CN114353374B - 一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，包括Π型元件组、换热装置；所述换热装置包括冷端换热器、热端换热器；冷端换热器与热端换热器分离固定设置；所述Π型元件组相对于冷端换热器和热端换热器能够位置移动；所述冷端换热器与移动的Π型元件组能够贴合和分离；所述热端换热器与移动的Π型元件组能够贴合和分离。本发明实现了热电效应和弹热效应耦合，解决单一的弹热制冷系统或热电制冷系统存在的制冷功率低下问题。

Description

一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置

技术领域：

本发明涉及固态制冷领域，尤其是热电效应和弹热效应耦合。

背景技术：

为解决传统的蒸汽压缩式制冷技术所带来的臭氧层破坏严重、能源消耗量大等能源环境问题，具有环保、潜在高效、噪声小、振动小、运行可靠、便于小型化等优点的固态制冷技术逐渐兴起。其中弹热制冷和热电制冷均为较有应用前景、有望替代蒸汽压缩制冷技术的新型制冷技术。其中弹热制冷是由应力场驱动弹热材料相变而产生制冷效应的固态制冷技术，当对弹热材料施加轴向载荷时，弹热材料由奥氏体变为马氏体，熵减小并放热；当除去载荷时，弹热材料发生逆向相变，熵增大并吸热，产生制冷效应；热电效应则是以帕尔贴效应为原理，两种不同半导体材料，P型材料和N型材料组成P-N结，当P-N结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越P-N结移动过程中的吸热或放热效应，使P-N结表现出制冷或制热效果，当改变电流的方向时，接点处高温与低温端会发生转换。但是上述制冷技术均存在制冷效率低、单位制冷量成本高等问题，因此本发明提出了一种将热电效应与弹热效应相耦合的制冷系统及器件，在解决传统蒸汽压缩制冷技术所带来的环境能源问题的同时，又能提升制冷系统的制冷功率密度。

发明内容

本发明实现了热电效应和弹热效应耦合，解决单一的弹热制冷系统或热电制冷系统存在的制冷功率低下问题。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，包括Π型元件组、换热装置；所述换热装置包括冷端换热器、热端换热器；冷端换热器与热端换热器分离固定设置；所述Π型元件组相对于冷端换热器和热端换热器能够位置移动；所述冷端换热器与移动的Π型元件组能够贴合和分离；所述热端换热器与移动的Π型元件组能够贴合和分离。

上述Π型元件组包括m个Π型元件，m≥1的整数；所述m个Π型元件水平并排等间距设置。

上述Π型元件包括P型复合材料、N型复合材料、电极端、直流电源、转向器、电源线；所述P型复合材料的一端与电极端连接；所述P型复合材料的另一端通过电源线与直流电源连接；所述N型复合材料的一端与电极端连接；所述N型复合材料的另一端通过电源线与直流电源连接；所述电源线上设有转向器。

上述Π型元件组包括包括Π型元件组左端固定板、Π型元件组右端固定板；所述Π型元件组左端固定板设置连接在Π型元件组中所有Π型元件的电极端侧；所述Π型元件组右端固定板设置连接在Π型元件组中所有Π型元件的电源线侧。

进一步，包括固定架、滑轨、滑轨滑块，所述固定架包括固定架上壁、固定架下壁、固定架左壁；所述滑轨竖直设置，固定于固定架上壁与下壁之间，滑轨上端与固定架上壁连接，滑轨下端与固定架下壁连接；所述Π型元件组左端固定板与滑轨滑块连接；所述滑轨滑块能够在滑轨上进行竖直移动；所述滑轨滑块的形状为夹具型；所述Π型元件组与固定架上壁、固定架下壁平行设置。

进一步，包括驱动装置、轴杆、轴杆滑块；所述轴杆一端与驱动装置连接，另一端与轴杆滑块一端连接；所述Π型元件组右端固定板与轴杆滑块连接；所述轴杆滑块的形状为夹具型。

进一步，所述换热装置包括固定冷端换热器支架、固定热端换热器支架；所述冷端换热器设置在换热装置下部，一端通过固定冷端换热器支架与固定架左壁连接；所述热端换热器设置在换热装置上部，一端通过固定热端换热器支架与固定架左壁连接。

上述换热装置包括风扇，所述风扇为若干个，接近设置在热端换热器和冷端换热器处。

上述冷端换热器和热端换热器为翅片管式换热器。

上述驱动装置包括电机。

本发明的有益效果是：

1.本发明相比于单一的弹热制冷系统或者热电制冷系统，结构更紧凑，制冷效率和制冷量更高；

2.该装置有效替代了传统的蒸汽压缩式制冷技术所带来的环境能源问题；

3.本发明良好的两场耦合，将电场和应力场相结合，将两种固态制冷技术的制冷效果进行叠加，有效地提升了制冷功率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1：一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置结构示意图

图2：一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置结构示意图俯视图

图3：一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置结构示意图右视图

1-驱动装置；2-滑轨；3-Π型元件；4-P型复合材料；5-N型复合材料；6-电极端；7-直流电源；8-转向器；9-电源线；10-左端固定板；11-右端固定板；12-轴杆；13-轴杆滑块；14-滑轨滑块；15-冷端换热器；16-热端换热器；17-固定冷端换热器支架；18-固定热端换热器支架；19-固定架上壁；20-固定架下壁；21-固定架左壁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定以下实施例。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“左”“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”“第二”“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置包括Π型元件组、传动装置、换热装置、固定架、驱动装置1、滑轨2。

所述Π型元件组包括m个Π型元件3，m≥1的整数、Π型元件组固定板。所述Π型元件包括P型复合材料4、N型复合材料5、电极端6、直流电源7、转向器8、电源线9；所述Π型元件组固定板包括左端固定板10和右端固定板11。

所述传动装置包括轴杆12、轴杆滑块13、滑轨滑块14。

所述换热装置包括冷端换热器15、热端换热器16、固定冷端换热器支架17、固定热端换热器支架18、风扇。

所述固定架包括固定架上壁19、固定架下壁20、固定架左壁21。

所述Π型元件组能够向换热装置传递热量和吸收热量。所述换热装置是热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置向外界释放热量和吸收热量的窗口。所述驱动装置为Π型元件组提供移动的动力。所述传动装置将驱动装置的动力传递至Π型元件组，使Π型元件组能够移动。所述固定架能够固定热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置内部部件。所述滑轨能够保证Π型元件组按照规定的路径移动。所述Π型元件组固定板用于固定Π型元件之间的位置以及相对应于装置内部其他部件的位置。

所述Π型元件能够为热端换热器提供热量；所述Π型元件能够向冷端换热器吸收热量。

所述P型复合材料和N型复合材料是热电材料和弹性材料复合。所述P型复合材料和N型复合材料是同时具有热电效应和弹热效应的材料。也就是说，所述P型复合材料和N型复合材料既具有在直流电的作用下，在热电材料的两个端头会形成温差，即形成高温端和低温端；又具有材料能够合理拉伸和收缩，在拉伸时向外释放热量，在收缩时向外界吸收热量。所述电极端能够与低温换热器和高温换热器传递热量。所述转向器能够改变Π型元件中通电电流的流向。

所述轴杆能够伸缩，进而在驱动装置的作用下，促使Π型元件组移动。所述轴杆滑块用于连接轴杆和右端固定板。所述滑轨滑块用于连接滑轨和左端固定板。所述冷端换热器能够向外界吸收热量。所述热端换热器能够向外界释放热量。所述固定冷端换热器支架用于固定冷端换热器。所述固定热端换热器支架用于固定热端换热器。所述风扇能够加速空气流动，促进冷端换热器和热端换热器加速换热。

结合图1、图2、图3所示，所述Π型元件组的一端通过传动装置的轴杆12与驱动装置1连接；所述Π型元件组的另一端与换热装置连接，所述Π型元件组相对于换热装置能够位置移动；所述固定架分别与滑轨2、换热装置连接。

所述Π型元件组包括m个Π型元件3，所述m个Π型元件水平并排等间距设置，与固定架上壁19、固定架下壁20平行设置；

所述Π型元件包括P型复合材料4、N型复合材料5、电极端6、直流电源7、转向器8、电源线9；所述P型复合材料4的一端与电极端6连接；所述P型复合材料4的另一端通过电源线9与直流电源7连接；所述N型复合材料5的一端与电极端6连接；所述N型复合材料5的另一端通过电源线9与直流电源7连接；所述电源线9上设有转向器8。

实施例1：Π型元件各部件的连接关系如下：直流电源一端通过电源线与转向器一端连接；转向器另一端通过电源线与P型复合材料一端连接；P型复合材料另一端与电极端一端连接；电极端另一端与N型复合材料一端连接；N型复合材料另一端通过电源线与直流电源另一端连接，形成闭环连接。

所述Π型元件组固定板的左端固定板10设置连接在Π型元件组中所有Π型元件的电极端6侧；所述Π型元件组固定板的右端固定板11设置连接在Π型元件组中所有Π型元件的电源线9侧。

所述冷端换热器15设置在换热装置下部，一端通过固定冷端换热器支架17与固定架左壁21连接；所述热端换热器16设置在换热装置上部，一端通过固定热端换热器支架18与固定架左壁21连接；冷端换热器15与热端换热器16分离设置。所述Π型元件组相对于换热装置中冷端换热器和热端换热器能够位置移动。所述冷端换热器的另一端与移动的Π型元件组的电极端能够贴合和分离，当贴合时Π型元件组的电极端能够吸收冷端换热器中的热量；当分离时Π型元件组的电极端无法吸收冷端换热器中的热量。所述热端换热器的另一端与移动的Π型元件组的电极端能够贴合和分离，当贴合时Π型元件组的电极端能够向热端换热器释放热量；当分离时Π型元件组的电极端无法向热端换热器释放热量。所述风扇接近设置在热端换热器和冷端换热器处。

所述滑轨2竖直设置，固定于固定架上壁19与下壁20之间，滑轨2上端与固定架上壁19连接，滑轨2下端与固定架下壁20连接；

所述轴杆12一端与驱动装置1连接，另一端与轴杆滑块13一端连接。所述左端固定板10与滑轨滑块14连接；所述滑轨滑块14的形状为夹具型，能够夹住左端固定板，使得滑轨滑块与左端固定板始终保持相对静止的状态。所述滑轨滑块14能够在滑轨2上进行竖直移动。

右端固定板11与轴杆滑块13连接，所述轴杆滑块13的形状为夹具型，能够夹住右端固定板，使得轴杆滑块与右端固定板始终保持相对静止的状态。滑轨滑块14与轴杆滑块13之间通过Π型元件组线性连接而始终处于同一水平面上。

所述P型复合材料由P型热电材料和弹热材料复合而成；所述P型热电材料为Bi2Te3/LaFeSi；所述N型复合材料为Cd3As2或者Co/Ba0.3 I n0.3Co4Sb1、Fe/Ba0.3 In0.3Co4Sb1、N i/Ba0.3 I n0.3Co4Sb1、BaFe12O19/Ba0.3 I n0.3Co4Sb12；弹热材料优选为镍钛合金丝、橡胶、钓鱼线。

所述冷端换热器15和热端换热器16为翅片管式换热器。

驱动装置1的主要部件是电机，所述驱动装置控制轴杆的伸缩，使轴杆滑块移动，轴杆滑块能够通过轴杆的伸缩运动向左上方或右下方移动。

如图1所示，在驱动装置的驱动下，轴杆带动轴杆滑块向右上方移动，轴杆滑块带动Π型元件向右上方移动，Π型元件带动滑轨滑块，使滑轨滑块沿滑轨竖直向上移动。由于Π型元件包括P型复合材料和N型复合材料，P型复合材料是由P型热电材料和弹热材料复合而成，N型复合材料是由N型热电材料和弹热材料复合而成。因此，Π型元件的右上方移动是Π型元件中的弹热材料水平拉伸和Π型元件中的P型材料和N型材料向上移动。此时，Π型元件中的弹热材料水平拉伸产生弹热效应，受Π型元件复合材料具备特性和结构的影响，弹热材料产生的热量通过电极端向外界释放；与此同时，直流电源在转向器的作用下，通过电源线，向Π型元件输送电流；具体流向为直流电源正极流出电流，电流首先流进Π型元件中的P型复合材料，经过电极端进入Π型元件中的N型复合材料,电流由N型材料流出，最后流入直流电源负极；Π型元件的热电材料在电流的作用下产生热电效应，热电材料产生的热量通过电极端向外界释放，使得本装置实现弹热效应和热电效应的耦合。当Π型元件移动到最高点时，放热量达到最大，此时电极端与热端换热器完全紧密贴合，电极端将热量传递至热端换热器，由热端换热器向外界释放热量。

当电极端与热端换热器热量交换完成以后，在驱动装置的反向驱动下，轴杆带动轴杆滑块向左下方移动，轴杆滑块带动Π型元件向左下方移动，Π型元件带动滑轨滑块，使滑轨滑块沿滑轨竖直向下移动。Π型元件的左下方移动是Π型元件中的弹热材料水平收缩和Π型元件中的P型材料和N型材料向下移动。此时，Π型元件中的弹热材料水平收缩产生逆向相变，温度逐渐降低，受Π型元件复合材料具备特性和结构的影响，弹热材料吸收的热量通过电极端向外界吸收热量；与此同时，直流电源在转向器的作用下，改变直流电源的电流方向，通过电源线，向Π型元件输送电流；具体流向为直流电源正极流出电流，电流首先流进Π型元件中的N型复合材料，经过电极端进入Π型元件中的P型复合材料,电流由P型复合材料流出，最后流入直流电源负极；Π型元件的热电材料在电流的作用下产生热电效应，热电材料吸收的热量通过电极端向外界吸收热量，使得本装置实现弹热效应和热电效应的耦合。当Π型元件移动到最低点时，吸热量达到最大，此时电极端与冷端换热器完全紧密贴合，电极端向冷端换热器吸收热量，由冷端换热器向外界吸收热量，实现制冷功率最大化。

当电极端与冷端换热器热量交换完成以后，在驱动装置的驱动下，轴杆带动轴杆滑块向右上方移动，轴杆滑块带动Π型元件向右上方移动，Π型元件带动滑轨滑块，使滑轨滑块沿滑轨竖直向上移动。不断往复循环，实现本装置冷量的持续输出。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属技术领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，包括Π型元件组、换热装置；所述换热装置包括冷端换热器、热端换热器；其特征在于：冷端换热器与热端换热器分离固定设置；所述Π型元件组相对于冷端换热器和热端换热器能够位置移动；所述冷端换热器与移动的Π型元件组能够贴合和分离；所述热端换热器与移动的Π型元件组能够贴合和分离；

所述Π型元件包括P型复合材料、N型复合材料、电极端、直流电源、转向器、电源线；所述P型复合材料的一端与电极端连接；所述P型复合材料的另一端通过电源线与直流电源连接；所述N型复合材料的一端与电极端连接；所述N型复合材料的另一端通过电源线与直流电源连接；所述电源线上设有转向器；

所述P型复合材料是由P型热电材料和弹热材料复合而成，所述N型复合材料是由N型热电材料和弹热材料复合而成。

2.根据权利要求1所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：所述Π型元件组包括m个Π型元件，m≥1的整数；所述m个Π型元件水平并排等间距设置。

3.根据权利要求1所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：所述Π型元件组包括Π型元件组左端固定板、Π型元件组右端固定板；所述Π型元件组左端固定板设置连接在Π型元件组中所有Π型元件的电极端侧；所述Π型元件组右端固定板设置连接在Π型元件组中所有Π型元件的电源线侧。

4.根据权利要求1所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：包括固定架、滑轨、滑轨滑块，所述固定架包括固定架上壁、固定架下壁、固定架左壁；所述滑轨竖直设置，固定于固定架上壁与下壁之间，滑轨上端与固定架上壁连接，滑轨下端与固定架下壁连接；所述Π型元件组左端固定板与滑轨滑块连接；所述滑轨滑块能够在滑轨上进行竖直移动；所述滑轨滑块的形状为夹具型；所述Π型元件组与固定架上壁、固定架下壁平行设置。

5.根据权利要求1所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：包括驱动装置、轴杆、轴杆滑块；所述轴杆一端与驱动装置连接，另一端与轴杆滑块一端连接；所述Π型元件组右端固定板与轴杆滑块连接；所述轴杆滑块的形状为夹具型。

6.根据权利要求1所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：所述换热装置包括固定冷端换热器支架、固定热端换热器支架；所述冷端换热器设置在换热装置下部，一端通过固定冷端换热器支架与固定架左壁连接；所述热端换热器设置在换热装置上部，一端通过固定热端换热器支架与固定架左壁连接。

7.根据权利要求6所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：所述换热装置包括风扇，所述风扇为若干个，接近设置在热端换热器和冷端换热器处。

8.根据权利要求1所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：所述冷端换热器和热端换热器为翅片管式换热器。

9.根据权利要求5所述的一种热电效应和弹热效应耦合的固态制冷装置，其特征在于：所述驱动装置包括电机。