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CN105593616B - 用于电热能量转换的方法 - Google Patents

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CN105593616B
CN105593616B CN201480054407.0A CN201480054407A CN105593616B CN 105593616 B CN105593616 B CN 105593616B CN 201480054407 A CN201480054407 A CN 201480054407A CN 105593616 B CN105593616 B CN 105593616B
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耶拿·齐伦舍克
兹德拉夫科·库特尼亚克
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乌罗什·弗利萨尔
安德烈·基塔诺夫斯基
马尔科·厄兹博尔特
乌罗什·普拉尼克
阿洛伊兹·波雷多斯
乌尔班·托姆茨
亚卡·图谢克
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Abstract

本发明属于电热能量转换领域。更具体地，本发明涉及对采用电热材料作为电热制冷过程中温度变化的源的系统和方法的改进。甚至更具体地，本发明涉及电热材料与以反向流动方式与热源和散热器连通的工作流体相结合的应用。

Description

用于电热能量转换的方法
技术领域
本发明属于电热能量转换的领域。更具体地，本发明涉及对采用电热材料作为电热制冷、热泵或发电过程中温度变化的源的系统和方法的改进。甚至更具体地，本发明涉及电热材料与以反向流动方式与热源和散热器连通的工作流体和/或热二极管或热开关相结合的应用。
背景技术
绝大多数当前的制冷系统基于蒸汽压缩技术，从而应用流体制冷剂的压缩和膨胀。由于许多制冷剂具有大的臭氧消耗潜值，并且经常被视为全球变暖的可能因素，所以最近倾尽努力在开发替代制冷技术。
已知各种电热材料(ECM)。这样的ECM通过改变其温度来对其所暴露于的电场的强度变化作出反应。当电场增加时ECM的温度升高，并且当外加电场减小(或移除)时ECM的温度降低。随着近来对改进电热材料(改进在于通过电场强度的变化来实现增加的温差)的发现和开发，该技术已在制冷领域引起更多关注。技术人员已经认识到，电热效应不仅可以应用于制冷，而且可以应用于其他类型的过程，如空气调节、热泵技术和发电。
ECM在制冷系统中的使用是公知的。已知的构思使用级联热桥，其中级联热桥包括作为制冷剂的电热材料和作为传热机构的热二极管(或热开关)。例如US 4,757,688和US2011/0113791 A1使用“热管”作为热源与散热器之间和/或ECM的不同级之间的热开关。另一方面，US2010/0175392 A1使用液晶热开关。US 2011/0146308 A1描述了薄膜形式的ECM的使用，薄膜形式的ECM被交替地设置在热源与散热器之间，从而选择性地传热。在US 6,877,325 B1中，公开了在连续级之间使用热交换器的单级电热装置和级联电热装置。US 6,877,325 B1也提供了工作流体穿过电热材料的构思。然而，该系统不能提供内部热再生(定义如下)，原因是该系统作为单级装置或级联装置工作，而且不以反向流动操作的方式应用工作流体。
US 2012/0055174 A1公开了一种用于基于被热耦合和机械耦合到热管的两端的电热材料将热从热源传递至包括一个或更多个电热热泵的热目的地的系统。
WO 2006/056809 A1公开了一种冷却装置，其包括被以级联或并联布置的热开关隔离以提高冷却效果的若干电热工作元件。
WO 2011/0113791 A1公开了一种用于利用电热效应的热管理的系统和方法。电热元件被置于电子部件(热源)与热管之间，其中，热管也被热耦合至散热器。
目前为止公知的所有电热制冷系统都存在相对大的传热损失的缺点，并且它们在热源与散热器之间仅产生相对有限的温差。这样的系统被视为不可与蒸汽压缩技术竞争。因为在公知系统(如在US 4,757,688和US2011/0113791 A1中所描述的系统)中为了增加温差应用了ECM的级联连接，因此发生大的传热损失。由于ECM的单个级的绝热温差相当小，所以有效的装置(产生如35K的足够高的温差)将需要十级或更多级的级联。这导致大的能量损失。另一方面，小数目的级联将不会产生足够大的温差。
在此背景下，本发明人已开发出一种用于电热能量转换的系统和方法，该系统和方法克服了上述缺点。本发明基于ECM和选择性传热机构的使用，选择性传热机构使得热能够选择性地从ECM朝向工作流体的第一流(朝向散热器流动)传输和从工作流体的第二流朝向ECM传输(所述第二流朝向热源流动)。工作流体的第一流和第二流的一个重要方面是它们反向流动。优选地，所述工作流体的第一流和第二流热耦合并且反向流动。通过使用ECM作为所述工作流体的第一流与第二流(所述流反向流动)之间的内部再生器(internalregenerator)，在热源与散热器之间可以建立相当大的温差。本发明基于下述构思，该构思使用电热材料将内部热再生(通过工作流体以反向流动方式流动)与温差的产生相结合。目前这种热能的内部再生(IRE)尚未应用于电热能量转换系统。
发明内容
本发明涉及一种用于电热能量转换的系统，所述系统包括：
散热器；
热源；
工作流体的第一对流流，其朝向所述散热器流动；
所述流体的第二对流流，其朝向所述热源流动；以及
电热材料(ECM)；其中，
提供用于使所述ECM交替地暴露于增加的和减小的电场中的装置，其中，当所述ECM暴露于增加的电场中时，所述ECM的温度升高，并且其中，当所述ECM暴露于减小的电场中时，所述ECM的温度降低；所述系统还包括
用于当ECM处于比所述第一对流流(24)的温度高的温度时允许从所述ECM至所述第一对流流(优选地，选择性热传输)的热传输从而增加所述第一对流流的温度的装置；以及
用于当所述ECM处于比所述第二对流流(25)的温度低的温度时允许从所述第二对流流至所述ECM(优选地，选择性热传输)的热传输从而减小所述第二对流流的温度的装置；
优选地，使得在工作时，所述工作流体的所述第一对流流和所述第二对流流产生热能从所述热源到所述散热器的净流动。
优选地，工作流体的第一对流流(24)从热源流向散热器(或从热源一直到散热器)。同样，优选地，工作流体的第二对流流(25)从散热器流向热源(或从散热器一直到热源)。
工作流体的第一对流流和第二对流流优选地是工作流体的单相流，例如，工作流体的液态流或工作流体的气态流。换句话说，工作流体的第一流和第二流优选地不经历蒸发或冷凝。
在本发明的上下文中，从ECM到第一对流流的“选择性”热传输是指在给定时间相对于从第二对流流到ECM的热传输增强从ECM到第一对流流的热传输。热的选择性传输可以通过在ECM与第一对流流之间布置热二极管和/或热开关来实现。在本实施方式中，热的选择性传输是热的单向传输。在其他实施方式中，热的“选择性”传输通过工作流体的往复流动来实现，在这种情况下，在任何给定时间仅第一对流流和第二对流流中之一存在，使得热传输仅发生在ECM与第一对流流之间或第二对流流与ECM之间。
优选地，工作流体的第二流热耦合到ECM，并且ECM热耦合到工作流体的第一流。以这种方式，在工作流体的第一流与第二流之间建立热耦合(通过ECM间接热耦合)。
在一个实施方式中，所述工作流体的第一对流流和第二对流流在分开的(或不同的)导管中，并且用于允许从ECM至第一对流流的热传输的所述装置和用于允许从第二对流流至ECM的热传输的所述装置两者包括热二极管或热开关，或者热二极管和热开关两者。
在所述ECM中导管优选地分别是至少一个狭缝或至少一个洞的形式，工作流体可以流过该至少一个狭缝或洞。然而，在多孔的ECM中导管也可以是孔的形式。
优选地，所述第一对流流和所述第二对流流均经由所述热二极管或热开关热耦合到所述ECM。
在另一实施方式中，所述工作流体的第一对流流和第二对流流交替地出现在同一导管内(例如，在不同的时间段期间)。在本实施方式中，用于允许从所述ECM至所述第一对流流的热传输的所述装置和用于允许从所述第二对流流至所述ECM的热传输的所述装置包括用于以下述方式控制所述导管中的所述交替的对流流的装置：在所述ECM处于比所述第一对流流的温度高的温度时的时间段出现所述第一对流流，并且在所述ECM处于比所述第二对流流的温度低的温度时的时间段出现所述第二对流流。
在替选实施方式中，基于布置有ECM的电场的强度来控制工作流体的第一流和第二流的交替流动。
工作流体的第一流和第二流优选地沿相反方向以交替方式出现。在一个实施方式中，所述交替的第一对流流和第二对流流通过所述工作流体经过所述导管的往复流动来实现。
根据优选实施方式，在所述ECM中所述导管是至少一个狭缝的形式，工作流体可以流过该狭缝。然而，导管也可以是多孔ECM的孔的形式。
第一对流流和第二对流流优选地均经由热传导材料与所述ECM热耦合，或甚至更优选地均经由公共表面直接与所述ECM热耦合。
根据优选实施方式，ECM选自包括以下项的列表：电热单晶体、电热陶瓷和电热聚合物。例如，诸如Pb(Mg,Nb)O3基材料或Pb(Zr,Ti)O3基材料的铅基材料是典型的电热材料，其可以制备为单晶体或陶瓷(et al.Physical Review B 82,2010；Sebald etal.,Journal of Applied Physics100,2006；et al.,Journal of AppliedPhysics 110,2011)。电热聚合物的典型代表是聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)聚合物(Neeseet al.Science 321,2008；Lu et al.,Applied Physics Letters 97,2010)。
优选地，所述热源处于比所述散热器的温度水平低的温度水平。
根据优选实施方式，用于允许从所述第二对流流至所述ECM以及从所述ECM至所述第一对流流的热传输的所述装置允许使得热在沿所述ECM的多个级处传输。以这种方式，有利地建立了在(或沿)所述第一对流流和所述第二对流流中的温度梯度。然后有利的是，应用具有不同的居里温度的不同的ECM，使得ECM可以在其电热效应相对大的温度水平处工作。
根据本发明，工作流体优选地选自包括以下项的组：液态工作流体、水、水溶液、液态金属、酒精、盐水、制冷剂和油。工作流体可以是导电流体，或可以是介电流体。
根据优选实施方式，系统包括其间具有狭缝的多个电热装置。多个电热装置优选地是其间具有狭缝的彼此上下堆叠的多个平板的形式。
根据优选实施方式，第一对流流和第二对流流首尾相连，例如以允许工作流体在热源与散热器之间循环流动。
优选地，用于电热能量转换的系统是用于再生型电热能量转换的系统，其中热能是由ECM从工作流体的第二对流流吸收的，然后由所述ECM间歇地(或临时地)存储，然后从所述ECM传递到所述工作流体的第一对流流。为了有效的再生型电热能量转换，本发明的ECM优选地是具有大容积热容量cP[J·cm-3·K-1]的ECM。优选地，ECM的容积热容量等于或大于0.5J·cm-3·K-1、0.6J·cm-3·K-1、0.7J·cm-3·K-1、0.8J·cm-3·K-1、0.9J·cm-3·K-1、1.0J·cm-3·K-1、1.1J·cm-3·K-1、1.2J·cm-3·K-1、1.3J·cm-3·K-1、1.4J·cm-3·K-1、1.5J·cm-3·K-1、1.6J·cm-3·K-1、1.7J·cm-3·K-1、1.8J·cm-3·K-1、1.9J·cm-3·K-1、2J·cm-3·K-1、2.2J·cm-3·K-1、2.4J·cm-3·K-1、2.6J·cm-3·K-1、2.8J·cm-3·K-1、3J·cm-3·K-1、3.2J·cm-3·K-1、3.4J·cm-3·K-1、3.6J·cm-3·K-1、3.8J·cm-3·K-1或4J·cm-3·K-1。
优选地，用于将所述ECM交替地暴露于增加的和减小的电场中的装置适于将所述ECM交替地暴露于以从1Hz至100Hz、或从5Hz至50Hz、或从10Hz至30Hz的频率增加和减小的电场中。因此，电场振荡的频率显著大于例如热管能够工作的频率。(在本发明的上下文中，1Hz的频率是指完成增加和减小各个电场的完整的周期需要1秒钟)。
优选地，通过电压来控制(或适于控制)本发明的热开关和/或热二极管，其中电压与ECM暴露于其中的交替增加和减小的电场同步(例如，具有相同的频率)。
本发明也涉及电热能量转换的其他方法，所述方法包括以下步骤：
提供散热器；
提供热源；
提供工作流体的第一对流流，其朝向所述散热器流动；
提供工作流体的第二对流流，其朝向所述热源流动；
提供ECM；以及
使所述ECM交替地暴露于增加的和减小的电场中，其中，当所述ECM暴露于所述增加的电场中时，所述ECM的温度升高，并且，当所述ECM暴露于所述减小的电场中时，所述ECM的温度降低；以及
当所述ECM处于比所述第一对流流的温度水平高的温度水平时，允许从所述ECM至所述第一对流流的热传输(优选地，选择性热传输)，从而增加所述工作流体的第一对流流(24)的温度；以及
当所述ECM处于比所述工作流体的第二对流流的温度水平低的温度水平时，允许从所述工作流体的第二对流流至所述ECM的热传输(优选地，选择性热传输)，从而降低所述工作流体的第二对流流的温度；
优选地，从而通过所述工作流体的第一对流流和第二对流流产生热从所述热源到所述散热器的净流动。
在本发明的方法中，工作流体的第一对流流(24)优选地从热源流向散热器(即，从热源一直到散热器)。同样，优选地，工作流体的第二对流流(25)从散热器流向热源(即，从散热器一直到热源)。
工作流体的第一对流流和第二对流流优选地是工作流体的单相流，例如，工作流体的液态流或气态流。换句话说，工作流体的第一流和第二流优选地不经历蒸发或冷凝。
在本发明方法的一个实施方式中，在分开的导管中提供所述工作流体的第一对流流和第二对流流，并且从所述ECM至所述第一对流流的热传输(优选地，选择性热传输)以及从所述工作流体的第二流至所述ECM的所述热传输(优选地，选择性热传输)分别通过热二极管或通过热开关来实现。
在本发明方法的另一实施方式中，在同一导管中交替地提供工作流体的第一对流流和第二对流流，并且从所述ECM至所述第一对流流以及从所述第二对流流至所述ECM的所述热传输通过以下述方式控制交替的对流流动来实现：在所述ECM处于比所述第一对流流的温度高的温度时的时间段出现所述第一对流流，并且在所述ECM处于比所述第二对流流的温度低的温度时的时间段出现所述第二对流流。
因此，当工作流体具有相对高的温度时优选地出现第一对流流，而当工作流体具有相对低的温度时优选地出现第二对流流。
在本发明的优选实施方式中，交替的第一对流流和第二对流流通过所述工作流体经过所述导管的往复流动来实现。
优选地，热源处于比所述散热器的温度水平低的温度水平。
在本发明的其他优选方法中，从所述第二对流流至所述ECM以及从所述ECM朝向所述第一对流流的所述热传输发生在沿所述ECM的多个级处。优选地，于是建立所述第一对流流和所述第二对流流中的温度梯度。
根据本发明的优选方法，工作流体选自包括以下项的组：液态工作流体、水、水溶液、液态金属、酒精、盐水、油或制冷剂。
附图说明
图1提供了本发明的系统的示意图。
图2示出了根据本发明的IRE布雷顿热力循环的各个阶段。
图3以温度-熵图示出了三个IRE布雷顿热力循环。
图4以温度-熵图示出了根据本发明的三个IRE卡诺循环。
图5以温度-熵图示出了根据本发明的三个IRE埃里克森循环。
图6形象化了根据本发明的具有两个外部热交换器的热力循环。
图7形象化了使用ECM和两个热二极管的选择性热传输。
图8形象化了根据第一配置的应用热二极管和外部热交换器的本发明的热力循环。
图9形象化了根据第二配置的应用热二极管和外部热交换器的本发明的热力循环。
图10示出了根据本发明的包括多组具有电极和电触点的陶瓷电热板的系统。
图11提供了图10中所示的系统的侧视图。
图12示出了ECM板组件的另一变型。
图13示出了基于结合热二极管以反向流动方式流动的工作流体的本发明的实施方式。
图14示出了基于反向流动的工作流体和热二极管的实施方式的放大视图。
具体实施方式
在本发明的上下文中，“电热材料”或ECM应当理解为：当暴露于增加的电场中时温度升高并且当暴露于减小的电场中时温度降低的任何材料。
根据本发明，“电热装置”应当理解为是包括电容器的装置，其中电容器包括间隔开的电极，其中，ECM被设置在电容器的电极之间充当电介质。当向电容器施加电压时电热装置中的ECM的温度升高，并且当移除所述外加电压时ECM的温度降低。
根据本发明，“热二极管”应当理解为是其热传输能力取决于热传输的方向的装置或材料。本发明的优选热二极管在一个方向上具有大的热传输能力，但在相反方向上具有小的热传输能力。因此它们可以被视为是单向热传导元件。本领域技术人员了解并且容易得到基于固态物理学或微流体的热二极管。例如在US 4,757,688中对热二极管进行了描述。
热二极管可以基于以下原理中的一个或数个来实现：
热电学
热离子学
自旋电子学
自旋热电子学
热整流
电流体力学
磁流体力学
声流体力学
微流体学
电润湿
这样的热二极管是公知的。
根据本发明，“热开关”应当理解为是具有可控热传输能力的装置或材料。与热二极管机构相比，“热开关”可以允许或阻止热流动(类似于水系统中阀的作用)，但不提供对热通量方向的控制，并且在大多数情况下不提供对热通量强度的控制。“热开关”(其当然可以被看作是“热二极管”的子域)的一个示例是例如基于ECM材料的可控热传导的应用的热整流器。在本发明的上下文中使用的热交换器例如是由Chiou等人(2012,Solid-StateElectronics,77:56-63)、Cho等人(2007,Sensors and Actuators,A133:55-63)、以及在US2009/0040007中所描述的热交换器。
根据本发明，“工作流体”应当理解为有益于对流热传输的具有足够大的比热容的任何流体(J·kg-1·K-1)。工作流体可以是气体或液体、纳米流体或悬浮液。本发明的优选工作流体具有等于或大于4kJ·kg-1·K-1的比热容c。可替选地，工作流体可以具有等于或大于0.1kJ·kg-1·K-1、或1kJ·kg-1·K-1、或2kJ·kg-1·K-1的比热容。液态工作流体因其较大的热容量而是优选的。合适的工作流体取决于与如何制备ECM材料相关的溶液。如果ECM材料是绝缘的，那么工作流体可以是导电的，例如水、液态金属、具有防冻抑制剂的水溶液、酒精、制冷剂等。如果ECM材料不是绝缘的，那么工作流体必须是介电的，例如硅酮油、矿物油、去离子水、液氮、液氧等。
电热材料优选地是夹在两个热二极管机构之间的膜或层或板的形式。在这种情况下，内部热再生和同时的电热能量转换通过工作流体的第一对流流朝向散热器流动和工作流体的第二流朝向热源流动(从而所述第一流和所述第二流以反向流动方式流动)来实现。ECM经由热二极管热耦合到工作流体的所述第一流和所述第二流。在本实施方式中，应用热二极管以允许从工作流体的第二流朝向ECM选择性(或定向)传热，以及从ECM朝向工作流体的第一流选择性传热。具体地，当电热材料不暴露于电场(即处于ECM的低温度水平)时，应用热二极管以允许从工作流体的第二流向ECM传热(但不从工作流体的第一流向ECM传热，或者在较小程度上从工作流体的第一流向ECM传热)。另一方面，当电场被施加到ECM(即处于ECM的高温度水平)时，热二极管用于允许从ECM朝向工作流体的第一流传热(但不从ECM朝向工作流体的第二流传热，或者在较小程度上从ECM朝向工作流体的第二流传热)。
在一些实施方式中，电热材料形成具有内部狭缝的结构，工作流体可以通过内部狭缝流动。然后通过应用工作流体来实现内部热再生和电热效应的同时利用，其中当电热材料暴露于电场中时，所述工作流体从散热器经过电热材料的内部结构流动至热源；而当电热材料不暴露于电场中时，工作流体通过电热材料的内部结构从热源流动至散热器。因此，工作流体以振荡方式流过ECM。因此，可以将根据本发明的该第二实施方式的流动方式视作应用“时间分离的反向流动”，其中朝向散热器的工作流体的第一流和朝向热源的工作流体的第二流在空间上不分离，但在时域中分离。在第一组时间段期间出现工作流体的第一对流流，而在第二(互补)组时间段期间出现沿相反方向的工作流体的第二流。
因此可以通过两种不同的传热机构提供内部发热和同时进行的传热：
1.通过工作流体的振荡对流流动结合ECM的温度的振荡变化来实现热传输。
2.实现来自和去往工作流体的两个空间上分离的流的热传输，每个流通过热二极管或热开关热耦合到ECM。
图1示出了根据本发明的系统的示意图。该系统包括热源22和散热器23。该系统还包括工作流体的第一对流流24和工作流体的第二对流流25。工作流体的第一对流流24朝向热源22流动，而工作流体的第二对流流25朝向散热器23流动。因此，工作流体的第一对流流和第二对流流处于彼此反向的流动方向上。在第一对流流24与第二对流流25之间设置有电热材料26(ECM)。ECM 26被设置为电热装置的一部分，电热装置包括设置在电容器的两个相反的电极内的ECM 26。由于电热效应，当向电容器施加电压时，ECM 26的温度升高。同样，当移除电压时，ECM 26的温度降低。装置29被设置为用于交替地将ECM 26暴露于电场中以及不将ECM 26暴露于电场中。当ECM 26暴露于电场中时，热27从ECM26传递至工作流体的第一对流流24。在此阶段，ECM的温度相对高。热27在此阶段选择性地在从ECM 26朝向第一对流流24的方向上传递，并且不在(或者在较小程度上)从ECM 26朝向第二对流流25的方向上传递，从这个意义上讲，传热是“选择性”的。当ECM 26不暴露于电场中时，因此处于较低的温度水平，热28选择性地从工作流体的第二对流流25朝向ECM 26传递。在不(或在较小程度上)发生从第一对流流24朝向ECM 26的传热的意义上讲，热28的这种传递是“选择性”的。以此方式，结合“选择性”传热机构，经循环加热和冷却的ECM 26将热从工作流体的第二对流流25泵送至第一对流流24。结合流24和25的对流流动而如此实现的传热导致建立沿对流流24和25的温度梯度。反向流动中工作流体的第一流24和第二流25通过ECM 26的热耦合允许在热源23与散热器22之间建立大的温差。
如在图1中由30a、30b、30c、30d处的虚线所示，传热可以发生在沿ECM 26的多个级处。这增加了沿工作流体的第一对流流24和第二对流流25以及沿ECM 26的温度梯度。图1中所示的级的数目(在这种情况下为四个)仅是为了说明的目的。如本领域技术人员将理解的，可以采用任何数目的(理论的)级。
将理解的是，工作流体的第一对流流24和第二对流流25彼此可以在空间上分离，或者它们可以在时域中分离。空间分离可以通过经由分开的导管(如经过ECM 26内或与ECM26相邻的分开的狭缝)传输工作流体的第一对流流24和第二对流流25来实现。另一方面，时域中的分离可以通过工作流体振荡(或往复)移动经过同一导管或经过ECM 26内或与ECM26相邻的狭缝来实现。
在工作流体的第一流24和第二流25在分开的导管中流动的实施方式中，从第二流25朝向ECM 26以及从ECM 26朝向第一流24的选择性热传输通过应用热二极管或热开关来实现。热二极管或热开关有效地将热从第二流25传递至ECM 26以及从ECM 26传递至第一流24，但是热二极管或热开关有效地避免(或减少)在ECM 26处于低温度水平时从第一流24朝向ECM 26的传热；以及在ECM 26处于高温度水平时从ECM 26朝向第二流25的传热。
在工作流体的第一流24和第二流25在同一导管中流动的实施方式中，从第二流25朝向ECM 26以及从ECM 26朝向第一流24的选择性热传输通过对工作流体的振荡流动进行适当地定时来实现。例如，当ECM26暴露于电场中(从而处于高温度水平)时，导管中的工作流体可以沿散热器的方向流动。另一方面，当ECM 26不暴露于电场中(从而处于低温度水平)时，导管中的工作流体可以沿热源的方向流动。以这种方式，可以在不应用热二极管或热开关的情况下实现至工作流体的第一流24或第二流25的选择性传热。
现参照其余附图对本发明的另外方面进行描述。
图2示出了在不应用热二极管的情况下包括对流传热的IRE布雷顿制冷热力循环的四个操作步骤。在图2中，仅示出了所选择的粒子的热力学路径。在第一步骤中，发生绝热极化，在此阶段ECM经受增加的电场。这由于电热效应而导致ECM变热。在第二步骤中，在ECM暴露于高电场的同时，流体通过变热的ECM结构朝向散热器(即，热侧外部热交换器，HHEx)流动。在此过程中，ECM冷却并且工作流体的温度升高。HHEx中的该热流体将热传递到周围。在第三步骤中，发生绝热去极化，在此期间ECM经受减小的电场。这由于电热效应而导致ECM的温度降低。在第四步骤中，发生流体通过相对冷的ECM结构(处于低电场中)朝向热源(例如，冷侧热交换器CHEx)流动。CHEx中的该较冷的流体从环境中吸收热。在该系统中，振荡的流体流动可以被视为“反向流动”，其中在第二步骤(热侧)和第四步骤(冷侧)中的流体流动是沿相反方向的。当以多个循环重复以上四个步骤时，并且如果在每个循环中仅工作流体的一部分从热源传输至散热器，或从散热器传输至热源，则将沿着电热材料(即在热侧外部热交换器与冷侧外部热交换器之间)建立温度曲线。可以根据所选择的工作条件(质量流率，工作频率等)来修改在热交换器之间所建立的温差，以及冷却能力和过程的有效性。另外，ECM的性质、其几何形状、外加电场、工作流体以及其他因素会产生影响。
如本领域技术人员将理解的，可以实现不同的热力循环。从热力学角度看，发明过程产生独特的电热热力循环。这些热力循环不以与常规电热热力循环相同的方式进行工作。在目前情况下，在ECM的多个单元(或级)中执行热力循环，而ECM的各单元的热力学路径在不同的时间序列交叉，但不像级联系统中的情况那样在同一时间交叉。ECM的各单元不直接将热泵送到下一相邻单元，而是所有单元在同一时间接受或拒绝来自或去往工作流体(或热二极管)的热，并且通过流体(或热二极管)间接耦合。单元及其局部热力循环通过流体的热传输(以及热二极管，如果应用了的话)与相邻的单元及其局部热力循环相互作用，从而执行内部再生过程。
图3、图4和图5示出了根据本发明的热力循环的各种示例。这可以通过四个基本步骤的组合来实现。例如，不同于IRE布雷顿循环，IRE埃里克森热力循环基于电热材料的等温(去)极化，它可以通过同时进行ECM的(去)极化和流体流动来执行。在此过程期间电热材料由于极化而变热，同时热通过工作流体从ECM中移除，并且因而使电热材料保持在恒定温度。此外，不同的混合循环也是可能的。如果(去)极化过程的第一部分是绝热的并且第二部分是等温的，那么这些过程将会实现。这产生了一种IRE布雷顿-埃里克森热力循环。在IRE类卡诺热力循环的情况下，电热材料的每个单元执行其自身的卡诺循环，但整个IRE循环类似于混合IRE布雷顿-埃里克森热力循环。它基于绝热和等温(去)极化过程。不同于其他在上面呈现的IRE热力循环，IRE类卡诺循环不是基于在均匀电场中的流体流动的过程的，而只适用于电场的增加和减小。
如上所示，通过以反向流动方式流动的工作流体的内部再生和对整个ECM的电场的操作的组合，可以实现各种不同的热力循环。
图6以T-s图的方式示出了整个IRE布雷顿循环的示例(没有示出每个电热单元处的小的热力循环)。此外，虚线表示工作流体的近似温度水平，以及其与外部热交换器(热源和散热器)的连接。
US 4,757,688、US 2011/0113791 A1和US 2010/0175392 A1公开了使用热二极管的电热装置。然而，这些装置被设计成级联系统，而本发明应用内部再生和同时进行的电热材料的电热效应。因此，热二极管机构的应用以不同的方式与电热材料组合起作用。通过使用本发明原理，电热装置的效率可以提高至少20％，密实度可以提高至少50％。本发明构思利用热二极管作为从电热材料或到电热材料的快速热传输装置。
图7呈现了结合电热效应的热二极管的操作的基本构思。在电热材料的两侧上是固定层，表示为A和B。这两层代表热二极管。当极化时，层A(即热二极管A)快速地将热从电热材料传输至热侧热交换器，而层B(热二极管B)不传输热并充当热绝缘体。当去极化时，层B(即热二极管B)快速地将热从冷侧热交换器传输至电热材料，而层A不传输热并充当热绝缘体。
根据本发明，执行图2中所示的四个操作步骤的多个循环。在一定数目的循环之后，在具有热二极管的IRE结构中建立温度曲线。然而，不仅沿具有热二极管的IRE结构，而且横向于具有热二极管的IRE结构建立温度曲线。
图8示出了热二极管实施方式的一个示例，在该示例中，建立了工作流体的两个分开的循环。工作流体的热循环和工作流体的冷循环独立存在。根据本发明，工作流体以反向流动方式流动。
图9示出了热二极管实施方式的另一示例。在该示例中，工作流体的第一流和第二流首尾相连，使得建立工作流体的单个循环。根据本发明，工作流体以反向流动方式流动。
本发明描绘了关于电热装置的其他现有理论设计构思的潜在工作特性的显著改进。热二极管作为电热制冷装置的一部分的应用增加了制冷装置的工作频率和特定冷却功率。由于工作频率的增加以及因此的功率密度的增加，这将产生更好的致密性。与其他现有构思相反，在该专利中，热二极管以非常规方式被应用，在这种情况下，它们提供热传输，并且不提供热二极管的热部与冷部之间大的温度梯度。由此，当与提议在级联系统中应用热二极管的现有理论设计构思的示例相比时，不可逆损失大大降低。
现将参照图10至图12对本发明的第一组实施方式进行说明，其中第一组实施方式结合具有内部狭缝的ECM结构使用振荡对流反向流动。
图10示出了根据本发明的包括多组具有附接电极和电触点的块体陶瓷ECM的组件。(1.a、2.a-连接到电压源的导电触点，3-具有上覆电极的ECM(板)，4-不导电隔板，18–流体流动的当前方向)。
图11提供了在图10中所示的组件的侧视图。左侧的电触点连接到负电位并且右侧的电触点连接到电压源的正电位(反之亦然)。
图12示出了具有多层电热材料的布局(6、7-连接器，其用于将具有电热材料的区段的电极连接至电压源，8-多层电热材料的区段)。
现将参照图13和图14对结合热二极管使用ECM的本发明的第二组实施方式进行说明。
图13示出了包括热二极管和延伸的热交换器表面的布局(13a、14a-热交换器的延伸表面)。
图14是具有热二极管的IRE结构的横截面图(9-电热材料；11、12-热二极管；13、14-热传输的延伸表面)。
现通过所附权利要求书的条款来限制本发明。

Claims (18)

1.一种用于电热能量转换的系统(21)，所述系统(21)包括
散热器(22)；
热源(23)；
工作流体的第一对流流(24)，其朝向所述散热器(22)流动；
所述流体的第二对流流(25)，其朝向所述热源(23)流动；以及
电热材料ECM(26)；其中，
提供用于使所述ECM(26)交替地暴露于增加的电场和减小的电场中的装置(29)，其中，当所述ECM暴露于增加的电场中时，所述ECM的温度升高，并且其中，当所述ECM暴露于减小的电场中时，所述ECM的温度降低；所述系统还包括
用于当所述ECM处于比所述第一对流流(24)的温度高的温度时允许从所述ECM(26)至所述第一对流流(24)的选择性热传输(27)从而增加所述第一对流流(24)的温度的装置；以及
用于当所述ECM(26)处于比所述第二对流流(25)的温度低的温度时允许从所述第二对流流(25)至所述ECM(26)的选择性热传输(28)从而减小所述第二对流流(25)的温度的装置；
使得在工作时，所述工作流体的所述第一对流流(24)和所述第二对流流(25)产生热能从所述热源(23)到所述散热器(22)的净流动，其中
工作流体的所述第一对流流(24)和所述第二对流流(25)在分开的导管中，并且
用于允许从所述ECM(26)至所述第一对流流(24)的热传输的所述装置和用于允许从所述第二对流流(25)至所述ECM(26)的热传输(28)的所述装置二者包括热二极管或热开关。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一对流流(24)和所述第二对流流(25)均经由所述热二极管或热开关热耦合至所述ECM(26)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述ECM(26)选自包括以下项的列表：电热聚合物、电热单晶体和电热陶瓷。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述工作流体是液态工作流体。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述液态工作流体是选自由以下项组成的元素的组中的一种元素：水、水溶液、液态金属、酒精和油。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述水溶液是盐水。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述工作流体是制冷剂。
8.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述热源(23)处于比所述散热器(22)的温度水平低的温度水平。
9.根据权利要求1或2所述的系统，其中，用于允许从所述第二对流流(25)至所述ECM(26)以及从所述ECM(26)至所述第一对流流(24)的热传输(27，28)的所述装置允许使得热在沿所述ECM(26)的多个级(30a、30b、30c、30d)处传输，使得建立在所述第一对流流(24)和所述第二对流流(25)中的温度梯度。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述级(30a、30b、30c、30d)的数目根据所需要的温度梯度来定义。
11.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一对流流和所述第二对流流首尾相连，以允许所述工作流体在热源(23)与散热器(22)之间循环流动。
12.一种电热能量转换的方法，所述方法包括以下步骤：
提供散热器(22)；
提供热源(23)；
提供工作流体的第一对流流(24)，其朝向所述散热器(22)流动；
提供所述工作流体的第二对流流(25)，其朝向所述热源(23)流动；
提供电热材料ECM(26)；以及
使所述ECM(26)交替地暴露于增加的电场和减小的电场中，其中，当所述ECM(26)暴露于所述增加的电场中时，所述ECM的温度升高，并且，当所述ECM暴露于所述减小的电场中时，所述ECM的温度降低；以及
当所述ECM(26)处于比所述第一对流流(24)的温度水平高的温度水平时，允许从所述ECM(26)至所述第一对流流(24)的选择性热传输(27)，从而增加工作流体的所述第一对流流(24)的温度；以及
当所述ECM处于比工作流体的所述第二对流流(25)的温度水平低的温度水平时，允许从工作流体的所述第二对流流(25)至所述ECM(26)的选择性热传输(28)，从而降低工作流体的所述第二对流流(25)的温度；
从而通过工作流体的所述第一对流流(24)和所述第二对流流(25)产生热从所述热源(23)到所述散热器(22)的净流动，其中
在分开的导管中提供工作流体的所述第一对流流(24)和所述第二对流流(25)，并且
分别通过热二极管或通过热开关来实现从所述ECM(26)至所述第一对流流(24)的所述热传输(27)以及从工作流体的所述第二对流流(25)至所述ECM的所述热传输(28)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在沿所述ECM的多个级处发生从所述第二对流流到所述ECM以及从所述ECM朝向所述第一对流流的所述热传输。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，建立在所述第一对流流中和在所述第二对流流中的温度梯度。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述工作流体是液态工作流体。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述液态工作流体是选自由以下项组成的元素的组中的一种元素：水、水溶液、液态金属、酒精和油。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述水溶液是盐水。
18.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述工作流体是制冷剂。
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