目前世界上大約有12億個房間空調機組在運行,其中運行最有效的也只有最大理論效率的14%左右。高耗電意味著需要大量的燒煤,而燒煤本身就對環境有汙染,而且煤炭資源總有一天會消耗殆盡。據預測,從現在到2050年,預計新安裝的房間空調將達到33億臺,總量達到45億臺。而到本世紀末,如此多的空調將造成全球氣溫上升0.5度,給人類生存帶來威脅。
多年來,改進和嘗試突破傳統空調的技術不斷取得進展,從薄膜反射陽光、固體材料製冷,到熱聲製冷,2018年誕生的「不用電空調"鉗溫器專利技術,作為突破逆卡諾循環的製冷新技術,已經具備產品轉化的條件。
一、鉗溫器技術的概況
鉗溫器突破了傳統空調的逆卡諾循環技術框架,目前已被授予發明專利和實用新型專利,發明專利是廢熱鉗制控制方法與自源式鉗溫器、車輛(專利號:ZL201710275353.6),實用新型專利是自源式廢熱鉗溫器和車輛(專利號:ZL201720439289.6 )。它以目標物自身熱量為工作能源,鉗制目標物溫度保持在人為設定溫度,簡稱鉗溫。鉗溫器自源不用外部工作能源,仍然是有工作能源的,所以不違反熱力學第一定律,可以通俗理解為「不用電空調」。
二、鉗溫器三大部件的技術原理
1、熱管
熱管技術是誕生於1963年的傳熱元件,熱管的一端為蒸發端,另一端為冷凝端,當熱管一端受熱時,毛細管中的液體迅速汽化,蒸氣在熱擴散的動力下流向另外一端,並在冷端冷凝釋放出熱量,液體再沿多孔材料靠毛細作用流回蒸發端,如此快速循環不止,直到兩端溫度相等。
熱管具有很高的導熱能力。與銀、銅、鋁等金屬相比,高出了幾個數量級,如同熱的快遞員將目標物熱量源源不斷地傳導出來;
2、相變材料
相變材料是指可以通過吸收或者釋放熱量使自己在固、液、氣的相態轉變,在此過程中保持相變溫度不變,形成一個寬的溫度平臺。同時卻能吸收或釋放大量的熱量,成為潛熱。相比該材料相態不變時的溫度升、降所需要吸、放的顯熱,潛熱的儲熱量是相當大的。
相變材料從形態上分為固-固、固-液、固-氣、液-氣轉化四種。選擇儲熱材料時,雖然固-氣、液-氣轉化時伴隨的相變潛熱又遠遠大於固-固、固-液轉化時的相變潛熱,但是由於它們相態轉化時產生氣體,體積變化非常大,不方便工程應用,所以鉗溫器選擇固-固、固-液相變材料。
一定量的特定相變材料儲熱時,相當於熱的中轉庫,以高的熱量密度暫存被熱管導出的目標物熱量。
3、溫差發電
作為熱電轉化方式之一,目前鉗溫器採用溫差發電,對已經暫存在相變材料中的目標物熱量進一步轉化為電能。
溫差發電是兩種不同金屬或者兩種不同的半導體,兩端連接形成迴路。基於賽貝克效應,只要保持兩端結點的溫度差,兩端就會形成電位差,迴路就在高溫端結點出吸收外界熱量,在迴路中形成電流,從而實現熱電轉化,把熱能轉化為非熱的有用能量,結束鉗溫的邏輯過程。
通過鉗溫器的「快導出、多暫儲」,已經實現對目標物的鉗溫。溫差發電再通過「轉化掉」相變材料的儲熱,隨時清空中轉庫,就使鉗溫器能夠持續工作。
三、鉗溫器鉗溫方法的技術方案
1、無源式的溫控器監測目標物的廢熱積聚部的即時溫度並控制目標物的廢熱積聚部與傳熱器件熱端的通斷,傳熱器件包含二極體性的熱管和均熱板中至少一種,傳熱器件的冷端熱傳導連接有溫差發電器;
2、無源式的溫控器在監測到的即時溫度達到或超過設定溫度時,溫控器動作,控制目標物的廢熱積聚部與傳熱器件熱端的熱連通,廢熱積聚部的廢熱單向傳導導出,經過傳熱器件、溫差發電器,將導出的廢熱轉化為熱能以外的其他能量,該其他能量被存儲或被直接輸出。
3、傳熱器件的冷端和溫差發電器的熱面之間為優化熱傳導路徑,優化熱傳導路徑包括主要包含固-固式相變材料或者固-液式相變材料的蓄熱器,蓄熱器的相變溫度與傳熱器件的最小導通溫差之和不高於溫控器的設定溫度,
四、鉗溫器的應用場景和社會價值
鉗溫器對於目前的空調可以說是技術顛覆,在不影響目標物所有功能直接鉗溫,體現了經濟、簡單的優勢,展現了廣泛的應用場景。例如對數據中心伺服器的鉗溫、開發自動鉗溫燃點的消防技術產品新類別,預計未來可由於軍艦、潛艇和大型軍事裝備中。