[发明专利]基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件及方法

说明书

本发明涉及制冷技术领域，提供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，包括热电/磁卡复合制冷结构，所述热电/磁卡复合制冷结构的其中一相对侧分别为冷端和热端，所述冷端和所述热端均具有用于导通或阻隔热量的热开关；所述复合制冷器件还包括为所述热电/磁卡复合制冷结构施加周期性电流的脉冲电源以及进行周期性加磁或退磁的磁体系统，所述脉冲电源和所述磁体系统配合所述热开关控制所述热电/磁卡复合制冷结构的冷端持续制冷。还提供一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷方法，包括S1至S4四个步骤。本发明实现热电/磁卡复合制冷和磁卡制冷的高效双重复合制冷，可大幅度提升器件制冷性能。

技术领域

本发明涉及制冷技术领域，具体为一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件及方法。

背景技术

热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷，是基于帕尔贴效应的一种制冷技术，帕尔贴效应的基本原理是在外电场作用下半导体材料中载流子由制冷端向发热端迁移，将热量从制冷端带到发热端而实现制冷。热电制冷技术具有结构简单、灵活性强、易于集成和无污染等优点。因此，热电制冷是新型制冷技术领域研究的热点方向之一。然而，热电制冷仍然存在热电转换效率低、制冷功率小等问题，限制了其进一步应用。因此，提升热电材料内部转换效率和热电制冷器件结构优化设计是研究的热点。

磁卡制冷是一种基于磁卡效应的节能环保的固态制冷技术，磁卡效应是指在变化磁场下磁卡材料磁矩有序度发生变化而导致的吸放热现象。当磁卡材料被加磁时，磁熵减小，温度升高，向外界放出热量；当磁卡材料被退磁时，磁熵增大，温度降低，从外界吸收热量。磁卡制冷具有效率高、结构紧凑、工作噪音小和安全稳定等优点。传统蒸汽压缩制冷的热效率仅能达到卡诺循环的5％～10％，而磁卡制冷循环的热效率可达卡诺循环的30％～60％，因此，磁卡制冷技术的发展具有重要的社会效益和经济效益。目前，在磁卡制冷器件及系统的主流设计中，主要采用主动磁回热器来实现磁逆向回热循环。然而，主动磁回热器中使用流体作为换热介质。由于对流传热的限制，流体在较短的时间内不能转移或吸收磁卡效应产生的热量，使得磁制冷器件及系统存在工作频率低和回热损失大等技术问题。同时，流体循环回路设计的复杂性也限制了磁卡制冷在微小型化设备上的应用。因此寻找固态传热介质并进行磁卡器件新结构优化设计是研究的重点之一。

近年来，有研究表明，在热电材料中通过引入磁性纳米材料，设计并制备出的热电磁复合材料引发了热电磁新效应，可以大幅度增强热电材料性能，为制冷技术的发展提供了新方式。此外，在现有技术中已有结合两种制冷技术进行复合的方法进行制冷。沈俊等人提供了一种热电制冷和磁制冷耦合装置，使用热电材料和磁卡材料的复合材料作为制冷工质，实现了热电/磁卡复合制冷(CN109764575A)。同时，在热管理领域，热开关可用于控制和切换热流，可以提高器件性能和可靠性，且热开关在关闭时本身也具有较大导热性能，也可以使用热开关的热管控特性来实现高效循环制冷。如果能够设计出一种磁性增强的热电磁复合制冷和磁卡制冷的双重复合制冷的器件，并辅以热开关的特性进行辅助制冷，将可以更大程度提升制冷器件的可实施性和实现制冷器件性能优化，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件及方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，包括热电/磁卡复合制冷结构，所述热电/磁卡复合制冷结构的其中一相对侧分别为冷端和热端，所述冷端和所述热端均具有用于导通或阻隔热量的热开关；所述复合制冷器件还包括为所述热电/磁卡复合制冷结构施加周期性电流的脉冲电源以及进行周期性加磁或退磁的磁体系统，所述脉冲电源和所述磁体系统配合所述热开关控制所述热电/磁卡复合制冷结构的冷端持续制冷。