專利名稱：電場誘導相變制冷的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制冷的方法，特別是一種利用外加電場誘導鐵電陶瓷相變制冷的方法。
除半導體致冷(珀爾貼效應)外，現有已獲得應用的致冷技術都是通過非熱方式(加壓、加電場或磁場)使工作物質(工質)發(fā)生相變并從相變潛熱的吸收和釋放來達到致冷的效果。例如，現有的電冰箱和空調器都是利用壓力的變化誘導氟里昂的氣——液相變制冷。但是由于曾被廣泛使用的制冷工質氟里昂對大氣臭氧層日益嚴重的破壞而被逐步禁用，采用代氟里昂的新工質雖然可以利用現有生產設備，但具有類似結構的新工質是否會破壞環(huán)境仍有待長期評估。在尋求新的致冷方法中，絕熱磁致冷在室溫附近的應用在八十年代曾成為熱門。人們在努力尋求合適的磁致冷工質材料，以提高磁致冷的致冷能力和效率。但高磁場的較難產生及稀土磁性材料的高成本也限制了室溫磁致冷的發(fā)展和應用。退極化致冷與磁致冷的原理相類似，但由于電極矩的尺寸比磁矩大，因此熵變導致的熱效應比磁致冷小，退極化致冷也難以實際應用。
本發(fā)明的目的是提供一種制冷的方法，其制冷工質成本低，可重復多次使用，不會造成對環(huán)境的污染和破壞。
本發(fā)明的特征是采用鐵電陶瓷材料作為制冷工質，在鐵電陶瓷材料慢速加上電場以誘導其產生相變，由順電相轉變成鐵電相，然后快速退去電場使鐵電相變成順電相，鐵電陶瓷材料加電場的速度小于退電場的速度。在整個制冷過程中，當鐵電陶瓷從順電相變成鐵電相時放熱，從鐵電相變成順電相時吸熱，應用電場誘導順電——鐵電相所產生的相變潛熱的釋放與吸收來制冷，利用改變加、退電場速度的變化提高制冷效率。本發(fā)明作為制冷工質的鐵電陶瓷材料有改性BaTiO3，(Ba1-xBr)TiO3(0＜X＜1)，(Ba1-xCax)(SnxTi1-x)O3(0＜X＜0.2)，(Ba1-xCax)(ZrxTi1-x)O3(0＜X＜0.2)，Ba(SnxTi1-x)O3(0＜X＜1)，Pb(Ta0.5Sco.5)O3，(Ka0.8Li0.4)(Ta0.7Ni0.3)O3，Sr4Yb2Fe3Nb3O30，(1-X)Pb(Mg1/3Nb3/3)O3+XPbTiO3(0.01＜X＜0.1)(簡稱(PMN-PT)，BrxBa1-xNb2O3(0.5＜X＜0.9)等。在鐵電陶瓷材料上加電場的方法為采用慢速加電場，時間可以從0.1秒至10秒，退場時，采用快速退場的方法，退場時間為0.1秒至10-6秒。
在本發(fā)明中，我們根據相變(熱)循環(huán)中能量耗散的速率標度率提出利用陶瓷中低速加場和高速退場的一個相變循環(huán)所吸收的能量凈值也服從速率標度的特點，用低速加場使放出的潛熱減至最低，然后用快速退場使吸收的潛熱增至最大，使在一個電循環(huán)的誘導相變即可產生一定的制冷量。我們已實現了一次上述的電循環(huán)的凈降溫量達1.5K～5K。在這一過程中，外場所作的功除一部分用于致冷外，另一部分由相變聲發(fā)射和缺陷的產生及其自組織過程所吸收。而缺陷的自組織則可用以下方法進行消除，如定期進行正弦式加退場并使交流電壓逐步降低至零，這樣就可以消除殘留的剩余極化(例如，升壓至所需電壓的50周的市電)。也可加熱15～20℃，使工質全部轉變?yōu)轫橂娤嗪笤倮鋮s至工作溫度。在這種制冷過程中，工質可以反復使用，使成本大大降低，也不會造成對環(huán)境的污染。
以下我們結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1為測量電場誘導相變制冷的裝置圖。
圖2為制冷鐵電陶瓷樣品結構圖。
圖3為BaTiO3陶瓷樣品于127℃退場時退場時間與降溫關系曲線。
圖4為PMN-PT樣品在不同工作溫度時退場引起的溫度下降量。
圖1中，1為高壓電源，其高壓輸出端經uA電流表2連接鐵電陶瓷樣品3，差分熱電偶4連接X-t記錄儀5，熱電偶4的冷熱端a、b，鐵電陶瓷樣品3及溫度計6置于保溫瓶7所盛的導熱油8內，9為固定支架，固定熱電偶4及溫度計6。
圖2為圖1鐵電陶瓷樣品3的結構圖，其中3為鐵電陶瓷樣品，14為樣品表面的鍍銀層，15為附在鍍銀層表面的云母片，b為熱電偶。
圖3中，樣品為摻雜BaTiO3型納米陶瓷圓片，直徑10mm，厚度2mm，工作溫度127℃，所加電場強度為2500KV/m，橫坐標為退場時間(分鐘)，縱坐標為樣品與介質之溫差(K)。由于差分熱電偶冷端與樣品間夾了一塊絕緣片，所以所測得的ΔT與實際時間有所延遲。
圖4中，樣品為PMN-PT陶瓷材料95％Pb(Mg1/3Nb3/3)O3+5％PbTiO3，橫坐標表示工作溫度(K)，縱坐標表示樣品降溫量(K)，曲線1為樣品加電場2500KV/m時降溫量隨工作溫度的變化關系；曲線2為樣品加電場1600KV/m時降溫量隨工作溫度的變化關系；曲線3為樣品加電場1600KV/m時降溫量隨工作溫度的變化關系；曲線4為樣品加電場800KV/m時降溫量隨工作溫度的變化關系。
以下結合實施例作進一步說明。
以Sr0.7Ba0.3Nb3O8作為制冷工質，工作溫度為60℃，樣品形狀為直徑15mm的圓片，厚度為0.5mm，在兩邊鍍上銀作為電極，外加電場強度為1500KV/m，用10秒鐘加場時放出的潛熱為0.25J/g，用5秒鐘加場，放出的潛熱為0.3J/g水平，而以0.1秒退場時，其吸收的潛熱為0.8J/g水平，如以0.01秒退場時，其吸熱的潛熱為0.9J/g左右，如以0.001秒或更高速退場則可達1J/g水平。因此，每小時的致冷量可達0.36KJ/g的水平，已可進入實際應用階段。目前我們將本制冷方法研究開發(fā)應用于以下幾個方面1、攜帶一條只在加場時工作的散熱風管的冷風風扇或小型冷風機；2、用于芯片過熱保護器(片)，使芯片在使用過程中不超過規(guī)定溫度(比如，60或70℃)；3、增大工質份量，也可用于不帶熱風管的可移動式小凈致冷功率的冷風機；4、用于不帶熱風管的、可移動式冷風風扇；5、小型醫(yī)療冷凍箱；6、在使用過程中采用了克服由于非平衡相變中自組織現象引起的電疲勞的“電激活恢復和熱恢復”技術。
權利要求
1.一種電場誘導相變制冷的方法，其特征是采用鐵電陶瓷材料作為制冷工質，在鐵電陶瓷材料慢速加上電場以誘導其產生相變，由順電相轉變成鐵電相，然后快速退去電場使鐵電相轉變?yōu)轫橂娤?，鐵電陶瓷材料加電場的速度小于退電場的速度。
2.一種如權利要求1所述的電場誘導相變制冷的方法，其特征是鐵電陶瓷材料慢速加電場的時間為0.1至10秒，快速退電場的時間為0.1至10-8秒。
3.一種如權利要求1、2所述的電場誘導相變制冷的方法，其特征是所用鐵電陶瓷材料為(1-X)Pb(Mg1/3Nb3/3)O3+XPbTiO3(0.01＜X＜0.1)或Sr0.7Ba0.3Nb2O6。
4.一種如權利要求1.2所述的電場誘導相變制冷的方法，其特征是所加電場的強度為800～2500KV/m。
5.一種如權利要求3所述的電場誘導相變制冷的方法，其特征是所加電場的強度為800～2500KV/m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制冷的方法,一種利用外加電場誘導陶瓷相變制冷的方法。本發(fā)明采用鐵電陶瓷作為制冷工質,在鐵電陶瓷上慢速加上電場、快速退去電場,以誘導其內部產生相變,利用電場誘導順電一鐵電相所發(fā)生的相變潛熱的釋放與吸收產生致冷。本發(fā)明的制冷工質成本低、可重復多次使用,不會造成環(huán)境的污染和破壞,在半導體芯片的過熱保護,可移動式小功率冷暖風機、風扇或小型醫(yī)療冷凍箱等應用具有良好的前景。
文檔編號F25B21/00GK1276506SQ9911622
公開日2000年12月13日 申請日期1999年6月4日 優(yōu)先權日1999年6月4日
發(fā)明者張進修, 何琴玉, 林國淙, 黃元士 申請人:中山大學