CN112100864A - 一种外加场分子流势能差制冷模型及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外加场分子流势能差制冷模型及方法，本制冷模型采用了两块极板（1），在两块极板（1）之间填充低自由度气体，并在两块极板（1）上附加势能场，利用分子流状态下气体分子（2）之间碰撞概率低的原理，使两块极板（1）之间可以形成高能效比的热传递，从而形成高效的单向传递能量的目的，即实现两块极板（1）实现高效的制冷或者制热。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术领域，特别是一种外加场分子流势能差制冷模型及方法。
背景技术
目前制冷技术通常采用压缩机、冷凝器和风机组合形成的制冷设备进行制冷，例如空调和冰箱。但是目前的制冷设备的能效比极低，并且受外界环境温度影响大，因此制冷设备的能耗受环境温度的制约。并且制冷设置泄漏的制冷剂氟利昂对全球变暖和臭氧层都会造成不小的影响，对环境危害大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能效比高、受环境温度影响小并且对环境无污染的制冷模型及制冷方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种外加场分子流势能差制冷模型，包括两块极板，所述两块极板平行设置，所述两块极板之间存在间隙，间隙的距离不大于分子平均自由行程，所述两块极板之间充入低自由度气体，所述气体密度低至气体分子不会发生碰撞或极少发生碰撞，分子平均自由行程指多个分子在热运动中发生相互碰撞的平均移动距离，使两块极板间距小于这个距离，能够使气体分子在热运动中基本不会发生碰撞，气体形成自由分子流领域的状态，当气体密度变得十分低使得分子的平均自由程与流动的特征尺度相比不为小量时，气体的间断分子效应就变得显著，通常的气体动力学方法不再适用。钱学森将稀薄气体流动分为三大领域，即滑流领域，过渡领域和自由分子流领域。在自由分子流领域，由于分子之间碰撞可能性很小，气体更多的以独立粒子的特性存在，因此在这种状态下，分子间基本不会发生碰撞，分子间不会发生碰撞，即不会发生热量转移，但是分子的热运动不可能停止，因此在分子热运动过程中，与两块极板的碰撞即可造成两块极板之间的热量转移，所述两块极板上设置有外加力场，所述外加力场的方向与两块极板不平行，外加力场使两块极板分别位于高势能和低势能两个位置，分子在运动过程中，若向高势能位置移动，则速度降低转化为势能，分子的速度等于热量，因此分子在高势能位置时温度低，与高势能位置的极板发生碰撞时吸收高势能位置处的极板的能量，分子在向低势能位置移动时，势能降低转化为速度，即转化为热能，因此在分子与低势能极板碰撞时，分子热能高并将热能传递给极板，从而形成了能量的转移。此时控制高势能处极板的温度，则可以使低势能处极板发热，若控制低势能处极板的温度，则可以使高势能处极板制冷。
所述气体为低自由度气体。气体分子稳定，除了与极板发生热量转移外不容易发生其它状态的变化。
所述外加力场为外加电场。
所述外加力场的方向与两块极板相垂直。
一种外加场分子流势能差制冷方法，通过上述制冷模型实施，包括以下步骤：
S1、设置两块相互平行的极板，并将极板的距离调整至小于气体分子平均自由程；
S2、排除两块极板之间的空气，使两块极板之间处于真空状态；
S3、向极板之间充入低自由度气体，并且使填充气体处于分子流领域的状态；
S4、开启作用于两块极板上的电场，电场方向与两块极板不平行，使两块极板分别位于高势能和低势能两个位置；
S5、使位于低势能位置的极板温度恒定；
S6、使位于高势能位置的极板处于隔热空间，因为低势能位置的极板温度不变，因此能够始终吸收分子的热量，即持续吸收高势能位置的极板上的热量，即可完成对高势能位置处极板的降温。
本发明具有以下优点：
1、具有极高的能效比。
2、工作范围广：能在任意环境温度下工作，高于内部分子流气体的液化温度即可。
3、内部工作气体可为惰性气体，环境友好、无污染。
4、在太空等固有真空环境具有非常明显的优势。
5、类似于涡流管，单级即可获得极低温度。
6、调节势能差，能调节能量的传递速度及两侧温差的最大值。
附图说明
图1 为本发明的模型示意图；
图2 为分子向高势能极板运动示意图；
图3 为分子与高势能极板碰撞示意图；
图4 为分子向低势能极板运动示意图；
图5 为分子与低势能极板碰撞示意图；
图中：1-极板，2-分子，3-电场。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种外加场分子流势能差制冷模型，该模型包括两块极板1，两块极板1之间存在缝隙，并在缝隙中填充有低自由度气体。其中气体的密度很低，低至气体处于分子流状态。分子流状态指当气体密度变得十分低使得分子2的平均自由程与流动的特征尺度相比不为小量时，气体的间断分子2效应就变得显著，通常的气体动力学方法不再适用。钱学森将稀薄气体流动分为三大领域，即滑流领域，过渡领域和自由分子流领域。在自由分子流领域，由于分子2之间碰撞可能性很小，气体更多的以独立粒子的特性存在。
自由度是一个物理概念，指的是确定一个物体位置所需要的独立坐标数目。低自由度气体可以采用惰性气体，例如氩气；还可以采用一些其它气体，例如二氧化碳气体和氨气。
因此在两块极板1上附加电场3，图1中的电场3的方向向下，使两块极板1之间存在势能差，位于上方的极板1处于高势能位置，位于低处的极板1处于低势能位置，通过电场3的大小能够使势能差更为明显，使分子2的速度和势能的转换量更大。由于分子2的热运动不可能停止，因此分子2在发生热运动时，会与两块极板1发生碰撞，又由于气体密度低至分子流状态，因此分子2之间基本不会发生碰撞，即分子2之间不会热量转移达到热平衡。
所以，如图2至图5所示，分别为分子2移动至高势能极板1处吸收热能，再将热能转移至低势能极板1的过程。在分子2向高势能位置的极板1运动时，速度降低势能增高，分子2的速度即是分子2的热能，因此分子2在与高势能位置的极板1碰撞时，会吸收该极板1的热能，当分子2向低势能位置的极板1运动时，分子2势能降低速度增加，即分子2的热能增加，在分子2与低势能位置的极板1碰撞时，分子2上的热量会转移至该极板1上，从而完成热量的转移。
使低势能极板1处于一个恒定的温度下，高势能位置的极板1则会出现制冷的状态；若使高势能位置的极板1处于恒定的温度下，则低势能位置的极板1会出现发热的状态。通过本发明的技术方案，可以根据需要实现制冷或者制热。并且制冷和制热的能效比可以超过70%~80%。能效比很高，并且采用惰性气体不会对环境造成任何污染。虽然在设备加工方面较为困难，但是在制冷和制热的效果上，以及环保的效果上，均取得了显著的进步。
Claims (6)
1.一种外加场分子流势能差制冷模型，其特征在于：包括两块极板（1），所述两块极板（1）之间存在间隙，间隙的距离不大于分子（2）平均自由行程，所述两块极板（1）之间充入气体，气体处于自由分子流领域的状态，在该状态下气体的分子（2）理论上不会发生碰撞，所述两块极板（1）上设置有外加力场，所述外加力场的方向与两块极板（1）不平行。
2.根据权利要求1所述的一种外加场分子流势能差制冷模型，其特征在于：所述气体为低自由度气体。
3.根据权利要求1所述的一种外加场分子流势能差制冷模型，其特征在于：所述外加力场为外加电场（3）。
4.根据权利要求1所述的一种外加场分子流势能差制冷模型，其特征在于：所述外加力场的方向与两块极板（1）不平行。
5.根据权利要求1所述的一种外加场分子流势能差制冷模型，其特征在于：所述两块极板（1）相互平行。
6.一种外加场分子流势能差制冷方法，通过权力要求1-5任意一项所述的一种外加场分子流势能差制冷模型实施，其特征在于：包括以下步骤：
S1、设置两块相互平行的极板（1），并将极板（1）的距离调整至小于气体分子平均自由行程；
S2、排除两块极板之间的空气，使两块极板之间处于真空状态；
S3、向极板之间充入低自由度气体，并且使内部填充气体处于分子流领域的状态；
S4、开启作用于两块极板（1）上的电场（3），电场（3）方向与两块极板（1）相垂直，使两块极板（1）分别位于高势能和低势能两个位置；
S5、使位于低势能位置的极板（1）温度恒定；
S6、使位于高势能位置的极板（1）处于隔热空间，即可完成对高势能位置处极板（1）的降温。
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