CN109682111A - 制冷单元及其组合式制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制冷单元，包括电热材料层、载热层、低导热流体、高导热流体和电源；所述载热层和所述电热材料层叠加设置；所述载热层包括多段由绝缘隔热材料隔开的流道，各流道之间通过两侧的散热管路依次连通，所述电热材料层包括多段由绝缘隔热材料隔开的制冷片，所述制冷片与所述流道一一对应；所述低导热流体和所述高导热流体在载热层中交替填充并脉冲式行进；所述制冷片按照规定的加电场次序和减电场次序进行控制，以实现制冷；该制冷单元能将制冷片产生的热量和冷量分别传递给载热层，并能实现热的单向传输。本发明还提供由多个前述制冷单元横向或竖向或立体叠加组成的制冷装置。该制冷装置能连续传递热量、能提高散热功率和温度跨度。

Description

制冷单元及其组合式制冷装置

技术领域

本发明涉及固体制冷领域，具体的说，涉及一种制冷单元及其组合式制冷装置。

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电热材料层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制冷单元及其组合式制冷装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种制冷单元，它包括具有电热效应的电热材料层、载热层、低导热流体、高导热流体和电源；

所述载热层和所述电热材料层叠加设置；所述载热层包括多段由绝缘隔热材料隔开的流道，各流道之间通过散热管路依次连通，各散热管路交替设置在所述载热层的两侧；所述电热材料层包括多段由绝缘隔热材料隔开的制冷片，所述制冷片与所述流道一一对应；

所述低导热流体和所述高导热流体在载热层中交替填充并脉冲式行进，每段低导热流体的长度值大于等于单个流道长度值的2倍；每段高导热流体的长度值大于等于单个流道长度值的2倍；

所述制冷片连接电源并按照相同频率通断电，每段低导热流体/每段高导热流体所对应的制冷片通断电状态交替，低导热流体和高导热流体中相邻的两流道所对应的制冷片通断电状态相同，所述制冷片按照规定的加电场次序和减电场次序进行控制，以实现制冷。

本发明还提供一种由所述的制冷单元组成的制冷单元组合，它包括多层所述电热材料层和多层所述载热层，所述载热层与所述电热材料层交替铺设；相邻两层的所述载热层内的流体的流动方向相反。

基于上述，所述的制冷单元组合包括N+1层所述电热材料层和N层所述载热层，所述载热层夹持在所述电热材料层之间形成交替铺设结构，且位于最外侧的所述电热材料层表面还覆盖有隔热材料。

该模式的制冷单元组合工作模式如下：

第一阶段，按照预先设定运行程序，以同一电热制冷片相邻的上下两层载热层为一工作组，分别控制在同一电热制冷片对应的奇数载热层和偶数载热层中分别填充高导热流体和低导热流体，形成高导热流体与低导热流体上下、左右交替铺设的结构；

然后断开电热材料层奇数段制冷片的电源开关，闭合偶数制冷片的电源开关，形成闭合状态和断开状态交替排布的模式；

第二阶段，按照预先设定运行程序，以同一电热制冷片相邻的上下两层载热层为一工作组，控制在同一电热制冷片对应的奇数载热层和偶数载热层中分别填充低导热流体和高导热流体流，形成高导热流体与低导热流体上下、左右交替铺设的结构；

然后闭合电热材料层奇数段制冷片的电源开关，断开偶数制冷片的电源开关，形成闭合状态和断开状态交替排布的模式。

基于上述，.所述的制冷单元组合包括N层所述电热材料层和N+1层所述载热层，所述电热材料层夹持在所述载热层之间形成交替铺设结构，且位于最外侧的所述载热层表面还覆盖有隔热材料。

基于上述，所述的制冷单元组合还包括一脉冲动力机构，所述脉冲动力机构分别向所述载热层中依次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载热层中的脉冲式行进。

基于上述，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载热层，所述脉冲控制器控制连接所述动力泵的电机。

基于上述，所述的制冷单元组合还包括控制电路，所述控制电路控制制冷片通断电及控制所述脉冲控制器与所述制冷片通断电同步。

本发明还提供一种由上述制冷单元组合组成的组合式制冷装置，该组合式制冷装置由多个制冷单元组合自前向后或自上向下或自左往右依次排列组合而成。

其中，所述低导热流体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；所述高导热流体一般为液体，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。

具体地，本发明所提供的制冷单元是以由高导热流体和低导热流体间隔组成的脉动流体作为热载体，将制冷单元中电制冷片在不同阶段产生的热量和冷量分别传递给不同的外部媒介，在整体上实现热量由低温媒介向高温媒介传输，即在制冷单元两侧形成稳定的温差。同时，在两侧形成稳定的温差的制冷单元模块化的基础上，通过前后叠加多个单元模块可以实现增加温差；通过上下叠加和左右叠加多个单元模块可以增加制冷量。

本发明还提供一种利用上述制冷装置进行制冷的方法，包括将制冷单元中的制冷片按照规定的加电场次序和减电场次序进行控制，使其间隔产生热量和冷量，然后采用以由高导热流体和低导热流体间隔组成的脉冲流体作为热载体将热量和冷量进行单向传输，在制冷单元两侧形成温差；在制冷单元的两侧叠加多个制冷单元增加温差；在制冷单元的上下左右立体叠加多个制冷单元增加制冷量。

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，按照规定方式使多个制冷片交替闭合电源开关或断开电源开关，同时控制载热层中的低导热流体和高导热流体间歇行进，保证了热量传递的连续，提高散热功率和温度跨度。更重要的而是，通过将该制冷单元横向或竖向或立体进行叠加组合，可以实现连续制冷并扩大制冷温差，可无限扩大制冷量和制冷温差。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是本发明的制冷单元模块示意图。

图2是本发明的载热层的内部结构示意图。

图3是本发明的制冷单元模块竖向上下叠加示意图。

图4是本发明的制冷单元模块横向左右叠加示意图。

图5是本发明的制冷单元模块前后叠加示意图。

图6是本发明的制冷单元模块立体叠加示意图。

图7是本发明的制冷单元模块两单元运行模式下的制冷片第一阶段电源控制示意图。

图8是本发明的制冷单元模块两单元运行模式下的制冷片第二阶段电源控制示意图。

图9是本发明的制冷单元模块三单元运行模式下的制冷片第一阶段电源控制示意图。

图10是本发明的制冷单元模块三单元运行模式下的制冷片第二阶段电源控制示意图。

图中：1、载热层；2、散热管路；3、散热翅片；4、电热材料层；5、绝缘绝热材料；6、进液管道；7、出液管道；8、流道；9、分流隔板。

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。

实施例1

本实施例提供一种制冷单元，如图1和图2所示，它包括具有电热效应的电热材料层4、载热层1、低导热流体、高导热流体和电源。所述载热层1与所述电热材料层4的表面相贴合。

所述载热层1包括多段流道8和设置在所述流道8内部的多个分流隔板9；相邻两个流道8之间通过绝缘绝热材料5相隔离。相邻的两个流道8外部两侧交替设置有散热管路2并通过所述散热管路2相连通，所述散热管路2上设置有多个散热翅片3；所述流道8的两端分别设置有进液管道6和出液管道7。

所述电热材料层4包括多段制冷片，相邻两段制冷片均通过绝缘绝热材料5相隔离。各段所述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。

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载热层中且按照规定频率间歇行进且均与所述电源开关的通断频率对应；各制冷片按照规定的加电场次序和减电场次序进行控制，以实现制冷。

实施例2

本实施例提供一种由实施例1所述的制冷单元组成的制冷单元组合，如图3所示，它包括多层电热材料层4和多层载热层1。所述载热层与所述电热材料层上下交替铺设；相邻两层的所述载热层内的高导热流体的流动方向相反。

实施例3

本实施例提供一种由实施例1所述的制冷单元组成的制冷单元组合，如图4所示，它包括多层电热材料层4和多层载热层1。所述载热层与所述电热材料层左右交替铺设；相邻两层的所述载热层内的高导热流体的流动方向相反。

实施例4

本实施例提供一种由实施例1所述的制冷单元组成的制冷单元组合，如图5所示，它包括多层电热材料层4和多层载热层1。所述载热层与所述电热材料层前后交替铺设；相邻两层的所述载热层内的高导热流体的流动方向相反。

实施例5

本实施例提供一种由实施例2、实施例3和实施例4所述的制冷单元组合组成的组合式制冷装置，如图6所示，该组合式制冷装置由多个制冷单元组合自前向后、自上向下、自左往右依次排列组合而成，形成立体结构。

具体地，该组合式制冷装置包括N+1层所述电热材料层和N层所述载热层，所述载热层夹持在所述电热材料层之间形成交替铺设结构，且位于最外侧的所述电热材料层表面还覆盖有隔热材料。

其中，该制冷单元组合还包括一脉冲动力机构，所述脉冲动力机构分别向所述载热层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载热层中的脉冲式行进。

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载热层，所述脉冲控制器控制连接所述动力泵的电机。

所述的制冷单元组合还包括控制电路，所述控制电路控制制冷片通断电及控制脉冲控制器与制冷片通断电同步。

该模式的该组合式制冷装置在以两单元运行模式时的工作过程如图7和图8所示，具体过程如下：

第一阶段，如图7所示，控制载热层中相邻两个流道中填充高导热流体，相邻两个流道中填充低导热流体，形成同层和上下相邻的载热层中以两两高导热流体和两两低导热流体交替排布的模式；

然后每层第4n+1、4n+4个制冷片断电，第4n+2、4n+3个制冷片通电（n=0，1，2，3……），形成闭合状态和断开状态交替排布的模式；即制冷片的通断状态为：断电、通电、通电、断电；奇数载热层流道中的流体状态为：高导热流体、高导热流体、低导热流体、低导热流体；偶数载热层流道中的流体状态为：低导热流体、低导热流体、高导热流体、高导热流体；

第二阶段，如图8所示，控制奇数载热层中的高导热流体向右移动两个流道的长度，控制偶数载热层中的高导热流体向左移动两个流道的长度，形成同层和上下相邻的载热层中以两两高导热流体和两两低导热流体交替排布的模式；

然后改变各制冷片的电源开关状态，在第一阶段通电的制冷片断电，在第一阶段断电的制冷片通电，即为第4n+1、4n+4个制冷片通电，第4n+2、4n+3个制冷片断电（n=0，1，2，3……）。即制冷片的通断状态为：通电、断电、断电、通电；奇数载热层流道中的流体状态为：低导热流体、低导热流体、高导热流体、高导热流体；偶数载热层流道中的流体状态为：高导热流体、高导热流体、低导热流体、低导热流体；

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冷侧吸收热量，同时向热侧释放热量，保证热量传递的连续，提高散热功率和温度跨度。

实施例6

本实施例提供一种由实施例2、实施例3和实施例4所述的制冷单元组合组成的组合式制冷装置，具体结构与实施例5中的大致相同，不同之处在于：本实施例中，该模式的制冷单元组合在以三单元运行模式，工作过程如图9和图10所示。

具体过程如下：第一阶段，如图9所示，控制载热层中相邻三个流道中填充高导热流体，相邻三个流道中填充低导热流体，形成同层和上下相邻的载热层中以三三高导热流体和三三低导热流体交替排布的模式；然后，每层第3n+1、3n+3个制冷片断电，第3n+2个制冷片通电（n=0，1，2，3……），形成闭合状态和断开状态交替排布的模式；即每层制冷片的通断状态均为：断电、通电、断电、断电、通电、断电；奇数载热层流道中的流体状态均为：高导热流体、高导热流体、高导热流体、低导热流体、低导热流体、低导热流体；偶数载热层中与制冷片对应的空盒体中的流体状态均为：低导热流体、低导热流体、低导热流体、高导热流体、高导热流体、高导热流体。

第二阶段，如图10所示，控制奇数载热层中的高导热流体向右移动三个流道的长度，控制偶数载热层中的高导热流体向左移动三个流道的长度，形成同层和上下相邻的载热层中以两两高导热流体和两两低导热流体交替排布的模式；

然后，每层第3n+1、3n+3个制冷片通电，第3n+2个制冷片断电（n=0，1，2，3……），形成闭合状态和断开状态交替排布的模式；即制冷片的通断状态均为：通电、断电、通电、通电、断电、通电；奇数载热层中与制冷片对应的空盒体中的流体状态均为：低导热流体、低导热流体、低导热流体、高导热流体、高导热流体、高导热流体；偶数载热层流道中的流体状态均为：高导热流体、高导热流体、高导热流体、低导热流体、低导热流体、低导热流体；

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冷侧吸收热量，同时向热侧释放热量，保证热量传递的连续，提高散热功率和温度跨度。

本实施例还提供一种利用该制冷装置进行制冷的方法，包括将制冷单元中的制冷片按照规定的加电场次序和减电场次序进行控制，使其间隔产生热量和冷量，然后采用以由高导热流体和低导热流体间隔组成的脉冲流体作为热载体将热量和冷量进行单向传输，在制冷单元两侧形成温差；在制冷单元的两侧叠加多个制冷单元增加温差；在制冷单元的上下左右立体叠加多个制冷单元增加制冷量。

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 (9)

1.一种制冷单元，其特征在于：它包括具有电热效应的电热材料层、载热层、低导热流体、高导热流体和电源；

所述载热层和所述电热材料层叠加设置；所述载热层包括多段由绝缘隔热材料隔开的流道，各流道之间通过散热管路依次连通，各散热管路交替设置在所述载热层的两侧；所述电热材料层包括多段由绝缘隔热材料隔开的制冷片，所述制冷片与所述流道一一对应；

所述低导热流体和所述高导热流体在载热层中交替填充并脉冲式行进，每段低导热流体的长度值大于等于单个流道长度值的2倍；每段高导热流体的长度值大于等于单个流道长度值的2倍；

所述制冷片连接电源并按照相同频率通断电，每段低导热流体/每段高导热流体所对应的制冷片通断电状态交替，填充有低导热流体和高导热流体中相邻的两流道所对应的制冷片通断电状态相同，所述制冷片按照规定的加电场次序和减电场次序进行控制，以实现制冷。

2.一种由权利要求1所述的制冷单元组成的制冷单元组合，其特征在于：它包括多层所述电热材料层和多层所述载热层，所述载热层与所述电热材料层交替铺设；相邻两层的所述载热层内的流体的流动方向相反。

3.根据权利要求2所述的制冷单元组合，其特征在于：它包括N+1层所述电热材料层和N层所述载热层，所述载热层夹持在所述电热材料层之间形成交替铺设结构，且位于最外侧的所述电热材料层表面还覆盖有隔热材料。

4.根据权利要求2所述的制冷单元组合，其特征在于：它包括N层所述电热材料层和N+1层所述载热层，所述电热材料层夹持在所述载热层之间形成交替铺设结构，且位于最外侧的所述载热层表面还覆盖有隔热材料。

5.根据权利要求3或4所述的制冷单元组合，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载热层中依次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载热层中的脉冲式行进。

6.根据权利要求5所述的制冷单元组合，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载热层，所述脉冲控制器控制连接所述动力泵的电机。

7.根据权利要求6所述的制冷单元组合，其特征在于：它还包括控制电路，所述控制电路控制制冷片通断电及控制所述脉冲控制器与所述制冷片通断电同步。

8.一种由权利要求2～7任一项所述的制冷单元组合组成的组合式制冷装置，其特征在于：该组合式制冷装置由多个制冷单元组合自前向后或自上向下或自左往右依次排列组合而成。

9.一种利用权利要求8所述的制冷装置进行制冷的方法，包括将制冷单元中的制冷片按照规定的加电场次序和减电场次序进行控制，使其间隔产生热量和冷量，然后采用以由高导热流体和低导热流体间隔组成的脉冲流体作为热载体将热量和冷量进行单向传输，在制冷单元两侧形成温差；在制冷单元的两侧叠加多个制冷单元增加温差；在制冷单元的上下左右立体叠加多个制冷单元增加制冷量。