專利名稱：一種微制冷器及其制冷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微制冷器及其制冷方法，特別涉及鐵電堆陣列微小制冷器及其制冷方法。
背景技術(shù)：
目前應(yīng)用于電子設(shè)備中的傳統(tǒng)制冷方法有(a)利用一定長(zhǎng)度的散熱片，基于自然對(duì)流的方式進(jìn)行制冷；(b)利用風(fēng)扇進(jìn)行的強(qiáng)對(duì)流制冷；(c)通過(guò)水或其它冷卻物進(jìn)行的強(qiáng)制對(duì)流和熱傳導(dǎo)方法制冷；(d)半導(dǎo)體熱電制冷。
利用傳統(tǒng)制冷方法，一方面，制冷器工作需要附加機(jī)械部件或制冷液體，即使基于熱電效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷器，熱端需要風(fēng)扇或流動(dòng)制冷液體進(jìn)行降溫，也存在類似的問題。另一方面，制冷器和待制冷的器件(設(shè)備)是彼此獨(dú)立的，無(wú)法進(jìn)行有效的局部制冷和適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié)控制。
當(dāng)今迅速發(fā)展的微電子技術(shù)、光電子技術(shù)和微機(jī)械電子系統(tǒng)迫切需要使用微小型器件，傳統(tǒng)制冷技術(shù)的局限面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)，必須探索和研究能夠與發(fā)熱器件接觸良好或單片式制備在同一基片上、具有高制冷效率、熱傳導(dǎo)效率和較大制冷量的微型制冷器。
鐵電材料體系具有優(yōu)異的熱釋電效應(yīng)，即外界溫度的變化引起鐵電晶體的正負(fù)電荷相對(duì)位移，發(fā)生電極化，從而在晶體兩端表面出現(xiàn)異性束縛電荷，產(chǎn)生電信號(hào)。具有熱釋電效應(yīng)的材料，也具有逆熱釋電效應(yīng)。鐵電制冷原理是利用逆熱釋電效應(yīng)-電生熱(electro caloric簡(jiǎn)稱EC)效應(yīng)，即對(duì)鐵電材料施加外電場(chǎng)時(shí)，其溫度發(fā)生變化的現(xiàn)象。若絕熱施加電場(chǎng)使鐵電體極化，則鐵電體溫度升高，稱為絕熱極化加熱；反之，若絕熱施加反向電場(chǎng)使鐵電體去極化，則鐵電體溫度降低，稱為絕熱極化制冷。產(chǎn)生制冷的根本原因在于電場(chǎng)誘導(dǎo)順電-鐵電相變的熵值S發(fā)生改變，由有序低能量狀態(tài)進(jìn)入無(wú)序混亂的高能量狀態(tài)，需要從外界吸收能量使熵值增大，從而獲得制冷效應(yīng)。它和磁制冷具有相似的機(jī)理，但是高強(qiáng)度磁場(chǎng)和稀土磁性工質(zhì)材料的高成本限制了室溫磁制冷的發(fā)展和應(yīng)用。鐵電材料的低成本，具有強(qiáng)熱釋電效應(yīng)的晶體同時(shí)也具有強(qiáng)的EC效應(yīng)，故鐵電制冷器既具有冷卻功能，又易于改變電源極性應(yīng)用于特定需要制熱的環(huán)境，便于特定溫度工作的特殊器件的恒溫控制。
現(xiàn)有技術(shù)的鐵電制冷器僅限于單制冷片原理驗(yàn)證，制冷溫降小于2K。如文獻(xiàn)1《Ferroelectric refrigeratory materials and their application.Piezoelectric and Acoustooptics》，Vol.16(8)，199431～35，Shebanov LA，Bornman K J.Ferroelectrics，Vol.127，1992143；文獻(xiàn)2Xiao D Q，Zhu J G，Yang B，et al.等所述，俄羅斯等國(guó)報(bào)道了采用弛豫性Pb(Sc1/2Nb1/2)O3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(分別簡(jiǎn)稱PST、PMN)鐵電固溶體在室溫附近實(shí)現(xiàn)絕熱去極化制冷，其單級(jí)制冷器的性能為工作溫區(qū)210-310K，線性EC效應(yīng)ΔTEC為1-1.8K。該研究為世界范圍內(nèi)的鐵電制冷研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。在此以前的研究中，羅西鹽、BaTiO3、Pb(ZrTi)O3、SrTiO3、LiTaO3、Li2SO4、KH2PO4等制冷材料體系由于EC效應(yīng)太小，或工作溫區(qū)遠(yuǎn)低于室溫(≤15K)，或需外加偏壓極高(100kV/cm以上)，或吸熱效率太低(μJcm-3級(jí))等原因而被淘汰。國(guó)內(nèi)從90年代初期開始研制Pb(Mg1/3Nb2/3)O3、Pb(Sc1/2Ta1/2)O3、Pb(Sc1/2Nb1/2)O3及其與PbTiO3的固溶體鐵電制冷效應(yīng)，90年代末期幾乎沒有公開報(bào)道。研究現(xiàn)狀如文獻(xiàn)3《鐵電陶瓷PMN-PT在室溫附近的退極化制冷效應(yīng)》，羅海華等，中山大學(xué)學(xué)報(bào)，vol.33，No.2，199469；文獻(xiàn)4.《PMN-PT鐵電制冷陶瓷的研究》，肖定全等，物理學(xué)報(bào)，vol.47，No.10，19981754等所述，不考慮連續(xù)工作中材料的極化制熱，僅去極化制冷溫降小于2K。單片制冷器連續(xù)工作無(wú)法區(qū)分熱冷端，凈制冷溫降通過(guò)加電場(chǎng)極化和去極化相變循環(huán)中能量耗散的速率標(biāo)度率方法。如文獻(xiàn)5專利公開號(hào)CN1276506A《電場(chǎng)誘導(dǎo)相變制冷方法》(張進(jìn)修等)所述。但是，文獻(xiàn)5只給出了BaTiO3樣品在127度(居里溫度)去極化的降溫與時(shí)間關(guān)系，而127度工作溫度很高，不適合電子元件室溫制冷，同時(shí)，極化率隨溫度變化敏感，制冷效應(yīng)隨溫度變化較大，冷卻穩(wěn)定性不好。文獻(xiàn)5也給出了PMN-PT樣品在不同條件下，僅僅去極化的最大降溫，循環(huán)連續(xù)凈制冷效果沒有體現(xiàn)，所有文獻(xiàn)均是單片體材料非循環(huán)制冷，施場(chǎng)電壓高，器件無(wú)法連續(xù)進(jìn)行較大的制冷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有的鐵電材料制冷存在的缺陷，即制冷溫降小、施場(chǎng)電壓高、制冷量低、需要散熱風(fēng)管(扇)等缺點(diǎn)，針對(duì)微小制冷器的需要，利用鐵電材料(陶瓷薄片和薄厚膜)和相關(guān)工藝，提出了一種新的鐵電堆陣列微制冷器及制冷方法，它具有陣列堆結(jié)構(gòu)、特定時(shí)序多片工作和多級(jí)循環(huán)、具有高制冷量的實(shí)用化鐵電微小制冷器。本發(fā)明具有重量輕、體積小、無(wú)噪聲、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和制冷效果控制靈活、制冷啟動(dòng)快、制冷效率高等優(yōu)點(diǎn)，可以不需要文獻(xiàn)5的加場(chǎng)極化時(shí)攜帶散熱風(fēng)管或風(fēng)扇。本發(fā)明不僅適用于陶瓷體微小型制冷器，更適用于基于MEMS工藝技術(shù)的MEMS微型制冷器，并具有良好制冷效果。本發(fā)明經(jīng)過(guò)不同條件的仿真和實(shí)際器件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。因此，本發(fā)明在半導(dǎo)體和微電子器件、光電子器件、MEMS器件和生物醫(yī)藥制品等需要的制冷和溫控應(yīng)用中，有極大的潛力和前景。本發(fā)明具有IC兼容性和普適性，適用于各種MEMS器件和IC系統(tǒng)，易于集成，便于數(shù)字控制和研究和開發(fā)高效靈敏的微型MEMS制冷器。本發(fā)明探索了新的制冷原理與途徑，并有望發(fā)展成為無(wú)壓縮機(jī)、無(wú)機(jī)械部件、低功耗、易操作的新型室溫工作制冷器。特別適合在微電子器件、儀器儀表、醫(yī)療器械中的微小型低溫或恒溫器中使用，尤其是微小型MEMS制冷器有其獨(dú)特的功用的ULIC、光敏器件、功率器件、高頻晶體管、MEMS和微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)等元件和設(shè)備的冷卻。此外微型制冷器在化工的生產(chǎn)工藝控制，電力工業(yè)上大型變壓器的除濕問題(代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅膠除濕)，半導(dǎo)體工藝上的控制硅外延生長(zhǎng)，真空技術(shù)上的冷阱(可提高真空度1個(gè)數(shù)量級(jí))等方面應(yīng)用前景廣泛。本發(fā)明是當(dāng)今制冷技術(shù)領(lǐng)域、IT和微電子技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)創(chuàng)新性成就。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明微制冷器采用多層堆積的陣列結(jié)構(gòu)多薄層(n層)鐵電(PMN-PT)制冷片和m行、I列鐵電制冷片堆疊構(gòu)成m×l制制冷堆陣列。每一薄層鐵電(PMN-PT)制制冷片上下表面均披Sn/Ag[1’，1”][2’，2”，]......[n；，n”]電極，堆疊的制冷片層與層之間、行與行、列與列之間由同種材料、一定厚度、熱傳導(dǎo)系數(shù)較高的鐵電薄層或云母作為絕緣導(dǎo)熱隔離層[I，II，III，....N]，實(shí)現(xiàn)絕緣和快速傳熱。各薄層兩側(cè)面之間夾放有電極和引線(兩側(cè)面是否僅指左右兩片薄層之間，而不包括上下兩層之間？請(qǐng)說(shuō)明，答添了兩側(cè)之間)。n層鐵電材料1、2、3、4...n組成鐵電堆，m×l鐵電堆陣列共有n×m×l個(gè)單元制冷片。
本發(fā)明微制冷器和發(fā)熱芯片基片接觸，通過(guò)各薄層循環(huán)工作的特定時(shí)序和堆陣列的特定交替工作時(shí)序，實(shí)現(xiàn)低電壓、多循環(huán)、器件連續(xù)工作、大溫降和良好空間溫度分布均勻性。
本發(fā)明微制冷器采用了“多層鐵電堆陣列”的制冷結(jié)構(gòu)有n層鐵電堆，m×l鐵電堆陣列，共n×m×l個(gè)單元制冷片，n，l，m＝1，2，3，4.........，n，l，m的數(shù)值取決于發(fā)熱芯片的發(fā)熱量和制冷材料的性能。本發(fā)明鐵電制冷片材料可采用PMNT陶瓷片，但是不局限于該種材料的陶瓷，一切具有熱電效應(yīng)的材料均適用。
本發(fā)明微制冷器通過(guò)加電場(chǎng)極化和去極化相變循環(huán)中能量耗散的速率標(biāo)度率方法實(shí)現(xiàn)凈制冷溫降，其制冷方法具有以下特征
(1)本發(fā)明的每一個(gè)制冷片其單片、單循環(huán)過(guò)程工作狀態(tài)包括加正向電場(chǎng)極化以及加反向電場(chǎng)去極化兩個(gè)過(guò)程，采用電場(chǎng)誘導(dǎo)相變制冷的方法，即快速加電場(chǎng)和慢速去電場(chǎng)，產(chǎn)生單循環(huán)過(guò)程的一定凈制冷量。
(2)不同的行列中，同一層制冷片或隔層制冷片以同樣的方式工作，即以同樣的速率快速加電場(chǎng)和慢速去電場(chǎng)，產(chǎn)生一定凈制冷量。
(3)各層鐵電制冷片加(去)電場(chǎng)的過(guò)程具有特定的時(shí)序和循環(huán)，目的是實(shí)現(xiàn)大的溫降。例如，1制冷片層在進(jìn)行去極化制冷過(guò)程達(dá)到最低溫降時(shí)，進(jìn)行2制冷片層的加場(chǎng)極化，使2制冷片層的初始工作溫度較室溫低，實(shí)現(xiàn)2制冷片層工作時(shí)的溫降較1制冷片層開始制冷時(shí)的溫降低；2制冷片層工作時(shí)，1制冷片層繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)的工作，循環(huán)時(shí)間取決于所用制冷材料的單片制冷實(shí)驗(yàn)性能；2制冷片層工作時(shí)的溫降最低時(shí)，3制冷片層開始循環(huán)，1，2制冷片層繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)，或第1層和第3制冷片同時(shí)工作，在去極化制冷完成時(shí)，第2層和第4層制冷片開始工作，使2層和4層制冷片的初始工作溫度較第1層和第3層初始工作溫度低，實(shí)現(xiàn)較大溫降，在2層和4層工作到去極化制冷時(shí)，1層和3層開始下一個(gè)循環(huán)，依次類推。本發(fā)明可根據(jù)待制冷的發(fā)熱芯片的需要和設(shè)計(jì)制冷器結(jié)構(gòu)及工作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的溫降。
(4)鐵電堆陣列之間交替工作，實(shí)現(xiàn)工質(zhì)必要的輪換恢復(fù)、較大溫降和制冷量，例如，隔列工作和或隔行工作。在n，m，l＝1或材料性能不需要恢復(fù)時(shí)，可以進(jìn)行各行各列同時(shí)工作，如上所述，鐵電堆層之間各層鐵電制冷片加(去)電場(chǎng)的制冷過(guò)程遵循特定的時(shí)序和循環(huán)。因此，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)較好的制冷空間均勻性和溫度控制。
(5)本發(fā)明可以根據(jù)需要，通過(guò)制備各種不同的馳豫鐵電工質(zhì)材料進(jìn)一步調(diào)整工作溫區(qū)和制冷溫降。例如，可以通過(guò)材料制備工藝和摻雜，實(shí)現(xiàn)需要的工作溫區(qū)，對(duì)PMNT材料，可以實(shí)現(xiàn)在20度--60度之間的工作溫區(qū)，還可實(shí)現(xiàn)其他材料的不同工作溫區(qū)。所以本發(fā)明設(shè)計(jì)的制冷器，可以對(duì)不同材料實(shí)現(xiàn)較大的不同的工作溫區(qū)。
(6)本發(fā)明在層層之間、行列之間由同種材料、不加電極的鐵電薄層或云母作為結(jié)緣導(dǎo)熱(熱傳導(dǎo)率非常大)隔離層，實(shí)現(xiàn)均勻快速傳熱。
本發(fā)明適用于鐵電體材料制備小型制冷器和和薄/厚膜材料制備微制冷器，克服在現(xiàn)有技術(shù)的鐵電制冷原理下，制冷溫降小、施場(chǎng)電壓高、制冷量低、需要散熱風(fēng)管(扇)等缺點(diǎn)，具有重量輕、體積小、無(wú)噪聲、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和制冷效果控制靈活、制冷啟動(dòng)快、制冷效率高等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體和微電子器件、光電子器件、MEMS器件和生物醫(yī)藥制品等需要的制冷和溫控應(yīng)用中，有極大的潛力和前景。
本發(fā)明鐵電堆陣列微制冷器的制冷方法和工作步驟如下(1)單個(gè)制冷片的工作狀態(tài)包括加正向電場(chǎng)極化以及加反向電場(chǎng)去極化兩個(gè)過(guò)程。本發(fā)明利用鐵電材料具有優(yōu)異的熱釋電效應(yīng)及逆熱釋電效應(yīng)的特性，對(duì)單個(gè)制冷片慢速加正向電場(chǎng)極化，快速加反向電場(chǎng)去極化。同時(shí)，減少單制冷片厚度，可以降低施場(chǎng)電壓。例如，厚度為200μm制冷片，只須施加320V電壓即可使施加場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到16kV/cm。具體厚度和陣列尺寸，由具體待制冷元件的尺寸和發(fā)熱量需要的制冷效果來(lái)決定。例如，1000um厚×10mm×10mmPMNT單個(gè)陶瓷片的具體工作過(guò)程為以(0～16)kV/cm作為正向電場(chǎng)，由零場(chǎng)強(qiáng)開始，在80s和40s兩段時(shí)間內(nèi)，以8kV/(cm.min)速率遞增場(chǎng)強(qiáng)至16kV/cm止，然后切換輸入電極極性，同樣以(0～16)kV/cm作為反向電場(chǎng)，由16kV/cm場(chǎng)強(qiáng)開始，分別在40s和40s兩段時(shí)間內(nèi)，以12kV/(cm.min)速率遞減場(chǎng)強(qiáng)至零場(chǎng)強(qiáng)止，完成去極化過(guò)程。本發(fā)明采用這種慢速極化而快速去極化的工作方式，可有效增加單循環(huán)過(guò)程的凈制冷量。使本發(fā)明的單個(gè)制冷片均達(dá)到最優(yōu)化的性能，單片、單循環(huán)凈制冷溫降0.5K。
(2)在第1層和第3制冷片同時(shí)工作，去極化制冷完成時(shí)，第2層和第4層制冷片開始工作，使2層和4層制冷片的初始工作溫度較第1層和第3層初始工作溫度低，實(shí)現(xiàn)較大溫降，在2層和4層工作到去極化制冷時(shí)，1層和3層開始下一個(gè)循環(huán)。各層鐵電制冷片加(去)電場(chǎng)工作過(guò)程具有特定的時(shí)序和循環(huán)?；蛘?制冷片層在進(jìn)行到去極化制冷過(guò)程達(dá)到最低溫降時(shí)，進(jìn)行2制冷片層的加場(chǎng)極化，使2制冷片層的初始工作溫度較室溫低，實(shí)現(xiàn)2制冷片層工作時(shí)的溫降較1制冷片層開始制冷時(shí)的溫降低；2制冷片層工作時(shí)，1制冷片層繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)的工作，循環(huán)時(shí)間取決于所用制冷材料的單片制冷實(shí)驗(yàn)性能；2制冷片層工作時(shí)的溫降最低時(shí)，3制冷片層開始循環(huán)，1，2制冷片層繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)，依次類推。本發(fā)明可根據(jù)待制冷的發(fā)熱芯片需要，設(shè)計(jì)特定制冷器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的溫降。
(3)本發(fā)明在各層按(2)的方式制冷時(shí)，A-M行列和C-O行列同時(shí)工作，B-N行列、D-P行列同時(shí)工作，可以實(shí)現(xiàn)溫度分布的均勻性和減少波動(dòng)，也可以在器件不出現(xiàn)疲勞時(shí)，各行和各列制冷片同時(shí)工作。
(4)本發(fā)明在有發(fā)熱芯片的情況下，可由制冷器先工作，進(jìn)行預(yù)制冷，預(yù)制冷時(shí)間取決于制冷器結(jié)構(gòu)和待制冷元件的發(fā)熱量。待溫降達(dá)到一定值后，待制冷芯片才開始工作，并在一定的溫度下平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。


圖1.本發(fā)明鐵電堆陣列制冷器具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)模型示意圖；圖中1為鐵電制冷片，2為電極，3為緣導(dǎo)熱隔離層，A，B，C......P為不同的制冷堆。
圖2.本發(fā)明制冷器和發(fā)熱芯片結(jié)合工作示意圖。
圖3.單制冷片單循環(huán)溫度變化示意圖。
圖4.本發(fā)明沒有發(fā)熱元件循環(huán)制冷的效果。
圖5.本發(fā)明制冷器對(duì)40000W/m3發(fā)熱芯片制冷的效果。
圖6.PMNT制冷材料性能參數(shù)和環(huán)境條件表。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
圖1所示為本發(fā)明鐵電堆陣列微制冷器具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明鐵電堆陣列微制冷器由n層鐵電制冷片1和m行×l列鐵電制冷片1堆疊構(gòu)成，制冷片1上下兩側(cè)面之間夾放有電極和引線。層與層之間及行列之間夾有由PMNT或云母制成的絕緣導(dǎo)熱材料制成的絕緣導(dǎo)熱隔離層3。制冷片由PMNP或其他有熱電效應(yīng)的鐵電材料制成。
圖2為待制冷芯片基片和本發(fā)明微制冷器結(jié)合狀態(tài)實(shí)施方式模型示意圖。如圖2所示，此模型是由64片大小均為3mm×3mm×1mm的陶瓷片堆疊而成。共分為4行4列，每列由4層陶瓷片堆疊而成。發(fā)熱芯片尺寸為12mm×12mm×3mm，以硅片作為基片制作。待制冷芯片與制冷片緊貼在一起。本發(fā)明微制冷器進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，便可快速冷卻待制冷芯片。
圖3所示為本發(fā)明單制冷片單循環(huán)溫度變化示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的單個(gè)制冷片可達(dá)到最優(yōu)化的性能。
本發(fā)明單片、單循環(huán)凈制冷溫降0.5K。減少單制冷片厚度，可以降低施場(chǎng)電壓，例如，厚度為200μm制冷片，只須施加320V電壓即可使施加場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到16kV/cm。具體厚度和陣列尺寸，由具體待制冷元件的尺寸和發(fā)熱量需要的制冷效果來(lái)決定。例如，1000um厚×10mm×10mmPMNT單個(gè)陶瓷片，工作狀態(tài)包括加正向電場(chǎng)極化以及加反向電場(chǎng)去極化兩個(gè)過(guò)程。具體工作過(guò)程為以(0～16)kV/cm作為正向電場(chǎng)，由零場(chǎng)強(qiáng)開始，在80s和40s兩段時(shí)間內(nèi)，以8kV/(cm.min)速率遞增場(chǎng)強(qiáng)至16kV/cm止，然后切換輸入電極極性，同樣以(0～16)kV/cm作為反向電場(chǎng)，由16kV/cm場(chǎng)強(qiáng)開始，分別在40s和40s兩段時(shí)間內(nèi)，以12kV/(cm.min)速率遞減場(chǎng)強(qiáng)至零場(chǎng)強(qiáng)止，完成去極化過(guò)程。采用這種慢速極化而快速去極化的工作方式，可有效增加單循環(huán)過(guò)程的凈制冷量。
本發(fā)明在第1層和第3制冷片同時(shí)工作，去極化制冷完成時(shí)，第2層和第4層制冷片開始工作，使2層和4層制冷片的初始工作溫度較第1層和第3層初始工作溫度低，實(shí)現(xiàn)較大溫降，在2層和4層工作到去極化制冷時(shí)，1層和3層開始下一個(gè)循環(huán)，各層鐵電制冷片加(去)電場(chǎng)工作具有特定的時(shí)序和循環(huán)，或者1制冷片層在進(jìn)行到去極化制冷過(guò)程達(dá)到最低溫降時(shí)，進(jìn)行2制冷片層的加場(chǎng)極化，使2制冷片層的初始工作溫度較室溫低，實(shí)現(xiàn)2制冷片層工作時(shí)的溫降較1制冷片層開始制冷時(shí)的溫降低；2制冷片層工作時(shí)，1制冷片層繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)的工作，循環(huán)時(shí)間取決于所用制冷材料的單片制冷實(shí)驗(yàn)性能；2制冷片層工作時(shí)的溫降最低時(shí)，3制冷片層開始循環(huán)，1，2制冷片層繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)，依次類推?？筛鶕?jù)待制冷的發(fā)熱芯片需要，設(shè)計(jì)特定制冷器結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍的溫降。
本發(fā)明在各層按(2)的方式制冷時(shí)，如圖1所示，A-M行列和C-O行列同時(shí)工作，B-N行和D-P行列同時(shí)工作，可以實(shí)現(xiàn)溫度分布的均勻性和減少波動(dòng)，也可以在器件不出現(xiàn)疲勞時(shí)，各行和各列制冷片同時(shí)工作。
本發(fā)明微制冷器中制冷片1，2，3.....n工作的時(shí)序關(guān)系為第1片開始工作時(shí)間為t10＝0，第i片開始工作的時(shí)刻為ti0，第i片加電場(chǎng)時(shí)間ti、去電場(chǎng)時(shí)間ti′，一個(gè)循環(huán)周期為Ti，i＝1，2，...n，t1＝t2＝......tn，t1′＝t2′＝.....tn′，T1＝T2＝.....Tn，那么ti0＝(i-1)Ti-1。
n、m、l的取值方法是根據(jù)單片實(shí)驗(yàn)制冷效果確定電壓，由飽和最大溫降需要的最小堆片數(shù)確定n的大小；根據(jù)單個(gè)制冷片、絕緣導(dǎo)熱隔離層厚度和待制冷發(fā)熱芯片面積，單制冷片面積為a×b，隔離層厚度為d，發(fā)熱芯片面積為s×s，那么，l=sa+d,]]>m=sb+d.,]]>a，b，d的確定根據(jù)單片實(shí)驗(yàn)制冷效果，通過(guò)有限元仿真輔助設(shè)計(jì)確定。
本發(fā)明還可以在有發(fā)熱芯片的情況下，制冷器先工作，進(jìn)行預(yù)制冷，預(yù)制冷時(shí)間取決于制冷器結(jié)構(gòu)和待制冷元件的發(fā)熱量。待溫降達(dá)到一定值后，待制冷芯片才開始工作，并在一定的溫度下平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的邊界條件和物性參數(shù)視PMNT制冷片、發(fā)熱芯片與周圍環(huán)境沒有熱量交換(真空絕熱環(huán)境)，制冷片和發(fā)熱芯片的初始溫度均為298K。每片制冷片的生熱率(試驗(yàn)數(shù)據(jù))均為圖3每段曲線所標(biāo)，單位為W/m3。發(fā)熱芯片的生熱率為40000W/m3。PMN-PT陶瓷材料為各向同性的陶瓷材料，其熱物性參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、密度)不隨溫度變化視為常數(shù)，如圖6表中所示。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示實(shí)驗(yàn)1，本發(fā)明鐵電堆陣列微制冷器單獨(dú)工作，沒有發(fā)熱元件循環(huán)制冷。A～M、C～O列同時(shí)工作，每層制冷片的工作方式為1、3層同時(shí)工作，而2、4層在落后200秒后開始工作。到1000秒時(shí)，A～M、C～O列停止工作，而B～N、D～P列開始工作，每片陶瓷的工作方式仍未1、3同時(shí)工作，2、4落后200秒工作。經(jīng)過(guò)1800秒后溫度下降約12K，如圖4所示。
實(shí)驗(yàn)2，制冷器工作過(guò)程如實(shí)驗(yàn)1所述。待預(yù)制冷溫度達(dá)到290.5K后，生熱率為40000W/m3發(fā)熱芯片時(shí)開始工作，制冷片所有行列一起工作，至2400秒的溫度變化曲線如圖5所示。工作溫度平衡在290.5度。
本發(fā)明經(jīng)器件設(shè)計(jì)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用具有高EC效應(yīng)的弛豫性Pb(Mg1/3Nb2/3)O3與PbTiO3(PT)(簡(jiǎn)稱PMNT)，單體制冷堆由4層(n＝4)厚度1mm、長(zhǎng)寬各3mm的PMNT薄制冷片組成，制冷堆陣列數(shù)為4×4。發(fā)熱率為40000W/m3發(fā)熱芯片和制冷器接觸。工作狀態(tài)包括加正向電場(chǎng)極化以及加反向電場(chǎng)去極化兩個(gè)過(guò)程。具體工作過(guò)程為以(0～16)kV/cm作為正向電場(chǎng)，由零場(chǎng)強(qiáng)開始，在80s和40s兩段時(shí)間內(nèi)，以8kV/(cm.min)速率遞增場(chǎng)強(qiáng)至16kV/cm止，然后切換輸入電極極性，同樣以(0～16)kV/cm作為反向電場(chǎng)，由16kV/cm場(chǎng)強(qiáng)開始，在40s和40s兩段時(shí)間內(nèi)，以12kV/(cm.min)速率遞減場(chǎng)強(qiáng)至零場(chǎng)強(qiáng)止，完成去極化過(guò)程，如圖3所示。采用這種慢速極化而快速去極化的工作方式，可有效增加單循環(huán)過(guò)程的凈制冷量。單片、單循環(huán)凈制冷溫降0.5K。減少單制冷片厚度，可以降低施場(chǎng)電壓，例如，厚度為200μm制冷片，只須施加320V電壓即可使施加場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到16kV/cm。具體厚度和陣列尺寸，由具體待制冷元件的尺寸和發(fā)熱量需要的制冷效果來(lái)決定。
本發(fā)明適用于鐵電體材料制備小型制冷器和和薄/厚膜材料制備微制冷器，克服了現(xiàn)有鐵電制冷原理下，制冷溫降小、施場(chǎng)電壓高、制冷量低、需要散熱風(fēng)管(扇)等缺點(diǎn)，具有重量輕、體積小、無(wú)噪聲、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和制冷效果控制靈活、制冷啟動(dòng)快、制冷效率高等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體和微電子器件、光電子器件、MEMS器件和生物醫(yī)藥制品等需要的制冷和溫控應(yīng)用中，有極大的潛力和前景。
權(quán)利要求
1.一種微制冷器，其特征在于它采用多層堆積的陣列結(jié)構(gòu)n層薄層制冷片和m行、l列鐵電制冷片[1]堆疊構(gòu)成n×m×l制冷堆陣列；每一制冷片上下表面均披Sn/Ag[1’，1”][2’，2”，]......[n；，n”]電極[2]，堆疊的制冷片[1]層與層之間、行與行、列與列之間由同種材料、一定厚度、熱傳導(dǎo)系數(shù)較高的鐵電薄層或云母作為絕緣導(dǎo)熱隔離層[3]；制冷片[1]上下兩側(cè)面之間夾放有電極和引線。
2.按照權(quán)利要求1所述的微制冷器，其特征在于薄層制冷片[1]可采用PMNT陶瓷片或其它具有熱電效應(yīng)的材料。
3.權(quán)利要求1所述的微制冷器的制冷方法，其特征在于每一個(gè)制冷片采用快速加電場(chǎng)和慢速去電場(chǎng)的電場(chǎng)誘導(dǎo)相變制冷的方法；不同的行列中，同一層制冷片以同樣的方式工作；各層鐵電制冷片加(去)電場(chǎng)工作具有特定的時(shí)序和循環(huán)；鐵電堆陣列之間交替工作或同時(shí)工作；每一個(gè)制冷片的尺寸、鐵電堆層(n)、陣列數(shù)目(m，l)、結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)次數(shù)和工作時(shí)序，由具體工質(zhì)材料特性、單片制冷效果、待制冷器件特點(diǎn)和所需要的制冷效果、外界條件(電場(chǎng)、初溫、環(huán)境及其相互作用)等因素確定；工作溫區(qū)和制冷溫降，可根據(jù)需要，通過(guò)制備不同馳豫鐵電工質(zhì)材料進(jìn)一步調(diào)整。
4.如權(quán)利要求3所述微制冷器制冷方法，其特征在于制冷片1，2，3......n工作的時(shí)序關(guān)系為第1片開始工作時(shí)間為t10＝0，第i片開始工作的時(shí)刻為ti0，第i片加電場(chǎng)時(shí)間ti、去電場(chǎng)時(shí)間ti′，一個(gè)循環(huán)周期為Ti，i＝1，2，...n，t1＝t2＝......tn，t1′＝t2′＝......tn′，T1＝T2＝......Tn，那么ti0＝(i-1)Ti-1。
5.如權(quán)利要求3或4所述微制冷器制冷方法，其特征在于n、m、l的取值方法是根據(jù)單片實(shí)驗(yàn)制冷效果確定電壓，由飽和最大溫降需要的最小堆片數(shù)確定n的大??；根據(jù)單個(gè)制冷片、絕緣導(dǎo)熱隔離層厚度和待制冷發(fā)熱芯片面積，單制冷片面積為a×b，隔離層厚度為d，發(fā)熱芯片面積為s×s，那么，l=sa+b,]]>m=sb+d.,]]>a，b，d的確定根據(jù)單片實(shí)驗(yàn)制冷效果，通過(guò)有限元仿真輔助設(shè)計(jì)確定。
全文摘要
一種微制冷器及其制冷方法，特別涉及鐵電堆陣列微小制冷器及其制冷方法。它以馳豫鐵電材料為制冷工質(zhì)，采用n層鐵電堆，m×l鐵電堆陣列，共n×m×l個(gè)單元制冷片構(gòu)成微制冷器；每個(gè)制冷片采用快速加電場(chǎng)和慢速去電場(chǎng)的電場(chǎng)誘導(dǎo)相變制冷的方法；在不同行列中，同一層制冷片或隔層制冷片以同樣的方式工作，各層制冷片加(去)電場(chǎng)工作具有特定的時(shí)序和循環(huán)；鐵電堆陣列之間交替工作；本發(fā)明適用于制備小型制冷器和薄/厚膜材料制備微制冷器，克服現(xiàn)有鐵電制冷原理下，制冷溫降小、施場(chǎng)電壓高、制冷量低、需要散熱風(fēng)管(扇)等缺點(diǎn)，具有重量輕、體積小、無(wú)噪聲、無(wú)污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作和制冷效果控制靈活、制冷啟動(dòng)快、制冷效率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F25B21/00GK1760605SQ20041000966
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月14日
發(fā)明者李艷秋, 尚永紅, 劉少波, 張清濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所