CN112066591A - 热电磁复合制冷系统 - Google Patents

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CN112066591A CN202010895173.XA CN202010895173A CN112066591A CN 112066591 A CN112066591 A CN 112066591A CN 202010895173 A CN202010895173 A CN 202010895173A CN 112066591 A CN112066591 A CN 112066591A
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于广发
卢遵铭
戴巍
李珂
高新强
李振兴
刘义
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Abstract

本发明涉及一种热电磁复合制冷系统，包括热电磁制冷装置及控制系统。热电磁制冷装置包括热板、冷板及至少一个热电磁模块单元，冷板与热板间隔设置，至少一个热电磁模块单元布置于热板和冷板之间，热电磁模块单元的高温端与热板连接，热电磁模块单元的低温端与冷板连接，相邻两个热电磁模块单元之间串联连接，热电磁模块单元由热电磁材料制成。控制系统包括磁场控制系统和电路控制系统，磁场控制系统用于为热电磁模块单元施加变磁场，电路控制系统用于为热电磁模块单元提供电流。上述热电磁复合制冷系统，能够同时利用热电效应和磁热两种机制来制冷，提高了制冷效率，降低了制冷成本。

Description

热电磁复合制冷系统
技术领域
本发明涉及制冷系统技术领域，特别是涉及一种热电磁复合制冷系统。
背景技术
在制冷领域，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。固态制冷技术是其他制冷技术无法比拟的，在科研、医疗、军事等领域有着重要的应用，经济效益显著，同时可替代目前广泛使用的非环保材料，有利于环境保护。液氦和室温等温区固态制冷技术的应用，具有庞大的市场需求，有着重要的应用前景。
热电制冷是以温差电现象为基础的制冷方式，是基于帕尔贴效应的固态环保型制冷技术。对于半导体热电偶，当电流方向从空穴半导体流向电子半导体(p→n)时，接头处温度升高并放出热量；反之，接头处温度降低并从外界吸收热量。与其他制冷方式相比，热电制冷具有体积小、结构简单、可靠性高、制冷迅速等优点。但是，热电制冷面临着热电材料性能优值低，制冷效率低、单位制冷量成本高的问题。
磁制冷基于“磁热效应”利用磁热材料在磁化时放热和退磁时吸热达到制冷目的。磁制冷材料被磁化时，磁矩有序度增加，磁熵减小，温度上升，向外界放出热量；退磁时，磁制冷材料磁矩有序度减少，磁熵增加，温度下降，从外界吸收热量。磁制冷是一种新型固态制冷方式，采用水等环保介质作为传热流体，具有零全球变暖潜能值、零臭氧消耗潜能值、内禀高效、低噪音与低振动等特点。但是，磁制冷面临着固液热交换导致制冷效率低，存在压差、泄漏等安全隐患的问题。
发明内容
基于此，本发明提供一种热电磁复合制冷系统，以提高制冷效率，降低制冷成本。
一种热电磁复合制冷系统，包括：
热电磁制冷装置，包括热板、冷板及至少一个热电磁模块单元，所述冷板与所述热板间隔设置，至少一个所述热电磁模块单元布置于所述热板和所述冷板之间，所述热电磁模块单元的高温端与所述热板连接，所述热电磁模块单元的低温端与所述冷板连接，相邻两个所述热电磁模块单元之间串联连接，所述热电磁模块单元由热电磁材料制成；及
控制系统，包括磁场控制系统和电路控制系统，所述磁场控制系统用于为所述热电磁模块单元施加变磁场，所述电路控制系统用于为所述热电磁模块单元提供电流。
上述热电磁复合制冷系统，磁场控制系统为热电磁模块单元施加变磁场，电路控制系统为热电磁模块单元提供电流，热电磁模块单元由热电磁材料制成，热电磁材料是同时具有热电效应和磁效应的材料，也就是说，热电磁材料既具有在磁化时温度升高，在退磁时温度降低的特性，又具有在直流电的作用下，在热电磁材料的两个端头会形成温差，即形成高温端和低温端，因此能够同时利用热电效应和磁热两种机制来制冷，提高了制冷效率，降低了制冷成本。
在其中一个实施例中，所述热电磁模块单元包括P型复合材料、N型复合材料及金属导片，所述P型复合材料和N型复合材料是热电磁材料，所述P型复合材料和所述N型复合材料相互间隔设置于所述热板和所述冷板之间，所述P型复合材料和所述N型复合材料的高温端与所述热板连接，所述P型复合材料和所述N型复合材料的低温端与所述冷板连接，所述P型复合材料和所述N型复合材料通过所述金属导片连接。
在其中一个实施例中，所述热电磁模块单元包括第一P型复合材料、第一N型复合材料、第一金属导片及第二金属导片，所述第一金属导片将同一所述热电磁模块单元内的所述第一P型复合材料和所述第一N型复合材料连接，所述第二金属导片将相邻两个所述热电磁模块单元连接。
在其中一个实施例中，所述热电磁模块单元包括两个模块组、第二P型复合材料、第二N型复合材料、第一金属导片、第二金属导片及第三金属导片，所述第二P型复合材料和所述第二N型复合材料间隔设置于所述冷板上且通过所述第一金属导片连接，所述模块组包括一对相互间隔设置的P型复合材料和N型复合材料，两个所述模块组的一端通过所述第三金属导片分别与所述第二P型复合材料和所述第二N型复合材料连接，两个所述模块组的另一端通过所述第二金属导片与所述热板连接。
在其中一个实施例中，所述P型复合材料为Bi2Te3/LaFeSi；所述N型复合材料为Cd3As2或者Co/Ba0.3In0.3Co4Sb1、Fe/Ba0.3In0.3Co4Sb1、Ni/Ba0.3In0.3Co4Sb1、BaFe12O19/Ba0.3In0.3Co4Sb12。
在其中一个实施例中，还包括散热装置，所述散热装置包括翅片和风扇，所述翅片与所述热板连接，所述风扇与所述热板相对设置。
在其中一个实施例中，还包括散热装置，所述散热装置包括第五N型复合材料、第五P型复合材料、散热板及供电组件，所述第五N型复合材料和所述第五P型复合材料的两端分别连接所述热板和所述散热板，所述第五N型复合材料和所述第五P型复合材料相互间隔设置且串联连接，所述供电组件用于为所述第五N型复合材料和所述第五P型复合材料提供电流。
在其中一个实施例中，所述磁场控制系统包括伺服电机、转轴和磁体组，所述转轴与所述伺服电机连接，所述磁体组包括两个间隔设置的磁体单元，所述磁体单元与所述转轴连接，所述热电磁制冷装置设置于所述磁体单元之间。
在其中一个实施例中，所述电路控制系统包括第一直流电源和第一导线，所述第一导线将所述第一直流电源和所述热电磁模块单元连接。
在其中一个实施例中，所述电路控制系统还包括控温装置和电流控制装置，所述电流控制装置设置于所述第一导线上，所述控温装置包括热电偶温度计和温度控制单元，所述热电偶温度计与所述温度控制单元连接，所述温度控制单元与所述电流控制装置的数据线连接，所述热电偶温度计分别与所述热板和所述冷板的数据线连接。
上述热电磁复合制冷系统，相对于热电制冷，由于加入磁制冷，制冷量显著提高，制冷成本降低。采用固-固换热相对于磁制冷的固-液换热，固体热传导的热损失明显小于磁制冷的固液换热，换热能力提高，工作频率提高。在热电磁材料稳定的高温端和低温端进行换热，简化系统复杂程度，提高系统制冷能力。
附图说明
图1为本发明一实施方式中热电磁复合制冷系统的结构示意图；
图2为另一实施方式中热电磁模块单元的结构示意图；
图3为图2所示热电磁模块单元的内部电流流向示意图；
图4为另一实施方式中散热装置的结构示意图。
附图中各标号的含义为：
10-热电磁制冷装置；11-热板；12-冷板；13-热电磁模块单元；131-第一P型复合材料；132-第一N型复合材料；133-第二N型复合材料；134-第二P型复合材料；135第三P型复合材料；136-第三N型复合材料；137-第四P型复合材料；138-第四N型复合材料；141-第一金属导片；142-第二金属导片；143-第三金属导片；15-导磁层；
20-控制系统；22-磁场控制系统；221-伺服电机；222-转轴；223-磁体组；24-电路控制系统；241-第一直流电源；242-第一导线；243-电流控制装置；244-控温装置；
30-散热装置；31-翅片；32-风扇；33-第五N型复合材料；34-第五P型复合材料；35-散热板；36-第四金属导片；37-供电组件；372-第二直流电源；374-第二导线。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，其为本发明的一种实施例的热电磁复合制冷系统，包括热电磁制冷装置10和控制系统20。其中，热电磁制冷装置10能够产生热量和冷量，控制系统20能够调节热电磁制冷装置10受到的磁场强度和电流强度，进而调节热电磁复合制冷系统的制冷效率。
热电磁制冷装置10包括热板11、冷板12及至少一个热电磁模块单元13。热板11和冷板12相对间隔设置，至少一个热电磁模块单元13布置于热板11和冷板12之间。一实施方式中，热板11和冷板12均为陶瓷板，热板11和冷板12平行设置。可以理解的是，在其他实施方式中，热板11和冷板12可以为其他材料的板材，只要能够防电和防磁化即可。
热电磁模块单元13为一个或者多个，相邻两个热电磁模块单元13串联连接，热电磁模块单元13由热电磁材料制成。热电磁材料是同时具有热电效应和磁效应的材料，也就是说，热电磁材料既具有在磁化时温度升高，在退磁时温度降低的特性，又具有在直流电的作用下，在热电磁材料的两个端头会形成温差，即形成高温端和低温端。热电磁模块单元13的高温端与热板11连接，热电磁模块单元13的低温端与冷板12连接，热板11和冷板12能够传递热量和冷量。
热电磁制冷装置10的吸热和放热的大小是通过电流的大小以及热电磁模块单元13的数量来决定。通过选择合适的电源电压及合适数量的热电磁模块单元13时，即可实现相应的制冷温度。热电磁制冷装置10，还能够通过切换电流方向，使冷热端切换，对同一空间，可以在不拆卸装置的情况下，实现制冷和制热的切换。
一实施方式中，热电磁模块单元13包括P型复合材料、N型复合材料及金属导片，P型复合材料和N型复合材料相互间隔设置于热板11和冷板12之间，P型复合材料和N型复合材料的高温端与热板11连接，P型复合材料和N型复合材料的低温端与冷板12连接，P型复合材料和N型复合材料通过金属导片连接。具体地，P型复合材料和N型复合材料的高温端连接的金属导片与热板11连接，P型复合材料和N型复合材料的低温端连接的金属导片与冷板12连接。具体地，金属导片可以为铜片。
P型复合材料和N型复合材料均为热电磁材料。一实施方式中，P型复合材料的热电磁材料优选例为Bi2Te3/LaFeSi。N型复合材料的热电磁材料优选例为在外加磁场的作用下，能够产生热电效应显著的Cd3As2，或者同时具有热电效应和磁效应的材料，如Co/Ba0.3In0.3Co4Sb1、Fe/Ba0.3In0.3Co4Sb1、Ni/Ba0.3In0.3Co4Sb1、BaFe12O19/Ba0.3In0.3Co4Sb12。
一实施方式中，P型复合材料和N型复合材料均为棱台状，棱台包括相对的大头端和小头端，其中大头端与热板11连接，小头端与冷板12连接。相比于传统的长方体状，棱台状的热电磁材料有助于降低器件的热导，从而增加沿热电臂的温度梯度，棱台状的热电磁材料利用汤姆逊效应，向环境中释放出更多的热量。此外,利用棱台状的热电磁材料增加热端截面积,有利于热电磁材料高温端的散热，使热电磁制冷装置10的制冷量增加，棱台状的热电磁材料的高温端和低温端温差加大，以及制冷效率获得提升。同时，这种结构可以缩短热电磁制冷装置10中热板11和冷板12之间的距离，减少热电磁制冷装置10的厚度。具体地，P型复合材料和N型复合材料为四棱台状。当然，在其他实施方式中，P型复合材料和N型复合材料的棱台形状可以根据需要具体设置。
一实施方式中，热电磁模块单元13包括第一P型复合材料131、第一N型复合材料132、第一金属导片141及第二金属导片142。第一P型复合材料131和第一N型复合材料132的整体形状为四棱台状，第一P型复合材料131和第一N型复合材料132相互间隔布置于热板11和冷板12之间。
第一金属导片141将同一热电磁模块单元13内的第一P型复合材料131和第一N型复合材料132连接。具体地，第一金属导片141的一端与第一P型复合材料131的面积小的端面连接，第一金属导片141的另一端与第一N型复合材料132面积小的端面连接。第二金属导片142将相邻两个热电磁模块单元13连接。具体地，第二金属导片142的一端与一个热电磁模块单元13中的第一P型复合材料131面积大的端面连接，第二金属导片142的另一端与相邻另一个热电磁模块单元13中的第一N型复合材料132面积大的端面连接。
第二金属导片142将热电磁制冷装置10中相邻两个热电磁模块单元13连接，第一金属导片141将热电磁模块单元13内部的第一P型复合材料131和第一N型复合材料132连接。通过金属导片串联连接多个热电磁模块单元13，不会改变电流和磁场在热电磁材料中产生的特性。
当热电磁模块单元13有电流通过时，P型复合材料和N型复合材料的两端之间均会产生热量转移，在PN结点处产生吸热和放热现象。电流由N型复合材料流向P型复合材料的结点吸收热量，成为低温端；由P型复合材料流向N型复合材料的结点释放热量，成为高温端。
每个热电磁模块单元13内部的第一P型复合材料131和第一N型复合材料132连接的第一金属导片141与冷板12的一个板面连接。在热电磁模块单元13内部电流由N型复合材料流向P型复合材料，因此，热板11是热电磁制冷装置10冷端。热电磁制冷装置10中相邻两个热电磁模块单元13连接的第二金属导片142与热板11的一个板面连接，相邻两个热电磁模块单元13电流由P型复合材料流向N型复合材料，因此，热板11是热电磁制冷装置10热端。
在工作时，热电磁材料的低温端将冷量通过第一金属导片141传递至热电磁制冷装置10的冷板12，热电磁制冷装置10的冷板12与制冷空间接触，向制冷空间释放冷量；热电磁材料的高温端将热量通过第二金属导片142传递至热电磁制冷装置10的热板11，热电磁制冷装置10通过热板11向外界释放热量。
请参阅图2，在另一实施方式中，热电磁模块单元13包括两个模块组、第二N型复合材料133、第二P型复合材料134、第一金属导片141、第二金属导片142及第三金属导片143。第二P型复合材料134和第二N型复合材料133通过第一金属导片141与冷板12连接，模块组包括一对相互间隔设置的P型复合材料和N型复合材料，两个模块组的一端通过第三金属导片143分别与第二P型复合材料134和第二N型复合材料133连接，两个模块组的另一端通过第二金属导片142与热板11连接。
具体地，第二P型复合材料134和第二N型复合材料133均为长方体状，模块组为棱台状，从而一对P型复合材料和N型复合材料均为梯形，P型复合材料和N型复合材料面积小的端面通过第三金属导片143分别连接第二P型复合材料134和第二N型复合材料133。在这种情况下,通过热电磁模块单元13的电流采用并联的连接方式，而通过电磁模块单元的热传递采用串联的连接方式。当直流电流流经热电磁模块单元13时,热电磁模块单元13从低温端的制冷空间中吸收热量,并根据佩尔蒂尔效应将热量排到高温端，随着热电磁模块单元13高温端散热量的增加，面积大的截面端有利于热板11散热。此外，热电偶臂的横截面积被认为是沿高度方向线性变化的。
进一步地，其中一个模块组的一对P型复合材料和N型复合材料分别为第三P型复合材料135和第三N型复合材料136，另一个模块组的一对P型复合材料和N型复合材料分别为第四P型复合材料137和第四N型复合材料138。其中，第三N型复合材料136和第三P型复合材料135相互接近并间隔设置，第三N型复合材料136面积大的端面与第二金属导片142连接，第三P型复合材料135面积大的端面与第二金属导片142连接，第三N型复合材料136面积大的端面连接的第二金属导片142和第三P型复合材料135面积大的端面连接的第二金属导片142不是同一个金属导片。第三N型复合材料136面积大的端面连接的第二金属导片142与相邻的热电磁模块单元13中的P型复合材料连接，或者与直流电源正极连接。
第三N型复合材料136和第三P型复合材料135面积小的端面共同与同一个第三金属导片143连接，第三金属导片143与第二N型复合材料133一端连接，第二N型复合材料133的另一端与第一金属导片141连接，第一金属导片141与冷板12连接。
第四N型复合材料138和第四P型复合材料137相互接近并间隔设置，第四N型复合材料138面积大的端面与第二金属导片142连接，第四P型复合材料137面积大的端面与第二金属导片142连接，第四N型复合材料138面积大的端面连接的第二金属导片142和第四P型复合材料137面积大的端面连接的第二金属导片142不是同一个金属导片。第四P型复合材料137面积大的端面连接的第二金属导片142与相邻的热电磁模块单元13中的N型复合材料连接，或者与直流电源负极连接。第三P型复合材料135面积大的端面连接的第二金属导片142和第四N型复合材料138面积大的端面连接的第二金属导片142是同一个金属导片。
第四N型复合材料138和第四P型复合材料137面积小的端面共同与同一个第三金属导片143连接，第三金属导片143与第二P型复合材料134一端连接，第二P型复合材料134的另一端与第一金属导片141连接，第一金属导片141与冷板12连接。第二N型复合材料133连接的第一金属导片141和第二P型复合材料134连接的第一金属导片141是同一个金属导片。
请一并参阅图3，当热电磁模块单元13通有直流电流时，电流的流向如下。首先，直流电流通过第二金属导片142进入第三N型复合材料136，电流通过与第三N型复合材料136相连接的第三金属导片143，然后电流分流为两条：其中一条流入第三P型复合材料135，经第二金属导片142进入第四N型复合材料138，再经与第四N型复合材料138相连接的第三金属导片143，进入第四P型复合材料137；其中另一条流入第二N型复合材料133,经第一金属导片141进入第二P型复合材料134。电流继续通过第二P型复合材料134，经过与第四P型复合材料137相连接的第三金属导片143,进入第四P型复合材料137，此时，两条电流一同汇集到第四P型复合材料137。再通过与第四P型复合材料137连接的第二金属导片142，电流从热电磁模块单元13流出，然后进入下一级电磁模块单元的第三N型复合材料136，或者与直流电源的负极连接。
与传统的两级热电制冷器相比，上述热电磁模块单元13没有中间陶瓷板存在，有效降低了两级间的热阻，获得更高的效能比和更大的制冷量。此外,利用梯形热电臂增加热端截面积,有利于热电磁材料高温端的散热，梯形形状的热电臂使得热电阻不对称,焦耳热将优先传导到热端,具有较大的截面积,这能够获得更好的制冷性能。
请再次参阅图1，一实施方式中，热电磁制冷装置10还包括导磁层15，导磁层15位于热板11和冷板12的两端，导磁层15连接热板11和冷板12，热电磁模块单元13位于两个导磁层15之间，热电磁模块单元13面向磁体的端面被导磁层15包裹，导磁层15能够减小磁阻，聚集磁力的作用。热电磁模块单元13的其他端面直接与环境接触，用以保证热电磁材料的磁化和产生的热量的散出，退磁时从周围吸收较小的热量，进而提高热电磁制冷装置的制冷效率。同时，导磁层15材料不影响热电磁制冷装置10的内部磁场，使热电磁材料在磁化和退磁时不受影响。具体地，导磁层15材料为硅钢。热电磁材料在磁化时放热，所产生的热量通过热传导的方式向高温端传递，同时通过自然对流的方式释放到环境中。热电磁材料在退磁时吸热，所产生的冷量通过热传导的方式向热电磁材料低温端传递，使低温端达到更低的温度。
控制系统20通过对热电磁制冷装置10控制调节，实现热电磁复合制冷系统正常运转。控制系统20包括磁场控制系统22和电路控制系统24，磁场控制系统22用于为热电磁模块单元13施加变磁场，电路控制系统24用于为热电磁模块单元13提供电流。
一实施方式中，磁场控制系统22包括伺服电机221、转轴222和磁体组223。磁体组223能够为热电磁制冷装置10提供磁场，伺服电机221能够为磁场控制系统22提供动力，通过转轴222驱动磁体组223旋转。
具体地，转轴222分别与伺服电机221和磁体组223连接，伺服电机221转动驱动转轴222转动，转轴222转动带动磁体组223旋转。磁体组223包括两个间隔设置的磁体单元，热电磁制冷装置10设置在两个间隔设置的磁体单元之间。因此，热电磁制冷装置10设置在两个磁体单元共同作用形成的磁场中，磁体组223旋转，能够在磁体单元中间形成可控变磁场，能够对热电磁制冷装置10进行磁化和退磁。
在工作时，热电磁制冷装置10在固定不动的情况下，在磁体组223形成的可控变磁场的作用下，对热电磁制冷装置10中的热电磁模块单元13进行磁化和退磁，实现热电磁模块单元13温度的升高和降低。
一实施方式中，电路控制系统24包括第一直流电源241和第一导线242，第一导线242将第一直流电源241与热电磁模块单元13连接。当第一直流电源241开通时，热电磁制冷装置10中所有P型复合材料和N型复合材料中均有电流流通，且电流方向一致。
进一步地，电路控制系统24还包括电流控制装置243，电流控制装置243设置于第一导线242上，电流控制装置243的一端通过第一导线242与热电磁模块单元13的热电磁材料连接，电流控制装置243的另一端通过第一导线242与第一直流电源241连接。电流控制装置243能够控制电流大小和方向，进而控制热电磁模块冷端吸热和热端放热量的大小以及切换热电磁制冷装置10的冷端和热端。
进一步地，电路控制系统24还包括控温装置244，控温装置244包括热电偶温度计和温度控制单元。热电偶温度计与温度控制单元数据线连接，温度控制单元与电流控制装置243的数据线连接，热电偶温度计分别与热板11和冷板12的数据线连接。热电偶温度计能够准确测量热板11和冷板12的温度，并将温度信息传递给温度控制单元，温度控制单元对热板11和冷板12的温度信息进行分析，通过数据线向电流控制装置243发布指令，通过电流控制装置243控制电流大小，进而调节热电磁制冷装置10冷端吸收的冷量和热端释放的热量。
一实施方式中，热电磁复合制冷系统还包括散热装置30，散热装置30用于将热板11产生的热量快速散发。一实施方式中，散热装置30包括翅片31和风扇32。翅片31与热电磁制冷装置10的热板11连接，风扇32与热电磁制冷装置10的热板11接近且相对设置。散热装置30用于热板11的快速散热，进一步提高热电磁复合制冷系统的运行频率。翅片31能够增加散热面积，用于热板11的快速散热。风扇32能够加大热板11区域空气流动，实现热板11的快速散热。
请参阅图4，可以理解的是，在另一实施方式中，散热装置30还可以为其他形似。具体地，散热装置30包括第五N型复合材料33、第五P型复合材料34、散热板35及供电组件37。散热板35与热板11相对间隔设置，且散热板35与热板11平行。一实施方式中，散热板35也为陶瓷板。
第五N型复合材料33和第五P型复合材料34的两端分别连接散热板35和热板11，第五N型复合材料33和第五P型复合材料34为一个或者多个，第五N型复合材料33和第五P型复合材料34相互间隔设置，且通过第四金属导片36串联连接。供电组件37用于为第五N型复合材料33和第五P型复合材料34提供电流。
具体地，第五N型复合材料33和第五P型复合材料34为四棱台状，第五N型复合材料33和第五P型复合材料34面积大的端面通过第四金属导片36与散热板35连接，第五N型复合材料33和第五P型复合材料34面积小的端面通过第四金属导片36与热板11连接，且相邻的两个第四金属导片36上下相互错位。供电组件37包括第二直流电源372和第二导线374，第五N型复合材料33和第五P型复合材料34通过第二导线374与第二直流电源372闭合连接。
当通电时，电流流向由第五N型复合材料33到第五P型复合材料34经过第四金属导片36与热板11连接；电流流向由第五P型复合材料34到第五N型复合材料33经过另一第四金属导片36与散热板35连接。散热装置30为二级热电磁制冷装置10，用级联的方法制造二级热电磁制冷装置10，可以得到更大的温差和更低的温度。电流流向由第五N型复合材料33到第五P型复合材料34经过的金属导片会产生冷量，并向热板11释放冷量，起到对热电磁制冷装置10的散热作用。
上述热电磁复合制冷系统工作时，接通电源，由于帕尔帖效应，在PN结处，产生吸热或放热现象，当电流由P型热电材料流向N型热电材料时放热，由N型热电材料流向P型热电材料时吸热，分别产生高温端和低温端。当系统磁化时，由于磁热材料的磁熵减小，温度升高，热电磁材料温度也随之升高，此时热电磁制冷装置10，通过散热系统或四棱台状的热电材料向环境释放热量。在电流大小不变的情况下，热电磁装置的高温端和低温端的温度都会升高。为保证低温端制冷量的稳定输出，需要保持热电磁装置低温端温度不变。在磁化时控温装置244收到低温端温度升高信号后，向电流控制装置243发出加大电流信号，随后电流控制装置243加大对热电磁材料的电流输入量，热电磁材料在热电效应的作用下，使热电磁材料的低温端温度降低，达到未磁化时的温度，同时，热电磁材料在磁化和加大电流的作用下，热量经热电材料的电子和声子的输运带到高温端，高温端释放热量加大。高温端释放的热量通过加大散热装置30工作效率，提高换热能力，热电磁材料产生的热量从散热装置30和热电磁材料向外界释放。
热电磁复合制冷系统退磁时，磁热材料磁熵增大，温度降低，热电磁材料温度随之降低，在电流大小不变的情况下，热电磁材料的高温端和低温端的温度都会降低。同时热电磁材料本身的温度也会降低，经过热传导，使低温端达到更低的温度，为保证低温端制冷量的稳定输出，需要保持热电磁装置低温端温度不变。因此，在退磁时控温装置244收到低温端温度降低信号后，向电流控制装置243发出减小电流信号，随后电流控制装置243减小对热电磁材料的电流输入量，热电磁材料在退磁效应的作用下，使热电磁材料的高温端温度降低，达到更好的散热效果，同时，热电磁装置的低温端在减小电流和退磁的作用下，电流方向不变，导热方向不变，声子输运传递冷量，从热电磁材料的低温端吸收热量，低温端换热能力不变，持续将冷量在热电磁材料的低温端释放。因此，通过调节电流与磁场，可以实现热电磁材料的热量和冷量高效、定向流动，实现耦合制冷的高频、高效。
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。对N型复合材料而言，载流子为自由电子。电子在低温端能量升高，从外界吸热后进入热电磁材料，磁化时，热电磁材料的温度升高，加大电流值，电子和声子携带磁热材料产生的热量向高温端运动，在高温端放热，磁热材料的热量在高温端释放；在退磁时，磁热材料的温度降低，经过热传导，向低温端传递更多冷量，低温端温度降低，实现对制冷空间的持续稳定制冷。也就是说，当热电磁材料磁化时，材料由于磁热效应放热，同时由于热电效应，产生高温端和低温端，热量由电子和声子输运进行传导，当热电磁材料退磁时，材料由于磁热效应吸热，使低温端的温度更低，通过磁热和热电效应的耦合，产生稳定的制冷量。
上述热电磁复合制冷系统，相对于热电制冷，由于加入磁制冷，制冷量显著提高，制冷成本降低。采用固-固换热相对于磁制冷的固-液换热，固体热传导的热损失明显小于磁制冷的固液换热，换热能力提高，工作频率提高。在热电磁材料稳定的高温端和低温端进行换热，简化系统复杂程度，提高系统制冷能力。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种热电磁复合制冷系统，其特征在于，包括：
热电磁制冷装置，包括热板、冷板及至少一个热电磁模块单元，所述冷板与所述热板间隔设置，至少一个所述热电磁模块单元布置于所述热板和所述冷板之间，所述热电磁模块单元的高温端与所述热板连接，所述热电磁模块单元的低温端与所述冷板连接，相邻两个所述热电磁模块单元之间串联连接，所述热电磁模块单元由热电磁材料制成；及
控制系统，包括磁场控制系统和电路控制系统，所述磁场控制系统用于为所述热电磁模块单元施加变磁场，所述电路控制系统用于为所述热电磁模块单元提供电流。
2.根据权利要求1所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，所述热电磁模块单元包括P型复合材料、N型复合材料及金属导片，所述P型复合材料和N型复合材料是热电磁材料，所述P型复合材料和所述N型复合材料相互间隔设置于所述热板和所述冷板之间，所述P型复合材料和所述N型复合材料的高温端与所述热板连接，所述P型复合材料和所述N型复合材料的低温端与所述冷板连接，所述P型复合材料和所述N型复合材料通过所述金属导片连接。
3.根据权利要求2所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，所述热电磁模块单元包括第一P型复合材料、第一N型复合材料、第一金属导片及第二金属导片，所述第一金属导片将同一所述热电磁模块单元内的所述第一P型复合材料和所述第一N型复合材料连接，所述第二金属导片将相邻两个所述热电磁模块单元连接。
4.根据权利要求2所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，所述热电磁模块单元包括两个模块组、第二P型复合材料、第二N型复合材料、第一金属导片、第二金属导片及第三金属导片，所述第二P型复合材料和所述第二N型复合材料间隔设置于所述冷板上且通过所述第一金属导片连接，所述模块组包括一对相互间隔设置的P型复合材料和N型复合材料，两个所述模块组的一端通过所述第三金属导片分别与所述第二P型复合材料和所述第二N型复合材料连接，两个所述模块组的另一端通过所述第二金属导片与所述热板连接。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，所述P型复合材料为Bi2Te3/LaFeSi；所述N型复合材料为Cd3As2或者Co/Ba0.3In0.3Co4Sb1、Fe/Ba0.3In0.3Co4Sb1、Ni/Ba0.3In0.3Co4Sb1、BaFe12O19/Ba0.3In0.3Co4Sb12。
6.根据权利要求1所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，还包括散热装置，所述散热装置包括翅片和风扇，所述翅片与所述热板连接，所述风扇与所述热板相对设置。
7.根据权利要求1所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，还包括散热装置，所述散热装置包括第五N型复合材料、第五P型复合材料、散热板及供电组件，所述第五N型复合材料和所述第五P型复合材料的两端分别连接所述热板和所述散热板，所述第五N型复合材料和所述第五P型复合材料相互间隔设置且串联连接，所述供电组件用于为所述第五N型复合材料和所述第五P型复合材料提供电流。
8.根据权利要求1所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，所述磁场控制系统包括伺服电机、转轴和磁体组，所述转轴与所述伺服电机连接，所述磁体组包括两个间隔设置的磁体单元，所述磁体单元与所述转轴连接，所述热电磁制冷装置设置于所述磁体单元之间。
9.根据权利要求1所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，所述电路控制系统包括第一直流电源和第一导线，所述第一导线将所述第一直流电源和所述热电磁模块单元连接。
10.根据权利要求9所述的热电磁复合制冷系统，其特征在于，所述电路控制系统还包括控温装置和电流控制装置，所述电流控制装置设置于所述第一导线上，所述控温装置包括热电偶温度计和温度控制单元，所述热电偶温度计与所述温度控制单元连接，所述温度控制单元与所述电流控制装置的数据线连接，所述热电偶温度计分别与所述热板和所述冷板的数据线连接。
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