产生和转移加热和冷却功率的装置和方法与流程

本发明涉及一种用于产生和转移加热和冷却功率的装置和方法，具体来说涉及利用由电源适当地供电的电路中的电热介电材料的特性的装置和方法。

背景技术：

有些类型的材料在电场施加在该材料时会以改变该材料温度的形式表现出电热效应；然而，所述效应是可逆的，也就是说，在没有电场的情况下，所述材料会回复到其初始温度。通常，具有这种特性的材料是介电材料并且可用于制造电容器。

各种具有这些特性的材料早已为人所知，并且已被研究了多年，即使还未发现任何实际用途。仅在最近几年中，已研究了新的聚合物和陶瓷材料，所述新的聚合物和陶瓷材料呈一层或多层表现出高电热特性的薄膜、厚膜或晶体的形式，因此在工业领域中的潜在实际用途(例如用于冷却电子部件等)引起了特别的关注。

例如，美国专利号6877325描述了一种利用各种类型的介电材料的电热效应的热转移装置，所述介电材料结合到电容器中，所述电容器具有施加到所述介电材料的电场。一般地提及了交替地对成对的电容器进行充电/放电的“谐振电路”。根据该文件的教导，若干所描述的装置能够获得从-10℃至+50℃的范围的温度变化，即使没有对电源电压的参数(特别是电源电压的频率和占空比)作出详细说明，所述电源电压在各个电容器的端子处产生电场。

美国专利号8371128描述了一些管理技术，所述管理技术用于管理具有电热特性的铁磁材料以便冷却电子部件。该冷却管理由电路控制，该电路调节电热材料层上的电场的电源参数。该控制电路能够调节若干参数，包括电源频率和占空比；在特定实施例中，工作频率可设定为1khz，并且占空比设定为低于50％的值，具体而言将占空比设定为20％。

然而，在最近的实验研究中，已发现电热效应大大取决于用以产生磁场的电源电压的频率，电材料受到所述磁场影响。例如，这由文献“differentialscanningcalorimeterandinfraredimagingforelectrocaloriccharacterizationofpoly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene)terpolymer”(gaelsebald，laurenceseveyrat，jean-fabiencapsal，pierre-jeancottinet，danielguyomar，appliedphysicsletters101，022907-2012)所揭示。实际上，在其它研究中，进行了试验的三元共聚物(缩写为p(vdf-trfe-cfe))已被认为是具有高电热特性的材料之一，每施加数百v/μm的电场可有估计约12k(kelvin)的δt值。从这些实验研究中已进一步发现当电场的电源电压的频率的值超过1hz时，三元共聚物的电热特性会急剧下降。例如，在维持着60v/μm的电场的情况下，当频率超过临界值1hz时，δt减小至低于1k的值。

美国专利号5644184描述了一种利用适于形成电容器的电介质的材料的压电效应将加热功率转换成电功率的转换装置和转换方法。因此，该文件涉及与本发明所述的过程完全相反的转换过程，尽管该文件描述了lc谐振电路的一些例子，其中使用通过变压器施加到谐振电路的脉冲来触发谐振电路中的振荡，从而启动从加热功率到电功率的转换，所述变压器的二次绕组构成所述谐振电路的电感器；通过向电容器的压电材料持续供给加热功率，可确保维持谐振频率。

国际专利申请wo2013/167176描述了从加热功率到电功率的转换(即与本发明的转换过程相反的转换过程)的另一个例子。该文件中描述的实施例基本上提供以稍微不同的频率耦合的两个谐振电路，以便造成从构成电容器的电介质的热电材料提取具有增加的熵的电子的干扰(或拍频)，从而产生待传送到负载的电流。

本发明的目的是提出一种装置和方法，该装置和方法允许有利地利用电热材料的特性来产生和转移加热和冷却功率。

本发明的另一个目的是提出上述类型的装置和方法，该装置和方法允许利用电热材料的特性以使产生和转移加热和冷却功率所需的电力减至最小。

本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，该装置和方法允许即使在使用高频电源电压的情况下仍可有利地利用电热材料的特性。

本发明的又一个目的是提出一种上述类型的装置，该装置可制成多种形状和尺寸，从而允许实现各种类型的利用电热效应材料来产生和转移加热和冷却功率的装置。

技术实现要素：

以上目的通过根据权利要求1的装置和根据权利要求11的方法按照本发明所述般实现。本发明的其它特征和细节在相应的从属权利要求中列出。

根据本发明的实施例的用于产生和转移加热和冷却功率的装置基本上包括具有至少一个第一电感器的谐振电路，该至少一个第一电感器与具有电热材料电介质的至少一个第一电容器连接。所述谐振电路还包括可变电源部分，所述可变电源部分的工作频率对应所述电路的谐振频率。所述谐振电路的电源部分有利地包括恒压源和至少一个脉冲源，所述至少一个脉冲源的预定占空比能调节所述恒压。

即使所用频率明显高于使电热效应下降的频率，根据本发明的装置仍无论如何允许使用最小电耗来利用电热材料的特性。实际上，谐振电路充分利用“无功功率”，在谐振状态下，所述“无功功率”在第一电感器和第一电容器之间建立，以便在第一电容器的电热材料电介质上产生想得到的电场，而“有功功率”仅仅以最小量用于补偿不可避免的换向损耗和材料(例如在电容器的电介质中的材料)的损耗，以及补偿构成电感器的导体的电阻率的损耗。

实际上，在传统技术中，有功功率(即可启动电动机、打开灯或其它类型的加热或冷却设施的相同类型的电功率)被认为是唯一可用的，而无功功率则不可用，并且只会对配电网络和与所述配电网络连接的设施造成负担。

换句话说，不同于仅利用“有功功率”来产生功(例如使用电阻器通过焦耳效应产生热量)的已知系统的常规技术，本发明采用仅利用“无功功率”来产生想要的加热或冷却“功”，实际上尽可能使“有功功率”的消耗减至最小。

然而，就本发明而言，应当理解的是形成该装置的谐振电路的所有实施例不包含电阻器，即不包含利用“有功功率”以便例如通过焦耳效应实现加热的无源元件。同样地，该装置不包含可阻碍电路谐振的二极管。

在本发明的另一个实施例中，至少一个第二电感器与所述第一电感器磁耦合，并且具有电热材料电介质的至少一个第二电容器与所述第二电感器连接。

这允许进一步利用根据本发明的电路的特性，通过引起电感器之间的耦合将能量也转移到第二电容器，第二电容器与耦合到第一电感器的第二电感器连接，而不需要添加额外的电源，从而还增加了电路的总增益。

进一步将所述原理引伸到任何想要的数目的成对的电感器/电容器，因此可提供一个实施例，在该实施例中，谐振电路包括与恒压电源并联连接的多个级；因此，每个级包括至少一个第一电感器和具有电热材料电介质的至少一个第一电容器。

在另一个实施例中，谐振电路总是由与恒压电源并联连接的任何数目的级构成，每个级包括与第一电感器磁耦合的至少一个第二电感器；具有电热材料电介质的第一电容器与第一电感器连接，并且具有电热材料电介质的第二电容器与第二电感器连接。

电热材料电介质可以由一层或多层具有这些特性的三元共聚物(例如上文已提及的p(vdf-trfe-cfe))或诸如batio3的陶瓷材料的薄膜、厚膜或晶体构成，所述电介质能够加热固体、流体或其组合。

另一方面，为了获得冷却，电容器的电热材料电介质包括一层或多层铁电陶瓷材料的薄膜、厚膜或者晶体，所述一层或多层铁电陶瓷材料例如是包含pmn-pt(铌镁酸铅-钛酸铅)、pzn-pt(铌锌酸铅-钛酸铅)、pst(铅钪钽)等的陶瓷材料。

为了实现根据本发明的装置的高效率，电感器可包括例如纳米晶体磁芯，并且绕组可由碳纳米管制成。

为了进一步改善表现并减小根据本发明的装置的换向损耗，具有预定占空比的脉冲源可包括例如至少一个氮化镓场效应晶体管。

本发明还涉及一种用于产生和转移加热和冷却功率的方法，该方法包括以下步骤：

a)提供具有至少一个第一电感器的谐振电路，所述至少一个第一电感器与具有电热材料电介质的至少一个第一电容器连接；以及

b)以可变电压供电给所述第一电容器和所述第一电感器，所述可变电压的工作频率对应电路的谐振频率。

在步骤b)，对所述电路的供电优选地通过以恒压源供电给谐振电路并且用具有预定占空比的脉冲源调节所述恒压来进行。

根据本发明的方法还可提供如下步骤：将至少一个第二电感器与第一电感器磁耦合，例如利用简单的空气耦合或通过磁芯进行所述磁耦合。具有电热材料电介质的第二电容器还与所述第二电感器连接。

电热效应可以用于加热固体、流体或其组合，还可以用于冷却固体、流体或其组合。在加热的情况下，电容器的电热材料电介质包括例如三元共聚物的薄膜、厚膜或晶体，而在冷却的情况下，电容器的电热材料电介质包括例如铁电陶瓷材料的薄膜、厚膜或晶体。

在根据本发明的方法中，可以适当的占空比来调节恒压电源；实际上，已知的是当谐振电路lc的占空比减小，增益会增加，从而必须优选地使用占空比的限定值，不过无论如何所述限定值随着用于保持高增益和减小谐振电路中的电感值的部件而变化。

同样地，仍考虑基于所采用的部件的所述装置的最优化标准，谐振频率fr仍可大于或等于2khz。

附图说明

本发明的其他特征和优点将从以下用于阐释的非限制性说明并参照附有的示意图变得更加明显，其中：

-图1是具有单个电感器和单个电容器的根据本发明的谐振电路的一个可能实施例的电路图；

-图2是与图1中的电路图类似的电路图，但所述单个电容器的连接是不同的；

-图3是包括以各种方式彼此连接的两个电感器和两个电容器的谐振电路的另一个实施例的电路图；

-图4是与图3中的电路图类似的电路图，但所述部件的连接是不同的；

-图5是与图1中的电路图类似的电路图，但该电路图具有彼此并联连接的一对电感器；

-图6是根据本发明的谐振电路的实施例的电路图，图中两个电感器彼此磁耦合；

-图7是与图6中的电路图类似的电路图，但所述谐振电路的电容器的其中一个的连接是不同的；

-图8是与图6中的电路图类似的电路图，该电路图增加了与两个耦合的电感器并联连接的电感器；

-图9是根据本发明另一个实施例的谐振电路的电路图，图中示出了电感器之间的多个耦合；

-图10是根据本发明另一个实施例的谐振电路的电路图，图中多个级与电源电压并联以被供电；

-图11是与图10中的电路图类似的谐振电路的电路图，图中提供了耦合电感器的多个级；

-图12是与图11中的电路图类似的谐振电路的电路图，图中每个级包括并联连接到耦合部件的耦合电感器和电感器；和

-图13是实验性实施和测试的电容器原型的等效图。

具体实施方式

在图1所示的最简单的实施例中，根据本发明的装置的谐振电路包括第一电感器l1和具有电热材料电介质的至少一个第一电容器c1，所述第一电感器和所述至少一个第一电容器彼此并联连接。

关于这里和下文描述的电感器，绕组必须优选地由具有低电阻率的导体(例如由碳纳米管制成的导体)制成。或者，还可以使用由更常见的导电合金(例如铜基合金等)制成的导体绕组。

电感器还可以缠绕在磁芯上，该磁芯能够增加所述电感器的电感而保持整体尺寸不变。特别适合用于制造磁芯的材料具有高磁导率，例如fecunbsib的纳米晶体材料，所述材料允许制造即使绕组数目有限仍具有高电感值的电感器。或者，在对尺寸没有特定限制和/或不需要特别高的电感值的情况下，磁芯还可以是常见的铁氧体磁芯。

部件l1和c1通过由具有预定占空比的脉冲源v2调节的恒压源v1供电，所述预定占空比通过半导体装置m1施加，优选地通过氮化镓fet施加以便尽可能地限制换向损耗，或者通过具有较小显著表现的等效装置施加，例如由internationalrectifier(usa)制造的mosfet型晶体管irfh5020。优选地将施加到电路的占空比减小以便获得高增益。

在这里和下文用于脉冲源v2的符号(标示了方波脉冲或矩形波脉冲)仅是象征性的；因此，由脉冲源v2提供的脉冲可以是任何形状，例如三角形、正弦曲线或相似物。

在本文所示的实施例中，通过调节由电源v1产生的恒压可设定在c1和l1之间的连接中的适当的谐振频率fr，所述谐振频率由如下通式定义：

其中l是l1的电感，c是c1的电容。

为了获得高输出，必须以优选地高于2khz的频率供电给电路。实际上，可见的是即使使用比1hz高得多的频率，电热效应总是发生且具有显著表现：考虑到在这种方式中单单由无功功率产生功，所获得的效应与电路的极低功耗比较起来仍是相当大的。

在下文描述的电路图中，如果没有另外明确说明，图1的相同参考缩写表示相同的部件。同样地，所有在以下电路图中描述的附加电容器应总被视为设有电热材料电介质。

例如，在图2的电路图，所有部件与图1相同，尽管电容器c1不再与电感器l1并联布置，而是电容器c1藉由其端子中的一个接地。

图3的电路图除了彼此并联连接的电容器c1和电感器l1之外还包括彼此串联连接的附加电感器l1'和额外电容器c1'；c1'和l1'的串联连接的端子进而与部件l和c并联连接。

在图4，示出了类似的电路，但是其中电容器c1'和电感器l1'的串联连接具有一个接地(或连接到负极)的端子，而不是连接到恒压源v1的正极。

在图3和图4的两个实施例中，电容器c1的电容值可相等于电容器c1'的电容值，使得电热效应基本上均匀地分布在电容器c1和电容器c1'上，而电感器l1和l1'的电感值还可以是彼此不同的，这取决于电路应该操作的理想谐振频率。

在图5的电路图中，示出了与图1的电路类似的电路，图中具有并联连接的并且优选地具有相同电感的两个电感器l1和l1'。这允许在振荡电路中分配任何超量电流负载。对于本领域技术人员显而易见的是，还可设有多于两个并联连接的电感器，并且两个或更多个电感器可具有不包含任何磁芯的绕组，或者所述绕组缠绕在相同的磁芯上或不同的磁芯上。

相反，在图6的实施例中，提供了彼此磁耦合的两个电感器l1和l2。第一电容器c1与第一电感器l1并联连接，例如在图1中已示，而第二电容器c2与第二电感器l2并联连接。由于两个电感器l1和l2之间的磁耦合，彼此连接的两个部件c2和l2也受到与施加到部件c1和l1的工作频率相同的工作频率，并且可以共有相同的电容值和电感值。

电感器可以通过空气或通过磁芯磁耦合。在这种情况下，用于耦合图6所示的电感器l1和l2的磁芯也优选地由具有高磁导率的材料制成，例如由fecunbsib的纳米晶体材料制成。与到目前为止所描述的单个电感器类似，耦合磁芯也可为常见的铁氧体磁芯的形式，例如在市场上有售的缩写为etd(经济型变压器设计)的铁氧体磁芯。这也适用于下文描述的电路的所有耦合的电感器。

至于图6所示的电感器之间的磁耦合，以及对于下文描述的电感器的耦合，耦合或变换的比率可以是1:1，也就是说耦合的电感器具有相同电感值，或者具有不同的比率，具有“升压”变比或者具有“降压”变比，由此电感器将具有彼此不同的电感值。继而选择与耦合的电感器连接的电容器的电容值，以符合电路中设定的谐振频率。图7的电路与图6中的电路类似，所述电路之间的唯一区别是图7的电容器c1的端子的其中一个接地，而不是连接到发电机v1的正极。

图8的电路是图6的电路的另一变型，在谐振电路中产生高电流的情况下，额外的电感器l1'和l2'分别与耦合的电感器l1和l2并联连接。所有电感器优选地具有相同的电感值，但是在特定情况下也可提供该解决方案的变型。与耦合的电感器并联连接的附加电感器也可多过图中所示的。

图9示出了另一个根据本发明的谐振电路的电路图，其中提供了级联耦合电感器组。具体来说，除了与相应电容器c1和c2连接的耦合的电感器l1和l2之外，额外的电感器l2'与电感器l2并联连接，并且继而与连接到相应的电容器c3的附加电感器l3耦合。同样在这种情况下，更多部件的组可以遵循将电感器彼此级联耦合的原则。将每个组中的各个部件的电感值和电容值限定以便将所有组的谐振保持在相同频率。

在图10的电路中，采用了彼此连接的电感器和电容器的多个级；所有级又并联连接到由相同脉冲源v2调节的dc电压的相同源v1。实际上，相同电源同时施加到级c1a-l1a、l2a-c2a、c3a-l3a直到第n级cna-lna。例如，电感器/电容器级的数目“n”可取决于特定用途所需的加热功率和/或取决于待加热/冷却的物体或流体的尺寸。在所述实施例中，所有电感器优选地具有相同电感值，但是在特定情况下，也可以提供该解决方案的变型；因此，电容器将具有同一电容值或经计算为符合电路中设定的谐振频率的值。

与图10的电路相同的原理也可在图11的电路中找到，图11的电路中提供了包括第二电感器l1b，l2b，l3b...lnb的多个“n”级，所述多个“n”级分别耦合到每个第一电感器l1a，l2a，l3a...lna。每个电感器l1a，l2a，l3a...lna与相应的电容器c1a，c2a，c3a...cna并联连接，以及每个电感器l1b，l2b，l3b...lnb与相应的电容器c1b，c2b，c3b...cnb并联连接。而在所述实施例中，所有电感器可具有同一电感值，或者在特定情况下也可以彼此不同，因此考虑到电容器会具有适合于符合电路中设定的谐振频率的电容值。

图12的电路图是本文已示出的各种实施例的组合，其中多个级与相同的源v1和v2并联连接。实际上，位于所述电路图的上部中的第一级包括耦合的电感器l1a和l1b，耦合的电感器l1a和l1b与相应的电感器l1a'和l1b'并联连接以及与相应的电容器c1a和c1b并联连接；在第二级中，耦合的电感器l2a和l2b与相应的电感器l2a'和l2b'并联连接以及与相应的电容器c2a和c2b并联连接；在第三级中，耦合的电感器l3a和l3b与相应的电感器l3a'和l3b'并联连接以及与相应的电容器c3a和c3b并联连接，如此类推直到第n级，其中耦合的电感器lna和lnb与相应的电感器lna'和lnb'并联连接以及与相应的电容器cna和cnb并联连接。在该实施例中以及到目前为止描述的实施例中，电感器和电容器的电感值和电容值会受限定以便符合在电路中设定的谐振频率。

基于要实施的各种加热或冷却应用来选择要用作电容器的电介质的电热材料。在加热的情况下，合适的材料可以是例如三元共聚物，而在冷却的情况下，例如可使用铁电陶瓷材料。

这些材料可以薄膜、厚膜或晶体的形式被用来制造平的电容器，所制成的电容器可应用于热交换器，例如“水冷头”式(waterblocktype)热交换设备等，水冷头亦即热交换流体流过的实心块。平的电容器可施加到交换器的固体的表面，可以通过插入具有高传热特性的电绝缘材料的膜(例如可以由dupont供应的商品名称为的膜)来将平的电容器施加到交换器的固体的表面。

然而，在制造加热设备时，应考虑到目前为止已知的电热材料的限制。例如，上述三元共聚物p(vdf-trfe-cfe)的熔融温度为约80℃。因此，为了防止电容器电介质受损，应当在较低的温度下使用所述电容器，例如不超过50℃的温度。然而，如果需要实现更大的热降δt，可以串联几个具有相同类型的加热元件(电容器)的热交换器。

如果必须应用快热式热水器，假设目标热降δt为25℃，则可以通过若干串联的热交换器并且基于待加热的水流速度来实现想要的温度，自动控制可通过作用于电源电压和/或通过启用或停用个别的加热元件来执行。

为了对房屋或一般而言对建筑物供热，由于须达到非常高的温度，可使用例如具有温度分层的锅炉。假设热水可达到的最高温度为50℃，为了保护加热元件，这种类型的设备可将温度升至高于75℃。

在冷却的情况下，如上所述通过供给具有由铁电陶瓷材料的薄膜、厚膜或晶体构成的电介质的电容器来进行冷却，可以使用相同的解决方案。

下文是用以确定利用电热材料的实际可能性的一些例子，该电热材料，特别是三元共聚物，即使在高频电场下仍然能够加热。

例子1：加热元件的原型的应用

已应用了平的电容器的原型，该平的电容器的原型具有由彼此靠近并粘附到板材的两个层构成的电介质。第一电介质是三元共聚物pvdf-trfe-ctfe(电热材料)，而第二层由空气构成。因此，等效图是如图13所示的串联连接的两个电容器。

介电的三元共聚物的特征如下：

边＝0.03×0.03m

表面s＝0.0009m²

pvdf-trfe-ctfe膜的厚度＝10μm

计及真空中的介电常数(ε0＝8.854*10^-12f/m)，计算出电容c1的值(三元共聚物)和c2的值(空气)。

c1的值经计算如下：

三元共聚物的相对介电常数εr1＝37

ε1＝327.6*10^-12f/m＝εr1×ε0

c1＝29.480*10^-12f(ε1×表面/厚度)

而c2的值经计算如下：

空气厚度＝4.23μm

空气的相对介电常数εr2＝1

ε2＝8.854*10^-12f/m＝εr2×ε0

c2＝1883.8*10^-12f(ε2×表面/厚度)

两个电容器的串联连接对应总电容，所述总电容根据以下公式计算：

例子2：实验测试

根据以上例子制造的电容器已如图1的电路般与电感器并联连接。

已选择将具有87,600hz(87.6khz)工作频率和200vrms电压有效值的正弦电压设定在电路中。

当知道电容器的总电容时，对应于87.6khz工作频率的电感值经计算为1.86mh。

将由pvdf-trfe-ctfe膜产生的热与由以22.69伏和0.103136a的电流吸收供电的电阻220ω产生的热进行比较。

当两个系统的温度达到50℃时，可以通过检测电阻器消耗的电功率来计算由电热膜产生的热功率，所述热功率相等于2.34w。

根据以下已知的公式以及计及总电抗xc和单电抗xc1和xc2，计算出由例子1的电容器原型的每个部分吸收的功率份额：

通过所述公式，可得出：

ctotal＝1773pfxc＝1025.3ωvrms＝200a＝0.195watt＝39；

c1＝29480pfxc1＝61.66ωvrms＝12a＝0.195watt＝2.34；

c2＝1883.8pfxc2＝964.6ωvrms＝188a＝0.195watt＝36.66。

当知道了总电压，可计算出施加到电热膜的部分电压和施加到空气的部分电压。因此，可以计算出由电热膜吸收的实际功率，因为空气吸收功率而不送回加热功率。

在不偏离本发明的范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种修改。例如，可采用适当地编程的振荡器代替由v2和m1示意性示出的部件，只要所述适当地编程的振荡器能够提供频率和占空比的所需特征。此外，除了在说明书中那些明确提及的材料之外，可使用具有电热效应的其他适当材料。