一种流体换热的电卡制冷装置技术领域
本发明涉及制冷装备技术领域，具体的是涉及一种流体换热的电卡制冷装置。
背景技术
压缩机制冷技术至19世纪由哈里森发明后，已成为对人类社会影响最大的工程技
术之一，是食品保鲜、家电及医疗等行业必不可少的技术。但是传统的压缩机制冷效率较为
低下，通常用性能系数COP(Coefficients of Performance)仅为3左右，而且使用氟利昂等
制冷剂会对臭氧层产生破坏，污染环境。所以发展新型的节能环保的制冷技术成为当前制
冷行业迫切的任务。
电卡制冷是基于电卡效应发展的新的制冷技术。电卡效应是指介电材料在施加和
撤去电场时的等温熵变或绝热温变。具体来说，对电卡元件施加电场，电卡元件中的电偶极
子从无序变为有序，电卡元件的熵减小，在绝热条件下，多余的熵产生温度的上升；移去电
场，电卡元件中的电偶极子从有序变为无序，电卡元件的熵增加，在等温条件下，电卡元件
从外界吸收热量使能量守恒(或在绝热条件下，不足的熵导致电卡元件温度的下降)。电卡
制冷是一种固体制冷，无需空气压缩机，其装置可以更紧凑、更轻且更易集成，且具有节能
环保等特点，不会造成温室效应。
尽管电卡制冷效率较高，不使用制冷剂不会造成温室效应。但是，目前基于电卡效
应的电卡制冷装置并没有具体的实施方式，只停留在器件研发、电卡效应的测试阶段。
Cilensek,J.等在2015年公布了一种使用弛豫铁电陶瓷作为制冷工质的电卡制冷
装置(WO2015014853-A1)，装置中陶瓷被置于一个密闭的腔体中，陶瓷充放电时腔体两端的
活塞推动流体向左侧或右侧移动通过腔壁实现与外界的换热。吸热和放热均采用同一液
体，换热效果低，可靠性较差。
Schwartz,D.E.等2015年公布一种电卡制冷设备(US2015082809-A1)，通过电卡元
件的上下移动实现电卡热量和冷量和外界的交换，电卡元件需要不停运动，带来了潜在的
系统不稳定性，而且固体接触面之间因为总有严重的空气热阻存在，可能导致换热不畅、换
热效率低下从而使整个器件的制冷效率低下。
鉴于现有的电卡制冷装置的设计并不完善，也未有成熟电卡制冷装置问世，因此
提出一种实用可靠的电卡制冷装置非常有必要。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种结构简单、实施方便、有实际操作意义的一种流体换
热的电卡制冷装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种流体换热的电卡制冷装置，包括第一流体
输送装置、第二流体输送装置、第一换向阀、第二换向阀、控制电路模块、第一热交换器、电
卡元件腔体、第一换热介质容器以及第二换热介质容器；所述电卡元件腔体中设有电卡单
元，所述控制电路模块控制所述电卡单元的充、放电状态和充、放电时间间隔；当所述控制
电路模块控制所述电卡单元充电放热，并控制所述第一换向阀和所述第二换向阀接通第一
换热通道时，第一路换热介质从所述第一换热介质容器经所述第一流体输送装置进入所述
电卡元件腔体与所述电卡单元换热，换热后流入所述第一热交换器再次换热后流回所述第
一换热介质容器，待所述电卡单元与所述第一路换热介质达到热平衡后关闭第一换热通
道；当所述控制电路模块控制所述电卡单元放电吸热，并控制所述第一换向阀和所述第二
换向阀接通第二换热通道时，第二路换热介质从所述第二换热介质容器经所述第二流体输
送装置进入所述电卡元件腔体与所述电卡单元换热，换热后流回所述第二换热介质容器，
待所述电卡单元与所述第二路换热介质达到热平衡后关闭第二换热通道。
本发明的优点在于：提供了一种结构简单、实施方便、有实际操作意义的流体换热
的电卡制冷装置，冷端和热端换热介质分离，互不干扰，换热介质为绝缘流体不会对电卡元
件充放电产生漏电影响，冷端和热端采用换热器与热量进行热交换，系统可靠性与实施性
高。
附图说明
图1，本发明所述的流体换热的电卡制冷装置第一实施例所示结构示意图；
图2A-2B，本发明所述的电卡元件腔体一实施例所示布局示意图；
图3，本发明一实施例所述的电卡单元电源通断频率与换向阀通断频率示意图；
图4A-4B，本发明所述的热交换器示意图；
图5，本发明所述的流体换热的电卡制冷装置第二实施例所示结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的流体换热的电卡制冷装置做详细说明。
参考图1，本发明所述的流体换热的电卡制冷装置第一实施例所示结构示意图；所
述的流体换热的电卡制冷装置包括第一流体输送装置101、第二流体输送装置102、第一换
向阀103、第二换向阀104、控制电路模块105、第一热交换器106、第二热交换器107、电卡元
件腔体108、第一换热介质容器109以及第二换热介质容器110；所述电卡元件腔体108中设
有电卡单元111，所述控制电路模块104控制所述电卡单元111的充、放电状态和充、放电时
间间隔。所述电卡单元111为具有电卡效应的多层电卡陶瓷或多层电卡聚合物。
当所述控制电路模块105控制所述电卡单元111充电放热，并控制所述第一换向阀
103和所述第二换向阀104接通第一换热通道(第一换向阀103接通A位、第二换向阀104接通
B位)时，第一路换热介质从所述第一换热介质容器109经所述第一流体输送装置101进入所
述电卡元件腔体108与所述电卡单元111换热，换热后流入所述第一热交换器106再次换热
后流回所述第一换热介质容器109，从而将电卡热量释放，待所述电卡单元111与所述第一
路换热介质达到热平衡后关闭第一换热通道。图中箭头示意出换热介质的流向。
当所述控制电路模块105控制所述电卡单元111放电吸热，并控制所述第一换向阀
103和所述第二换向阀104接通第二换热通道(第一换向阀103接通C位、第二换向阀104接通
D位)时，第二路换热介质从所述第二换热介质容器110经所述第二流体输送装置102进入所
述电卡元件腔体108与所述电卡单元111换热，换热后流入所述第二热交换器107再次换热
后流回所述第二换热介质容器110，待所述电卡单元111与所述第二路换热介质达到热平衡
后关闭第二换热通道。
可选的，所述电卡单元111与所述第一路换热介质的换热在充电开始时进行或在
充电完成后进行；所述电卡单元111与所述第二路换热介质的换热在放电开始时进行或在
放电完成后进行。
优选的，所述第一路换热介质与所述第二路换热介质均为高换热系数的绝缘流
体，例如换热介质可以为纯水、煤油、乙醇、变压器油、开关油、电容器油、硅油等。
本发明中，冷端和热端换热介质分离，互不干扰，换热介质为绝缘流体不会对电卡
元件充放电产生漏电影响，冷端和热端采用换热器与热量进行热交换，系统可靠性与实施
性高。
请一并参考图1和图2A-2B，其中图2A-2B为本发明所述的电卡元件腔体一实施例
所示布局示意图，图2A为图1中电卡元件腔体沿垂直纸面方向的剖视图，图2A为图1中电卡
元件腔体沿平行纸面方向的剖视图。所述电卡元件腔体108包括腔体框架201、固定于所述
腔体框架内的电卡夹具202、由所述电卡夹具夹持固定的电卡单元111，以及通过开设在所
述腔体框架201上的通孔或螺纹孔固定在所述腔体框架201上的电极203。所述电卡单元111
中的多个电卡元件在所述电卡夹具202的夹持固定下形成若干缝隙，多个电卡元件通过电
极203接入到电卡充放电电路中，以在所述控制电路模块105控制下进行充放电，第一路换
热介质在电卡单元111充电工况下穿过所述缝隙完成与电卡单元111的换热，第二路换热介
质在电卡单元111放电工况下穿过所述缝隙完成与电卡单元111的换热。图2B中腔体框架内
所示为换热介质的流向。
图2A所示两个电极203，一个为正极、一个为负极。在电卡元件充电时，正极作为充
电正极，与负极一起接入到电卡充放电电路中，构成充电回路；在电卡元件放电时，正极作
为放电正极，与负极一起接入到电卡充放电电路中，构成放电回路。
可选的，所述电卡单元111中的多个电卡元件211采用并联方式连接或采用并联与
串联相结合的方式连接。
优选的，所述电卡夹具202具有多个槽结构，如矩形槽212，所述电卡单元111中的
多个电卡元件211定位在所述电卡夹具202的矩形槽212内。优选的，所述矩形槽212宽度b与
所述电卡单元111中的单个电卡元件211的宽度t满足关系式：b＝t+0.2～0.3mm。
本发明所述的电卡元件腔体的组装方式具体可以为：首先，电卡单元111定位在电
卡夹具202后(将电卡单元111中的电卡元件211定位在电卡夹具202的一矩形槽212内)，将
两者焊接为一体，例如采用锡焊；其次，将焊接后的整体固定在腔体框201内，例如通过螺纹
连接；将电极203引出到腔体201外，如通过开设在腔体框架201上的通孔或螺纹孔用探针或
螺丝固定在腔体框架201上，通孔或螺纹孔可以用密封胶或密封料带或螺纹端面密封确保
连接处密封。可选的，所述腔体框架201为分体式结构，包括两端盖，两端盖采用端面密封方
式(例如用密封胶或密封料带或螺纹端面密封)对连接面进行密封。
请继续参考图1，所述控制电路模块104包括电卡充放电控制器、换向阀控制单元、
电源以及电卡充放电电路。所述电卡单元111通过电极203接入到电卡充放电电路中，由所
述电卡充放电控制器控制所述电卡单元111的充放电状态和充放电时间间隔。所述换向阀
控制单元用于根据所述电卡单元111的充放电状态控制第一换向阀103和第二换向阀104分
别接通第一换热通道或第二换热通道；所述电源用于为所述换向阀控制单元、电卡充放电
控制器以及电卡充放电电路供电。
具体为：电卡充放电控制器首先控制电卡单元充电；充电开始或完成后，换向阀控
制单元控制两个换向阀分别接通A位和B位；第一路换热介质进入电卡元件腔体并与电卡单
元发生热交换，直到电卡单元的温度降低到与流入的换热介质的温度差低于一定的阈值为
止，阈值优选为电卡材料最大的温差的0-20％；与此同时，从电卡元件腔体流出的换热介质
到达第一热交换器进行换热，达到热平衡后关闭A位和B位。电卡单元与换热介质的换热完
成后，电卡充放电控制器控制电卡单元放电；放电开始或完成后，换向阀控制单元控制两个
换向阀分别接通C位和D位，第二路换热介质进入电卡元件腔体并与电卡单元发生热交换，
直到电卡单元的温度升高到与流入的换热介质的温度差低于一定的阈值为止，阈值优选为
电卡材料最大的温差的0-20％；从电卡元件腔体中流出的换热介质与第二热交换器进行换
热，达到热平衡后关闭C位和D位。
请一并参考图1和图3，其中图3为本发明一实施例所述的电卡单元电源通断频率
与换向阀通断频率示意图。其中，(a)为电卡单元电源通断频率示意图，(b)为两个换向阀在
A位和B位通断频率示意图，(c)为两个换向阀在C位和D位通断频率示意图。具体为：电卡单
元111由控制电路模块104控制充电后，需要第一换向阀103和第二换向阀104接通第一换热
通道，即A位和B位保持接通，C位和D位关闭；电卡单元111由电卡充放电控制器控制放电后，
需要第一换向阀103和第二换向阀104接通第二换热通道，即C位和D位保持接通，A位和B位
关闭；如此完成电卡单元充电与放电循环。
请一并参考图1和图4A-4B，其中图4A为本发明所述的热交换器第一实施例示意
图，图4B为本发明所述的热交换器第二实施例示意图。与电卡单元交换热量后的换热介质
通过相应热交换器将热量交换至外界；本发明所述的热交换器(第一热交换器或第二热交
换器)可以为气体换热器或液体换热器。如图4A所示，第一热交换器或第二热交换器为液体
换热器，即与流入热交换器中的换热介质P1换热的外界介质P2为液体介质。如图4B所示，第
一热交换器或第二热交换器为气体换热器，即与流入热交换器中的换热介质P1换热的外界
介质P2为气体介质，例如干燥空气。流入换热器的介质P1并不与外界介质P2发生物质交换，
两者之间一般有金属隔板，隔板内外仅发生热量交换，使隔板内的介质P1的热量被隔板外
的介质P2带走，P2循环路径采用现有公知技术，此处不再赘述。
参考图5，本发明所述的流体换热的电卡制冷装置第二实施例所示结构示意图。与
图1所示第一实施例的不同之处在于，所述电卡制冷装置未设置第二热交换器；当所述控制
电路模块105控制所述电卡单元111放电吸热，并控制所述第一换向阀103和所述第二换向
阀104接通第二换热通道时(即分别接通C位和D位)，第二路换热介质从所述第二换热介质
容器110经所述第二流体输送装置102进入所述电卡元件腔体108与所述电卡单元111换热，
换热后直接流回所述第二换热介质容器110，待所述电卡单元111与所述第二路换热介质达
到热平衡后关闭第二换热通道。第二路换热介质不与外界热交换器进行热交换而直接回到
第二换热介质容器，使换热介质周期性的蓄冷实现累积，获得更大的制冷量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为
本发明的保护范围。