CN110701823B - 热声与热释电耦合驱动的电卡制冷*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，包括热释电发电‑发动机和电卡制冷机，热释电发电‑发动机与电卡制冷机之间设有热缓冲管道，且热释电发电‑发动机与电卡制冷机通过导线连接形成回路，热释电发电‑发动机内填充可作为发动机回热器材料的热释电体材料,热释电体材料包括单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、聚偏二氟乙烯、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。本发明解决了传统气体压缩制冷技术存在运动部件、***庞大复杂的问题，将热声发动机与热释电发电技术相结合形成的热释电发电‑发动机，驱动工质作往复运动，替代传统的机械泵，***无运动磨损、静音、安全可靠，同时提高***的稳定性，***更加紧凑。

Description

热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其涉及一种热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***。

背景技术

传统的蒸汽压缩式制冷***是由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等四个主要部分组成，工质循环其中，用管道依次连接，形成一个完全封闭的***，制冷剂在这个封闭的制冷***中以流体状态循环，通过相变，连续不断地从蒸发器中吸取热量，并在冷凝器中放出热量，从而实现制冷的目的。虽然此技术已较为成熟，但却存在***庞大复杂、制冷剂对环境有危害，且制冷***中运动部件容易磨损损坏的问题。

电卡制冷利用的是铁电材料的电卡效应，即利用极性材料中因外电场的改变从而导致极化状态发生改变而产生的绝热温度或等温熵的变化的效应来进行制冷。相比传统的蒸发-压缩制冷而言，其具有更高的效率及环保的优点。目前对电卡效应的研究工作主要集中于新型铁电材料的探究，研究工作已经涵盖了无机铁电反铁电单晶、陶瓷、薄膜、厚膜、有机铁电薄膜、厚膜以及铁电液晶等,数种材料均表现出了诱人的应用前景，但如何将铁电材料与现有的技术相结合，发挥电卡效应的潜力进行商业化还仍需进一步探讨研究。

热声热机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置，具有能源适应性好、可靠性高等优点。广义的热声发动机不仅包括传统的驻波、行波、双作用热声发动机，还包括斯特林发动机等结构形式。热声发动机是一种利用热能产生流体往复运动的装置，其工作频率很宽，一般在几赫兹至上千赫兹。热声发动机如果再接上制冷机，就可以实现功热转换功能。

目前，现有的热声发动机驱动的制冷机，多是利用基于热声理论的脉管制冷机或是广义的斯特林制冷机，热声发动机产生的声功形式的机械能在制冷机的回热器中进行功热转换，将热量从低温热源不断输运到常温换热器中，从而实现制冷的功能。但现有的热声制冷机与传统的气体压缩制冷相比却存在效率偏低的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的制冷***存在制冷剂对环境有危害、***复杂以及部件存在磨损的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，包括热释电发电-发动机和电卡制冷机，所述热释电发电-发动机与所述电卡制冷机之间设有热缓冲管道，且所述热释电发电-发动机与所述电卡制冷机通过导线连接形成回路，所述热释电发电-发动机内填充可作为发动机回热器材料的热释电体材料，所述热释电体材料包括单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、聚偏二氟乙烯、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。

其中，所述热释电发电-发动机的工作温区为0～1000摄氏度。

其中，所述热释电发电-发动机包括第一换热器、热释电发电-发动机回热器和第二换热器，所述热释电发电-发动机回热器设置于所述第一换热器和所述第二换热器之间，所述第一换热器的换热温度低于所述第二换热器的换热温度，所述第二换热器与所述电卡制冷机之间为所述热缓冲管道，所述热释电发电-发动机回热器内按照温区的渐变规律填充所述热释电体材料。

其中，所述电卡制冷机包括第三换热器、电卡回热器和第四换热器，所述电卡回热器设置于所述第三换热器和所述第四换热器之间，所述第三换热器的换热温度低于所述第二换热器的换热温度，所述第三换热器的换热温度高于所述第四换热器的换热温度，所述第三换热器与所述第二换热器之间为所述热缓冲管道，所述电卡回热器内按照温区的渐变规律填充铁电材料。

其中，还包括管体，所述管体内填充工质，所述热释电发电-发动机及所述电卡制冷机均设置于所述管体内，所述热释电发电-发动机与所述电卡制冷机之间的管段为所述热缓冲管道，所述工质为气体和/或液体。

其中，所述管体包括环形管和谐振管，所述谐振管与所述环形管连通，所述热释电发电-发动机设置于所述环形管内，所述电卡制冷机设置于所述谐振管内。

其中，所述热缓冲管道内设置次级换热器。

其中，所述热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***为行波型、驻波形或U型结构。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明实施例的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，当选取合适的热释电体材料作为热释电发电机-发动机的回热器填充材料时，将热声发动机与热释电发电技术相结合形成的热释电发电-发动机，可同时作为热声发动机和热释电发电机使用，将热量转换成声功形式的机械能，实现热功转换过程，热释电发电-发动机驱动***内的工质以一定的频率做往复运动，替代传统的机械泵。同时，热释电发电-发动机产生声功形式的机械能后，声功率先通过热释电发电-发动机，由于热释电发电-发动机其自身在绝热状态下会发生热释电效应，即逆电卡效应，当声功形式的机械能推动工质在热释电发电-发动机中进行特定频率的高速往复运动时，会使热释电发电-发动机产生一定频率的电场，该电场通过导线传递给电卡制冷机，由于电卡制冷机工作时可理解为无数个微小的等温-绝热过程，因此可通过改变***的尺寸结构与充气压力相结合来改变***工作的频率，从而在热释电发电-发动机产生的感应电场和往复运动的交变流场的双重作用下，电卡制冷机利用电卡效应将外界环境的热量输送至***内，从而实现制冷的功能。热缓冲管道可使热释电发电-发动机机可以处于适宜的材料转变温区，同时起着一定的调相的作用。

本发明解决了传统的气体压缩制冷技术存在运动部件、***庞大复杂且制冷剂对环境有危害问题，提供了一种完全无运动部件的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，将热声发动机与热释电发电技术相结合形成的热释电发电-发动机，利用热声发动机工作频率范围宽的特性，可以驱动工质作往复运动，从而替代传统的机械泵，进而提供一种完全无运动部件的热驱动新型固态热功转换***，***无运动磨损、静音、安全可靠，同时提高***的稳定性，***更加紧凑。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例一热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***的结构示意图；

图2是本发明实施例二热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***的结构示意图。

图中：2：热释电发电-发动机；3：电卡制冷机；5：热缓冲管道；6：导线；7：管体；8：工质；9：次级换热器；21：第一换热器；22：热释电发电-发动机回热器；23：第二换热器；31：第三换热器；32：电卡回热器；33：第四换热器；71：环形管；72：谐振管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

电卡制冷利用的是铁电材料的电卡效应，即利用极性材料中因外电场的改变从而导致极化状态发生改变而产生的绝热温度或等温熵的变化的效应来进行制冷。由于电卡效应直接与极化强度P的变化相关,因而强极性的铁电材料能产生较大的电卡效应。电卡效应是热释电效应的逆效应，故又称逆热释电效应。对极性材料施加电场,材料中的电偶极子从无序变为有序,材料的熵减小,而在绝热条件下,多余的熵产生温度的上升；若保持电场不变将铁电材料与散热件接触，则会使得铁电材料的热量发生转移，温度下降；随后移去电场，材料中的电偶极子从有序变为无序,材料的熵增加，在等温条件下,材料从外界吸收热量使能量守恒，或在绝热条件下,不足的熵导致材料温度的下降；若电场强度继续保持为零，此时电卡材料温度低于制冷环境温度，能量便从低温热源转移到电卡材料上。具有较大电卡效应的材料有望实现介电制冷，相比传统的蒸发-压缩制冷而言，其具有更高的效率及环保的优点。

热声发动机是利用热声效应，将热能转化为声波形式的机械能的热功转换装置，具有能源适应性好、可靠性高等优点。广义的热声发动机不仅包括传统的驻波、行波、双作用热声发动机，还包括斯特林发动机等结构形式。它的核心部件主要由加热器、回热器、水冷器组成，辅助部件通常还可以包括热缓冲管、次水冷器、谐振管、排出器等。在热声发动机中，只要存在高温热源，回热器轴向的温度梯度达到一定值，***就会自激振荡，即***自发地将高温热源的热量一部分转化为声波形式的机械能，一部分通过低温部件——水冷器传递给环境。热声发动机是一种利用热能产生流体往复交变运动的装置，其工作频率很宽，一般在几赫兹至上千赫兹。热声发动机如果再接上制冷机，就可以实现功热转换功能。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，包括热释电发电-发动机2和电卡制冷机3，热释电发电-发动机2与电卡制冷机3设有热缓冲管道5，且热释电发电-发动机2与电卡制冷机3通过导线6连接形成回路，热释电发电-发动机2内填充可作为热声发动机回热器材料的热释电体材料，所述热释电体材料包括单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、聚偏二氟乙烯、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。

本发明实施例的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，当选取合适的热释电体材料作为热释电发电机-发动机的回热器填充材料时，将热声发动机与热释电发电技术相结合形成的热释电发电-发动机，可同时作为热声发动机和热释电发电机使用，构成热释电发电-发动机，可将热量转换成声功形式的机械能，实现热功转换过程，热释电发电-发动机驱动***内的工质以一定的频率做往复运动，替代传统的机械泵。同时，热释电发电-发动机产生声功形式的机械能后，声功率先通过热释电发电-发动机，由于热释电发电-发动机其自身在绝热状态下会发生热释电效应，即逆电卡效应，当声功形式的机械能推动工质在热释电发电-发动机中进行特定频率的高速往复运动时，会使热释电发电-发动机产生一定频率的电场，该电场通过导线传递给电卡制冷机，由于电卡制冷机工作时可理解为无数个微小的等温-绝热过程，因此可通过改变***的尺寸结构与充气压力相结合来改变***工作的频率，从而在热释电发电-发动机产生的感应电场和往复运动的交变流场的双重作用下，电卡制冷机利用电卡效应将外界环境的热量输送至***内，从而实现制冷的功能。热缓冲管道可使热释电发电-发动机机可以处于适宜的材料转变温区，同时起着一定的调相的作用。

本发明解决了传统的气体压缩制冷技术存在运动部件、***庞大复杂且制冷剂对环境有危害问题，提供了一种完全无运动部件的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，将热声发动机与热释电发电技术相结合形成的热释电发电-发动机，利用热释电发电-发动机工作频率范围宽的特性，可以驱动工质作往复运动，从而替代传统的机械泵，进而提供一种完全无运动部件的热驱动新型固态热功转换***，***无运动磨损、静音、安全可靠，同时提高***的稳定性，***更加紧凑。

需要强调的是，热释电发电-发动机和电卡制冷机的位置可以互换，二者相对位置并不固定，并且***内部的工质可为气体，如氦气、氢气、氮气等，也可为液体，如水、盐溶液、导热油以及液态金属等，具有绿色无毒的特性。***可以多级串联或并联，实现多级制冷；***中的工质可以为气体介质，也可以为气-液共存形式。

其中，热释电发电-发动机2的工作温区为0～1000摄氏度，热释电体材料包括单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、PVDF(聚偏二氟乙烯)、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。本实施例中，单晶材料可选用TGS(硫酸三甘肽)，高分子有机聚合物及复合材料可选用PVF(聚氟乙烯)或PVDF，金属氧化物陶瓷及薄膜材料可选用ZnO或BaTiO₃。

其中，热释电发电-发动机2包括第一换热器21、热释电发电-发动机回热器22和第二换热器23，热释电发电-发动机回热器22设置于第一换热器21和第二换热器23之间，第一换热器21的换热温度低于第二换热器23的换热温度，第二换热器23与电卡制冷机3之间为热缓冲管道5，热释电发电-发动机回热器22内按照温区的渐变规律填充热释电体材料。本实施例中第一换热器为第一热释电换热器，第二换热器为第二热释电换热器，当制冷***工作时，由第二换热器向***输入热量，第一换热器将多余的热量传递到外界。热释电发电-发动机回热器采用热释电体作为回热器的多孔材料，其中热释电体材料按照热释电发电-发动机回热器两端温度差形成的温区渐变选材，填充至热释电发电-发动机回热器中，其自身在绝热状态下会发生热释电效应，即逆电卡效应，因此，热释电发电-发动机回热器既可以用作热声发动机的回热器，又可以用作热释电发电机的回热器。当热释电发电-发动机产生声功形式的机械能后，声功率先通过热释电发电-发动机，热释电发电-发动机产生一定频率的电场和往复运动的交变流场。本发明利用热能驱动，采用热致声效应代替往复机械泵实现固态材料的加热和冷却，同时利用热释电材料的热释电效应为电卡制冷机提供电场，实现热制冷。

将热释电发电-发动机回热器直接取代传统的热声发动机中内部的常规回热器。当热释电发电-发动机回热器两侧温差形成的轴向温度梯度达到一定值时，该***便可自激振荡，此时由热释电发电-发动机回热器组成的热声发动机便可驱动***工质作一定频率的往复运动；同时，又由于热释电体自身的热释电效应，发动机回热器将会产生具有一定频率可以驱动电卡效应的电场，进而带动热声-电卡制冷机工作。与现有的热声发动机制冷***相比，本发明的制冷***结构更加紧凑。

其中，电卡制冷机3包括第三换热器31、电卡回热器32和第四换热器33，电卡回热器32设置于第三换热器31和第四换热器33之间，第三换热器31的换热温度低于第二换热器23的换热温度，第三换热器31的换热温度高于第四换热器33的换热温度，第三换热器31与第二换热器23之间为热缓冲管道5，电卡回热器32内按照温区的渐变规律填充铁电材料。本实施例中第三换热器为室温换热器，第四换热器为低温换热器，电卡回热器内部的多孔材料为具有电卡效应的铁电材料，其中铁电材料按照电卡回热器两端温度差形成的温区渐变选材，填充至电卡回热器中。当热声发动机产生声功形式的机械能推动工质在热释电发电-发动机回热器中进行特定频率的高速往复运动时，电卡回热器中由于电卡回热器工作时可理解为无数个微小的等温-绝热过程，因此可通过改变***的尺寸结构与充气压力相结合来改变***工作的频率，从而在热释电发电-发动机产生的感应电场和往复运动的交变流场的双重作用下，利用电卡回热器中铁电材料的电卡效应将低温换热器端的热量输送到室温换热器端，从而实现制冷的功能。本发明实施例将热声发动机、热释电体材料的热释电效应和固体铁电材料电卡效应三者有效结合完成制冷工作。

其中，本发明实施例的制冷***还包括管体7，管体7内填充工质8，热释电发电-发动机2及电卡制冷机3均设置于管体1内，热释电发电-发动机2与电卡制冷机3之间的管段为热缓冲管道5，工质8为气体和/或液体。本实施例中管体为直管，管体内充填工质，热释电发电-发动机及电卡制冷机沿管体的延伸方向依次均设置于管体内，形成驻波型热驱动发动机热释电-电卡制冷***，工质为气体，缓冲通道为充填气体工质的热缓冲管。

实施例二

如图2所示，本发明实施例二与上述实施例一的制冷***基本相同，不同之处在于，管体7包括环形管71和谐振管72，谐振管72与环形管71连通，热释电发电-发动机2设置于环形管71内，电卡制冷机3设置于谐振管72内。本实施例中，管体分为环形管和谐振管两部分，热释电发电-发动机独立设置在环形管内，电卡制冷机独立设置在谐振管中。由于环形管与谐振管连通，所以热释电发电-发动机机产生自激荡的声功机械能一部分使谐振管内电卡制冷机产生制冷效果，另一部分在环形管内使热释电发电-发动机产生电场，并沿着环形管流道回到第一换热器重新被放大，依次循环周而复始，本实施例的行波型热能驱动发动机热释电-电卡制冷***所产生声功效率更高。

其中，热缓冲管道5内设置次级换热器9。热释电发电-发动机与电卡制冷机之间的管段为热缓冲管道，其中包括部分环形管和部分谐振管，本实施例在部分环形管内设置次级换热器，次级换热器对进入第一热缓冲管道内的热量做进一步调节，以使到达热释电发电-发动机或电卡制冷机处于合适的工作温区，使热释电发电-发动机上的声功满足热释电发电-发动机的频率要求。

本发明的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***的结构可为行波型、驻波形或U型结构。根据不同的适用情况、场合和性能需求选择合适的***结构。

综上所述，本发明实施例的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，当选取合适的热释电体材料作为热释电发电机-发动机的回热器填充材料时，将热声发动机与热释电发电技术相结合形成的热释电发电-发动机，可同时作为热声发动机和热释电发电机使用，构成热释电发电-发动机，可将热量转换成声功形式的机械能，实现热功转换过程，热释电发电-发动机驱动***内的工质以一定的频率做往复运动，替代传统的机械泵。同时，热释电发电-发动机产生声功形式的机械能后，声功率先通过热释电发电-发动机，由于热释电发电-发动机其自身在绝热状态下会发生热释电效应，即逆电卡效应，当声功形式的机械能推动工质在热释电发电-发动机中进行特定频率的高速往复运动时，会使热释电发电-发动机产生一定频率的电场，该电场通过导线传递给电卡制冷机，由于电卡制冷机工作时可理解为无数个微小的等温-绝热过程，因此可通过改变***的尺寸结构与充气压力相结合来改变***工作的频率，从而在热释电发电-发动机产生的感应电场和往复运动的交变流场的双重作用下，电卡制冷机利用电卡效应将外界环境的热量输送至***内，从而实现制冷的功能。热缓冲管道可使热释电发电-发动机机可以处于适宜的材料转变温区，同时起着一定的调相的作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：包括热释电发电-发动机和电卡制冷机，所述热释电发电-发动机与所述电卡制冷机之间设有热缓冲管道，且所述热释电发电-发动机与所述电卡制冷机通过导线连接形成回路，所述热释电发电-发动机内填充可作为热释电发电-发动机回热器材料的热释电体材料，所述热释电体材料包括单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、聚偏二氟乙烯、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。

2.根据权利要求1所述的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：所述热释电发电-发动机的工作温区为0～1000摄氏度。

3.根据权利要求2所述的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：所述热释电发电-发动机包括第一换热器、热释电发电-发动机回热器和第二换热器，所述热释电发电-发动机回热器设置于所述第一换热器和所述第二换热器之间，所述第一换热器的换热温度低于所述第二换热器的换热温度，所述第二换热器与所述电卡制冷机之间为所述热缓冲管道，所述热释电发电-发动机回热器内按照温区的渐变规律填充所述热释电体材料。

4.根据权利要求3所述的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：所述电卡制冷机包括第三换热器、电卡回热器和第四换热器，所述电卡回热器设置于所述第三换热器和所述第四换热器之间，所述第三换热器的换热温度低于所述第二换热器的换热温度，所述第三换热器的换热温度高于所述第四换热器的换热温度，所述第三换热器与所述第二换热器之间为所述热缓冲管道，所述电卡回热器内按照温区的渐变规律填充铁电材料。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：还包括管体，所述管体内填充工质，所述热释电发电-发动机及所述电卡制冷机均设置于所述管体内，所述热释电发电-发动机与所述电卡制冷机之间的管段为所述热缓冲管道，所述工质为气体和/或液体。

6.根据权利要求5所述的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：所述管体包括环形管和谐振管，所述谐振管与所述环形管连通，所述热释电发电-发动机设置于所述环形管内，所述电卡制冷机设置于所述谐振管内。

7.根据权利要求6所述的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：所述热缓冲管道内设置次级换热器。

8.根据权利要求1所述的热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***，其特征在于：所述热声与热释电耦合驱动的电卡制冷***为行波型、驻波形或U型结构。

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