CN1099009C - 电场诱导相变制冷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制冷的方法，一种利用外加电场诱导陶瓷相变制冷的方法。本发明采用铁电陶瓷作为制冷工质，在铁电陶瓷上慢速加上电场、快速退去电场，以诱导其内部产生相变，利用电场诱导顺电一铁电相所发生的相变潜热的释放与吸收产生致冷。本发明的制冷工质成本低、可重复多次使用，不会造成环境的污染和破坏，在半导体芯片的过热保护、可移动式小功率冷暖风机、风扇或小型医疗冷冻箱等应用具有良好的前景。
Description
本发明涉及一种制冷的方法，特别是一种利用外加电场诱导铁电陶瓷相变制冷的方法。
除半导体致冷(珀尔贴效应)外，现有已获得应用的致冷技术都是通过非热方式(加压、加电场或磁场)使工作物质(工质)发生相变并从相变潜热的吸收和释放来达到致冷的效果。例如，现有的电冰箱和空调器都是利用压力的变化诱导氟里昂的气—液相变制冷。但是由于曾被广泛使用的制冷工质氟里昂对大气臭氧层日益严重的破坏而被逐步禁用，采用代氟里昂的新工质虽然可以利用现有生产设备，但具有类似结构的新工质是否会破坏环境仍有待长期评估。在寻求新的致冷方法中，绝热磁致冷在附近的应用在八十年代曾成为热门。人们在努力寻求合适的磁致冷工质材料，以提高磁致冷的致冷能力和效率。但高磁场尺寸的较难产生及稀土磁性材料的高成本也限制了室温磁致冷的发展和应用。退极化致冷的原理相类似，但由于电极矩的尺寸比磁矩大，因此熵变导致的热效应比磁致冷小，退极化致冷也难以实际应用。
本发明的目的是提供一种制冷的方法，其制冷工质成本低，可重复多次使用，不会造成对环境的污染和破坏。
本发明的特征是采用铁电陶瓷材料作为制冷工质，在铁电陶瓷材料慢速加上电场以诱导其产生相变，由顺电相转变成铁电相，然后快速退去电场使铁电相变为顺电相，铁电陶瓷材料加电场的速度小于退电场的速度，慢速加电场的时间为0.1至10秒，快速退电场的时间为0.1至10-6秒。在整个制冷过程中，当铁电陶瓷从顺电相变成铁电相社放热，从铁电相变成顺电相社吸热，应用电场诱导顺电—铁电相所产生的相变潜热的释放与吸收来制冷，利用改变加、退电场速度的变化提高制冷效率。本发明作为制冷工质的铁电陶瓷材料有改性BaTiO3，(Ba1-XSrX)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(Ta0.5Sc0.5)O3，(Ka0.6Li0.4)，(Ta0.7Ni0.3)O3，Sr4Yb2Fe2Nb8O30，(1-X)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+XPbTiO3(0.01＜X＜0.1)(简称PMN-PT)，SrXBa1-XNb2O6(0.5＜X＜0.9)等。
在本发明中，我们根据相变(热)循环中能量耗散的速率标度率提出：利用陶瓷中低速加场和高速退场的一个相变循环所吸收的能量净值也服从速率标度的特点，用低速加场使放出的潜热减至最低，然后用快速退场使吸收的潜热增至最大，使在一个电循环的诱导相变即可产生一定的制冷量。我们已实现了一次上述的电循环的净降温量达1.5K～5K。在这一过程中，外场所作的功除一部分用于致冷外，另一部分由相变声发射和缺陷的产生及其自组织过程所吸收。而缺陷的自组织则可用以下方法进行消除，如定期进行正弦式加退场并使交流电压逐步降低至零，这样就可以消除残留的剩余极化(例如，升压至所需电压的50周的市电)。也可加热15～20℃，使工质全部转变为顺电相后再冷却至工作温度。在这种制冷过程中，工质可以反复使用，使成本大大降低，也不会造成对环境的污染。
以下我们结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为测量电场诱导相变制冷的装置图。
图2为制冷铁电陶瓷样品结构图。
图3为BaTiO3陶瓷样品于127℃退场时退场时间与降温关系曲线。
图4为PMN-PT样品在不同工作温度时退场引起的温度下降量。
图1中，1为高压电源，其高压输出端经μA电流表2连接铁电陶瓷样品3，差分热电偶4连接X-t记录仪5，热电偶4的冷热端a、b，铁电陶瓷样品3及温度计6置于保温瓶7所盛的导热油8内，9为固定支架，固定热电偶4及温度计6。
图2为图1铁电陶瓷样品3的结构图，其中3为铁电陶瓷样品，14为样品表面的镀银层，15为附在镀银层表面的云母片，b为热电偶。
图3中，样品为掺杂BaTiO3型纳米陶瓷圆片，直径10mm，厚度2mm，工作温度127℃，所加电场强度为2500KV/m，横坐标为退场时间(分钟)，纵坐标为样品与介质之温差(K)。由于差分热电偶冷端与样品间夹了一块绝缘片，所以所测得的ΔT与实际时间有所延迟。
图4中，样品为PMN-PT陶瓷材料95％Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+5％PbTiO3，横坐标表示工作温度(K)，纵坐标表示样品降温量(K)，曲线1为样品加电场2500KV/m时降温量随工作温度的变化关系；曲线2为样品加电场1600KV/m时降温量随工作温度的变化关系；曲线3为样品加电场1600KV/m时降温量随工作温度的变化关系；曲线4为样品加电场800KV/m时降温量随工作温度的变化关系。
以下结合实施例作进一步说明。
以Sr0.7Ba0.3Nb2O3作为制冷工质，工作温度为60℃，样品形状为直径15mm的圆片，厚度为0.5mm，在两边镀上银作为电极，外加电场强度为1500KV/m，用10秒钟加场时放出的潜热为0.25J/g，用5秒钟加场，放出的潜热为0.3J/g水平，而以0.1秒退场时，其吸收的潜热为0.8J/g水平，如以0.01秒退场时，其吸热的潜热为0.9J/g左右，如以0.001秒或更高速退场则可达1J/g水平。因此，每小时的致冷量可达0.36KJ/g的水平，已可进入实际应用阶段。目前我们将本制冷方法研究开发应用于以下几个方面：
1、携带一条只在加场时工作的散热风管的冷风风扇或小型冷风机；
2、用于芯片过热保护器(片)，使芯片在使用过程中不超过规定温度(比如，60或70℃)；
3、增大工质份量，也可用于不带热风管的可移动式小净致冷功率的冷风机；
4、用于不带热风管的、可移动式冷风风扇；
5、小型医疗冷冻箱；
6、在使用过程中采用了克服由于非平衡相变中自组织现象引起的电疲劳的“电激活恢复和热恢复”技术。
Claims (3)
1.一种电场诱导相变制冷的方法，其特征是采用铁电陶瓷材料作为制冷工质，在铁电陶瓷材料慢速加上电场以诱导其产生相变，由顺电相转变成铁电相，然后快速退去电场使铁电相变为顺电相，铁电陶瓷材料加电场的速度小于退电场的速度，慢速加电场的时间为0.1至10秒，快速退电场的时间为0.1至10-6秒。
2、一种如权利要求1所述的电场诱导相变制冷的方法，其特征是所用铁电陶瓷材料为(1-X)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3+XPbTiO3(0.01＜X＜0.1)或Sr0.7Ba0.3Nb2O6。
3、一种如权利要求1或2所述的电场诱导相变制冷的方法，其特征是所加电场的强度为800～2500KV/m。
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