料不与外界热交换，材料体系实现绝热降温过程3-4，电卡材料从状态3(E3，Th，Sc)变化到状态4(E4，Tc，Sc)；
(4)电压继续降低且电卡材料与恒温环境(Tc)进行热交换，材料体系实现等温吸热过程4-1，电卡材料中状态4(E4，Tc，Sc)变化到状态1(E1，Tc，Sh)，
其中，作用于电卡制冷单元的外加电场增大后，电卡制冷单元与散热片接触放出热量，作用于电卡制冷单元的外加电场减小后，电卡制冷单元与制冷片接触实现吸热。
2.如权利要求1所述的电卡制冷系统，其特征在于，实现换热或者绝热过程中通过热开关实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间的接通和断开。
3.如权利要求1所述的电卡制冷系统，其特征在于，包括电卡制冷单元、电极层、散热片、制冷片和电源，
电卡制冷单元由电卡材料层和被覆在电卡材料层表面的金属电极层构成双层电容结构，即在三层电极层中间插入两层电卡材料层，一端电极层-电卡材料层-电极层形成制冷冷端，另一端电极层-电卡材料层-电极层形成制冷热端，
通过电源分别给冷端、热端提供脉冲电压，且在一个脉冲周期内，电压的升高和降低具有不同的速率，在一个脉冲周期，电卡制冷单元的冷端电压经历迅速升高、保持电压、电压降低的过程，在对应的时间段，电卡制冷单元的热端经历电压迅速降低、保持低电压、电压升高的过程，
通过电卡制冷单元的冷端与制冷片接触、电卡制冷单元热端与散热片接触，实现热量的有效散出，反复循环达到制冷的效果。
4.如权利要求3所述的电卡制冷系统，其特征在于，电卡制冷单元中电容层的数量可扩展为任意的偶数层。
5.如权利要求1所述的电卡制冷系统，其特征在于，包括电卡制冷单元、散热片、制冷片、热开关和电源，
其中，电卡制冷单元由电卡材料层和电极层构成，通过电源给电卡制冷单元提供脉冲电压，实现电卡制冷单元的升温、降温，
通过电场调节热开关中的液晶分子或碳纳米管，实现电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热传导的接通、断开，包括步骤：
首先，电卡制冷单元与散热片、制冷片之间热开关保持断开，电压逐渐增大，电卡单元绝热升温；然后，电卡制冷单元与散热器之间热开关接通，电卡制冷单元向散热片传递热量；再次，电卡制冷单元与散热器之间热开关断开，逐渐降低电压，电卡制冷单元绝热降温；最后，电卡制冷单元与制冷片间热开关接通，电卡制冷单元从制冷片吸收热量，恢复到初始状态，
在一个周期，实现热的单向流动，即从制冷片吸热，向散热片放热，反复循环达到制冷的效果。
6.如权利要求1所述的电卡制冷系统，其特征在于，包括电卡制冷单元、散热片、制冷片、马达和电源，
其中，电卡制冷单元由电卡材料层和电极层构成，通过马达，电卡制冷单元在散热片和制冷片之间往复运动，同时电源通过控制器给电卡制冷单元施加电场，
在电卡制冷系统向散热器运动过程中，电压逐渐增大，电卡单元绝热升温；在电卡制冷单元与散热器接触后可继续提高电压或者保持电压，电卡制冷单元向散热片传递热量；随后电卡制冷单元与散热器分离，同时逐渐降低电压，电卡制冷单元绝热降温；在电卡制冷单元与制冷片接触后继续降低电压或者保持电压最小值，电卡制冷单元从制冷片吸收热量，
一个往复周期，电源与马达同步工作，实现热的单向流动，即从制冷片吸热，向散热片放热，反复循环达到制冷的效果。
7.如权利要求2-6任一所述的电卡制冷系统，其特征在于，所述的电卡材料层采用铁电和/或弛豫铁电材料。
8.如权利要求2-6所述的电卡制冷系统，其特征在于，所述的铁电、弛豫铁电材料是具有电卡效应的PbZr0.95Ti0.05O3、0.63Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.37PbTiO3、(Ba,Sr)TiO3或者P(VDF-TrFE)。
9.如权利要求2-6所述的电卡制冷系统，其特征在于，所述的电极层的材料是金属金或银。
10.如权利要求2-6所述的电卡制冷系统，其特征在于，与散热片、制冷片接触的电极表面溅射具有良导热、不导电的BeO或者AlN。
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