專利名稱：基于afr的室溫鐵電制冷機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種室溫鐵電制冷機，具體涉及一種基于主動式鐵電材料回熱(或稱鐵電蓄冷AFR)的室溫鐵電制冷機。本發明中的鐵電制冷機包括電場施加與撤除系統，換熱流體系統；伴隨電場對鐵電制冷工質周期性的加場升溫和去場降溫，所述的換熱流體在冷熱換熱器之間經過鐵電制冷工質床周期性往復流動。降溫后的流體與制冷物體或空間進行熱交換，從而實現制冷目的。該制冷機的逆循環運行也可以做熱泵使用。還有，該機器及所述方法也可以反過來使用，即在外熱源間循環，則對外輸出電力，尤其可以在溫差不大的熱源間發電。
背景技術：
傳統廣泛應用的制冷方式是機械式蒸汽壓縮循環制冷。這種制冷技術使用的制冷工質會破壞大氣層上空的臭氧環境，而現在的替代工質有很大的溫室效應指數和燃爆性，不但制冷效率不高，而且嚴重地影響到能源的利用和人類的生存環境。研究和發展節能、安全、環保的新型制冷方式非常重要。室溫鐵電制冷技術作為一種新型制冷方式，具有高能效、無污染、無噪音、安全可靠等優點:它不需要使用導致大氣臭氧層破壞和加劇全球變暖的有機制冷劑，而只需依靠鐵電材料的電場熱效應，通過加電場和去電場過程的反復循環達到制冷目的。因此，使用具有巨電場熱效應的鐵電制冷技術是一種近年來才被發現的新型綠色環保的制冷技術，受到了包括美國賓州州立大學等研究機構的廣泛關注。2006年以來，美國賓州州立大學章啟明教授等發現一些陶瓷鐵電材料(如鋯鈦酸鉛鑭陶瓷PLZT)和塑料材料(如聚偏氟乙烯P(VDF-TrFE-CFE))的鐵電薄膜在強電場下具有非常高的溫度特性。與傳統的鐵電材料很微弱的電場熱效應相比，這種新型的材料因為施加的電場高而熱效應很顯著，但使用這些鐵電材料來做制冷機的方案還沒有出現。這類新材料其溫度變化雖然可以高達20K以上，但鐵電類的卡諾循環還不能直接使用，其原因在于通常用于空調用途的溫差要在30K以上(需要考慮傳熱溫差)，此外還因為這些鐵電薄膜單層厚度在微米以下才具有強的電場熱效應，而這時的電場強度已經遠遠高于普通絕緣材料的擊穿極限。所以要使用鐵電材料做制冷用途電場強度不能太強，而且還要解決防止雪崩擊穿導致材料整體破壞的問題。從這些考慮出發，如何引入回熱機制來解決大溫跨防擊穿問題以及換熱等一系列問題就成為室溫鐵電制冷的關鍵。此外，這些材料是固體屬性，其熱效應在固體內部，必須采用流體做載體才能形成循環，所以必須尋找高效合理的循環方案來實現鐵電制冷。因為鐵電材料的熱效應還不夠大，不能直接采用加場去高溫熱源放熱然后減場去低溫熱源吸熱的方法，而需要引入回熱(蓄冷)技術來加大溫差才能實際使用。從使用鐵電工質進行制冷的工作方式來看，使用回熱的制冷循環主要有往復式和旋轉式兩種方式。前者制冷工質的運動是間斷不連續的，每次都要經歷停一開一停一開一停這樣一個周而復始的過程。旋轉式鐵電制冷機采用連續運轉鐵電工質的旋轉方式。此外，還可以讓制冷工質靜止而交替施加電場的方式來獲得制冷效果，并且這種方式最為經濟簡單。
發明內容
本發明目的是針對鐵電材料的特點，根據電場熱效應原理，設計出一款新型旋轉式鐵電制冷機。該系統采用相互獨立平行可以整體轉動的鐵電工質床外接電源，在工質床轉動時其內部的鐵電工質交替加減電場，再配合換熱流體的來回流動而實現制冷，其結構緊湊、效率高、噪音低。一種旋轉式鐵電制冷機，包括:
傳動裝置；
鐵電工質床，所述的鐵電工質床采用絕緣絕熱性能好的材料制成，為中空圓筒形，在該圓筒的內壁和外壁之間形成的截面為圓環的空間中將所述空間等分成偶數個工質床格，工質床格中放置鐵電工質；所述的鐵電工質床外部一端固定設置有一半圓形的電源陽極，另一端設置有電源陰極；所述每個鐵電工質床格中鐵電工質通過相互絕緣的電極與所述半圓形的電源陽極動態連接，且當所述鐵電工質床被所述傳動裝置驅動旋轉時，在任一時刻，總有一半鐵電工質床格中的鐵電工質通電加場，而剩余的一半則斷電去場；
設置在所述鐵電工質床兩端至少一端的換熱流體流向控制閥門，所述換熱流體流向控制閥門包括引流部分、分流部分、順流部分和法蘭，所述的引流部分帶有引流通道，分流部分帶有與引流部分引流通道相配合的分流槽，分流槽將換熱流體分流至帶有與所述工質格相對應的順流孔的順流部分；所述的法蘭和順流部分通過法蘭與鐵電工質床上的法蘭固定連接并隨所述傳動裝置一起運動；所述的引流部分和分流部分與所述的法蘭和順流部分活動連接，并不隨傳動裝置一起運動。·在一種具體實施方式
中，所述電源陽極與所述每個鐵電工質床格的電極之間通過導電滾珠或導電彈性片動態連接。在一種具體實施方式
中，所述鐵電工質床的每一個鐵電工質床格通過導線連接到位于鐵電工質床外壁上的對應鐵電工質格電極。在又一種具體實施方式
中，所述鐵電工質床的每一個鐵電工質床格通過導線連接到固定在所述鐵電工質床外的圓筒形電極板的對應鐵電工質格電極，所述電極板采用絕緣材料制成且分成與鐵電工質床格數目相同的等份。在本發明的一個具體實施方式
中，所述的鐵電工質床截面為圓環的空間被等分為24個工質床格。在本發明的又一個具體實施方式
中，所述的鐵電工質床與換熱流體流向控制閥門之間帶有密封過濾裝置。本發明中的旋轉式鐵電制冷機系統采用獨特設計的分割成多個工質床格的鐵電工質床提升了換熱效果，配合換熱流體流向轉換閥門使得本發明中的旋轉式鐵電制冷機結構緊湊、效率高、制造成本低。
圖1為本發明一種旋轉式鐵電制冷機的結構分解示意 圖2為圖1中已裝配好的旋轉式鐵電制冷機的示意 圖3A為一種用于本發明的電源陽極和陰極示意 圖3B為根據本發明的一種鐵電工質床格電極示意 圖3C為根據本發明的又一種鐵電工質床格電極示意 圖4為本發明一種鐵電工質床結構示意 圖5為本發明一種換熱流體流向控制閥門的結構分解示意 圖6為本發明一種密封過濾圈的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。應該清楚，附圖中所描述的本發明的具體實施方式
僅為說明本發明用，并不構成對本發明的限制。本發明的保護范圍由所附的權利要求書進行限定。圖1示出了本發明一種旋轉式鐵電制冷機的結構分解示意圖。如圖1所示，本發明中的旋轉式鐵電制冷機包括一傳動動裝置，該驅動裝置包括電機80和由電機通過皮帶驅動的轉軸50。轉軸51也可由電機80直接驅動。本發明中的旋轉式鐵電制冷機還包括一由上述傳動裝置驅動的鐵電工質床40,具體結構如圖5所示。鐵電工質床40為中空圓筒形，在圓筒的內壁41和外壁43之間形成的空間(俯視為圓環，即具有環形截面)中由絕熱性能好的材料將圓環分成數目若干(最好為偶數)的多個工質床格42，工質床格42中放置有鐵電工質。所述的鐵電工質床40引出兩電極，分別與來自電源的兩極61、62動態相連，并固定在轉軸50上隨著轉軸一起運動。所述的鐵電工質床采用絕熱絕緣性能好的材料制成，優選采用不銹鋼材料制成。所述的鐵電工質為具有大的電場熱效應的材料，包括但不限于陶瓷鐵電材料(如鋯鈦酸鉛鑭陶瓷PLZT)和塑料材料(如聚偏氟乙烯P (VDF-TrFE-CFE))，或它們的復合材料，或具有高熱導的復合室溫電場熱效應材料，即將高熱導材料與室溫電場熱效應材料復合所得到的材料。所述的鐵電工質通常為柱狀或管狀。這些柱狀或管狀材料相互平行形成陣列，沿著材料的軸向可以分成若干段，且段與段之間也可以插入很薄的絕熱網以阻斷沿軸向的漏熱。所有的鐵電工質都有電極與工質床外的電極相連以保證電場的施加與撤除。通常管狀材料有更好的換熱效果。所述鐵電工質與鐵電工質床40外的電極61、62的連接方式如圖3A、3B、3C所示。參見圖3A，電極61為陽極，成圓筒狀固定在鐵電工質床40的外部一端。電極62為陰極，也成圓筒狀固定在鐵電工質床40的另外一端。陽電極61只有其中的圓筒的一半611帶電，而另一半612則不帶電。使陽電極61 —半帶電、一半不帶電的方法可采用本技術領域已知的方法，例如但不限于其中的一半611采用良好導電材料制成，而另一半612采用絕緣材料制成；或者陽電極都采用良好導電材料制成，而在另一半612上涂一層絕緣膠。陰電極62采用良好導電材料制成。如圖3B、3C所示，從每一鐵電工質床格(請參見圖4) 一端采用導線(圖中未示出)引出的電極都連接至固定在鐵電工質床上的圓筒形電極板65上，圓筒形電極板65采用絕緣材料制成并優選分成與鐵電工質床格數目相同的等份，使每一工質床格中的鐵電工質通過導線連接至電極板65上與之對應的電極上。圖3B中，與工質格對應的電極包括彈性片652和導電觸點651構成(作為示意，圖中僅示出了兩個電極，數目并不局限于此)。圖3C中，與工質格對應的電極為導電滾珠653，如鋼珠。為進一步提高電極之間的絕緣效果，還可在每個電極之間設置絕緣格654，如工程塑料制成的絕緣格。為保證電源接通，對應于每一個工質床格，可設置兩個或更多個導電滾珠653。以上設置使得電極板65隨鐵電工質床40旋轉時，電極板65上對應于各個鐵電工質床格的電極與陽極61動態連接，而各個鐵電工質床格的另一端通過導線與陰電極62連接，即，在任一時刻，總有一半鐵電工質床格中的鐵電工質通電加場，而剩余的一半則斷電去場。所述與鐵電工質床格對應的電極也可直接設置在由絕緣絕熱性能好材料制成的鐵電工質床的外壁43上。所述陽極61也可僅帶有導電部分611，即成半圓環狀固定設置于所述鐵電工質床40的外部。水泵90驅動流體在低溫熱交換器11和高溫熱交換器12之間流動。通常泵流體的輸出端指向高溫熱交換器。如前文所述，轉軸50和所述的鐵電工質床40固定連接，即鐵電工質床40和轉軸50 —起運動。甚至去除轉軸而將工質床40兼作轉軸使用。所述的旋轉式鐵電制冷機還帶有換熱流體流向控制閥門。所述的換熱流體流向控制閥門的結構分解圖如圖6所示。作為本發明的一種情況，換熱流體流向控制閥門20 (21和22)包括一具有雙通道的引流部分201、一帶有兩個分流槽的分流部分202及與鐵電工質床工質床格對準的順流部分203 ;順流部分203做成扁平的圓柱體并帶有與鐵電工質床工質床格數目相同的通孔2031，通孔2031與所述的鐵電工質床相應的工質床格對準以方便換熱流體順利進入鐵電工質床40。所述的順流部分203和換熱流體流向控制閥門的法蘭204固定連接并通過法蘭204和所述的鐵電工質床40固定連接，隨轉軸50 —同旋轉。引流部分201和分流部分202套裝在轉軸上，不隨轉軸50 —起做旋轉運動。所述的引流部分201的兩個通道2011和2012分別作為換熱流體的流進或流出通道。在所述的順流部分203和鐵電工質床40之間優選設置密封過濾圈31、32 (如圖6所示)進行密封，以防止換熱流體泄露。同時，所述的密封過濾網31、32還可以起到阻擋鐵電工質在與流體換熱過程中產生的碎屑從而起到過濾效果。所述的密封過濾網31、32優選采用高彈性、高韌性的材料制成，如采用橡膠材料制成。在鐵電工質床40的法蘭和換熱流體流向控制閥門的法蘭204上優選帶有與所述密封過濾網31、32外形尺寸相應的槽，當密封過濾網31、32安裝到位時，密封過濾網31、32上的孔311 (321)與鐵電工質床40的工質床格42分別對準。所述的引流部分201、分流部分202及順流部分203采用絕熱性能和耐磨性能良好的材料制成，優選聚四氟乙烯或其它超高分子材料如超高分子聚乙烯制成。在所述的引流部分201和分流部分202之間、分流部分202和順流部分203之間優選設置密封圈進行密封，以防止換熱流體泄露。所述的密封圈優選采用高彈性、高韌性的材料制成，如采用橡膠材料或者低摩擦系數的塑料制成。優選地，分別在引流部分201和分流部分202 (或分流部分202和順流部分203)相對面上加工相應的槽，安裝時，將所述的密封圈壓緊在相應的槽中。由于圖1中的旋轉式鐵電制冷機的鐵電工質床40中裝有柱狀或管狀陣列的鐵電工質，在柱柱之間或管管之間存在一定的空隙率可以允許流體流動，因此對鐵電工質床施加周期性的電場，并由泵驅動換熱流體周期性往返流動時，換熱流體就能與鐵電工質換熱從而達到制冷效果。圖2為圖1中已裝配好的旋轉式鐵電制冷機的示意圖。圖2中的旋轉式鐵電制冷機運行時，前半周期為:水泵90驅動冷端換熱器11過來的換熱流體流向換熱流體流向控制閥門21入口，冷端換熱流體進入加場換熱流體升溫引流通道，再經分流部分的分流槽將相當集中的水柱分流為12個通道，經過過濾密封31 (見圖1)進入鐵電工質床。由此，12股均勻的換熱流體能夠順利進入鐵電工質床。鐵電工質加場，過冷流,換熱流體升溫,經過濾密封32過濾，再通過與冷端相對應的換熱流體流向控制閥門22，使得換熱流體順利進入熱端換熱器12，進行換熱。流體流向控制閥門21和流體流向控制閥門22與前述的流體流向控制閥門20具有相同的結構。后半周期為:水泵90驅動熱端換熱器12中的換熱流體流向換熱流體流向控制閥門22入口，熱端換熱流體進入減場換熱流體降溫引流通道，再經分流部分的分流槽將相當集中的換熱流體分流為12個通道。由此，12股均勻的水柱能夠經過過濾密封32進入鐵電工質床。由此，12股均勻的換熱流體順利進入鐵電工質床。鐵電工質撤去電場，過熱流，換熱流體降溫，經過濾密封31過濾，再通過與熱端相對應的換熱流體流向控制閥門21，使得換熱流體順利進入冷端換熱器11，進行換熱。此處描述的前半周期、后半周期實質是在同一時刻內的描述。即:加上電場升溫過冷流和撤去電場降溫過熱流是同時發生的，也就是說鐵電工質床有24個工質床格，通過電動機驅動，鐵電工質床各有一半工質床格，即各有12個工質床格分別承擔加場升溫過冷流和去場降溫過熱流的功能。此處描述的換熱流體通常為絕緣性能良好的乙二醇、丙三醇、酒精等載冷劑。如果鐵電工質床40內的鐵電工質電極絕緣良好，則當然也可采用水，或其它導熱性能良好的流體，以及它們和水的混合物等。由于前述制冷機采用分割成多個工質床格的鐵電工質床配合動態切換閥門分流換熱流體，而能夠平穩的將斷續工作的循環轉換成幾乎連續的旋轉方式，從而顯著加快了循環速度，提高了換熱效果；配合換熱流體流向轉換閥門使得本發明中的旋轉式鐵電制冷機結構緊湊、效率高、制造成本低。基于對本發明優選實施方式的描述，應該清楚，由所附的權利要求書所限定的本發明并不僅僅局限于上面說明書中所闡述的特定細節，未脫離本發明宗旨或范圍的對本發明的許多顯而易見的改變同樣可能達到本發明的目的。
權利要求
1.一種旋轉式鐵電制冷機，包括: 傳動裝置； 鐵電工質床，所述的鐵電工質床采用絕緣絕熱性能好的材料制成，為中空圓筒形，在該圓筒的內壁和外壁之間形成的截面為圓環的空間中將所述空間等分成偶數個工質床格，工質床格中放置鐵電工質；所述的鐵電工質床外部一端固定設置有一半圓形的電源陽極，另一端設置有電源陰極；所述每個鐵電工質床格中鐵電工質通過相互絕緣的電極與所述半圓形的電源陽極動態連接，且當所述鐵電工質床被所述傳動裝置驅動旋轉時，在任一時刻，總有一半鐵電工質床格中的鐵電工質通電加場，而剩余的一半則斷電去場； 設置在所述鐵電工質床兩端至少一端的換熱流體流向控制閥門，所述換熱流體流向控制閥門包括引流部分、分流部分、順流部分和法蘭，所述的引流部分帶有引流通道，分流部分帶有與引流部分引流通道相配合的分流槽，分流槽將換熱流體分流至帶有與所述工質格相對應的順流孔的順流部分 ；所述的法蘭和順流部分通過法蘭與鐵電工質床上的法蘭固定連接并隨所述傳動裝置一起運動；所述的引流部分和分流部分與所述的法蘭和順流部分活動連接，并不隨傳動裝置一起運動。
2.根據權利要求1所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述電源陽極與所述每個鐵電工質床格的電極之間通過導電滾珠或導電彈性片動態連接。
3.根據權利要求1或2所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述鐵電工質床的每一個鐵電工質床格通過導線連接到位于鐵電工質床外壁上的對應鐵電工質格電極。
4.根據權利要求1或2所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述鐵電工質床的每一個鐵電工質床格通過導線連接到固定在所述鐵電工質床外的圓筒形電極板的對應鐵電工質格電極，所述電極板采用絕緣材料制成且分成與鐵電工質床格數目相同的等份。
5.根據權利要求4所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述的鐵電工質為陶瓷鐵電材料、塑料型鐵電材料，或具有高熱導的復合室溫電場熱效應材料。
6.根據權利要求5所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述的換熱流體流向控制閥門的引流部分帶有2個引流通道，所述的分流部分帶有與所述2個引流通道相配合的2個分流槽，所述的順流部分帶有與所述偶數個工質床格配合的順流孔。
7.根據權利要求6所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述的鐵電工質床與換熱流體流向控制閥門之間設置過濾密封裝置。
8.根據權利要求7所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述的換熱流體流向控制閥門的引流部分和分流部分之間、分流部分和順流部分之間設置密封裝置。
9.根據權利要求8所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述的密封裝置由在引流部分或順流部分和分流部分相應的位置上設置的凹槽及設置于所述凹槽內的彈性橡膠或者低摩擦系數的塑料組成。
10.根據權利要求9所述的旋轉式鐵電制冷機，其特征在于，所述的換熱流體選自乙二醇、丙三醇、酒精或水。
全文摘要
本發明涉及一種鐵電制冷機，具體涉及一種旋轉式主動回熱(或稱蓄冷)室溫鐵電制冷機。本發明中的旋轉式鐵電制冷機包括傳動裝置、由傳動裝置帶動的被分為偶數個工質床格的鐵電工質床、換熱流體、換熱流體流向控制閥門。因為鐵電工質在周期性施加電場和減場時會加電場升溫和去電場降溫，所述的換熱流體在鐵電工質間往復流動而運載出熱量和冷量。本發明中的旋轉式鐵電制冷機獨特設計的分割成多個工質床格的鐵電工質床很好地解決了工質的連續旋轉和換熱過程的方向切換之間的矛盾，減少了內部流體的短路，提升了換熱效果，配合換熱流體流向轉換閥門使得本發明中的旋轉式鐵電制冷機結構緊湊、效率高、功率大、制造成本低。
文檔編號F25B21/00GK103148633SQ201110401559
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者盧定偉, 智婷, 龔元元 申請人:南京大學