CN108662806A - 一种基于电热效应的两相流制冷装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电热效应的两相流制冷装置，它包括N个具有电热效应材料的制冷器件、N+1个传热流体管路、低导热流体、高导热流体和电源，N+1个所述传热流体管路与N个所述制冷器件交替铺设，位于最外侧的两个传热流体管路分别对应散热端和制冷端；所述低导热流体和所述高导热流体等体积交替的填充于所述传热流体管路，每个所述制冷器件包括多段制冷片和设置在相邻两段制冷片之间的绝缘隔热物，各段制冷片分别连接所述电源，各段制冷片与所述电源之间的电路上连接有电源开关，奇数段制冷片和偶数段制冷片所对应的电源开关交替通断。该基于电热效应的两相流制冷装置具有设计科学、结构简单、连续传递热量、提高散热功率和温度跨度的优点。

Description

一种基于电热效应的两相流制冷装置

技术领域

本发明涉及固体制冷领域，具体的说，涉及一种基于电热效应的两相流制冷装置。

背景技术

目前国内外利用电热效应进行制冷的研究主要集中在研发高电热效应的材料上，例如 PbZrTiO3薄膜和BaTiO3，以及其它薄膜陶瓷和聚合物。随着经济的发展，器件朝着微型化发展，尤其是电子设备中的制冷技术显得尤为重要。电子芯片在工作过程会产生大量的热，热量的聚集会引起芯片的失效及损坏，据调查研究显示，目前电子器件的损坏中有一半以上是由热失效引起的，因此电子器件的及时散热是保证其稳定工作的必要保障。随着科技水平的发展，电子器件逐渐高度集成化和微型化，为了避免电子器件损坏，散热问题的解决成为了微型电子器件发展中的重要环节。传统的制冷方式不能够实现对微型器件的制冷，而固体制冷作为新型的制冷方式可以满足微型器件的制冷需求。固体制冷主要包括磁热制冷、半导体制冷和电热效应制冷。磁热制冷存在成本高、工作温度低的缺点；半导体制冷存在制冷效率低，能量损耗大的缺点；电热效应制冷具有制冷效率高，制冷成本低的优点，并且由具有电热效应的材料制备的制冷装置不需要过多的机械组成部件，结构简单，可灵活的应用于微小设备；启动方便，通过电场施加和去除便可快速制冷使局部降温；控制较为简单，符合电子器件和集成电路微型化发展的趋势。以上特点使得利用具有电热效应的材料的电热效应制冷在微小型电子器件的温度调节和制冷方面具有显著的优势。

具有电热效应的材料的制冷器件在电场的作用下材料中的偶极子会发生极化现象，由无序态向有序态转变，材料内部的熵减小，释放出多余热量；去掉电场后，偶极子去极化，从有序态恢复到无序态，并通过从外界环境吸收热量的方式使得材料内部的熵增大，从而使外部材料温度降低，实现制冷的效果。目前基于具有电热效应的材料的电热效应制冷存在的主要问题是目前存在的电热效应制冷装置由于电场的施加和去除时间限制，无法实现连续的热量传递，所以散热功率和温度跨度较低，无法满足实际应用的器件制冷的要求。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、结构简单、连续传递热量、提高散热功率和温度跨度的基于电热效应的两相流制冷装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于电热效应的两相流制冷装置，它包括N个具有电热效应材料的制冷器件、N+1个传热流体管路、低导热流体、高导热流体和电源，N+1个所述传热流体管路与N个所述制冷器件交替铺设，相邻的制冷器件和传热流体管路的表面相贴合，位于最外侧的两个传热流体管路分别对应散热端和制冷端；所述低导热流体和所述高导热流体等体积交替的填充于所述传热流体管路中且按照规定频率间歇行进，每个所述制冷器件包括多段制冷片和设置在相邻两段制冷片之间的绝缘隔热物，所述低导热流体和所述高导热流体的填充长度与所述制冷片的长度近似，以便所述低导热流体和所述高导热流体行进过程中交替的接触每一段制冷片，各段制冷片分别连接所述电源，各段制冷片与所述电源之间的电路上连接有电源开关，奇数段制冷片和偶数段制冷片所对应的电源开关交替通断，所述低导热流体和所述高导热流体的行进频率与所述电源开关的通断频率对应，各制冷片按照规定的加场和减场次序进行控制以实现制冷。

基上所述，所述低导热流体和所述高导热流体在所述传热流体管路中的行进位置与各制冷片的位置间歇对应对齐。

基上所述，在制冷装置工作的第一阶段，断开偶数段制冷片的电源开关，同时闭合奇数段制冷片的电源开关，控制上侧传热流体管路中的低导热流体流经偶数段制冷片，高导热流体流经奇数段制冷片，下侧传热流体管路中的低导热流体流经奇数段制冷片，高导热流体流经偶数段制冷片；在制冷装置工作的第二阶段，闭合偶数段制冷片的电源开关，同时断开奇数段制冷片的电源开关，控制上侧传热流体管路中的低导热流体流经奇数段制冷片，高导热流体流经偶数段制冷片，下侧传热流体管路中的低导热流体流经偶数段制冷片，高导热流体流经奇数段制冷片。

基上所述，它还包括一脉冲动力机构，所述脉冲动力机构分别向所述传热流体管路中依次等间隔充入所述低导热流体和所述高导热流体，以控制所述低导热流体和所述高导热流体在所述传热流体管路中的流动。

基上所述，所述脉冲动力机构包括一动力泵和脉冲控制器，所述动力泵的出口对接所述传热流体管路，所述脉冲控制器控制连接所述动力泵的电机。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明的各段制冷片分别通过电源开关连接所述电源，按照规定方式使奇数段制冷片和偶数段制冷片交替闭合电源开关或断开电源开关，同时控制传热流体管路中的低导热流体和高导热流体间歇行进，所述低导热流体和所述高导热流体的行进频率与所述电源开关的通断频率对应，所述低导热流体和所述高导热流体行进过程中交替的接触每一段制冷片，保证通电状态下的制冷片的上侧传热流体管路中流经高导热流体，且其下侧传热流体管路中流经低导热流体，则通电状态下的制冷片通过高导热流体向散热端释放热量，与此相应的是，断电状态下的制冷片的上侧传热流体管路中流经低导热流体，且其下侧传热流体管路中流经高导热流体，则断电状态下的制冷片通过高导热流体从制冷端吸收热量；如此，在具有电热效应的材料的作用下，该制冷装置能够连续从制冷端吸收热量，同时向散热端释放热量，保证热量传递的连续，提高散热功率和温度跨度。

其具有设计科学、结构简单、连续传递热量、提高散热功率和温度跨度的优点。

附图说明

图1是本发明的单元模块工作原理示意图。

图2是本发明的单元模块叠加示意图。

图3是本发明的单元模块各段具有电热效应的制冷片的电源控制示意图。

图中：1.传热流体管路；2.低导热流体；3.高导热流体；4.偶数段制冷片；5.奇数段制冷片；6.绝缘隔热物；7.电源；8.电源开关。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-3所示，一种基于电热效应的两相流制冷装置，它包括N个具有电热效应材料的制冷器件、N+1个传热流体管路1、低导热流体2、高导热流体3和电源7，N+1个所述传热流体管路1与N个所述制冷器件交替铺设，相邻的制冷器件和传热流体管路1的表面相贴合，位于最外侧的两个传热流体管路1分别对应散热端和制冷端；所述低导热流体2和所述高导热流体3等体积交替的填充于所述传热流体管路1中且按照规定频率间歇行进，每个所述制冷器件包括多段制冷片和设置在相邻两段制冷片之间的绝缘隔热物6，所述低导热流体2和所述高导热流体3的填充长度与所述制冷片的长度近似，以便所述低导热流体2和所述高导热流体3行进过程中交替的接触每一段制冷片，各段制冷片分别连接所述电源7，各段制冷片与所述电源7之间的电路上连接有电源开关8，奇数段制冷片5和偶数段制冷片4所对应的电源开关交替通断，所述低导热流体和所述高导热流体的行进频率与所述电源开关的通断频率对应，各制冷片按照规定的加场和减场次序进行控制以实现制冷。

所述低导热流体2和所述高导热流体3在所述传热流体管路1中的行进位置与各制冷片的位置间歇对应对齐。

在制冷装置工作的第一阶段，断开偶数段制冷片4的电源开关8，同时闭合奇数段制冷片5的电源开关8，控制上侧传热流体管路1中的低导热流体2流经偶数段制冷片4，高导热流体3流经奇数段制冷片5，下侧传热流体管路1中的低导热流体2流经奇数段制冷片5，高导热流体3流经偶数段制冷片4；在制冷装置工作的第二阶段，闭合偶数段制冷片4的电源开关8，同时断开奇数段制冷片5的电源开关8，控制上侧传热流体管路1中的低导热流体2流经奇数段制冷片5，高导热流体3流经偶数段制冷片4，下侧传热流体管路1中的低导热流体2流经偶数段制冷片4，高导热流体3流经奇数段制冷片5。

它还包括一脉冲动力机构，所述脉冲动力机构分别向所述传热流体管路1中依次等间隔充入所述低导热流体2和所述高导热流体3，以控制所述低导热流体2和所述高导热流体3在所述传热流体管路1中的流动。

所述脉冲动力机构包括一动力泵和脉冲控制器，所述动力泵的出口对接所述传热流体管路1，所述脉冲控制器控制连接所述动力泵的电机。

低导热流体2一般为各种惰性气体，导热性不好，难以传递热量，比如空气、氮气、二氧化碳等；高导热流体3一般为液体，导热效果好，易于传递热量，比如水、导热油、纳米流体、磁纳米流体等。

以上所述的只是本发明装置的一个单元模块，本装置可根据制冷需求来叠加多个单元模块，从而达到理想的制冷效果。

当两个或三个单元叠加时，各单元各段制冷片的电场控制采用交替进行。

该基于电热效应的两相流制冷装置的工作原理和过程是，第一阶段，断开偶数段制冷片4的电源开关8，同时闭合奇数段制冷片5的电源开关8，控制上侧传热流体管路1中的低导热流体2流经偶数段制冷片4，高导热流体3流经奇数段制冷片5，下侧传热流体管路1中的低导热流体2流经奇数段制冷片5，高导热流体3流经偶数段制冷片4，则偶数段制冷片4的电场强度降低，偶数段制冷片4材料的偶极子去极化，从有序态恢复至无序态，偶数段制冷片4通过下侧高导热流体3从制冷端吸收热量，导致材料内部熵增大，实现制冷，上侧的低导热流体2防止偶数段制冷片4从散热端吸收热量，同时奇数段制冷片5的电场强度逐渐增强，奇数段制冷片5材料的偶极子发生极化，从无序态向有序态转变，材料内部熵减小，奇数段制冷片5通过上侧高导热流体3向散热端释放多余热量，实现散热，下侧的低导热流体2防止奇数段制冷片5向制冷端释放热量；第二阶段，闭合偶数段制冷片4的电源开关8，同时断开奇数段制冷片5的电源开关8，控制上侧传热流体管路1中的高导热流体3流经偶数段制冷片4，低导热流体2流经奇数段制冷片5，下侧传热流体管路1中的高导热流体3流经奇数段制冷片5，低导热流体2流经偶数段制冷片4，则偶数段制冷片4的电场强度逐渐增强，偶数段制冷片4材料的偶极子发生极化，材料内部熵减小，从无序态转变至有序态，偶数段制冷片4通过上侧高导热流体3向散热端释放多余热量，实现散热，下侧的低导热流体2防止偶数段制冷片4向散热端释放热量，同时奇数段制冷片5的电场强度降低，奇数段制冷片5材料的偶极子去极化，从有序态恢复至无序态，材料内部熵增大，奇数段制冷片5通过下侧高导热流体3从散热端吸收热量，实现制冷，上侧的低导热流体2防止奇数段制冷片5从散热端吸收热量；如此，通过制冷装置工作的第一阶段和第二阶段交替运行，可使该制冷装置能够连续从制冷端吸收热量，同时向散热端释放热量，保证热量传递的连续，提高散热功率和温度跨度。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种基于电热效应的两相流制冷装置，其特征在于：它包括N个具有电热效应材料的制冷器件、N+1个传热流体管路、低导热流体、高导热流体和电源，N+1个所述传热流体管路与N个所述制冷器件交替铺设，相邻的制冷器件和传热流体管路的表面相贴合，位于最外侧的两个传热流体管路分别对应散热端和制冷端；所述低导热流体和所述高导热流体等体积交替的填充于所述传热流体管路中且按照规定频率间歇行进，每个所述制冷器件包括多段制冷片和设置在相邻两段制冷片之间的绝缘隔热物，所述低导热流体和所述高导热流体的填充长度与所述制冷片的长度近似，以便所述低导热流体和所述高导热流体行进过程中交替的接触每一段制冷片，各段制冷片分别连接所述电源，各段制冷片与所述电源之间的电路上连接有电源开关，奇数段制冷片和偶数段制冷片所对应的电源开关交替通断，所述低导热流体和所述高导热流体的行进频率与所述电源开关的通断频率对应，各制冷片按照规定的加场和减场次序进行控制以实现制冷。

2.根据权利要求1所述的基于电热效应的两相流制冷装置，其特征在于：所述低导热流体和所述高导热流体在所述传热流体管路中的行进位置与各制冷片的位置间歇对应对齐。

3.根据权利要求2所述的基于电热效应的两相流制冷装置，其特征在于：在制冷装置工作的第一阶段，断开偶数段制冷片的电源开关，同时闭合奇数段制冷片的电源开关，控制上侧传热流体管路中的低导热流体流经偶数段制冷片，高导热流体流经奇数段制冷片，下侧传热流体管路中的低导热流体流经奇数段制冷片，高导热流体流经偶数段制冷片；在制冷装置工作的第二阶段，闭合偶数段制冷片的电源开关，同时断开奇数段制冷片的电源开关，控制上侧传热流体管路中的低导热流体流经奇数段制冷片，高导热流体流经偶数段制冷片，下侧传热流体管路中的低导热流体流经偶数段制冷片，高导热流体流经奇数段制冷片。

4.根据权利要求3所述的基于电热效应的两相流制冷装置，其特征在于：它还包括一脉冲动力机构，所述脉冲动力机构分别向所述传热流体管路中依次等间隔充入所述低导热流体和所述高导热流体，以控制所述低导热流体和所述高导热流体在所述传热流体管路中的流动。

5.根据权利要求4所述的基于电热效应的两相流制冷装置，其特征在于：所述脉冲动力机构包括一动力泵和脉冲控制器，所述动力泵的出口对接所述传热流体管路，所述脉冲控制器控制连接所述动力泵的电机。