突破逆卡诺循环的钳温器制冷技术

摘 要：针对传统空调的高耗电等弊端，本文通过研究其逆卡诺循环制冷原理，摒弃了“热转移”工作路径，形成了由热管、蓄热器（潜热态的固-固、固-液相变材料）、化热器（热电直接转化技术）3个主要部件构成，被温控系统合理通断的“热转化”工作路径。目标物废热先被热管快速导出并导入蓄热器中暂时储存；蓄热器中暂储的废热进一步被化热器转化为电能，至此完成目标物的自行降温。这个既“自源降温”又“废热发电”的钳温器制冷技术能够直接钳温固、液体目标物，并借助固、液体目标物间接钳温室内空气，具备等效传统空调的功能。

关键词：钳温器；逆卡诺循环；不用电空调；制冷技术

中图分类号：TK 11" " " 文献标志码：A

以传统空调为主的现有降温和制冷技术框架都是通过消耗外部电能将目标物的热能转移到体外，从而消除自身的热能积聚，达到降温的目的。传统空调是通过消耗外部电能做功，让制冷剂在“液态—气态—液态”的相变循环中交替地吸热、放热，将室内高温热能转移到室外温度更高的环境中，以实现室内制冷的效果[1]。正是逆卡诺循环原理让全球化应用的传统空调既消耗了20%的社会用电，又加剧了全球变暖。

2018年诞生的发明专利钳温器（废热钳制控制方法与自源式钳温器、车辆——专利号：ZL201710275353.6），属于突破了逆卡诺循环的制冷新技术，可以把目标物的热能转化为电能，“热转化”使目标物减少热能积聚，并自行使温度降至人为设定温度。

1 钳温器概况

1.1 钳温器研究的意义

为了解决传统空调的弊端，钳温器构造了目标物废热自行从高温处向低温处传递并最终转化为电能的工作路径，以目标物自身的废热为工作能源，通过“热转化”自源地完成降温，实现目标物制冷的功能，这完全异于传统空调“热转移”的技术框架，从根本上解决了传统空调由逆卡诺循环原理带来的弊端。

钳温器制冷技术的2个特色使之具备了助力碳中和的巨大价值。1）对目标物来说，它是“自源降温”和“废热发电”功能的嵌合体。2）钳温器“直接降温固、液体目标物”。此外，“热管的热超导”使钳温器比传统空调更快地对目标物进行降温。

1.2 钳温器主要部件

按照工作路径的先后顺序依次是热管、蓄热器、化热器。

1.2.1 热管

热管在自身两端存在很小的温差下就可以将热能从其高温的热端迅速传导到低温的冷端的导热元件，其导热能力远远超过任何已知金属。当目标物热连通到热管热端时，其废热就可以迅速传导到自身体外的冷端（热管的热、冷端最小导通温差可以忽略）。

1.2.2 蓄热器

蓄热器由固-固或者固-液相变材料构成。相变材料通过吸收（或者释放）显热热能，当达到相变温度的临界值时，再继续吸收（或者释放）热能，这些热能只用于相态转变（这里只是固-固或者固-液相态转变），直至相态完全转变为止，这期间相变材料始终保持相变温度，形成了一个温度平台，这个过程所吸收（或者释放）的热量就是潜热。与该材料的显热相比，潜热的储热量巨大，可以充分暂储来自热管的目标物热能，并保持稳定的相变温度，由后续的化热器去转化掉[2-3]。

1.2.3 化热器

将热能直接转化为电能的部件。这里采用温差发电和无温差热电转化技术作为化热器。

1.3 钳温器的结构

钳温器的整体结构就是把热管、蓄热器、化热器3个主要部件依次、线性地组合起来，构造了将目标物热能导出并转化为电能的工作路径。

1.3.1 目标物热连通热管的热端

有升温趋势的目标物自身的废热是进大于出的，但是对一般材质的目标物来说，一旦目标物作为高温废热源，热连通工作路径中的热管热端后，因为热管的热超导性质，所以目标物废热自行从热管热端传导到冷端的效率非常高，即热管导出的热量远大于热传递（传导、对流、辐射）进入的热量，目标物动态热量只会不断减少（降温），只要工作路径正常运行，目标物就会不断降温到不低于热管冷端的温度（热管的热、冷端最小导通温差可以忽略）[4]。

1.3.2 蓄热器两端分别热连通热管的冷端和化热器

蓄热器的前端面接受来自目标物的废热，后端面将蓄热器已经暂时储存的废热进一步热电转化为有用的电能。通过温控系统动态协调蓄热器的“热能导入”和“转化为电能”，就能使蓄热器始终处于潜热状态。显而易见，热连通蓄热器的热管冷端，即热管冷端的温度也就始终稳定于该相变温度，从而保证了目标物可以持续降温到不低于蓄热器相变温度的人为设定温度[5]。

1.4 钳温器结构示意图

钳温器结构如图1所示，其中钳温器和目标物之间的温控开关略去未画出。

1.5 钳温器的工作原理

当钳温器的结构工作时，工作路径根据目标物或者蓄热器的即时温度，借助温控系统按照特定的动作时序，合理地通断上述3个部件相互之间的热连通，连续、稳定地实现目标物自行降温的系统功能——目标物废热被热管快速导出（目标物开始降温）；废热再被导入潜热状态，在具有恒温平台的蓄热器中大量暂时储存；蓄热器中暂储的废热进一步被化热器转化为电能，最终摆脱热能形式，也恢复蓄热器再次暂储废热的能力，至此完成一轮目标物的自行降温，如此循环往复，直至将目标物钳制到不低于蓄热器相变温度的人为设定温度（通俗地理解，蓄热器相变温度就是钳温器的钳制温度下限），温控系统在至少一处、长时间地断开工作路径，结束钳温过程。

钳温器既“自源降温”，又“废热发电”，这个“嵌合性”过程就是钳温技术。首先，钳温器能够直接钳温墙壁等固、液体目标物。其次，借助被钳温的墙壁等，再迭代钳温它们所封闭的室内空气等目标物，等效出传统空调的功能。

2 蓄热器部件的3种传热模式

蓄热器是工作路径上的传热中枢。在工程实施上，潜热状态的蓄热器不可能做到“快导入”、“转化掉”二者效率持续、稳定相等的理想状态，必然会出现“进多出少”和“进少出多”的实际情况，无论出现哪一种情况，都要尽快调节回匹配状态。

因此，温控系统及时通断主要部件两两之间的热连通，形成控制热能进、出蓄热器的3种情况的动作时序，即“只进不出”、“只出不进”、和“同时进出”，动作时序恰当组合起来控制蓄热器，就能让具有巨大暂储能力和恒定温度值的潜热发挥缓冲作用：暂储潜热以分流相对多余的“快导入”，释放潜热以弥补“转化掉”所需热能的相对不足。调剂“快导入”和“转化掉”的效率不匹配，是钳温过程持续、稳定的关键。

在蓄热器潜热状态下，定义单位时间从热管冷端传导进入蓄热器的潜热热量为q1，单位时间化热器从蓄热器转化掉的潜热热量为q2，蓄热器的潜热储热总量为Q。这样，蓄热器就形成3种传热模式。

2.1 当q1gt;q2时的传热模式1

当钳温器开始工作时，先温控热能“只进不出”，蓄热器快速升温至相变温度，进入准相变的潜热状态。此时，蓄热器有Q的潜热能力接受废热。接着，温控进入“同时进出”的工作过程，蓄热器单位时间“快导入”q1，“转化掉” q2， 单位时间有（q1-q2）的热量储存为蓄热器的潜热，直至蓄热器的即时潜热达到Q，以完全相变状态完成钳温来程。接着，温控热能“只出不进”，直至蓄热器的潜热Q以单位时间 q2 全部“转化掉”、蓄热器回到准相变状态，完成钳温回程并进入下一轮开始阶段。在此模式中，蓄热器通过潜热形式暂储一部分的“快导入”热量，通过分流“快导入”来调剂“转化掉”效率的相对不足，避免蓄热器升温超过相变温度，造成热管冷端也随之升温，使热管因自身温差不足而停止导通，钳温过程误中止。其实物模拟图如图2所示。

2.2 当q1lt;q2时的传热模式2

当钳温器开始工作时，控制热能“只进不出”，蓄热器快速升温进入完全相变的潜热状态。此时，蓄热器是相变温度，但是已经暂储满了潜热Q，完成钳温来程。接着，温控进入“同时进出”的工作过程，蓄热器单位时间“快导入”q1，“转化掉” q2， 单位时间“快导入”相对“转化掉”就存在（q2-q1）的缺口，也就需要蓄热器的储热Q不断转化掉来弥补这个缺口，直至Q全部转化掉，蓄热器恢复到准相变状态，完成钳温回程进入下一轮开始阶段。此模式中，蓄热器通过适时释放、转化潜热，弥补了“快导入”相对“转化掉”的效率不足，在钳温过程中蓄热器始终稳定于相变温度，在“快导入”、“转化掉”不匹配的情况下钳温过程也能保持稳定。其实物模拟图如图3所示。

2.3 q1gt;q2a、q1lt;q2b化热器交替工作的传热模式3

在q1始终保持恒定的情况下，模式3的来程使用q1gt;q2a组（“同时进出”），直至蓄热器的即时潜热达到Q；然后，进入模式3的回程，则使用q1lt;q2b组（“同时进出”），直至蓄热器潜热Q全部转化掉，回复到准相变状态进入下一轮开始阶段。因此，传热模式3中的热管和蓄热器之间可以省略掉温控开关（二者采用固接），两组化热器和蓄热器通过两个温控开关控制通断，两个化热器交替钳温可以使目标物保持被连续、稳定钳温的状态。其实物模拟图如图4所示。

3 采用无温差热电转化技术的展望

温差发电是2种不同金属或者半导体形成的回路，只要保持两端结点的温度差，回路的高温端就吸收外界热量，一部分热电转化，一部分热量转移到低温端，只要不让低温端热量积累，保持两端结点的温度差，就能持续热电转化[6]。

温差发电是市场所认知的热电直接转化技术，如果化热器采用温差发电，不但热电转化效率不高，而且“温差”严重限制应用场景。

为了获得理想的化热器，已经研究出无温差热电转换专利技术——《基于非对称塞贝克效应的热电转换结构和无温差发电器》（实用新型专利，专利号：ZL 2023 2 0852883.3），它通过改造温差发电的双金属结构，摆脱了热电转化对“温差”的依赖。

这个无温差热电转化技术基于2点。1）基于2种电子导电材料的接触电势差，具有电源性和电阻性的区别。根据公知常识，2种电子导电材料在接触面产生的接触电势差会表现出不同的的特性。其中，只有2种不同金属（或合金）之间的接触电势差才是接触电动势，表现出电动势的特性可作为电源；其他材料之间形成的接触电势差只能是势垒，表现出电阻的特性。目前，可以确定金属和半导体之间的接触电势差就是势垒。2）双金属热电偶串接入一个非金属电子导电材料，就与双金属热电偶产生了质的变化。双金属热电偶存在2个接头，必然存在2个接触电动势，在无温差情况下，它们方向相反且大小相等，回路的总电动势为零，必须依靠“温差”使它们一大一小（此时，回路还产生了2个温差电动势，但是它们的数值可以忽略），才能得到不为零的总电动势。当用非金属电子导电材料（例如用半导体）串接入双金属热电偶时，回路只有2个势垒（电阻性的接触电势差）和1个接触电动势，这唯一的接触电动势也就是无温差情况下的总电动势，回路因此也必然有电流，按照帕尔贴效应，接触电动势接头处就会从外界吸热，回路就持续进行无温差热电转化。非金属电子导电材料的选择，使2个势垒处帕尔贴效应的吸/放热小到可以忽略。半导体这样的非金属电子导电材料广泛存在，与金属的势垒也能做到很小；2种金属的功函数大小匹配，就能得到1.5V以上的接触电动势。这样，“双金属热电偶串接入一个非金属电子导电材料的电子导通回路，被2个势垒替代掉1个接触电动势，凭借剩余的、唯一的接触电动势处的帕尔贴效应实现无温差热电转化”——这是打造化热器的实用技术。

4 钳温器的特色和应用场景

4.1 颠覆传统空调

作为不用电空调，钳温器不消耗社会电力，还额外利用废热发电。技术上还无风吹、无噪声，并且经济、简单和小型化。

4.2 挖掘制冷新需求

钳温器与固、液体目标物的制冷新场景相结合，将很大程度地开发和满足社会化的新需求。例如对数据中心服务器、航天航空、军事装备的钳温；开发固、液体不能达到燃点温度的消防新技术等。

4.3 绿色电能技术

当一个钳温器单体以“巨大”的废热源为目标物时，因为不匹配，所以不能使目标物被可感知的钳温，特化为持续获得电能的废热发电装置。

5 结语

钳温器是突破了逆卡诺循环的制冷技术，它对固、液体目标物既“自源降温”又“废热发电”的嵌合性过程就是自源地“热转化”的钳温过程，具有经济、简单和便捷的优势。

一旦社会化应用，无数的钳温器单体还可以虚拟出一个同样具有“嵌合性”的巨钳温器，把主要由太阳能所造成的地球废热转化为可用能源，遏制全球变暖，又由此源源不断地获得除水、风、光之外的新绿色电能，助力实现碳中和。

参考文献

[1]解国珍，姜守忠，罗勇.制冷技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]张仁远.相变材料与相变储能技术[M].北京：科学出版社出版社，2009.

[3]刘宗昌，任慧平，计云萍.固态相变原理新论[M].北京：科学出版社，2015.

[4]E.R.F.温特.热管[M].北京：科学出版社，1975.

[5]乐建波.温度控制系统[M].北京：化学工业出版社，2007.

[6]许志建，徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识，2004（1）：41-42.