CN111174461A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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。

进一步，所述热电/磁卡复合制冷结构包括多个p型热电磁复合制冷臂以及多个n型热电磁复合制冷臂，各所述p型热电磁复合制冷臂和n型热电磁复合制冷臂沿同一方向依次布设，且p型热电磁复合制冷臂和n型热电磁复合制冷臂交替设置，相邻的n型热电磁复合制冷臂和p型热电磁复合制冷臂之间夹设有磁卡工质床层，所述冷端和所述热端分别位于各所述p型热电磁复合制冷臂和n型热电磁复合制冷臂布设方向的两侧。

进一步，每一所述n型热电磁复合制冷臂和所述磁卡工质床层之间以及每一所述p型热电磁复合制冷臂和所述磁卡工质床层之间均设有绝缘导磁导热涂层。

进一步，所述磁体系统包括S极永磁体、N极永磁体以及用于控制所述S极永磁体和所述N极永磁体周期性动作的传动机构，所述S极永磁体靠近所述p型热电磁复合制冷臂设置，所述N极永磁体靠近所述n型热电磁复合制冷臂设置。

进一步，每一所述p型热电磁复合制冷臂和每一所述n型热电磁复合制冷臂均由热电材料和磁性材料烧结复合而成，所述磁性材料有多个且每一所述磁性材料尺寸为微米级或纳米级，各所述磁卡材料均压设在所述热电材料上。

进一步，所述热电材料为Bi₂Te₃基、Mg₃Sb₂基、BiSb基或FeSb₂基热电材料中的至少一种，磁性材料为Fe、Co、Ni、Fe₃O₄、Gd及其合金、LaFe_13-xSi_x基化合物、Gd₅(Si_xGe_1-x)₄基化合物、MnFeP_xAs_1-x基化合物、RCo₂及其化合物或RAl₂及其化合物中至少一种。

进一步，每一所述磁卡工质床层由磁卡材料制备而成，为磁卡材料为金属Gd及其合金、LaFe_13-xSi_x基化合物、Gd₅(Si_xGe_1-x)₄基化合物、MnFeP_xAs_1-x基化合物、RCo₂及其化合物或RAl₂及其化合物中至少一种，R为Dy、Ho或Er。

进一步，所述冷端处沿远离所述热电/磁卡复合制冷结构的方向依次设置有冷端金属电极、冷端绝缘导热基片以及冷端热沉，所述热端处沿远离所述热电/磁卡复合制冷结构的方向依次设置有热端金属电极、热端绝缘导热基片以及热端热沉，所述冷端的热开关位于所述冷端绝缘导热基片和所述冷端热沉之间，所述热端的热开关位于所述热端绝缘导热基片和所述热端热沉之间。

进一步，所述热开关包括相对且间隔设置的第一金属导热基片和第二金属导热基片，所述第一金属导热基片和所述第二金属导热基片的间隔中设有叠放的第一热组件和第二热组件，所述第一热组件贴合所述第一金属导热基片，所述第二热组件贴合所述第二金属导热基片；所述第一热组件包括沿同一方向依次交替连续布设的绝热片和金属导热层，所述第二热组件包括沿同一方向依次交替连续布设的金属导热层和绝热片；当所述热开关处于关状态时，所述第一热组件的绝缘片和所述第二热组件的金属导热层连接，当所述热开关处于开状态时，所述第一热组件的金属导热层与所述第二热组件的金属导热层连接。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷方法，包括如下步骤：

S1，采用磁体系统中传动机构控制磁体进行加磁动作，在磁场快速施加时，由于磁卡效应，热电磁复合制冷结构中的p热电/磁卡复合制冷臂、n型热电磁复合制冷臂以及磁卡工质床层快速升温，从初始温度升到某一温度，此过程之中脉冲电源的电流为零，冷端的热开关处于关闭状态，热端的热开关处于打开状态，热电/磁卡复合制冷结构的部分热量通过热传导传输到热端，并在热端排放到环境中；

S2，进行等磁通电场动作，快速加磁后，脉冲电源施加电流，热电/磁卡复合制冷结构的热电磁复合制冷臂产生帕尔贴效应，并将热电磁复合制冷臂本身的热量快速带入到热端，同时热电/磁卡复合制冷结构的磁卡工质床层的热量也会通过热传导传递到热电磁复合制冷臂内，利用帕尔贴效应将热电/磁卡复合制冷结构产生的热量快速输运到热端，通过热端将热量释放环境中去，当热电磁复合制冷臂冷端和磁卡工质床层冷端温度降低到热电/磁卡复合制冷结构初始温度时，打开冷端的热开关；

S3，采用所述磁体系统中传动机构控制磁体进行退磁动作，热电磁复合制冷结构的p型热电磁复合制冷臂、n型热电磁复合制冷臂以及磁卡工质床整体由于磁卡效应快速降温，脉冲电源的电流为零，该过程中，热电/磁卡复合制冷结构的冷端将会从冷端热源吸收部分热量进行制冷；

S4，进行零磁通电场动作，脉冲电源施加电流，此时热电/磁卡复合制冷结构的热电磁复合制冷制冷臂的冷端温度将会进一步降低，此时，热电/磁卡复合制冷结构将通过热开关并从低温热源吸收热量，并借助帕尔贴效应和固固之间的热传导将从低温热源吸收的热量传输到热端，释放到环境中，并重新进入所述S1步骤，并循环下去。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：以热电磁复合材料和磁卡材料作为制冷工质，热电磁复合材料同时也作为固态传热介质，利用热电磁复合制冷臂和磁卡工质床层间的快速换热和帕尔贴效应的快速传热，提升换热效率和传热能力，实现热电磁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，同时，应用热开关机制实现热电制冷与磁卡制冷匹配的制冷循环，进一步提高器件可靠性和制冷性能；热电磁复合材料作为复合制冷工质和固态传热介质，利用帕尔贴效应快速热输运特性，并与单一磁卡工质床进一步进行复合设计，则可以实现磁性增强热电磁复合制冷和磁卡制冷的双重复合制冷，大幅度提升器件制冷能力；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，热开关在关闭时本身也具有较大导热性能，同时使用热开关的热流方向控制特性来实现高效循环制冷。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件的结构示意图，图中省略了传动机构；

图2为本发明实施例提供的一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件的热电磁复合制冷臂的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件的热开关的工作原理示意图；

附图标记中：1-热电/磁卡复合制冷结构；11-p型热电磁复合制冷臂；12-n型热电磁复合制冷臂；111-热电材料；112-磁性材料；13-磁卡工质床层；14-绝缘导磁导热涂层；15-冷端金属电极；16-热端金属电极；17-冷端绝缘导热基片；18-热端绝缘导热基片；2-冷端的热开关；3-热端的热开关；21-金属导热层；22-绝热片；23-第一金属导热基片；24-第二金属导热基片；4-冷端热沉；5-热端热沉；6-S极永磁体；7-N极永磁体；8-脉冲电源。

具体实施方式

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

实施例一：

请参阅图1至图3，本发明实施例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，包括热电/磁卡复合制冷结构1，所述热电/磁卡复合制冷结构1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1施加周期性电流的脉冲电源8以及进行周期性加磁或退磁的磁体系统，所述脉冲电源8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1的冷端持续制冷。优选的，所述热电/磁卡复合制冷结构1包括多个p型热电磁复合制冷臂11以及多个n型热电磁复合制冷臂12，各所述p型热电磁复合制冷臂11和n型热电磁复合制冷臂12沿同一方向依次布设，且p型热电磁复合制冷臂11和n型热电磁复合制冷臂12交替设置，相邻的n型热电磁复合制冷臂12和p型热电磁复合制冷臂11之间夹设有磁卡工质床层13，所述冷端和所述热端分别位于各所述p型热电磁复合制冷臂11和n型热电磁复合制冷臂12布设方向的两侧。在本实施例中，通过热电/磁卡复合制冷结构1、热开关、磁体系统以及脉冲电源8的配合可以实现对制冷端低温热源的持续制冷，提升现有制冷器件的稳定性和制冷能力。具体的，以热电磁复合材料和磁卡材料作为制冷工质，热电磁复合材料同时也作为固态传热介质，利用p型热电磁复合制冷臂11、n型热电/磁卡复合制冷臂12和磁卡工质床层13间的快速换热和帕尔贴效应的快速传热，提升换热效率和传热能力，实现热电磁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，同时，应用热开关机制实现热电制冷与磁卡制冷匹配的制冷循环，进一步提高器件可靠性和制冷性能；热电材料111和磁性材料112的热电磁复合材料作为复合制冷工质和固态传热介质，利用帕尔贴效应快速热输运特性，并与单一磁卡工质床进一步进行复合设计，则可以实现热电磁复合制冷和磁卡制冷的双重复合制冷，大幅度提升器件制冷能力；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，热开关在关闭时本身也具有较大导热性能，同时使用热开关的热流方向控制特性来实现高效循环制冷，其中为了方便描述，将p型热电磁复合制冷臂11以及n型热电磁复合制冷臂12统称为热电磁复合制冷臂，而且p型热电磁复合制冷臂11以及n型热电磁复合制冷臂12的数量可以根据实际情况而选择，并非限定于图1中所示的数量，此图形仅做为本实施例的示例所用，且图1中省略了磁体系统中机械传动机构部分。优选的，如图1所示，磁卡工质床层13并非是沿一个方向平齐布设，在每组相邻的三个磁卡工质床层13中，中间的磁卡工质床层13的其中一端更靠近热端，而另外两个磁卡工质床层13的其中一端更靠近冷端，形成一种参差结构。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，每一所述n型热电磁复合制冷臂12和所述磁卡工质床层13之间以及每一所述p型热电磁复合制冷臂11和所述磁卡工质床层13之间均设有绝缘导磁导热涂层14。在本实施例中，该绝缘导磁导热涂层14优选为导热硅脂，它填充在间隙中。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述磁体系统包括S极永磁体6和N极永磁体7，所述S极永磁体6靠近所述p型热电/磁卡复合制冷臂11设置，所述N极永磁体7靠近所述n型热电/磁卡复合制冷臂12设置。在本实施例中，通过机械传动机构控制S极永磁体6和N极永磁体7可以实现周期性的加磁或退磁。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2，每一所述p型热电磁复合制冷臂11和每一所述n型热电磁复合制冷臂12均由热电材料111和磁性材料112烧结复合而成，所述磁性材料112呈片状，所述磁性材料112有多个且每一所述磁性材料112的尺寸为纳米级，各所述磁性材料112均压设在所述热电材料111上。在本实施例中，热电磁复合制冷臂是由热电材料111和磁性材料112复合而成，具体的是通过压制烧结制备，即当磁性材料112均压在热电材料111上后，通过烧结即可复合而成。通过这种片状的形式压制烧结，可以增大复合材料内部换热面积以增强换热效率。优选的，所述磁性材料112于所述热电材料111上呈方阵排列，这样可以进一步增大复合材料内部的换热面积。

进一步优化上述方案，所述热电材料111为Bi₂Te₃基、Mg₃Sb₂基、BiSb基或FeSb₂基热电材料111中的至少一种，磁性材料112为Fe、Co、Ni、Fe₃O₄、Gd及其合金、LaFe_13-xSi_x基化合物、Gd₅(Si_xGe_1-x)₄基化合物、MnFeP_xAs_1-x基化合物、RCo₂及其化合物或RAl₂及其化合物中至少一种，R为Dy、Ho或Er。优选的，热电材料111可以选择Bi₂Te₃基热电材料111，磁性材料112可以选择金属纳米粒子Gd。

进一步优化上述方案，每一所述磁卡工质床层由磁卡材料制备而成，为磁卡材料为金属Gd及其合金、LaFe₁₃-xSi_x基化合物、Gd₅(Si_xGe_1-x)₄基化合物、MnFeP_xAs_1-x基化合物、RCo₂及其化合物或RAl₂及其化合物中至少一种，R为Dy、Ho或Er。磁卡工质床层13采用磁卡材料Gd切割制备而成。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述冷端处沿远离所述热电/磁卡复合制冷结构1的方向依次设置有冷端金属电极15、冷端绝缘导热基片17以及冷端热沉4，所述热端处沿远离所述热电/磁卡复合制冷结构1的方向依次设置有热端金属电极16、热端绝缘导热基片18以及热端热沉5，所述冷端的热开关2位于所述冷端绝缘导热基片17和所述冷端热沉4之间，所述热端的热开关3位于所述热端绝缘导热基片18和所述热端热沉5之间。在本实施例中，冷端处的结构和热端处的结构优选为对称结构，它们以中间的热电/磁卡复合制冷结构1为对称点对称。优选的，冷端金属电极15和热端金属电极16均采用导电导热性能好、电阻小的铜电极，而冷端绝缘导热基片17和热端绝缘导热基片18均采用导热性能良好的陶瓷基片，与金属电极和磁卡工质床层13间用导热硅脂连接。优选的，所述脉冲电源8连接在所述冷端金属电极15上。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3，所述热开关包括相对且间隔设置的第一金属导热基片23和第二金属导热基片24，所述第一金属导热基片23和所述第二金属导热基片24的间隔中设有叠放的第一热组件和第二热组件，所述第一热组件贴合所述第一金属导热基片23，所述第二热组件贴合所述第二金属导热基片24；所述第一热组件包括沿同一方向依次交替连续布设的绝热片22和金属导热层21，所述第二热组件包括沿同一方向依次交替连续布设的金属导热层21和绝热片22；当所述热开关处于关状态时，所述第一热组件的绝缘片和所述第二热组件的金属导热层21连接，当所述热开关处于开状态时，所述第一热组件的金属导热层21与所述第二热组件的金属导热层21连接。在本实施例中，两个热开关均机械式热开关，热开关内部可以移动，通过控制热开关内部部件的移动实现周期性开关动作，如图中的箭头所示，从关状态到开状态，只需要上下两层的金属导热层21导通即可，而反过来，则需要上下两层的金属导热层21和绝热片22连接。

实施例二：

本发明实施例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，磁体系统中通过传动机构控制一对S极永磁体6和N极永磁体7的移动实现周期性加磁和退磁，调控脉冲电源8匹配电流的周期性施加，并匹配热开关的通和断创造一个新型制冷循环过程：加磁、等磁加电场、退磁、零磁加电场。具体步骤为：

S1，加磁，在磁场快速施加时，由于磁卡效应，p型热电磁复合制冷臂11、n型热电磁复合制冷臂12以及磁卡工质床层13均快速升温，从初始温度升到某一温度，此过程之中脉冲电源8电流为零，冷端的热开关2处于关闭状态，热端的热开关3处于打开状态，固态制冷工质部分热量通过热传导传输到热端热沉5，并通过热端热沉5排放到环境中；

S2，等磁通电场，快速加磁后，脉冲电源8电流施加，热电/磁卡复合制冷臂产生帕尔贴效应，将热电/磁卡复合制冷臂本身的热量快速带入到热端热沉时，同时磁卡工质床层的热量也会通过热传导传递到制冷臂内，利用帕尔贴效应将两种固态制冷工质产生磁卡效应产生的热量快速输运到热端热沉5，通过热端热沉5将热量释放环境中去，当热电/磁卡复合制冷臂冷端和磁卡工质床层冷端温度降低到热电/磁卡复合制冷结构1初始温度时，打开冷端的热开关2，可开始进行下一步退磁过程；

S3，退磁，p热电磁复合制冷臂11、n型热电磁复合制冷臂12和磁卡工质床13整体由于磁卡效应快速降温，脉冲电源8电流为零，该过程中，热电/磁卡复合制冷结构1的冷端将会从冷端热沉4从冷端热源吸收部分热量进行制冷；在快速退磁后，直接进入下一过程；

S4，零磁通电场，脉冲电源8施加电流，此时热电/磁卡复合制冷制冷臂冷端温度将会进一步降低，此时，热电/磁卡复合制冷结构1将通过热开关并借助冷端热沉4从低温热源吸收热量，并借助帕尔贴效应和固固之间的热传导将从低温热源吸收的热量传输到热端热沉5，释放到环境中，并重新进入所述S1步骤，并循环下去。该过程中，两种固态制冷工质将同时起到制冷作用，即热电/磁卡复合制冷和磁卡制冷的双重复合制冷。

应当理解，加磁和退磁过程都是可以非常快速的过程，结合等磁和零磁过程中帕尔贴效应的快速热输运，器件工作频率和获得较大提升。本发明采用帕尔贴效应的快速热输运和固态工质之间的快速换热，实现磁性增强的热电磁复合制冷和磁卡制冷的双重复合制冷，提高器件工作频率和制冷能力，并利用热开关设计出可以替代流体回路循环过程的热电制冷和磁卡制冷的匹配制冷循环，实现对制冷端低温热源的持续制冷，进一步提升器件稳定性和制冷能力。

至于本实施例的其他特征请参阅实施例一，本实施例就不再赘述。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：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。

2.如权利要求1所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：所述热电/磁卡复合制冷结构包括多个p型热电磁复合制冷臂以及多个n型热电磁复合制冷臂，各所述p型热电磁复合制冷臂和n型热电磁复合制冷臂沿同一方向依次布设，且p型热电磁复合制冷臂和n型热电磁复合制冷臂交替设置，相邻的n型热电磁复合制冷臂和p型热电磁复合制冷臂之间夹设有磁卡工质床层，所述冷端和所述热端分别位于各所述p型热电磁复合制冷臂和n型热电磁复合制冷臂布设方向的两侧。

3.如权利要求2所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：每一所述n型热电磁复合制冷臂和所述磁卡工质床层之间以及每一所述p型热电磁复合制冷臂和所述磁卡工质床层之间均设有绝缘导磁导热涂层。

4.如权利要求2所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：所述磁体系统包括S极永磁体、N极永磁体以及用于控制所述S极永磁体和所述N极永磁体周期性动作的传动机构，所述S极永磁体靠近所述p型热电磁复合制冷臂设置，所述N极永磁体靠近所述n型热电磁复合制冷臂设置。

5.如权利要求2所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：每一所述p型热电磁复合制冷臂和每一所述n型热电磁复合制冷臂均由热电材料和磁性材料烧结复合而成，所述磁性材料有多个且每一所述磁性材料尺寸为微米级或纳米级，各所述磁卡材料均压设在所述热电材料上。

6.如权利要求5所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：所述热电材料为Bi₂Te₃基、Mg₃Sb₂基、BiSb基或FeSb₂基热电材料中的至少一种，磁性材料为Fe、Co、Ni、Fe₃O₄、Gd及其合金、LaFe_13-xSi_x基化合物、Gd₅(Si_xGe_1-x)₄基化合物、MnFeP_xAs_1-x基化合物、RCo₂及其化合物或RAl₂及其化合物中至少一种，R为Dy、Ho或Er。

7.如权利要求2所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：每一所述磁卡工质床层由磁卡材料制备而成，磁卡材料为金属Gd及其合金、LaFe_13-xSi_x基化合物、Gd₅(Si_xGe_1-x)₄基化合物、MnFeP_xAs_1-x基化合物、RCo₂及其化合物或RAl₂及其化合物中至少一种。

8.如权利要求1所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：所述冷端处沿远离所述热电/磁卡复合制冷结构的方向依次设置有冷端金属电极、冷端绝缘导热基片以及冷端热沉，所述热端处沿远离所述热电/磁卡复合制冷结构的方向依次设置有热端金属电极、热端绝缘导热基片以及热端热沉，所述冷端的热开关位于所述冷端绝缘导热基片和所述冷端热沉之间，所述热端的热开关位于所述热端绝缘导热基片和所述热端热沉之间。

9.如权利要求1所述的基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷器件，其特征在于：所述热开关包括相对且间隔设置的第一金属导热基片和第二金属导热基片，所述第一金属导热基片和所述第二金属导热基片的间隔中设有叠放的第一热组件和第二热组件，所述第一热组件贴合所述第一金属导热基片，所述第二热组件贴合所述第二金属导热基片；所述第一热组件包括沿同一方向依次交替连续布设的绝热片和金属导热层，所述第二热组件包括沿同一方向依次交替连续布设的金属导热层和绝热片；当所述热开关处于关状态时，所述第一热组件的绝缘片和所述第二热组件的金属导热层连接，当所述热开关处于开状态时，所述第一热组件的金属导热层与所述第二热组件的金属导热层连接。

10.一种基于热开关的热电制冷和磁卡制冷的复合制冷方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，采用磁体系统中传动机构控制磁体进行加磁动作，在磁场快速施加时，由于磁卡效应，热电磁复合制冷结构中的p热电/磁卡复合制冷臂、n型热电磁复合制冷臂以及磁卡工质床层快速升温，从初始温度升到某一温度，此过程之中脉冲电源的电流为零，冷端的热开关处于关闭状态，热端的热开关处于打开状态，热电/磁卡复合制冷结构的部分热量通过热传导传输到热端，并在热端排放到环境中；

S2，进行等磁通电场动作，快速加磁后，脉冲电源施加电流，热电/磁卡复合制冷结构的热电磁复合制冷臂产生帕尔贴效应，并将热电磁复合制冷臂本身的热量快速带入到热端，同时热电/磁卡复合制冷结构的磁卡工质床层的热量也会通过热传导传递到热电磁复合制冷臂内，利用帕尔贴效应将热电/磁卡复合制冷结构产生的热量快速输运到热端，通过热端将热量释放环境中去，当热电磁复合制冷臂冷端和磁卡工质床层冷端温度降低到热电/磁卡复合制冷结构初始温度时，打开冷端的热开关；

S3，采用所述磁体系统中传动机构控制磁体进行退磁动作，热电磁复合制冷结构的p型热电磁复合制冷臂、n型热电磁复合制冷臂以及磁卡工质床整体由于磁卡效应快速降温，脉冲电源的电流为零，该过程中，热电/磁卡复合制冷结构的冷端将会从冷端热源吸收部分热量进行制冷；

S4，进行零磁通电场动作，脉冲电源施加电流，此时热电/磁卡复合制冷结构的热电磁复合制冷制冷臂的冷端温度将会进一步降低，此时，热电/磁卡复合制冷结构将通过热开关并从低温热源吸收热量，并借助帕尔贴效应和固固之间的热传导将从低温热源吸收的热量传输到热端，释放到环境中，并重新进入所述S1步骤，并循环下去。

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