本發(fā)明涉及制冷裝備技術(shù)領(lǐng)域，具體的是涉及一種流體換熱的電卡制冷裝置。

背景技術(shù)：

壓縮機(jī)制冷技術(shù)至19世紀(jì)由哈里森發(fā)明后，已成為對(duì)人類社會(huì)影響最大的工程技術(shù)之一，是食品保鮮、家電及醫(yī)療等行業(yè)必不可少的技術(shù)。但是傳統(tǒng)的壓縮機(jī)制冷效率較為低下，通常用性能系數(shù)COP(Coefficients of Performance)僅為3左右，而且使用氟利昂等制冷劑會(huì)對(duì)臭氧層產(chǎn)生破壞，污染環(huán)境。所以發(fā)展新型的節(jié)能環(huán)保的制冷技術(shù)成為當(dāng)前制冷行業(yè)迫切的任務(wù)。

電卡制冷是基于電卡效應(yīng)發(fā)展的新的制冷技術(shù)。電卡效應(yīng)是指介電材料在施加和撤去電場時(shí)的等溫熵變或絕熱溫變。具體來說，對(duì)電卡元件施加電場，電卡元件中的電偶極子從無序變?yōu)橛行颍娍ㄔ撵販p小，在絕熱條件下，多余的熵產(chǎn)生溫度的上升；移去電場，電卡元件中的電偶極子從有序變?yōu)闊o序，電卡元件的熵增加，在等溫條件下，電卡元件從外界吸收熱量使能量守恒(或在絕熱條件下，不足的熵導(dǎo)致電卡元件溫度的下降)。電卡制冷是一種固體制冷，無需空氣壓縮機(jī)，其裝置可以更緊湊、更輕且更易集成，且具有節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，不會(huì)造成溫室效應(yīng)。

盡管電卡制冷效率較高，不使用制冷劑不會(huì)造成溫室效應(yīng)。但是，目前基于電卡效應(yīng)的電卡制冷裝置并沒有具體的實(shí)施方式，只停留在器件研發(fā)、電卡效應(yīng)的測試階段。

Cilensek,J.等在2015年公布了一種使用弛豫鐵電陶瓷作為制冷工質(zhì)的電卡制冷裝置(WO2015014853-A1)，裝置中陶瓷被置于一個(gè)密閉的腔體中，陶瓷充放電時(shí)腔體兩端的活塞推動(dòng)流體向左側(cè)或右側(cè)移動(dòng)通過腔壁實(shí)現(xiàn)與外界的換熱。吸熱和放熱均采用同一液體，換熱效果低，可靠性較差。

Schwartz,D.E.等2015年公布一種電卡制冷設(shè)備(US2015082809-A1)，通過電卡元件的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)電卡熱量和冷量和外界的交換，電卡元件需要不停運(yùn)動(dòng)，帶來了潛在的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，而且固體接觸面之間因?yàn)榭傆袊?yán)重的空氣熱阻存在，可能導(dǎo)致?lián)Q熱不暢、換熱效率低下從而使整個(gè)器件的制冷效率低下。

鑒于現(xiàn)有的電卡制冷裝置的設(shè)計(jì)并不完善，也未有成熟電卡制冷裝置問世，因此提出一種實(shí)用可靠的電卡制冷裝置非常有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)施方便、有實(shí)際操作意義的一種流體換熱的電卡制冷裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種流體換熱的電卡制冷裝置，包括第一流體輸送裝置、第二流體輸送裝置、第一換向閥、第二換向閥、控制電路模塊、第一熱交換器、電卡元件腔體、第一換熱介質(zhì)容器以及第二換熱介質(zhì)容器；所述電卡元件腔體中設(shè)有電卡單元，所述控制電路模塊控制所述電卡單元的充、放電狀態(tài)和充、放電時(shí)間間隔；當(dāng)所述控制電路模塊控制所述電卡單元充電放熱，并控制所述第一換向閥和所述第二換向閥接通第一換熱通道時(shí)，第一路換熱介質(zhì)從所述第一換熱介質(zhì)容器經(jīng)所述第一流體輸送裝置進(jìn)入所述電卡元件腔體與所述電卡單元換熱，換熱后流入所述第一熱交換器再次換熱后流回所述第一換熱介質(zhì)容器，待所述電卡單元與所述第一路換熱介質(zhì)達(dá)到熱平衡后關(guān)閉第一換熱通道；當(dāng)所述控制電路模塊控制所述電卡單元放電吸熱，并控制所述第一換向閥和所述第二換向閥接通第二換熱通道時(shí)，第二路換熱介質(zhì)從所述第二換熱介質(zhì)容器經(jīng)所述第二流體輸送裝置進(jìn)入所述電卡元件腔體與所述電卡單元換熱，換熱后流回所述第二換熱介質(zhì)容器，待所述電卡單元與所述第二路換熱介質(zhì)達(dá)到熱平衡后關(guān)閉第二換熱通道。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)施方便、有實(shí)際操作意義的流體換熱的電卡制冷裝置，冷端和熱端換熱介質(zhì)分離，互不干擾，換熱介質(zhì)為絕緣流體不會(huì)對(duì)電卡元件充放電產(chǎn)生漏電影響，冷端和熱端采用換熱器與熱量進(jìn)行熱交換，系統(tǒng)可靠性與實(shí)施性高。

附圖說明

圖1，本發(fā)明所述的流體換熱的電卡制冷裝置第一實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2A-2B，本發(fā)明所述的電卡元件腔體一實(shí)施例所示布局示意圖；

圖3，本發(fā)明一實(shí)施例所述的電卡單元電源通斷頻率與換向閥通斷頻率示意圖；

圖4A-4B，本發(fā)明所述的熱交換器示意圖；

圖5，本發(fā)明所述的流體換熱的電卡制冷裝置第二實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的流體換熱的電卡制冷裝置做詳細(xì)說明。

參考圖1，本發(fā)明所述的流體換熱的電卡制冷裝置第一實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)示意圖；所述的流體換熱的電卡制冷裝置包括第一流體輸送裝置101、第二流體輸送裝置102、第一換向閥103、第二換向閥104、控制電路模塊105、第一熱交換器106、第二熱交換器107、電卡元件腔體108、第一換熱介質(zhì)容器109以及第二換熱介質(zhì)容器110；所述電卡元件腔體108中設(shè)有電卡單元111，所述控制電路模塊104控制所述電卡單元111的充、放電狀態(tài)和充、放電時(shí)間間隔。所述電卡單元111為具有電卡效應(yīng)的多層電卡陶瓷或多層電卡聚合物。

當(dāng)所述控制電路模塊105控制所述電卡單元111充電放熱，并控制所述第一換向閥103和所述第二換向閥104接通第一換熱通道(第一換向閥103接通A位、第二換向閥104接通B位)時(shí)，第一路換熱介質(zhì)從所述第一換熱介質(zhì)容器109經(jīng)所述第一流體輸送裝置101進(jìn)入所述電卡元件腔體108與所述電卡單元111換熱，換熱后流入所述第一熱交換器106再次換熱后流回所述第一換熱介質(zhì)容器109，從而將電卡熱量釋放，待所述電卡單元111與所述第一路換熱介質(zhì)達(dá)到熱平衡后關(guān)閉第一換熱通道。圖中箭頭示意出換熱介質(zhì)的流向。

當(dāng)所述控制電路模塊105控制所述電卡單元111放電吸熱，并控制所述第一換向閥103和所述第二換向閥104接通第二換熱通道(第一換向閥103接通C位、第二換向閥104接通D位)時(shí)，第二路換熱介質(zhì)從所述第二換熱介質(zhì)容器110經(jīng)所述第二流體輸送裝置102進(jìn)入所述電卡元件腔體108與所述電卡單元111換熱，換熱后流入所述第二熱交換器107再次換熱后流回所述第二換熱介質(zhì)容器110，待所述電卡單元111與所述第二路換熱介質(zhì)達(dá)到熱平衡后關(guān)閉第二換熱通道。

可選的，所述電卡單元111與所述第一路換熱介質(zhì)的換熱在充電開始時(shí)進(jìn)行或在充電完成后進(jìn)行；所述電卡單元111與所述第二路換熱介質(zhì)的換熱在放電開始時(shí)進(jìn)行或在放電完成后進(jìn)行。

優(yōu)選的，所述第一路換熱介質(zhì)與所述第二路換熱介質(zhì)均為高換熱系數(shù)的絕緣流體，例如換熱介質(zhì)可以為純水、煤油、乙醇、變壓器油、開關(guān)油、電容器油、硅油等。

本發(fā)明中，冷端和熱端換熱介質(zhì)分離，互不干擾，換熱介質(zhì)為絕緣流體不會(huì)對(duì)電卡元件充放電產(chǎn)生漏電影響，冷端和熱端采用換熱器與熱量進(jìn)行熱交換，系統(tǒng)可靠性與實(shí)施性高。

請(qǐng)一并參考圖1和圖2A-2B，其中圖2A-2B為本發(fā)明所述的電卡元件腔體一實(shí)施例所示布局示意圖，圖2A為圖1中電卡元件腔體沿垂直紙面方向的剖視圖，圖2A為圖1中電卡元件腔體沿平行紙面方向的剖視圖。所述電卡元件腔體108包括腔體框架201、固定于所述腔體框架內(nèi)的電卡夾具202、由所述電卡夾具夾持固定的電卡單元111，以及通過開設(shè)在所述腔體框架201上的通孔或螺紋孔固定在所述腔體框架201上的電極203。所述電卡單元111中的多個(gè)電卡元件在所述電卡夾具202的夾持固定下形成若干縫隙，多個(gè)電卡元件通過電極203接入到電卡充放電電路中，以在所述控制電路模塊105控制下進(jìn)行充放電，第一路換熱介質(zhì)在電卡單元111充電工況下穿過所述縫隙完成與電卡單元111的換熱，第二路換熱介質(zhì)在電卡單元111放電工況下穿過所述縫隙完成與電卡單元111的換熱。圖2B中腔體框架內(nèi)所示為換熱介質(zhì)的流向。

圖2A所示兩個(gè)電極203，一個(gè)為正極、一個(gè)為負(fù)極。在電卡元件充電時(shí)，正極作為充電正極，與負(fù)極一起接入到電卡充放電電路中，構(gòu)成充電回路；在電卡元件放電時(shí)，正極作為放電正極，與負(fù)極一起接入到電卡充放電電路中，構(gòu)成放電回路。

可選的，所述電卡單元111中的多個(gè)電卡元件211采用并聯(lián)方式連接或采用并聯(lián)與串聯(lián)相結(jié)合的方式連接。

優(yōu)選的，所述電卡夾具202具有多個(gè)槽結(jié)構(gòu)，如矩形槽212，所述電卡單元111中的多個(gè)電卡元件211定位在所述電卡夾具202的矩形槽212內(nèi)。優(yōu)選的，所述矩形槽212寬度b與所述電卡單元111中的單個(gè)電卡元件211的寬度t滿足關(guān)系式：b＝t+0.2～0.3mm。

本發(fā)明所述的電卡元件腔體的組裝方式具體可以為：首先，電卡單元111定位在電卡夾具202后(將電卡單元111中的電卡元件211定位在電卡夾具202的一矩形槽212內(nèi))，將兩者焊接為一體，例如采用錫焊；其次，將焊接后的整體固定在腔體框201內(nèi)，例如通過螺紋連接；將電極203引出到腔體201外，如通過開設(shè)在腔體框架201上的通孔或螺紋孔用探針或螺絲固定在腔體框架201上，通孔或螺紋孔可以用密封膠或密封料帶或螺紋端面密封確保連接處密封?？蛇x的，所述腔體框架201為分體式結(jié)構(gòu)，包括兩端蓋，兩端蓋采用端面密封方式(例如用密封膠或密封料帶或螺紋端面密封)對(duì)連接面進(jìn)行密封。

請(qǐng)繼續(xù)參考圖1，所述控制電路模塊104包括電卡充放電控制器、換向閥控制單元、電源以及電卡充放電電路。所述電卡單元111通過電極203接入到電卡充放電電路中，由所述電卡充放電控制器控制所述電卡單元111的充放電狀態(tài)和充放電時(shí)間間隔。所述換向閥控制單元用于根據(jù)所述電卡單元111的充放電狀態(tài)控制第一換向閥103和第二換向閥104分別接通第一換熱通道或第二換熱通道；所述電源用于為所述換向閥控制單元、電卡充放電控制器以及電卡充放電電路供電。

具體為：電卡充放電控制器首先控制電卡單元充電；充電開始或完成后，換向閥控制單元控制兩個(gè)換向閥分別接通A位和B位；第一路換熱介質(zhì)進(jìn)入電卡元件腔體并與電卡單元發(fā)生熱交換，直到電卡單元的溫度降低到與流入的換熱介質(zhì)的溫度差低于一定的閾值為止，閾值優(yōu)選為電卡材料最大的溫差的0-20％；與此同時(shí)，從電卡元件腔體流出的換熱介質(zhì)到達(dá)第一熱交換器進(jìn)行換熱，達(dá)到熱平衡后關(guān)閉A位和B位。電卡單元與換熱介質(zhì)的換熱完成后，電卡充放電控制器控制電卡單元放電；放電開始或完成后，換向閥控制單元控制兩個(gè)換向閥分別接通C位和D位，第二路換熱介質(zhì)進(jìn)入電卡元件腔體并與電卡單元發(fā)生熱交換，直到電卡單元的溫度升高到與流入的換熱介質(zhì)的溫度差低于一定的閾值為止，閾值優(yōu)選為電卡材料最大的溫差的0-20％；從電卡元件腔體中流出的換熱介質(zhì)與第二熱交換器進(jìn)行換熱，達(dá)到熱平衡后關(guān)閉C位和D位。

請(qǐng)一并參考圖1和圖3，其中圖3為本發(fā)明一實(shí)施例所述的電卡單元電源通斷頻率與換向閥通斷頻率示意圖。其中，(a)為電卡單元電源通斷頻率示意圖，(b)為兩個(gè)換向閥在A位和B位通斷頻率示意圖，(c)為兩個(gè)換向閥在C位和D位通斷頻率示意圖。具體為：電卡單元111由控制電路模塊104控制充電后，需要第一換向閥103和第二換向閥104接通第一換熱通道，即A位和B位保持接通，C位和D位關(guān)閉；電卡單元111由電卡充放電控制器控制放電后，需要第一換向閥103和第二換向閥104接通第二換熱通道，即C位和D位保持接通，A位和B位關(guān)閉；如此完成電卡單元充電與放電循環(huán)。

請(qǐng)一并參考圖1和圖4A-4B，其中圖4A為本發(fā)明所述的熱交換器第一實(shí)施例示意圖，圖4B為本發(fā)明所述的熱交換器第二實(shí)施例示意圖。與電卡單元交換熱量后的換熱介質(zhì)通過相應(yīng)熱交換器將熱量交換至外界；本發(fā)明所述的熱交換器(第一熱交換器或第二熱交換器)可以為氣體換熱器或液體換熱器。如圖4A所示，第一熱交換器或第二熱交換器為液體換熱器，即與流入熱交換器中的換熱介質(zhì)P1換熱的外界介質(zhì)P2為液體介質(zhì)。如圖4B所示，第一熱交換器或第二熱交換器為氣體換熱器，即與流入熱交換器中的換熱介質(zhì)P1換熱的外界介質(zhì)P2為氣體介質(zhì)，例如干燥空氣。流入換熱器的介質(zhì)P1并不與外界介質(zhì)P2發(fā)生物質(zhì)交換，兩者之間一般有金屬隔板，隔板內(nèi)外僅發(fā)生熱量交換，使隔板內(nèi)的介質(zhì)P1的熱量被隔板外的介質(zhì)P2帶走，P2循環(huán)路徑采用現(xiàn)有公知技術(shù)，此處不再贅述。

參考圖5，本發(fā)明所述的流體換熱的電卡制冷裝置第二實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)示意圖。與圖1所示第一實(shí)施例的不同之處在于，所述電卡制冷裝置未設(shè)置第二熱交換器；當(dāng)所述控制電路模塊105控制所述電卡單元111放電吸熱，并控制所述第一換向閥103和所述第二換向閥104接通第二換熱通道時(shí)(即分別接通C位和D位)，第二路換熱介質(zhì)從所述第二換熱介質(zhì)容器110經(jīng)所述第二流體輸送裝置102進(jìn)入所述電卡元件腔體108與所述電卡單元111換熱，換熱后直接流回所述第二換熱介質(zhì)容器110，待所述電卡單元111與所述第二路換熱介質(zhì)達(dá)到熱平衡后關(guān)閉第二換熱通道。第二路換熱介質(zhì)不與外界熱交換器進(jìn)行熱交換而直接回到第二換熱介質(zhì)容器，使換熱介質(zhì)周期性的蓄冷實(shí)現(xiàn)累積，獲得更大的制冷量。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。