本發(fā)明屬于制冷設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電卡制冷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電卡效應(yīng)是指在外加電場(chǎng)下材料表現(xiàn)出的可逆的等溫熵變或者絕熱溫度變化。能夠產(chǎn)生電卡效應(yīng)的材料稱為電卡材料。對(duì)電卡材料施加外加電場(chǎng)，材料本身的極化有序方式發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料的熵變。在等溫條件下，材料體系會(huì)與周圍介質(zhì)發(fā)生熱交換；在絕熱條件下，材料本身溫度會(huì)發(fā)生變化。

民用空調(diào)、冰箱的制冷主要是通過(guò)機(jī)械蒸發(fā)-凝聚循環(huán)，其效率較低、增加了電力峰值負(fù)荷、使用的氟利昂也是引起溫室效應(yīng)的氣體。因此需要尋求相對(duì)低廉、環(huán)境友好的新制冷技術(shù)。如果利用具有大電卡效應(yīng)的材料實(shí)現(xiàn)制冷，相比較傳統(tǒng)的蒸發(fā)-壓縮制冷而言，具有更高的效率和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

2014年《無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)》第29卷第1期《鐵電材料中的大電卡效應(yīng)》綜述了電卡效應(yīng)的熱力學(xué)理論、弛豫鐵電聚合物中的大電卡效應(yīng)，簡(jiǎn)述了電卡效應(yīng)的在制冷方面的應(yīng)用前景。

鐵電材料本身具有自發(fā)極化，在增大外加電場(chǎng)條件下，無(wú)規(guī)則隨機(jī)分布的極化在材料體系內(nèi)由于電場(chǎng)力的作用規(guī)則排列，引起材料極化熵的降低。在絕熱條件下，材料總熵不變，本身溫度會(huì)升高；在等溫條件下，材料會(huì)釋放熱量到環(huán)境當(dāng)中。在降低外加電場(chǎng)條件下，材料體系發(fā)生去極化過(guò)程，引起材料極化熵增大，在絕熱條件下，材料總熵不變，本身溫度會(huì)降低；在等溫條件下，材料會(huì)從環(huán)境吸收熱量。

在493K條件下給PbZr_0.95Ti_0.05O₃薄膜施加4.8*10⁷V/m電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了12K的溫度變化。2008年，在343K在P(VDF-TrFE)中亦發(fā)現(xiàn)12K的溫度變化。目前在接近室溫的條件下，P(VDF-TrFE)可實(shí)現(xiàn)大約20K的溫度變(95J kg^-1K^-1的熵變)。

前述的《鐵電材料中的大電卡效應(yīng)》雖然描述了相關(guān)原理，但是，文章沒(méi)有給出具體的實(shí)現(xiàn)制冷的辦法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在提供一種電卡制冷系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種電卡制冷系統(tǒng)，包括電卡制冷單元、電源、散熱片和制冷片，

電卡制冷單元由電卡材料和電極構(gòu)成，具有單層或者多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)作用于電卡制冷單元的外加電場(chǎng)改變材料體系的極化熵來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷，

電源給電卡制冷單元提供脈沖電壓，使得電卡制冷單元實(shí)現(xiàn)電卡制冷循環(huán)一次，要經(jīng)過(guò)4個(gè)步驟：

(1)給電卡材料施加電壓且不與外界熱交換，材料體系實(shí)現(xiàn)絕熱升溫過(guò)程1-2，電卡材料從狀態(tài)1(E₁，T_c，S_h)變化到狀態(tài)2(E₂，T_h，S_h)；

(2)電壓繼續(xù)增大，電卡材料與恒溫環(huán)境(T_h)進(jìn)行熱交換，材料體系實(shí)現(xiàn)等溫放熱過(guò)程2-3，電卡材料從狀態(tài)2(E₂，T_h，S_h)變化到狀態(tài)3(E₃，T_h，S_c)；

(3)電壓降低且電卡材料不與外界熱交換，材料體系實(shí)現(xiàn)絕熱降溫過(guò)程3-4，電卡材料從狀態(tài)3(E₃，T_h，S_c)變化到狀態(tài)4(E₄，T_c，S_c)；

(4)電壓繼續(xù)降低且電卡材料與恒溫環(huán)境(T_c)進(jìn)行熱交換，材料體系實(shí)現(xiàn)等溫吸熱過(guò)程4-1，電卡材料中狀態(tài)4(E₄，T_c，S_c)變化到狀態(tài)1(E₁，T_c，S_h)，

其中，作用于電卡制冷單元的外加電場(chǎng)增大后，電卡制冷單元與散熱片接觸放出熱量，作用于電卡制冷單元的外加電場(chǎng)減小后，電卡制冷單元與制冷片接觸實(shí)現(xiàn)吸熱。

實(shí)現(xiàn)換熱或者絕熱過(guò)程中通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)設(shè)計(jì)、熱開(kāi)關(guān)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等方式實(shí)現(xiàn)電卡制冷單元與散熱片、制冷片之間的接通和斷開(kāi)。

一種電卡制冷系統(tǒng)，包括電卡制冷單元、電極層、散熱片、制冷片和電源。

電卡制冷單元由電卡材料層和被覆在電卡材料層表面的金屬電極層構(gòu)成雙層電容結(jié)構(gòu)，即在三層電極層中間插入兩層電卡材料層，一端電極層-電卡材料層-電極層形成制冷冷端，另一端電極層-電卡材料層-電極層形成制冷熱端。

通過(guò)電源分別給冷端、熱端提供脈沖電壓，且在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，電壓的升高和降低具有不同的速率，在一個(gè)脈沖周期，電卡制冷單元的冷端電壓經(jīng)歷迅速升高、保持電壓、電壓降低的過(guò)程，在對(duì)應(yīng)的時(shí)間段，電卡制冷單元的熱端經(jīng)歷電壓迅速降低、保持低電壓、電壓升高的過(guò)程。

通過(guò)電卡制冷單元的冷端與制冷片接觸、電卡制冷單元熱端與散熱片接觸，實(shí)現(xiàn)熱量的有效散出，反復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的效果。

電卡制冷單元中電容層的數(shù)量可擴(kuò)展為任意的偶數(shù)層。

一種電卡制冷系統(tǒng)，包括電卡制冷單元、散熱片、制冷片、熱開(kāi)關(guān)和電源。

其中，電卡制冷單元由電卡材料層和電極層構(gòu)成，通過(guò)電源給電卡制冷單元提供脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)電卡制冷單元的升溫、降溫。

通過(guò)電場(chǎng)調(diào)節(jié)熱開(kāi)關(guān)中的液晶分子或碳納米管，實(shí)現(xiàn)電卡制冷單元與散熱片、制冷片之間熱傳導(dǎo)的接通、斷開(kāi)，包括步驟：

首先，電卡制冷單元與散熱片、制冷片之間熱開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)，電壓逐漸增大，電卡單元絕熱升溫；然后，電卡制冷單元與散熱器之間熱開(kāi)關(guān)接通，電卡制冷單元向散熱片傳遞熱量；再次，電卡制冷單元與散熱器之間熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，逐漸降低電壓，電卡制冷單元絕熱降溫；最后，電卡制冷單元與制冷片間熱開(kāi)關(guān)接通，電卡制冷單元從制冷片吸收熱量，恢復(fù)到初始狀態(tài)，

在一個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)熱的單向流動(dòng)，即從制冷片吸熱，向散熱片放熱，反復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的效果。

一種電卡制冷系統(tǒng)，包括電卡制冷單元、散熱片、制冷片、馬達(dá)和電源。

其中，電卡制冷單元由電卡材料層和電極層構(gòu)成，通過(guò)馬達(dá)，電卡制冷單元在散熱片和制冷片之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電源通過(guò)控制器給電卡制冷單元施加電場(chǎng)。

在電卡制冷系統(tǒng)向散熱器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電壓逐漸增大，電卡單元絕熱升溫；在電卡制冷單元與散熱器接觸后可繼續(xù)提高電壓或者保持電壓，電卡制冷單元向散熱片傳遞熱量；隨后電卡制冷單元與散熱器分離，同時(shí)逐漸降低電壓，電卡制冷單元絕熱降溫；在電卡制冷單元與制冷片接觸后繼續(xù)降低電壓或者保持電壓最小值，電卡制冷單元從制冷片吸收熱量。

一個(gè)往復(fù)周期，電源與馬達(dá)在相同的時(shí)間段，實(shí)現(xiàn)熱的單向流動(dòng)，即從制冷片吸熱，向散熱片放熱，反復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的效果。

所述的電卡材料層采用鐵電、弛豫鐵電材料材料。

所述的鐵電材料是PbZr_0.95Ti_0.05O₃、0.63Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃-0.37PbTiO₃、(Ba,Sr)TiO₃或者P(VDF-TrFE)等具有電卡效應(yīng)的材料。

所述的電極層的材料是金屬金或銀或者其它良導(dǎo)電材料。

與制冷片相接觸的電極表面均形成BeO或者AlN等良導(dǎo)熱不導(dǎo)電薄膜。

本發(fā)明可用于空調(diào)、冰箱等日用電器的制冷，也可應(yīng)用于晶元、封裝電路等微電子器件的制冷。為克服現(xiàn)有制冷器噪音大、機(jī)械故障等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種制冷系統(tǒng)，在有效散熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)噪音和不易出故障。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明涉及的電卡制冷效應(yīng)原理圖。

圖2本發(fā)明系統(tǒng)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。所描述實(shí)例僅為本發(fā)明的一個(gè)例子，而不是所有可行的實(shí)施方案。基于相同的制冷原理，設(shè)計(jì)的其它實(shí)施例子，均屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為電卡制冷效應(yīng)的原理圖。電卡制冷循環(huán)一次經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟：(1)給電卡材料施加電壓且不與外界熱交換，材料體系實(shí)現(xiàn)絕熱升溫過(guò)程1-2。由于電卡效應(yīng)，材料從狀態(tài)1(E₁，T_c，S_h)變化到狀態(tài)2(E₂，T_h，S_h)。(2)電壓繼續(xù)增大材料與恒溫環(huán)境(T_h)進(jìn)行熱交換，材料體系實(shí)現(xiàn)等溫放熱過(guò)程2-3。材料從狀態(tài)2(E₂，T_h，S_h)變化到狀態(tài)3(E₃，T_h，S_c)。(3)電壓降低且材料不與外界熱交換，材料體系實(shí)現(xiàn)絕熱降溫過(guò)程3-4。材料從狀態(tài)3(E₃，T_h，S_c)變化到狀態(tài)4(E₄，T_c，S_c)。(4)電壓繼續(xù)降低且材料與恒溫環(huán)境(T_c)進(jìn)行熱交換，材料等溫吸熱過(guò)程4-1。材料中狀態(tài)4(E₄，T_c，S_c)變化到狀態(tài)1(E₁，T_c，S_h)。經(jīng)過(guò)一次循環(huán)，材料體系恢復(fù)到初始狀態(tài)。經(jīng)過(guò)一次循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱量T_CΔS的散出。

圖2為本發(fā)明方法的示意圖，通過(guò)電源給電卡制冷單元提供脈沖電壓，電卡制冷單元實(shí)現(xiàn)類似于圖1的循環(huán)過(guò)程。在電卡制冷單元中增大電場(chǎng)或者電場(chǎng)增大后，使電卡制冷單元與散熱片接觸放出熱量，在電卡制冷單元中降低電場(chǎng)或者電場(chǎng)降低后，使電卡制冷單元與制冷片接觸實(shí)現(xiàn)吸熱。實(shí)現(xiàn)換熱或者絕熱過(guò)程可通過(guò)特殊的電壓、電卡制冷單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可通過(guò)熱開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電卡制冷單元與散熱片、制冷片之間的接通和斷開(kāi)，還可通過(guò)機(jī)械馬達(dá)往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電卡制冷單元與散熱片、制冷片之間的接通和斷開(kāi)。

制冷器件的關(guān)鍵是從冷端向熱端輸運(yùn)熵。即以一種可逆的辦法來(lái)從一個(gè)溫度水平向另一個(gè)溫度水平輸送熵而不在整個(gè)過(guò)程中新增熵。這就要求有一種物質(zhì)，其熵值不僅僅依賴于溫度。電卡材料具有這種特性，通過(guò)外加電場(chǎng)的變化能夠?qū)崿F(xiàn)熵變，問(wèn)題的重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)熵的輸運(yùn)。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)熱的有效轉(zhuǎn)移，可通過(guò)以下方法之一實(shí)現(xiàn)：

1.包括電卡制冷單元、電極層、散熱片、制冷片、電源系統(tǒng)組成的制冷器件。電卡制冷單元由電卡材料層和被覆在電卡材料層表面的金屬電極層構(gòu)成類似電容器的結(jié)構(gòu)。在外加電場(chǎng)增加(或降低)情況下，材料體系的極化熵降低(或增大)，在絕熱條件下，材料體系本身溫度會(huì)升高(或降低)，在等溫條件下，材料體系會(huì)放熱(或吸熱)。電卡制冷單元為雙層電容結(jié)構(gòu)，即在三層金屬層中間插入兩層電卡材料層，一邊金屬層-電卡材料層-金屬層形成制冷冷端，另一邊金屬層-電卡材料層-金屬層形成制冷熱端。通過(guò)脈沖電源分別給冷端、熱端提供脈沖電壓，且在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，電壓的升高和降低具有不同的速率。在一個(gè)脈沖周期，電卡制冷單元的冷端電壓經(jīng)歷迅速升高、保持電壓、電壓降低的過(guò)程。在相同的時(shí)間段，電卡制冷單元的熱端經(jīng)歷電壓迅速降低、保持低電壓、電壓升高的過(guò)程。在一個(gè)周期，整個(gè)電卡制冷單元實(shí)現(xiàn)熱的單向流動(dòng)，即從冷端吸熱，在熱端放熱，達(dá)到制冷的效果。通過(guò)電卡制冷單元的冷端與制冷片接觸、電卡制冷單元熱端與散熱片接觸，實(shí)現(xiàn)熱量的有效散出。反復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的效果。電卡制冷單元中電容層的數(shù)量可擴(kuò)展為任意的偶數(shù)層，如4、6、8等，能夠?yàn)檫M(jìn)一步提高單層的耐壓強(qiáng)度，提高制冷效率。

2.包括電卡制冷單元、散熱片、制冷片、熱開(kāi)關(guān)、電源系統(tǒng)組成的制冷器件。其中電卡制冷單元由具有電卡效應(yīng)的鐵電材料和電極構(gòu)成，通過(guò)脈沖電源給電卡制冷單元提供脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)電卡制冷單元的升溫、降溫。通過(guò)電場(chǎng)調(diào)節(jié)熱開(kāi)關(guān)中的液晶分子(或碳納米管)，實(shí)現(xiàn)電卡制冷單元與散熱片、制冷片之間熱傳導(dǎo)的接通、斷開(kāi)。首先，電卡制冷單元與散熱片、制冷片之間熱開(kāi)關(guān)保持?jǐn)嚅_(kāi)，電壓逐漸增大，電卡單元絕熱升溫；然后，電卡制冷單元與散熱器之間熱開(kāi)關(guān)接通，電卡制冷單元向散熱片傳遞熱量；再次，電卡制冷單元與散熱器之間熱開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，逐漸降低電壓，電卡制冷單元絕熱降溫；最后，電卡制冷單元與制冷片間熱開(kāi)關(guān)接通，電卡制冷單元從制冷片吸收熱量，恢復(fù)到初始狀態(tài)。在一個(gè)周期，實(shí)現(xiàn)熱的單向流動(dòng)，即從制冷片吸熱，向散熱片放熱。反復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的效果。

3.包括電卡制冷單元、散熱片、制冷片、馬達(dá)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成的制冷器件。其中電卡制冷單元由具有電卡效應(yīng)的鐵電材料和電極構(gòu)成，通過(guò)馬達(dá)，電卡制冷單元在散熱片和制冷片之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電源通過(guò)控制器給電卡制冷單元施加電場(chǎng)。在電卡制冷系統(tǒng)向散熱器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電壓逐漸增大，電卡單元絕熱升溫；在電卡制冷單元與散熱器接觸后可繼續(xù)提高電壓或者保持電壓，電卡制冷單元向散熱片傳遞熱量；隨后電卡制冷單元與散熱器分離，同時(shí)逐漸降低電壓，電卡制冷單元絕熱降溫；在電卡制冷單元與制冷片接觸后繼續(xù)降低電壓或者保持電壓最小值，電卡制冷單元從制冷片吸收熱量。一個(gè)往復(fù)周期，脈沖電源與馬達(dá)使用相同的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)熱的單向流動(dòng)，即從制冷片吸熱，向散熱片放熱。反復(fù)循環(huán)達(dá)到制冷的效果。

本發(fā)明中電卡制冷單元中電卡材料由具有明顯電卡效應(yīng)的鐵電、弛豫鐵電的陶瓷或聚合物等組成，比如PbZr_0.95Ti_0.05O₃，0.63Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃-0.37PbTiO₃,(Ba,Sr)TiO₃，和P(VDF-TrFE)等具有電卡效應(yīng)的材料。電極層由金屬Au、Ag、Cu等具有良好導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能的材料組成。

本發(fā)明中的電卡制冷單元通過(guò)金屬電極與制冷片、散熱片接觸。且在其接觸表面通過(guò)濺射形成BeO或者AlN的薄膜，促進(jìn)電卡制冷單元與制冷片、散熱片之間的熱傳導(dǎo)，保證電卡制冷單元與制冷片、散熱片之間的電絕緣。

制冷片可與晶元、封裝電路、空調(diào)、冰箱等的制冷部位相連接實(shí)現(xiàn)給相應(yīng)設(shè)備制冷。