基于热电磁耦合的全固态能量转换制冷器件

技术领域

本发明涉及固态制冷技术领域，特别涉及一种基于热电磁耦合的全固态能量转换制冷器件。

背景技术

传统蒸汽压缩制冷是目前最为成熟的制冷技术，具有大的制冷效率和制冷量，已广泛用于空调、冰箱和其他制冷设备。目前，全球空调总量约20亿台，空调的制冷系数（COP）最大已超过3.0。由于该技术必须使用对大气环境有破坏作用的含氟制冷剂，根据《蒙特利尔协定书》的约定，全球采取了严格控制制冷剂用量的措施，以缓解制冷剂泄露引起的臭氧层破坏和温室效应问题。近年，各国已加快了对制冷剂取代物的研究，但高效环保的新制冷剂还未获得成功应用。基于磁卡效应的磁制冷和基于帕尔贴效应的热电制冷属于绿色环保无污染的制冷技术，逐渐受到了国内外的广泛关注。

磁制冷是一种将具有磁卡效应的磁热材料作为制冷工质的环境友好型制冷技术。其工作原理是基于磁卡效应，即磁热材料在磁化时磁熵降低而放热，在退磁时磁熵增大而吸热，从而实现制冷。磁制冷技术一般采用流体作为热交换介质，一方面将磁热材料磁化时放出的热量带走，另一方面将制冷端的热量带给磁热材料，供其退磁时吸热。磁制冷的制冷效率较高，可达到卡诺循环的30-60％。所采用的固态制冷工质和热交换流体介质安全无污染，且不需要压缩装置，是目前最有应用前景的绿色制冷技术之一。然而，磁制冷技术存在固-液热交换不彻底和系统回热损失大的瓶颈问题，严重制约了其制冷应用。理论计算表明，要使磁制冷技术的COP达到4.0，要求回热损失控制在2.0以下，但目前将回热损失降到4.0尚有相当大的困难。因此，单一的磁卡制冷技术难以代替传统蒸汽压缩制冷技术。

热电制冷是一种利用热电材料的帕尔贴效应实现制冷的环境友好型全固态能量转换技术。其原理是向相连的P型和N型两种热电材料通入电流时，通过两种热电材料的载流子（P型热电材料为空穴，N型热电材料为电子）在电场作用下的定向移动，实现热量由制冷端向散热端传输。热电制冷技术具有无需活动部件、可微型化和可靠性强等优势，且控制电流方向可实现冷端和热端互换。热电制冷的COP主要取决于N型和P型热电材料的热电性能，与材料的无量纲热电优值ZT密切相关：ZT值越高，COP越大。理论计算表明，若制冷系数达到4.0，则要求热电材料的ZT值达到3.0以上，而目前室温热电材料的ZT值最大不超过2.0。因此，采用单一的热电制冷代替传统蒸汽压缩制冷也面临巨大挑战。

目前单一磁制冷技术或单一热电制冷技术均难以与传统蒸汽压缩制冷技术相抗衡。

发明内容

本发明针对目前单一磁制冷技术和单一热电制冷技术存在的技术缺陷，提供一种基于热电磁耦合的全固态能量转换制冷器件，该器件相比单一磁制冷装置具有结构更紧凑、无流体传热介质、循环制冷频率高、固-固热交换快和制冷效率高等优势，与单一热电制冷相比具有更大的制冷量和制冷效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于热电磁耦合的全固态能量转换制冷器件，包括热电磁制冷环形器、磁体、转动机构、正向直流电源、反向直流电源、热端换热器和冷端换热器；

所述热电磁制冷环形器包括呈同心圆分布的多个Π型热电磁制冷扇形元件，每个Π型热电磁制冷扇形元件包括一个扇形N型热电磁制冷臂和一个扇形P型热电磁制冷臂；两臂外环由电极连接，两臂内环分别与直流电源的正负极相连；

所述磁体置于所述热电磁制冷环形器上方，用于对处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件进行励磁；

所述转动装置用于控制所述热电磁制冷环形器绕同心圆转动，使处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件离开磁场实现退磁；

所述冷端换热器附着在处于退磁状态、位于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件的电极上，为该Π型热电磁制冷扇形元件吸热提供制冷热量；

所述热端换热器附着在处于励磁状态、位于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件的电极上，为该Π型热电磁制冷扇形元件放热提供散热装置；

所述正向直流电源用于为处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形单元施加电流，在其电极端形成热端，通过所述热端换热器向外放热；所述反向直流电源用于为处于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件施加电流，在其电极端形成冷端，通过所述冷端换热器吸收热量实现制冷。

接上述技术方案，所述热电磁制冷环形器由偶数个Π型热电磁制冷扇形元件围绕同心圆拼接而成，扇形元件表面采用绝缘隔热导磁涂层覆盖。

接上述技术方案， 所述扇形N型热电磁制冷臂和所述扇形P型热电磁制冷臂均由热电材料和磁热材料组成。

接上述技术方案，所述扇形N型热电磁制冷臂由至少一种N型热电材料和一种磁热材料烧结而成，其中磁热材料含量在制冷臂中按从正梯度或逆梯度分布，或均匀分布；

所述扇形P型热电磁制冷臂由至少一种P型热电材料和一种磁热材料烧结而成，其中磁热材料含量在制冷臂中按从正向梯度或逆向梯度分布，或均匀分布。

接上述技术方案，所述热电材料为Bi

接上述技术方案，所述电极由具导电和导热性能的非磁性材料组成，或者由具导电和导热性能的磁性材料组成。

接上述技术方案，所述磁体为固定不动的永磁体或者电磁体，该磁体产生的磁场垂直于所述电磁制冷环形器的平面，磁场面积覆盖至少一个Π型热电磁制冷扇形元件。

接上述技术方案，所述转动装置包括伺服电机和同轴带轮，二者联动实现所述电磁制冷环形器绕中心转动，所述伺服电机转速由变频器控制。

接上述技术方案，所述正向直流电源为处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形单元施加电流，通过磁热材料的磁卡效应放出热量，通过热电材料的帕尔贴效应将热量传输至电极，使电极温度高于热端换热器温度形成热端；所述的反向直流电源用于为处于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件施加电流，通过热电材料的帕尔贴效应将冷端换热器的制冷热量传输至磁热材料，通过磁热材料的磁卡效应吸收该制冷热量，使电极温度低于冷端换热器温度形成冷端。

接上述技术方案，所述热端换热器附着在处于励磁状态、位于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件的电极上，热端换热器与电极之间通过导热胶进行热串联，实现二者之间的热交换，将Π型热电磁制冷扇形元件高温端的热量向周围空间放出，实现散热；所述冷端换热器附着在处于退磁状态、位于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件的电极上，冷端换热器与电极之间通过导热胶进行热串联，实现二者之间的热交换，将制冷热量传送给Π型热电磁制冷扇形元件，实现对周围空间或物体制冷。

本发明产生的有益效果是：本发明提供的基于热电磁耦合的全固态能量转换制冷器件同时利用了磁制冷和热电制冷两种制冷技术，将二者巧妙结合，可以大幅度提高制冷效率。其工作原理突破了传统蒸汽压缩制冷必须使用流体介质的传统观念，以固态物质中电子或空穴传输（电子熵流）和磁矩/自旋状态变化熵流（磁熵流）作为热能与电能能量转换循环介质，通过热电磁耦合，同时完成单一磁制冷的励磁高温回热和退磁低温回热全过程，实现制冷性能大幅度提升，用于解决目前制冷系统使用过程中流体制冷介质泄漏、回热损失较大和热交换不彻底等问题。本发明具有结构紧凑、无流体传热介质、热量传递效率高和制冷效率大的优点，可用于空调、冰箱、电子器件热管理和双向控温等众多应用领域。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的基于热电磁耦合的双Π型全固态能量转换制冷器件结构示意图，由8个Π型热电磁制冷扇形元件组成；

图2是本发明提供的扇形制冷元件的结构示意图。

附图标记中：1-热电磁制冷环形器；11-Π型热电磁制冷扇形元件；12-扇形元件隔层；13-扇形元件表面涂层；111-N型热电磁制冷臂；112-P型热电磁制冷臂；113-电极；114-热电磁制冷臂隔层；1111-N型热电材料；1112-磁热材料；1121-P型热电材料；1122-磁热材料；2-磁体；3-转动装置；4-正向直流电源；5-反向直流电源；6-热端换热器；7-冷端换热器；8-热端；9-冷端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明集成了磁制冷和热电制冷这两种制冷技术特点，形成了热电磁全固态制冷新型器件。该新型制冷器件的核心是由热电材料和磁热材料梯度复合形成的热电磁材料，通过全新的器件结构设计，能够同时产生热电制冷和磁制冷效果。这种新型制冷器件以热电材料的电子熵流和磁热材料的磁熵流作为热能流动介质，不需要任何制冷剂，且无需流体作为交换介质，是一种绿色无污染的全固态制冷技术，可用于空调、冰箱、电子器件和双向控温等应用领域。本发明在保持磁场固定不动条件下，通过转动热电磁耦合的全固态能量转换制冷臂，实现循环制冷，具有换热效率更高和循环制冷频率更高等优势。

本发明实施例的基于热电磁耦合的双Π型全固态能量转换制冷器件，请参阅图1和图2，该全固态能量转换制冷器件包括热电磁制冷环形器1、磁体2、转动装置3、正向直流电源4、反向直流电源5、热端换热器6和冷端换热器7。热电磁制冷环形器1可由多个Π型热电磁制冷扇形元件11围绕同心圆形成。该实施例中热电磁制冷环形器1是由8个Π型热电磁制冷扇形元件11围绕同心圆形成的，每个Π型热电磁制冷扇形元件11的外环两臂由电极113连接，其内环两臂分别与直流电源的正负极相连；磁体2用于对处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件11进行励磁；转动装置3用于控制热电磁制冷环形器1绕同心圆转动，使处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件11离开磁场实现退磁；冷端换热器7附着在处于退磁状态、位于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件的电极113上，为该Π型热电磁制冷扇形元件吸热提供制冷热量；热端换热器6附着在处于励磁状态、位于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件11的电极上，为该Π型热电磁制冷扇形元件放热提供散热装置；正向直流电源4用于为处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形单元施加正向电流，在其电极端形成热端8，通过热端换热器6向外散热；反向直流电源5用于为处于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件施加反向电流，在其电极端形成冷端9，通过冷端换热器7吸收热量实现制冷。

热电磁制冷环形器1包括Π型热电磁制冷扇形元件11、扇形元件隔层12和扇形元件表面涂层13构成。该实例中，热电磁制冷环形器1由8个Π型热电磁制冷扇形元件11组成同心圆，扇形元件隔层12介于相邻两个Π型热电磁制冷扇形元件11之间，扇形元件表面涂层13覆盖在每个Π型热电磁制冷扇形元件11上下表面。

在一些较佳的实施例中，Π型热电磁制冷扇形元件11由一个扇形N型热电磁制冷臂111和一个扇形P型热电磁制冷臂112并排排列，外环两臂由电极113连接形成Π型结构，内环两臂分别与直流电源的正负极相连，扇形N型热电磁制冷臂111和扇形P型热电磁制冷臂112之间为热电磁制冷臂隔层114。

在一些较佳的实施例中，扇形N型热电磁制冷臂111由至少一种N型热电材料1111和一种磁热材料1112烧结而成，其中磁热材料1112含量在制冷臂中按从正梯度（从外环向内环逐渐减少）或逆梯度（从外环向内环逐渐增加）分布或均匀分布。

在一些较佳的实施例中，扇形P型热电磁制冷臂112由至少一种P型热电材料1121和一种磁热材料1122烧结而成，其中磁热材料1122含量在制冷臂中按从正向梯度（从外环向内环逐渐减少）或逆梯度（从外环向内环逐渐增加）分布或均匀分布。

具体地，N型热电材料1111和P型热电材料1121为将热能和电能相互转换的功能材料，通过材料内部载流子在电场作用下的定向移动实现热量传输。

在一些较佳的实施例中，N型热电材料1111和P型热电材料1121为Bi

具体地，磁热材料1112和1122为在磁场中励磁时温度升高，在磁场外退磁时温度降低的材料。

在一些较佳的实施例中，磁热材料1112和1122为Gd金属、Gd基合金、LaFeSi基化合物、MnAs基化合物、MnCoGe基化合物等中的至少一种。

在一些较佳的实施例中，电极113与Π型热电磁制冷扇形元件11的外环两臂相连，由导电和导热性能优异的非磁性材料如金属Cu、Sn、Cr、Nb和Ti以及它们的合金组成，或者由导电和导热性能优异的磁性材料如Gd金属、Gd基合金、LaFeSi基化合物、MnAs基化合物、MnCoGe基化合物等组成。

在一些较佳的实施例中，热电磁制冷臂隔层114为空隙或采用绝缘隔热导磁材料，如环氧树脂类、聚合物、玻璃或绝缘陶瓷等中至少一种。

在一些较佳的实施例中，扇形元件隔层12和扇形元件表面涂层13为绝缘隔热导磁材料，如分别为环氧树脂类、聚合物、玻璃或绝缘陶瓷等中至少一种。

在一些较佳的实施例中，磁体2为固定不动的永磁体或者电磁体，磁体2产生的磁场垂直于热电磁制冷环形器1的平面，磁场面积覆盖至少一个Π型热电磁制冷扇形元件11。

在一些较佳的实施例中，转动装置3包括伺服电机和同轴带轮，二者联动实现热电磁制冷环形器1绕中心转动，伺服电机转速由变频器控制。

在一些较佳的实施例中，正向直流电源4为处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形单元11施加正向电流，通过磁热材料的磁卡效应放出热量，通过热电材料的帕尔贴效应将热量传输至电极113，使电极113的温度高于热端换热器6的温度形成热端8；

在一些较佳的实施例中，反向直流电源5用于为处于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件11施加反向电流，通过热电材料的帕尔贴效应将冷端换热器7的制冷热量传输至磁热材料，通过磁热材料的磁卡效应吸收该制冷热量，使电极113的温度低于冷端换热器7的温度形成冷端9。

在一些较佳的实施例中，热端换热器6附着在处于励磁状态、位于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件11的电极113上，热端换热器6与电极113之间通过导热胶进行热串联，实现二者之间通过导热胶实现热接触，进行热交换，将Π型热电磁制冷扇形元件热端8的热量向周围空间放出，实现散热功能。Π型热电磁制冷扇形元件11转动时，热端散热器6固定不动。

在一些较佳的实施例中，冷端换热器7附着在处于退磁状态、位于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件11的电极113上，冷端换热器7与电极113之间通过导热胶进行热串联，实现二者之间的热交换，将制冷热量传送给Π型热电磁制冷扇形元件11的冷端9，实现对周围空间或物体制冷。

可以理解，该器件同一Π型热电磁制冷扇形元件的制冷过程可由以下四个步骤循环构成：

1）热电磁制冷环形器1在转动装置3的带动下围绕同心圆转动，当Π型热电磁制冷扇形元件11转入磁体2的磁场范围，其内部磁热材料1112和1122因励磁而磁熵降低，在绝热条件下释放热量；

2）同时正向直流电源4为处于磁场中的该Π型热电磁制冷扇形单元11施加正向电流，通过内部热电材料1111和1121的帕尔贴效应将磁热材料1112和1122放出的热量传输至电极113，使电极113的温度高于热端换热器6的温度形成热端8，并通过热端换热器6对外散热；

3）热电磁制冷环形器1在转动装置3的带动下继续围绕同心圆转动，将该Π型热电磁制冷扇形单元11转出磁体2的磁场范围，其内部磁热材料1112和1122因退磁而磁熵增加，在绝热条件下吸收热量；

4）同时反向直流电源5为处于磁场外的该Π型热电磁制冷扇形单元11施加反向电流，通过内部热电材料1111和1121的帕尔贴效应将冷端换热器7的制冷热量传输至磁热材料1112和1122，以供磁热材料1112和1122在退磁条件下吸收该制冷热量，使电极113的温度低于冷端换热器7的温度形成冷端9，通过冷端换热器7吸收热量实现制冷。

还可以理解，该器件中与圆心对称的双Π型热电磁制冷扇形元件的交递循环工作过程为：1）处于磁场中的Π型热电磁制冷扇形元件11因为磁热材料1112和1122绝热励磁、磁熵减小、释放热量，此时由正向直流电源4对该Π型热电磁制冷扇形元件11通入正向电流，在热电材料1111和1112的帕尔贴效应作用下将磁热材料1112和1122释放的热量带到热端8，由热端换热器6向外散热，相当于单一磁制冷的高温回热过程；2）处于磁场外的Π型热电磁制冷扇形元件11因为磁热材料绝热退磁、磁熵增大、吸收热量，此时由反向直流电源对该Π型热电磁制冷扇形元件通入反向电流，在热电材料1111和1112的帕尔贴效应作用下将冷端换热器7（或冷端9）的制冷热量带至磁热材料1112和1122供其吸热，相当于单一磁制冷的低温回热过程。因此，本发明的双Π型热电磁制冷扇形元件11连动工作，借助热电磁耦合可以巧妙同时完成单一磁制冷的励磁高温回热和退磁低温回热全过程。

此外，本发明提供的基于热电磁耦合的全固态能量转换制冷器件，相比于单一热电制冷技术，在制冷功率和制冷效率上均有提升；相比于磁制冷技术，换热能力提升，回热损失降低，工作频率更高。

综上，本发明提供的基于热电磁耦合的全固态能量转换制冷器件同时利用了磁制冷和热电制冷两种制冷技术，将二者巧妙结合，可以大幅度提高制冷效率。其工作原理突破了传统蒸汽压缩制冷必须使用流体介质的传统观念，以固态物质中电子或空穴传输（电子熵流）和磁矩/自旋状态变化熵流（磁熵流）作为热能与电能能量转换循环介质，通过热电磁耦合，同时完成单一磁制冷的励磁高温回热和退磁低温回热全过程，实现制冷性能大幅度提升，用于解决目前制冷系统使用过程中流体制冷介质泄漏、回热损失较大和热交换不彻底等问题。

此外，本发明的全固态能量转换制冷器件具有结构紧凑、无流体传热介质、循环制冷频率高、固-固热交换快和制冷效率高等优点。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。