專利名稱：利用兩相熱傳遞將熱量轉(zhuǎn)換成電能及其他用途的快速熱循環(huán)方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 總地涉及利用兩相熱轉(zhuǎn)移的材料、裝置以及其他系統(tǒng)的熱循環(huán)，尤其涉及允許對材料、裝置以及其他系統(tǒng)快速增加熱量和去除熱量的方法和裝置。利用工作流的兩相熱轉(zhuǎn)移可以實現(xiàn)快速的熱循環(huán)。由于控制的溫度和壓力的變化使該工作流可以在氣相和液相之間動態(tài)變化。當(dāng)該系統(tǒng)在需要的溫度范圍內(nèi)循環(huán)時，該熱循環(huán)可以導(dǎo)致該系統(tǒng)的熱量快速的增加和去除。這種熱循環(huán)系統(tǒng)可以與多種不同的技術(shù)一起使用，例如，利用熱量發(fā)電、電力冷卻或加熱以及用于其他的目的和應(yīng)用中。
背景技術(shù)：
近些年來，熱交換一直用作各種用途。事實是:一般蒸發(fā)潛熱高于需要的顯熱(sensible heat)以便將相同量的流量的溫度升高至超過給定的溫差。兩相熱轉(zhuǎn)移利用上述事實實現(xiàn)了高速熱轉(zhuǎn)移。在相同的區(qū)域內(nèi)、相同的溫度梯度AT下，上述事實允許兩相熱交換器進行的熱能傳遞比單相熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)實現(xiàn)的熱能傳遞更快。一般來說，兩相熱轉(zhuǎn)移技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的并且在文章中多有描述。通過熱交換器進行熱量傳遞是眾所周知的，在很多熟知的文章中描述了熱轉(zhuǎn)移和熱交換機構(gòu)的設(shè)計和工程圖(engineering)。眾所周知，關(guān)于允許材料、設(shè)備以及其他系統(tǒng)進行快速熱循環(huán)的新技術(shù)是非常必要的。本發(fā)明公開了一種使用兩相熱轉(zhuǎn)移向系統(tǒng)快速地輸入熱量及從系統(tǒng)中快速地去除熱量的新方法，以便該系統(tǒng)在超過需要的溫度范圍時進行快速地?zé)嵫h(huán)。通過改變?nèi)萜骼锕ぷ髁黧w的壓力可以實現(xiàn)熱循環(huán)，這樣，其中的一部分流體就可以在氣相和液相之間快速地向前和向后循環(huán)。在這種相變的過程中，通過交替地進行冷凝和蒸發(fā)，流體分別吸收和排除大量的潛熱。這些分別通過該流體吸收和排除的大量的潛熱轉(zhuǎn)而分別用于向需要的系統(tǒng)中輸入熱量、從該需要的系統(tǒng)中去除熱量。因此，該系統(tǒng)就實現(xiàn)了快速地?zé)嵫h(huán)。本發(fā)明的熱循環(huán)可以在很多應(yīng)用中使用。其中一個應(yīng)用為使用鐵電體或其他可電極化的材料利用熱量發(fā)電。例如，在美國專利以及上述供參考的專利申請中公開了使用鐵電體和可極化的非晶態(tài)聚合物中固有的自發(fā)極化的方法和裝置以及這些極化在溫度循環(huán)過程中出現(xiàn)的快速變化。使用本發(fā)明中兩相熱轉(zhuǎn)移的快速熱循環(huán)越多，則這些裝置和材料的使用效率越高。例如，在發(fā)電的應(yīng)用中，一般在很多情況下材料的具體的發(fā)電量可以與循環(huán)速度的平方成比例的增加。還有其他的需要快速熱循環(huán)的應(yīng)用，本發(fā)明也可以用在這些應(yīng)用中以實現(xiàn)更有效的循環(huán)和更強大的熱轉(zhuǎn)移。將來還會開發(fā)出更多的需要熱循環(huán)或者從熱循環(huán)中得到好處的應(yīng)用，本發(fā)明也可以用于這些應(yīng)用中。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的目的，正如此處廣泛描述和表達地，本發(fā)明一方面涉及利用兩相熱轉(zhuǎn)移向材料、設(shè)備或者其他系統(tǒng)快速地增加熱量以及從材料、設(shè)備或者其他系統(tǒng)中快速地去除熱量的方法和裝置。該增加和去除的熱量可用于使指定系統(tǒng)在溫度超過具體的溫度范圍時進行快速地循環(huán)，該具體的溫度范圍可以為實現(xiàn)任意目的所需要的溫度范圍，包括利用熱量發(fā)電。正如此處廣泛描述和表達地，本發(fā)明一方面還可用于冷卻或用作熱泵。在后一種形式中，通過在指定的溫度范圍內(nèi)輸入電性或磁性的功(work)使材料、設(shè)備或其他系統(tǒng)進行熱循環(huán)，以便在這個循環(huán)過程中將熱量從較冷的容器(reservoir)轉(zhuǎn)移到較熱的容器中。在一實施例中，本發(fā)明采用相互獨立的多個容器，每個容器中均裝有工作流體。在每個容器中，流體均為汽-液兩相混合物。在每個容器中，該混合物在氣相與液相之間保持近乎于平衡狀態(tài)。在熱的容器中，該混合物分別保持較高的壓力Ph和溫度Th。在冷的容器中，該流體分別保持較低的壓力^和溫度 Υ。一般來說，液體的平衡(或者飽和)蒸汽壓作為溫度的函數(shù)而增加。本發(fā)明并不局限于任意特定的工作流體。當(dāng)然，本發(fā)明可以將任何工作流體使用在特定的應(yīng)用中，這些應(yīng)用根據(jù)需要的循環(huán)溫度范圍、合適的壓力、蒸發(fā)潛熱以及其他因素決定。一般來說，本發(fā)明適合采用具有高蒸發(fā)潛熱值的流體，包括熱轉(zhuǎn)移流體。在一些應(yīng)用中，本發(fā)明適合采用這種流體以便使空氣或其他周圍的流體滲入該系統(tǒng)中的可能性最低，該流體在需要的溫度時的平衡蒸發(fā)壓力大于外部或周圍空氣的壓力。在其他的應(yīng)用中，在一個保持密封的系統(tǒng)中工作壓力可以小于周圍空氣的壓力。在一實施例中，有待于進行熱循環(huán)的系統(tǒng)容納在設(shè)置有蒸發(fā)通道的熱腔(chamber)中。該腔通過閥門與熱的容器和冷的容器連接，以便當(dāng)熱的容器對應(yīng)的閥門打開且冷的容器對應(yīng)的閥門關(guān)閉時，該腔內(nèi)部容納的蒸汽壓力為PH、溫度為Th。當(dāng)閥門在相反的情況下即冷的容器對應(yīng)的閥門打開且熱的容器對應(yīng)的閥門關(guān)閉時，該腔內(nèi)部容納的蒸汽模塊(module)壓力快速地變?yōu)樨?，溫度變?yōu)镮V。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整閥門的位置使該腔內(nèi)部容納的蒸汽壓力變?yōu)镻h時，由于在模塊處或者模塊的表面出現(xiàn)冷凝，則熱量快速地輸入至該模塊中。反之，當(dāng)該熱腔內(nèi)的蒸汽壓力低至?xí)r，由于工作流體在該模塊的表面上蒸發(fā)，則快速地從該模塊中去除熱量。當(dāng)需要的熱量已經(jīng)輸入至該模塊中或者從該模塊中去除時，該閥門的位置可以是相反的且循環(huán)可以重復(fù)進行。因為處于熱循環(huán)的模塊表面上在進行冷凝和蒸發(fā)的過程中會出現(xiàn)快速地?zé)徂D(zhuǎn)移，所以需要在該模塊的表面上保留一個流體層。例如，在各種實施例中，如果該模塊的表面是由親水性表面活性劑、多孔薄膜或者其他的在熱循環(huán)過程中仍保留有流體層的表面形態(tài)或材料組成，則可以實現(xiàn)保留一個流體層。在不同的實施例中，熱量用于使鐵電體或其他的可極化材料進行熱循環(huán)以使其將熱能轉(zhuǎn)換成電力。在任意的轉(zhuǎn)換中即將熱能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量或功時，按照熱力學(xué)第二定律必須摒棄熱量。散熱裝置就是用于摒棄熱量，其中一個或多個用于冷卻可極化材料的工作流體可以通過直接與散熱裝置熱連接冷卻，或者通過與散熱裝置熱連接的熱交換器冷卻。在該實施例 中，鐵電體發(fā)生器中包括鐵電材料。在沒有施加外源場感生的情況下，當(dāng)鐵電材料處于鐵電相時可在介質(zhì)中自發(fā)進行電極化。通過使這些電偶極子子極化使得可極化的晶胞和晶域相對齊，這些相互合作的單個的電偶極子子的極化相結(jié)合而在整個材料系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生非常大地凈自發(fā)極化，該經(jīng)凈自發(fā)極化指定為Ps。在一實施例中，本發(fā)明利用自發(fā)極化以及在熱循環(huán)過程中自發(fā)極化發(fā)生的快速變化將熱量轉(zhuǎn)換成電能。本發(fā)明使用兩相熱轉(zhuǎn)移的裝置和方法控制鐵電材料的溫度以使其經(jīng)歷向鐵電相的轉(zhuǎn)變。在該轉(zhuǎn)變期間，相對較小的電場使鐵電體極化。極化場將自發(fā)電偶極子對齊到特定材料的分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)所允許的程度。例如，在前述的專利號為7，982，360的美國專利以及專利號為8，035，274的美國專利中提到的方法和裝置中，由外部的直流電壓源生成極化場。例如，在前述的申請?zhí)枮?3/228，051的美國專利中提到的方法和裝置中，由鐵電材料表面電極上的剩余自由電荷產(chǎn)生極化場。在本發(fā)明中也可以采用這些方法和裝置。由于該自發(fā)極化導(dǎo)致形成對齊的偶極子，因此在鐵電體的表面上產(chǎn)生非常密集的束縛電荷，該束縛電荷轉(zhuǎn)而在位于鐵電材料表面的電極上感生出相反的屏蔽電荷。使用本發(fā)明中兩相熱轉(zhuǎn)移的方法和裝置，憑借蒸發(fā)或冷凝對應(yīng)地去除或增加熱量，隨后使得鐵電體的溫度變化以使該鐵電體變成順電體或非鐵電體，從而導(dǎo)致表面的束縛電荷可以忽略不計。然后，該電極上的屏蔽電荷變?yōu)槲雌帘蔚模⑶乙愿唠妷合逻w移到外部電路中。正如上述供參考的美國專利和專利申請所公開的，鐵電材料的溫度在相變溫度附近循環(huán)，這樣可以采用在熱源與散熱裝置之間運行本發(fā)明使熱能有效轉(zhuǎn)換為電能。為實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換的目的，各種熱力學(xué)循環(huán)可用在鐵電體中以開發(fā)(exploit)自發(fā)極化，包括專利號為N0.7.982，360以及N0.8，035，274的美國專利中提到的一般循環(huán)。使用本發(fā)明提供的兩相熱轉(zhuǎn)移的系統(tǒng)，當(dāng)工作流體分別冷凝和蒸發(fā)時，在這些熱循環(huán)過程中會發(fā)生熱量的輸入和抽取。申請?zhí)枮镹a 13/226，799的美國專利申請中公開的熱力學(xué)循環(huán)，該熱力學(xué)循環(huán)具有兩個等溫步驟和兩個恒定極化步驟。在該循環(huán)的第一步驟期間鐵電體通過流體表面上或表面的蒸發(fā)冷卻到較低溫度 Υ，同時使總極化恒定保持為相對較低的值，并斷開電路。在下一步驟期間，直到極化增加到該循環(huán)的最大值Ph前都等溫地抽取熱量，在該點處在電極表面存在非常密集的束縛電荷。該步驟期間，閉合電路以便電流從鐵電體一側(cè)的電極流向鐵電體對側(cè)的電極。在電極上形成的屏蔽電荷等于鐵電體表面的相反束縛電荷。正是在該步驟期間，剩余極化場使得產(chǎn)生的偶極子在一個方向上偏置，即偶極子發(fā)生極化。在該循環(huán)的下一步驟，當(dāng)在總極化保持恒定時通過該材料表面上或表面處的流體冷凝將鐵電體加熱到相對較高的溫度Th的同時，斷開電路。在該循環(huán)的最后步驟期間再次閉合電路，直到極化降低為匕前都通過表面上流體的冷凝等溫地輸入熱量。該步驟期間，電極上的屏蔽電荷變?yōu)槲雌帘危乙宰陨唠妷悍烹姷酵獠侩娐分?。正如申請?zhí)枮?3/228,051的美國專利申請中所公開的，在該步驟期間，在以下點處斷開電路，即該點處保留非常充足的剩余電荷，足以建立能夠進行極化的場。隨后持續(xù)重復(fù)該循環(huán)，其結(jié)果是熱能持續(xù)轉(zhuǎn)換為高電壓的電能。該發(fā)明可采用固體形式或液體形式的鐵電體，后者包括液體鐵電體和懸浮在液體中的鐵電體微晶體。例如，可使用的固體材料包括陶瓷鐵電體、鐵電體聚合物和其他可極化聚合物。除了普通鐵電體以外，本發(fā)明可采用諸如方硼石或方鈉石的含雜質(zhì)(或不規(guī)則)鐵電體。單級鐵電體功率轉(zhuǎn)換模塊包括單個的、通常具有單相轉(zhuǎn)變溫度的鐵電材料。然而，可使用一連串的(a series of )的鐵電材料，該鐵電材料具有遞增覆蓋熱源與散熱裝置之間所有的或至少一些溫度范圍的一系列(a succession of)相變溫度。熱再生技術(shù)的使用還可能影響需要的級數(shù)。一方面，本發(fā)明涉及將熱量轉(zhuǎn)換成電力的裝置。在一個實施例中，該裝置具有鐵電層，所述鐵電層具有第一表面和相對的第二表面；其中該鐵電層包括具有一相變溫度的鐵電材料,這樣當(dāng)該材料處于鐵電相時,鐵電體的晶胞內(nèi)建立起自發(fā)極化,并且鐵電層極化時形成全面的凈自發(fā)極化；這樣隨著鐵電體的溫度變化，其越過轉(zhuǎn)變溫度，該材料會進入順電相或非鐵電相，其中該鐵電層具有可忽略不計的全面的凈自發(fā)極化、或不具有全面的凈自發(fā)極化。該裝置還具有分別·定位于鐵電層的第一表面和第二表面上的一對電極和相對于該對電極關(guān)聯(lián)定位的構(gòu)件，其中該電極由導(dǎo)熱導(dǎo)電材料組成，該構(gòu)件用于憑借流體的冷凝和蒸發(fā)交替地向鐵電層輸入熱量和從鐵電層去除熱量，這樣分別以高于相變溫度的溫度Th加熱該鐵電層，并交替地以低于相變溫度的溫度 Υ冷卻該鐵電層，從而使該鐵電層的鐵電材料在(I)鐵電相與(2)順電相或非鐵電相之間經(jīng)歷交替相變。在另一方面，本發(fā)明涉及將熱量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。在一個實施例中，該裝置包括具有第一表面和相對的第二表面的鐵電層。鐵電層由鐵電材料組成，所述鐵電材料的特征在于具有居里溫度T。，這樣當(dāng)鐵電材料的溫度低于該居里溫度T。時，鐵電材料處于可建立起自發(fā)極化的鐵電相內(nèi)，而當(dāng)鐵電材料的溫度高于該居里溫度T。時，鐵電材料內(nèi)不會建立起自發(fā)極化。該裝置也包括分別定位于鐵電層的第一表面和第二表面上的一對電極。該對電極包括導(dǎo)熱和導(dǎo)電材料。此外，該裝置包括相對于一對電極關(guān)聯(lián)定位的構(gòu)件，其用于在鐵電層的第一表面和第二表面上交替地傳輸冷流體和熱流體，從而交替地(I)以低于居里溫度T。的第一溫度 Υ冷卻鐵電層，以及(2)以高于居里溫度T。的第二溫度Th加熱鐵電層，這樣采用溫度循環(huán)操作使該鐵電層的鐵電材料在鐵電相與順電相之間經(jīng)歷交替相變。根據(jù)本發(fā)明的兩相熱轉(zhuǎn)移機制和方法，在冷凝和蒸發(fā)的過程中分別產(chǎn)生了加熱和冷卻。另外，該裝置可具有電性連接到該對電極的一對電導(dǎo)線，這樣當(dāng)鐵電材料循環(huán)以消除鐵電層的總極化時，對應(yīng)于電性相反的屏蔽電荷的電能以高電壓輸出到該對電導(dǎo)線。也可通過開關(guān)連接電導(dǎo)線，以便在該對電導(dǎo)線之間施加DC電壓，從而在鐵電材料位于其鐵電相或轉(zhuǎn)變成鐵電相時施加極化場。此外，該裝置可包括用于監(jiān)控鐵電層的一個或多個溫度和電容值、監(jiān)控加熱流體和冷卻流體的溫度和壓力以及其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)的構(gòu)件。在另一實施例中，傳輸構(gòu)件包括多個流體通道、一個或多個熱交換器以及多個控制閥。其中流體通道以便使熱流體以高溫TH、高壓Ph經(jīng)過至少一個流體通道流入含有鐵電模塊的熱腔中，這就引起鐵電模塊表面上或表面處的流體冷凝，進而導(dǎo)致將熱量快速地輸入鐵電模塊中。這樣，當(dāng)高溫、高壓流體經(jīng)過一個或更多的流體通道流出該熱腔時，該熱腔中的蒸汽壓力快速地降至Pu這就引起了流體從鐵電模塊表面快速蒸發(fā)，進而導(dǎo)致熱量快速地從鐵電模塊中移除。還設(shè)置一個或更多的熱交換器以便通過使流體在第一流體通道和第二流體通道中交替地循環(huán)以使得鐵電層的外表面交替地與冷的蒸發(fā)流體和熱的冷凝流體接觸，這就可以通過流體交替的冷凝和蒸發(fā)，交替地以第一溫度 Υ從鐵電層中移除熱量，且以第二溫度Th向鐵電層中輸入熱量。控制閥與一個或多個熱交換器連通，以用于控制冷流體和熱流體的流動。多個控制閥受微控制器控制，通過計算機控制、憑借控制電路協(xié)調(diào)多個控制閥從而實現(xiàn)所需循環(huán)。在另一方面，本發(fā)明涉及將熱量轉(zhuǎn)換成電能的方法。在一個實施例中，該方法包括以下步驟:提供具有第一表面和相對的第二表面的鐵電層，以及包括分別定位于該鐵電層的第一表面和第二表面上的一對電極。其中該鐵電層包括具有一相變溫度的鐵電材料，這樣當(dāng)該材料處于鐵電相時，鐵電體內(nèi)建立起自發(fā)極化，并且鐵電層一旦極化則形成全面的凈自發(fā)極化，這樣隨著鐵電體的溫度變化，其越過轉(zhuǎn)變溫度，該材料會進入順電相或非鐵電相。在順電相或非鐵電相中該鐵電層具有可忽略不計的全面的凈自發(fā)極化、或不具有全面的凈自發(fā)極化。所述電極包括導(dǎo)熱導(dǎo)電材料。該方法還包括交替?zhèn)鬏斃淞黧w和熱流體的步驟，以便交替地通過蒸發(fā)使鐵電層冷卻到低于居里溫度T。的溫度，以及通過冷凝使鐵電層加熱到高于居里溫度T。的第二溫度。在這些步驟期間斷開電路，在恒定極化下進行冷卻和加熱。該方法還包括以等溫方式交替地向鐵電層供應(yīng)熱量和從鐵電層去除熱量的步驟，該步驟憑借交替地向鐵電層提供熱流體和流動的冷流體以及鐵電層表面的流體相應(yīng)的交替地冷凝和蒸發(fā)得以實現(xiàn)。此時總極化變?yōu)榉謩e由和Ph表示的相應(yīng)低水平和高水平。在這些步驟期間，閉合電路以允許極化變化，并且去除和增加的熱量對應(yīng)于轉(zhuǎn)變焓。該方法還包括在溫度I；下使處于鐵電相的鐵電層中的鐵電材料極化。在一個實施例中，通過由鐵電體表面 上的電極保留的剩余自由電荷產(chǎn)生的場實施極化。該方法還包括以下步驟:通過閉合電路將鐵電層的鐵電材料中產(chǎn)生的電能放電到外部電路中，同時以等溫方式向鐵電層內(nèi)輸入熱量，且極化減少到最小水平1\。在一實施例中，匕對應(yīng)于足以建立足夠極化的場的剩余電荷。在另一實施例中，從直流電壓源施加一個小的極化場實施極化。在該實施例中，電路閉合，鐵電層的鐵電材料中產(chǎn)生的電能放電到外部電路中同時通過鐵電層表面上流體的冷凝使得熱量等溫地輸入鐵電層中的這一步驟期間，最小極化可以忽略不計或為O。在一個實施例中，通過一個或多個兩相熱交換器實施熱傳輸步驟，所述兩相熱交換器與熱源和散熱裝置熱連通(in thermal communication with),用于在工作流體冷凝過程中從熱源向鐵電層輸入熱量以對鐵電層進行加熱、以及用于在工作流體蒸發(fā)過程中從鐵電層向散熱裝置中抽取熱量以對鐵電層進行冷卻。在另一實施例中，通過一個或多個兩相熱交換器以及與一個或多個熱交換器連通的多個控制閥實施熱傳輸步驟。其中使第一和第二流體通道定位，以用在鐵電層的外表面上交替?zhèn)鬏斃淞黧w和熱流體，從而通過使鐵電層外表面上的流體交替地蒸發(fā)和冷凝以實現(xiàn)交替從鐵電層中去除熱量和向鐵電層輸入熱量。其中多個控制閥適用于控制冷流體和熱流體的流動。在每種情況下，配合本文描述的加熱和冷卻循環(huán)操作在斷開位置和閉合位置之間切換電路。
在其他的實施例中，鐵電材料未經(jīng)過相變的循環(huán)，而是始終處于鐵電相中，并且從一個較高程度的極化向較低程度的極化循環(huán)。除了具有晶體結(jié)構(gòu)的材料以外，本發(fā)明可使用可電極化的非晶態(tài)聚合物材料。對上述非晶態(tài)聚合物而言，可極化單元在原子和分子水平體現(xiàn)出電偶極子行為。上述可極化的非晶態(tài)聚合物(和共聚物)極化時會產(chǎn)生全面的凈極化，而當(dāng)材料溫度越過去極化轉(zhuǎn)變溫度時，該凈極化減少并消失。與本發(fā)明使用晶態(tài)鐵電材料內(nèi)發(fā)生的自發(fā)極化和極化變化相同的是，本發(fā)明以通用方式開發(fā)極化變化，該極化變化伴隨著上述非晶態(tài)聚合物系統(tǒng)在其去極化轉(zhuǎn)變溫度附近的循環(huán)操作而出現(xiàn)。對非晶態(tài)材料而言，去極化轉(zhuǎn)變溫度類似于T?；蜩F電相變。雖然本發(fā)明參考了使用鐵電材料和鐵電層，但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明也可使用具有合適的極化特征和轉(zhuǎn)變特征的可極化的非晶態(tài)聚合物(和共聚物)。在另一方面，本發(fā)明涉及將熱量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。在一個實施例中，該裝置具有多個疊層(in a stack)設(shè)置的鐵電模塊{FMn}，其中n=l、2、3...N，N是大于I的整數(shù)。每個鐵電模塊FMn包括具有第一表面和相對的第二表面的鐵電層，其中鐵電層由特征為具有轉(zhuǎn)變溫度Tn的鐵電材料形成；這樣當(dāng)鐵電材料處于鐵電相時，鐵電體的晶胞內(nèi)建立起自發(fā)極化，鐵電層一旦極化則形成全面的凈自發(fā)極化；這樣隨著鐵電體溫度變化，其越過轉(zhuǎn)變溫度，該材料則進入順電相或非鐵電相，在順電相或非鐵電相中鐵電層具有可忽略不計的全面的凈自發(fā)極化、或不具有全面的凈自發(fā)極化。在一個實施例中，由導(dǎo)熱和導(dǎo)電材料組成的一對電極定位于鐵電疊層的第一表面和第二表面。在另一實施例中，以上電極還定位在每個鐵電模塊FMn的第一表面和第二表面上；在另一實施例中，通過電絕緣體使相鄰鐵電模塊之間的上述電極相分離。多個鐵電模塊{FMn}的轉(zhuǎn)變溫度{Tn}可在熱源和散熱裝置的溫度范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)改變。該裝置進一步包括相對于疊層鐵電模塊{FMn}關(guān)聯(lián)定位的構(gòu)件，用于憑借鐵電模塊表面上的或表面處的循環(huán)的冷凝和加熱交替地向疊層鐵電模塊{FMn}輸入熱量和從疊層鐵電模塊{FMn}去除熱量，從而交替地以低于每個轉(zhuǎn)變溫度Tn的第一溫度使疊層鐵電模塊{FMn}冷卻，并以高于每個轉(zhuǎn)變溫度Tn的第二溫度對疊層鐵電模塊{FMn}進行加熱，這樣疊層鐵電模塊{FMn}的每個鐵電層會經(jīng)歷(I)鐵電相與(2)順電相或非鐵電相之間的交替相變。除其他模塊外，該裝置可進一步包括用于監(jiān)控一個或多個鐵電模塊FMn的溫度和電容值、以及監(jiān)控加熱流體和冷卻流體的溫度和壓力的設(shè)備。經(jīng)由一計算機控制使熱循環(huán)操作與鐵電模塊{FMn}的電氣狀態(tài)相配合，從而按照本發(fā)明可使用的其中一個熱力學(xué)循環(huán)(包括極化和放電)使加熱和冷卻與電輸入和輸出同步。在另一方面，本發(fā)明涉及將熱量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。在一個實施例中，該裝置具有多個疊層設(shè)置的鐵電模塊{FMn}，其中n=l、2、3...N，N是大于I的整數(shù)。每個鐵電模塊FMn包括具有第一表面和相對的第二表面的鐵電層，其中鐵電層由特征為具有居里溫度1 的鐵電材料形成；這樣當(dāng)鐵電材料的溫度低于居里溫度Tc"時，鐵電材料處于可建立起自發(fā)極化的鐵電相，當(dāng)鐵電材料的溫度高于居里溫度I 時，鐵電材料內(nèi)不再建立自發(fā)極化；在一個實施例中，第一電極和第二電極分別定位于鐵電疊層的第一表面和第二表面；在另一實施例中，第一電極和第二電極定位于每個鐵電模塊FMn的第一表面和第二表面。多個鐵電模塊{FMn}的不同鐵電層包括相同或不同的鐵電材料。在第一電極和第二電極定位在每個鐵電模塊FMn的第一表面和第二表面的一個實施例中，通過電絕緣體使每兩個相鄰的鐵電模塊分離。多個鐵電模塊{FMn}的居里溫度{! }可在熱源溫度和散熱裝置溫度之間的范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)變化。該裝置進一步包括相對于疊層鐵電模塊{FMn}關(guān)聯(lián)定位的構(gòu)件，其用于在疊層鐵電模塊{FMn}上交替?zhèn)鬏斃淞黧w和熱流體，從而交替地通過蒸發(fā)以低于每個居里溫度Tc"的第一溫度使疊層鐵電模塊{FMn}冷卻，并通過冷凝以高于每個居里溫度Tc"的第二溫度對疊層鐵電模塊{FMn}進行加熱，這樣采用溫度循環(huán)操作使疊層鐵電模塊{FMn}的每個鐵電層在鐵電相與順電相之間經(jīng)歷交替相變。在本發(fā)明的另一用于多級裝置和操作的實施例中，N個單個的鐵電模塊{FMn}由鐵電材料以及此處描述的其他成分(component)組成。每個鐵電模塊具有不同的相變溫度，從T。1到T/，在散熱裝置的溫度I；與熱源的溫度Th之間增加的順序不同。每個鐵電級或鐵電模塊FMn均使用本發(fā)明中的兩相裝置和方法圍繞其相應(yīng)的相變溫度Tc"進行熱循環(huán)。在一實施例中，這伴隨著第η級時使用冷的容器，而在FMlri級時使用熱的容器并伴隨著下一個較低的相變溫度熱再生可能還用于一級或多級中。

在另一實施例中，通常經(jīng)歷本發(fā)明的熱循環(huán)的模塊，尤其是鐵電體熱電轉(zhuǎn)換中經(jīng)歷熱電循環(huán)的鐵電模塊設(shè)置在熱的容器的蒸發(fā)區(qū)中，而不是容納于通過閥門與該熱的容器相分離的熱腔中。由于熱量的輸入，熱的容器中保持高溫Th、高壓ΡΗ。在本實施例中，在熱的容器的頂部設(shè)有閥門，通過閥門的打開和關(guān)閉使熱的容器的蒸發(fā)區(qū)與保持低溫 Υ、低壓匕的冷的容器相連接。熱量從冷的容器抽取到散熱裝置，在這種配置中需要使用熱再生。在一實施例中，該鐵電模塊的熱循環(huán)連同冷的容器對應(yīng)的閥門的打開和關(guān)閉一起出現(xiàn)，該冷的容器對應(yīng)的閥門的打開和關(guān)閉將導(dǎo)致該鐵電模塊表面上通過循環(huán)的蒸發(fā)和冷凝進行兩相熱轉(zhuǎn)移。在本發(fā)明的另外一些實施例中，所描述的裝置采用的工作流體是一種具有不同沸點(沸點由流體的組成成分決定)的流體的混合物。該工作流體用于圍繞著一系列逐步減少的Tc" (η表示從I到N)進行循環(huán)的蒸發(fā)和冷凝，Tc"為減少的轉(zhuǎn)變溫度，對應(yīng)于不同的鐵電層或鐵電模塊{FMn}。鐵電模塊{FMn}序列水平設(shè)置(situated at levels)，這樣，當(dāng)由于低壓容器對應(yīng)的閥門打開和關(guān)閉導(dǎo)致流體混合物在裝置的相應(yīng)的水平位置上(at therespective level of)循環(huán)進行冷凝和蒸發(fā)時,鐵電模塊{FMn}可以圍繞其相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度進行熱循環(huán)。此處描述的每一鐵電模塊FMn均會出現(xiàn)快速的兩相熱轉(zhuǎn)移，每個鐵電模塊循環(huán)的溫度連同鐵電模塊表面上循環(huán)的冷凝和蒸發(fā)的溫度圍繞著ΤΛ正如此處描述的其他實施例所述，在鐵電體發(fā)電的應(yīng)用中，每個鐵電模塊FMn的電循環(huán)連同熱循環(huán)一起得以實現(xiàn)。在其他的實施例中，一系列多級的鐵電模塊{FMn}容納于與冷的和熱的容器相分離的熱腔中。該鐵電模塊按照逐步減少的轉(zhuǎn)變溫度Tc"排列。在本實施例中，工作流體為具有不同沸點的流體的混合物，這樣該工作流體可以圍繞一系列溫度Tc"交替地蒸發(fā)和冷凝，通過閥門使熱腔和鐵電模塊交替地與熱的和冷的容器連接可以實現(xiàn)工作流體在Th和Ph與 Υ和匕之間的循環(huán)。在熱腔中放置鐵電模塊FMn的水平位置，圍繞著溫度Tc"進行循環(huán)的冷凝和蒸發(fā)，正如本發(fā)明所述的，這樣每個鐵電模塊FMn都將經(jīng)歷熱循環(huán)以及電循環(huán)。通過使閥門以及電、熱循環(huán)按描述的方法循環(huán)，在由一系列的鐵電模塊{FMn}所表述的整個1 溫度范圍中，每個鐵電模塊FMn均可發(fā)電。該裝置可進一步包括用于監(jiān)控一個或多個鐵電模塊FMn的溫度和電容值、以及監(jiān)控加熱流體和冷卻流體的溫度和壓力的設(shè)備。經(jīng)由計算機控制使熱循環(huán)操作與鐵電模塊{FMn}的電氣狀態(tài)相配合，從而使加熱和冷卻與電輸入和輸出同步。結(jié)合以下附圖，本發(fā)明的各個方面在優(yōu)選實施例的以下描述中變得顯而易見，但在不背離所公開的新穎概念的精神和范圍的情況下可對其進行變化和調(diào)整。


附圖闡釋了本發(fā)明的一個或多個方面或一個或多個實施例，附圖連同其書面說明用于解釋本發(fā)明的原理。在實際應(yīng)用時，附圖中通篇使用相同標(biāo)號來指代實施例的相同或相似元件，其中:圖1示范性闡述了本發(fā)明中兩相熱轉(zhuǎn)移和熱循環(huán)裝置的基本組件；圖2示范性闡述了 與圖1相似的本發(fā)明中兩相熱轉(zhuǎn)移和熱循環(huán)裝置，但該裝置中具有熱再生器；圖3示范性闡述了與圖2相似的本發(fā)明中兩相熱轉(zhuǎn)移和熱循環(huán)裝置，該圖中熱循環(huán)的具體模塊包括連接到外部電路的電導(dǎo)線；圖4示范性闡述了由鐵電層、位于鐵電層兩側(cè)的電極以及用于在熱循環(huán)過程中維持流體層位于電極上的多孔薄膜構(gòu)成的鐵電設(shè)備；圖5是與圖1具有相似元件的裝置通過切換開關(guān)打開和關(guān)閉的狀態(tài)實現(xiàn)的壓力循環(huán)的測量結(jié)果；圖6是示出了根據(jù)循環(huán)過程中時間變化所導(dǎo)致的溫度和壓力變化的測量結(jié)果，同時該測量結(jié)果也示出了溫度隨壓力的變化伴隨著少量時延；圖7闡述了根據(jù)兩氟化電介質(zhì)工作流體的溫度的平衡(飽和)蒸汽壓力；圖8闡述了一種配置條形鐵電體的方式；圖9示范性闡述了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的將熱量轉(zhuǎn)換成電能的鐵電設(shè)備；圖10示范性闡述了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的將熱量轉(zhuǎn)換成電能的多級鐵電設(shè)備，該鐵電設(shè)備使用包含多種成分的工作流體；圖11示范性闡述了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的將熱量轉(zhuǎn)換成電能的另一多級鐵電設(shè)備，該鐵電設(shè)備使用包含多種成分的工作流體；
圖12是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于將熱量轉(zhuǎn)換為電能的鐵電設(shè)備的截面圖，所述鐵電設(shè)備利用溫度循環(huán)操作中發(fā)生的自發(fā)極化的變化來產(chǎn)生可能以高電壓遷移到外部電子線路的電荷；圖13示范性闡釋了鐵電體內(nèi)晶域的排列；其中(a)闡釋了未極化且定向隨機定向(random orientation)的晶域,每個晶域由在單個晶域內(nèi)類似定向的大量電偶極子組成；
(b)闡釋了大致極化的材料，其中偶極子以總體上相同的方向定向；以及(c)闡釋了理想的、完全極化的鐵電體，該完全極化的鐵電體通常僅在適宜于材料的原子和分子結(jié)構(gòu)的特別條件下才能獲得；圖14示范性闡釋了不存在外源場時，鐵電結(jié)構(gòu)/鐵電層表面的束縛電荷、以及當(dāng)存在大量(substantial)凈自發(fā)極化Ps時在電極的相鄰表面上感生的相反屏蔽電荷，所述凈自發(fā)極化表示為^;圖15示范性展示了根據(jù)本發(fā)明一實施例的將熱量轉(zhuǎn)換為電能的鐵電設(shè)備的橫截面圖；圖16展示了圖15所示的鐵電設(shè)備的透視圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的采用電阻負(fù)載運行的鐵電發(fā)電機的示范性示意圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的將熱量轉(zhuǎn)換為電能的過程的流程圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的將熱量轉(zhuǎn)換為電能的鐵電設(shè)備的示范性示意圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的將熱量轉(zhuǎn)換為電能的鐵電設(shè)備的示范性示意圖；圖21是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的將熱量轉(zhuǎn)換為電能的鐵電設(shè)備的示范性示意圖；圖22是根據(jù)本發(fā)明一可替代的實施例的將熱量轉(zhuǎn)換為電能的鐵電設(shè)備的示范性示意圖；圖23是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的將熱量轉(zhuǎn)換為電能的鐵電設(shè)備的示范性示意圖；圖24示范性闡釋了由(a)鈣鈦礦晶體的順電立方態(tài)向(b)正方晶構(gòu)造的轉(zhuǎn)換，后者反映了具有位移離子(displaced ion)的鐵電態(tài)，所述位移離子起因于晶胞的變形，從而使晶胞成為電偶極子，總的來說，該電偶極子與整個材料內(nèi)的其他偶極子引起了自發(fā)極化Ps;圖25闡釋了離子位移的量值，該離子位移發(fā)生在處于鐵電相的鈣鈦礦型鈦酸鋇BaTiO3的晶胞內(nèi)，且該離子位移引起了自發(fā)極化Ps ；圖26是使用樣品鈦酸鉛PbTiO3的參數(shù)、根據(jù)溫度T和極化P所做的自由能泛函(free energy functional)的曲線圖(plot);G是吉布斯自由能，以開爾文計量溫度，以C/m2計量極化，以J/m3計量自由能G ;極化是全熱力學(xué)變量(full thermodynamic variable),且其表示G (T，P)所描述的全極系；

圖27是樣品鈦酸鉛PbTiO3的、根據(jù)(as a function of)溫度的自由能的曲線圖，其中極化恒定為P=0.4C/m2 ；
圖28是各種電場值E下極化的曲線圖；以開爾文計量溫度，以伏特計量E場值；圖29是樣品鈦酸鉛PbTiO3在不同E場值下、根據(jù)溫度的熵的曲線圖；以K計量溫度，以J/m3.K為單位計量熵；圖30是各種溫度值下與極化成函數(shù)關(guān)系的自由能的曲線圖；曲線圖上疊加有本發(fā)明公開的熱力學(xué)循環(huán)的步驟；極化是全熱力學(xué)變量，且其表示G(T，P)所描述的全極系；圖31是各種溫度值下與極化成函數(shù)關(guān)系的自由能的曲線圖，曲線圖上疊加所有本發(fā)明公開的熱力學(xué)循環(huán)的步驟；該用于極化的循環(huán)由內(nèi)部生成的極化場提供；在該循環(huán)的電子放電步驟BC期間，為下一循環(huán)保留有足夠進行極化的電荷；在該循環(huán)的局部自由能最大時將出現(xiàn)由P值所決定的值；圖32闡釋了鐵電體的熱力學(xué)循環(huán)，其中兩個步驟等溫、兩個步驟等極化；(^和Qh分別表示在等溫步驟期間去除和增加熱量；圖33闡釋了在圖32描述的循環(huán)中根據(jù)溫度的熵的示意圖；僅考慮極化對自由能的貢獻，而不考慮諸如晶格熱(lattice heat)和聚合物骨架的其他自由度；圖34示出了測量到的在加熱相期間產(chǎn)生的電流，所述電流由永久極化的變化產(chǎn)生，該變化對應(yīng)于50 μ m厚的P (VDF-TrFE)共聚物薄膜的不同繼電器開啟溫度。
具體實施例方式在以下實例中對本發(fā)明進行更具體的說明；由于許多調(diào)整和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的，因此所述實例僅用于闡釋目的。現(xiàn)在詳細(xì)描述本發(fā)明的各個實施例。參考圖，通篇視圖中相似編號表示相似部件。在本文的描述和后續(xù)的權(quán)利要求中，除非文中明確表明，通篇使用的“一”和“該”的含義包括引用復(fù)數(shù)。同樣，在本文的描述和后續(xù)的權(quán)利要求中，除非文中明確表明，通篇使用的“`在...中”的含義包括“在...中”和“在...上”。另外，以下對該說明書中使用的某些用語予以更具體的限定。該說明書中使用的用語通常具有它們在本領(lǐng)域中、在本發(fā)明的上下文中、和在使用每個用語的特定環(huán)境中的通常含義。下文或說明書的其他地方會討論將用于描述本發(fā)明的某些用語，從而為從業(yè)者提供與描述本發(fā)明有關(guān)的額外指引。本說明書中任何地方使用的實例，包括本文討論的任何用語的實例，僅僅是闡釋性質(zhì)，其絕不會限制本發(fā)明或任何示例性用語的范圍和含義。同樣地，本發(fā)明并不受限于該說明書中給出的各種實施例。如本文所使用的，“附近”、“大約”或“大概”一般表示在給定值或給定范圍的百分之二十以內(nèi)、優(yōu)選在百分之十內(nèi)以內(nèi)、更優(yōu)選在百分之五內(nèi)以內(nèi)。文中給出的數(shù)值數(shù)量是大概的，這意味著在未明確聲明的情況下可推斷(inter)用語“左右”、“大約”或“大概”的含義。如本文所使用的，用語“居里溫度”或Tc是指鐵電材料的特性。在溫度低于居里溫度時，鐵電材料一般會處于可建立自發(fā)極化的鐵電相。隨著溫度朝居里溫度上升，鐵電材料內(nèi)建立的自發(fā)極化降低。當(dāng)溫度高于居里溫度時，鐵電材料一般處于順電相，在順電相中鐵電材料內(nèi)不會建立自發(fā)極化。不過也存在這樣的鐵電體:其鐵電相存在于溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時，并且材料在溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時為順電性。同樣，如本文所描述的，在鐵電相與非鐵電相之間存在與本發(fā)明有關(guān)的轉(zhuǎn)變溫度，鐵電相可發(fā)生于高于非鐵電相的溫度。至于“居里溫度”是否也應(yīng)用于后者這些類型的相變的轉(zhuǎn)變溫度，似乎并無已清楚建立的用法。本文所用的用語“相變溫度”和“轉(zhuǎn)變溫度”包括所有前述類型的相變。僅可結(jié)合第一類型的相變使用“居里溫度”或T。，或者上下文明顯時“居里溫度”或T。可得到更廣使用。每當(dāng)使用本發(fā)明中公開的鐵電材料時，意味著這種使用既包括常用的鐵電體也包括不合適的鐵電體，正如所描述的伴隨著鐵電材料相對于其相變溫度進行循環(huán)。對于非固有的鐵電體，極化代表著第二有序參數(shù)，這些第二有序參數(shù)與初級的有序參數(shù)相結(jié)合。對于鐵磁材料，通常具有鐵磁相，鐵磁材料處于鐵磁相中會自發(fā)在其內(nèi)部建立磁偶極子子。當(dāng)溫度朝居里溫度升高時，鐵磁材料的磁化減少。當(dāng)溫度高于居里溫度時，鐵磁材料一般處于順磁相中。然而，也有一些這樣的鐵磁材料:在溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時仍然存在鐵磁相，當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時鐵磁材料是順磁性的。正如本發(fā)明所描述的，鐵磁相與非鐵磁相之間的相變溫度與本發(fā)明有關(guān)。當(dāng)使用鐵磁材料時，本文所用的用語“相變溫度”和“轉(zhuǎn)變溫度”包括所有前述類型的鐵磁材料的相變。僅可結(jié)合第一類型的鐵磁相轉(zhuǎn)變使用“居里溫度”或T。，此時，隨著溫度的增加以及越過T。，該鐵磁材料經(jīng)歷了從鐵磁體轉(zhuǎn)變成順磁體的過程，或者上下文明顯時“居里溫度”或T?？傻玫礁鼜V使用。實際上，對所有上述類型的相變而言，材料溫度跨過轉(zhuǎn)變溫度時，相變化(phasechange)的劇烈程度是 由其組成的同質(zhì)性和晶體結(jié)構(gòu)所決定，這樣隨著材料的溫度在一溫度范圍內(nèi)增加或降低時，相與相之間的轉(zhuǎn)變可逐步發(fā)生；其中所述溫度范圍在該材料的指定轉(zhuǎn)變溫度附近。除了具有晶體結(jié)構(gòu)的鐵電材料以外，本發(fā)明可使用可極化的非晶態(tài)材料將熱量轉(zhuǎn)變成電力。對上述非晶態(tài)材料而言，去極化轉(zhuǎn)變溫度與上述T?；蜩F電相轉(zhuǎn)變溫度類似。在此種非晶態(tài)材料、聚合的鐵電或鐵磁材料中，可極化單元在原子和分子水平上體現(xiàn)處偶極子行為。正如本文所描述的，雖然本發(fā)明參考了使用鐵電材料和鐵磁材料，應(yīng)該理解的是但應(yīng)該理解的是，本發(fā)明也可使用具有合適的極化特征和轉(zhuǎn)變特征的可極化的非晶態(tài)聚合物(和共聚物)，并且本發(fā)明也打算公開這種用法。在這些情況下，“轉(zhuǎn)變溫度”、“居里溫度”或者“TC”都應(yīng)該被認(rèn)為是指(refer to)去極化溫度。本文偶爾(on occasion)使用的“極化”更精確地是指“電位移(electricdisplacement)”。由于本文的用語與用語之間并不存在顯著差別，為簡潔明了而通篇使用極化。為在本文中使用一致，參數(shù)“P”既用于指定電極化也用于指定壓力。這樣就意味著打算給出的實例在上下文中將變得顯而易見。本領(lǐng)域技術(shù)人員所認(rèn)識到的，熱量流經(jīng)的任意兩個物體或材料之間均會存在溫度梯度。在準(zhǔn)靜態(tài)熱力學(xué)分析中往往不考慮該梯度，所述準(zhǔn)靜態(tài)熱力學(xué)分析假設(shè)在工作介質(zhì)與熱源和散熱裝置之間有理想的等溫?zé)徂D(zhuǎn)移。為簡明起見，此處不考慮該梯度，Th可用于指定熱源的溫度或任意物體如鐵電體被加熱到的溫度。相似地， Υ可用于指定散熱裝置的溫度或任意物體如鐵電體被冷卻到的溫度。事實上，實際梯度的大小(extent)可能影響整體的熱效率、功率密度、冷卻應(yīng)用的性能系數(shù)以及其他因素。以下給出了根據(jù)本發(fā)明各實施例的示范性裝置和方法，但其意圖并不是限制本發(fā)明的范圍。實例中為方便讀者使用了標(biāo)題或副標(biāo)題；所述標(biāo)題或副標(biāo)題絕對不會限制本發(fā)明的范圍。此外，本文提出并公開了某些理論；然而，不管它們是對還是錯，只要根據(jù)本發(fā)明而在不考慮任何特定的理論或行動方案的情況下實施本發(fā)明，它們都絕對不會限制本發(fā)明的范圍?？傊?，本發(fā)明公開了一種使用兩相熱轉(zhuǎn)移快速地向系統(tǒng)輸入熱量及從系統(tǒng)中去除熱量的新方法，這樣系統(tǒng)在超過需要的溫度范圍時會出現(xiàn)快速地?zé)嵫h(huán)。通過熱腔內(nèi)的工作流體的不同的壓力和溫度可實現(xiàn)熱循環(huán)，這樣，一部分工作流體可以在液相和氣相之間快速地向前和向后循環(huán)。由于在這種相變過程中交替地進行冷凝和蒸發(fā)，該工作流體分別釋放和吸收了大量的潛熱。工作流體中所釋放和吸收的大量的潛熱轉(zhuǎn)而用于分別向需要的系統(tǒng)中輸入熱量以及從需要的系統(tǒng)中取出熱量。因此該系統(tǒng)實現(xiàn)了快速地?zé)嵫h(huán)。兩相熱轉(zhuǎn)移與傳統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng)相比具有相當(dāng)多的優(yōu)勢，如較高的熱轉(zhuǎn)移系數(shù)、更好的溫度均勻性以及更小的冷卻速率。在本發(fā)明中，通過同時打開和關(guān)閉一個或多個接入該熱腔的閥門，兩相熱轉(zhuǎn)移可以使樣品熱腔中的溫度快速的循環(huán)。本發(fā)明潛在的用途是很廣泛的，有很多種設(shè)計、實施及使用該裝置的方法。在給出的應(yīng)用中，兩相熱轉(zhuǎn)移過程的各個方面需要連同該系統(tǒng)的設(shè)計一起考慮。除此之外，這些因素包括微通道中的兩相流動、流體的沸騰、流體的冷凝、壓力下降、氣泡運動、流體形狀、熱轉(zhuǎn)移特性以及臨界熱流量。在本發(fā)明中描述的該模塊(例如，圖1中710)的兩相熱循環(huán)中，尤其是在本發(fā)明描述的用于實現(xiàn)利用熱量發(fā)電的目的的鐵電模塊的熱循環(huán)中，熱轉(zhuǎn)移將主要取決于穿過(across)閥門(例如，圖1-3中的735和745)的蒸汽流量(vapor mass flow rate),而且熱轉(zhuǎn)移速率取決于沸騰和冷凝。在聲速流動中穿過閥門的流速的流量系數(shù)Cv由以下公式給出:
權(quán)利要求
1.一種使物體熱循環(huán)的方法，其特征在于，包括以下步驟 Ca)使所述物體與來自第一壓力和第一溫度下的工作流體的第一液/汽兩相混合物的蒸汽接觸以使所述物體的溫度升高； (b)隨后使所述物體與來自第二壓力和第二溫度下的工作流體的第二液/汽兩相混合物的蒸汽接觸以使所述物體的溫度降低，其中所述第一溫度高于第二溫度，所述第一壓力高于第二壓力； 以及(C)任意地重復(fù)步驟(a)和步驟(b) —次或多次。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述物體包括一層或多層可電極化材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述物體包括一層或多層可磁極化材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，每層所述一層或多層可電極化材料具有相變溫度，在所述相變溫度下，所述材料在能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相與不能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相之間轉(zhuǎn)變。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，每層所述一層或多層可磁極化材料具有相變溫度，在所述相變溫度下，所述材料在能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相與不能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相之間轉(zhuǎn)變。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述物體包括 (O導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的第一電極； (2)導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的第二電極，其中所述第二電極與所述第一電極分開設(shè)置； (3)位于所述第一和第二電極之間的一層或多層可電極化材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述物體包括堆疊排列在所述第一電極與所述第二電極之間的多層可電極化材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，每層所述可電極化材料具有相變溫度，在所述相變溫度下，所述材料在能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相與不能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相之間轉(zhuǎn)變。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述物體容納于腔中，其中所述第一液/汽兩相混合物容納于第一容器中，所述第二液/汽兩相混合物容納于第二容器中，以及其中步驟(a)包括允許來自所述第一液/汽兩相混合物的蒸汽流入所述腔中，步驟(b)包括允許蒸汽從所述腔中流入所述第二容器中。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括將所述工作流體從所述第二容器中轉(zhuǎn)移至所述第一容器中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括將所述工作流體從所述第二容器中抽取至所述第一容器中。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括將熱能轉(zhuǎn)移至所述工作流體中，其中所述熱能來自從所述腔流入所述第二容器中的所述蒸汽，所述工作流體為從所述第二容器轉(zhuǎn)移至所述第一容器中的工作流體。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述第一液/汽兩相混合物容納于具有內(nèi)部體積的第一容器中，所述內(nèi)部體積包括液體區(qū)和蒸汽區(qū)，其中，所述第二液/汽兩相混合物容納于第二容器中，而且其中所述物體容納于所述第一容器的蒸汽區(qū)中，并且步驟(a)包括阻止來自所述第一容器中的第一液/汽兩相混合物的蒸汽流入所述第二容器中，步驟(b)包括允許來自所述第一容器中的第一液/汽兩相混合物的蒸汽流入所述第二容器中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括將所述工作流體從所述第二容器轉(zhuǎn)移至所述第一容器中。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包括將所述工作流體從所述第二容器抽取至所述第一容器中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括將熱能轉(zhuǎn)移至所述工作流體中，其中所述熱能來自從所述第一容器流進所述第二容器中的所述蒸汽，所述工作流體為從所述第二容器轉(zhuǎn)移至所述第一容器中的工作流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在步驟(a)期間所述工作流體在所述物體的表面冷凝從而加熱所述物體，以及在步驟(b)期間所述工作流體在所述物體的表面蒸發(fā)從而冷卻所述物體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在步驟(a)和(b)中一層工作流體以液體的形式保留在所述物體的表面上。
19.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述工作流體包括具有不同沸點的流體的混合物。
20.一種裝置，其特征在于，包括 熱腔； 第一容器，所述第一容器包括在第一壓力、第一溫度下的工作流體的液/汽兩相混合物，所述第一容器具有內(nèi)部體積，所述內(nèi)部體積包括液體區(qū)和蒸汽區(qū)； 第二容器，所述第二容器包括在第二壓力、第二溫度下的工作流體的液/汽兩相混合物，所述第二容器具有內(nèi)部體積，所述內(nèi)部體積包括液體區(qū)和蒸汽區(qū)； 第一導(dǎo)管，所述第一導(dǎo)管使所述第一容器和所述熱腔連通； 第二導(dǎo)管，所述第二導(dǎo)管使所述第二容器與所述熱腔連通； 第一閥門，所述第一閥門位于所述第一導(dǎo)管中； 第二閥門，所述第二閥門位于所述第二導(dǎo)管中； 以及第三導(dǎo)管，所述第三導(dǎo)管使所述第一容器與所述第二容器連通； 其中所述第一溫度高于所述第二溫度，所述第一壓力高于所述第二壓力。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括泵，所述泵用于通過所述第三導(dǎo)管將所述工作流體從所述第二容器中抽取至所述第一容器中。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括熱量再生器，其中通過所述第三導(dǎo)管從所述第二容器中轉(zhuǎn)移至所述第一容器中的流體穿過所述熱量再生器，以及通過所述第二管道從所述熱腔中流至所述第二容器中的流體流經(jīng)所述第二閥門后再穿過所述熱量在再生器。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括用于將熱能轉(zhuǎn)移至所述第一容器中的工作流體中的熱源。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括用于從所述第二容器的工作流體中去除熱能的散熱裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，所述第一容器的蒸汽區(qū)的體積大于所述熱腔的體積，且所述第二容器的蒸汽區(qū)的體積大于所述熱腔的體積。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括工作流體源，所述工作流體源用于為所述裝置提供工作流體。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括控制器，所述控制器 (a)打開所述第一閥門同時關(guān)閉所述第二閥門以允許來自所述第一容器的、所述第一溫度下的蒸汽流入所述熱腔中，從而增加所述熱腔內(nèi)的壓力和溫度； (b)隨后關(guān)閉所述第一閥門； (C)隨后打開第二閥門以允許所述熱腔中的蒸汽流入所述第二容器中，從而降低所述熱腔中內(nèi)的壓力和溫度； (d)隨后關(guān)閉所述第二閥門； (e)隨意地重復(fù)操作(a)_(d)—次或多次。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，還包括位于所述熱腔內(nèi)部的物體，其中在操作(a)中所述工作流體在所述物體的表面上冷凝從而加熱所述物體，以及在操作(C)中所述工作流體在所述物體的表面上蒸發(fā)從而冷卻所述物體。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，在操作(a)_(d)中一層工作流體以液體的形式保留在所述物體的表面上。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述物體包括一層或多層的可電極化材料。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述一層或多層的可電極化材料以帶狀的形式繞成螺旋形以便所述螺旋相鄰的層之間存在距離。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述物體包括 (O導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的第一電極； (2)導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的第二電極，其中所述第二電極與所述第一電極分開設(shè)置； (3)位于所述第一和第二電極之間的一層或多層可電極化材料。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的裝置，其特征在于，所述物體包括堆疊排列在所述第一電極和第二電極之間的多層可電極化材料。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的裝置，其特征在于，每層所述可電極化材料具有相變溫度，在所述相變溫度下所述材料在能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相與不能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相之間轉(zhuǎn)變。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其特征在于，所述物體放置在所述第一容器中以便所述每層可電極化材料與所述第一容器的蒸汽區(qū)中的第一導(dǎo)管的端部之間具有不同的距離，并且所述每層可電極化材料的相變溫度隨著與所述第一容器的蒸汽區(qū)中的第一導(dǎo)管的端部之間距離的減小而降低。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其特征在于，所述工作流體包括具有不同沸點的流體混合物。
37.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其特征在于，還包括位于所述熱腔內(nèi)部的物體，其中所述物體包括一層或多層可磁極化材料。
38.一種裝置，其特征在于，包括 第一容器，所述第一容器包括在第一壓力、第一溫度下的工作流體的液/汽兩相混合物，所述第一容器具有內(nèi)部體積，所述內(nèi)部體積包括液體區(qū)和蒸汽區(qū)；第二容器，所述第二容器包括在第二壓力、第二溫度下的工作流體的液/汽兩相混合物，所述第二容器具有內(nèi)部體積，所述內(nèi)部體積包括液體區(qū)和蒸汽區(qū)； 第一導(dǎo)管，所述第一導(dǎo)管使所述第一容器的蒸汽區(qū)與所述第二容器的蒸汽區(qū)連通； 第一閥門，所述第一閥門位于所述第一導(dǎo)管中； 以及第二導(dǎo)管，所述第二導(dǎo)管使所述第一容器與所述第二容器連通； 其中所述第一溫度高于所述第二溫度，所述第一壓力高于所述第二壓力。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，還包括泵，所述泵用于通過所述第二導(dǎo)管將所述工作流體從所述第二容器中抽取至所述第一容器中。
40.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，還包括位于所述第一容器蒸發(fā)區(qū)的物體。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，所述物體包括一層或多層可電極化材料。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的裝置，其特征在于，每層所述可電極化材料具有相變溫度， 在所述相變溫度下所述材料在能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相與不能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相之間轉(zhuǎn)變。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，所述物體包括 (a)導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的第一電極； (b)導(dǎo)熱導(dǎo)電材料制成的第二電極，其中所述第二電極與所述第一電極分開設(shè)置； (C)位于所述第一和第二電極之間的一層或多層可電極化材料。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的裝置，其特征在于，所述物體包括堆疊排列在所述第一電極和第二電極之間的多層可電極化材料。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其特征在于，每層所述可電極化材料具有相變溫度，在所述相變溫度下所述材料在能體現(xiàn)出所述材料的自發(fā)極化的相與不能體現(xiàn)出所述材料 的自發(fā)極化的相之間轉(zhuǎn)變。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的裝置，其特征在于，所述物體放置在所述第一容器中以便所述每層可電極化材料與所述第一容器的蒸汽區(qū)中的第一導(dǎo)管的端部之間具有不同的距離，并且所述每層可電極化材料的相變溫度隨著與所述第一容器的蒸汽區(qū)中的第一導(dǎo)管的端部之間距離的減小而降低。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其特征在于，所述工作流體包括具有不同沸點的流體的混合物。
48.根據(jù)權(quán)利要求41所述的裝置，其特征在于，所述一層或多層的可電極化材料以帶狀的形式繞成螺旋形以便所述螺旋相鄰的層之間存在距離。
49.根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其特征在于，所述物體包括一層或多層可磁極化材料。
50.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，還包括熱量再生器，其中通過所述第二管道從所述第二容器中抽取至所述第一容器中的流體穿過所述熱量再生器，以及通過所述第一管道從所述第一容器中流至所述第二容器中的流體流經(jīng)所述第一閥門后再穿過所述熱量在再生器。
51.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，還包括用于將熱能轉(zhuǎn)移至所述第一容器中的工作流體中的熱源。
52.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，還包括用于從所述第二容器的工作流體中去除熱能的散熱裝置。
53.根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其特征在于，還包括控制器，所述控制器 (a)打開所述第一閥門以允許來自所述第一容器的、所述第一溫度下的蒸汽流入所述第二容器，從而降低所述第一容器的蒸發(fā)區(qū)內(nèi)的溫度； (b)隨后關(guān)閉所述第一閥門； (C)允許升高所述第一容器的蒸發(fā)區(qū)的溫度； (d)隨意地重復(fù)操作(a)_ (c)—次或多次。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使物體進行熱循環(huán)的方法，所述方法包括使所述物體交替地與來自工作流體的第一和第二液/汽兩相混合物中的蒸汽接觸，其中第一混合物的溫度和壓力均高于有第二混合物。本發(fā)明還描述了一種裝置，所述裝置包括熱腔、容納有第一混合物的第一容器、容納有第二混合物的第二容器以及使該第一容器、第二容器與該熱腔連通的導(dǎo)管。該裝置可以用于使放置在熱腔中的物體進行熱循環(huán)。本發(fā)明還描述了一種裝置，該裝置包括使該第一容器和第二容器的蒸發(fā)區(qū)連通的導(dǎo)管。該裝置可用于使放置在第一容器的蒸發(fā)區(qū)中的物體進行熱循環(huán)。該物體可以包括一層或多層的可電極化材料或可磁極化材料。
文檔編號H02N3/00GK103238272SQ201180053882
公開日2013年8月7日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者阿赫邁特·伊爾比爾, 戴維·F·沃爾伯特 申請人:地?zé)崮茉垂?br>