CN114719463B - 一种螺旋固态电卡制冷器及制冷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋固态电卡制冷器及制冷方法，其中制冷器包括电卡螺旋结构、旋转控制器、绝热隔膜、液体腔；电卡螺旋结构包括电介质和布设于电介质中的第一螺旋电极、第二螺旋电极，第一螺旋电极和第二螺旋电极将电介质分割成螺旋层结构；液体腔环设于螺旋结构外且固定连接，腔内储存有传热介质；绝热隔膜至少覆盖液体腔外侧一半圆周对应的面积，液体腔外侧未覆盖区域作为换热面；旋转控制器与螺旋结构的中心相连接，用于驱使螺旋结构转动；激励电压触点、接地触点分别位于第一螺旋电极、第二螺旋电极的端点处。通过螺旋电极将电介质分割成螺旋层结构，提高了电介质的利用率，从而使得螺旋固态电卡制冷器具有更优异的制冷性能。
Description
技术领域
本发明涉及固态制冷技术领域，尤其涉及一种螺旋固态电卡制冷器及制冷方法。
背景技术
人们的生产、生活离不开制冷。如食物的冷藏、适宜的居住温度以及电子元器件的正常运作都需要制冷设备。传统制冷设备采用蒸汽压缩制冷方法，其工作时存在机械振动、释放有害气体损害臭氧层，且无法实现小型化，不能满足微型化发展的电子元器件的制冷需求，因此发展一种新的制冷方法刻不容缓。
电卡效应(Electrocaloric effect)是电介质材料所受外电场变化时，其内部偶极子有序度发生改变，从而使材料发生温度变化的现象。在施加电场时，偶极子有序度增加，材料的偶极子熵减小，温度升高，可以向外部环境散出热量；在撤去电场时，偶极子有序度降低，材料的偶极子熵增加，温度降低，可以从外部环境吸收热量。因此，电卡效应可以用于制冷。电卡制冷技术是基于电卡效应的一种新型固态制冷技术，其工作中无需压缩机，具有设备体积小、工作可靠性高、易微型化、环保等优点，从而备受关注。
目前，电卡固态制冷技术所使用的制冷器通常采用平行多层电容结构，该结构由相互交叉的平行电极和电介质材料薄层组成，外部含两个终端电极，用于施加电压。为了避免施加电压时短路，平行多层电容结构的交叉平行电极分为两组，分别与两个终端电极连接，因而每层电介质中都存在部分电介质不能受到电场，由于这部分电介质对电卡制冷毫无贡献，造成了电介质材料浪费，从而导致器件的制冷性能降低。
发明内容
本发明提供了一种螺旋固态电卡制冷器及制冷方法，以解决现有技术中的电卡制冷器中电介质利用率不高，造成电介质材料浪费的问题，进而提升器件的制冷性能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
第一方面，提供了一种螺旋固态电卡制冷器，包括电卡螺旋结构、旋转控制器、绝热隔膜、液体腔；
所述电卡螺旋结构包括电介质和布设于所述电介质中的第一螺旋电极、第二螺旋电极，所述第一螺旋电极、第二螺旋电极将所述电介质分割成螺旋层结构；
所述液体腔环设于所述电介质外且固定连接，腔内储存有传热介质；所述绝热隔膜至少覆盖所述液体腔外侧一半圆周对应的面积，所述液体腔外侧未覆盖区域作为换热面；
所述旋转控制器与所述电卡螺旋结构的中心连接，用于驱使所述电卡螺旋结构转动。
进一步地，还包括绝热外壳，所述绝热外壳包括两块对称设置且一端贴合液体腔外侧的隔热板，两块隔热板的间距根据换热面的区域大小确定，使用时，隔热板正对待散热负载，换热面正对待散热负载时，两个隔热板紧贴换热面区域的两个边界，用于隔绝制冷器与外部环境。
进一步地，所述第一螺旋电极、第二螺旋电极的表面分别设置激励电压触点、接地触点。
进一步地，所述换热面对应的圆心角范围为45°～180°。优选地，所述换热面对应的圆心角为90°。
进一步地，所述液体腔为圆环形腔体结构。
进一步地，所述传热介质为硅油。
进一步地，所述旋转控制器包括控制器及与所述控制器电连接的电机，所述电机的输出轴与所述电卡螺旋结构的中心固定连接。
第二方面，提供了一种制冷方法，利用上述的螺旋固态电卡制冷器实现，包括以下步骤：
S1：旋转控制器工作，使换热面朝向远离待散热负载的一侧；
S2：向第一螺旋电极施加直流激励电压，从而对电介质施加电场，电介质温度升高；
S3：持续向第一螺旋电极施加直流激励电压，直至电介质温度降低至环境温度；
S4：旋转控制器工作，使换热面朝向待散热负载，此时停止向第一螺旋电极施加直流激励电压，电介质温度降低；
S5：电介质吸收待散热负载传递的热量，经过预设时长后，返回步骤S1，进行循环制冷。
有益效果
本发明提出了一种螺旋固态电卡制冷器及制冷方法，相对于传统压缩制冷器，该制冷器具有体积小、噪声低、能满足微型器件的制冷需求。与平行多层电容结构固态制冷器相比，该制冷器通过螺旋电极将电介质分割成螺旋层结构，有效避免了现有平行多层电容结构中每层电介质中都存在部分电介质不能受到电场作用的问题，有效提高了电介质的利用率，进而提升了器件的制冷性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器的三维视图；
图2是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器的俯视图；
图3是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器的侧视图；
图4是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器的工作流程图；
图5是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器(a)散热、(b)制冷两种工作状态的示意图；
图6是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器受到的激励电压及对应的激励电场随时间变化的曲线图；
图7是本发明实施例提供的以PbSc0.5Ti0.5O3电介质为例，螺旋固态电卡制冷器和平行多层电容结构制冷器外表面温度随时间的变化曲线；
图8是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器和平行多层电容结构制冷器单位体积制冷量对比的柱状图；
图9是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器和平行多层电容结构制冷器边界热通量对比的柱状图；
图10是本发明实施例提供的螺旋固态电卡制冷器和平行多层电容结构制冷器制冷效率对比的柱状图。
图中：1、电介质，2、第一螺旋电极，3、第二螺旋电极，4、激励电压触点，5、旋转控制器，6、接地触点，7、传热介质，8、隔热板，9、换热面，10、绝热隔膜，11、液体腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“纵向”、“横向”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或顺序。
如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种螺旋固态电卡制冷器，包括电卡螺旋结构、旋转控制器5、绝热隔膜10、液体腔11、激励电压触点4、接地触点6和绝热外壳；
所述电卡螺旋结构包括电介质1和布设于所述电介质中的第一螺旋电极2、第二螺旋电极3，所述第一螺旋电极2、第二螺旋电极3将所述电介质1分割成螺旋层结构；
所述液体腔11环设于所述电介质1外且固定连接，腔内储存有传热介质7；所述绝热隔膜10至少覆盖所述液体腔11外侧一半圆周对应的面积，所述液体腔11外侧未覆盖区域作为换热面9；
所述旋转控制器5与所述电卡螺旋结构的中心连接，用于驱使所述电卡螺旋结构转动；
所述绝热外壳包括两块对称设置且一端贴合液体腔外侧的隔热板8，两块隔热板8的间距根据换热面9的区域大小确定，使用时，隔热板8正对待散热负载，换热面9正对待散热负载时，两个隔热板8紧贴换热面9区域的两个边界，用于隔绝制冷器与外部环境。
工作时，接地触点6连接第二螺旋电极3，以提供零电势；通过激励电压触点4连接第一螺旋电极2，通入直流电，以提供高电势。向第一螺旋电极2施加的电压为梯形电压，导致电介质受到梯形电场影响，产生电卡效应，进而改变电介质1材料的温度，使电介质材料的温度升高。第一螺旋电极2持续通直流电的过程中，产生的热量会经过两个螺旋电极、电介质1传递到液体腔11，然后经过换热面9散发热量，直至电介质温度降至环境温度。然后通过旋转控制器5控制制冷器转向，使其换热面9正对待散热负载，此时停止向第一螺旋电极2通电，电介质1温度进一步降低，与待散热负载存在温度梯度，且电介质1温度低于待散热负载温度，如此，热量由待散热负载传输至螺旋固态电卡制冷器，从而实现对待散热负载的制冷。
本实施例中，所述旋转控制器5包括控制器及与所述控制器电连接的电机，所述电机的输出轴与所述电卡螺旋结构的中心固定连接。控制器控制电机转动，螺旋固态电卡制冷器每次进行散热和制冷两个状态的转换时，控制器可控制电机转动180°，可通过一个方向旋转，也可选择正转和反转交替实现。
本实施例中，所述液体腔11为圆环形腔体结构，其内储存的传热介质7优选硅油。实施过程中，曲面状的换热面9对应的圆心角范围为45°～180°，换热面9的大小根据实际需要可进行选择。如图1所示，一实施例中，所述换热面9对应的圆心角为90°，即将液体腔的的外侧表面划分为四个相等面积的曲面，将其中三个曲面贴上绝热隔膜，称为绝热面，以防止热量从这三个曲面交换；另外一个不贴绝热隔膜的曲面即为换热面9，用于与外部环境和待散热负载交换热量。
基于上述实施例提供的螺旋固态电卡制冷器，本发明实施例还提供了一种制冷方法，如图4所示，包括以下步骤：
S1：旋转控制器工作，使换热面朝向远离待散热负载的一侧；初始时，电介质温度等于外部环境温度；
S2：向第一螺旋电极施加直流激励电压，从而对电介质施加电场，电介质温度升高；
S3：持续向第一螺旋电极施加直流激励电压，电介质产生的热量由两个螺旋电极及电介质传输至液体腔内部的硅油，然后再经换热面排至外部环境中，最终直至电介质温度降低至环境温度；
S4：旋转控制器工作，使换热面朝向待散热负载，停止向第一螺旋电极施加直流激励电压，电介质温度降低；
S5：由于电介质与待散热负载之间存在温度梯度，且电介质温度低于待散热负载温度，电介质吸收待散热负载传递的热量，实现待散热负载的制冷，经过预设时长后，返回步骤S1，进行循环制冷。
为了比较螺旋结构和平行多层结构的性能优劣，将两者的电介质材料种类、厚度、电极厚度、介质体积、施加电压等条件设置成完全一致，仅仅改变其几何构型，并且考虑两种几何结构与外部环境的热对流作用，通过有限元方法模拟了在电卡制冷过程中两种结构的固态制冷器的温度变化，并计算了单位制冷容量、边界热通量和制冷效率。下面先介绍模拟计算中用到的一些控制方程。
电介质材料在受到外电场改变时，其单位体积内的瞬态制冷热量Q为：
其中，
是电介质材料的热释电系数，T是器件的工作温度，dE/dt是电介质材料所受到的电场随时间的变化率，P是材料的极化强度，t是时间。
制冷器制冷过程温度满足热传导方程：
其中，ρ是各个域(电介质和电极材料)的密度，cp是各个域(电介质和电极材料)的定压比热容，k是导热系数。
制冷器换热面与外部环境发生热交换时满足对流换热方程：
-n·q＝hConvLoss(Text-T) (3)
其中，hConvloss是对流换热系数，Text是外部环境温度，T是制冷器的瞬时温度，n表示换热面的法向量，q表示换热面的热流密度。
基于以上方程，通过COMSOL Multiphysics有限元软件中的固体传热模块和静电模块，分别对平行多层电容结构制冷器和螺旋固态电卡制冷器工作时的温度变化进行了有限元模拟，比较两者的温度变化和冷却效率COP，其中冷却效率可表示为：
其中，Qcold表示制冷器的单位体积制冷量，W表示制冷期间所消耗的电能，Vmax是电介质材料的总体积，T0表示制冷器的初始温度，T是制冷器的瞬时温度，CEC表示电介质的定压比热容，ρEC表示电介质的密度，P是电介质材料的极化强度，Emax是对制冷器施加的最大电场强度。
本对比模拟试验中，螺旋固态电卡制冷器中，每层电介质厚度为37.9μm，第一螺旋电极和第二螺旋电极的厚度均为2μm，液体腔的半径和高分别为2mm和5.5mm，液体腔内注满硅油；电介质材料以PbSc0.5Ti0.5O3为例。平行多层电容结构制冷器的电介质材料种类、厚度、电极厚度、介质体积、施加电压等条件与螺旋固态电卡制冷器设置成完全一致，仅仅改变其几何构型。
螺旋固态电卡制冷器制冷实验过程如下：
步骤一：设置制冷器初始温度与环境初始温度相等，设置为315K。
步骤二：在0-0.05s时段内对激励电压触点4施加直流电压，在0.05s时达到598.82V的最大电压，第一螺旋电极2产生高电势，PbSc0.5Ti0.5O3电介质材料1受到图6所示的电场影响，产生电热效应，并产生约4.6K的温度增加值。
步骤三：如图5(a)的工作状态1所示，在0.05-55s时段内，使换热面9正对散热方向，维持对激励电压触点4施加的电压不变，热量由PbSc0.5Ti0.5O3电介质材料1传输至硅油7中，最后排出至散热方向的外部环境中。
步骤四：在55-55.05s时段，通过旋转控制器5的电机旋转，带动制冷器转动180°，使换热面9正对制冷方向。撤去对激励电压触点4施加的直流电压，PbSc0.5Ti0.5O3电介质材料1受到图6所示的电场影响，产生电热效应，并产生约4.6K的温度下降值。
步骤五：如图5(b)的工作状态2所示，在55.05-120s时段，由于待散热负载与电介质材料1存在温度梯度，且电介质1温度低于待散热负载温度，如此热量由负载传输至制冷器，从而实现待散热负载制冷。
将相同条件下的平行多层电容制冷器制冷作为对比例，具体制冷过程不再赘述，将螺旋固态电卡制冷器与平行多层电容制冷器的温度变化进行对比，如图7所示，发现螺旋电卡制冷器与平行多层电容制冷器两者的温度变化分别为4.6K和4K，最大温度变化值提高了15％；如图8和图9所示，计算得到的螺旋电卡制冷器的单位体积制冷容量和边界热通量均大于平行多层电容制冷器；如图10所示，螺旋固态电卡制冷器的制冷效率分别为8.51和6.83，与平行多层电容结构制冷器相比，制冷效率提高了24.6％，可见螺旋电卡制冷器展现出更优异的制冷性能。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，但是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种螺旋固态电卡制冷器，其特征在于，包括电卡螺旋结构、旋转控制器、绝热隔膜、液体腔；
所述电卡螺旋结构包括电介质和布设于所述电介质中的第一螺旋电极、第二螺旋电极，所述第一螺旋电极、第二螺旋电极将所述电介质分割成螺旋层结构；所述第一螺旋电极表面设置激励电压触点，用于通入直流电，且施加的电压为梯形电压；所述第二螺旋电极的表面设置接地触点；
所述液体腔环设于所述电介质外且固定连接，腔内储存有传热介质；所述绝热隔膜至少覆盖所述液体腔外侧一半圆周对应的面积，所述液体腔外侧未覆盖区域作为换热面；
所述旋转控制器与所述电卡螺旋结构的中心相连接，用于驱使所述电卡螺旋结构转动，使所述第一螺旋电极通电时换热面朝向远离待散热负载的一侧，使所述第一螺旋电极停止通电时换热面朝向待散热负载。
2.根据权利要求1所述的螺旋固态电卡制冷器，其特征在于，还包括绝热外壳，所述绝热外壳包括两块对称设置且一端贴合液体腔外侧的隔热板。
3.根据权利要求1所述的螺旋固态电卡制冷器，其特征在于，所述换热面对应的圆心角范围为45°~180°。
4.根据权利要求3所述的螺旋固态电卡制冷器，其特征在于，所述换热面对应的圆心角为90°。
5.根据权利要求1所述的螺旋固态电卡制冷器，其特征在于，所述液体腔为圆环形腔体结构。
6.根据权利要求1所述的螺旋固态电卡制冷器，其特征在于，所述传热介质为硅油。
7.根据权利要求1所述的螺旋固态电卡制冷器，其特征在于，所述旋转控制器包括控制器及与所述控制器电连接的电机，所述电机的输出轴与所述电卡螺旋结构的中心固定连接。
8.一种制冷方法，其特征在于，利用权利要求1~7任一项所述的螺旋固态电卡制冷器实现，包括以下步骤：
S1：旋转控制器工作，使换热面朝向远离待散热负载的一侧；
S2：向第一螺旋电极施加直流激励电压，从而对电介质施加电场，电介质温度升高；
S3：持续向第一螺旋电极施加直流激励电压，直至电介质温度降低至环境温度；
S4：旋转控制器工作，使换热面朝向待散热负载，此时停止向第一螺旋电极施加直流激励电压，电介质温度降低；
S5：电介质吸收待散热负载传递的热量，经过预设时长后，返回步骤S1，进行循环制冷。
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