CN108413645B - 基于形状记忆驱动的电卡制冷装置及其方法 - Google Patents

基于形状记忆驱动的电卡制冷装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于形状记忆驱动的电卡制冷装置及其方法。它包括冷端、端盖、热端、绝热层、轴用弹簧挡圈、形状记忆电卡制冷器；冷端呈轴状，端盖同轴固定于冷端上；热端呈中空筒状，热端的一侧固定于冷端上，且热端与冷端之间通过绝热层隔离；冷端、端盖和热端之间形成一个环绕冷端的环形腔体；环形腔体有进气孔和出气孔；形状记忆电卡制冷器呈开口圆环形，一端固定于冷端上。在丙酮蒸汽的浓度发生变化时，形状记忆电卡制冷器实现变形，并分别与冷端和热端接触，同时控制其上直流电压的施加和撤除使得形状记忆电卡制冷器在热端释放热量，在冷端吸收热量，实现形状记忆电卡制冷。本发明具有无需热开关、集成度高、无噪声的特点。

Description

基于形状记忆驱动的电卡制冷装置及其方法
技术领域
本发明涉及固体制冷装置，尤其涉及一种基于形状记忆驱动的电卡制冷装置及其方法。
背景技术
固体制冷技术具有无需制冷剂、不对环境产生污染、无噪声等特点。常见的固体制冷技术包括半导体制冷、电卡制冷、磁制冷等。电卡制冷相比于半导体制冷和磁制冷而言，具有效率高、体积小等优点。
由于电卡制冷装置在绝热极化过程后温度升高，从而要向外界释放热量，在绝热去极化过程后温度降低可以从外界吸收热量，因此通常采用热开关或者液体循环的方式将电卡制冷装置在极化过程后释放的热量带到热端，例如专利CN206056000U公开了一种流体换热的电卡制冷装置，冷端和热端采用换热器与热流进行热交换；专利CN106440483A公开了一种电卡制冷装置，通过上电卡环与下电卡环的反向旋转配合周期性施加的电压，并分别周期性的与冷端和热端接触实现热量在冷端和热端的传递。这些电卡制冷装置需要设计机构将热量从冷端排到热端，而本发明所述的形状记忆电卡制冷器，具有自驱动的特性，无需其它辅助热量传递结构就能通过形状记忆驱动形变实现热量的传递，更易于小型化。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种基于形状记忆驱动的电卡制冷装置及其方法。
基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其包括冷端、端盖、热端、绝热层、轴用弹簧挡圈、形状记忆电卡制冷器；冷端呈轴状，端盖同轴固定于冷端上；热端呈中空筒状，热端的一侧通过定位键和轴用弹簧挡圈同轴固定于冷端上，且热端与冷端之间通过绝热层隔离，热端的另一侧与端盖通过固定件连接；冷端、端盖和热端之间形成一个环绕冷端的环形腔体；所述的端盖上设有连通环形腔体的进气孔；所述的热端底部设有连通环形腔体的出气孔；所述的形状记忆电卡制冷器呈开口圆环形，一端固定于冷端上，且在非工作状态下与热端接触但与冷端不直接接触。
该电卡制冷装置中，还可以采用如下若干优选方式：
所述的形状记忆电卡制冷器为四层依次紧贴的环形结构，由外至内依次为聚乙烯醇层、上电极、聚偏氟乙烯层和下电极；且聚偏氟乙烯层内表面设有沿圆周方向排列的凹槽结构，下电极也呈匹配的凹槽结构并紧贴聚偏氟乙烯层。所述的形状记忆电卡制冷器可以通过固定件和紧固件与冷端连接。所述的固定件可以为螺钉，所述的紧固件可以为垫片。所述的冷端和热端可以采用金属材料制成，优选为铜、铝。所述的端盖可以采用隔热塑料制成，优选为聚氨酯。所述的绝热层可以通过胶水粘结在热端内圈。所述的绝热层可以采用绝热材料制成，优选为石棉。所述的上电极和下电极可以采用金电极。
使用该装置的基于形状记忆驱动的电卡制冷控制方法是：初始状态时形状记忆电卡制冷器与热端接触，在上电极和下电极之间施加直流电压并一直保持，聚偏氟乙烯层在电场的作用下内部极化趋向一致并产生热量，产生的热量通过热端传导到外界中；当达到热平衡时通过端盖上的进气孔通入丙酮蒸汽，聚乙烯醇层在丙酮蒸汽的作用下不发生收缩，聚偏氟乙烯层吸附丙酮蒸汽并收缩，由于聚乙烯醇层和聚偏氟乙烯层的收缩率不同，并且聚偏氟乙烯层具有凹槽结构，使形状记忆电卡制冷器发生卷曲并与冷端接触，此时控制上电极和下电极之间的直流电压降为零，聚偏氟乙烯层去极化并从冷端吸收热量，然后通过热端上的排气孔将丙酮蒸汽抽出，聚偏氟乙烯层恢复初始形状，形状记忆电卡制冷器恢复到与热端接触的初始状态；不断重复该过程，从而将热量的从冷端不断传递到热端并最终趋于稳定，实现形状记忆电卡制冷。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)形状记忆驱动电卡制冷器，具有自驱动的特点。
2)无需热开关，简化结构。
3)形状记忆驱动电卡制冷器无噪声，无其它运动部件，装置可靠性高。
附图说明
图1为基于形状记忆驱动的电卡制冷装置外形立体示意图及其D视角下的示意图；
图2为本发明电卡制冷装置的俯视图及A-A剖面结构示意图；
图3为本发明电卡制冷装置的侧视图及B-B剖面结构示意图；其中Ⅰ和Ⅱ分别为形状记忆电卡制冷器在初始状态和工作状态下的示意图；
图4为本发明的形状记忆电卡制冷器的横截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置做详细说明。
如图1～4所示，基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，包括冷端1、端盖2、热端3、绝热层4、轴用弹簧挡圈5、形状记忆电卡制冷器6。冷端1呈中空的轴状，端盖2同轴固定于冷端1上；热端3呈中空筒状，且两侧的直径不同，与端盖2接触一侧直径大于另一侧。热端3直径较小的一侧通过定位键和轴用弹簧挡圈5同轴固定于冷端1上，定位键用于限制热端3绕冷端1周向转动，轴用弹簧挡圈5用于限制热端3在冷端1上轴向移动。且热端3与冷端1之间通过绝热层4隔离，绝热层4通过胶水粘结在热端3内圈。热端3的另一侧与端盖2通过固定件连接。冷端1、端盖2和热端3之间形成一个环绕冷端1的环形腔体，端盖2上设有连通环形腔体的进气孔，热端3底部设有连通环形腔体的出气孔，环形腔体除进气孔和出气孔之外其余密闭。形状记忆电卡制冷器6为四层依次紧贴的环形结构，由外至内依次为聚乙烯醇层6.1、上电极6.3、聚偏氟乙烯层6.2和下电极6.4。聚乙烯醇层6.1环绕设置于形状记忆电卡制冷器6的最外层，聚偏氟乙烯层6.2环绕于聚乙烯醇层6.1内，聚偏氟乙烯层6.2外表面与聚乙烯醇层6.1之间夹持有上电极6.3，聚偏氟乙烯层6.2内表面设有沿圆周方向排列的凹槽结构，下电极6.4也呈匹配的凹槽结构并紧贴聚偏氟乙烯层6.2。形状记忆电卡制冷器6呈开口圆环形，一端为固定端，另一端为活动端。固定端通过固定件和紧固件连接于冷端1上，但固定端与冷端1不直接接触；在未通入丙酮蒸汽的非工作状态下，活动端与热端3接触，而在通入丙酮蒸汽后，形状记忆电卡制冷器6收缩，活动端脱离热端3而与冷端1接触。
冷端和热端采用导热性能良好的金属材料，如铜、铝等。端盖采用隔热性能好的塑料制作，如聚氨酯等。绝热层采用绝热材料制作，如石棉等。形状记忆电卡制冷器同时具有电卡制冷功能和形状记忆功能，其形状记忆功能的作动速度约为6秒。上电极和下电极采用透气性良好的金电极。固定件可以采用螺钉，紧固件可以采用垫片。
使用上述装置的基于形状记忆驱动的电卡制冷控制方法是：初始状态时形状记忆电卡制冷器6与热端3接触，在上电极6.3和下电极6.4之间施加直流电压并一直保持，聚偏氟乙烯层6.2在电场的作用下内部极化趋向一致并产生热量，产生的热量通过热端3传导到外界中；当达到热平衡时通过端盖2上的进气孔通入丙酮蒸汽，聚乙烯醇层6.1在丙酮蒸汽的作用下不发生收缩，聚偏氟乙烯层6.2吸附丙酮蒸汽并收缩，由于聚乙烯醇层6.1和聚偏氟乙烯层6.2的收缩率不同，并且聚偏氟乙烯层6.2具有凹槽结构，使形状记忆电卡制冷器6发生卷曲并与冷端1接触，此时控制上电极6.3和下电极6.4之间的直流电压降为零，聚偏氟乙烯层6.2去极化并从冷端1吸收热量，然后通过热端3上的排气孔将丙酮蒸汽抽出，聚偏氟乙烯层6.2恢复初始形状，形状记忆电卡制冷器6恢复到与热端接触的初始状态；不断重复该过程，从而将热量的从冷端1不断传递到热端3，使得冷端温度越来越低，热端温度越来越高并最终趋于稳定，实现形状记忆电卡制冷。
本发明利用丙酮蒸汽的浓度变化，使形状记忆电卡制冷器实现变形，并分别与冷端和热端接触，同时控制其上直流电压的施加和撤除使得形状记忆电卡制冷器在热端释放热量，在冷端吸收热量，实现形状记忆电卡制冷，具有无需热开关、集成度高、无噪声的特点。

Claims (13)

1.一种基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于包括冷端（1）、端盖（2）、热端（3）、绝热层（4）、轴用弹簧挡圈（5）、形状记忆电卡制冷器（6）；冷端（1）呈轴状，端盖（2）同轴固定于冷端（1）上；热端（3）呈中空筒状，热端（3）的一侧通过定位键和轴用弹簧挡圈（5）同轴固定于冷端（1）上，且热端（3）与冷端（1）之间通过绝热层（4）隔离，热端（3）的另一侧与端盖（2）通过固定件连接；冷端（1）、端盖（2）和热端（3）之间形成一个环绕冷端（1）的环形腔体；所述的端盖（2）上设有连通环形腔体的进气孔；所述的热端（3）底部设有连通环形腔体的出气孔；所述的形状记忆电卡制冷器（6）呈开口圆环形，一端固定于冷端（1）上，且在非工作状态下与热端（3）接触但与冷端（1）不直接接触。
2.如权利要求1所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的形状记忆电卡制冷器（6）为四层依次紧贴的环形结构，由外至内依次为聚乙烯醇层（6.1）、上电极（6.3）、聚偏氟乙烯层（6.2）和下电极（6.4）；且聚偏氟乙烯层（6.2）内表面设有沿圆周方向排列的凹槽结构，下电极（6.4）也呈匹配的凹槽结构并紧贴聚偏氟乙烯层（6.2）。
3.如权利要求1所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的形状记忆电卡制冷器（6）通过固定件和紧固件与冷端（1）连接。
4.如权利要求3所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的固定件为螺钉，所述的紧固件为垫片。
5.如权利要求1所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的冷端（1）和热端（3）采用金属材料制成。
6.如权利要求5所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的冷端（1）和热端（3）采用铜或铝制成。
7.如权利要求1所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的端盖（2）采用隔热塑料制成。
8.如权利要求7所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的端盖（2）采用聚氨酯制成。
9.如权利要求1所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的绝热层（4）通过胶水粘结在热端（3）内圈。
10.如权利要求1所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的绝热层（4）采用绝热材料制成。
11.如权利要求10所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的绝热层（4）采用石棉制成。
12.如权利要求2所述的基于形状记忆驱动的电卡制冷装置，其特征在于所述的上电极（6.3）和下电极（6.4）采用金电极。
13.一种使用如权利要求2所述基于形状记忆驱动的电卡制冷装置的基于形状记忆驱动的电卡制冷控制方法，其特征在于：初始状态时形状记忆电卡制冷器（6）与热端（3）接触，在上电极（6.3）和下电极（6.4）之间施加直流电压并一直保持，聚偏氟乙烯层（6.2）在电场的作用下内部极化趋向一致并产生热量，产生的热量通过热端（3）传导到外界中；当达到热平衡时通过端盖（2）上的进气孔通入丙酮蒸汽，聚乙烯醇层（6.1）在丙酮蒸汽的作用下不发生收缩，聚偏氟乙烯层（6.2）吸附丙酮蒸汽并收缩，由于聚乙烯醇层（6.1）和聚偏氟乙烯层（6.2）的收缩率不同，并且聚偏氟乙烯层（6.2）具有凹槽结构，使形状记忆电卡制冷器（6）发生卷曲并与冷端（1）接触，此时控制上电极（6.3）和下电极（6.4）之间的直流电压降为零，聚偏氟乙烯层（6.2）去极化并从冷端（1）吸收热量，然后通过热端（3）上的排气孔将丙酮蒸汽抽出，聚偏氟乙烯层（6.2）恢复初始形状，形状记忆电卡制冷器（6）恢复到与热端接触的初始状态；不断重复该过程，从而将热量的从冷端（1）不断传递到热端（3）并最终趋于稳定，实现形状记忆电卡制冷。
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