本發(fā)明屬于制冷設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種全固態(tài)電卡制冷器。

背景技術(shù)：

電卡效應(yīng)是指在外加電場下材料表現(xiàn)出的可逆的等溫熵變或者絕熱溫度變化。能夠產(chǎn)生電卡效應(yīng)的材料稱為電卡材料。對電卡材料施加外加電場，材料本身的極化有序方式發(fā)生變化，從而導致材料的熵變。在等溫條件下，材料體系會與周圍介質(zhì)發(fā)生熱交換；在絕熱條件下，材料本身溫度會發(fā)生變化。

民用空調(diào)、冰箱的制冷主要是通過機械蒸發(fā)-凝聚循環(huán)，其效率較低、增加了電力峰值負荷、使用的氟利昂也是引起溫室效應(yīng)的氣體。因此需要尋求相對低廉、環(huán)境友好的新制冷技術(shù)。如果利用具有大電卡效應(yīng)的材料實現(xiàn)制冷，相比較傳統(tǒng)的蒸發(fā)-壓縮制冷而言，具有更高的效率和環(huán)保的優(yōu)點。

2014年《無機材料學報》第29卷第1期《鐵電材料中的大電卡效應(yīng)》綜述了電卡效應(yīng)的熱力學理論、弛豫鐵電聚合物中的大電卡效應(yīng)，簡述了電卡效應(yīng)的在制冷方面的應(yīng)用前景。

鐵電材料本身具有自發(fā)極化，在增大外加電場條件下，無規(guī)則隨機分布的極化在材料體系內(nèi)由于電場力的作用規(guī)則排列，引起材料 極化熵的降低。在絕熱條件下，材料總熵不變，本身溫度會升高；在等溫條件下，材料會釋放熱量到環(huán)境當中。在降低外加電場條件下，材料體系發(fā)生去極化過程，引起材料極化熵增大，在絕熱條件下，材料總熵不變，本身溫度會降低；在等溫條件下，材料會從環(huán)境吸收熱量。

在493K條件下給PbZr_0.95Ti_0.05O₃薄膜施加4.8*10⁷V/m電場，實現(xiàn)了12K的溫度變化。2008年，在343K在P(VDF-TrFE)中亦發(fā)現(xiàn)12K的溫度變化。目前在接近室溫的條件下，P(VDF-TrFE)可實現(xiàn)大約20K的溫度變(95J kg^-1K^-1的熵變)。

前述的《鐵電材料中的大電卡效應(yīng)》雖然描述了相關(guān)原理，但是，文章沒有給出具體的實現(xiàn)制冷的辦法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種利用電卡效應(yīng)實現(xiàn)制冷的器件。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種全固態(tài)電卡制冷器，該全固態(tài)電卡制冷器以第三電極層為中心層，向一側(cè)依次貼合第二電卡材料層和第二電極層而組成的電卡制冷單元冷端與制冷片連接，向另一側(cè)依次貼合第一電卡材料層和第一電極層而組成的電卡制冷單元熱端與散熱片連接。

還包括第一電源連接冷端提供脈沖電壓，第二電源連接熱端提供脈沖電壓。

所述的電卡材料層采用鐵電材料或者弛豫鐵電材料。所述的鐵電材料是PbZr_0.95Ti_0.05O₃、0.63Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃-0.37PbTiO₃、(Ba,Sr)TiO₃或者P(VDF-TrFE)等具有電卡效應(yīng)的材料。

所述的電極層的材料是金屬金或銀。

制冷片和散熱片相接觸的第一電極層和第三電極層表面均濺射具有良導熱不導電的薄膜，可以是BeO或者AlN。

電卡制冷單元，由電卡材料和電極構(gòu)成，可以是單層或者多層或者其它形式，通過作用于電卡制冷單元的外加電場改變材料體系的極化熵來實現(xiàn)制冷。

制冷器件的關(guān)鍵是從冷端向熱端輸運熵。即以一種可逆的辦法來從一個溫度水平向另一個溫度水平輸送熵而不在整個過程中新增熵。這就要求有一種物質(zhì)，其熵值不僅僅依賴于溫度。電卡材料具有這種特性，通過外加電場的變化能夠?qū)崿F(xiàn)熵變，問題的難點在于實現(xiàn)熵的輸運，而本發(fā)明很好解決了這個問題，可廣泛用于空調(diào)、冰箱等日用電器的制冷，也可應(yīng)用于晶元、封裝電路等微電子器件的制冷。

附圖說明

圖1本發(fā)明涉及的電卡制冷效應(yīng)原理圖；

圖2本發(fā)明實施例中結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3本發(fā)明電卡制冷單元冷端(3-a)、熱端(3-b)脈沖電場與時間關(guān)系示意圖。

其中，1——第一電卡材料層，2——第一電極層，3——第二電極層，4——制冷片，5——散熱片，6——第三電極層，7——第一電源，8——第二電源，9——第二電卡材料層。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述。所描述實例僅為本發(fā)明的一個例子，而不是所有可行的實施方案?；谙嗤闹评湓?，設(shè)計的其它實施例子，均屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1為本發(fā)明涉及的電卡制冷效應(yīng)的原理圖。電卡制冷循環(huán)一次經(jīng)過四個步驟：

(1)給電卡材料施加電壓且不與外界熱交換，材料體系實現(xiàn)絕熱升溫過程1-2。由于電卡效應(yīng)，材料從狀態(tài)1(E₁，T_c，S_h)變化到狀態(tài)2(E₂，T_h，S_h)。

(2)電壓繼續(xù)增大材料與恒溫環(huán)境(T_h)進行熱交換，材料體系實現(xiàn)等溫放熱過程2-3。材料從狀態(tài)2(E₂，T_h，S_h)變化到狀態(tài)3(E₃，T_h，S_c)。

(3)電壓降低且材料不與外界熱交換，材料體系實現(xiàn)絕熱降溫過程3-4。材料從狀態(tài)3(E₃，T_h，S_c)變化到狀態(tài)4(E₄，T_c，S_c)。

(4)電壓繼續(xù)降低且材料與恒溫環(huán)境(T_c)進行熱交換，材料等溫吸熱過程4-1。材料中狀態(tài)4(E₄，T_c，S_c)變化到狀態(tài)1(E₁，T_c，S_h)。經(jīng)過一次循環(huán)，材料體系恢復(fù)到初始狀態(tài)。經(jīng)過一次循環(huán)， 實現(xiàn)熱量T_CΔS的散出。

圖2為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其中電卡制冷單元由電卡材料層1，電卡材料9、電極層2、電極層3，和電極層6組成。電卡材料可用如PbZr_0.95Ti_0.05O₃，0.63Pb(Mn_1/3Nb_2/3)O₃-0.37PbTiO₃,(Ba,Sr)TiO₃，和P(VDF-TrFE)等具有電卡效應(yīng)的極性材料。電極材料可用金屬金或銀或其它良導體。

由電極3、電極6和之間的電卡材料9組成的電卡制冷單元冷端與制冷片4連接；有電極2、電極6和之間的電卡材料1組成的電卡制冷單元熱鍛與散熱片5連接。與制冷片4、散熱片5相接觸的電極2、電極6表面均濺射具有良導熱不導電的薄膜材料，如BeO或者AlN。

電卡制冷單元通過電源7、電源8分別給冷端、熱端提供脈沖電壓。在一個脈沖周期，冷端、熱端經(jīng)歷的電場強度變化如圖3中3-a、3-b所示。

電卡制冷單元的冷端、熱端均經(jīng)歷了三個階段。

對于電卡制冷單元的冷端，階段1為絕熱升溫。溫度初值為T_C，電場初值為0。給材料迅速施加脈沖電壓，電場從0變?yōu)镋，時間約10^-12s。此過程近似為絕熱，極化熵降低，電卡材料溫度升溫。最終，電卡材料溫度從T_C變?yōu)門₁。階段2為等電場散熱。溫度初值T₁，電場初值為E。保持脈沖電壓不變，電場為E。由于電卡層溫度較高，電卡材料向兩邊散熱。最終，電卡材料溫度從T₁變?yōu)門_C。階段3為等溫吸熱。溫度初值T_c，電場初值為E。脈沖電壓逐漸降低，最 終變?yōu)?。材料溫度保持不變，實現(xiàn)等溫(T_C)吸熱。由于極化熵降低吸收熱量為T_C△S。

對于電卡制冷單元的熱端，階段1為絕熱降溫。溫度初值為T_h，電場初值為E。材料中脈沖電壓迅速降低，電場從E變?yōu)?，時間約10^-12s。此過程近似為絕熱，極化熵增加，電卡材料溫度降低。最終，電卡材料溫度從T_h變?yōu)門₃。階段2為等電場吸熱。溫度初值T₃，電場初值為0。保持電壓不變，電場為0。電卡材料溫度從T₃變?yōu)門_h。(T₁為冷端最高溫度)。階段3為等溫散熱。溫度初值T_h，電場初值為0。脈沖電壓逐漸增大，最終變?yōu)镋。材料溫度保持不變，實現(xiàn)等溫(T_h)放熱。由于極化熵變導致的放熱量為T_h△S。

在一個周期，階段1無熱變化，階段2發(fā)生逆向傳熱，階段3由于電卡效應(yīng)正向傳熱，傳熱量為T_C△S。對于具有明顯電卡效應(yīng)的材料，忽略熱傳導效應(yīng)，電卡效應(yīng)即實現(xiàn)了熱的單相散出。