CN116526000A - 一种自发电条件下热能转换装置的设计方法 - Google Patents

一种自发电条件下热能转换装置的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自发电条件下热能转换装置的设计方法,包括如下步骤:步骤1、利用纳米发电机,对石墨烯电极材料施加外部电场;步骤2、设计材料热能转换层,基于EC效应,实现热源和散热器之间的热能转换;步骤3、设计单电源多开关电路,与材料热能转换层上的石墨烯电极相连,通过改变外部电场的静电力方向,最终实现装置的散热功效。本发明在不用外部电源的条件下,能使锂电池表面温度在较短时间内,在多少时间下降多少度,完全实现了无功耗制冷;使用单电源技术比双电源更易操控,且功耗较小,减少了能源浪费,推动了电子产业的节能减排。

Description

一种自发电条件下热能转换装置的设计方法
技术领域
本发明涉及低碳节能技术领域,尤其是一种自发电条件下热能转换装置的设计方法。
背景技术
在电子芯片向高频化、小型化发展的今天,由于集成度的提高,电子器件的失效问题越来越突出。在电子器件的所有失效现象中,由器件过热引起的失效问题约占55%。传统的基于蒸汽压缩循环的制冷技术很难满足高度集成的微电子设备的制冷要求。蒸汽压缩制冷系统--通常用于建筑物和汽车的空调、食品储存的冰箱和加工厂--依靠机械压缩机驱动制冷剂的相变,这是一个多世纪前开发的技术。尽管对许多应用来说是有效的,但蒸汽压缩系统有其缺点。它们笨重、复杂,而且难以缩小规模以满足现代技术的冷却需求,如移动设备、可穿戴电子产品和柔性电子产品。性能系数(COP),即每消耗一个电能所带走的热量,也很低。
固态制冷技术作为一种替代技术,具有无需液体制冷剂的换热介质、快速冷却、安全环保等特点。现有的固态制冷技术包括热电制冷、磁热制冷、弹性制冷和电热制冷。磁热和弹性热制冷机分别需要很强的磁场和高负载来实现制冷材料的熵变,这限制了它们的小型化。EC制冷技术被认为是一种更有效的替代技术,也可以用来实现紧凑和小型化的器件。EC效应是在绝热条件下,由于外加电场的变化而引起的内部极化状态的改变,从而导致熵和温度的变化。由于材料的绝缘性,冷却过程中产生的电流很小,能耗很低。因此,与其他固态制冷技术相比,EC制冷不仅环保、高效,而且在微电子器件的温度调节方面也具有重要的应用前景。
目前的EC材料,如弛豫铁电陶瓷和聚合物,具有很好的材料特性。锆钛酸铅在226℃时表现出12℃的大绝热温度变化。各种基于聚偏二氟乙烯(PVDF)的铁电聚合物因其较大的等温熵变化、重量轻以及对复杂形状因素和低温加工条件的适应性而备受关注。尽管许多文献报道了高材料水平的性能,但实现基于EC效应的实用固态冷却装置仍然是一个重大挑战。
以前报道的EC冷却装置没有通过实验获得的COP数据。报道的最高比冷却功率为0.018W/g,比基于固有材料特性的理论计算值要小几个数量级。实施EC冷却装置的一个关键挑战来自于EC聚合物材料必须在热源和散热器之间周期性地进行和中断热接触。因此,可以使用电动马达等致动器。这种致动器降低了COP,增加了系统的尺寸和复杂性。替代的EC设计使用泵来移动流体,在热源、散热器和EC聚合物堆之间携带热量。然而,这种方法也增加了复杂性,并增加了质量,以及泵送流体的额外能量损失。
目前利用EC效应进行热转化的研究有很多,但是从制作EC聚合物的材料到控制EC聚合物的电路设计仍旧存在差异,从而造成热转化的效率不同。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种自发电条件下热能转换装置的设计方法,利用更高效的EC制冷技术结合相关电路与有机高分子材料实现对微小器件的温度调节。
为解决上述技术问题,本发明提供一种自发电条件下热能转换装置的设计方法,包括如下步骤:
步骤1、利用纳米发电机,对石墨烯电极材料施加外部电场;该发电机利用压电效应通过机械力转化为电能输出,不需要额外电源进行供能,降低了能源损耗;
步骤2、设计材料热能转换层,基于EC效应,实现热源和散热器之间的热能转换;
步骤3、设计单电源多开关电路,与材料热能转换层上的石墨烯电极相连,通过改变外部电场的静电力方向,最终实现装置的散热功效。
优选的,步骤1中,纳米发电机的换能材料包括聚偏氟乙烯PVDF、聚二甲基硅氧烷PDMS和左旋聚乳酸PLLA。
优选的,步骤1中,纳米发电机在外部纵向压力下稳定输出约0V-1.5V电压。
优选的,步骤2中,材料热能转换层的上下均覆盖有石墨烯电极,同时以银纳米线渗透至层内作为辅助电极。
优选的,步骤3中,单电源多开关电路通过控制多开关的连接和断开频率从而对热能转换层施加不同方向的外部电场,在不同方向的静电力的作用下使得热能转换层在热源和散热层之间来回移动。
优选的,随意设置开关断开和连接延时时间,设置开关一连接时间为300μs-600μs,断开330μs-500μs后,开关二连接,连接时间为300μs-600μs,开关二断开330μs-500μs后,开关一再次连接如此循环。
优选的,单电源多开关电路中,当继电器SW1闭合,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场,静电力将EC聚合物移到热源并保持,在保持300μs后,闭合结束后断开330μs,闭合SW2,并保持300μs,闭合结束后断开330μs,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场,静电力将EC聚合物移动到散热源,在EC效应的作用下,由于电偶极子的排列,温度的升高伴随着EC聚合物的熵的降低,而去除静电场后,EC聚合物的温度降低,热从热源传递到EC聚合物堆,再从EC聚合物堆传递到散热源,如此反复循环,实现对设备的散热。
本发明的有益效果为:在不用外部电源的条件下,本发明能使锂电池表面温度在较短时间内,在多少时间下降多少度,完全实现了无功耗制冷;本发明使用单电源技术比双电源更易操控,且功耗较小,减少了能源浪费,推动了电子产业的节能减排。
附图说明
图1为本发明的纳米发电机电压输出示意图。
图2为双电源电路结构示意图。
图3为本发明单电源电路结构示意图。
具体实施方式
一种自发电条件下热能转换装置的设计方法,包括如下步骤:
步骤1、自制纳米发电机,对石墨烯电极材料施加外部电场;
步骤2、设计材料热能转换层,基于EC效应,实现热源和散热器之间的热能转换;
步骤3、设计单电源多开关电路,与材料热能转换层上的石墨烯电极相连,通过改变外部电场的静电力方向,最终实现装置的散热功效。
设计的单电源驱动电路通过继电器改变开关方向使得静电场方向发生改变,继电器的开关切换时间设置一定的延迟,方便冷却材料与热源有着充分的热接触。所使用的电源采用自研发的纳米发电机在固定压力频率下可以实现固定电压输出,从而实现自发电功能。所使用的材料会收到EC效应的影响,EC效应是在绝热条件下,由于外加电场的变化而引起的材料内部极化状态的改变,从而导致熵变。使用的冷却材料,会受到外部静电力的驱动,在外部静电力方向的变换下,冷却材料可以从靠近热源的一端转移到远离热源的一端(散热器),通过反复的循环,使得冷却材料吸收的热源的热量持续传递到散热器实现对微电子设备的散热。EC聚合物堆叠的横断面图显示它形成S形。S形薄膜的固定端允许薄膜与顶部或底部的电极进行良好的热接触。在操作过程中,当在其中一个银纳米线层和面向银纳米线层的EC堆栈上对应的外层CNT层之间施加电压时,S形EC膜像弯曲弹簧一样上下移动,受静电力驱动。由于其重量轻,弯曲刚度低,EC电堆可以在上下层板之间快速穿梭,响应时间不到30ms,总能耗仅为约0.02W。这种静电驱动紧凑、无噪音,不会产生可能导致材料损坏和能源消耗的重大摩擦力,从而导致寄生发热--查一下。
如图1所示,实验所选用的电源是自制的纳米发电机,其电压输出取决于外界压力频率,纳米发电机在非纵向施压的情况下电压输出无法达到预期值,实验结果显示输出的电压较小未能满足实验要求,实验失败。纳米发电机在纵向施压的情况下电压输出可以达到1.5V,将纳米发电机接入电路,对其进行施加纵向压力实验结果显示输出的电压满足实验要求,实验成功。
如图2所示,设计了双电源电路对EC聚合物施加静电场,当继电器SW1闭合R1-2,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场。静电力将EC聚合物移到热源并保持。在保持300μs后,断开R1-2330μs后将继电器SW1中R1-1闭合,同时闭合SW2,闭合保持时间为300μs,闭合结束后断开330μs。EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场,静电力将EC聚合物移动到散热源。在EC效应的作用下,由于电偶极子的排列,温度的升高伴随着EC聚合物的熵的降低,而去除静电场后,EC聚合物的温度降低。热从热源传递到EC聚合物堆,再从EC聚合物堆传递到散热源。如此反复循环,实现对设备的散热。双电源电路需要两个电源进行稳定供电,相比较单电源电路电压损耗大且双电源供电不够稳定。
如图3所示,设计了单电源电路对EC聚合物施加静电场,当继电器SW1闭合,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场。静电力将EC聚合物移到热源并保持。在保持300μs后,闭合结束后断开330μs。闭合SW2,并保持300μs,闭合结束后断开330μs。EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场,静电力将EC聚合物移动到散热源。在EC效应的作用下,由于电偶极子的排列,温度的升高伴随着EC聚合物的熵的降低,而去除静电场后,EC聚合物的温度降低。热从热源传递到EC聚合物堆,再从EC聚合物堆传递到散热源。如此反复循环,实现对设备的散热。单电源相比较双电源在对电路中继电器的操控方面更便利,同时功耗较小。
需要对继电器开关闭合时间进行设置,为了使得EC聚合物和热源和散热层之间有着充分的热接触,需要将继电器的各个开关闭合时间设定为合适值,当继电器SW1闭合,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场。静电力将EC聚合物移到热源并保持。在保持400μs后,闭合结束后断开330μs。闭合SW2,并保持400μs,闭合结束后断开330μs。实验发现,EC聚合物需要一定的响应时间,400μs的时间能实现热接触,实现对设备的显著散热效果,实验成功。
需要对继电器开关闭合时间进行设置,为了使得EC聚合物和热源和散热层之间有着充分的热接触,需要将继电器的各个开关闭合时间设定为合适值,当继电器SW1闭合,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场。静电力将EC聚合物移到热源并保持。在保持600μs后,闭合结束后断开330μs。闭合SW2,并保持600μs,闭合结束后断开330μs。实验发现,EC聚合物需要一定的响应时间,600μs的时间能实现热接触,散热效果有所下降,实验成功。
需要对继电器开关闭合时间进行设置,为了使得EC聚合物和热源和散热层之间有着充分的热接触,需要将继电器的各个开关闭合时间设定为合适值,当继电器SW1闭合,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场。静电力将EC聚合物移到热源并保持。在保持100μs后,闭合结束后断开330μs。闭合SW2,并保持100μs,闭合结束后断开330μs。实验发现,EC聚合物需要一定的响应时间,100μs的时间未能实现充分热接触,未能实现对设备的显著散热效果,实验失败。
需要对继电器开关闭合时间进行设置,为了使得EC聚合物和热源和散热层之间有着充分的热接触,需要将继电器的各个开关闭合时间设定为合适值,当继电器SW1闭合,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场。静电力将EC聚合物移到热源并保持。在保持150μs后,闭合结束后断开330μs。闭合SW2,并保持150μs,闭合结束后断开330μs。实验发现,EC聚合物需要一定的响应时间,150μs的时间未能实现充分热接触,未能实现对设备的显著散热效果,实验失败。

Claims (7)

1.一种自发电条件下热能转换装置的设计方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1、利用纳米发电机,对石墨烯电极材料施加外部电场;
步骤2、设计材料热能转换层,基于EC效应,实现热源和散热器之间的热能转换;
步骤3、设计单电源多开关电路,与材料热能转换层上的石墨烯电极相连,通过改变外部电场的静电力方向,最终实现装置的散热功效。
2.如权利要求1所述的自发电条件下热能转换装置的设计方法,其特征在于,步骤1中,纳米发电机的换能材料包括聚偏氟乙烯PVDF、聚二甲基硅氧烷PDMS和左旋聚乳酸PLLA。
3.如权利要求1所述的自发电条件下热能转换装置的设计方法,其特征在于,步骤1中,步骤1中,纳米发电机在外部纵向压力下稳定输出约0V-1.5V电压。
4.如权利要求1所述的自发电条件下热能转换装置的设计方法,其特征在于,步骤2中,材料热能转换层的上下均覆盖有石墨烯电极,同时以银纳米线渗透至层内作为辅助电极。
5.如权利要求1所述的自发电条件下热能转换装置的设计方法,其特征在于,步骤3中,单电源多开关电路通过控制多开关的连接和断开频率从而对热能转换层施加不同方向的外部电场,在不同方向的静电力的作用下使得热能转换层在热源和散热层之间来回移动。
6.如权利要求5所述的自发电条件下热能转换装置的设计方法,其特征在于,随意设置开关断开和连接延时时间,设置开关一连接时间为300μs-600μs,断开330μs-500μs后,开关二连接,连接时间为300μs-600μs,开关二断开330μs-500μs后,开关一再次连接如此循环。
7.如权利要求5所述的自发电条件下热能转换装置的设计方法,其特征在于,单电源多开关电路中,当继电器SW1闭合,继电器SW2处于断开状态时,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场,静电力将EC聚合物移到热源并保持,在保持300μs后,闭合结束后断开330μs,闭合SW2,并保持300μs,闭合结束后断开330μs,EC聚合物的石墨烯涂料电极和EC聚合物内部银纳米电极之间施加静电场,静电力将EC聚合物移动到散热源,在EC效应的作用下,由于电偶极子的排列,温度的升高伴随着EC聚合物的熵的降低,而去除静电场后,EC聚合物的温度降低,热从热源传递到EC聚合物堆,再从EC聚合物堆传递到散热源,如此反复循环,实现对设备的散热。
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