Science 告别“氟利昂”!电热冷却技术

时至今日,热泵的技术已经为一项越来越重要的技术,其应用范围从空调和制冷,到精密电子元件的稳定。据估计,空间制冷约占建筑物总用电量的20%,占全球总用电量的10%。

然而,冷却技术在过去的几十年里,似乎只是在原本基础上修修补补。蒸汽压缩制冷于1803年获得专利,至今仍是目前主要的冷却技术。

尽管蒸气压缩制冷沿用至今,但其本身存在着致命的缺陷。通常使用的高性能、不易燃的制冷剂是氢氟碳化物(HFCs),它是全球变暖的罪魁祸首,通常比二氧化碳强数千倍。蒸汽压缩的根深蒂固阻碍了零全球变暖潜力(GWP)替代技术的发展。

20世纪90年代早期,俄罗斯莫斯科电力工程学院的科学家声称,他们可以支持热源和热浴之间高达12.7℃的温差,而陶瓷中的电热学效应的研究,也由此开始蓬勃发展。但这项工作不依赖于大型压缩机、水泵或磁铁,而且承诺提供高效、廉价和环保的空调。但事实证明,将这些成果转化为实际设备是困难的,因为与实验室中使用的薄膜相比,大块组件的材料特性非常不同。

对此,来自美国施乐公司帕洛阿尔托研究中心的研究人员,开发了一个可伸缩的高性能系统,它基于陶瓷电子材料在模块化级联自再生的架构,具有低的热损失。

研究者在一个使用部分有序PbSc0.5Ta0.5O3(PST)的系统中演示了该过程,该系统的工作元件是基于EC多层陶瓷电容器(MLCCs)。在室温下,极化场为10.8 MV/m时,该系统的绝热温度变化为5.2℃。

尽管该研究没有展示任何温度的突破,却体现了实验室规模的设备如何扩大,以提供大规模地工业化生产和使用。研究者采用了电子工业中常用的大容量制造技术,用多层陶瓷电容器生产固态器件。这些电容器的直径只有几毫米,由铅钪钽矿制成。

该研究装置的核心是两层多层电容,它们排列在铜轨之间,由绝缘子隔开。上层有5个电容器,而下层有4个。执行器左右移动最上面的一层,这样它的四个电容器总是与下面的电容器对齐,而两端额外的一个则与下面的散热片接触。

研究者采用该设备,进行了多轮的热力学布雷顿循环,其中一个散热器逐渐冷却,而另一个作为外部热浴。

冷却发生在第一阶段,热量从四个电容器和下面的冷水槽,流向上面的五个电容器。

然后在第二阶段,移动顶层,施加电场,使偶极子排列,从而减少它们的熵。作为补偿,材料分子的振动熵上升,导致绝热温度上升。

随着上层的温度现在比热浴更高,第三阶段看到,在末端的电容器,把它的一些热量释放到接收器上。

最后,电场被关闭,上层的温度下降到下层的温度以下,还是绝热的。然后循环往复。

该研究发现,当施加一个略高于10 MV/m的电场时,电容器每次循环的绝热温度上升(和下降)2.5℃。在大约100个循环中,冷水槽缓慢但稳定地冷却,发现它的温度比热水槽下降了5.2℃。同时,研究者还测量了135 mWcm-2的热流,比其他电热式冷却系统高出四倍多。

研究人员预计,通过调整电容器的大小和形状,以及对系统进行其他调整,应该能够将热泵效率提高50%以上。而这将使它能与“蒸汽压缩冷却”相竞争。

无独有偶,同样的时间段,Science发表了另一篇来自不同课题组关于电热冷却技术的文章,题为“Giant temperature span in electrocaloric regenerator”【⏬2】,这是来自卢森堡科学技术研究所研究者的最新成果,他们在一个稍微不同的系统中实现了高达13℃的更高的温差。他们采用钽酸铅制成的多层电容器,但通过在多孔的高热量固体中来回传输介质流体,获得了更大的冷却效果。

该研究还估计,通过减少电容器的厚度(0.2 mm),并使用水而不是电介质,可实现高达47.5℃的跨度。但该技术仍处于相对早期的研究阶段,并表示实际应用将需要具有更高击穿场和更好的电气绝缘的电容器。

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