CN106440483A - 一种电卡制冷装置 - Google Patents

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CN106440483A CN201610820943.8A CN201610820943A CN106440483A CN 106440483 A CN106440483 A CN 106440483A CN 201610820943 A CN201610820943 A CN 201610820943A CN 106440483 A CN106440483 A CN 106440483A
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张翔
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Abstract

本发明公开了一种电卡制冷装置，包括制冷主体部分，制冷主体部分包括至少一组依次堆叠设置的下充电板、下电卡环、上电卡环与上充电板，上、下电卡环反向旋转接触；上、下电卡环上均匀分布有至少一对电卡元件，使用固定设置的上、下充电板对相应的电卡元件分别进行周期性充放电，使上、下电卡环上分别形成热端和冷端；上、下电卡环上形成的热端和冷端位置分别重叠，所有冷端的冷量通过冷端模块排出至被制冷空间，所有热端的热量通过散热模块排出至被制冷空间以外。本发明与现有技术相比，转换效率更高、更环保、尺寸更多样化。

Description

一种电卡制冷装置
技术领域
本发明涉及制冷装备技术领域，具体的是涉及一种电卡制冷装置。
背景技术
压缩机制冷技术至19世纪由哈里森发明后，已成为对人类社会影响最大的工程技术之一，是食品保鲜、家电及医疗等行业必不可少的技术。但是传统的压缩机制冷效率较为低下，通常用性能系数COP(Coefficients of Performance)仅为3左右，而且使用氟利昂制冷剂会对臭氧层产生破坏，污染环境。所以发展新型的节能环保的制冷技术成为当前制冷行业迫切的任务。
电卡制冷是基于电卡效应发展的新的制冷技术。电卡效应是指介电材料在施加和撤去电场时的等温熵变或绝热温变。具体来说，对电卡元件施加电场，电卡元件中的电偶极子从无序变为有序，电卡元件的熵减小，在绝热条件下，多余的熵产生温度的上升；移去电场，电卡元件中的电偶极子从有序变为无序，电卡元件的熵增加，在等温条件下，电卡元件从外界吸收热量使能量守恒(或在绝热条件下，不足的熵导致电卡元件温度的下降)。电卡制冷是一种固体制冷，无需空气压缩机，其装置可以更紧凑、更轻且更易集成，且具有节能环保等特点，不会造成温室效应。
Science杂志(B.Neese,B.Chu,S.G.Lu,Y.Wang,E.Furman,and Q.M.Zhang,Science 321,821-3，2008)在2008年公开的一种1μm厚的铁电聚合物P(VDF-TrFE)在55℃所获得的最大电卡温变为12K，熵变为55J/(kg·K)。Applied Physics Letter期刊(X.Li,X.S.Qian,S.G.Lu,J.Cheng,Z.Fang,and Q.M.Zhang,Applied Physics Letters 99,052907,2011)也公开了一种具有巨电卡效应的铁电体聚合物(偏二氟乙烯-三氟乙烯)。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℃。
尽管电卡制冷效率较高，不使用制冷剂不会造成温室效应。但是，目前基于电卡效应的电卡制冷装置并没有具体的实施方式，只停留在器件研发、电卡效应的测试阶段，并未有真正意义上的制冷装置，因此提出一种有实际操作意义的电卡制冷装置非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种结构简单、实施方便、有实际操作意义的电卡制冷装置，以填补电卡制冷装置的空白。
为了实现上述目的，本发明提供了一种电卡制冷装置，包括制冷主体部分，所述制冷主体部分包括至少一组依次堆叠设置的下充电板、下电卡环、上电卡环与上充电板，所述上电卡环与所述下电卡环反向旋转接触；所述上电卡环上均匀分布有至少一对电卡元件，使用固定设置的所述上充电板对所述上电卡环上的电卡元件分别进行周期性充放电，使所述上电卡环上形成热端和冷端；所述下电卡环上均匀分布有至少一对电卡元件，使用固定设置的下充电板对所述下电卡环上的电卡元件分别进行周期性充放电，使所述下电卡环上形成热端和冷端；所述下电卡环上形成的热端与所述上电卡环上形成的热端位置重叠，所述下电卡环上形成的冷端与所述上电卡环上形成的冷端位置重叠，所有冷端的冷量通过冷端模块排出至被制冷空间，所有热端的热量通过散热模块排出至被制冷空间以外。
本发明的优点在于：提供了一种结构简单、实施方便、有实际操作意义的电卡制冷装置，与现有根据机械式的气体压缩循环原理设计的制冷技术相比较，具有以下实质性特点和进步：1)转换效率更高；2)更环保；3)尺寸更多样化。
附图说明
图1是本发明所述的电卡制冷装置一实施例所示结构示意图；
图2A-2C是本发明所述的电卡元件位置分布示意图；
图3是本发明一实施例所述的上、下电卡环驱动结构示意图；
图4是本发明一实施例所述的上(下)充电板结构组成与充放电原理示意图；
图5是本发明一实施例所述的导热介质填充位置分布示意图；
图6是本发明一实施例所述的多组电卡环、充电板装配示意图；
图7是本发明一实施例所述的热端、冷端换热原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的电卡制冷装置做详细说明。其中，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。
参考图1，本发明所述的电卡制冷装置一实施例所示结构示意图；所述的电卡制冷装置包括制冷主体部分2，所述制冷主体部分2包括至少一组依次堆叠设置的下充电板208、下电卡环207、上电卡环206与上充电板204，所述上电卡环206与所述下电卡环207反向旋转接触；例如上电卡环206逆时针旋转，下电卡环207顺时针旋转。所述上电卡环206上均匀分布有至少一对电卡元件219，使用固定设置的所述上充电板204对所述上电卡环206上的电卡元件219分别进行周期性充放电，使所述上电卡环206上形成热端和冷端。所述下电卡环207上均匀分布有至少一对电卡元件219，使用固定设置的下充电板208对所述下电卡环207上的电卡元件219分别进行周期性充放电，使所述下电卡环207上形成热端和冷端；所述下电卡环207上形成的热端与所述上电卡环206上形成的热端位置重叠，所述下电卡环207上形成的冷端与所述上电卡环206上形成的冷端位置重叠；所有冷端的冷量通过冷端模块217排出至被制冷空间，所有热端的热量通过散热模块203排出至被制冷空间以外。冷端的冷量可以通过冷端模块217中的流体介质换走，热端的热量可以由散热模块203中的流体介质带走。
上、下电卡环旋转方向相反，便于提高冷端、热端的的温差。上、下电卡环相应的冷端、热端叠加实现热量和冷量的叠加。上、下电卡环以及上、下充电板均由隔热、保温、绝缘的材料制成，例如可以采用玻璃纤维材料。
优选的，上电卡环206与相邻的下电卡环207转速相同。上电卡环与下电卡环旋转方向相反、速度相同，便于进一步提高冷端、热端的的温差。上电卡环与下电卡环的转动方式可以为连续转动，也可以为步进转动。
优选的，在本实施例中，所述电卡制冷装置还包括相配合的上外壳1以及下外壳3，所述上外壳1上分别设有与所述冷端模块217和所述散热模块203相对应的出风口101。上外壳1以及下外壳3相配合，将制冷主体部分2包覆在其构成的空间内，以对制冷主体部分2进行保护。
优选的，在本实施例中，所述制冷主体部分2还包括上压板202，所述上压板202用以压接所述制冷主体部分2中位于最外层的所述上充电板204或下充电板208。所述制冷主体部分2中最内层(本实施例为最下层)为一下充电板208，该下充电板208还起到支撑作用；当最外层本实施例为最上层为一上充电板204时，该上充电板204上压接有上压板202，当最上层为一下充电板208时，上压板202压接在该下充电板208上，以使下充电板208、下电卡环207、上电卡环206与上充电板204彼此之间充分接触，提高装置效率。
优选的，在本实施例中，上充电板204、下充电板208以及上压板202两端通过相应支撑轴216支撑并固定，冷端模块217、所述散热模块203分别固定在相应支撑轴216上。
优选的，在本实施例中，所述电卡制冷装置还包括一支撑平台210，用于将电机209与制冷主体部分2的其它组件分隔开，并作为制冷主体部分2的基台支撑其上的各组件。
请一并参考图1以及图2A-2C，其中，图2A示出了电卡环上的2对电卡元件位置分布示意图，图2B示出了电卡环上的3对电卡元件位置分布示意图，图2C示出了电卡环上的6对电卡元件位置分布示意图。其中，图2A-2C主要用于示意电卡元件位置分布，省略电卡环上部分组件特征，例如，作为上电卡环时，省略了外表面的齿轮外形，作为下电卡环时，省略了内表面的卡接件。所述上电卡环206包括上卡环架601及均匀分布在上卡环架601周向通孔内的电卡元件219，上卡环架601与相应电卡元件219在同一平面内。所述下电卡环207包括下卡环架701及均匀分布在下卡环架701周向通孔内的电卡元件219，下卡环架701与相应电卡元件219在同一水平面内。电卡元件成对均匀分布在电卡环上，确保在同一时间同一电卡环上，一电卡元件处于充电状态、另一电卡元件处于放电状态。同一电卡环上的所有电卡元件彼此绝缘设置。卡环架与相应电卡元件在同一水平面内，确保电卡环在旋转时与相应充电板的充分接触。
当电卡环的卡环架内均匀分布有两对或两对以上电卡元件时，所有电卡元件分布的几何中心落在卡环架质心位置。其中，所述上电卡环206的上卡环架601上分布的电卡元件219数量，与所述下电卡环207的下卡环架701上的电卡元件219数量可以相同也可以不相同，只要能分别在相应电卡环上的冷端和热端放电和充电即可。
请一并参考图1以及图3，其中，图3是本发明一实施例所述的上、下电卡环驱动结构示意图，图3主要用于示意上、下电卡环驱动方式中的相对位置关系。所述装置进一步包括电机209、固接在所述电机209上的第一齿轮214与第二齿轮213、驱动轴201、固接在所述驱动轴201上的驱动轴齿轮211，其中，所述驱动轴齿轮(211)与第二齿轮(213)通过中间齿轮(212)传动。具体的：电机209转动，带动第一齿轮214与第二齿轮213转动；第二齿轮213的转动通过中间齿轮212传动，带动驱动轴齿轮211转动；驱动轴201随驱动轴齿轮211转动。外部电源6为电机209供电，电机控制装置9用于调节电机209的功能及性能参数。所述上电卡环206、下电卡环207由一个电机209带动若干齿轮驱动，且上、下相邻的电卡环旋转方向相反。
所述上电卡环206外表面具有齿轮外形，所述上电卡环206套接在驱动轴201上，并通过所述上电卡环206的外周表面的齿轮与固定在电机209上的第一齿轮214相啮合，所述上电卡环206通过所述第一齿轮214传动从而绕驱动轴201中心做旋转运动。所述下电卡环207内表面具有一卡接件，所述下电卡环207通过所述卡接件卡接在所述驱动轴201上，固定在所述电机209上的第二齿轮213经中间齿轮212传动至固定在所述驱动轴201上的驱动轴齿轮211，从而带动所述驱动轴201转动，所述下电卡环207通过所述驱动轴201带动从而随所述驱动轴201做旋转运动。其中，所述卡接件可以为下电卡环207内表面延伸出的凸起，则驱动轴201上相应开设有凹槽，下电卡环207通过凸起卡接在驱动轴201上的凹槽内；所述卡接件也可以为下电卡环207内表面上开设的凹槽，则驱动轴201上相应延伸有凸起，下电卡环207通过凹槽卡接在驱动轴201上的凸起上。
优选的，设定：所述第一齿轮214齿数为Z1，所述第二齿轮213齿数为Z2，所述中间齿轮212齿数为Z3，所述驱动轴齿轮211齿数为Z4，所述上电卡环206外周表面齿轮齿数为Z5；所有齿轮满足齿轮模数相等，并且满足Z1/Z5＝(Z2/Z3)×(Z3/Z4)。使得所述上电卡环206与下电卡环207满足转向相反、转速相同；其中，上、下电卡环转动方式可以为连续转动，也可以为步进转动。
请一并参考图1以及图4，其中，图4是本发明一实施例所述的上下充电板结构组成与充放电原理示意图。所述上充电板204上与所述上电卡环206接触的一面设有热端导热片401、冷端导热片406、充电正电极402、负电极403以及放电正电极405；其中，热端导热片401、冷端导热片406、充电正电极402、负电极403以及放电正电极405可以设在一支撑板404上。热端导热片401与冷端导热片406相对设在支撑板404的两端；充电正电极402与放电正电极405相对设在热端导热片401与冷端导热片406对称轴的轴线上，且充电正电极402靠近热端导热片401，放电正电极405靠近冷端导热片406；负电极403成圆环形设在支撑板404上。所述下充电板208上与所述上电卡环207接触的一面设有热端导热片801、冷端导热片806、充电正电极802、负电极803以及放电正电极805；其中，热端导热片801、冷端导热片806、充电正电极802、负电极803以及放电正电极805可以设在一支撑板804上。上述导热片可以采用热导率较高的材料做成散热片结构，保证其换热表面积。
当所述上电卡环206上的相对应的2个电卡元件219分别与充电正电极402以及放电正电极405接触时，充电正电极402、负电极403与外部电源6构成充电电路对与充电正电极402接触的电卡元件219进行充电，电卡元件219发热，热量通过热端导热片401传递到所述散热模块203；放电正电极405与负电极403构成放电电路对与放电正电极405接触的电卡元件219进行放电，电卡元件219吸热，冷量通过冷端导热片406传递到所述冷端模块217。
当所述上电卡环207上的相对应的2个电卡元件219分别与充电正电极802以及放电正电极805接触时，充电正电极802、负电极803与外部电源6构成充电电路对与充电正电极802接触的电卡元件219进行充电，电卡元件219发热，热量通过热端导热片801传递到所述散热模块203；放电正电极805与负电极803构成放电电路对与放电正电极805接触的电卡元件219进行放电，电卡元件219吸热，冷量通过冷端导热片806传递到所述冷端模块217。
在本实施例中，上述充放电电路中引入了限流限压电阻(充电电阻R1、放电电阻R2)构成相应RC回路，以对充放电回路进行保护；在其他实施方式中，充放电电路还可以引入电感构成LC振荡电路进行充放电，以利用电感的储能作用，将放电过程中的电能进行储存，提高电能的利用率。
请一并参考图1以及图5，其中，图5是本发明一实施例所述的导热介质填充位置分布示意图。所述上充电板204与相邻的上电卡环206之间、上电卡环206与相邻的下电卡环207之间、下电卡环207与相邻的下充电板208之间填充有导热介质215，以提高电卡元件热量的传递效率。在安装下电卡环207之前需要在已安装完的下充电板208上刷涂导热介质215，装上电卡环206之前需要在已安装完的下电卡环207上刷涂导热介质215，装上充电板204之前需要在已安装完的上电卡环206上刷涂导热介质215，多层则依次类推；导热介质215采用热导率较高的绝缘材料制成，这可以显著的提高电卡元件热量传递的效率。
请一并参考图1以及图6，其中，图6是本发明一实施例所述的多组电卡环、充电板装配示意图。在本实施例中，所述制冷主体部分2包括至少一组依次堆叠设置的下充电板208、下电卡环207、上电卡环206、上充电板204、上电卡环206、下电卡环207与下充电板208，如此为一个循环，进行多组电卡环和充电板的叠加组合，实现热量和冷量的叠加，提高制冷功率；其中，上电卡环206与相邻的下电卡环207反向旋转接触。图中箭头示意相应组件的旋转方向。
请一并参考图1以及图7，其中，图7是本发明一实施例所述的热端、冷端换热原理示意图，图中所示箭头示意相应导热片所传到的热量的来源。所有冷端的冷量经隔热板218与外界隔离并收集后通过所述冷端模块217排出至被制冷空间，以施加到热负载上进行降温；所有热端的热量经导热板205传递至所述散热模块203后，通过所述散热模块203排出至被制冷空间以外。其中，所述隔热板218可以由隔热、保温、绝缘的材料制成；所述导热板205采用热导率较高的材料制成。
其中，所述散热装置203以及冷端装置217可以均为热交换器，热端热量、冷端冷量均通过热交换器带走。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种电卡制冷装置，其特征在于，包括制冷主体部分(2)，所述制冷主体部分(2)包括至少一组依次堆叠设置的下充电板(208)、下电卡环(207)、上电卡环(206)与上充电板(204)，所述上电卡环(206)与所述下电卡环(207)反向旋转接触；
所述上电卡环(206)上均匀分布有至少一对电卡元件(219)，使用固定设置的所述上充电板(204)对所述上电卡环(206)上的电卡元件(219)分别进行周期性充放电，使所述上电卡环(206)上分别形成热端和冷端；
所述下电卡环(207)上均匀分布有至少一对电卡元件(219)，使用固定设置的下充电板(208)对所述下电卡环(207)上的电卡元件(219)分别进行周期性充放电，使所述下电卡环(207)上分别形成热端和冷端；
所述下电卡环(207)上形成的热端与所述上电卡环(206)上形成的热端位置重叠，所述下电卡环(207)上形成的冷端与所述上电卡环(206)上形成的冷端位置重叠，所有冷端的冷量通过冷端模块(217)排出至被制冷空间，所有热端的热量通过散热模块(203)排出至被制冷空间以外。
2.根据权利要求1所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述制冷主体部分(2)包括至少一组依次堆叠设置的下充电板(208)、下电卡环(207)、上电卡环(206)、上充电板(204)、上电卡环(206)、下电卡环(207)以及下充电板(208)，其中上电卡环(206)与相邻的下电卡环(207)反向旋转接触。
3.根据权利要求1或2所述的电卡制冷装置，其特征在于，上电卡环(206)与相邻的下电卡环(207)转速相同，转动方式为连续转动或步进转动。
4.根据权利要求1或2所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述上电卡环(206)包括上卡环架(601)及均匀分布在上卡环架(601)周向通孔内的电卡元件(219)，上卡环架(601)与相应电卡元件(219)在同一平面内；
所述下电卡环(207)包括下卡环架(701)及均匀分布在下卡环架(701)周向通孔内的电卡元件(219)，下卡环架(701)与相应电卡元件(219)在同一水平面内。
5.根据权利要求4所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述上电卡环(206)的所述上卡环架(601)内均匀分布有两对或两对以上电卡元件(219)，所有电卡元件(219)分布的几何中心落在所述上卡环架(601)质心位置；
所述下电卡环(207)的所述下卡环架(701)内均匀分布有两对或两对以上电卡元件(219)，所有电卡元件(219)分布的几何中心落在所述下卡环架(701)质心位置。
6.根据权利要求1或2所述的电卡制冷装置，其特征在于，
所述装置进一步包括电机(209)、固接在所述电机(209)上的第一齿轮(214)与第二齿轮(213)、驱动轴(201)、固接在所述驱动轴(201)上的驱动轴齿轮(211)，其中，所述驱动轴齿轮(211)与第二齿轮(213)通过中间齿轮(212)传动；
所述上电卡环(206)外表面具有齿轮外形，所述上电卡环(206)套接在所述驱动轴(201)上，并通过所述上电卡环(206)的外周表面的齿轮与所述第一齿轮(214)相啮合，所述上电卡环(206)通过所述第一齿轮(214)传动从而绕驱动轴(201)中心做旋转运动；
所述下电卡环(207)内表面具有一卡接件，所述下电卡环(207)通过所述卡接件卡接在所述驱动轴(201)上，所述第二齿轮(213)经所述中间齿轮(212)传动带动所述驱动轴(201)转动，所述下电卡环(207)通过所述驱动轴(201)带动从而随所述驱动轴(201)做旋转运动。
7.根据权利要求6所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述第一齿轮(214)齿数为Z1，所述第二齿轮(213)齿数为Z2，所述中间齿轮(212)齿数为Z3，所述驱动轴齿轮(211)齿数为Z4，所述上电卡环(206)外周表面齿轮齿数为Z5，所有齿轮满足齿轮模数相等，并且满足Z1/Z5＝(Z2/Z3)×(Z3/Z4)。
8.根据权利要求1或2所述的电卡制冷装置，其特征在于，
所述上充电板(204)上与所述上电卡环(206)接触的一面设有热端导热片(401)、冷端导热片(406)、充电正电极(402)、负电极(403)以及放电正电极(405)；当所述上电卡环(206)上的相对应的2个电卡元件(219)分别与充电正电极(402)以及放电正电极(405)接触时，充电正电极(402)、负电极(403)与外部电源(6)构成充电电路对与充电正电极(402)接触的电卡元件(219)进行充电，电卡元件(219)发热，热量通过热端导热片(401)传递到所述散热模块(203)，放电正电极(405)与负电极(403)构成放电电路对与放电正电极(405)接触的电卡元件(219)进行放电，电卡元件(219)吸热，冷量通过冷端导热片(406)传递到所述冷端模块(217)；
所述下充电板(208)上与所述上电卡环(207)接触的一面设有热端导热片(801)、冷端导热片(806)、充电正电极(802)、负电极(803)以及放电正电极(805)；当所述上电卡环(207)上的相对应的2个电卡元件(219)分别与充电正电极(802)以及放电正电极(805)接触时，充电正电极(802)、负电极(803)与外部电源(6)构成充电电路对与充电正电极(802)接触的电卡元件(219)进行充电，电卡元件(219)发热，热量通过热端导热片(801)传递到所述散热模块(203)，放电正电极(805)与负电极(803)构成放电电路对与放电正电极(805)接触的电卡元件(219)进行放电，电卡元件(219)吸热，冷量通过冷端导热片(806)传递到所述冷端模块(217)。
9.根据权利要求1所述的电卡制冷装置，其特征在于，
所有冷端的冷量经隔热板(218)隔离并收集后通过所述冷端模块(217)排出至被制冷空间；
所有热端的热量经导热板(205)传递至所述散热模块(203)后，通过所述散热模块(203)排出至被制冷空间以外。
10.根据权利要求1或2所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述上充电板(204)与相邻的上电卡环(206)之间、上电卡环(206)与相邻的下电卡环(207)之间、下电卡环(207)与相邻的下充电板(208)之间填充有导热介质(215)。
11.根据权利要求1或2所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述制冷主体部分(2)还包括上压板(202)，所述上压板(202)用以压接所述制冷主体部分(2)中位于最外层的所述上充电板(204)或下充电板(208)。
12.根据权利要求1或2所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述电卡制冷装置还包括相配合的上外壳(1)以及下外壳(3)，所述上外壳(1)上分别设有与所述冷端模块(217)和所述散热模块(203)相对应的出风口(101)。
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