用于電熱能量轉(zhuǎn)換的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電熱能量轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明設(shè)及對采用電熱材料作為電 熱制冷、熱累或發(fā)電過程中溫度變化的源的系統(tǒng)和方法的改進(jìn)。甚至更具體地，本發(fā)明設(shè)及 電熱材料與W反向流動方式與熱源和散熱器連通的工作流體和/或熱二極管或熱開關(guān)相結(jié) 合的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 絕大多數(shù)當(dāng)前的制冷系統(tǒng)基于蒸汽壓縮技術(shù)，從而應(yīng)用流體制冷劑的壓縮和膨 脹。由于許多制冷劑具有大的臭氧消耗潛值，并且經(jīng)常被視為全球變暖的可能因素，所W最 近傾盡努力在開發(fā)替代制冷技術(shù)。
[0003] 已知各種電熱材料化CM)。運樣的ECM通過改變其溫度來對其所暴露于的電場的強(qiáng) 度變化作出反應(yīng)。當(dāng)電場增加時ECM的溫度升高，并且當(dāng)外加電場減小（或移除）時ECM的溫 度降低。隨著近來對改進(jìn)電熱材料(改進(jìn)在于通過電場強(qiáng)度的變化來實現(xiàn)增加的溫差)的發(fā) 現(xiàn)和開發(fā)，該技術(shù)已在制冷領(lǐng)域引起更多關(guān)注。技術(shù)人員已經(jīng)認(rèn)識到，電熱效應(yīng)不僅可W應(yīng) 用于制冷，而且可W應(yīng)用于其他類型的過程，如空氣調(diào)節(jié)、熱累技術(shù)和發(fā)電。
[0004] ECM在制冷系統(tǒng)中的使用是公知的。已知的構(gòu)思使用級聯(lián)熱橋，其中級聯(lián)熱橋包括 作為制冷劑的電熱材料和作為傳熱機(jī)構(gòu)的熱二極管（或熱開關(guān)）。例如US 4,757,688和US 2011/0113791 Al使用"熱管"作為熱源與散熱器之間和/或ECM的不同級之間的熱開關(guān)。另 一方面，US2010/0175392 Al使用液晶熱開關(guān)。US 2011/0146308 Al描述了薄膜形式的ECM 的使用，薄膜形式的ECM被交替地設(shè)置在熱源與散熱器之間，從而選擇性地傳熱。在US 6， 877.325 Bl中，公開了在連續(xù)級之間使用熱交換器的單級電熱裝置和級聯(lián)電熱裝置。US 6， 877.325 Bl也提供了工作流體穿過電熱材料的構(gòu)思。然而，該系統(tǒng)不能提供內(nèi)部熱再生(定 義如下），原因是該系統(tǒng)作為單級裝置或級聯(lián)裝置工作，而且不W反向流動操作的方式應(yīng)用 工作流體。
[0005] US 2012/0055174 Al公開了一種用于基于被熱禪合和機(jī)械禪合到熱管的兩端的 電熱材料將熱從熱源傳遞至包括一個或更多個電熱熱累的熱目的地的系統(tǒng)。
[0006] WO 2006/056809 Al公開了一種冷卻裝置，其包括被W級聯(lián)或并聯(lián)布置的熱開關(guān) 隔離W提高冷卻效果的若干電熱工作元件。
[0007] WO 2011/0113791 Al公開了一種用于利用電熱效應(yīng)的熱管理的系統(tǒng)和方法。電熱 元件被置于電子部件(熱源)與熱管之間，其中，熱管也被熱禪合至散熱器。
[000引目前為止公知的所有電熱制冷系統(tǒng)都存在相對大的傳熱損失的缺點，并且它們在 熱源與散熱器之間僅產(chǎn)生相對有限的溫差。運樣的系統(tǒng)被視為不可與蒸汽壓縮技術(shù)競爭。 因為在公知系統(tǒng)(如在115 4,757,688和1]52011/0113791 41中所描述的系統(tǒng)）中為了增加溫 差應(yīng)用了 ECM的級聯(lián)連接，因此發(fā)生大的傳熱損失。由于ECM的單個級的絕熱溫差相當(dāng)小，所 W有效的裝置(產(chǎn)生如35K的足夠高的溫差)將需要十級或更多級的級聯(lián)。運導(dǎo)致大的能量 損失。另一方面，小數(shù)目的級聯(lián)將不會產(chǎn)生足夠大的溫差。
[0009] 在此背景下，本發(fā)明人已開發(fā)出一種用于電熱能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和 方法克服了上述缺點。本發(fā)明基于ECM和選擇性傳熱機(jī)構(gòu)的使用，選擇性傳熱機(jī)構(gòu)使得熱能 夠選擇性地從ECM朝向工作流體的第一流(朝向散熱器流動)傳輸和從工作流體的第二流朝 向ECM傳輸(所述第二流朝向熱源流動）。工作流體的第一流和第二流的一個重要方面是它 們反向流動。優(yōu)選地，所述工作流體的第一流和第二流熱禪合并且反向流動。通過使用ECM 作為所述工作流體的第一流與第二流（所述流反向流動）之間的內(nèi)部再生器（internal regenerator),在熱源與散熱器之間可W建立相當(dāng)大的溫差。本發(fā)明基于下述構(gòu)思，該構(gòu)思 使用電熱材料將內(nèi)部熱再生(通過工作流體W反向流動方式流動)與溫差的產(chǎn)生相結(jié)合。目 前運種熱能的內(nèi)部再生(IRE)尚未應(yīng)用于電熱能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明設(shè)及一種用于電熱能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：
[00川散熱器；
[0012] 熱源；
[0013] 工作流體的第一對流流，其朝向所述散熱器流動；
[0014] 所述流體的第二對流流，其朝向所述熱源流動；W及 [001引電熱材料(ECM);其中，
[0016] 提供用于使所述ECM交替地暴露于增加的和減小的電場中的裝置，其中，當(dāng)所述 ECM暴露于增加的電場中時，所述ECM的溫度升高，并且其中，當(dāng)所述ECM暴露于減小的電場 中時，所述ECM的溫度降低;所述系統(tǒng)還包括
[0017] 用于當(dāng)ECM處于比所述第一對流流（24)的溫度高的溫度時允許從所述ECM至所述 第一對流流(優(yōu)選地，選擇性熱傳輸）的熱傳輸從而增加所述第一對流流的溫度的裝置；W 及
[0018] 用于當(dāng)所述ECM處于比所述第二對流流(25)的溫度低的溫度時允許從所述第二對 流流至所述ECM(優(yōu)選地，選擇性熱傳輸)的熱傳輸從而減小所述第二對流流的溫度的裝置；
[0019] 優(yōu)選地，使得在工作時，所述工作流體的所述第一對流流和所述第二對流流產(chǎn)生 熱能從所述熱源到所述散熱器的凈流動。
[0020] 優(yōu)選地，工作流體的第一對流流（24)從熱源流向散熱器（或從熱源一直到散熱 器）。同樣，優(yōu)選地，工作流體的第二對流流（25)從散熱器流向熱源（或從散熱器一直到熱 源)。
[0021] 工作流體的第一對流流和第二對流流優(yōu)選地是工作流體的單相流，例如，工作流 體的液態(tài)流或工作流體的氣態(tài)流。換句話說，工作流體的第一流和第二流優(yōu)選地不經(jīng)歷蒸 發(fā)或冷凝。
[0022] 在本發(fā)明的上下文中，從ECM到第一對流流的"選擇性"熱傳輸是指在給定時間相 對于從第二對流流到ECM的熱傳輸增強(qiáng)從ECM到第一對流流的熱傳輸。熱的選擇性傳輸可W 通過在ECM與第一對流流之間布置熱二極管和/或熱開關(guān)來實現(xiàn)。在本實施方式中，熱的選 擇性傳輸是熱的單向傳輸。在其他實施方式中，熱的"選擇性"傳輸通過工作流體的往復(fù)流 動來實現(xiàn)，在運種情況下，在任何給定時間僅第一對流流和第二對流流中之一存在，使得熱 傳輸僅發(fā)生在ECM與第一對流流之間或第二對流流與ECM之間。
[0023] 優(yōu)選地，工作流體的第二流熱禪合到ECM，并且ECM熱禪合到工作流體的第一流。W 運種方式，在工作流體的第一流與第二流之間建立熱禪合(通過ECM間接熱禪合）。
[0024] 在一個實施方式中，所述工作流體的第一對流流和第二對流流在分開的（或不同 的）導(dǎo)管中，并且用于允許從ECM至第一對流流的熱傳輸?shù)乃鲅b置和用于允許從第二對流 流至ECM的熱傳輸?shù)乃鲅b置兩者包括熱二極管或熱開關(guān)，或者熱二極管和熱開關(guān)兩者。
[0025] 在所述ECM中導(dǎo)管優(yōu)選地分別是至少一個狹縫或至少一個桐的形式，工作流體可 W流過該至少一個狹縫或桐。然而，在多孔的ECM中導(dǎo)管也可W是孔的形式。
[0026] 優(yōu)選地，所述第一對流流和所述第二對流流均經(jīng)由所述熱二極管或熱開關(guān)熱禪合 到所述ECM。
[0027] 在另一實施方式中，所述工作流體的第一對流流和第二對流流交替地出現(xiàn)在同一 導(dǎo)管內(nèi)（例如，在不同的時間段期間）。在本實施方式中，用于允許從所述ECM至所述第一對 流流的熱傳輸?shù)乃鲅b置和用于允許從所述第二對流流至所述ECM的熱傳輸?shù)乃鲅b置包 括用于W下述方式控制所述導(dǎo)管中的所述交替的對流流的裝置:在所述ECM處于比所述第 一對流流的溫度高的溫度時的時間段出現(xiàn)所述第一對流流，并且在所述ECM處于比所述第 二對流流的溫度低的溫度時的時間段出現(xiàn)所述第二對流流。
[0028] 在替選實施方式中，基于布置有ECM的電場的強(qiáng)度來控制工作流體的第一流和第 二流的交替流動。
[0029] 工作流體的第一流和第二流優(yōu)選地沿相反方向W交替方式出現(xiàn)。在一個實施方式 中，所述交替的第一對流流和第二對流流通過所述工作流體經(jīng)過所述導(dǎo)管的往復(fù)流動來實 現(xiàn)。
[0030] 根據(jù)優(yōu)選實施方式，在所述ECM中所述導(dǎo)管是至少一個狹縫的形式，工作流體可W 流過該狹縫。然而，導(dǎo)管也可W是多孔ECM的孔的形式。
[0031] 第一對流流和第二對流流優(yōu)選地均經(jīng)由熱傳導(dǎo)材料與所述ECM熱禪合，或甚至更 優(yōu)選地均經(jīng)由公共表面直接與所述ECM熱禪合。
[0032] 根據(jù)優(yōu)選實施方式，ECM選自包括W下項的列表：電熱單晶體、電熱陶瓷和電熱聚 合物。例如，諸如Pb (Mg，Nb) 〇3基材料或Pb (Zr，T i) 〇3基材料的鉛基材料是典型的電熱材料， 其可W制備為單晶體或陶瓷（Per進(jìn)ntie.et al.Physical Review B 82,2010;Sebald et al.,Journal of Applied PhysicslOO,2006；Rozicet al.,Journal of Applied Physics 110,2011)。電熱聚合物的典型代表是聚（偏二氣乙締-S氣乙締）聚合物(Neese et al.Science 321,2008；Lu et al.,Applied Physics Letters 97,2010)〇
[0033] 優(yōu)選地，所述熱源處于比所述散熱器的溫度水平低的溫度水平。
[0034] 根據(jù)優(yōu)選實施方式，用于允許從所述第二對流流至所述ECM W及從所述ECM至所述 第一對流流的熱傳輸?shù)乃鲅b置允許使得熱在沿所述ECM的多個級處傳輸。W運種方式，有 利地建立了在(或沿)所述第一對流流和