[发明专利]用于电热能量转换的方法

说明书

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US 2011/0113791 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(internal regenerator)，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