CN111998571B - 一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置，涉及制冷技术领域，该散热装置包括相对设置的制冷区电磁铁和散热区电磁铁，制冷区电磁铁及其所在侧的外界环境构成制冷区，散热区电磁铁、散热片及其所在侧的外界环境构成散热区，电卡制冷器件通过缓冲弹簧连接制冷区电磁铁且位于散热区和制冷区之间，电卡制冷器件至少包括电卡制冷元件和磁性元件，该散热装置利用电磁铁和磁性元件的之间的磁性吸引作用结合缓冲弹簧的弹性作用可以控制电卡制冷器件的移动从而实现热量循环释放功能，结构简单，可以直接利用交流电，在同样实现循环工作的效果的基础上，器件运行无噪声、效率高、损耗小、机械操作简单、对环境无污染。

Description

一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，尤其是一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置。

背景技术

制冷技术随处可见，被广泛应用于诸如空调冷气的使用和生鲜食品的保鲜之类的日常生活中，诸如钢的低温处理之类的工业生产过程中，诸如疫苗和器官保存之类的医药工业中，诸如电子元件散热之类的电子器件加工过程中。但是，随着科技水平的不断提升以及国民经济的快速发展，传统制冷技术对环境造成的危害也越来越大，导致产生温室效应，从而引起全球气候变暖，也对臭氧层造成了极大的破坏作用。另外，我国也提倡环境保护以及节能减排，并对制冷技术的应用有一定的要求规范，因此，对高效节能的新型制冷技术的研发和利用成为目前的主流趋势。

为了解决这一问题，现在出现了一种新型制冷方式——电卡制冷，电卡效应指的是在绝热条件下对铁电材料施加或去除电场时、铁电材料的温度会发生变化。从微观上来说，绝热条件下给铁电材料施加电场然后产生极化，使材料中的无序的电偶极子变为有序的状态，熵减少，导致材料温度升高；而绝热条件下去除电场后使铁电材料失去极化，这时候有序的电偶极子就会变成无序的状态，熵增加，为了保持能量守恒，材料的温度就会降低。

虽然电卡制冷器件能获得较好的制冷能力，但是目前这种电卡制冷技术并无法进行高效的热量转移，电卡制冷器件吸收的热量无法高效的释放到外界环境中，导致电卡制冷器件的持续制冷能力非常差，制约了它的实际应用。为了解决这一问题，目前有一种做法是利用由半导体电偶组成的热电制冷装置进行电卡制冷器件的热量转移，这是一种理想的热量循环装置，此种制冷循环不需制冷剂，无运动部件、无噪声、无振动、无磨损，但是它成本较高，效率较低，制造复杂，而且必须使用直流电，这些缺点限制了它的推广和应用。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置，本发明的技术方案如下：

一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置，该散热装置包括电卡制冷器件、缓冲弹簧、制冷区电磁铁、散热区电磁铁、散热片和控制电源；

制冷区电磁铁和散热区电磁铁相对设置，制冷区电磁铁及其所在侧的外界环境构成制冷区，散热片固定在散热区电磁铁的远离制冷区电磁铁的一侧，散热区电磁铁、散热片及其所在侧的外界环境构成散热区；

电卡制冷器件通过缓冲弹簧连接制冷区电磁铁，当缓冲弹簧处于自然状态下时电卡制冷器件设置在制冷区和散热区之间，电卡制冷器件至少包括电卡制冷元件和磁性元件；

控制电源连接电卡制冷器件提供电压，控制电源还连接制冷区电磁铁和散热区电磁铁控制电磁铁的通断，电磁铁得电时吸引电卡制冷器件中的磁性元件使电卡制冷器件靠近制冷区或散热区。

其进一步的技术方案为，电卡制冷器件中的电卡制冷元件和磁性元件粘接在一起，且磁性元件经过绝缘处理。

其进一步的技术方案为，电卡制冷器件中包括两层磁性元件，两层磁性元件分别设置在电卡制冷元件的两侧并分别正对两侧的制冷区电磁铁和散热区电磁铁。

其进一步的技术方案为，电卡制冷器件中包括多个层叠设置的电卡制冷元件。

其进一步的技术方案为，散热装置还包括滑轨，制冷区电磁铁和散热区电磁铁分别固定在滑轨的两端，电卡制冷器件固定在滑轨中的滑块上。

其进一步的技术方案为，缓冲弹簧、制冷区电磁铁、散热区电磁铁以及散热片均经过绝缘处理。

其进一步的技术方案为，散热装置中各个组件均经过表面光滑处理。

其进一步的技术方案为，控制电源为交流电源。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置，该散热装置与现有的由半导体电偶组成的热电制冷装置一样可以实现电卡制冷器件的热量循环释放功能，但其结构与现有的热电制冷装置不同，利用电磁铁和磁性元件的之间的磁性吸引作用结合缓冲弹簧的弹性作用可以控制电卡制冷器件的移动从而实现热量循环释放功能，结构简单，可以直接利用交流电，在同样实现循环工作的效果的基础上，器件运行无噪声、效率高、损耗小、机械操作简单、对环境无污染。

附图说明

图1是本申请公开的散热装置的结构图。

图2是本申请公开的散热装置中的电卡制冷器件移动过程中内部微观结构状态变化示意图。

图3是本申请公开的散热装置中的电卡制冷器件移动过程中的一个状态示意图。

图4是本申请公开的散热装置中的电卡制冷器件移动过程中的另一个状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置，请参考图1，该散热装置包括电卡制冷器件1、缓冲弹簧2、制冷区电磁铁3、散热区电磁铁4、散热片5和控制电源6。

制冷区电磁铁3和散热区电磁铁4相对设置，制冷区电磁铁3及其所在侧的外界环境构成制冷区，散热片5固定在散热区电磁铁4的远离制冷区电磁铁3的一侧，散热区电磁铁4、散热片5及其所在侧的外界环境构成散热区。本申请中的两个电磁铁可以采用普通商用型电磁铁实现，由螺旋线圈和铁芯组成，得电时得磁、失电时失磁。散热片5采用任意散热良好的材料制成，比如常见的银、铜或铝。

电卡制冷器件1通过缓冲弹簧2连接制冷区电磁铁3，当缓冲弹簧处于自然状态下时电卡制冷器件设置在制冷区和散热区之间。缓冲弹簧2作为缓冲结构防止电磁铁与电卡制冷器件1发生碰撞，缓冲弹簧2常见的可以采用高碳合金钢、Fe-Ni合金、Fe-Al合金中的任一种材料制成。

电卡制冷器件1至少包括电卡制冷元件11和磁性元件12，磁性元件12可以采用任意磁性材料制成，比如常见的采用由铁、钴或镍组成的磁性合金制成。可选的，电卡制冷器件1中包括两层磁性元件12，如图1所示，两层磁性元件12分别设置在电卡制冷元件11的两侧并分别正对两侧的制冷区电磁铁3和散热区电磁铁4。可选的，电卡制冷器件1中包括多个层叠设置的电卡制冷元件11，则电卡制冷器件1可以在层叠的电卡制冷元件11的最外层的两侧设置两层磁性元件12。电卡制冷元件11和磁性元件12粘接在一起且磁性元件经过绝缘处理，粘接材料可以采用常见的环氧树脂或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。

电卡制冷器件1中的电卡制冷元件11可以采用现有常规结构的电卡制冷元件，主要包括具有电卡效应的铁电材料和电极层，具有电卡效应的铁电材料比如(1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3体系中的0.6Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.4(Ba0.7Ca0.3)TiO3陶瓷或多层陶瓷电容器。电极层可以采用常见的铂电极、银电极或钨电极。

本申请中的电卡制冷器件1可以直接选用市售的电卡制冷元件与磁性元件粘接制备得到，也可以自己制备电卡制冷元件，本申请对电卡制冷器件1的制备步骤简单介绍如下：1、使用卧式球磨混料配置BZT-BCT原始浆料；2、使用流延机切割单层BZT-BCT电卡制冷材料，单层材料厚度在30μm；3、将切割得到的单层电卡材料印刷Pt电极，机械堆叠后，采用热压方式将电卡材料压制成型；4、将压制成型的电卡材料烧结后，使用Ag电极印刷器件外电极，制成电卡制冷元件；5、使用环氧树脂将磁性元件和电卡制冷元件粘连起来；6、使用硅胶或聚四氟乙烯对电卡制冷元件进行绝缘处理。

可选的，该散热装置还包括滑轨7，制冷区电磁铁3和散热区电磁铁4分别固定在滑轨7的两端，电卡制冷器件1固定在滑轨7中的滑块上。

该散热装置中的缓冲弹簧2、制冷区电磁铁3、散热区电磁铁4以及散热片5均经过绝缘处理，比如利用散热性良好、绝缘的硅胶或聚四氟乙烯进行处理。

该散热装置中各个组件均经过表面光滑处理，因此电卡制冷器件1滑动过程中的能量损耗可以不做考虑。

控制电源6连接电卡制冷器件1提供电压，具体的连接电卡制冷元件11的电极。控制电源6还连接制冷区电磁铁3和散热区电磁铁4控制电磁铁的通断，电磁铁得电时吸引电卡制冷器件1中的磁性元件12使电卡制冷器件1靠近电磁铁所在的制冷区或散热区。在本申请中，控制电源6采用交流电源。

基于本申请公开的图1结构的散热装置，电卡制冷器件1可以在冷区电磁铁3的吸引下靠近制冷区吸收热量制冷，或者在散热区电磁铁4的吸引下靠近散热区释放热量，通过电磁铁的通断结合缓冲弹簧2即可以简单的控制电卡制冷器件1的移动，实现热量循环释放，可以直接使用交流电、器件运行无噪声、损耗小而且效率高，适合应用于集成电路板和笔记本CPU等微电子器件的散热。为了便于本领域技术人员理解，本申请对该散热装置的工作过程介绍如下：

(1)制冷区电磁铁3和散热区电磁铁4均不通电，此时缓冲弹簧2处于自然状态，电卡制冷器件1位于制冷区和散热区之间，如图1所示。对电卡制冷器件1施加电场，材料中原本随机混乱排布的电偶极子逐渐转变为统一朝向排布，该无序到有序的过程中系统的熵减小，绝热条件下，材料的温度上升以保持总吉布斯自由能不变，施加电压持续增大到最大值，电卡制冷器件1微观上由状态1变为状态2，如图2所示。

(2)控制电源6控制对电卡制冷器件1施加的电压在最大值不变，同时控制散热区电磁铁4通电吸引电卡制冷器件1向散热区移动靠近，直至移动至散热区电磁铁4处，如图3所示，散热区保持恒温条件，实现电卡制冷器件1对外放热过程，电卡制冷器件微观上由状态2变为状态3。

(3)放热结束，控制电源6保持对电卡制冷器件1施加的电压恒定，控制制散热区电磁铁4断电、制冷区电磁铁3通电，电卡制冷器件1在制冷区电磁铁3的磁性吸引下向制冷区移动，直至移动至缓冲弹簧2的最大压缩维持处并靠近制冷区电磁铁3处，如图4所示，电卡制冷单元微观上由状态3变为状态4。

(4)控制电源6控制对电卡制冷器件1施加的电压减小，材料中的电偶极子重新从统一朝向排布向混乱排布演变。等温条件下，电卡制冷器件1为了保持能量守恒，从制冷区吸收热量，电卡制冷器件1微观上由状态4变为状态5，位置不变。

(5)电卡制冷器件1吸收热量达到饱和，控制电源6对电卡制冷器件1断电，制冷区电磁铁3同时断电，电卡制冷器件1微观上由状态5变为状态1，且在缓冲弹簧2的复位作用下回到制冷区和散热区之间的初始位置处。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电磁铁移动电卡制冷器件的散热装置，其特征在于，所述散热装置包括电卡制冷器件、缓冲弹簧、制冷区电磁铁、散热区电磁铁、散热片和控制电源；

所述制冷区电磁铁和所述散热区电磁铁相对设置，所述制冷区电磁铁及其所在侧的外界环境构成制冷区，所述散热片固定在所述散热区电磁铁的远离所述制冷区电磁铁的一侧，所述散热区电磁铁、散热片及其所在侧的外界环境构成散热区；

所述电卡制冷器件通过所述缓冲弹簧连接所述制冷区电磁铁，当所述缓冲弹簧处于自然状态下时所述电卡制冷器件设置在所述制冷区和所述散热区之间，所述电卡制冷器件至少包括电卡制冷元件和磁性元件；

所述控制电源连接所述电卡制冷器件提供电压，所述控制电源还连接所述制冷区电磁铁和所述散热区电磁铁控制电磁铁的通断，电磁铁得电时吸引所述电卡制冷器件中的磁性元件使所述电卡制冷器件靠近所述制冷区或散热区；

所述散热装置的工作过程包括：

（1）所述制冷区电磁铁和所述散热区电磁铁均不通电，此时所述缓冲弹簧处于自然状态，所述电卡制冷器件位于制冷区和散热区之间；对所述电卡制冷器件施加电场，施加电压持续增大到最大值；

（2）所述控制电源控制对所述电卡制冷器件施加的电压在最大值不变，同时控制所述散热区电磁铁通电吸引所述电卡制冷器件向散热区移动靠近，直至移动至所述散热区电磁铁处，散热区保持恒温条件，实现所述电卡制冷器件对外放热过程；

（3）放热结束，所述控制电源保持对所述电卡制冷器件施加的电压恒定，控制所述散热区电磁铁断电、所述制冷区电磁铁通电，所述电卡制冷器件在所述制冷区电磁铁的磁性吸引下向制冷区移动，直至移动至所述缓冲弹簧的最大压缩维持处并靠近所述制冷区电磁铁处；

（4）所述控制电源控制对所述电卡制冷器件施加的电压减小，等温条件下，所述电卡制冷器件为了保持能量守恒，从制冷区吸收热量；

（5）所述电卡制冷器件吸收热量达到饱和，所述控制电源对所述电卡制冷器件断电，所述制冷区电磁铁同时断电，所述电卡制冷器件在所述缓冲弹簧的复位作用下回到制冷区和散热区之间的初始位置处。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述电卡制冷器件中的电卡制冷元件和磁性元件粘接在一起，且所述磁性元件经过绝缘处理。

3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述电卡制冷器件中包括两层所述磁性元件，两层磁性元件分别设置在所述电卡制冷元件的两侧并分别正对两侧的所述制冷区电磁铁和散热区电磁铁。

4.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述电卡制冷器件中包括多个层叠设置的电卡制冷元件。

5.根据权利要求1-4任一所述的散热装置，其特征在于，所述散热装置还包括滑轨，所述制冷区电磁铁和所述散热区电磁铁分别固定在所述滑轨的两端，所述电卡制冷器件固定在所述滑轨中的滑块上。

6.根据权利要求1-4任一所述的散热装置，其特征在于，所述缓冲弹簧、制冷区电磁铁、散热区电磁铁以及散热片均经过绝缘处理。

7.根据权利要求1-4任一所述的散热装置，其特征在于，所述散热装置中各个组件均经过表面光滑处理。

8.根据权利要求1-4任一所述的散热装置，其特征在于，所述控制电源为交流电源。

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