電壓放大器基于熱電熱開關的電卡制冷器件研究中的應用

實驗名稱：電卡制冷器件極化測試

研究方向：近年來，溫室效應所造成的全球變暖極端氣候正逐步威脅著地球生態(tài)和人類生活，也迫使傳統制冷行業(yè)開始探索新的制冷技術?；陔娍ㄐ墓虘B(tài)制冷技術作為一種清潔、高效、驅動方式簡單的新型制冷技術，有望替代傳統蒸氣壓縮式制冷，并應用于電子元件散熱領域。與此同時，在微電子領域，隨著科技水平的不斷進步，用戶對電子設備的微型化、復雜化和輕量化要求逐漸提高，使得芯片上電子元件的尺寸越來越小而集成度越來越高。。磁熱制冷、電卡制冷、彈熱制冷、壓熱制冷技術均可被歸納為基于固態(tài)熱效應(caloriceffect)的制冷技術，即通過外部場強（磁場、電場、應力場）的變化驅動固態(tài)熱材料(caloricmaterial)產生吸熱和放熱的效果，在四種固態(tài)熱效應制冷技術中，電卡制冷技術的核心在于電卡效應(ElectrocaloricEffect,ECE)，即在施加或撤去電場時,極化材料中偶極子的方向在有序與無序之間變換,引起材料的熵變化,由于施加或撤去電場的時間極短,材料存在可逆絕熱溫變值ΔTad或等溫熵變值ΔSiso。電卡制冷一般將絕緣性良好的鐵電材料作為介質，與內電極交替堆疊，形成多層電容型電卡元件。其中，鐵電材料的能量可逆性高、驅動電卡元件的電能也可得到高效回收和重復利用，且目前開發(fā)出的電卡制冷材料大多都具有較為成熟的批量生產工藝。因此，憑借清潔、高效、無污染、易小型化、可集成度高、驅動方式簡單、不涉及二次能量轉化等特點，電卡制冷被認為是一種最有潛力替代蒸氣壓縮式制冷的新型固態(tài)制冷技術。電卡制冷技術的工作原理與磁熱制冷技術相似，共包含兩個絕熱過程和兩個恒定電場傳熱過程，電卡制冷循環(huán)第一步絕熱極化，對電卡材料施加電場E，材料中的電偶極子重新排列，由無序態(tài)變?yōu)橛行驊B(tài)，材料熵減小，溫度升高；第二步，對外散熱，保持電場恒定不變，將電卡材料產生的熱量傳遞至散熱器，進而向外界散熱，溫度逐漸降低；第三步，絕熱去極化，撤去電場E時，其電偶極子由有序態(tài)回歸到混亂無序態(tài)，材料熵增大，溫度進一步降低；第四步，從熱源吸熱，保持無電場的狀態(tài)，電卡材料從熱源吸熱，溫度逐步回升至初始狀態(tài)。通過交替施加和撤去外部電場，循環(huán)誘導電卡材料發(fā)生極化過程和去極化過程，再結合電卡材料與熱源和熱匯之間的交替?zhèn)鳠徇^程，就構成了一個完整的電卡制冷循環(huán)。

實驗目的：驅動電卡材料研究電卡材料在不同極化電壓作用下元件表面產生的最大電卡效應溫升值為后續(xù)實驗做鋪墊

測試設備：信號發(fā)生器、ATA-2041高壓放大器、電卡材料等。

實驗過程：ATA-2041高壓放大器最大可將信號發(fā)生器產生的低壓信號放大60倍，最大輸出電壓為±200V，信號發(fā)生器經BNC線輸入高壓放大器進行放大，放大后的高壓直流輸出信號正極與電磁繼電器開關引腳9連接，負極與電卡模塊的一根導電銅絲連接，電卡模塊的另一根導電銅絲與電磁即電器開關引腳5連接。信號發(fā)生器CH2通道產生高電平為6V、低電平為0V的方波信號，經由導線一端與引腳13連接，另一端與引腳14連接。由此，通過繼電器開關的控制，電卡模塊上將被施加與繼電器開關同頻率的高壓方波信號。其實驗流程框圖如圖1-1。

圖1-1實驗流程框圖

實驗結果：在室溫條件下，受200V極化電壓和20s周期高壓方波信號作用的電卡元件表面溫度情況如圖1-2所示。在0-20s階段，無任何電壓信號作用于電卡元件，元件表面溫度保持在20℃左右波動；在20s時，高壓方波信號啟動，200V極化電壓開始施加于電卡元件陣列；在20-21.6s階段，電卡元件表面溫度在1.6s內迅速由19.99℃升高至20.52℃，產生0.53℃的電卡效應溫升；在21.6-30s階段，極化電壓依舊施加于電卡元件陣列，但電卡元件開始與環(huán)境散熱，溫度下降至20.27℃；在30s時，200V極化電壓從電卡元件陣列上撤去；在30-31.8s階段，電卡元件表面溫度在1.8s內由20.27℃迅速降低至19.82℃，產生了0.45℃的電卡效應溫降；之后，在31.8-40s階段，電卡元件開始從環(huán)境中吸收熱量，表面溫度回升至20.05℃。

圖1-2在200V極化電壓和20s周期條件下電卡元件表面溫度隨時間的變化

電壓放大器推薦：ATA-2041

圖：ATA-2041高壓放大器指標參數

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