基于熱開關的全固態室溫鐵電制冷機制造技術

本發明專利技術涉及一種室溫鐵電制冷機，具體涉及一種基于熱開關的使用鐵電材料回熱的全固態室溫鐵電制冷機。本發明專利技術的基于熱開關的全固態鐵電制冷機，包括N個鐵電制冷片，所述N個鐵電制冷片交替插在N+1個大小相當的熱開關中，其中最外側的熱開關分別與高溫熱源和低溫熱源相連，所述N個鐵電制冷片按規定的加場和減場次序進行控制并相應控制所述N+1個熱開關的通斷以實現制冷。本發明專利技術的基于熱開關的全固態鐵電制冷機具有結構非常緊湊、效率高、噪音低的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種室溫鐵電制冷機，具體涉及一種基于熱開關的使用鐵電材料回熱（或稱鐵電蓄冷AFR）的全固態室溫鐵電制冷機。
技術介紹
傳統廣泛應用的制冷方式是機械式蒸汽壓縮循環制冷。這種制冷技術使用的制冷工質會破壞大氣層上空的臭氧環境并且有溫室效應，而現在的替代工質也有很大的溫室效應指數和燃爆性，不但制冷效率不高，而且嚴重地影響到能源的利用和人類的生存環境。研究和發展節能、安全、環保的新型制冷方式非常重要。室溫鐵電制冷技術作為一種新型制冷方式，具有高能效、無污染、無噪音、安全可靠等優點，它不需要使用導致大氣臭氧層破壞和加劇全球變暖的有機制冷劑，而只需依靠鐵電材料的電場熱效應，通過加電場和去電場過程的反復循環達到制冷目的。因此，使用具有巨電場熱效應的鐵電制冷技術是一種近年來才被發現的新型綠色環保的制冷技術，受到了國際研究機構的關注。2006年以來，美國賓州州立大學章啟明教授等發現一些陶瓷鐵電材料（如鋯鈦酸鉛鑭陶瓷PLZT）和塑料材料（如聚偏氟乙烯P(VDF-TrFE-CFE)）的鐵電薄膜在強電場下具有非常高的溫度特性。最近幾年發現的無鉛陶瓷類鐵電材料（如BZT等）在強場下也具有很強的電場溫度效應，而這類材料的熱導也很大，很適于制冷過程中的熱交換。與傳統的鐵電材料很微弱的電場熱效應相比，這種新型的材料因為施加的電場強度高而熱效應很顯著，但使用這些鐵電材料做制冷機的可行方案還沒有出現。這類新材料其溫度變化雖然可以高達20K以上，但直接使用鐵電類材料的卡諾循環還不可行，其原因在于通常用于空調用途的溫差要在30K以上（需要考慮傳熱溫差），此外還因為在220V左右的市電電壓下這些鐵電薄膜單層厚度在微米量級才具有強的電場熱效應，而這時的電場強度已經遠遠高于普通絕緣材料的擊穿極限。所以要使用鐵電材料作制冷用途電場強度不能太強，而且還要解決防止雪崩擊穿導致材料整體破壞的問題。從這些考慮出發，如何引入回熱機制來解決大溫跨防擊穿問題以及換熱等一系列問題就成為室溫鐵電制冷的關鍵。此外，這些材料是固體屬性，其熱效應在固體內部，傳統觀念認為必須采用流體做載體換熱才能形成大溫差制冷循環。因為鐵電材料的熱效應還不夠大，不能直接采用加場去高溫熱源放熱然后減場去低溫熱源吸熱的方法，而需要引入回熱（蓄冷）技術來加大溫差才能實際使用。從使用鐵電工質進行制冷的工作方式來看，使用普通回熱的制冷循環主要有往復式和旋轉式兩種方式。前者制冷工質的運動是間斷不連續的，每次都要經歷停——開——停——開——停這樣一個周而復始的過程。旋轉式鐵電制冷機采用連續運轉鐵電工質的旋轉方式。此外，還可以讓制冷工質靜止而交替施加電場的方式來獲得制冷效果，并且這種方式更為經濟簡單。在這種制冷過程中需要使用流體載冷，流體的熱導率遠低于固體，這極大地限制了循環的速度，使得總的制冷功率較小。
技術實現思路
本專利技術目的是針對鐵電材料的特點，根據鐵電材料的電場熱效應原理，設計出一種全新的基于熱開關的全固態鐵電制冷機。本專利技術的基于熱開關的全固態鐵電制冷機，包括N個鐵電制冷片，所述N個鐵電制冷片交替插在N+1個大小相當的熱開關中，其中最外側的熱開關分別與高溫熱源和低溫熱源相連，所述N個鐵電制冷片按規定的加場和減場次序進行控制并相應控制所述N+1個熱開關的通斷以實現制冷。在一個具體實施方式中，所述N為偶數。在一個實施方案中，在制冷機循環的前半個周期，控制其中奇數位的鐵電制冷片減場、偶數位的鐵電制冷片加場，同時將奇數位的熱開關接通，偶數位熱開關斷開，則熱量向高溫端轉移；在制冷機循環的后半個周期，控制奇數位的鐵電制冷片加場、偶數位的鐵電制冷片減場，同時接通偶數位的熱開關、斷開奇數位的熱開關，則完成溫度場的回熱過程。再進行下一個周期，從而實現制冷鐵電制冷循環。在一個實施方案中，每個所述熱開關和鐵電制冷片之間使用高導熱流體或導熱脂以消除兩種固體表面之間接觸不良帶來的熱阻。所述熱開關是機械式的，或是電子式的。在一個實施方案中，所述熱開關是機械式的，所述鐵電制冷片在一方向上設有規則間隔開的刻槽，未刻槽處形成電卡效應區，所述刻槽內填有絕熱材料形成絕熱區；所述熱開關也相應地分為若干段，每一段上分別有導通區和斷開區；所述導通區接通鐵電制冷片的電卡效應區時形成兩鐵電制冷片間的熱流，而所述斷開區接通鐵電制冷片的電卡效應區時則基本不形成熱流。優選地，所述電卡效應區的長度是所述絕熱區長度的一半。優選地，機械式熱開關與所述鐵電制冷片的結構相似，不同的是所述鐵電制冷片中的電卡效應區域由金屬材料或石墨代替。優選地，本專利技術中的鐵電制冷片為10~20個。熱開關運動到不同位置決定鐵電制冷片之間熱傳導的通斷。本專利技術的逆循環運行也可以做熱泵使用。還有，該制冷機也可以在外熱源間循環，從而對外輸出電力，尤其可以在溫差不大的熱源間發電。本專利技術的制冷機還具有結構非常緊湊、效率高、噪音低的優點。附圖說明圖1為為本專利技術的基于熱開關的全固態鐵電制冷機的鐵電制冷片和熱開關位置關系的立體示意圖；圖2為不同鐵電制冷材料單元數對應的制冷模型在不同溫跨條件下的COP和EFF變化圖，其中COP為性能系數，EFF為熱力學完善度；圖3為本專利技術的鐵電制冷片的立體結構示意圖。具體實施方式為更清楚地理解本專利技術，現結合附圖對本專利技術作進一步說明。應該理解，附圖中所描述的本專利技術的具體實施例僅為說明本專利技術用，并不構成對本專利技術的限制。本專利技術的保護范圍由所附的權利要求書進行限定。應當理解，本專利技術的附圖僅為說明本專利技術用，并非按比例嚴格繪制。圖1為本專利技術的基于熱開關的全固態鐵電制冷機的鐵電制冷片和熱開關位置關系的立體示意圖。如圖1所示，本專利技術的基于熱開關的全固態鐵電制冷機包括外熱源1、外熱源2、熱開關3和鐵電制冷片4。鐵電制冷片4為偶數個，即N為偶數（圖示為10個，但并不局限于此），所述N個鐵電制冷片交替插在奇數個，即N+1個（圖示為11個，但并不局限于此））與所述鐵電制冷片大小相當的熱開關3中，其中最外側的熱開關分別與高溫熱源和低溫熱源相連。所述N個鐵電制冷片按規定的加場和減場次序進行控制并相應控制所述N+1個熱開關的通斷以實現制冷。具體而言，對于每一個鐵電制冷片，其加場或減場都與相鄰的鐵電制冷片相反，故在加減場完成后相鄰鐵電制冷片都形成一定的溫差。任意兩制冷片都通過熱開關連接在一起。控制高溫制冷片（舉例而言）左側的熱開關為斷狀態右側的熱開關為通狀態，則熱量將從該高溫制冷片傳向右側制冷片。待前面的過程基本結束后對每個制冷片作相反的加減場操作，則原先溫升的制冷片溫降，溫降的制冷片溫升，控制熱開關使溫降的制冷片（舉例而言）右側處于斷狀態左側處于通狀態，則熱量將從左側流向此制冷片。任何相鄰的制冷片在加減場后會處于高低溫變化的狀態，控制高溫片左側的熱開關處于斷狀態右側的熱開關處于通狀態則熱量必然向右側傳遞。從過程看，制冷片個數沒有奇偶數限制，都可以重復上面的過程形成循環，但每個制冷片都要加場或者減場，電荷將從一個制冷片流向另外一個制冷片，所以偶數個制冷片更方便加減場的能量管理設計。熱開關的數量需要比制冷片的數量多一個，這樣才能完成與高低溫熱源的連接以實現制冷目的。鐵電制冷片的材料可采用現有的鐵電材料，其厚度通常不宜超過2mm，但也不宜小于0.1mm，厚了傳熱時間長，頻率低，總功率本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于熱開關的全固態鐵電制冷機，其特征在于，包括N個鐵電制冷片，所述N個鐵電制冷片交替插在N+1個大小相當的熱開關中，其中最外側的熱開關分別與高溫熱源和低溫熱源相連，所述N個鐵電制冷片按規定的加場和減場次序進行控制并相應控制所述N+1個熱開關的通斷以實現制冷。

【技術特征摘要】
1.一種基于熱開關的全固態鐵電制冷機，其特征在于，包括N個鐵電制冷片，所述N個鐵電制冷片交替插在N+1個大小相當的熱開關中，其中最外側的熱開關分別與高溫熱源和低溫熱源相連，所述N個鐵電制冷片按規定的加場和減場次序進行控制并相應控制所述N+1個熱開關的通斷以實現制冷。2.根據權利要求1所述的一種基于熱開關的全固態鐵電制冷機，其特征在于，所述N為偶數。3.根據權利要求2所述的一種基于熱開關的全固態鐵電制冷機，其特征在于，在制冷機循環的前半個周期，控制其中奇數位的鐵電制冷片減場、偶數位的鐵電制冷片加場，同時將奇數位的熱開關接通，偶數位熱開關斷開，則熱量向高溫端轉移；在制冷機循環的后半個周期，控制奇數位的鐵電制冷片加場、偶數位的鐵電制冷片減場，同時接通偶數位的熱開關、斷開奇數位的熱開關，則完成溫度場的回熱過程。4.根據權利要求2所述的一種基于熱開關的全固態鐵電制冷機，其特征在于，每個所述熱開關和鐵電制冷片之間使用高導熱流體或導熱脂以消除兩種固體表面之間接觸不良帶來的熱阻。5.根據權利要求4所述的一種基于熱開關的全固態鐵電制冷機，其特征在于，所述熱開關是機械式的，或是電子式的。6.根據權利要求5所述的一種基于熱開關的全固態鐵電制冷...

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧定偉，李海波，
申請(專利權)人：南京大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32