一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置

摘要

本发明公开了一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置，包括至少一组回热电卡制冷制热单元。每组回热电卡制冷制热单元包括电卡制冷传热组件、隔热组件和换热组件。电卡制冷传热组件包括一对堆叠的电卡层、电场施加装置及旋转驱动机构。电场施加装置用于向一对电卡层施加电场。旋转驱动机构用于驱动一对电卡层反向旋转。隔热组件包括叠置于上电卡层上的上隔热板和供下电卡层叠置于其上的下隔热板。换热组件包括热端上热管、冷端上热管、热端下热管和冷端下热管；每一热管包括本体部和自本体部向一侧凸出的凸出部，凸出部嵌在对应的隔热板中。本发明提升了制冷效率，节能环保。

说明书

技术领域

本发明涉及制冷技术，尤其涉及一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置。

背景技术

一般的制冷系统中利用的是蒸汽压缩循环来实现制冷，这种制冷系统效率低、耗能大，其中的冷媒介质对环境有着不同程度的污染和破坏，系统的压力较大，存在安全隐患。如何提高能源利用效率、保护环境和减小成本等成为了研究新型的制冷设备的重要问题。

电卡效应是绝缘介电材料（尤其是铁电材料）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Sp，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条件下，那么绝缘材料将会历经一个绝热温度变化ΔT的过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种换热效果好、制冷效率高的由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置，包括至少一组回热电卡制冷制热单元；每组回热电卡制冷制热单元包括电卡制冷传热组件、隔热组件和换热组件；

电卡制冷传热组件包括一对电卡层、电场施加装置以及旋转驱动机构；该一对电卡层上下堆叠设置，每一电卡层包括由隔热材料制成的框架以及间隔嵌入在该框架中的多块由电卡材料制成的电卡片，该多块电卡片呈环形排列；电场施加装置用于向一对电卡层施加电场，使该一对电卡层均处于N个高电场区域和N个低电场区域中，且上、下电卡层的高电场区域和低电场区域相对设置，施加在每一电卡层上的N个高电场区域与N个低电场区域交替错开设置，N≥1，旋转驱动机构用于驱动该一对电卡层以相反的方向旋转；

隔热组件包括叠置于上电卡层上的上隔热板和供下电卡层叠置于其上的下隔热板；在一对电卡层旋转时，该上隔热板和下隔热板固定不动；

换热组件包括N个热端上热管、N个冷端上热管、N个热端下热管和N个冷端下热管，每一热管包括本体部和自本体部向一侧凸出的凸出部；N个热端上热管的凸出部和N个冷端上热管的凸出部均嵌在上隔热板中，并分别处在施加于上电卡层的电场的2N个高电场区域与低电场区域的交界位置，N个热端下热管的凸出部和N个冷端下热管的凸出部均嵌在下隔热板中，并分别处在施加于下电卡层的电场的2N个高电场区域与低电场区域的交界位置，其中，各热端上热管的凸出部和各热端下热管的凸出部位于高电场区域内，各冷端上热管的凸出部和各冷端下热管的凸出部位于低电场区域内，各热管的凸出部在同一时刻仅能与一块电卡片进行换热。

采用上述技术方案后，本发明至少具有以下优点：

1、本发明采用热管换热，极大地提升了电卡制冷制热装置的换热效果；

2、通过使每组回热电卡制冷制热单元中的一对电卡层的旋转方向相反，在上、下电卡层之间实现了回热，从而提升了整个制冷装置的制冷效率；

3、采用电卡材料制冷，提高了能源利用效率，节能环保。

附图说明

图1是本发明一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置一个实施例的立体分解示意图。

图2是根据本发明一实施例的一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置的俯视示意图。

图3为根据本发明一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置另一实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

根据本发明一实施例的一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置，包括至少一组回热电卡制冷制热单元；每组回热电卡制冷制热单元包括电卡制冷传热组件、隔热组件和换热组件。

电卡制冷传热组件包括一对电卡层、电场施加装置以及旋转驱动机构。该一对电卡层上下堆叠设置，每一电卡层包括由隔热材料制成的框架以及间隔嵌入在该框架中的多块由电卡材料制成的电卡片，该多块电卡片呈环形排列。电场施加装置用于向一对电卡层施加电场，使该一对电卡层均处于N个高电场区域和N个低电场区域中，且上、下电卡层的高电场区域和低电场区域相对设置，施加在每一电卡层上的N个高电场区域与N个低电场区域交替错开设置，N≥1。旋转驱动机构用于驱动该一对电卡层以相反的方向旋转。

上述的上、下电卡层的高电场区域和低电场区域相对设置包含了以下含义：即当上电卡层的某一部分处于高电场区域时，与上电卡层的该部分相对的下电卡层的那一部分是处于低电场区域。上述的交替错开设置包含了以下含义：即在N≥2的情况下，每一高电场区域的两侧为低电场区域，每一低电场区域的两侧为高电场区域。

隔热组件包括叠置于上电卡层上的上隔热板和供下电卡层叠置于其上的下隔热板；在一对电卡层旋转时，该上隔热板和下隔热板固定不动。

换热组件包括N个热端上热管、N个冷端上热管、N个热端下热管和N个冷端下热管（施加在每一电卡层上的高电区域、低电场区域、以及热端上热管、冷端上热管、热端下热管和冷端下热管的数量是相等的，均为N个），每一热管包括本体部和自本体部向一侧凸出的凸出部。N个热端上热管的凸出部和N个冷端上热管的凸出部均嵌在上隔热板中，并分别处在施加于上电卡层的电场的2N个高电场区域与低电场区域的交界位置（当设有N个高电场区域和N个低电场区域时，上述的交界位置就有2N个），N个热端下热管的凸出部和N个冷端下热管的凸出部均嵌在下隔热板中，并分别处在施加于下电卡层的电场的2N个高电场区域与低电场区域的交界位置，其中，各热端上热管的凸出部和各热端下热管的凸出部位于高电场区域内，各冷端上热管的凸出部和各冷端下热管的凸出部位于低电场区域内，各热管的凸出部在同一时刻仅能与一块电卡片进行换热。

图1和图2示出了根据本发明一实施例的一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置，以下以图1和图2所示的实施例具体描述本发明的结构以及工作原理。

请参阅图1和图2。根据本发明一实施例的一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置包括一组回热电卡制冷制热单元。该回热电卡制冷制热单元包括电卡制冷传热组件、隔热组件和换热组件。

电卡制冷传热组件包括一对电卡层1、电场施加装置以及旋转驱动机构。一对电卡层1上下堆叠设置，上电卡层与下电卡层通过接触换热。每一电卡层1包括由隔热材料制成的框架11以及间隔嵌入在该框架中的多块由电卡材料制成的电卡片12，该多块电卡片12呈环形排列。在一个具体的实施例中，每个电卡层设有16个电卡片，电卡片的数量可根据实际需要做适当的调整，并不限于16个电卡片。所述的电卡材料为电卡陶瓷、电卡聚合物或嵌入了电卡陶瓷的电卡聚合物等，框架可采用诸如塑料等绝缘、低热导率的材料成型。

在图1和图2所示的实施例中，每一电卡层的框架11的形状为环形，电卡片12的形状为扇形，N=1。电场施加装置使一对电卡层的一半处于高电场区域，另一半处于低电场区域，且与处于高电场区域的一半上电卡层相对的一半下电卡层处于低电场区域，与处于低电场区域的一半上电卡层相对的一半下电卡层处于高电场区域。该低电场区域的电场大小可以为零（即无电场）。其中，上电卡层的上半部分半圆处于低电场区域，上电卡层的下半部分半圆处于高电场区域；下电卡层的上半部分半圆处于高电场区域，下电卡层的下半部分半圆处于低电场区域。

旋转驱动机构用于驱动该一对电卡层1以相反的方向旋转，即其中一个电卡层以顺时针方向旋转，另一电卡层以逆时针方向旋转。在图2所示的实施例中，一对电卡层的环形框架设有外齿圈；旋转驱动机构包括与该一对电卡层的外齿圈相啮合的齿轮传动机构31。最好是，旋转驱动机构驱动该一对电卡层1以相等的速度旋转。

隔热组件包括叠置于上电卡层上的上隔热板5和供下电卡层叠置于其上的下隔热板6。各隔热板可采用诸如塑料等绝缘、低热导率的材料成型。此处提到的隔热组件和前述的由隔热材料制成的框架11均用于防止热量和冷量的散失。在一对电卡层旋转时，该上隔热板和下隔热板固定不动。

换热组件包括分别位于上隔热板相对两侧的热端上热管71和冷端上热管72、以及分别位于下隔热板相对两侧的热端下热管73和冷端下热管74。各热管可采用诸如铜、铝等高热导率的材料成型。每一热管包括本体部7a和自本体部向一侧凸出的凸出部7b，凸出部7b嵌在对应的隔热板中，热端上热管、热端下热管、冷端上热管和冷端下热管的凸出部7b均处在高电场区域与低电场区域的交界位置，热端上热管71的凸出部和热端下热管73的凸出部位于高电场区域内，冷端上热管72的凸出部和冷端下热管74的凸出部位于低电场区域内。各热管的凸出部7b占据一个电卡片大小（或者是略大于一个电卡片大小）的区域，从而使各热管的凸出部7b能够覆盖住整个一个电卡片，并且，凸出部7b在同一时刻仅能与一块电卡片12进行换热，而不会同时与两块电卡片接触换热。对于热端上热管71和热端下热管73而言，嵌入隔热板中的凸出部7b为热管的热端，具有多个开孔的本体部7a为热管的冷端，热管中的相变介质在凸出部7b通过蒸发吸收电卡层的热量，在本体部7a中通过冷凝将热量散发到环境中。对于冷端上热管72和冷端下热管74而言，具有多个开孔的本体部7a为热管的热端，通过蒸发吸收环境的热量，而嵌入隔热板中的凸出部7b为热管的冷端，通过冷凝将热量传递到电卡层中。在一对电卡层旋转时，嵌入隔热板中的各热管的凸出部保持固定不动。

电场施加装置施加在一对电卡层1上的高电场为Eh，施加在一对电卡层1上的低电场为El，电场的变化ΔE=Eh-El。由电卡材料制成的电卡片12从低电场区域进入高电场区域时会从无序偶极状态变成有序偶极状态，熵减少，温度会增加；反之，电卡片12从高电场区域进入低电场区域时，偶极子又会回到无序状态，熵会增加，温度会降低。

上电卡层中的任意一块电卡片12的工作过程如下。上电卡层中的电卡片12从高电场区域向低电场区域旋转，通过电场降低的方式增加电卡片的熵，电卡片12旋转到低电场区域时温度降低。在该电卡片到达冷端上热管72的凸出部7b时，电卡片通过与其接触的冷端上热管72的凸出部7b进行热交换；由于上、下电卡层的转速相等，与此同时，下电卡层中的一块电卡片也到达冷端下热管74的凸出部7b，通过与其接触的冷端下热管74的凸出部7b接触换热。电卡片通过冷端热管的接触换热，将环境的热量转移到该电卡片中，达到降低环境温度的效果。上述上电卡层中的电卡片12再次旋转到高电场区域时，由于电场的增加，熵减少，温度会升高。在该电卡片到达热端上热管71的凸出部7b时，电卡片通过与其接触的热端上热管71的凸出部7b进行热交换；由于上、下电卡层的转速相等，与此同时下电卡层中的一块电卡片也到达热端下热管73的凸出部7b，通过与其接触的热端下热管73的凸出部7b接触换热。通过与热管的接触换热，将该电卡材料中的热量散发到热端的环境中，如此循环，达到制冷制热目的。

在本发明中，通过使一对电卡层的旋转方向相反，热量可在一对电卡层之间流动并实现回热。上电卡层的电卡片在从热端热管逆时针转向冷端热管的过程中总是在向下电卡层的电卡片传递热量，在到达冷端热管时又从冷端热管吸收热量。上电卡层从冷端热管向热端热管逆时针旋转时，又会从下电卡层吸收热量，在到达热端热管时向热端热管释放热量。下电卡层则顺时针进行上述过程。

在图1中，在下电卡层的上半部分半圆由高电场区域（或者说热端热管）转向低电场区域（或者说冷端热管）的时候，上电卡层的上半部分半圆由低电场区域（或者说冷端热管）逆时针转向高电场区域（或者说热端热管），由于温度差的存在，在该上半部分半圆中热量从下电卡层传向上电卡层。而在上电卡层和下电卡层的下半圆部分，上、下电卡层的运动和上述过程相反，热量从上电卡层传向下电卡层，形成回热过程。也就是，热量总是从离开高电场区域的电卡片传向靠近高电场的电卡片，如此循环完成回热过程，提高了整个制冷装置的制冷效率。

图3示出了根据本发明一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置另一实施例的示意图，在该实施例中，为了提高制冷效果，热管电卡制冷制热装置设置了多组回热电卡制冷制热单元，该多组回热电卡制冷制热单元从上至下堆叠在一起。相邻的两组回热电卡制冷制热单元中，上方的回热电卡制冷制热单元的下隔热板同时作为下方的回热电卡制冷制热单元的上隔热板，上方的回热电卡制冷制热单元的热端下热管和冷端下热管同时分别作为下方的回热电卡制冷制热单元的热端上热管和冷端上热管，即同时和与其相接触的上、下两个回热电卡制冷制热单元的电卡片进行换热。

在一种优选实施例中，为了减少摩擦，每一电卡层的上、下表面以及每一热管的凸出部的上、下表面均设有极薄的导热保护层。

本发明的一种由热管传递电场中旋转环片发热量的制冷制热装置适用于热泵、空调及电冰箱等温度调节设备。