电热材料与技术成果的介绍

信息来源:高分子科学前沿

 

据估计,空调机组的数量到2040年将翻一番。全球约有20%的能源被制冷消耗。发展高效率且环境友好的新型能源系统是解决全球变暖和促进自然资源可持续利用的首要问题。传统的基于汽化压缩的制冷系统经过100年的发展,已经逼近了热力学极限。更加糟糕的是,它们排放了大量的温室气体,且噪音较大。

 

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卢森堡科学技术学院的A. Torelló和E. Defay等人合作,在Science杂志以《Giant temperature span in electrocaloric regenerator》为题发表最新研究成果。研究者们设计制备了一种基于钽酸铅钪多层电容器的平行板式有源电热再生器。在使用有限元模型指导优化结构设计并显著提高保温性能后,获得了13.0 K的最高温度跨度。这个温度跨度打破了一个关键的障碍,并证实了电热材料在制冷应用方面有着巨大潜力。

 

在基于低本征热变化材料的热泵中,器件热侧与冷侧之间的温差(∆Tspan)大于材料的绝热电热温差变化(∆TEC),这两个温差之间的对应比值被定义为再生因子(regeneration factor)。流体冷却器的主动再生原则要求有热材料是多孔的,以便冷却液可以来回流动。

 

通过将Pb(Sc,Ta)O3多层电容器、用于排出流体的注射泵、触发电热效应的电源以及用于检测温度的K型热电偶相集成,作者构建了一个电热再生器(图1A)。流体系统包括一个非封闭的单回路,其中再生器的一端连接到注射泵,另一端连接到未密封的储液器。操作系统(图1B)由四步循环组成,前两步和后两步同时发生,以模拟类似Ericsson-Brayton的循环。

 

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有源电热再生器实验设计

 

1、 给电热电容器充电,利用电热效应提高其温度。

2、 激活流体运动,将产生的额热量运输到器件的另一端。

3、 对电热电容器放电,由于电热效应,温度降低。

4、 逆转流体的运动方向,将冷却后的液体传输到另一端。

 

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模拟结果和实验数据

 

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施乐帕克研究中心的 Wang  Yunda、David Schwartz等报道了一种可大规模生产的高性能系统架构,在PbSc0.5Ta 0.5O3多层陶瓷电容器,获得了5.2°C的温度跨度,最大热通量达到每平方厘米135毫瓦,是常规电热制冷原型的4倍,创陶瓷多层电容器中最高记录。

 

要点一:每个模块包含一个多层陶瓷电容器制冷器件,并且用绝缘材料隔离。包含绝缘材料是该设计的关键改进,会中断沿温度梯度的热分流,这是造成损耗的主要根源。模块被热耦合,使得热量容易从一个传递到另一个。当极化电场同步切换时,它们彼此相对横向移动(图1C)。这样,在设备的两端之间产生了一个比MLCC绝热温度变化更大的温升。

 

要点二:使用各向异性导热板ATC(由玻璃增强环氧树脂(FR-4)层压板和商用印刷电路板制造)来增强层之间的热交换,同时保持较低的横向热泄漏。

 

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模块设计

 

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关键组件

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