一种全固态电卡制冷器制造技术

本发明专利技术公开了一种全固态电卡制冷器，以第三电极层为中心层，向一侧依次贴合第二电卡材料层和第二电极层而组成的电卡制冷单元冷端与制冷片连接，向另一侧依次贴合第一电卡材料层和第一电极层而组成的电卡制冷单元热端与散热片连接，还包括第一电源连接冷端提供脉冲电压，第二电源连接热端提供脉冲电压。所述的电卡材料层采用具有电卡效应的铁电材料或弛豫铁电材料。与制冷片和散热片相接触的第一电极层和第三电极层表面均溅射具有良导热不导电的薄膜材料。薄膜材料可以是BeO或者AlN。

All solid state electric card refrigerator

The invention discloses a solid-state electric card cooler, the third electrode layer is the core layer to the side sequentially laminating second electric card material layer and the second electrode layer and the composition of the electric card refrigeration unit cold end is connected with the refrigeration piece, to the other side by adhering the first electric card material layer and the first electrode layer and the composition of the the electric card is connected with the refrigeration unit heat sink, also includes a first power supply connected with the cold end to provide pulse voltage, second power connection provides hot end of pulse voltage. The electric card material layer adopts ferroelectric material or relaxor ferroelectric material with electric card effect. The surface of the first electrode layer and the third electrode layer which are in contact with the cooling plate and the radiating fin are sputtered with thin film material with good thermal conductivity and non conducting. Thin film material can be BeO or AlN.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于制冷设备
，特别涉及一种全固态电卡制冷器。
技术介绍
电卡效应是指在外加电场下材料表现出的可逆的等温熵变或者绝热温度变化。能够产生电卡效应的材料称为电卡材料。对电卡材料施加外加电场，材料本身的极化有序方式发生变化，从而导致材料的熵变。在等温条件下，材料体系会与周围介质发生热交换；在绝热条件下，材料本身温度会发生变化。民用空调、冰箱的制冷主要是通过机械蒸发-凝聚循环，其效率较低、增加了电力峰值负荷、使用的氟利昂也是引起温室效应的气体。因此需要寻求相对低廉、环境友好的新制冷技术。如果利用具有大电卡效应的材料实现制冷，相比较传统的蒸发-压缩制冷而言，具有更高的效率和环保的优点。2014年《无机材料学报》第29卷第1期《铁电材料中的大电卡效应》综述了电卡效应的热力学理论、弛豫铁电聚合物中的大电卡效应，简述了电卡效应的在制冷方面的应用前景。铁电材料本身具有自发极化，在增大外加电场条件下，无规则随机分布的极化在材料体系内由于电场力的作用规则排列，引起材料 极化熵的降低。在绝热条件下，材料总熵不变，本身温度会升高；在等温条件下，材料会释放热量到环境当中。在降低外加电场条件下，材料体系发生去极化过程，引起材料极化熵增大，在绝热条件下，材料总熵不变，本身温度会降低；在等温条件下，材料会从环境吸收热量。在493K条件下给PbZr0.95Ti0.05O3薄膜施加4.8*107V/m电场，实现了12K的温度变化。2008年，在343K在P(VDF-TrFE)中亦发现12K的温度变化。目前在接近室温的条件下，P(VDF-TrFE)可实现大约20K的温度变(95J kg-1K-1的熵变)。前述的《铁电材料中的大电卡效应》虽然描述了相关原理，但是，文章没有给出具体的实现制冷的办法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提供一种利用电卡效应实现制冷的器件。本专利技术的技术方案是，一种全固态电卡制冷器，该全固态电卡制冷器以第三电极层为中心层，向一侧依次贴合第二电卡材料层和第二电极层而组成的电卡制冷单元冷端与制冷片连接，向另一侧依次贴合第一电卡材料层和第一电极层而组成的电卡制冷单元热端与散热片连接。还包括第一电源连接冷端提供脉冲电压，第二电源连接热端提供脉冲电压。所述的电卡材料层采用铁电材料或者弛豫铁电材料。所述的铁电材料是PbZr0.95Ti0.05O3、0.63Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.37PbTiO3、(Ba,Sr)TiO3或者P(VDF-TrFE)等具有电卡效应的材料。所述的电极层的材料是金属金或银。制冷片和散热片相接触的第一电极层和第三电极层表面均溅射具有良导热不导电的薄膜，可以是BeO或者AlN。电卡制冷单元，由电卡材料和电极构成，可以是单层或者多层或者其它形式，通过作用于电卡制冷单元的外加电场改变材料体系的极化熵来实现制冷。制冷器件的关键是从冷端向热端输运熵。即以一种可逆的办法来从一个温度水平向另一个温度水平输送熵而不在整个过程中新增熵。这就要求有一种物质，其熵值不仅仅依赖于温度。电卡材料具有这种特性，通过外加电场的变化能够实现熵变，问题的难点在于实现熵的输运，而本专利技术很好解决了这个问题，可广泛用于空调、冰箱等日用电器的制冷，也可应用于晶元、封装电路等微电子器件的制冷。附图说明图1本专利技术涉及的电卡制冷效应原理图；图2本专利技术实施例中结构示意图；图3本专利技术电卡制冷单元冷端(3-a)、热端(3-b)脉冲电场与时间关系示意图。其中，1——第一电卡材料层，2——第一电极层，3——第二电极层，4——制冷片，5——散热片，6——第三电极层，7——第一电源，8——第二电源，9——第二电卡材料层。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述实例仅为本专利技术的一个例子，而不是所有可行的实施方案。基于相同的制冷原理，设计的其它实施例子，均属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术涉及的电卡制冷效应的原理图。电卡制冷循环一次经过四个步骤：(1)给电卡材料施加电压且不与外界热交换，材料体系实现绝热升温过程1-2。由于电卡效应，材料从状态1(E1，Tc，Sh)变化到状态2(E2，Th，Sh)。(2)电压继续增大材料与恒温环境(Th)进行热交换，材料体系实现等温放热过程2-3。材料从状态2(E2，Th，Sh)变化到状态3(E3，Th，Sc)。(3)电压降低且材料不与外界热交换，材料体系实现绝热降温过程3-4。材料从状态3(E3，Th，Sc)变化到状态4(E4，Tc，Sc)。(4)电压继续降低且材料与恒温环境(Tc)进行热交换，材料等温吸热过程4-1。材料中状态4(E4，Tc，Sc)变化到状态1(E1，Tc，Sh)。经过一次循环，材料体系恢复到初始状态。经过一次循环， 实现热量TCΔS的散出。图2为本专利技术实施例的结构示意图。其中电卡制冷单元由电卡材料层1，电卡材料9、电极层2、电极层3，和电极层6组成。电卡材料可用如PbZr0.95Ti0.05O3，0.63Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.37PbTiO3,(Ba,Sr)TiO3，和P(VDF-TrFE)等具有电卡效应的极性材料。电极材料可用金属金或银或其它良导体。由电极3、电极6和之间的电卡材料9组成的电卡制冷单元冷端与制冷片4连接；有电极2、电极6和之间的电卡材料1组成的电卡制冷单元热锻与散热片5连接。与制冷片4、散热片5相接触的电极2、电极6表面均溅射具有良导热不导电的薄膜材料，如BeO或者AlN。电卡制冷单元通过电源7、电源8分别给冷端、热端提供脉冲电压。在一个脉冲周期，冷端、热端经历的电场强度变化如图3中3-a、3-b所示。电卡制冷单元的冷端、热端均经历了三个阶段。对于电卡制冷单元的冷端，阶段1为绝热升温。温度初值为TC，电场初值为0。给材料迅速施加脉冲电压，电场从0变为E，时间约10-12s。此过程近似为绝热，极化熵降低，电卡材料温度升温。最终，电卡材料温度从TC变为T1。阶段2为等电场散热。温度初值T1，电场初值为E。保持脉冲电压不变，电场为E。由于电卡层温度较高，电卡材料向两边散热。最终，电卡材料温度从T1变为TC。阶段3为等温吸热。温度初值Tc，电场初值为E。脉冲电压逐渐降低，最 终变为0。材料温度保持不变，实现等温(TC)吸热。由于极化熵降低吸收热量为TC△S。对于电卡制冷单元的热端，阶段1为绝热降温。温度初值为Th，电场初值为E。材料中脉冲电压迅速降低，电场从E变为0，时间约10-12s。此过程近似为绝热，极化熵增加，电卡材料温度降低。最终，电卡材料温度从Th变为T3。阶段2为等电场吸热。温度初值T3，电场初值为0。保持电压不变，电场为0。电卡材料温度从T3变为Th。(T1为冷端最高温度)。阶段3为等温散热。温度初值Th，电场初值为0。脉冲电压逐渐增大，最终变为E。材料温度保持不变，实现等温(Th)放热。由于极化熵变导致的放热量为Th△S。在一个周期，阶段1无热变化，阶段2发生逆向传热，阶段3由于电卡效应正向传热，传热量为TC△S。对于具有明显电卡效应的材料，忽略热传导效应，电卡效应即实现了热的单相散出。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全固态电卡制冷器，其特征在于，该全固态电卡制冷器以第三电极层为中心层，向一侧依次贴合第二电卡材料层和第二电极层而组成的电卡制冷单元冷端与制冷片连接，向另一侧依次贴合第一电卡材料层和第一电极层而组成的电卡制冷单元热端与散热片连接，还包括第一电源连接冷端提供脉冲电压，第二电源连接热端提供脉冲电压。

【技术特征摘要】
1.一种全固态电卡制冷器，其特征在于，该全固态电卡制冷器以第三电极层为中心层，向一侧依次贴合第二电卡材料层和第二电极层而组成的电卡制冷单元冷端与制冷片连接，向另一侧依次贴合第一电卡材料层和第一电极层而组成的电卡制冷单元热端与散热片连接，还包括第一电源连接冷端提供脉冲电压，第二电源连接热端提供脉冲电压。2.如权利要求1所述的全固态电卡制冷器，其特征在于，所述的电卡材料层采用铁电材料或者弛豫铁电材料。3.如权利要求2所述的全固态电卡...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏波，何建萍，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：上海;31