CN111238077B

CN111238077B - 一种电卡制冷装置及制冷方法

Info

Publication number: CN111238077B
Application number: CN201811439742.9A
Authority: CN
Inventors: 于淑会; 阮盼盼; 于均益; 孙蓉
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: WO2020107592A1; CN111238077A

Abstract

本发明公开了一种电卡制冷装置，包括圆片形的电卡材料层、分别连接电卡材料层上电极下表面的两个电极、设于电卡材料层外围并相对于电卡材料层转动的导热环，导热环由导热部分和绝热部分在周向上首尾衔接而成，通过两个电极可控制电卡材料层周期性地通电和断电；在电卡材料层升温过程中，至少一个绝热部分阻挡制冷入口以隔绝热量，在电卡材料层降温过程中，至少一个导热部分阻挡制冷入口以传递热量。本发明还公开了一种制冷方法。本发明的电卡制冷装置结构简单、易于实现，通过控制导热环相对于内部的电卡材料层转动，并相应地周期性地改变电卡材料层的通、断电状态即可使得装置持续降温，使得装置能够最大限度、最大效率地提高制冷效果。

Description

一种电卡制冷装置及制冷方法

技术领域

本发明涉及机电工程技术领域，尤其涉及一种电卡制冷装置及制冷方法。

背景技术

制冷技术在人们日常生活中发挥着至关重要的作用，其应用广泛，从空调的使用、食品的保鲜，到各种电子器件的保护。传统的蒸汽压缩式制冷会排放有机气体，对环境造成破坏，且已发展到了极限；新型热电制冷效率太低，不适宜于大规模和大制冷量使用；磁卡制冷中磁场的产生需要磁铁，阻碍了制冷器件的小型化，在设计上很不灵活。因此开发一种成本低、能量转换效率高、环保的制冷设备很有必要。

电卡制冷设备是基于电卡效应，即通过施加电场，材料温度发生改变。对具有正电卡效应的材料，施加电场时，材料温度升高，而在移去电场时，电卡材料温度降低，以此来达到制冷或制热目的；而对于具有负电卡效应的材料，情况恰好相反。

电卡效应研究始于上世纪30年代，但所得温度变化值不大。直到2006年，Mischenko等人(《Science》,2006,311(5765):1270-1271)研究发现，PbZr0.95Ti0.05O3薄膜在48MV/m电场作用下能产生12℃的温度变化，使得电卡材料用于制冷的目的再次得到广泛关注。近年来，科学家们也研究了各种无铅电卡材料以及聚合物和聚合物复合电卡材料，均得到了较大温度变化。其中，一些弛豫型铁电材料有较大的工作温度区间，还可以通过改变某些元素的含量，调整其工作温度。这些为电卡材料应用于各种工作环境提供了极大可能性。现于今，在大多数需要制冷的环境中，还是通过蒸汽压缩式制冷，而根据研究表明，基于电卡效应的电卡制冷能量转换效率更高，且不排放有机气体，对环境不会造成破坏，还具有质量轻、成本低、无噪音，在设计上灵活多样等众多优点。

研究者在电卡制冷材料的开发和性能方面已做了大量工作，但对于制冷器件的设计仍然鲜有报道，导致电卡制冷设备仅仅停留在理论设计阶段，无法很好地实现商用化。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种可以实现商用化的电卡制冷装置及制冷方法，电卡制冷装置的结构简单、易于实现，制冷效果好。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种电卡制冷装置，包括圆片形的电卡材料层、分别连接所述电卡材料层上下表面的两个电极、设于所述电卡材料层外围并相对于所述电卡材料层转动的导热环，所述导热环由导热部分和绝热部分在周向上首尾衔接而成，通过两个所述电极可控制所述电卡材料层周期性地通电和断电；在所述电卡材料层升温过程中，至少一个所述绝热部分阻挡制冷入口以隔绝热量，在所述电卡材料层降温过程中，至少一个所述导热部分阻挡制冷入口以传递热量。

作为其中一种实施方式，所述导热环与所述电卡材料层接触设置。

作为其中一种实施方式，所述导热部分为铜、铝、石墨烯、BN(氮化硼)、石墨、碳纤维和C/C(炭/炭)复合材料中的至少一种。

作为其中一种实施方式，所述导热环包括至少两个所述导热部分与至少两个所述绝热部分，所述制冷入口的数量与所述导热部分的数量、所述绝热部分的数量均一致。

作为其中一种实施方式，每个所述电卡材料层与一个所述导热环组成一个制冷单元，电卡制冷装置包括复数层上下层叠设置的所述制冷单元。

作为其中一种实施方式，至少一层制冷单元的所述导热部分与相邻层的制冷单元的所述导热部分的正投影重合。

作为其中一种实施方式，至少一层制冷单元的所述导热部分与相邻层的制冷单元的所述绝热部分的正投影重合。

作为其中一种实施方式，电卡制冷装置还包括用于隔热的绝热片，所述绝热部分与相邻层的导热部分正投影重合的两个导热环之间夹设有一层所述绝热片。

作为其中一种实施方式，所述绝热部分的厚度大于所述电卡材料层与两个所述电极的厚度之和，所述导热部分的厚度不大于所述绝热部分，且不小于所述电卡材料层与两个所述电极的厚度之和。

本发明的另一目的在于提供一种采用任意一种上述的电卡制冷装置的制冷方法，包括：

通过两个电极对电卡材料层周期性地施加电压和撤去电压，并控制所述导热环相对于所述电卡材料层转动；

对于具有正电卡效应的材料：在电卡材料层通电过程中温度升高，至少一个绝热部分阻挡制冷入口以隔绝热量；在电卡材料层断电过程中温度降低，至少一个导热部分转动至阻挡制冷入口以传递热量，而对于具有负电卡效应的材料，情况恰好相反。

本发明的电卡制冷装置结构简单、易于实现，通过控制导热环相对于内部的电卡材料层转动，并相应地周期性地改变电卡材料层的通、断电状态即可使得装置持续降温，使得装置能够最大限度、最大效率地提高制冷效果。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种电卡制冷装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的一种电卡制冷装置的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例1的一种电卡制冷装置的第一使用状态示意图；

图4为本发明实施例1的一种电卡制冷装置的第二使用状态示意图；

图5为本发明实施例2的一种电卡制冷装置的剖面结构示意图；

图6为本发明实施例3的一种电卡制冷装置的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例4的一种电卡制冷装置的剖面结构示意图；

图8为本发明实施例5的一种电卡制冷装置的剖面结构示意图；

图9为本发明实施例6的一种电卡制冷装置的剖面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，以具有正电卡效应的电卡材料为例，对本发明进一步详细说明。应当理解，本发明的电卡材料也可以是具有负电卡效应的材料，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

参阅图1和图2，本发明实施例的电卡制冷装置包括圆片形的电卡材料层11、分别连接电卡材料层11上下表面的两个电极12、设于电卡材料层11外围并相对于电卡材料层11转动的导热环20，导热环20由导热部分21和绝热部分22在周向上首尾衔接而成，通过两个电极12可控制电卡材料层11周期性地通电和断电。电卡材料层11和电极下表面的两个电极12组成一个电卡单元10，作为制冷对象的制冷空间具有至少一个制冷入口，在电卡材料层11通电过程中，至少一个绝热部分22阻挡制冷入口以隔绝热量，在电卡材料层11断电过程中，至少一个导热部分21阻挡制冷入口以传递热量。

导热部分21和绝热部分22均为弧块，优选为扇环形弧块。电卡材料层11与导热环20接触，至少与导热环20的导热部分21接触，以更好地传递热量。

在有的实施方式中，导热部分21和绝热部分22也可以设置有用于隔热的绝热材料，以防止热量从导热部分21传到绝热部分22。

导热环20中，导热部分21和绝热部分22在环向上交替设置，导热环20与电卡材料层11同心设置，制冷入口设置为与导热环的至少一个部位连通。在导热环20相对于电卡材料层11转动的过程中，导热环20的导热部分21和绝热部分22交替地经过制冷入口，热量可以经过导热部分21散发至制冷入口，从而对制冷空间进行制冷，在电卡材料层11通电过程中，电卡材料层11温度升高，在电卡材料层11断电过程中，电卡材料层11温度降低。因此，当电卡材料层11通电过程中，绝热部分22阻挡制冷入口以隔绝热量，电卡材料层11的热量无法散发到制冷空间中，当电卡材料层11断电过程中，导热部分21转动至阻挡制冷入口以传递热量，电卡材料层11的热量可以散发到制冷空间中，实现制冷空间的持续降温。

导热环20中，导热部分21和绝热部分22的高度一致。绝热部分22的厚度等于电卡材料层11与两个电极12的厚度之和，初始状态下，每个制冷入口与一个导热部分21或绝热部分22正对。

为方便理解，本实施例的导热环20以四个部分为例进行说明，如图3和图4所示，导热环20由两个导热部分21和两个绝热部分22组成，导热部分21和绝热部分22首尾连接、交替地设置在导热环20的环向上，制冷空间具有两个制冷入口，与导热部分21的数量一致。

初始状态下，电卡材料层11的两个电极12并不通电，两个绝热部分22分别与两个制冷入口对应。当通过两个电极12对电卡材料层11通电的过程中，电卡材料的温度升高，但由于绝热部分22阻挡在制冷入口处，导热部分21与制冷入口错开而与外部环境正对，因此，电卡材料层11的热量无法通过制冷入口进入制冷空间，只能通过位于制冷入口外的导热部分21散发到外部环境中；导热环20相对于电卡材料层11转动，当绝热部分22转动至与制冷入口错开，而导热部分21转动至与制冷入口对应时，绝热部分22阻挡在外部环境处，电卡材料层11断电而温度降低，电卡材料层11的热量通过制冷入口进入制冷空间而使制冷空间温度降低……如此循环，当电卡材料层11通电而温度升高时热量被散发至环境空间中，当电卡材料层11断电而温度降低时热量始终被散发至制冷空间，制冷空间的温度始终只会降低而不会增高，因此，可以很好地保证制冷效率。

作为其中一种实施方式，导热部分21为导热性良好的材料，例如金、银、铜、铝、锌、钛、锡、铅、镍、钢、硅、铁、二氧化硅、SiC、GaAs、GaP、Kavor、石墨烯、BN、石墨、碳纤维和C/C复合材料、导热橡胶等中的至少一种。

绝热部分22为玻璃纤维、石棉、岩棉、矿渣棉、硅酸盐、硅藻土、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、发泡粘土、轻质混凝土、微孔硅酸钙、泡沫玻璃、陶瓷纤维、吸热玻璃、热反射玻璃、中空玻璃，气凝胶毡、真空板、泡沫塑料等中的至少一种，优选为泡沫塑料、玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐气凝胶毡、真空板等中的至少一种。

电卡材料层11为单晶、铁电陶瓷、铁电薄膜、铁电聚合物、铁电聚合物复合材料等中的至少一种。例如钛酸钡、钛铌酸钡、钛铬酸钡、钛酸锶钡、锆钛酸钡、锆钛酸铅、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃、(Pb,La)(Zr,Ti)O₃、xPbMg_1/3Nb_2/3O₃-(1-x)PbTiO₃、Pb(Zr,Ti)O₃-CoFe₂O₄、[(K_0.5Na_0.5)NbO₃]_(1-x)-[LiSbO₃]_x、(Ba,Ce)(Ti,Mn)O₃、(Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃、[(Na,Bi)TiO₃]_(1-x)-[(K,Bi)TiO₃]_(1-x)、Pb(Zr,Ti)O₃、Hf_0.5Zr_0.5O₂、(Ba,Ca)(Te,Ti)O₃、P(VDF-TrFE)、P(VDF-TrFE-CFE)、钛酸钡/P(VDF-TrFE)、钛铌酸钡/P(VDF-TrFE)、钛铬酸钡/P(VDF-TrFE)、钛酸锶钡/P(VDF-TrFE)、锆钛酸钡/P(VDF-TrFE)、锆钛酸铅/P(VDF-TrFE)、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃/P(VDF-TrFE)、(Pb,La)(Zr,Ti)O₃/P(VDF-TrFE)、xPbMg_1/3Nb_2/3O₃-(1-x)PbTiO₃/P(VDF-TrFE)、Pb(Zr,Ti)O₃-CoFe₂O₄/P(VDF-TrFE)、(Pb,La)(Zr,Ti)O₃/P(VDF-TrFE)、[(K_0.5Na_0.5)NbO₃]_(1-x)-[LiSbO₃]_x/P(VDF-TrFE)、(Ba,Ce)(Ti,Mn)O₃/P(VDF-TrFE)、(Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃/P(VDF-TrFE)、[(Na,Bi)TiO₃]_(1-x)-[(K,Bi)TiO₃]_(1-x)/P(VDF-TrFE)、Pb(Zr,Ti)O₃/P(VDF-TrFE)、Hf_0.5Zr_0.5O₂/P(VDF-TrFE)、(Ba,Ca)(Te,Ti)O₃/P(VDF-TrFE)、钛酸钡/P(VDF-TrFE-CFE)、钛铌酸钡/P(VDF-TrFE-CFE)、钛铬酸钡/P(VDF-TrFE-CFE)、钛酸锶钡/P(VDF-TrFE-CFE)、锆钛酸钡/P(VDF-TrFE-CFE)、锆钛酸铅/P(VDF-TrFE-CFE)、(Pb,La)(Zr,Sn,Ti)O₃/P(VDF-TrFE-CFE)、(Pb,La)(Zr,Ti)O₃/P(VDF-TrFE-CFE)、xPbMg_1/3Nb_2/3O₃-(1-x)PbTiO₃/P(VDF-TrFE-CFE)、Pb(Zr,Ti)O₃-CoFe₂O₄/P(VDF-TrFE-CFE)、(Pb,La)(Zr,Ti)O₃/P(VDF-TrFE-CFE)、[(K_0.5Na_0.5)NbO₃]_(1-x)-[LiSbO₃]_x/P(VDF-TrFE-CFE)、(Ba,Ce)(Ti,Mn)O₃/P(VDF-TrFE-CFE)、(Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃/P(VDF-TrFE-CFE)、[(Na,Bi)TiO₃]_(1-x)-[(K,Bi)TiO₃]_(1-x)/P(VDF-TrFE-CFE)、Pb(Zr,Ti)O₃/P(VDF-TrFE-CFE)、Hf_0.5Zr_0.5O₂,(Ba,Ca)(Te,Ti)O₃/P(VDF-TrFE-CFE)等。

电极12为金属合金电极、涂层电极、多孔气体扩散电极等中的至少一种。

进一步地，电卡材料层11的直径优选为1μm-1m，厚度为1nm-1m。电极12的直径优选为1μm-1m,厚度为1nm-10cm。导热部分21、绝热部分22的直径优选为1μm-1m，厚度为1nm-1m。电极12优选为金属合金电极、涂层电极、多孔气体扩散电极等中的至少一种。

需要说明的是，本实施例并不限定导热环20中导热部分21和绝热部分22的数量，导热部分21和绝热部分22的数量可以为一个，也可以更多。

相应地，采用上述的电卡制冷装置实现制冷的方法包括：

通过两个电极12对电卡材料层11周期性地施加电压和撤去电压，并控制导热环20相对于电卡材料层11转动；

在电卡材料层11通电过程中，至少一个绝热部分22阻挡制冷入口以隔绝热量；

在电卡材料层11断电过程中，至少一个导热部分21转动至阻挡制冷入口以传递热量。

由于电卡材料层11产生的高温始终被散发至环境空间中，电卡材料层11产生的低温始终被散发到制冷空间中，因此，在导热环20转动的过程中，制冷空间内可以很好地实现持续降温。

实施例2

如图5所示，本实施例的电卡制冷装置以实施例1中的电卡材料层11与导热环20为基础，每个电卡材料层11与一个导热环20组成一个制冷单元，电卡制冷装置包括复数层上下层叠设置的制冷单元，各层制冷单元的导热环20层叠在一起，二者之间无缝隙。

制冷入口的数量与导热部分21的数量、绝热部分22的数量均一致。至少一层制冷单元的导热部分21与相邻层的制冷单元的导热部分21(在堆叠方向上，如图5所示的纵向)的正投影重合。即至少一层导热环20的导热部分21、绝热部分22分别与下层的导热部分21、绝热部分22正对，两层导热部分21相互重叠。

当电卡制冷装置中具有纵向上重叠的导热部分21与导热部分21、绝热部分22与绝热部分22时，同时对所有的制冷单元的电卡材料层11有规律的通断电，使得所有的制冷入口都同时降温，同时，控制导热环20的转速，使得通过每一层的制冷入口都可以同时搜集热量，导热部分21、绝热部分22均正对的两层制冷单元的电卡材料层11的通断电状态、导热环20的转速均可以一致，可以大幅提升制冷效率。另外，上层的导热环20与下层的导热环20之间也可以夹设有用于防止热量在纵向上散发的绝热片。

实施例3

如图6所示，本实施例的电卡制冷装置也以实施例1中的电卡材料层11与导热环20为基础，至少一层制冷单元的导热部分21与相邻层的制冷单元的绝热部分22的正投影重合，即至少一层导热环20的导热部分21、绝热部分22分别与下层的绝热部分22、导热部分21正对，二者的导热部分21呈错开状态。

在此基础上，本实施例的电卡制冷装置还包括用于隔热的绝热片30，绝热部分22与相邻层的导热部分21正投影重合的两个导热环20之间夹设有一层绝热片30，可以防止纵向上相对的导热环20与绝热片30之间传递热量造成热损失。而其他层制冷装置的绝热部分22、导热部分21可以互相保持重合。绝热片30至少完全覆盖导热环20，例如可以与导热部分21的形状和大小一致或比导热环20的面积大。

电卡制冷装置中，导热部分21相互错开的两层制冷单元的电卡材料层11的通断电状态相反，导热环20的转速一致，使得这两层的升温/降温过程一致，也可以起到提升制冷效率的作用。

实施例4

如图7所示，与实施例1不同的是，本实施例的绝热部分22的厚度大于电卡材料层11与两个电极12的厚度之和，导热部分21的厚度不大于绝热部分22，且大于或等于电卡材料层11与两个电极12的厚度之和。制冷入口的大小与绝热部分22的大小一致，当导热部分21转动至与制冷入口正对时，导热部分21无法完全遮挡制冷入口，热量除了可以从导热部分21传递至制冷入口外，还可以通过导热部分21与制冷入口之间的缝隙进入，导热部分21的一部分底面也可以作为散热面，增大了散热面积。

实施例5

如图8所示，本实施例在实施例4的基础上，将实施例4中的每个电卡材料层11与一个导热环20视为一个制冷单元，电卡制冷装置包括复数层上下层叠设置的制冷单元，各层制冷单元的导热环20层叠在一起，各层制冷单元的电卡材料层11之间形成间隙。

制冷入口的数量与导热部分21的数量、绝热部分22的数量均一致。至少一层制冷单元的导热部分21与相邻层的制冷单元的导热部分21(在堆叠方向上，如图8所示的纵向)的正投影重合。即至少一层导热环20的导热部分21、绝热部分22分别与下层的导热部分21、绝热部分22正对，两层导热部分21相互重叠。优选导热部分21正投影重合的两层制冷单元的绝热部分22相互贴合，而导热部分21之间形成可供热量通过的缝隙。

由于本实施例的电卡制冷装置的每两层相邻的制冷单元的电卡材料层11之间、导热环20之间均形成有可供热量通过的缝隙，因此，进一步地在一定程度上提高了热量散发效率。

实施例6

如图9所示，本实施例的电卡制冷装置也以实施例4中的电卡材料层11与导热环20为基础，至少一层制冷单元的导热部分21与相邻层的制冷单元的绝热部分22的正投影重合，即至少一层导热环20的导热部分21、绝热部分22分别与下层的绝热部分22、导热部分21正对，二者的导热部分21呈错开状态。

电卡制冷装置中，导热部分21相互错开的两层制冷单元的电卡材料层11的通断电状态相反，导热环20的转速一致，使得这两层的升温/降温过程一致，也可以起到提升制冷效率的作用。这两层制冷单元的导热环20之间形成可供热量通过的缝隙，且这两层制冷单元的两个导热环20之间夹设有一层绝热片30，可以防止纵向上相对的导热环20与绝热片30之间传递热量造成热损失。而其他层制冷装置的绝热部分22、导热部分21可以互相保持重合。

综上所述，本发明的电卡制冷装置结构简单、易于实现，通过控制导热环相对于内部的电卡材料层转动，并相应地周期性地改变电卡材料层的通、断电状态即可使得装置持续降温，使得装置能够最大限度、最大效率地提高制冷效果。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种电卡制冷装置，其特征在于，包括圆片形的电卡材料层(11)、分别连接所述电卡材料层(11)上下表面的两个电极(12)、设于所述电卡材料层(11)外围并相对于所述电卡材料层(11)转动的导热环(20)，所述导热环(20)包括至少两个导热部分(21)与至少两个绝热部分(22)，由在环向上交替设置的导热部分(21)和绝热部分(22)首尾衔接而成，通过两个所述电极(12)可控制所述电卡材料层(11)周期性地通电和断电；在所述电卡材料层(11)升温过程中，至少一个所述绝热部分(22)阻挡制冷入口以隔绝热量，在所述电卡材料层(11)降温过程中，至少一个所述导热部分(21)阻挡制冷入口以传递热量，所述制冷入口的数量与所述导热部分(21)的数量、所述绝热部分(22)的数量均一致。

2.根据权利要求1所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述导热环(20)与所述电卡材料层(11)接触设置。

3.根据权利要求1所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述导热部分(21)为铜、铝、石墨烯、BN、石墨、碳纤维和C/C复合材料中的至少一种。

4.根据权利要求1-3任一所述的电卡制冷装置，其特征在于，每个所述电卡材料层(11)与一个所述导热环(20)组成一个制冷单元，电卡制冷装置包括复数层上下层叠设置的所述制冷单元。

5.根据权利要求4所述的电卡制冷装置，其特征在于，至少一层制冷单元的所述导热部分(21)与相邻层的制冷单元的所述导热部分(21)的正投影重合。

6.根据权利要求4所述的电卡制冷装置，其特征在于，至少一层制冷单元的所述导热部分(21)与相邻层的制冷单元的所述绝热部分(22)的正投影重合。

7.根据权利要求6所述的电卡制冷装置，其特征在于，还包括用于隔热的绝热片(30)，所述绝热部分(22)与相邻层的导热部分(21)正投影重合的两个导热环(20)之间夹设有一层所述绝热片(30)。

8.根据权利要求4所述的电卡制冷装置，其特征在于，所述绝热部分(22)的厚度大于所述电卡材料层(11)与两个所述电极(12)的厚度之和，所述导热部分(21)的厚度不大于所述绝热部分(22)，且不小于所述电卡材料层(11)与两个所述电极(12)的厚度之和。

9.一种采用权利要求1-8任一所述的电卡制冷装置的制冷方法，其特征在于，包括：

通过两个电极(12)对电卡材料层(11)周期性地施加电压和撤去电压，并控制所述导热环(20)相对于所述电卡材料层(11)转动；

在电卡材料层(11)升温过程中，至少一个绝热部分(22)阻挡制冷入口以隔绝热量；

在电卡材料层(11)降温过程中，至少一个导热部分(21)转动至阻挡制冷入口以传递热量。