[发明专利]回热电卡制冷装置

说明书

技术领域

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

一般，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。

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S_p，所述的熵变可用等温熵变ΔS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ΔT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ΔT最大为28℃(见图1)。

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。

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_c＝T_c(S_c-S_h)及性能系数COP＝Q_c/W(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＝T_c/(T_h-T_c)等式(1)。

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T_h-T_c是由电卡材料的绝热温度变化ΔT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T_h变化到T_c时，加在以电卡材料作为致冷剂上的电场没有变化。T_h-T_c比电卡材料因场强变化E_h–E₁所引起的温度差ΔT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_c)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所示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。