CN112460833B - 一种轻小型电卡制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻小型电卡制冷装置，属于制冷设备技术领域，包括电磁驱动部分和制冷核心单元两部分。将线圈接入直流电源产生磁场，依靠软磁铁氧体磁导率高、充磁快退磁迅速的优点构成磁回路，在软磁铁氧体板的下方产生稳定的磁场，软磁铁氧体薄层在磁场中产生磁力矩，并与软磁铁氧体板紧密贴合；可以通过外部电源控制实现磁场力矩的有无，进而实现往复运动。制冷核心单元部分由电卡材料单元和软磁铁氧体薄层用导热胶粘连在一起，形成一个导热良好的整体，电卡材料单元是一封装完整的结构。该装置以电卡材料作为制冷核心，在交变电场下实现冷热变化，在电磁力驱动下，可实现电卡材料单元的往复运动和热传导，进而实现单方向的快速制冷功能。

Description

一种轻小型电卡制冷装置

技术领域

本发明属于制冷设备技术领域，尤其涉及一种轻小型电卡制冷装置。

背景技术

随着经济的发展，制冷系统被越来越多地应用在各种各样的场合，以提高人们的工作、生活舒适度或给一些专用设备提供合适的工作环境。

随着制冷技术的发展，制冷装置及设备已经逐渐成熟。但是，在目前的制冷领域内，主要是利用氟利昂类具有良好热力学性能的制冷剂通过机械压缩-蒸发循环实现制冷。这类制冷技术效率较低且设备体积大、质量笨重，无法满足现在人们对制冷的需求，如：芯片制冷、电脑手机等电子产品的降温等等。且研究表明，这类制冷剂进入大气中，会消耗大气中的臭氧，严重危害生态环境。因此，寻找结构轻小、绿色无污染的制冷技术显得尤为重要。

电卡效应是指电场作用于某类可自发极化的电介质材料时，会诱导电介质的极化程度发生变化，使材料表现出可逆的等温熵变，进而引起温度变化。能够产生电卡效应的一类材料称为电卡材料。当电场作用于电卡材料时，会使电卡材料变得极化有序，同时材料的熵减小，释放能量，因此温度升高。反之亦然，当电场从电卡材料上撤去时，材料会恢复混乱无序的极化状态，熵值增大，吸收能量，同时使温度降低。

随着PVDF基电卡材料的巨电卡效应(温度变化大约12K)的发现，电卡效应逐渐引人注目。由于电卡材料这种特性，使其在制冷领域具有巨大的潜力，比如在芯片、便携电子设备、人体穿戴设备、航空航天、国防军工等制冷领域都具有巨大的应用前景。

但是，当前还未有能够实际应用的关于电卡制冷装置的相关报道。

发明内容

为了克服现有制冷设备体积庞大、质量笨重、污染环境的短板，以提升在电子设备、穿戴设备、航空航天等领域的应用潜力，本发明提供了一种轻小型电卡制冷装置，可实现结构轻小、绿色无污染的新型制冷功能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种轻小型电卡制冷装置，包括电磁驱动单元和制冷核心单元；

所述电磁驱动单元包括外部制冷框架，以及由电磁驱动单元包括线圈、半环形软磁铁氧体和软磁铁氧体平板构成的电磁驱动回路；所述外部制冷框架包括导热板和设置在导热板两端的支架，软磁铁氧体平板搭放于支架上端，半环形软磁铁氧体置于软磁铁氧体平板上，线圈绕半环形软磁铁氧体设置；

所述制冷核心单元是由电卡材料单元和软磁铁氧体薄层粘结而成的整体结构，制冷核心单元置于软磁铁氧体平板、支架和导热板形成的空腔内，且其两端均与支架相连。

优选地，所述电卡材料单元为封装结构，由内到外依次为电卡材料、电极层和绝缘封装层，电极层能够与外部电源连接。

进一步优选地，绝缘封装层由聚酰亚胺、聚乙烯或聚氯乙烯制成，电极层由银、铜或金制成，电极层通过导线与外部电源连接。

优选地，所述电卡材料单元通过导热胶粘连于软磁铁氧体薄层下方形成一个导热良好的整体，且电卡材料单元与导热板紧密贴合；当存在电磁驱动时，软磁铁氧体薄层与软磁铁氧体平板紧密贴合。

优选地，半环形软磁铁氧体、软磁铁氧体平板和软磁铁氧体薄层均由软磁材料锰锌铁氧体制成；在线圈通电的情况下，半环形软磁铁氧体和软磁铁氧体平板形成一封闭的磁路。

优选地，制冷核心单元的两端通过弹性线体与支架连接，且弹性线体为4条，每侧两条，将制冷核心单元与支架连接。

优选地，电卡材料采用P(VDF-TrFE-CFE)基的电卡复合材料。

优选地，导热板采用能够隔磁的硬质材料；所述支架采用树脂制成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的轻小型制冷装置包括电磁驱动部分和制冷核心单元两部分。电磁驱动部分：将线圈接入直流电源产生磁场，依靠软磁铁氧体磁导率高、充磁快退磁迅速的优点构成磁回路，在软磁铁氧体板的下方产生稳定的磁场，软磁铁氧体薄层在磁场中产生磁力矩，并与软磁铁氧体板紧密贴合；可以通过外部电源控制实现磁场力矩的有无，进而实现往复运动。制冷核心单元部分由电卡材料单元和软磁铁氧体薄层形成一个导热良好的整体，通过电压的通断实现熵值变化，进而实现温度变化。该装置以电卡材料作为制冷核心，在交变电场下实现冷热变化，在电磁力驱动下，可实现电卡材料单元的往复运动和热传导，进而实现单方向的快速制冷功能。

进一步地，电卡材料单元是一封装完整的结构，包括电卡材料、电极层以及紧密包覆在外部表面的绝缘封装层，电极层接有导线可与外部电源连接。

附图说明

图1是本发明装置结构的示意图；

图2是本发明装置中制冷核心单元结构示意图；

图3是本发明施加于制冷单元的磁场、电场与时间的关系示意图；

其中：1：线圈；2：半环形软磁铁氧体；3：软磁铁氧体平板；4：支架；5：导热板；6：电卡材料单元；7：软磁铁氧体薄层；8：弹性线体；9：绝缘封装层；10：电卡材料；11：电极层。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明提出一种轻小型电卡制冷装置，该装置电磁驱动(如图1所示)部分和制冷核心单元(如图2所示)两部分。

该装置包括线圈1、半环形软磁铁氧体2和软磁铁氧体平板3所构成的电磁驱动回路；软磁铁氧体平板3、导热板5和两个对称的支架4所构成的外部制冷框架；还包括电卡材料单元6和软磁铁氧体薄层7所构成的制冷核心，该制冷核心用弹性线体8将其连接于两侧的支架4；

电卡材料单元6是一封装完整的结构，包括绝缘封装层9、电卡材料10和电极层11，电极层11接有导线可与外部电源连接。电卡材料单元6和软磁铁氧体薄层7用导热胶粘连在一起，成为一个整体；弹性线体8的一端与电卡材料单元6和软磁铁氧体薄层7连接，另一端与支架4连接。电卡材料单元6与导热板5紧密贴合，在电磁驱动下，制冷核心的软磁铁氧体薄层7可与软磁铁氧体平板3紧密贴合。

本发明的整体装置的宽度尺寸可以变化，一般可以为20mm以内，理论上可以将装置尺寸缩减至更小。

所述半环形软磁铁氧体2、软磁铁氧体平板3和软磁铁氧体薄层7均是由软磁材料锰锌铁氧体制成；在线圈1通电的情况下，半环形软磁铁氧体2和软磁铁氧体平板3形成一封闭的磁路。

所述电卡材料单元6是一封装完整的结构，包括电卡材料10、电极层11以及紧密包覆在外部表面的绝缘封装层9，绝缘封装层9可以是聚酰亚胺PI、聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC等绝缘薄膜材料，电极层11接有导线可与外部电源连接。

进一步地，电卡材料单元6和软磁铁氧体薄层7用导热胶粘连在一起，形成一个导热良好的整体；

制冷核心单元的两端通过弹性线体8与支架4连接，所述弹性线体8为4条弹性优良线状体，两侧对称分布，将制冷核心单元整体和支架4连接在一起。

进一步地，电卡材料10是P(VDF-TrFE-CFE)聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯基的电卡复合材料，如P(VDF-TrFE-CFE)与BaTiO3复合、P(VDF-TrFE-CFE)与BaSiTiO₃复合等，也可以是P(VDF-TrFE-CFE)单体。

进一步地，电极层11是银、铜、或者是金；导热板5是银、铜、或是其他导热良好且隔磁的硬质材料。

本发明的轻小型电卡制冷装置，具体工作过程为：

首先将线圈1与直流电源接通，产生磁场，磁场通过磁路在软磁铁氧体平板3的下方产生稳定的磁场，制冷核心单元的软磁铁氧体薄层7受到一磁场力矩，瞬间被吸附到软磁铁氧体平板3上，与之紧密贴合；然后，将电极层11接通电源，给电卡材料10两侧施加电场，电卡材料10在电场作用下极化方向由无序变得有序，熵值减小，释放热量，热量通过软磁铁氧体薄层7传导至软磁铁氧体平板11，一段时间后温度维持平衡；接着，将线圈1的电源断开，磁场消失，制冷核心单元受到乳胶的拉力回复到导热板一侧，并与之贴合；随后，将电极层11与电源断开，电场消失，电卡材料10由有序重新变得无序，熵值增大，吸收热量，热量由导热板5传至制冷核心单元，导热板5的温度降低。如此重复操作，可以将图示下侧的热量转移到上侧，实现了装置的单侧制冷。

参见图3，为磁场和电场驱动时序图，从图3中可以看出，本发明的电卡制冷装置电磁驱动，灵敏便捷，功耗低，说明电卡材料在电场作用下实现吸热和放热，能耗低。

整体装置的宽度尺寸可以变化，一般可以为20mm以内，理论上可以将装置尺寸缩减至更小，与现有的制冷装置设备技术相比，具有如下优点：质量轻、体积小、绿色无污染等特点。该热控装置突破了材料复合-热传递-电气耦合一体化技术，是一种全新的制冷原理。该轻小型制冷装置的结构简单，可批量制备；另外，由于电卡制冷的这种特性，使其在制冷领域具有巨大的潜力，比如在芯片、便携电子设备、人体穿戴设备、航空航天、国防军工等制冷领域都具有巨大的应用前景。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轻小型电卡制冷装置，其特征在于，包括电磁驱动单元和制冷核心单元；

所述电磁驱动单元包括外部制冷框架，以及由电磁驱动单元包括线圈（1）、半环形软磁铁氧体（2）和软磁铁氧体平板（3）构成的电磁驱动回路；所述外部制冷框架包括导热板（5）和设置在导热板（5）两端的支架（4），软磁铁氧体平板（3）搭放于支架（4）上端，半环形软磁铁氧体（2）置于软磁铁氧体平板（3）上，线圈（1）绕半环形软磁铁氧体（2）设置；

所述制冷核心单元是由电卡材料单元（6）和软磁铁氧体薄层（7）粘结而成的整体结构，制冷核心单元置于软磁铁氧体平板（3）、支架（4）和导热板（5）形成的空腔内，且其两端均与支架（4）相连；

所述电卡材料单元（6）通过导热胶粘连于软磁铁氧体薄层（7）下方形成导热体，且电卡材料单元（6）与导热板（5）紧密贴合；当存在电磁驱动时，软磁铁氧体薄层（7）与软磁铁氧体平板（3）紧密贴合；

所述半环形软磁铁氧体（2）、软磁铁氧体平板（3）和软磁铁氧体薄层（7）均由软磁材料锰锌铁氧体制成；在线圈（1）通电的情况下，半环形软磁铁氧体（2）和软磁铁氧体平板（3）形成一封闭的磁路。

2.根据权利要求1所述的轻小型电卡制冷装置，其特征在于，所述电卡材料单元（6）为封装结构，由内到外依次为电卡材料（10）、电极层（11）和绝缘封装层（9），电极层（11）能够与外部电源连接。

3.根据权利要求2所述的轻小型电卡制冷装置，其特征在于，绝缘封装层（9）由聚酰亚胺、聚乙烯或聚氯乙烯制成，电极层（11）由银、铜或金制成，电极层（11）通过导线与外部电源连接。

4.根据权利要求2所述的轻小型电卡制冷装置，其特征在于，电卡材料（10）采用P(VDF-TrFE-CFE)基的电卡复合材料。

5.根据权利要求1所述的轻小型电卡制冷装置，其特征在于，制冷核心单元的两端通过弹性线体（8）与支架（4）连接。

6.根据权利要求5所述的轻小型电卡制冷装置，其特征在于，所述弹性线体（8）为4条，每侧两条，将制冷核心单元与支架（4）连接。

7.根据权利要求1~6中任意一项所述的轻小型电卡制冷装置，其特征在于，导热板（5）采用能够隔磁的硬质材料；所述支架（4）采用树脂制成。

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