回热电卡制冷装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种回热电卡装置，包括中心轴支持的上电卡环以及支架轴支持的下电卡环，上、下电卡环为堆叠设置，其中：上、下电卡环为相反的旋转接触并分别包括由间隔物隔开的高电场区和低电场区，其中上、下电卡环中的高电场区与低电场区相对设置并经施加电源形成有热端和冷端，热端和冷端分别接触一个热负载，在这两个热负载之间设有防止热量散失的低导热层，藉由上述结构与构造的结合，解决了回热节省能源，利于环境的技术问题，实现了工艺简单、提升制冷功率和效率以及节能环保的良好效果。
【专利说明】回热电卡制冷装置
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种回热电卡制冷装置，尤其是指利用一种可旋转的电卡材料环制成 的回热电卡制冷装置。
【背景技术】
[0002] -般，气候调节设备（如热泵、冰箱及空调）是通过机械蒸汽压缩循环实现制冷 的。这种制冷系统不仅效率低，而且能耗大，其产生温室效应的气体对环境的影响也很大。 提高能源利用率、降低成本和保护环境等的气候调节设备便成了业务探究的新课题。
[0003] 电卡效应是绝缘介电材料的热性能（如熵和温度）与电学性能（如电场和极化） 之间直接耦合的结果。在这种类型的材料中，改变施加电场引起相应的极性变化，进而导 致偶极熵变Sp，所述的熵变可用等温熵变AS来直接度量。如果电场的变化是在绝热的条 件下，那么绝缘材料将会经历一个绝热温度变化ΛΤ的过程。目前，大型电卡效应已经被 (李新宇、钱小实、鲁圣国、程继平、方钊和章启明）发现并被开发。在弛豫铁电体或聚（偏 二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）三元共聚物中，电卡效应的温度依赖性是可调节的。刘 新宇、钱小实、顾海明、陈翔中、鲁圣国、林敏仁和贝特曼?弗雷德和章启明在Appl.Phys. Lett. 99, 052907 (2011)期刊中发表了铁电体聚合物（偏二氟乙烯-三氟乙烯）共聚物在一 级铁电相变处的巨型电卡效应。室温下，当外加电场变化至180MV/m时，电卡聚合物温度变 化ΛΤ最大为28°C (见图1)。
[0004] 制冷设备的一个关键组成部分是熵从冷端到热端之间的传递。其目的是使熵以一 种可逆方式从一个温度态传到另一个温度态。这就要求制冷剂的熵可以被除了温度以外的 其它变量而改变。在本发明的制冷设备中，这种物质是电卡材料，所述的电卡物质的熵和/ 或温度可以通过外加电场来改变。
[0005] 所有稳态转换必须是循环的，因为熵所承载的物质是没有被消耗。图2是说明理 想状态制冷循环（卡诺循环），此循环包括两个绝热过程和两个等温过程。对于卡诺循环 而言，从冷源吸收的热量是Q。= TjS^Sh)及性能系数COP = Qyw(所述的W是在制冷过程 中外界所作的功），性能系数还可以表达成COP = Ty(Th-T。）等式（1)。
[0006] 在图2中的制冷循环（和基于图2中制冷循环原则的制冷设备），最大温度差Th-T。 是由电卡材料的绝热温度变化ΛΤ所决定的。为了增加温度差并提高效率，在实际的气候 调节设备，如抽湿机中通常引入了回热过程和/或回热器。例如，图3中说明一个理想的EC 埃里克森循环，交流换热器跨越温度从Th变化到Τ。时，加在以电卡材料作为致冷剂上的电 场没有变化。T h_T。比电卡材料因场强变化Eh-E^f引起的温度差ΛΤ大。于是，一些基于 电卡效应的制冷循环以被开发。图4a中呈现回热电卡制冷装置，说明了用热量交换液体从 冷端（吸收热量Q。）传递热量到热端（散发热量Q h)。其中有两个电卡层和一个如图4b所 不施加在两个电卡层的电场。由于电场（电压）在其中一个电卡层（如ECE1)中由低向高 变化，导致在该电卡层的温度升高，而在另一个电卡层（如ECE2)的电场由高向低改变，这 就引起电卡层的温度降低，这两个电卡层的变化都归结于电卡效应。在此情形下的热量交 换液体先是逆时针再是顺时针流动，并从冷端吸收热量，在热端释放热量，这些可以归纳为 属于第一个半循环。而另一个半循环中，在两个电卡层上的电场是反向的，热量交换液体是 顺时针方向流动的。因此，每一个电卡层的热量交换流向具有双向流动性。
[0007] 图5所示的是在设备处于一个稳定状态操作（保持热端与冷端的温度分别在在Th 和凡±)时，电卡层在如图4所示的制冷设备的制冷循环处于不同阶段的温度曲线。在第一 阶段中，施加电场提高电卡层的温度。第二阶段中，热量交换液体从电卡层长度X = 〇处抽 取热量至X = L处，散热片（TH)将电卡层的热量散出。第三阶段中，去除电场导致电卡层 (没有热量交换液体流动）的冷却，并且在第四阶段中，热量交换液体将以相反的方向从冷 端（温度为T。）抽取并吸收热量。如图2所示的是应用在主动电卡回热制冷中的两个电卡 层。电卡层包括电卡板并以通道方式平行堆叠，且通道容热交换液体双向流动，其中通道的 宽度取决于热交换液体的热扩散长度，一般而言，通道的宽度为〇. 5_。然而，电卡板 之间的通道比较窄，会导致高流动阻力，从而限制了制冷功率，即减少了制冷效率。
[0008] 将图4和图5中的装置与图3中埃里克森循环进行比较，图4所示回热过程是 不理想的，因为在回热过程（热交换液体）中，其温度的变化是随电场而改变。因此业界 研发了一种固态电卡，然而增加固态电卡制冷设备的回热温度仍随着外加电场而变化（可 参见顾海明、Brent Craven、钱小实、李新宇、程爱兰、S · C · Yao、章启明，在Appl. Phys. Lett. 102,112901【2013】中发表的具有高制冷功率密度的电卡冰箱模拟实验）。在这些回 热设备中，电场会随着回热设备的长度及所经过的时间而变化，也引起了回热设备的温度 变化。因此热交换液体在图4所示的制冷设备中双向流动也不畅通。
[0009] 尽管电卡材料在制冷设备是对提高制冷功率（即制冷效率）具有很大潜力，但以 现有的电卡制冷设备来适用该电卡材料时的应用效果并不特别理想，其并不能充分发挥该 电卡材料的良好性能。因此，急需一种能有效发挥电卡材料的新的制冷设备便成为业务研 发的新课题。
【发明内容】
[0010] 为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于一种回热电卡制冷装置。
[0011] 为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：一种回热电卡装置，包括中心轴支持 的上电卡环以及支架轴支持的下电卡环，上、下电卡环为堆叠设置，其中：上、下电卡环为相 反的旋转接触并分别包括由间隔物隔开的高电场区和低电场区，其中上、下电卡环中的高 电场区与低电场区相对设置并经施加电源形成有热端和冷端，热端和冷端分别接触一个热 负载，在这两个热负载之间设有防止热量散失的低导热层。
[0012] 在本发明实施例中优选，所述间隔物是具有绝缘的低热导率的材料成型。
[0013] 在本发明实施例中优选，所述间隔物具有多孔，多孔的腔体内具有空气或真空。
[0014] 在本发明实施例中优选，所述高电场区及低电场区分别包括多个电卡片段。
[0015] 在本发明实施例中优选，所述多个电卡片段中，相邻的电卡片段之间设有间隔物。
[0016] 在本发明实施例中优选，所述电卡片段为电卡聚合物、电卡陶瓷或电卡复合物。
[0017] 在本发明实施例中优选，所述电卡复合物为电卡聚合物内嵌入电卡陶瓷构成。
[0018] 在本发明实施例中优选，所述两个热负载均为铝片，铝片以静态的形式接触上电 卡环或下电卡环，并不随之一起转动。
[0019] 在本发明实施例中优选，所述回热电卡装置进一步包括保护层，保护层分别贴合 于上、下电卡环的正反两面。
[0020] 在本发明实施例中优选，所述上、下电卡环分别具有容纳小电卡环套装的同心圆 空间，其中分别设于上、下同心圆空间的上、下小电卡环之间以相反方向旋转，且分别与上、 下电卡环之间也为以相反方向旋转。
[0021] 本发明与现有技术相比，其有益的效果是：一是工艺简单，容易实现；二是略加变 动相关结构的厚度，便可实用多种不同的电卡材料；三是理论证明能够有效提升制冷功率 和效率；四是节能且利于环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 参考附图中，具有相同数字标号的表示相同元件。
[0023] 图1是表示随着电卡材料（如聚合物）上外加电场的变化而产生的绝热温度变化 过程的图形。
[0024] 图2是基于电卡效应的热力学制冷循环（卡诺循环）的图形表示，此处的S表示 熵，T表示温度，E表示外加电场，下标h和c分别表示热端温度和冷端温度，以及在"A"和 "C"旁边的方块箭头代表电卡材料分别处于无序偶极排列和有序偶极排列的两种状态。
[0025] 图3a是电卡效应埃里克森制冷循环图中表示电场（E)与温度⑴的关系图；图3b 是电卡效应埃里克森制冷循环图中表示熵（S)与温度（T)的关系图。
[0026] 图4a是使用了具有热交换液体两个电卡层的回热电卡冷却装置的结构示意图； 图4b是在图4a中所表示的冷却装置的两个电卡层ECE1和ECE2上的外加电场模式的一个 例图，且该图中表示通过双向液体泵实现冷却装置的热交换液体双向移动。
[0027] 图5表示图4a所示的一个获取稳定状态的电卡层的温度曲线示意图和制冷循环 的图形表示。
[0028] 图6a是本发明的一个具体实施例示意图，图6b是图6a中B-B的截面示意图。
[0029] 图7a是图6a所示的冷却装置的理想制冷循环的温-熵图；图7b是图6a所示的 冷却装置的在非理想状态下的制冷循环的温-熵图，在本图中4 = 0,但对于一般情况下 EJEh且Et可能不等于0。
[0030] 图8a是两个相互对齐的电卡环的示意图，该电卡片段和设置电卡片段之间具有 低导电率间隔物且相互对齐；图b是图8a中的片段未对准时的不意图；图8c是图6所不的 两个环的放大视图；图8d是图8a、图8b和图8c的环段的位直与时间的对应关系不意图。 [0031 ] 图9a, 9b和9c是图6的二个截面不意图。
[0032] 图10是多个图9电卡环相互堆叠而成的回热电卡单元。
[0033] 图11是另一个回热电卡冷却装置结构示意图，所术结构的电场施加区域分成至 少两个。
[0034] 图12是具有同轴环的回热电卡冷却装置的结构示意图。
[0035] 图13a具有多个电卡片段的电卡环示意图，其中每个电卡片段都是由单个电极所 覆盖；图13b是图13a中的通过多个较小型电极覆盖在每个电卡片段上的电卡环示意图。
【具体实施方式】
[0036] 为了清楚地描述回热电卡制冷装置，以下的术语和定义适用于整个说明书。
[0037] TH(Th):电卡冷却装置的散热片（热端）温度。
[0038] Τ。(ιγ):电卡冷却装置的冷负荷（冷端）温度。
[0039] EH (Eh):作用在本发明实施例中冷却装置上的最大电场。
[0040] Ejor = 0):作用在本发明实施例中冷却装置上的最小电场。
[0041] ΔΕ = EfEt :表示电场的变化。
[0042] 电卡环：环形电卡组件的外径（0D)，内径（ID)，厚度为d，且该电卡环具有由低热 导率（k〈0.2W/mK)间隔物隔开的多个电卡片段。
[0043] 带或不带电场的区域：所述的区域在空间中固定。当电卡环旋转时，电卡片段离开 不带电场的区域，进入并穿过带电场区域。
[0044] 热扩散长度5=
【权利要求】
1. 一种回热电卡装置，包括中心轴支持的上电卡环以及支架轴支持的下电卡环，上、下 电卡环为堆叠设置，其特征在于：上、下电卡环为相反的旋转接触并分别包括由间隔物隔开 的高电场区和低电场区，其中上、下电卡环中的高电场区与低电场区相对设置并经施加电 源形成有热端和冷端，热端和冷端分别接触一个热负载，在这两个热负载之间设有防止热 量散失的低导热层。
2. 如权利要求1所述的回热电卡装置，其特征在于：所述间隔物是具有绝缘的低热导 率的材料成型。
3. 如权利要求2所述的回热电卡装置，其特征在于：所述间隔物具有多孔，多孔的腔体 内具有空气或真空。
4. 如权利要求3所述的回热电卡装置，其特征在于：所述高电场区及低电场区分别包 括多个电卡片段。
5. 如权利要求4所述的回热电卡装置，其特征在于：所述多个电卡片段中，相邻的电卡 片段之间设有间隔物。
6. 如权利要求5所述的回热电卡装置，其特征在于：所述电卡片段为电卡聚合物、电卡 陶瓷或电卡复合物。
7. 如权利要求6所述的回热电卡装置，其特征在于：所述电卡复合物为电卡聚合物内 嵌入电卡陶瓷构成。
8. 如权利要求7所述的回热电卡装置，其特征在于：所述两个热负载均为铝片，铝片以 静态的形式接触上电卡环或下电卡环，并不随之一起转动。
9. 如权利要求8所述的回热电卡装置，其特征在于：所述回热电卡装置进一步包括保 护层，保护层分别贴合于上、下电卡环的正反两面。
10. 如权利要求9所述的回热电卡装置，其特征在于：所述上、下电卡环分别具有容纳 小电卡环套装的同心圆空间，其中分别设于上、下同心圆空间的上、下小电卡环之间以相反 方向旋转，且分别与上、下电卡环之间也为以相反方向旋转。
【文档编号】F25B21/00GK104296416SQ201410347350
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】程爱兰, 章启明 申请人:程爱兰, 章启明