CN109764575A - 一种热电制冷和磁制冷耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置，包括磁体系统、直流电源及固态制冷工质，所述磁体系统形成可控变磁场，所述固态制冷工质位于所述磁体系统形成的可控变磁场内部，所述直流电源对所述固态制冷工质的两端通电，在所述固态制冷工质的电流输入端形成高温端，所述高温端向外释放热量，在所述固态制冷工质的电流输出端形成低温端，从制冷空间中吸热制冷，所述磁体系统还用于对所述固态制冷工质进行励磁和退磁，本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置相比于磁制冷技术单次制冷循环的制冷温跨很小，需要经过回热器的连续制冷实现大的制冷温跨的情况，该装置能有效增大制冷温跨，形成相对稳定的高温端和低温端。

Description

一种热电制冷和磁制冷耦合装置

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，特别涉及一种热电制冷和磁制冷耦合装置。

背景技术

在环境与能源领域，蒸气压缩式制冷造成的环境污染、臭氧层破坏等问题日益严重，因此，迫切需要新型制冷方式代替传统的蒸气压缩式制冷方式。室温磁制冷方式由于其零GWP、零ODP、噪音低等优点得到广泛关注。磁热效应是磁热材料在进入磁场过程中温度升高，移出磁场过程中温度降低的一种热效应。具有这种热效应的材料称为磁热材料，通常磁热材料在其居里温度附近具有最强的磁热效应。在磁制冷系统中，当对磁热材料施加磁场，磁热材料被磁化温度升高，换热流体从冷端换热器流经回热器至热端换热器换热，放出热量，将磁热材料移出磁场，磁热材料去磁过程温度降低，换热流体从热端换热器流经回热器至冷端换热器换热，在冷端产生冷量。如此多次循环，在冷端换热器和热端换热器之间形成了稳定的温度梯度分布，并在低温端产生恒定制冷量。

磁制冷存在问题是磁制冷系统采用流体换热，不仅换热流体频率较低而且存在系统的复杂性和不可避免的热损失等问题。

热电制冷最初由法国物理学家帕尔贴研究发现，当直流电通过不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，达到制冷目的。半导体制冷系统与传统的机械制冷系统相比具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动、制冷迅速等优点，而且不需要制冷剂、对环境无污染，因此，在电子、医学、工业、航空以及日常生活等领域中被广泛应用。热电制冷技术直接电能转化为热能，容易与相应控制系统结合使用，是一种低成本的制冷方法。

热电制冷存在问题是热电制冷由于制冷系数低、制冷量小，限制了它在大型设备上的广泛应用。

发明内容

有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种热电制冷和磁制冷耦合装置，该装置相比于磁制冷，固体热传导的热损失明显小于固液换热，结构简单、热损失小；相比于热电制冷，制冷量显著提高。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种热电制冷和磁制冷耦合装置，包括磁体系统、直流电源及固态制冷工质，所述磁体系统形成可控变磁场，所述固态制冷工质位于所述磁体系统形成的可控变磁场内部，所述直流电源的正极与负极分别与所述固态制冷工质的两端连接，所述直流电源的负极与所述固态制冷工质的低温端连接，所述固态制冷工质由磁热材料和热电材料复合组成，所述直流电源对所述固态制冷工质的两端通电，在所述固态制冷工质的电流输入端形成高温端，所述高温端向外释放热量，在所述固态制冷工质的电流输出端形成低温端，从制冷空间中吸热制冷，所述磁体系统还用于对所述固态制冷工质进行励磁和退磁。

在一些较佳的实施例中，所述磁热材料为Gd基、LaFeSi基、MnFePAs基、LaCaMnO基或GdGaO基化合物中至少一种，所述热电材料为Bi2Te3或PbTe或SiGe。

在一些较佳的实施例中，所述固态制冷工质呈为长方体状。

在一些较佳的实施例中，所述固态制冷工质为多块，任意一块所述固态制冷工质包括磁热材料与P型热电材料混合压制烧结成长方体块状P型复合材料和磁热材料与N型热电材料混合压制烧结成长方体块状N型复合材料；所述P型复合材料与N型复合材料数量相同。

在一些较佳的实施例中，所述N型复合材料和P型复合材料通过铜片连接成热电偶对，多个热电偶对相对平行布置且串联连接。

在一些较佳的实施例中，还包括电流阀，所述电流阀的一端通过电源导线与所述固态制冷工质连接，另一端与所述直流电源连接，所述电流阀可控制所述直流电源的电流大小，以控制所述固态制冷工质在低温端吸收热量和在高温端放出热量。

在一些较佳的实施例中，还包括温度监测装置，所述温度监测装置包括热电偶温度计，所述热电偶温度计与所述固态制冷工质的低温端、所述固态制冷工质的高温端和所述电流阀连接。

在一些较佳的实施例中，还包括热端换热器，所述热端换热器与所述固态制冷工质的高温端连接。

在一些较佳的实施例中，还包括绝热导磁层，所述固态制冷工质的高温端和低温端与外界接触，所述固态制冷工质的其他四个端面被所述绝热导磁层包裹。

在一些较佳的实施例中，所述磁体系统包括磁体、伺服电机、同轴带轮；所述同轴带轮与所述伺服电机连接，所述伺服电机转动驱动所述同轴带轮转动，所述同轴带轮可带动所述磁体转动；所述磁体包括外磁体组和内磁体组，所述外磁体组包括两个间隔设置的外磁体单元，所述内磁体组包括两个间隔设置的内磁体单元，每个所述内磁体单元位于所述两个间隔设置的外磁体单元形成的空腔内，所述固态制冷工质设置在两个间隔设置的内磁体单元形成的空腔内。

本发明采用上述技术方案的优点是：

本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置，包括磁体系统、直流电源及固态制冷工质，所述磁体系统形成可控变磁场，所述固态制冷工质位于所述磁体系统形成的可控变磁场内部，所述直流电源对所述固态制冷工质的两端通电，在所述固态制冷工质的电流输入端形成高温端，所述高温端向外释放热量，在所述固态制冷工质的电流输出端形成低温端，从制冷空间中吸热制冷，所述磁体系统还用于对所述固态制冷工质进行励磁和退磁，本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置相比于磁制冷技术单次制冷循环的制冷温跨很小，需要经过回热器的连续制冷实现大的制冷温跨的情况，该装置能有效增大制冷温跨，形成相对稳定的高温端和低温端。

此外，本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置，相比于磁制冷技术的换热流体的固-液换热，该装置采用固-固换热，换热能力提高，热损失小和工作频率提高。

另外，本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置，相比于磁制冷技术换热流体对于制冷工质的循环冲击会造成磁热工质的破坏和制冷系统的损坏，该装置采用固-固换热，没有换热流体对磁热装置的破坏，延长装置使用寿命；且该装置采用固体换热，在材料稳定的高温端和低温端进行换热，简化系统复杂程度，提高系统的制冷能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置的结构示意图。

图2为本发明提供的固态制冷工质的结构示意图。

1-固态制冷工质；11-磁热材料；12-热电材料；13-固态制冷工质低温端；14-固态制冷工质高温端；2-磁体系统；21-磁体；22-伺服电机；23-同轴带轮；211-外磁体组；212-内磁体组；3-温度监测装置；4-电流阀；5-直流电源；6-绝热导磁层；7-热端换热器；8-电源导线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1及图2，为本发明提供了一种热电制冷和磁制冷耦合装置的结构示意图，包括固态制冷工质1、磁体系统2、直流电源5，所述磁体系统2形成可控变磁场，所述固态制冷工质1位于所述磁体系统2形成的可控变磁场内部，所述直流电源5的正极与负极分别与所述固态制冷工质的两端连接，所述直流电源5的负极与所述固态制冷工质的低温端13连接，所述固态制冷工质1由磁热材料和热电材料复合组成，所述直流电源5对所述固态制冷工质1的两端通电，在所述固态制冷工质1的电流输入端形成高温端14，所述高温端14向外释放热量，在所述固态制冷工质1的电流输出端形成低温端13，从制冷空间中吸热制冷，所述磁体系统2还用于对所述固态制冷工质1进行励磁和退磁。以下进一步详细说明各个部件的结构及其作用。

具体地，所述磁热材料11为在磁场中温度升高，从磁场中取出温度又降低的材料。

在一些较佳的实施例中，所述磁热材料为Gd基、LaFeSi基、MnFePAs基、LaCaMnO基或GdGaO基化合物中至少一种。

具体地，所述热电材料12选用能将热能和电能相互转换的功能材料。

在一些较佳的实施例中，所述热电材料为Bi2Te3或PbTe或SiGe中至少一种。

在一些较佳的实施例中，所述固态制冷工质1通过将所述磁热材料与热电材料混合烧结压制成型，制成长方体块状复合材料，从而解决了磁性材料脆性大，难以加工成型的问题。

在一些较佳的实施例中，所述固态制冷工质1为多块，任意一块所述固态制冷工质1包括磁热材料与P型热电材料混合压制烧结成长方体块状P型复合材料和磁热材料与N型热电材料混合压制烧结成长方体块状N型复合材料。所述P型复合材料与N型复合材料数量相同。

在一些较佳的实施例中，所述N型复合材料和P型复合材料通过铜片连接成热电偶对，多个热电偶对相对平行布置且串联连接。

可以理解，所述多块固态制冷工质1在直流电源5的作用下，能够形成高温端和低温端，所述固态制冷工质1的高温端与热电偶对垂直设置，并位于热电偶对端部；所述固态制冷工质1的低温端与热电偶对垂直设置，并位于热电偶对另一端部；所述多对N型复合材料和P型复合材料联结成的热电偶对均通过铜片与固态制冷工质的高温端和低温端连接。

可以理解，所述多块固态制冷工质在励磁的作用下，制冷工质温度升高；在去磁作用下，温度降低。

在一些较佳的实施例中，所述热电制冷和磁制冷耦合装置还包括电流阀4，所述电流阀4的一端通过电源导线8与所述固态制冷工质1连接，另一端与所述直流电源5连接，所述电流阀4可控制所述直流电源的电流大小，以控制所述固态制冷工质1在低温端吸收热量和在高温端放出热量。

在一些较佳的实施例中，所述热电制冷和磁制冷耦合装置还包括温度监测装置3，所述温度监测装置3包括热电偶温度计，所述热电偶温度计与所述固态制冷工质的低温端13、所述固态制冷工质的高温端14和所述电流阀4连接。

可以理解，所述温度监测装置3能够准确测量固态制冷工质高温端14和低温端13的温度，并通过数据线向电流阀4输送信号，电流阀4通过控制电流大小，进而调节固态制冷工质1高温端14释放的热量和低温端13吸收的冷量。

在一些较佳的实施例中，所述热电制冷和磁制冷耦合装置还包括热端换热器7，所述热端换热器7与所述固态制冷工质1的高温端14连接。

可以理解，由于所述热端换热器7与固态制冷工质1的高温端14端面连接，从而能够加快高温端14与外界的散热能力，进一步提高系统的运行频率。

在一些较佳的实施例中，所述热电制冷和磁制冷耦合装置还包括绝热导磁层6，所述固态制冷工质1的高温端14和低温端13与外界接触，所述固态制冷工质1的其他四个端面被所述绝热导磁层包裹。

进一步地，所述绝热导磁层6为环氧树脂类涂层材料，或者是一种能够起到绝热和导磁的壳体。

可以理解，所述固态制冷工质1的高温端14和低温端13与外界接触，能够释放和吸收热量，所述固态制冷工质1的其他四个端面被绝热导磁层6包裹，从而保证此四个端面不会向外释放和吸收热量，提高装置的制冷效率，同时，绝热导磁材料不影响磁体内的磁场，使固态制冷工质在励磁和去磁时不受影响。

在一些较佳的实施例中，所述磁体系统2包括磁体21、伺服电机22、同轴带轮23；所述同轴带轮23与所述伺服电机22连接，所述伺服电机22转动驱动所述同轴带轮23转动，所述同轴带轮23可带动所述磁体21转动。

在一些较佳的实施例中，所述磁体21包括外磁体组211和内磁体组212，所述外磁体组211包括两个间隔设置的外磁体单元，所述内磁体组212包括两个间隔设置的内磁体单元，每个所述内磁体单元位于所述两个间隔设置的外磁体单元形成的空腔内，所述固态制冷工质1设置在两个间隔设置的内磁体单元形成的空腔内。

可以理解，固态制冷工质1在固定不动的情况下，在磁体21形成的可控变磁场的作用下，进行励磁和去磁，实现固态制冷工质温度的升高和降低。

当励磁时，由于磁热材料的磁熵减小，温度升高，固态制冷工质1温度也随之升高，在电流大小不变的情况下，固态制冷工质1的高温端14和低温端13的温度都会升高。为保证低温端13制冷量的稳定输出，需要保持固态制冷工质低温端13温度不变。在励磁时温度监测装置3收到低温端13温度升高信号后，向电流阀4发出加大电流信号，随后电流阀4加大对固态制冷工质1的电流输入量，使固态制冷工质1的低温端13温度降低，达到未励磁时的温度，同时，固态制冷工质1的高温端14在励磁和加大电流的作用下，热量经热电材料的电子熵的输运带到高温端，高温端释放热量加大。高温端释放的热量通过加大热端换热器工作效率，提高换热能力，固态制冷工质产生的热量从高温端放出。

当退磁时，磁热材料磁熵增大，温度降低，固态制冷工质1温度随之降低，在电流大小不变的情况下，固态制冷工质1的高温端14和低温端13的温度都会降低。为保证低温端13更多制冷量的稳定输出，需要保持固态制冷工质高温端温度不变。因此，在退磁时温度监测装置3收到高温端14温度降低信号后，向电流阀发出加大电流信号，随后电流阀加大对固态制冷工质的电流输入量，使固态制冷工质1的高温端14温度升高，达到未去磁时的温度，同时，固态制冷工质1的低温端13在去磁和加大电流的作用下，电流方向不变，电子导热方向不变，从固态制冷工质的低温端吸收更多热量，低温端换热能力提高，将更多冷量在固态制冷工质的低温端释放。因此，通过调节电流与磁场强度的大小，可以实现固态制冷工质的热量和冷量高效、定向流动，实现耦合制冷的高频、高效。

可以理解，在微观层面上，热电材料中的载流子运动携带热量进行定向流动，相当于磁制冷中的换热流体，固态制冷工质1的高温端14和低温端13相当于相变制冷的冷凝器和蒸发器。对N型半导体而言，载流子为自由电子。电子在低温端能量升高，从外界吸热后进入固态制冷工质，励磁时，固态制冷工质1的温度升高，加大电流值，保证电子在低温端吸热量不变，电子携带磁热材料产生的热量向高温端运动，在高温端冷凝放热，磁热材料的热量均在高温端释放；在去磁时，磁热材料的温度降低，加大电流值，保证电子在高温端的放热量不变，磁热材料吸收电子的热量，电子在低温端的吸热量增大，结果是制冷量的提高。

本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置，所述直流电源对所述固态制冷工质的两端通电，在所述固态制冷工质的电流输入端形成高温端，所述高温端向外释放热量，在所述固态制冷工质的电流输出端形成低温端，从制冷空间中吸热制冷，所述磁体系统还用于对所述固态制冷工质进行励磁和退磁，本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置相比于磁制冷技术单次制冷循环的制冷温跨很小，需要经过回热器的连续制冷实现大的制冷温跨的情况，该装置能有效增大制冷温跨，形成相对稳定的高温端和低温端。

此外，本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置，相比于磁制冷技术的换热流体的固-液换热，该装置采用固-固换热，换热能力提高，热损失小和工作频率提高。

另外，本发明提供的热电制冷和磁制冷耦合装置，相比于磁制冷技术换热流体对于制冷工质的循环冲击会造成磁热工质的破坏和制冷系统的损坏，该装置采用固-固换热，没有换热流体对磁热装置的破坏，延长装置使用寿命；且该装置采用固体换热，在材料稳定的高温端和低温端进行换热，简化系统复杂程度，提高系统的制冷能力。

当然本发明的热电制冷和磁制冷耦合装置还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (10)

1.一种热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，包括磁体系统、直流电源及固态制冷工质，所述磁体系统形成可控变磁场，所述固态制冷工质位于所述磁体系统形成的可控变磁场内部，所述直流电源的正极与负极分别与所述固态制冷工质的两端连接，所述直流电源的负极与所述固态制冷工质的低温端连接，所述固态制冷工质由磁热材料和热电材料复合组成，所述直流电源对所述固态制冷工质的两端通电，在所述固态制冷工质的电流输入端形成高温端，所述高温端向外释放热量，在所述固态制冷工质的电流输出端形成低温端，从制冷空间中吸热制冷，所述磁体系统还用于对所述固态制冷工质进行励磁和退磁。

2.如权利要求1所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，所述磁热材料为Gd基、LaFeSi基、MnFePAs基、LaCaMnO基或GdGaO基化合物中至少一种，所述热电材料为Bi2Te3或PbTe或SiGe中至少一种。

3.如权利要求2所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，所述固态制冷工质呈为长方体状。

4.如权利要求3所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，所述固态制冷工质为多块，任意一块所述固态制冷工质包括磁热材料与P型热电材料混合压制烧结成长方体块状P型复合材料和磁热材料与N型热电材料混合压制烧结成长方体块状N型复合材料；所述P型复合材料与N型复合材料数量相同。

5.如权利要求4所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，所述N型复合材料和P型复合材料通过铜片连接成热电偶对，多个热电偶对相对平行布置且串联连接。

6.根据权利要求1所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，还包括电流阀，所述电流阀的一端通过电源导线与所述固态制冷工质连接，另一端与所述直流电源连接，所述电流阀可控制所述直流电源的电流大小，以控制所述固态制冷工质在低温端吸收热量和在高温端放出热量。

7.根据权利要求6所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，还包括温度监测装置，所述温度监测装置包括热电偶温度计，所述热电偶温度计与所述固态制冷工质的低温端、所述固态制冷工质的高温端和所述电流阀连接。

8.根据权利要求1所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，还包括热端换热器，所述热端换热器与所述固态制冷工质的高温端连接。

9.根据权利要求1所述的热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，还包括绝热导磁层，所述固态制冷工质的高温端和低温端与外界接触，所述固态制冷工质的其他四个端面被所述绝热导磁层包裹。

10.根据权利要求1所述热电制冷和磁制冷耦合装置，其特征在于，所述磁体系统包括磁体、伺服电机、同轴带轮；所述同轴带轮与所述伺服电机连接，所述伺服电机转动驱动所述同轴带轮转动，所述同轴带轮可带动所述磁体转动；所述磁体包括外磁体组和内磁体组，所述外磁体组包括两个间隔设置的外磁体单元，所述内磁体组包括两个间隔设置的内磁体单元，每个所述内磁体单元位于所述两个间隔设置的外磁体单元形成的空腔内，所述固态制冷工质设置在两个间隔设置的内磁体单元形成的空腔内。