本發(fā)明屬于固態(tài)制冷，涉及一種無需回熱器輔助，同時使用熱電材料和卡材料進行制冷的，核心制冷單元不需要有相對運動即可實現(xiàn)回熱因子大于1的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件及其應用。

背景技術：

1、固態(tài)制冷技術是一種利用施加場(包括磁場、電場、壓力和扭力)和退去場過程中卡材料(相應地包括磁卡材料、電卡材料、壓卡彈卡材料和扭卡材料)相變引起的等溫熵變或絕熱溫變來實現(xiàn)制冷的技術。傳統(tǒng)的氣體壓縮制冷機的低效以及其制冷過程中所使用的制冷劑造成了大量的二氧化碳排放；而使用固態(tài)制冷技術的制冷機既不需要任何有害的化學物質(zhì)作制冷劑又節(jié)能高效，可以有效地減少二氧化碳的排放。另外，相對于氣體壓縮制冷機，固態(tài)制冷機可以小型化，且沒有噪音污染。這些優(yōu)點使得固態(tài)制冷技術成為傳統(tǒng)氣體壓縮制冷的理想替代技術之一。

2、用于室溫固態(tài)制冷機中的回熱器可分為三種形式：外部回熱器、內(nèi)部回熱器和主動式回熱器。主動式回熱循環(huán)(amr)中的卡材料既是制冷材料又是回熱材料，其憑借減少回熱過程中的熱損耗成為現(xiàn)階段公認的具有最高能量利用效率的固態(tài)制冷循環(huán)方式，已經(jīng)先后被運用到了許多制冷機循環(huán)中。

3、最初的傳統(tǒng)amr循環(huán)是通過流體換熱完成的，然而換熱流體為了滿足不導電或無磁等特性往往犧牲了其高導熱性能，限制了熱交換速度，將實際的制冷器件的工作頻率限制在了1hz以下。如果一味追求工作頻率的提高將會引起熱傳導不充分，從而降低系統(tǒng)的制冷能力和制冷效率。另一方面，由傳熱流體與器壁之間的溫差引起的不可逆熱損失，以及流體比較粗糙的機械控制裝置都對器件的制冷效率產(chǎn)生了不可忽略的影響。此外，換熱流體對傳動裝置和制冷工質(zhì)的腐蝕問題也對固態(tài)制冷器件的設計帶來了困難，從而提高了制冷器件的制作成本。

4、為了解決基于流體換熱的傳統(tǒng)amr存在的一系列問題，通過高熱導率的固體換熱介質(zhì)進行回熱的新型全固態(tài)制冷模型得到了人們的高度關注。目前報道的全固態(tài)制冷模型主要有兩類，一類是基于熱二極管(電控熱二極管和磁控熱二極管)的全固態(tài)制冷模型，另一類是基于高熱導率材料的全固態(tài)制冷模型。其中，高熱導率材料只能被動地將熱量從高溫端導向低溫端，因此為了實現(xiàn)回熱的目的，需要卡材料片和回熱片之間不斷地進行相互運動，這樣的機械傳動裝置會造成額外的能量損耗，并且限制器件的小型化。另一方面，雖然基于磁控熱二極管的全固態(tài)制冷模型比功率密度、cop(制冷功率和輸入功率的比值)和制冷溫跨均能夠得到較大的提升，但是滿足實際應用條件的磁控熱二極管材料難以獲得。

5、相比之下，由熱電材料構(gòu)成的熱二極管已經(jīng)有了相對成熟的商業(yè)應用，即peltier元件(電控熱二極管)，通過對peltier元件施加不同方向的電流可以控制熱流的方向，從而核心制冷單元中不需要卡材料和回熱材料之間進行相互運動來換熱。盡管由電流驅(qū)動的peltier元件會消耗一部分能量，但是引用該元件使得全固態(tài)制冷機的核心制冷單元不需要機械傳動裝置，極大地減少了額外的熱量損耗。此外，peltier元件通電流可以促進相應方向的熱流，加快熱傳導速度。因此，在全固態(tài)制冷器件中引入peltier片極有可能提升器件的制冷效率，并且核心制冷單元全靜態(tài)的設計使器件更容易小型化，滿足芯片等現(xiàn)代微型電子器件對于微型制冷器的需求。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是設計開發(fā)一種同時使用熱電材料和卡材料的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，利用熱電材料電控熱二極管的特性和增強熱流的特性使得整個制冷器件核心制冷單元無需運動即可實現(xiàn)高回熱因子、高工作頻率、高制冷效率以及微型化，從而滿足不同尺度的制冷需求。

2、本發(fā)明的發(fā)明人通過長期文獻積累和深入研究發(fā)現(xiàn)，熱電材料往往具有很低的熱導率，由熱電材料制成的peltier片在不施加電流時是很好的絕熱材料，可以有效地阻斷熱量交換；而當peltier片接通某個方向的定向電流時，其允許特定方向的熱流通過，電流反向熱流也反向。因此，發(fā)明人考慮利用peltier片電控熱二極管的特性，將其與卡材料組合在一起，在不需要任何相對運動的情況下，就可以完成回熱。最終，發(fā)明人將熱電材料與卡材料結(jié)合起來，通過合理的器件設計實現(xiàn)了高制冷效率的全靜態(tài)固態(tài)制冷。此外，由于卡材料、熱電材料均是固態(tài)，便于設計和加工成不同的形狀和尺寸，并且不需要機械傳動組件，基于熱電材料和卡材料的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件可以更容易實現(xiàn)不同尺度(亞微米-米)的器件制冷。

3、為了便于理解，對本發(fā)明中使用的術語和概念進行說明如下。

4、“回熱因子”定義為器件達到平衡時冷熱端的溫跨(平衡溫跨)與卡材料施加和退去場時溫度變化(絕熱溫變)的比值。

5、根據(jù)本發(fā)明，所述“電控熱二極管元件”或“電控熱二極管特性”是指材料在不施加電流時是絕熱的，能夠有效地阻斷熱量交換；當接通某個方向的定向電流時，其允許特定方向的熱流通過，電流反向熱流也反向。

6、本發(fā)明中所使用的“熱電材料”是指由熱電材料搭建的具有電控熱二極管特性的元件，如目前已經(jīng)投入商用的“peltier片”元件，然而，本發(fā)明的電控熱二極管元件不限于peltier元件。為了便于描述，在本發(fā)明的一些實施方案的描述中，用“peltier片”指代所有的由熱電材料搭建的具有電控熱二極管特性的元件，這并不意味著本發(fā)明的制冷器件僅限于使用peltier片的那些。

7、本發(fā)明中所述的“緊密疊置”或“緊密接觸”是指兩個元件之間緊密貼合，具有良好的熱接觸，能夠進行熱傳導。

8、本發(fā)明的第一方面提供一種全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，所述全靜態(tài)固態(tài)制冷器件包括核心制冷單元和控制單元，其中：

9、所述核心制冷單元包括至少兩層電控熱二極管元件和至少一層卡材料元件，其中，所述電控熱二極管元件和所述卡材料元件交替地緊密疊置形成沿厚度方向的兩側(cè)最外層均為電控熱二極管元件的疊層結(jié)構(gòu)；

10、所述控制單元包括電路控制組件和場控制組件，所述電路控制組件用于控制所述電控熱二極管元件的電流通斷，所述場控制組件用于控制對所述卡材料元件施加和退去場。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，其中，所述電控熱二極管元件和卡材料元件的疊置方式使得每一層卡材料元件的兩側(cè)各設有一層電控熱二極管元件，從而構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一些實施方式中，所述核心制冷單元包括n層所述卡材料元件和n+1層所述電控熱二極管元件，其中，n為1～100，優(yōu)選為4～25。

12、根據(jù)本發(fā)明提供的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，其中，所述電路控制組件能夠分別控制每一層電控熱二極管元件的電流通斷，并且所述場控制組件能夠分別控制對每一層卡材料元件施加和退去場。

13、根據(jù)本發(fā)明提供的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，其中，對于每一層卡材料元件，通過控制兩側(cè)與其緊密接觸的電控熱二極管元件的電流通斷，使該卡材料元件依次與兩側(cè)最鄰近的卡材料元件進行交換熱量。

14、在工作時，通過電路控制組件控制所述電控熱二極管元件的電流通斷來控制熱流的傳輸與阻斷；通過所述場控制組件施加和退去場(又稱“加減場”)來控制卡材料的升降溫；從而經(jīng)由所述控制單元按時序控制場的加減和電流的通斷，能夠在所述全靜態(tài)固態(tài)制冷器件中實現(xiàn)高制冷效率和大于1的回熱因子。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，所述全靜態(tài)固態(tài)制冷器件的回熱因子大于等于1。

15、根據(jù)本發(fā)明提供的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，其中，所述電控熱二極管元件例如目前商用的peltier片，也可以是利用熱電材料搭建的具有電控熱二極管特性的其他元件。

16、根據(jù)本發(fā)明提供的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，其中，所述卡材料元件可以由任意卡材料構(gòu)成，例如可以為磁卡材料、電卡材料和機械卡材料中的一種或多種。其中，所述機械卡材料可以包括彈卡材料、壓卡材料和扭卡材料中的一種或多種。優(yōu)選地，磁卡材料可以選自gd、ferh、lafesi、gdsige和mnas中的一種或多種；所述電卡材料可以選自batio3、plzt、pmn-pt和p(vdf65-trfe35-cfe7)(下面簡稱為pvdf)中的一種或多種；所述機械卡材料可以選自ti-ni合金、新戊二醇(npg，(ch3)2c(ch2oh)2)、三羥甲基乙烷(pg，(ch3)c(ch2oh)3)和2-氨基-2-甲基-1,3-丙二醇(amp，((nh2)(ch3)c(ch2oh)2))中的一種或多種。

17、根據(jù)本發(fā)明提供的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件，其中，為了保證相鄰的卡材料元件在短時間內(nèi)進行充分的熱交換，所述卡材料元件的厚度優(yōu)選為0.01mm～20mm，更優(yōu)選為0.1mm～1mm。本發(fā)明對所述電控熱二極管元件的厚度沒有特殊要求，可根據(jù)實際情況選擇為0.01mm～100mm。本發(fā)明對所述卡材料元件和所述電控熱二極管元件的寬度和長度也沒有特殊要求，可根據(jù)實際情況選擇為0.1mm～1000mm，優(yōu)選為1mm～100mm。

18、本發(fā)明的第二方面提供了上述全靜態(tài)固態(tài)制冷器件在冰箱、空調(diào)、液化氣體以及微電子器件制冷中的應用。其中，所述應用包括以下操作：

19、(1)通過所述場控制組件對所述卡材料元件施加和退去場來控制所述卡材料元件的升溫與降溫；和

20、(2)通過所述電路控制組件控制所述電控熱二極管元件的電流通斷來控制熱流的傳輸與阻斷。

21、根據(jù)本發(fā)明提供的所述全靜態(tài)固態(tài)制冷器件的應用，其中，所述應用包括沿厚度方向按時序?qū)λ隹ú牧显械囊粚踊蚨鄬訉嵤┥鲜霾僮?1)、對所述電控熱二極管元件中的一層或多層實施上述操作(2)。優(yōu)選地，操作(1)中施加場的持續(xù)時間與操作(2)中通電流的持續(xù)時間相同。根據(jù)本發(fā)明提供的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件的應用，其中，所述全靜態(tài)固態(tài)制冷器件的工作頻率可以為0.01～1000hz，優(yōu)選為1～20hz。

22、在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，所述核心制冷單元具有設置于沿其厚度方向的兩側(cè)的冷端和熱端，并且所述核心制冷單元包括以次相鄰的同種元件劃分為一組的方式分成四組的n層卡材料元件和n+1層電控熱二極管元件，并按時序?qū)λ慕M元件進行控制，其中：從靠近冷端起，將n層卡材料元件中的奇數(shù)層記作第一組卡材料元件，偶數(shù)層記作第二組卡材料元件；將n+1層電控熱二極管元件中的奇數(shù)層記作第一組電控熱二極管元件，偶數(shù)層記作第二組電控熱二極管元件。

23、在本發(fā)明的一種實施方案中，所述應用包括按照以下時序進行操作：

24、(1)對第一組卡材料元件施加場使其溫度升高，待第一組卡材料的溫度降至室溫后即完成初始化，此時不給任何電控熱二極管元件通電流；

25、(2)對第一組卡材料元件退去場而使其溫度降低并對第二組卡材料施加場而使其溫度升高，同時對第一組電控熱二極管元件通電而允許熱流通過而不給第二組電控熱二極管元件通電流，使得第一組卡材料元件和熱端吸收來自冷端和第二組卡材料元件的熱量；

26、(3)在對第一組卡材料元件施加場而使其溫度升高和對第一組電控熱二極管元件斷電的同時，對第二組卡材料元件退去場而使其溫度降低，并對第二組電控熱二極管元件通電流而允許熱流通過，使得第一組卡材料元件將熱量傳遞給因退去場而溫度降低的第二組卡材料元件或熱端；

27、(4)在通過操作(1)完成初始化后，往復切換上述操作(2)和(3)，從而將熱量從冷端運輸?shù)綗岫恕?/p>

28、在本發(fā)明的另一種實施方案中，所述應用包括按照以下時序進行操作：在上述操作(1)中對第二組卡材料元件施加場并待其冷卻至室溫后完成初始化，然后往復切換上述操作(3)和(2)，從而將熱量從冷端運輸?shù)綗岫恕?/p>

29、與本發(fā)明人的在先專利申請202110906753.9和202210515054.6中的器件相比，在先發(fā)明的核心制冷單元需要通過相對運動才能實現(xiàn)回熱，以實現(xiàn)回熱因子大于1；而本發(fā)明利用電控熱二極管的特性，核心制冷單元不需要相對運動即可實現(xiàn)回熱因子大于1。其中，由peltier片和電卡材料組成的器件只需要通過施加退去電壓和電流即可實現(xiàn)回熱因子大于1的高效制冷，不需要任何的機械傳動部件，優(yōu)點尤其突出。本發(fā)明的全靜態(tài)固態(tài)制冷器件極大地減少了機械傳動部件，簡化了器件設計，使得器件更容易小型化，以滿足現(xiàn)代微電子制冷的需要，更具有使用前景和商業(yè)價值。