彈熱固體制冷技術(shù)專利分析

薛明軍 劉騰達(dá)

摘 要： 彈熱固體制冷具有可逆溫度變化范圍較大，材料也相較磁熱材料更便宜的優(yōu)點(diǎn)，在精密電子元件等行業(yè)具有很好的發(fā)展前景，本文通過專利分析對基于彈熱效應(yīng)的固體制冷的技術(shù)做了介紹，并指出了其主要研究方向。

關(guān)鍵詞： 彈熱固體制冷;專利申請;專利分析

制冷是人類對環(huán)境溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要技術(shù)，自1902年美國人開利發(fā)明空調(diào)以來，制冷技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了200多年的長足發(fā)展，產(chǎn)生了多種制冷方式，如蒸汽壓縮制冷、吸收式制冷、吸附式制冷、熱電制冷等，然而傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷體積龐大，且其使用的氟利昂制冷劑會導(dǎo)致大氣臭氧層空洞，而吸收式制冷、吸附式制冷、熱電制冷等制冷方式效率較低，并不滿足需求，此外，現(xiàn)在的精密電子元件也在向高集成度、小型化、高性能的方向發(fā)展，對電子元器件的散熱需求也越來越高，而固體制冷器能非常方便地集成到電子元器件系統(tǒng)中，同時(shí)存在制冷溫度范圍廣、制冷效果好的優(yōu)點(diǎn)，因此，固體制冷已成為對電子芯片等高精密行業(yè)的一種有效的制冷方式。

現(xiàn)有的固體制冷也存在多種方式，最常見的是基于磁熱效應(yīng)的固體制冷方式，其原理是基于磁場的變化使磁熱材料吸收或釋放熱量從而達(dá)到制冷效果，然而該制冷防止的可逆溫度變化較小，制冷效率較低，其具體應(yīng)用的場景受限，而基于彈熱效應(yīng)的固體制冷是一種新興的制冷方式，其可逆溫度變化范圍較大，材料也相較磁熱材料更便宜，有很大的改進(jìn)空間。然而相較于其他傳統(tǒng)的制冷方式發(fā)展了200多年的歷史，已經(jīng)非常成熟，基于彈熱效應(yīng)的固體制冷近年才出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，第一件專利申請于2012年才由美國人提出，美國馬里蘭大學(xué)提出了一件名稱為《熱彈性冷卻》[1]的專利申請，此后的2014年該校又提出了一件名稱為《固體制冷或制熱系統(tǒng)、裝置和方法》[2]的專利申請，詳細(xì)介紹了一種基于彈熱效應(yīng)的固體制冷裝置和方法。

1 國內(nèi)彈熱固體制冷技術(shù)專利概況

國內(nèi)也對基于彈熱效應(yīng)的固體制冷方式做了一些研究，西安交通大學(xué)于2016年提出了一件名稱為《主動(dòng)回?zé)崾綇棢崂鋮s系統(tǒng)》[3]的專利申請，并在此基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步的研究，湘潭大學(xué)于2016年也在國內(nèi)提出了兩件名稱分別為《一種基于鐵電薄膜正負(fù)彈熱效應(yīng)的固體制冷器》[4]和《一種基于鐵電薄膜疇結(jié)構(gòu)的新型彈熱固體制冷器》的專利申請，詳細(xì)闡述了基于彈熱效應(yīng)的固體制冷器，并對固體制冷器核心部件的材料做了進(jìn)一步的研究。而其他的申請人也對固體制冷方式做了一些研究，主要對其材料的改進(jìn)做了大量的研究，如中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所于2016年提出了一件《Ni2FeGa類應(yīng)力制冷材料及其制備方法與應(yīng)用》[5]的專利申請，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2017年提出了一件名稱為《高彈熱效應(yīng)的鎳錳鎵合金及其制備方法》[6]的專利申請。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，共檢索到涉及彈熱固體制冷技術(shù)的國內(nèi)專利12篇，其中7篇涉及彈熱固體制冷裝置，5篇涉及彈熱制冷材料的制備方法。制冷裝置方面，西安交通大學(xué)申請3篇專利，湘潭大學(xué)申請2篇專利，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所和西安電子科技大學(xué)分別申請一篇專利;材料制備方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)申請3篇專利，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所申請2篇專利，如圖1所示。從圖1可以看出，彈熱固體制冷的申請人主要是高校和科研院所，主要是制冷裝置以及彈熱制冷材料的改進(jìn)，還處于研究階段。

2 彈熱固體制冷技術(shù)專利簡介

美國專利“固體制冷或制熱系統(tǒng)、裝置和方法”

美國馬里蘭大學(xué)是較早研究彈熱效應(yīng)固體制冷的研究機(jī)構(gòu)，且其已經(jīng)成功研制出了基于彈熱效應(yīng)的固體制冷原型機(jī)，對該技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義，具體到該專利，其技術(shù)方案為：

一種基于布雷頓循環(huán)的彈熱制冷系統(tǒng)，包括兩個(gè)并列設(shè)置的第一彈熱模塊404和第二彈熱模塊406，對彈熱模塊施加壓力使其壓縮或不施加壓力使其拉伸恢復(fù)原形的加載設(shè)備410，分別對第一彈熱模塊404或第二彈熱模塊406進(jìn)行熱量較好的流體網(wǎng)絡(luò)414a和414b，流體網(wǎng)絡(luò)414a和414b分別設(shè)有換熱器Th和Tc與第一彈熱模塊404或第二彈熱模塊406進(jìn)行換熱，以及控制器412，用于控制加載設(shè)備的運(yùn)動(dòng)方向以改變應(yīng)力。當(dāng)加載設(shè)備410對第一彈熱模塊404施加壓力使第一彈熱模塊404壓縮，而第二彈熱模塊406的壓力卸載而處于拉伸狀態(tài)時(shí)，第一彈熱模塊404向環(huán)境散熱并加熱換熱器Th，而第二彈熱模塊406向環(huán)境吸熱并對換熱器Tc進(jìn)行冷卻;而當(dāng)加載設(shè)備410對第彈熱模塊404卸載壓力使第一彈熱模塊404拉伸，而對第二彈熱模塊406的加載壓力使其處于壓縮狀態(tài)時(shí)，第一彈熱模塊404向環(huán)境吸熱并冷卻換熱器Th，而第二彈熱模塊406向環(huán)境散熱并對換熱器Tc進(jìn)行加熱，從而周期性的產(chǎn)生制冷和加熱效果。

此外，該專利還對彈熱模塊的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些研究，其橫截面為正方形或矩形或六邊形的管，可以為形狀記憶合金結(jié)構(gòu)等等，也對彈熱模塊如何提高換熱性能做了進(jìn)一步的研究。

中國專利“一種主動(dòng)回?zé)崾綇棢嶂评湎到y(tǒng)”

西安交通大學(xué)是國內(nèi)較早研究彈熱效應(yīng)固體制冷的研究機(jī)構(gòu)，對固體制冷裝置的改進(jìn)做出了大量的工作，具體到該專利，其技術(shù)方案為：

如圖3所示，該系統(tǒng)包含至少兩個(gè)由記憶合金填充或由記憶合金構(gòu)成的第一床101和第二床102，床同時(shí)也是回?zé)崞?，一個(gè)高溫側(cè)流體的高溫?fù)Q熱器103，一個(gè)低溫側(cè)流體的低溫?fù)Q熱器104，一個(gè)可往復(fù)流動(dòng)的熱交換流體網(wǎng)絡(luò)105，至少一個(gè)提供床內(nèi)流體往復(fù)流動(dòng)的流體驅(qū)動(dòng)裝置106，如雙向泵，一個(gè)機(jī)械驅(qū)動(dòng)兩個(gè)記憶合金床（回?zé)崞鳎┫嘧兊尿?qū)動(dòng)裝置107，如曲柄連桿裝置，以及系統(tǒng)用于傳遞加載力的機(jī)架108;當(dāng)曲柄連桿裝置中連桿向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一記憶合金回?zé)崞骷吹谝淮?01被加載，由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，合金溫度升高，并向熱交換流體排熱，在該回?zé)崞髦袩峤粨Q流體自低溫側(cè)流向高溫側(cè)，同時(shí)完成向高溫?zé)釁R的排熱、回?zé)崞鲀?nèi)部回?zé)?、從低溫?cè)低溫流體回?zé)岬葌鳠徇^程;與此同時(shí)，由于連桿向上移動(dòng)，第二記憶合金回?zé)崞骷吹诙?02被卸載至無應(yīng)力自由狀態(tài)，由馬氏體變回奧氏體，合金溫度下降，從熱交換流體吸熱制冷，在該回?zé)崞髦袩峤粨Q流體從高溫側(cè)流向低溫側(cè)，同時(shí)完成向低溫?zé)嵩吹奈鼰帷⒒責(zé)崞鲀?nèi)部回?zé)帷母邷貍?cè)高溫流體回?zé)岬葌鳠徇^程。而當(dāng)曲柄連桿裝置中連桿向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一記憶合金回?zé)崞骷吹谝淮?01被卸載，第二記憶合金回?zé)崞骷吹诙?02被加載額過程。在此過程中，相比上半個(gè)周期，第一床101和第二床102的相變、傳熱、回?zé)彡P(guān)系對調(diào)，因此需要熱交換流體流動(dòng)反向，并且流體驅(qū)動(dòng)裝置106可以反向提供驅(qū)動(dòng)。

3 結(jié)語

從上述專利可以看出，目前，國內(nèi)彈熱固體制冷技術(shù)的研究主體主要為科研院所，還處于初步研究階段，國內(nèi)企業(yè)對此項(xiàng)技術(shù)的研究還比較欠缺，距離大規(guī)模推廣使用還有很長的路要走。此外，還可以看出，目前國內(nèi)彈熱固體制冷技術(shù)的研究方向主要為：（1）彈熱制冷材料的改進(jìn)，尋找一種彈熱性能好，溫度變化范圍大的彈熱制冷材料是目前的主要研究方向。（2）換熱效率的提升，制冷裝置中彈熱裝置結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以與換熱器進(jìn)行換熱，提高換熱效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]熱彈性冷卻.美國馬里蘭大學(xué)，CN102778075A，2012.

[2]固體制冷或制熱系統(tǒng)、裝置和方法.美國馬里蘭大學(xué)，US2016084544A1，2016.

[3]主動(dòng)回?zé)崾綇棢崂鋮s系統(tǒng).西安交通大學(xué)，CN106052190A，2016.

[4]一種基于鐵電薄膜正負(fù)彈熱效應(yīng)的固體制冷器.湘潭大學(xué)，CN107328137A，2017.

[5]Ni2FeGa類應(yīng)力制冷材料及其制備方法與應(yīng)用.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，CN106148765A，2016.

[6]高彈熱效應(yīng)的鎳錳鎵合金及其制備方法.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，CN106906403A，2017.

作者簡介： 薛明軍（1988—），男，助理研究員，主要從事專利審查工作。第二作者劉騰達(dá)對本文的貢獻(xiàn)等同于第一作者。