[發明專利]回熱電卡制冷裝置

有效

• 申請號: 201410347350.5
• 申請日: 2014-07-21
• 公開（公告）號: CN104296416A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發明（設計）人: 程愛蘭;章啟明
• 申請（專利權）人: 程愛蘭;章啟明
• 主分類號: F25B21/00
• 分類號: F25B21/00
• 代理公司: 北京愛普納杰專利代理事務所(特殊普通合伙) 11419
• 代理人: 何自剛

技術領域

本發明提供一種回熱電卡制冷裝置，尤其是指利用一種可旋轉的電卡材料環制成的回熱電卡制冷裝置。

背景技術

一般，氣候調節設備(如熱泵、冰箱及空調)是通過機械蒸汽壓縮循環實現制冷的。這種制冷系統不僅效率低，而且能耗大，其產生溫室效應的氣體對環境的影響也很大。提高能源利用率、降低成本和保護環境等的氣候調節設備便成了業務探究的新課題。

電卡效應是絕緣介電材料的熱性能(如熵和溫度)與電學性能(如電場和極化)之間直接耦合的結果。在這種類型的材料中，改變施加電場引起相應的極性變化，進而導致偶極熵變S_p，所述的熵變可用等溫熵變ΔS來直接度量。如果電場的變化是在絕熱的條件下，那么絕緣材料將會經歷一個絕熱溫度變化ΔT的過程。目前，大型電卡效應已經被(李新宇、錢小實、魯圣國、程繼平、方釗和章啟明)發現并被開發。在弛豫鐵電體或聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯)三元共聚物中，電卡效應的溫度依賴性是可調節的。劉新宇、錢小實、顧海明、陳翔中、魯圣國、林敏仁和貝特曼·弗雷德和章啟明在Appl.Phys.Lett.99,052907(2011)期刊中發表了鐵電體聚合物(偏二氟乙烯-三氟乙烯)共聚物在一級鐵電相變處的巨型電卡效應。室溫下，當外加電場變化至180MV/m時，電卡聚合物溫度變化ΔT最大為28℃(見圖1)。

制冷設備的一個關鍵組成部分是熵從冷端到熱端之間的傳遞。其目的是使熵以一種可逆方式從一個溫度態傳到另一個溫度態。這就要求制冷劑的熵可以被除了溫度以外的其它變量而改變。在本發明的制冷設備中，這種物質是電卡材料，所述的電卡物質的熵和/或溫度可以通過外加電場來改變。

所有穩態轉換必須是循環的，因為熵所承載的物質是沒有被消耗。圖2是說明理想狀態制冷循環(卡諾循環),此循環包括兩個絕熱過程和兩個等溫過程。對于卡諾循環而言，從冷源吸收的熱量是Q_c＝T_c(S_c-S_h)及性能系數COP＝Q_c/W(所述的W是在制冷過程中外界所作的功)，性能系數還可以表達成COP＝T_c/(T_h-T_c)等式(1)。

在圖2中的制冷循環(和基于圖2中制冷循環原則的制冷設備)，最大溫度差T_h-T_c是由電卡材料的絕熱溫度變化ΔT所決定的。為了增加溫度差并提高效率，在實際的氣候調節設備，如抽濕機中通常引入了回熱過程和/或回熱器。例如，圖3中說明一個理想的EC埃里克森循環，交流換熱器跨越溫度從T_h變化到T_c時，加在以電卡材料作為致冷劑上的電場沒有變化。T_h-T_c比電卡材料因場強變化E_h–E₁所引起的溫度差ΔT大。于是，一些基于電卡效應的制冷循環以被開發。圖4a中呈現回熱電卡制冷裝置，說明了用熱量交換液體從冷端(吸收熱量Q_c)傳遞熱量到熱端(散發熱量Q_h)。其中有兩個電卡層和一個如圖4b所示施加在兩個電卡層的電場。由于電場(電壓)在其中一個電卡層(如ECE1)中由低向高變化，導致在該電卡層的溫度升高，而在另一個電卡層(如ECE2)的電場由高向低改變，這就引起電卡層的溫度降低，這兩個電卡層的變化都歸結于電卡效應。在此情形下的熱量交換液體先是逆時針再是順時針流動，并從冷端吸收熱量，在熱端釋放熱量，這些可以歸納為屬于第一個半循環。而另一個半循環中，在兩個電卡層上的電場是反向的，熱量交換液體是順時針方向流動的。因此，每一個電卡層的熱量交換流向具有雙向流動性。