一种电卡制冷器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电卡制冷器，包括第一电卡材料层以及贴合在第一电卡材料层两侧的第一电极层和第二电极层组成的电卡制冷单元，还包括位于电卡制冷器一端的制冷片以及与制冷片紧密接触的第三电极层，位于电卡制冷器另一端的散热片以及与散热片紧密接触的第四电极层，第三电极层和第四电极层位置相对，指向电卡制冷单元但不与电卡制冷单元接触，电卡制冷器还包括一轨道，电卡制冷器由电源供给脉冲电压，电卡制冷单元通过马达提供机械驱动在轨道上往复移动，使得电卡制冷单元的第一电极层和第二电极层分别交替与散热片上的第四电极层和制冷片上的第三电极层接触。
【专利说明】
一种电卡制冷器
技术领域
[0001]本发明属于制冷设备技术领域，特别涉及一种电卡制冷器。
【背景技术】
[0002]电卡效应是指在外加电场下材料表现出的可逆的等温熵变或者绝热温度变化。能够产生电卡效应的材料称为电卡材料。对电卡材料施加外加电场，材料本身的极化有序方式发生变化，从而导致材料的熵变。在等温条件下，材料体系会与周围介质发生热交换;在绝热条件下，材料本身温度会发生变化。
[0003]民用空调、冰箱的制冷主要是通过机械蒸发-凝聚循环，其效率较低、增加了电力峰值负荷、使用的氟利昂也是引起温室效应的气体。因此需要寻求相对低廉、环境友好的新制冷技术。如果利用具有大电卡效应的材料实现制冷，相比较传统的蒸发-压缩制冷而言，具有更高的效率和环保的优点。
[0004]2014年《无机材料学报》第29卷第I期《铁电材料中的大电卡效应》综述了电卡效应的热力学理论、弛豫铁电聚合物中的大电卡效应，简述了电卡效应的在制冷方面的应用前景。
[0005]铁电材料本身具有自发极化，在增大外加电场条件下，无规则随机分布的极化在材料体系内由于电场力的作用规则排列，引起材料极化熵的降低。在绝热条件下，材料总熵不变，本身温度会升高；在等温条件下，材料会释放热量到环境当中。在降低外加电场条件下，材料体系发生去极化过程，引起材料极化熵增大，在绝热条件下，材料总熵不变，本身温度会降低;在等温条件下，材料会从环境吸收热量。
[0006]在493K条件下给?匕20.951^.()503薄膜施加4.8*10、/111电场，实现了121(的温度变化。2008年，在343K在P(VDF-TrFE)中亦发现12K的温度变化。目前在接近室温的条件下，P(VDF-TrFE)可实现大约20K的温度变(95J kg—1IT1的熵变)。
[0007]前述的《铁电材料中的大电卡效应》虽然描述了相关原理，但是，文章没有给出具体的实现制冷的办法。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种利用电卡效应实现制冷的制冷器。
[0009]本发明的技术方案是，一种电卡制冷器，包括第一电卡材料层以及贴合在第一电卡材料层两侧的第一电极层和第二电极层组成的电卡制冷单元，还包括位于电卡制冷器一端的制冷片以及与制冷片紧密接触的第三电极层，位于电卡制冷器另一端的散热片以及与散热片紧密接触的第四电极层，第三电极层和第四电极层位置相对，指向电卡制冷单元但不与电卡制冷单元接触。
[0010]电卡制冷器还包括一轨道，电卡制冷器由电源供给脉冲电压，电卡制冷单元通过马达提供机械驱动在轨道上往复移动，使得电卡制冷单元的第一电极层和第二电极层分别交替与散热片上的第四电极层和制冷片上的第三电极层接触。
[0011]轨道可以是一个光滑的平面，具有卡槽，电卡制冷单元沿着轨道定向往复移动，马达是让它定向往复移动的驱动力。
[0012]制冷片与第三电极层，散热片与第四电极层的接触表面均溅射良导热不导电BeO或者AlN薄膜。
[0013]电卡材料层由铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物组成。
[0014]所述电卡材料层的材料是PbZmT1.q503、0.63PMN-0.37PT或P(VDF-TrFE)等具有电卡效应的材料。
[0015]所述电极层的材料由金属Au、Ag或Cu或其它良导体材料组成。
[0016]本发明包括电卡制冷单元、散热片、制冷片、马达系统、电源系统。其中电卡制冷单元由具有电卡效应的铁电材料和电极构成，通过马达，电卡制冷单元在散热片和制冷片之间往复运动，同时电源通过控制器给电卡制冷单元施加电场。在电卡制冷系统向散热器运动过程中，电压逐渐增大，电卡单元绝热升温;在电卡制冷单元与散热器接触后可继续提高电压或者保持电压，电卡制冷单元向散热片传递热量;随后电卡制冷单元与散热器分离，同时逐渐降低电压，电卡制冷单元绝热降温;在电卡制冷单元与制冷片接触后继续降低电压或者保持电压最小值，电卡制冷单元从制冷片吸收热量。一个往复周期，脉冲电源与马达使用相同的时间，即具有相同频率。
[0017]电卡制冷单元，由电卡材料和电极构成，可以是单层或者多层或者其它形式，通过作用于电卡制冷单元的外加电场改变材料体系的极化熵来实现制冷。
[0018]本发明电卡制冷单元中电卡材料由具有明显电卡效应的铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物等组成，比如PbZrQ.95TiQ.()503，0.63ΡΜΝ-0.37ΡΤ，和P(VDF-TrFE)等具有电卡效应的材料。电极层由金属Au、Ag、Cu等具有良好导热、导电性能的材料组成，且在其接触表面通过溅射形成BeO或者AlN或者其它具有良导热、不导电的薄膜，促进电卡制冷单元与散热器(或制冷片)的之间的热传导，避免电卡制冷单元与散热器(或制冷片)之间电导通。制冷片可与晶元、封装电路、空调、冰箱等的制冷部位相连接实现给相应设备制冷。
[0019]本发明可用于空调、冰箱等日用电器，也可应用于晶元、封装电路等微电子器件的制冷。
【附图说明】
[0020]图1为电卡制冷效应的原理图；
[0021]图2为本发明结构不意图；
[0022]图3本发明施加于电卡制冷单元的位移矢量(3-a)、脉冲电场(3-b)与时间的关系示意图。
[0023]其中，I一一第一电卡材料层，2——第一电极层，3一一第二电极层，4一一制冷片，5——散热片，6——第三电极层，7——第四电极层，8——电源，9——马达，10——轨道。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述实例仅为本发明的一个例子，而不是所有可行的实施方案。基于相同的制冷原理，设计的其它实施例子，均属于本发明保护的范围。
[0025]图1为电卡制冷效应的原理图。电卡制冷循环一次经过四个步骤:(I)给电卡材料施加电压且不与外界热交换，材料体系实现绝热升温过程1-2。由于电卡效应，材料从状态I他，1'。^)变化到状态2浪，1'11，311)。(2)电压继续增大材料与恒温环境(1'11)进行热交换，材料体系实现等温放热过程2-3。材料从状态2(E2，Th，Sh)变化到状态3(E3，Th，S。)。(3)电压降低且材料不与外界热交换，材料体系实现绝热降温过程3-4。材料从状态3(E3，Th，S。)变化到状态4$4，1'。，&)。(4)电压继续降低且材料与恒温环境(1'。)进行热交换，材料等温吸热过程4-1。材料中状态4(E4，T。，S。)变化到状态I (E1 ,Tc^Sh)。经过一次循环，材料体系恢复到初始状态。经过一次循环，实现热量TcA S的散出。
[0026]图2为本发明的具体实施图。其中电卡制冷单元由电卡材料I，电极材料2和电极材料3组成。电卡制冷单元一边设置制冷片4，另一边设置散热片5。与制冷片4、散热片5相接触的电极6、电极7的表面均溅射形成BeO或者AlN等材料的薄膜，促进热传导、增大电绝缘。
[0027]电卡制冷单元通过电源8供给脉冲电压，通过马达9提供机械驱动在轨道10上左右移动。
[0028]图3中3-a为本发明中通过电源8给电卡制冷单元供给脉冲电压后的电卡制冷单元中电场与时间关系示意图；图3中3-b为通过马达9给电卡制冷单元提供机械运动后电卡制冷单元中的位移矢量与时间关系示意图。如图3中3-a所示，在阶段I，电卡制冷单元向散热片移动，场从O变为Eo;在阶段2，电卡制冷单元与散热片接触放热;在阶段3，电卡制冷单元与散热片分离向左反向移动，电场从Eo变为O;在阶段4，电卡制冷单元与制冷片接触吸热，恢复到初始状态，完成一次循环。经过往复循环，最终实现制冷。
【主权项】
1.一种电卡制冷器，其特征在于，包括第一电卡材料层以及贴合在第一电卡材料层两侧的第一电极层和第二电极层组成的电卡制冷单元， 还包括位于电卡制冷器一端的制冷片以及与制冷片紧密接触的第三电极层，位于电卡制冷器另一端的散热片以及与散热片紧密接触的第四电极层， 第三电极层和第四电极层位置相对，指向电卡制冷单元但不与电卡制冷单元接触， 电卡制冷器还包括一轨道，电卡制冷器由电源供给脉冲电压，电卡制冷单元通过马达提供机械驱动在轨道上往复移动，使得电卡制冷单元的第一电极层和第二电极层分别交替与散热片上的第四电极层和制冷片上的第三电极层接触。2.如权利要求1所述的电卡制冷器，其特征在于，制冷片与第三电极层，散热片与第四电极层的接触表面均溅射良导热不导电薄层，可以是1-1OOnm的BeO或者AlN薄膜。3.如权利要求1所述的电卡制冷器，其特征在于，电卡材料层由铁电、弛豫铁电的陶瓷或聚合物组成。4.如权利要求3所述的电卡制冷器，其特征在于，所述电卡材料层的材料是PbZr0.95T1.0503、0.63PMN-0.37PT或P(VDF-TrFE) 05.如权利要求1所述的电卡制冷器，其特征在于，所述电极层的材料是金属Au、Ag或Cu。
【文档编号】F25B21/00GK106091471SQ201610450061
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】刘宏波, 何建萍
【申请人】上海工程技术大学