CN116007226A - 一种基于热电磁耦合的室温固态制冷装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热电磁耦合的室温固态制冷装置，包括机架、磁体转动机构、流体换热机构和热电磁固态制冷单元；所述磁体转动机构包括电机、竖直布置的转轴和若干U型磁体；所述电机安装在机架上，电机的输出端与转轴的下端相连，转轴的上端周向间隔安装U型磁体，U型磁体的中部开设有向外的与热电磁固态制冷单元适配的槽口；所述流体换热机构包括换热器和管路组件，换热器的内端与管路组件相连形成循环回路，换热流体在循环回路内流动；换热器的外端安装热电磁固态制冷单元。本发明的有益效果为：本发明中热电磁固态制冷元件与换热器固定连接，避免了两者之间的动态接触，显著提高了换热效率，同时简化了制冷装置的结构。

Description

一种基于热电磁耦合的室温固态制冷装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制冷设备，具体涉及一种基于热电磁耦合的室温固态制冷装置及方法。

背景技术

目前,市面上广泛使用的制冷设备普遍采用传统的蒸气压缩制冷技术，具有制冷功率高、制冷系数大的优势。但是，蒸气压缩制冷技术存在因制冷剂泄露而引起强温室效应或臭氧层破坏等环境问题，在“双碳行动”的大背景下其未来使用将受到严格限制。因此，开发高效绿色环保的固态制冷技术是制冷领域持续发展的关键一环。

磁卡制冷技术是一种新型制冷技术，其核心是利用磁卡材料的磁热效应实现吸热和放热。磁卡材料位于磁场内时，由于磁熵降低导致其温度升高；当磁卡材料退出磁场时,由于磁熵增大引起温度下降，从而实现制冷。磁卡制冷是一种典型的绿色环保型制冷技术，制冷装置无需制冷剂、无污染物排放。但是，磁卡制冷装置由于采用液体作为回热介质，还存在回热损失大的问题，导致目前磁卡制冷技术的制冷系数仍处于较低水平，还无法与空气压缩制冷抗衡。

热电制冷技术是一种基于帕尔贴效应的固态制冷技术。当一定大小的直流电通过热电材料时，热电材料两端将分别出现吸热和放热现象。热电制冷也是一种绿色固态制冷技术，具有无需机械部件、响应速度快和制冷温差大等优势。由于受限于热电材料的热电转换性能，目前热电制冷技术的制冷系数不高，主要应用于一些对制冷量要求不大的场景，如微型冰箱、饮水机和探测器制冷器等。

现有的磁卡制冷技术或热电制冷技术的制冷系数很难达到传统蒸汽压缩制冷技术的水平，这也极大限制了其应用。如果将这两种绿色制冷技术结合、同时发挥出两种制冷技术的优势，则有望实现一种新的更高效的制冷模式。已有相关单位设计了热电制冷与磁卡制冷耦合的制冷装置。专利CN 111174461 A公开了一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其以热电器件作为热开关来控制磁卡制冷装置的散热和吸热过程，是一种将热电器件与磁卡制冷组装搭配的工作方式。专利CN 109764575 A公开了一种热电与磁卡耦合的制冷装置，将热电材料与磁热材料复合后形成长柱状，并在磁场作用下提高散热端与制冷端温差，实现高效制冷；该装置是利用磁热效应来增强散热端和吸热端的热交换能力，主要以热电制冷为主，但未充分考虑磁制冷的回热过程。专利CN 114017946 A和CN112254370 A公开了基于热电磁耦合的全固态制冷器件和制冷装置，并设计了一种基于布雷顿循环的新工作机制，实现了热电磁材料在可换向电场和可变磁场条件下的制冷方式。

然而，上述基于热电磁耦合的制冷装置普遍存在以下问题：1、制冷元件与换热器之间需要动态配合，因此存在配合不紧密、影响传热问题。若配合过于紧密，则制冷元件与换热

器之间的摩擦或碰撞将影响器件寿命；2、由于制冷元件需要持续的动态旋转，必须单独布5置电路，这给电路布置造成困难、易造成线路故障；3、制冷元件在移动过程中会与环境换

热，从而影响制冷效率。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种制冷效率高、结构紧凑的基于热电磁耦合的室温固态制冷装置及方法。

0本发明采用的技术方案为：一种基于热电磁耦合的室温固态制冷装置，包括机架、磁体

转动机构、流体换热机构和热电磁固态制冷单元；

所述磁体转动机构包括电机、竖直布置的转轴和若干U型磁体；所述电机安装在机架上，电机的输出端与转轴的下端相连，转轴的上端周向间隔安装U型磁体，U型磁体的中部开设

有向外的与热电磁固态制冷单元适配的槽口；

5所述流体换热机构包括换热器和管路组件，换热器的内端与管路组件相连形成循环回路，

换热流体在循环回路内流动；换热器的外端安装热电磁固态制冷单元；

当电机驱动转轴转动时，U型磁体随之转动，使热电磁固态制冷单元进入U型磁体的瓷藏覆盖范围内励磁，热电磁固态制冷单元通过换热器散热，或使热电磁固态制冷单元移出U型磁体的磁场覆盖范围退磁，热电磁固态制冷单元通过换热器吸热。

0按上述方案，所述热电磁固态制冷单元包括若干串联的热电磁制冷元件和可换向电流源；

热电磁制冷元件安装在换热器上；所述热电磁固态制冷元件包括一个P型热电磁固态制冷件、一个N型热电磁固态制冷件和外环电极，N型热电磁制冷件和P型热电磁制冷件的外环通过外环电极相连；相邻两个热电磁制冷元件中，前一级热电磁制冷元件的N型热电磁固态制

冷件的内端与后一级热电磁制冷元件的P型热电磁制冷件的内端通过导线相连；首级热电磁5制冷元件的P型热电磁制冷件或N型热电磁制冷件的内端、末级热电磁制冷元件的N型热电

磁制冷件或P型热电磁制冷件分别通过导线与可换向电流源的正、负极相连。

按上述方案，磁体转动机构的U型磁体通过上端的上夹板和下端的下夹板固定在转轴上，上下夹板水平；转轴依次穿过上夹板和下夹板且与二者相连，转轴的上端与上层固定板顶部的定位轴承相连；上下夹板和U型磁体均随转轴转动。

0按上述方案，U型磁体由两块呈扇形磁体上下对称连接而成，U型磁体的内侧面为与转

轴适配的弧面；两块扇形磁体的连接段形成槽口，槽口产生的有效磁场面积覆盖至少一个热电磁固态制冷元件，且磁场方向垂直作用于热电磁固态制冷元件中的电流方向。

按上述方案，换热器包括基座和盖板，所述基座的后端开设有换热流体的流道，流道两端分别为端口A和端口B；基座内开设有凹槽作为换热流体的内部流路，与流道连通；流路上部通过盖板密封连接；所述基座的底部伸出一个平台，热电磁固态制冷元件安装在换热器的平台上；热电磁固态制冷元件的外环电极与基座和盖板的内沿接触，基座和盖板的内沿为上下对齐的传热面。

按上述方案，基座和盖板的内沿为与外环电极适配的弧面。

按上述方案，外环电极的外环面涂覆金属氧化膜；热电磁固态制冷元件与平台采用不导热绝缘胶固定。

按上述方案，所述换热器包括第一换热器和第二换热器；管路组件包括第一三通阀、热循环泵、冷循环泵和第二三通阀，所述第一三通阀的接口A与第一换热器的流体通道端口A连通，第一换热器流体通道的端口B与第二换热器流体通道的端口B连通，第二换热器流体通道的端口A与第二三通阀的接口A连通；所述第一三通阀的接口B通过管路与热循环泵的一个接口连通，热循环泵的另一接口通过管路与第二三通阀的接口C连通；所述第一三通阀的接口C与冷循环泵的一个接口连通，冷循环泵的另一个接口通过管路与第二三通阀的接口B连通。

按上述方案，热循环泵连接有蓄热器和散热风扇；冷循环泵还连接有蓄冷器和制冷风扇。

本发明还提供了一种基于热电磁耦合的室温固态制冷方法，该方法为：提供如上所述室温固态制冷装置，启动磁体转动机构，带动U型磁体周期性转动，使热电磁固态制冷元件周期性励磁或退磁；

当U型磁体旋转至磁场覆盖热电磁固态制冷元件的位置时，热电磁固态制冷元件被磁化，通过换热器散热；同时向热电磁固态制冷元件施加正向电流，热电磁固态制冷元件的热量带到换热器；关闭两个三通阀与冷循环泵的连通，开启两个三通阀与热循环泵的连通，流经热循环泵的高温流体通过蓄热器，并利用散热风扇进行散热，使系统温度降低；

当U型磁体旋转至磁场未覆盖热电磁固态制冷元件的位置时，热电磁固态制冷元件退磁，通过换热器吸热；同时向热电磁固态制冷元件施加反向电流，热电磁固态制冷元件向换热器吸热；关闭两个三通阀与热循环泵的连通，开启两个三通阀与冷循环泵的连通，流经冷循环泵的低温流体通过蓄冷器，并利用制冷风扇进行制冷，使系统温度升高。

本发明的有益效果为：

1、本发明中热电磁固态制冷元件与换热器固定连接，在设计上具有以下显著优势：第一、有效避免了两者之间由于频繁的动态接触引起的失配和磨损问题，提高了器件的使用寿命和装置运行的稳定性，同时简化了制冷装置的结构和控制系统；第二、热电磁固态制冷元件与换热器固定连接显著提高了两者换热效率，有助于提高装置的制冷系数；第三、能够满足多个Π型热电磁固态制冷元件同时与换热器进行热交换，使得制冷装置的散热效率更高；第四、多个Π型热电磁固态制冷元件串联布置且与同一个可换向电流源相连，简化了电路布局，有效避免了制冷元件旋转时引起的电路混乱甚至短路问题。

2、本发明以热电磁复合材料作为制冷工质和固态传热介质，同时利用磁制冷和热电制冷两种制冷效应，大幅度提高室温制冷效率，拓宽了固态制冷设备的应用场景。

3、本发明采用流路串联或并联的方法连接所有的换热器，只需要使用一个热循环泵和一个冷循环泵即可为多个的换热器进行热量循环，简化了流路布局；在实际应用中还可以根据装置使用需要增减热电磁固态制冷元件和换热器的数量，提高了设备的可设计性。

4、本发明通过电动或机控的方法，根据热电磁固态制冷元件的励磁和退磁需求状态而改变电流方向、改变流路方向和改变磁场位置，实现同步切换配合，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明的整体结构正面的主视图。

图2为本发明的整体结构背面的斜视图。

图3为热电磁固态制冷元件的结构示意图。

图4为换热器的盖板示意图。

图5为换热器的基座示意图。

图6为换热器的基座、盖板和热电磁固态制冷元件之间的配合关系示意。

图7为U型磁体结构示意图。

图8为磁体转动机构示意图。

图9为施加正向电流时单个热电磁固态制冷元件两端吸放热状况示意图。

图10为施加反向电流时单个热电磁固态制冷元件两端吸放热状况示意图。

图11为两个热电磁固态制冷元件的电路布置示意图。

图12为U型磁体旋转至覆盖热电磁固态制冷元件时的电流方向和热流方向。

图13为U型磁体旋转至未覆盖热电磁固态制冷元件时的电流方向和热流方向。

图14为本发明的流路示意图。

图15为U型磁体旋转至磁场未覆盖热电磁固态制冷元件时三通阀的开启与关闭情况以及泵的启动与停机情况。

图16为U型磁体旋转至磁场覆盖热电磁固态制冷元件时三通阀的开启与关闭情况以及泵的启动与停机情况。

图17为本发明的整体结构正面的三维视图。

其中：1.1、下层固定板；1.2、中层固定板；1.3、上层固定板；1.4、支撑杆；2、换热器；2.1、第一换热器；2.2、第二换热器；201、基座；202、凹槽；203、平台；204、盖板；3、流路管道；4、循环泵；4.1、热循环泵；4.2、冷循环泵；5、三通阀；5.1、第一三通阀；5.2、第二三通阀；6、温度传感器；7、散热风扇；8、制冷风扇；9、定位轴承；10、磁体转动机构；10.1、U型磁体；10.2、转轴；10.3、电机；10.4、上磁体固定板；10.5、下磁体固定板；11、热电磁固态制冷元件；11.1、P型热电磁固态制冷件；11.2、N型热电磁固态制冷件；11.3、外环电极；12、支撑件；13、螺纹连接头；14、可换向电流源。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图17所示的一种基于热电磁耦合的室温固态制冷装置，包括机架、磁体转动机构10、流体换热机构和热电磁固态制冷单元；

所述磁体转动机构10包括电机10.3、竖直布置的转轴10.2和若干U型磁体10.1；所述电机10.3安装在机架上，电机10.3的输出端与转轴10.2的下端相连，转轴10.2的上端周向间隔安装U型磁体10.1，U型磁体10.1的中部开设有向外的与热电磁固态制冷单元适配的槽口；

所述流体换热机构包括换热器2和管路组件，换热器2的内端与管路组件相连形成循环回路，换热流体在循环回路内流动；所述换热器2通过支撑件固定在机架上，换热器2的外端安装热电磁固态制冷单元；

当电机10.3驱动转轴10.2转动时，U型磁体10.1随之转动，使热电磁固态制冷单元进入U型磁体10.1的磁场覆盖范围励磁，热电磁固态制冷单元通过换热器2散热，或使热电磁固态制冷单元移出U型磁体10.1的的磁场覆盖范围退磁，热电磁固态制冷单元通过换热器2吸热。

机架

所述机架包括自下而上水平布置的下层固定板1.1、中层固定板1.2和上层固定板1.3；中层固定板1.2通过四角的下支撑杆1.4与下层固定板1.1相连，上层固定板1.3通过四角的上支撑杆与中层固定板1.2相连；所述磁体转动机构10的电机10.3安装在下层固定板1.1上，磁体转动机构10的转轴10.2穿过中层固定板1.2和上层固定板1.3，与上层固定板1.3顶部的定位轴承9相连；所述支撑件12的下端固定在中层固定板1.2上，支撑件12的上端安装换热器2。

热电磁固态制冷单元

所述热电磁固态制冷单元包括若干串联的热电磁制冷元件11和可换向电流源；所述热电磁固态制冷元件11为Π型结构(如图3、9～11所示)，包括一个P型热电磁固态制冷件11.1、一个N型热电磁固态制冷件11.2和外环电极11.3，N型热电磁制冷件11.2和P型热电磁制冷件11.1的外环通过外环电极11.3相连；相邻两个热电磁制冷元件11中，前一级热电磁制冷元件11的N型热电磁固态制冷件11.2的内端与后一级热电磁制冷元件11的P型热电磁制冷件11.1的内端通过导线相连；首级热电磁制冷元件11的P型热电磁制冷件11.1(或N型热电磁制冷件11.2)的内端、末级热电磁制冷元件11的N型热电磁制冷件11.2或(P型热电磁制冷件11.1)分别通过导线与可换向电流源的正、负极相连。

本发明中，所述P型热电磁制冷件11.1和N型热电磁制冷件11.2同时具有高热电性能和高磁熵变，其中，P型热电磁制冷件11.1由P型热电材料与磁热材料复合得到的梯度复合结构或者均匀复合结构热电磁材料；N型热电磁制冷件11.2由N型热电材料与磁热材料复合得到的梯度复合结构或者均匀复合结构热电磁材料；在梯度复合结构中磁热材料含量多的一端位于外环侧。所述热电材料为Bi2Te3基合金、Ag2Te基化合物、Mg3Bi2基合金和YbAl3基合金中的至少一种，所述磁热材料为Gd金属、Gd基合金、LaFeSi基化合物、MnAs基化合物和MnCoGe基化合物中的至少一种。外环电极11.3为弧形紫铜电极。可换向电流源串联两个热电磁固态制冷元件11，可换向电流源可通过编程实现切换电流方向，并且电流大小均可控。

本实施例中，所述热电磁固态制冷单元包含两个串联的热电磁制冷元件11，每个热电磁制冷元件11对应配置一个换热器2。电机10.3通过转轴10.2带动U型磁体10.1周期性转动，每次转动90°。如图9和12所示，当U型磁体10.1转动至其磁场覆盖热电磁固态制冷元件11的位置时，可换向直流电源提供正向电流，方向为先从第一个热电磁固态制冷元件11的P型热电磁固态制冷件11.1流入，从第一个热电磁固态制冷元件11的N型热电磁固态制冷件11.2流出，再从第二个热电磁固态制冷元件11的P型热电磁固态制冷件11.1流入，从第二个热电磁固态制冷元件11的N型热电磁固态制冷件11.2流出。如图10和13所示，当U型磁体10.1转动至其磁场未覆盖热电磁固态制冷元件11的位置时，可换向直流电源提供反向电流，方向为先从第二个热电磁固态制冷元件11的N型热电磁固态制冷件11.2流入，从第二个热电磁固态制冷元件11的P型热电磁固态制冷件11.1流出，之后再从第一个热电磁固态制冷元件11的N型热电磁固态制冷件11.2流入，从第一个热电磁固态制冷元件11的P型热电磁固态制冷件11.1流出。当正向电流从P型热电磁固态制冷件11.1流入时，热电磁固态制冷元件11的外环电极11.3形成热端，此时通过所述换热器2向外放热，利用热电效应主动散热，利用磁热效应辅助散热。当反向电流从N型热电磁固态制冷件11.2流入时，热电磁固态制冷元件11的外环电极11.3形成冷端，此时通过所述换热器2吸收热量实现制冷，利用热电效应主动吸热，利用磁热效应辅助吸热。

磁体转动机构

磁体转动机构10的U型磁体10.1通过上端的上夹板10.4和下端的下夹板10.5固定在转轴10.2上(如图8所示)，上下夹板水平；转轴10.2依次穿过上夹板10.4和下夹板10.5且与二者相连，转轴10.2的上端与上层固定板1.3顶部的定位轴承9相连，转轴10.2的下端末端与电机10.3相连；上下夹板和U型磁体10.1均随转轴10.2转动。如图7所示，U型磁体10.1基于几何结构优化设计，其由两块呈扇形磁体上下对称连接而成，U型磁体10.1的内侧面为与转轴10.2适配的弧面；两块扇形磁体的连接段形成槽口，槽口的高度为1`20mm，保证热电磁固态制冷元件11穿过，且使所产生的磁场穿过槽口，在槽口产生0.01～5T磁场，有效磁场面积覆盖至少一个热电磁固态制冷元件11，且磁场方向垂直作用于热电磁固态制冷元件11中的电流方向。

本发明中，所述电机10.3通过转轴10.2带动U型磁体10.1旋转，当U型磁体10.1的槽口旋转至热电磁固态制冷元件11的位置时，磁场覆盖热电磁固态制冷元件11，热电磁固态制冷元件11励磁，利用磁热效应辅助热电磁固态制冷元件11散热；当U型磁体10.1的槽口移出热电磁固态制冷元件11的位置时，磁场未覆盖热电磁固态制冷元件11，热电磁固态制冷元件11退磁，利用磁热效应辅助热电磁固态制冷元件11吸热。所述电机10.3带动转轴10.2周期性旋转，进而U型磁体10.1进行周期性旋转，进而对热电磁固态制冷元件11周期性磁化与退磁。

流体换热机构

如图6所示，换热器2包括基座201和盖板204，所述基座201的后端开设有换热流体的流道，流道两端分别为端口A和端口B；基座201内开设有凹槽作为换热流体的内部流路，与流道连通(如图5所示)；流路上部通过盖板204密封连接；所述基座201的底部伸出一个平台203，热电磁固态制冷元件11安装在换热器2的平台203上；热电磁固态制冷元件11的外环电极11.3与基座201和盖板204的内沿接触，基座201和盖板204的内沿为上下对齐的传热面。本实施例中，基座201和盖板204的内沿为与外环电极11.3适配的弧面(如图4所示)。为了保证热电磁固态制冷元件11的外环电极11.3与基座201和盖板204的传热面良好热接触，但保持电绝缘，将外环电极11.3的外环面涂覆金属氧化膜；为热电磁固态制冷元件11与平台203之间应保持电和热绝缘，采用不导热绝缘胶将两者固定。

换热器2数量与热电磁固态制冷元件11的数量一致，所述换热器包括第一换热器2.1和第二换热器2.2,。第一换热器2.1和第二换热器2.2的端口处各安装一个温度传感器6，用于测量换热前后的水温。

如图14所示，管路组件包括第一三通阀5.1、热循环泵4.1、冷循环泵4.2和第二三通阀5.2，所述第一三通阀5.1的接口A与其中一个换热器(也即第一换热器2.1)的流体通道端口A连通，该换热器流体通道的端口B与另一个换热器(也即第二换热器2.2)流体通道的端口B连通，另一换热器流体通道的端口A与第二三通阀5.2的接口A连通；所述第一三通阀5.1的接口B通过管路与热循环泵4.1的一个接口连通，热循环泵4.1的另一接口通过管路与第二三通阀5.2的接口C连通；所述第一三通阀5.1的接口C与冷循环泵4.2的一个接口连通，冷循环泵4.2的另一个接口通过管路与第二三通阀5.2的接口B连通。本实施例中，第一换热器2.1流体通道的端口A为入水口，第一换热器2.1流体通道的端口B为出水口；第二换热器2.2流体通道的端口B为入水口，第二换热器2.2流体通道的端口A为出水口。

本发明中，第一三通阀5.1分别与热循环泵4.1、冷循环泵4.2和第一换热器2.1相连接；所述第二三通阀5.3分别与热循环泵4.1、冷循环泵4.2和第二换热器2.2相连接，由此构成管路组件；换热流体作为传热介质在管路组件内流通，换热流体由水、乙醇、乙二醇和导热油中的一种或者几种组成。三通阀与管道之间通过螺纹连接头13相连。连接第一换热器流体通道和第二换热器流体通道的为流路管道3，在流路管道3的入水口和出水口各安装有一温度传感器6，观察两个温度传感器6的温度得知管路组件内的换热流体是否回到室温来判断是否旋转U型磁体10.1；也可得知在当前电流大小，流速和旋转周期等参数的共同影响下，热电磁耦合的固态制冷装置的制冷性能是否达到最佳状态，从而进一步调整参数以获得最佳制冷性能。

本发明中，热循环泵4.1还连接有蓄热器和散热风扇，当热循环泵4.1开启时，启动散热风扇7对高温流体散热，并通过蓄热器散热；冷循环泵还连接有蓄冷器和制冷风扇，当冷循环泵开启时，启动制冷风扇8，利用低温流体制冷，并通过蓄冷器吸热制冷。

根据换热流体经过的顺序将两个三通阀分为第一三通阀5.1和第二三通阀5.2，两个三通阀可通过各种机械或电动的方式控制阀门转向，切换不同的流路。当所述U型磁体10.1旋转至磁场未覆盖热电磁固态制冷元件11的位置时，切断第一三通阀5.1和第二三通阀5.2与热循环泵4.1的连通(如图15所示)，使流体从冷循环泵4.2出发依次流经第一换热器2.1和第二换热器2.2后回到冷循环泵4.2；当U型磁体10.1旋转至磁场覆盖热电磁固态制冷元件11的位置时，切断第一三通阀5.1和第二三通阀5.2与冷循环泵4.2的连通(如图16所示)，使流体从热循环泵4.1出发依次流经第一热换热器2.1和第二换热器后2.2回到热循环泵4.1。

一种基于热电磁耦合的室温固态制冷方法，该方法为：提供如上所述室温固态制冷装置，启动磁体转动机构10，带动U型磁体10.1周期性转动，使热电磁固态制冷元件11周期性励磁或退磁；

当U型磁体10.1旋转至磁场覆盖热电磁固态制冷元件11的位置时，热电磁固态制冷元件11被绝热磁化，其系统熵不变，磁熵减小，温度升高，通过换热器2散热；同时向热电磁固态制冷元件11施加正向电流，在帕尔贴效应作用下将热电磁固态制冷元件11的热量带到换热器2，此时处于磁场中的热电磁固态制冷元件11利用帕尔贴效应主动散热、利用磁热效应辅助散热；关闭两个三通阀与冷循环泵4.2的连通，开启两个三通阀5与热循环泵4.1的连通，流经热循环泵4.1的高温流体通过蓄热器，并利用散热风扇8进行散热，使系统温度降低，如图16所示；

当U型磁体10.1旋转至磁场未覆盖热电磁固态制冷元件11的位置时，热电磁固态制冷元件11绝热退磁，其系统熵不变，磁熵增大，温度降低，通过换热器2吸热；同时向热电磁固态制冷元件11施加反向电流，在帕尔贴效应作用下，热电磁固态制冷元件11向换热器2吸热，此时处于磁场外的热电磁固态制冷元件11利用帕尔贴效应主动吸热、利用磁热效应辅助吸热；关闭两个三通阀5与热循环泵4.1的连通，开启两个三通阀5与冷循环泵4.1的连通，流经冷循环泵4.2的低温流体通过蓄冷器，并利用制冷风扇7进行制冷，使系统温度升高，如图15所示。

本实施例中，如图12和13所示，U型磁体10.1周期性转动，每次转动90°。当流体温度回升到室温后，旋转U型磁体10.1至磁场覆盖热电磁固态制冷元件11的位置，重复上述过程，完成制冷效果的累积，实现室温附近的大功率制冷。

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齐限制；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，其均应涵盖在本范明请求保护的技术方案中。

Claims (10)

1.一种基于热电磁耦合的室温固态制冷装置，其特征在于，包括机架、磁体转动机构、流体换热机构和热电磁固态制冷单元；

所述磁体转动机构包括电机、竖直布置的转轴和若干U型磁体；所述电机安装在机架上，电机的输出端与转轴的下端相连，转轴的上端周向间隔安装U型磁体；

所述流体换热机构包括换热器和管路组件，换热器的内端与管路组件相连形成循环回路，换热流体在循环回路内流动；换热器的外端安装热电磁固态制冷单元；

当电机驱动转轴转动时，U型磁体随之转动，使热电磁固态制冷单元进入U型磁体的瓷藏覆盖范围内励磁，热电磁固态制冷单元通过换热器散热，或使热电磁固态制冷单元移出U型磁体的磁场覆盖范围退磁，热电磁固态制冷单元通过换热器吸热。

2.如权利要求1所述的室温固态制冷装置，其特征在于，所述热电磁固态制冷单元包括若干串联的热电磁制冷元件和可换向电流源；热电磁制冷元件安装在换热器上；所述热电磁固态制冷元件包括一个P型热电磁固态制冷件、一个N型热电磁固态制冷件和外环电极，N型热电磁制冷件和P型热电磁制冷件的外环通过外环电极相连；相邻两个热电磁制冷元件中，前一级热电磁制冷元件的N型热电磁固态制冷件的内端与后一级热电磁制冷元件的P型热电磁制冷件的内端通过导线相连；首级热电磁制冷元件的P型热电磁制冷件或N型热电磁制冷件的内端、末级热电磁制冷元件的N型热电磁制冷件或P型热电磁制冷件分别通过导线与可换向电流源的正、负极相连。

3.如权利要求2所述的室温固态制冷装置，其特征在于，磁体转动机构的U型磁体通过上端的上夹板和下端的下夹板固定在转轴上，上下夹板水平；转轴依次穿过上夹板和下夹板且与二者相连，转轴的上端与上层固定板顶部的定位轴承相连；上下夹板和U型磁体均随转轴转动。

4.如权利要求3所述的室温固态制冷装置，其特征在于，U型磁体由两块呈扇形磁体上下对称连接而成，U型磁体的内侧面为与转轴适配的弧面；两块扇形磁体的连接段形成槽口，槽口产生的有效磁场面积覆盖至少一个热电磁固态制冷元件，且磁场方向垂直作用于热电磁固态制冷元件中的电流方向。

5.如权利要求2所述的室温固态制冷装置，其特征在于，换热器包括基座和盖板，所述基座的后端开设有换热流体的流道，流道两端分别为端口A和端口B；基座内开设有凹槽作为换热流体的内部流路，与流道连通；流路上部通过盖板密封连接；所述基座的底部伸出一个平台，热电磁固态制冷元件安装在换热器的平台上；热电磁固态制冷元件的外环电极与基座和盖板的内沿接触，基座和盖板的内沿为上下对齐的传热面。

6.如权利要求5所述的室温固态制冷装置，其特征在于，基座和盖板的内沿为与外环电极适配的弧面。

7.如权利要求5所述的室温固态制冷装置，其特征在于，外环电极的外环面涂覆金属氧化膜；热电磁固态制冷元件与平台采用不导热绝缘胶固定。

8.如权利要求1所述的室温固态制冷装置，其特征在于，所述换热器包括第一换热器和第二换热器；管路组件包括第一三通阀、热循环泵、冷循环泵和第二三通阀，所述第一三通阀的接口A与第一换热器的流体通道端口A连通，第一换热器流体通道的端口B与第二换热器流体通道的端口B连通，第二换热器流体通道的端口A与第二三通阀的接口A连通；所述第一三通阀的接口B通过管路与热循环泵的一个接口连通，热循环泵的另一接口通过管路与第二三通阀的接口C连通；所述第一三通阀的接口C与冷循环泵的一个接口连通，冷循环泵的另一个接口通过管路与第二三通阀的接口B连通。

9.如权利要求1所述的室温固态制冷装置，其特征在于，热循环泵连接有蓄热器和散热风扇；冷循环泵还连接有蓄冷器和制冷风扇。

10.一种基于热电磁耦合的室温固态制冷方法，其特征在于，该方法为：提供权利要求1～9中任意一项所述室温固态制冷装置，启动磁体转动机构，带动U型磁体周期性转动，使热电磁固态制冷元件周期性励磁或退磁；

当U型磁体旋转至磁场覆盖热电磁固态制冷元件的位置时，热电磁固态制冷元件被磁化，通过换热器散热；同时向热电磁固态制冷元件施加正向电流，热电磁固态制冷元件的热量带到换热器；关闭两个三通阀与冷循环泵的连通，开启两个三通阀与热循环泵的连通，流经热循环泵的高温流体通过蓄热器，并利用散热风扇进行散热，使系统温度降低；

当U型磁体旋转至磁场未覆盖热电磁固态制冷元件的位置时，热电磁固态制冷元件退磁，通过换热器吸热；同时向热电磁固态制冷元件施加反向电流，热电磁固态制冷元件向换热器吸热；关闭两个三通阀与热循环泵的连通，开启两个三通阀与冷循环泵的连通，流经冷循环泵的低温流体通过蓄冷器，并利用制冷风扇进行制冷，使系统温度升高。

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