用电容器保持凉爽

普通的蒸汽压缩冷却效率低，不环保。未来的空调可能会采用几乎没有活动部件的电热技术。

利兰Teschler•执行编辑
国际能源署(International Energy Agency)提供了一些关于我们这个变暖的世界的坏消息:空调和电扇的使用已经占世界各地建筑总电力的大约五分之一，或者说全球总电力消耗的10%。大多数炎热国家的家庭还没有购买他们的第一个空调。因此，在未来30年里，空调的使用可能会飙升，成为全球电力需求的主要驱动因素之一。国际能源署估计，到2050年，世界上大约三分之二的家庭将拥有空调。中国、印度和印度尼西亚将占总数的一半。

关于2050年的另一个有趣的事实是，今天用于空调和制冷的蒸发冷却技术可能不会在30年后得到足够的改进。国际能源署认为，空间冷却的能源需求消耗的电力可能相当于整个中国和印度目前消耗的电力。

作为快速审查，传统A / C的冷却通过蒸汽压缩循环进行，其使用制冷剂的气体和液体之间的相变传递热量。所有这些系统都有四个部件：压缩机，冷凝器，计量装置或热膨胀阀和蒸发器。循环制冷剂作为饱和蒸汽进入压缩机，并被压制到更高的压力，导致热过热的制冷剂蒸气。过热的蒸气通过冷凝器，在那里它完全冷却并冷凝，并且被排出的热量被排出。然后冷凝的液体制冷剂通过膨胀阀，在那里它经历突然降低的压力，导致液体制冷剂的一部分的闪蒸，降低液体和蒸汽制冷剂混合物的温度，因此它比温度更冷待冷藏的空间。

然后，冷的混合物通过蒸发器中的盘管或管。风扇使待冷却的热空气通过蒸发器盘管或管进行循环。热空气使冷制冷剂混合物中的液体部分蒸发。同时，循环空气被冷却，从而降低了待冷却空间的温度。最后，从蒸发器排出的制冷剂蒸汽再次被引回压缩机。

传统的蒸汽压缩空调设备并不是特别环保。如今，它使用由氢氟碳化合物组成的制冷剂，尽管氢氟碳化合物比前几代液体更环保，但其升温潜力比二氧化碳高出数千倍。此外，空调设备的能源效率有限。在美国，能源部规定住宅单元的能源效率至少要达到13 SEER(季节能源效率比)。机组的SEER额定值是一个典型的冷却季节的冷却输出除以同一时期的总电能输入。热力学效率通常计算为COP(性能系数)，即供冷量与所需能量的比值。SEER值为13近似等于COP值为3.2，这意味着每单位的空调能耗会从室内排出3.2单位的热量。

空调的COP遵循卡诺热力学循环，取决于外部和内部的温度。当室外温度为95°F(35°C)，室内温度为80°F(27°C)时，理论卡诺循环COP最大值为36。不幸的是，看起来未来蒸汽压缩空调的COP改进充其量只能是增量的。更高效的压缩机和阀门，更好的传热表面，以及更多外来制冷剂都在图纸上。但所有这些进步都可能付出更高的代价，带来的好处也有限。

因此，人们对具有更高能源效率的新型冷却方法非常感兴趣。特别是，固态法具有吸引力，因为它消除了由于摩擦、磨损和其他损失而产生的低效。也许最著名的固态冷却方法是采用Peltier模块的形式，它的工作得益于热电效应。在这里，电压被施加在两个特殊连接的半导体上以产生电流。当电流流过两个导体的连接处时，其中一个连接处的热量被移走，另一个处的热量被沉积下来，从而冷却了第一个连接处。

典型的Peltier模块由具有互补Peltier系数的交替n型和p型半导体阵列组成。(帕尔蒂尔系数基本上表示单位时间内每个电子传递到结的热能。)元件阵列横跨在两个陶瓷板之间，电上串联，热上并联。使用的材料通常是碲化铋、碲化锑和硒化铋，它们是低导热性和高导电性的组合。

尽管Peltier型冷却器有小范围的应用，但它们不太可能用于普通制冷或空调。迄今为止设计的热电结的COP约为蒸汽压缩装置的25%。这使它们达到理想的卡诺循环制冷效率的10-15%，而传统空调的制冷效率为40-60%。有迹象表明，尽管进行了数十年的深入研究，但基本材料和形状因素的限制可能会阻碍实现接近传统空调的Peltier能源效率，更不用说生产更好的产品了。

幸运的是，在能源效率方面，还有其他一些新兴技术可能表现得更好。其中之一是电热法(EC)冷却。某些导电材料在外加电场作用下温度会发生变化。这种效应的潜在机制是复杂的，但施加的电压基本上会提高或降低材料的熵。

近年来，研究人员设计了薄膜的铅，钛，氧气和锆（PZT），其在480kV / cm的磁场变化下将冷却12°C。开发EC材料的进展，表现出“巨型”EC效应。但它已被证明是强烈的，使EC效应在高于薄膜的热量肿块中的效果。这是设计采用EC冷却的实用A / C系统的必要开发。

幸运的是，陶瓷电容器有希望成为EC元件。最近，来自施乐帕克研究中心和日本村田制造的一个小组介绍了一种采用铅、钪、钽(PST)多层陶瓷电容器的EC冷却器（MLCC）作为工作元素。10.8 mV / m磁场在室温下将MLCC温度变为2.5°C。此外，研究人员表示他们的冷却方案，即现在只是实验室演示，可以使用传统制造过程中制造的电容器，并且可以扩大到实际工作。总而言之，他们认为可扩展材料，以及机械简单和模块化设计，最终可能导致其尺寸，效率和成本可以与蒸汽压缩A / C的成本竞争。

施乐PARC/Murata EC冷却器及关键部件。(A)顶部和底部EC模块组装在他们的板上。插图显示了mlcc背后的铜通孔。(B)底壳结构，包括微型风扇和风道。(C)冷却器总成的实体模型。(D)冷却器组件的照片。点击图片放大。

这个研究小组发明的设备不是全固态的。它物理地移动电容器在热区和冷区之间来回影响冷却。具体来说，他们的系统包括一对堆叠模块，每个模块都包含由隔热材料隔开的EC MLCCs。这些模块是热耦合的，这样热量可以从一个电容器传递到下一个。一个机构移动堆叠的模块相对于另一个，同时电场同步开关。其效果是在设备两端之间产生超过MLCC温度变化的温度提升。

设计的另一个关键是使用板来加强层间的热交换，但在横向上是良好的隔热层。他们的建筑没有什么奇特之处。它们基本上是玻璃增强环氧树脂(FR-4)层压板和通过标准商业PCB工艺制成的铜。在板上连接mlcc的区域，镀铜通孔作为热分流，以获得高的通平面热导率。

由施乐PARC/Murata研究小组描述的EC系统的操作。(A) EC模块在两个传热阶段的相对位置。(B)热流路径。(C)电场和动作定时。(D)每个MLCC观察到的布雷顿循环示意图。点击图片放大。

将MLCCs组装到板上，形成分别包含5个和4个MLCCs的顶部和底部EC模块。底部模块两端均有铝板翅片散热片，方便温度稳定。这些模块安装在3d打印的装满聚氨酯泡沫绝缘材料的verclear外壳中。除了提供结构支撑，外壳还能最大限度地减少热泄漏。一个微型风扇在一端推动空气通过热端散热器。

顶部外壳连接到弹簧返回单作用线性电磁执行器约半英寸行程。在操作中，给执行机构通电将顶部模块拉向执行机构。当电压恢复到零时，螺线管放松，弹簧将其恢复到原来的位置。EC模块外壳通过一组轮子提供垂直压力，以保持两个模块之间良好的热接触。控制软件通过对EC电容器施加电场使顶层模块层的运动同步。

MLCC通过Brayton循环操作，具有两个零电压和两个相等熵级。该方案使用400V偏振电压（相当于〜10.5mV / m电场）和0.2-Hz开关频率（5-SEC周期），具有约50％的占空比。设备的两端都有散热器。在实验过程中，热槽温度上升升温，而冷端处的温度随着加热器功率而变化的离散步骤。

这个小型演示装置的冷却功率仅为每平方厘米几百毫瓦。一个更有趣的问题与它的COP有关。研究人员表示，EC系统COP是设备冷侧收集的热量、与EC电容器充放电相关的额外电功，以及每个循环回收的电能量的函数。移动往复系统还需要机械和电力工作，但这是如此之小，以至于研究人员认为他们可以安全地忽略它。考虑到所有这些参数，他们计算出了实验装置的COP，大约等于现有的Peltier装置的COP。

这个结果听起来可能有点虎头蛇尾，但关键是:研究人员并没有优化他们拼凑在一起的装置中的任何组件。例如，PCB上的铜痕迹是普通的，传导了大量的热量。让它们更薄可以减少热量的流失。PCB材料也是如此。用丙烯酸等聚合物材料代替普通的FR-4板将提供更多的隔热。

并且MLCCS本身可以得到改善。在演示中使用的那些具有仅针对热行为优化的表单因素。研究人员注意其在其装置中使用的类型的MLCC在一个方向上具有比其他方式更高的导热率。修复不会困难。已经有其他MLCC商业上可用的形状因素，更适合于EC冷却。甚至对电导率较高的电容电极的变化也会有所帮助。

考虑到所有可能的改进，研究人员估计，使用现有PST电容器材料的ec供电的A/C最终可能达到约56.4%的cop，使他们的系统与蒸汽压缩冷却系统竞争。你可能会说这将是一个相当“酷”的发展。DW