CN102778075A - 热弹性冷却 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热弹性冷却，提供了一种基于热弹性效应的冷却系统。该系统包括散热器、冷藏空间以及与冷藏空间和散热器耦合以将热量从冷藏空间泵送到散热器的回热器。该回热器包括能够吸收或释放热量的固态热弹性制冷材料。

Description

热弹性冷却
本申请要求分别于2011年4月11日和2011年10月24日早些时候提交的第61/474,172号和第61/550,866号临时申请的利益，这两个专利申请特此通过引用被全部并入。
政府支持
本发明是在由NSF授予的DMR0520471、由ARO授予的W911NF071041O和由DOE ARPA-E授予的DEAR0000131的政府支持下做出的。政府在本发明上有某些权利。
背景
发明领域
本发明涉及用于固态热力学热泵循环或制冷循环的系统和材料。更具体地，本发明涉及基于热弹性效应的固态热力学热泵循环或制冷循环。
相关技术的描述
根据2008建筑能量数据，在2030年，建筑空间冷却和商业与住宅制冷将消耗7.46库德的一次电力并且产生447百万公吨(MMT)的CO2排放量。(Buildings Energy Data Book，2009，在表1.1.7和表1.4.5)。这相当于美国一次能量消耗的～5％和CO2排放量的～5％。当前，在美国超过90％的空间冷却由基于蒸汽压缩(VC)的系统提供。(D.Westphalen和S.Koszalinski，Energy Consumption Characteristics of Commercial BuildingHVAC Systems，Vol.1：Chillers，Refrigerant Compressors and HeatingSystems；Arthur D.Little，Report For Office of Building Technology State andCommunity Programs，Department of Energy)。在VC系统中使用的制冷剂是温室气体(GHG)排放的重要来源。制冷剂如氟氯烃(HCFC)或卤氟烃(HFC)具有高达CO2的全球变暖潜能的1000倍的全球变暖潜能(GWP)(参见Buildings Energy Data Book，2009)。因此，迫切需要开发提高总能量效率并且在空间冷却和制冷中减少GHG排放的新的且负担得起的冷却技术。
除了建筑空间冷却和制冷之外，运输空间冷却和制冷以及仪器温度控制也需要提高总能量效率并且减少GHG排放的新的且负担得起的冷却技术。
存在一些制冷技术。当前，蒸汽压缩是主导技术。在美国超过90％的冷却由基于蒸汽压缩的系统提供(参见上述D.Westphalen和S.Koszalinski，Energy Consumption Characteristics of Commercial Building HVAC Systems，Vol.1)。迫切需要更加能量有效和环境友好的新技术来取代蒸汽压缩技术。候选技术包括电热、磁热、热声、热电和热弹性。表1简要地比较了这些冷却技术。
Figure BDA0000152110070000021
Figure BDA0000152110070000031
表1.多种冷却技术的比较
蒸汽压缩制冷是并且仍然是用于空调和冰箱的最广泛使用的方法。该方法依赖于在压力诱导的气-液转变期间释放或吸收的潜热。自从它于1805年由Oliver Evans发明以来，这种技术的效率被显著提高。与在二十世纪七十年代构造的冰箱相比，当前能源之星设计的冰箱使用几乎少3倍的电力。压缩机常常是制造商指望改进他们的产品中的功率消耗的第一目标。作为几十年的努力的结果，目前的压缩机是高效率(～60％)和有成本效益的。添加其他的系统改进如密封、阀、消声器、热交换机和绝热，现代的冰箱效率可以达到45％。然而，为了在效率上实现更大的增加，必须研究根本变化。除了效率稳定状态之外，蒸汽压缩技术也由于其对氟氯烃或卤氟烃制冷剂的依赖性而面临着不利的环境条件，这些制冷剂的全球变暖潜能通常是CO2的全球变暖潜能的1000倍以上。(参见http://www.whitehouse.gov/administration/eop/nec/StrategyforAmericanInnovation；还参见Buildings Energy Data Book，2009)。即使制造基于蒸汽压缩的空调和冰箱的成本低，效率限制和环境问题也使得这一技术变得不合乎需要。
电热效应在商业上不被采用，因为该效应对实际应用是不足的。最近，由于科学杂志上发表的两篇论文，这一技术受到了重新关注，这两篇论文均论证了巨大的电热效应。(A.S.Mischenko，Q.Zhang等人，Science，Vol.311，pp.1270-71，n5765(2006)；Neese，Chu，等人，Science，Vol.321，p.821，n5890(2008))。在一篇论文中，Mischenko指出薄膜PbO3(Zr0.95Ti0.05)展示12K的ΔT和8J/(kg-K)的ΔS，在499K有480kV/cm的电场。在另一论文中，Neese指出共聚物P(VDF-TrFE)膜展示12K的ΔT和55J/(kg-K)的ΔS，在343K有300kV/cm的电场。虽然这些发现令人兴奋并且有可能打开新的研究领域，但是它们的商业潜力仍然很低，因为薄膜形式(对于陶瓷是350nm且对于共聚物是2000nm)在冷却容量上存在限制，并且陶瓷和聚合物材料的低热导率严重阻碍了热交换效率。已经提出了多种设计以克服容量限制。但是给定设备的特点，这一技术更适合于其中空间很短缺并且高效率是次要的局部冷却。
最近磁热制冷受到很大的关注。在过去的十年内这一领域中的研究论文的数量指数地增加。磁热制冷依赖于磁热效应，其中通过磁场的施加与消除造成可逆的温度变化。在1881年由Emil Warburg发现该效应。其理论卡诺(Carnot)效率接近68％。但是，由于对工作材料和磁场的大量稀土元素的基本需求所牵连的高成本，使当前磁制冷技术商业化的努力是不成功的。研究人员已经调查了当前磁制冷技术的商业可行性，并且得出结论，需要在成本上最少减少10倍来实现商业可行性。大多数研究人员知道这个成本问题。他们的焦点在材料发展上，以试图寻找含有较少昂贵元素的新材料，或者试图增加冷却容量以提高美元/瓦特比。基础研究成果通常不处理与大磁场的需求相关的成本问题。这是因为磁热效应的物理现象指示冷却容量与外加磁场成比例。估计对于每1kg基于稀土的制冷材料需要6kg基于稀土的永磁体来提供最低要求的磁场。因此，对稀土材料的强烈依赖限制了这一技术的商业可行性。
热声制冷可以追溯到1887年，那时，Lord Rayleigh论述了泵送带有声音的热量的可能性。该方法依赖于理想气体定律，其中高振幅声波被应用于加压气体以泵送热量。已构造的最有效的设备具有接近卡诺限制的40％或总系统效率的大约20～30％的效率。尽管在过去的几十年内取得了重大进展，但是当前热声技术的商业可行性仍然很低。
热电制冷被普遍用在野营和便携式冷却器中并且用于冷却电子组件和小仪器。该方法依赖于珀尔帖效应——在两种不同金属的接合点处的电流的热效应。在1834年由Jean-Charles Peltier发现热电效应。热电接合的效率低，从5到10％。尽管它紧凑，但是应用由于低效率而被限于小规模。对现代能量短缺和全球变暖的影响较小。
发明概述
本发明目的在于热交换系统的回热器以及基于热弹性原理的冷却系统和热交换系统，其处理对有成本效益的、高效且环境友好的新冷却技术的需求。本发明公开了将工作材料松弛的过程安排在冷藏空间内部以便利用工作材料的所有冷却容量的系统，并且本发明公开了可能使制冷剂COP加倍的利用卸载能量的系统。
为了实现这些和其他的优势并且依据本发明的目的，如所体现的和广泛描述的，一个实施方式是热弹性冷却系统，该系统包括散热器、冷藏空间、以及回热器，该回热器与冷藏空间和散热器连接，以使回热器将热量从冷藏空间泵送到散热器，其中回热器包括能够展示热弹性效应的固态制冷材料。在本发明的一个实施方式中，回热器通过直接接触与冷藏空间和散热器连接。在本发明的另一实施方式中，回热器通过热交换介质的循环与冷藏空间和散热器连接。在另一方面中，本发明提供了冷却系统，其包括散热器、冷藏空间、以及与冷藏空间和散热器耦合的回热器，回热器包括具有奥氏体相和马氏体相的热弹性材料，在被机械地加应力时，热弹性材料经受由奥氏体相到马氏体相的相变而释放潜热，并且在从机械受应力状态松弛时，热弹性材料经受由马氏体相到奥氏体相的相变而吸收潜热，其中在热弹性材料被机械地加应力时，回热器使热弹性材料与散热器热耦合并且释放潜热，从而加热散热器，以及其中在热弹性材料被松弛时回热器使热弹性材料与冷藏空间热耦合并且吸收潜热，从而冷却冷藏空间。
在另一方面中，本发明提供冷却系统，其包括散热器、冷藏空间和回热器，该回热器包括：具有奥氏体相和马氏体相的热弹性材料，在被机械地加应力时，热弹性材料经受由奥氏体相到马氏体相的相变而释放潜热，并且当从机械受应力状态松弛时，热弹性材料经受由马氏体相到奥氏体相的相变而吸收潜热；以及加应力和松弛装置，其用于给热弹性材料机械地加应力以引起由奥氏体相到马氏体相的相变以将潜热释放到散热器，加应力和松弛装置还被配置成使机械受应力的热弹性材料松弛以引起由马氏体相到奥氏体相的相变以从冷藏空间吸收潜热。
在另一方面中，本发明提供在热交换系统中使用以从冷藏空间提取热量并且将热量释放到散热器的回热器，该回热器包括：具有奥氏体相和马氏体相的热弹性材料，在被机械地加应力时，热弹性材料经受由奥氏体相到马氏体相的相变而释放潜热，并且当从机械受应力状态松弛时，热弹性材料经受由马氏体相到奥氏体相的相变而吸收潜热；以及加应力和松弛装置，其用于给热弹性材料机械地加应力以引起由奥氏体相到马氏体相的相变以从热弹性材料释放潜热，加应力和松弛装置还被配置成使机械受应力的热弹性材料松弛以引起由马氏体相到奥氏体相的相变以吸收潜热。
本发明的附加特征和优势将在以下的描述中被阐述并且从该描述中是部分地明显的，或者可以通过由本领域的普通技术人员实践本发明而被获知。将由设备和方法实现和达到的本发明的目标和其他的优势将在书面说明书和其权利要求以及附图中被特别指出。应当理解，上述概述和以下详细的描述均是示例性的，且被包括以提供本发明的一些方面和特征的基本理解。它们不是本发明的完整概述，也不是用来特别描述本发明的范围。更确切地，它们以简化的方式提供本发明的一些概念作为所主张的本发明的进一步解释。
附图简述
图1是Cu-Al-Ni合金中的应力-应变关系的图形表示。
图2是NiTi合金的DSC曲线的图形表示。
图3是热弹性冷却循环的示意图。
图4是具有由热弹性制冷剂块制成的制冷剂传送带的系统的示意图。
图5是具有两个滚筒的系统的示意图，滚筒的多个部分以不同的速度旋转。
图6是具有热弹性回热器板和应力施加装置的系统的示意图。
图7A到图7B是NiTi合金的应力应变曲线的图形表示。
图8A到图8B是具有双压缩热弹性冷却系统的系统的示意图。
图9A到图9B是在操作中的双压缩热弹性系统的图形表示。
图10A到图10B是使用活塞压缩设计的热弹性冷却系统的图形表示。
图11A到图11B是使用鸟笼式设计的热弹性冷却系统的图形表示。
图12是35瓦人力鸟笼式热弹性冷却器的图片。
图13A是使用旋转鸟笼式双拉环设计的热弹性冷却系统的图形表示。图13B描绘了初始状态的机械部件的横截面视图。图13C示出了在操作期间笼子的一个部件被伸展的状态的横截面视图。
图14A是旋转鸟笼式双拉环设计的气流示意图。图14B描绘了热侧和冷侧的气流的顶视图。
图15是使用滚筒式设计的热弹性冷却系统的图形表示。
图16A到16C是使用旋转压缩设计的热弹性冷却系统的图形表示。
本发明和优选实施方式的详细描述
类似于蒸汽压缩冷却技术，热弹性方法依赖于在应力诱导固相到固相转变期间释放或吸收的潜热。热弹性制冷剂的测试已经证明冷却效率高达11.8。这一技术的低成本和高的可制造性有可能改造制冷行业并且对能量效率和环境均给予重大影响。本发明解决针对基于热弹性效应的冷却系统的系统设计和工作材料(制冷剂)。
热弹性冷却效应直接涉及可逆的固态到固态马氏体相变。在许多方面，这一概念类似于常规的蒸汽压缩技术，因为两者均使用应力来引起相变，并且两者均利用潜热来实现冷却。区别在于制冷剂的形式。对于蒸汽压缩，制冷剂是液体/蒸汽，而对于热弹性冷却，制冷剂是固态/固态。
可逆的马氏体相变是无扩散的固态到固态转变并且涉及结晶剪切变形。高温相(奥氏体)具有比低温相(马氏体)更高的对称性。在转变期间对称性的降低导致多个变体的形成，每一变体具有其自己的相关的形状变化。当材料被冷却以转变时，所有的变体可能同等地形成。随机分布的变体使得材料的整体形状有很小的变化。当对变体的该混合施加应力时，某些变体将积极地受到青睐并且比其他变体出现更多数量。结果是在形状上高达10％的显著变化。当变形的马氏体变暖时，材料转变回其奥氏体结构，其也恢复合金的原始形状，表现得好像它具有记忆一样，因而有形状记忆合金(SMA)的名称。
除了温度之外，也可以直接由应力诱导马氏体转变。图1描绘了在CuAlNi合金中的应力诱导的马氏体相变的过程。在高于相变的温度处，材料处于其奥氏体状态(A)中，应力-应变曲线是陡峭的，反映了相对高的弹性常数。当应力达到某一幅值时，马氏体(M)开始出现，并且材料变软。此时，应力的小增加导致大量的变形(应变)。材料仍然是软的直到大部分奥氏体被转变；然后材料开始恢复其刚度，并且应力-应变曲线再次变得陡峭。由于应力的小增加的较大变形被称为超弹性。
当前，最广泛使用的形状记忆合金是镍钛诺(镍钛海军军械实验室)。它是于1961年偶然发现的二元合金，(G.B.Kauffman，I.Mayo，ChemicalEducator，Vol.2，No.2，pp.1-21(1997)；W.J.Buehler，Letter to Amy AxtHanson，15 June 1991)，并且以后通过F.E.Wang的所致力的工作而被理解。镍钛诺的奥氏体相具有有序的立方(B2)晶体结构；它的马氏体具有有序的单斜(B19’)晶体结构；并且它具有通常称为R相的另一中间菱形相(B2’)。在图2中示出了每一转变的潜热(J.A.Shaw等人，ExperimentalTechniques，Sep./Oct.pp.55-62(2008))。
除了形状记忆合金之外，存在能够从一个固相转变到另一固相的热弹性聚合物，在相变期间吸收或释放潜热。可以通过温度、应力、磁场、电场、光、溶液或其他形式的能量输入诱导这一转变。热弹性聚合物的实例包括但不局限于聚氨酯、通过聚合物方法制成的具有离子或介晶成分的聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氧乙烯(PEO)的嵌段共聚物、含有聚苯乙烯和聚(1，4-丁二烯)的嵌段共聚物、和由聚(2-甲基-2-恶唑啉)和聚四氢呋喃制成的ABA三嵌段共聚物。与作为制冷剂的热弹性金属比较，热弹性聚合物更具成本效益，具有更长的使用寿命，需要较少的临界应力；然而，它具有较小的热导率和较低的功率密度。
使用由形状记忆合金制成的线材可以最佳说明热弹性冷却效果。当使用两只手加应力时，线材被迫转变成马氏体相并且释放19.7kJ/kg的潜热。这一数量的热量足以对皮肤留下烧灼感。当应力移除后，线材转变回其母相并且吸收类似数量的热量作为结果。在图3中描绘了拉SMA线材加热了材料的这个实施例的加载路径。从点
Figure BDA0000152110070000091
到①给线材加应力。在这一过程中，线材转变成R相并释放6.7kJ/kg的热量，并且然后转变成马氏体相并释放另一6.9kJ/kg的热量。线材变热。在接下来的步骤中，线材靠着温度相对冷的人的皮肤放置。应力保持恒定。这一过程的路径是从点①到②。最后步骤是在该过程中卸载应力并且吸收19.7kJ/kg的热量。先前感觉到轻微的烧灼感的人现在感觉到冰冷的感觉。这一过程的路径是从点②到③。
在这六个主要的制冷技术当中，仅磁热方法和热弹性方法显示出对能量效率和环境的显著影响。这两种方法中，热弹性冷却预示更有成本效益。另外，与其他的五种制冷技术相比，热弹性冷却技术具有若干独特的优势，包括它不需要工作流体(因此没有泄漏、毒性和易燃问题，并且它的维修费用低)以及工作材料及应用产品具有无限的保存期限的事实。这一技术还防爆且是重力无关的，并且可以被设计成用于任何温度操作。热弹性冷却能够有超过20K的温度升高(因此，实现明显的冷却)，并且具有潜在地高的COP。这些优势使热弹性冷却技术除了别的以外还特别适用于以下应用：室内除湿机、小型个人冷却器(酒店客房冰箱、冷酒器、和汽车的饮料冷却器)、人力(手摇式)冷却系统(野餐冷却器、锻炼自行车、饮料罐冷却器)、在蒸汽压缩系统中的热弹性级、顶部或底部循环、获得用于冷却的振动(集成在汽车的减震器中用于冷却)、机械热管和冷却电子设备。不同于空气调节和制冷，热弹性效应还可以扩展到与冷却间接相关的其他应用，例如发电、费热利用、ORC替代、传感器的能量获得和自供电设备(使用ΔT来驱动冷却风扇)。
可以基于以下的条件来估计热弹性冷却的性能系数(COP)：1)在马氏体到奥氏体转变期间吸收的潜热与温度无关；2)典型的VC系统的系统能量损耗大约是诱导相变所需的能量的40％。总系统COP是制冷剂COP的大约71％。系统能量损耗包括热交换、应力应用、风扇、机械摩擦、电机械转换和热泄漏等的能量损耗。为了估计目的，假定热弹性冷却系统的系统能量损耗与典型的VC系统的系统能量损耗相同；3)冷藏空间的温度高于奥氏体最终温度。这是为了确保制冷剂一旦从应力应用移除就可以完全恢复到奥氏体状态。当从最马氏体状态转变到最奥氏体状态时制冷剂仅可以吸收大部分的潜热。
为了计算目的，我们假定制冷剂采用方形板(0.1x0.01x0.01m3)的形式。镍钛诺的密度是6450kg/m3。在马氏体到奥氏体转变期间吸收的潜热是19.7kJ/kg。对于方形板，假定该板已完全转变，所吸收的总热量是 L = 19.7 kJ kg × 6450 kg m 3 × 0.01 m × 0.1 m × 0.1 m = 12.71 kJ . 为了估计将方形板加应力成马氏体所需的能量，假定270MPa的平均应力和6％的平均应变。完成方形板的相变所需的总机械能量是 W = 270 × 6 % × 10 6 N m 2 × 0.01 m × 0.1 m × 0.1 m = 1.62 kJ . 被定义为所吸收的潜热除以诱导相变所需的能量的制冷剂COP等于COP＝L/W＝12.71/1.62＝7.84。如果我们应用第二条件(系统COP是制冷剂COP的70％)，则最终的系统COP是5.5。与当前最先进的蒸汽压缩技术(COP＝4.5)相比，这一结果代表22％的改进。
热弹性效应是已经研究了数十年的已知的效应。虽然大部分的努力都集中于在传感和致动领域中的应用上，对冷却或制冷利用热弹性效应的可能性也已被探究。例如，发布给Hugenroth的美国专利号6367281试图描述热弹性冷却的概念，并且试图公开基于热弹性效应的制冷系统。然而，本领域中所公开的系统具有低效率或可能不起作用，因为它将冷藏空间放置在工作材料已被松弛并且热弹性效应已经出现的位置中。工作材料仅可以在相变期间而不是在相变之前或之后有效地吸收或释放潜热。因此，如在本发明中所描述的和所主张的，供系统倾卸潜热的散热器优选地被放置在工作材料正被加应力的位置上，并且冷藏空间优选地被放置在工作材料正被松弛的位置上，不是在工作材料被松弛之前或之后。如果在工作材料被松弛之后放置冷藏空间，如在美国专利号6367281中所公开的，工作材料从受应力状态松弛的热环境必须是绝热的，使得在相变期间，不能通过环境，即，不能通过吸收来自环境的任何热量来补偿工作材料的吉布斯自由能的变化。更确切地，通过降低工作材料本身的温度来补偿吉布斯自由能的变化。此时，工作材料的温度低于目标冷藏空间的温度，使得当冷的工作材料随后接触冷藏空间时，在工作材料和冷藏空间之间发生热交换，并且以工作材料的温度增加为代价进一步降低冷藏空间的温度。因此，在US 6367281的权利要求中陈述的材料必须在相变时展示绝热温度变化，与利用形状记忆合金的呈现伴有潜热交换的相变的本发明相反。拒信，这种材料(在相变时展示绝热温度变化)目前不存在。在美国专利号6367281中公开的系统具有低效率的另一原因是，不同于本发明的一些实施方式，它们不利用储存在固态制冷材料中的机械能(卸载能量)。
如上所述，本发明的实施方式目的在于热弹性冷却系统，该系统包括散热器、冷藏空间和回热器，回热器通过直接接触或者通过热交换介质的循环与冷藏空间和散热器连接，以使回热器将热量从冷藏空间泵送到散热器，其中回热器包括能够展示热弹性效应的固态制冷材料。具体的，本发明的一个实施方式是利用一组齿轮来直接或通过布置有固态制冷剂的传送带给固态制冷剂施加应力的热弹性冷却系统，如图4所示。如图4所示，齿轮1、2、3和4通过布置有制冷剂板5的驱动带6施加应力，从而将热量从冷侧(冷藏空间)泵送至热侧(周围环境或散热器)。在这一具体实施方式中，齿轮的使用明显不同于滑轮或滚筒，因为在没有齿轮齿的情况下，应力的幅值将不足以诱导使由制冷剂制成的这些块和板转变的相变。
图5描绘了依据本发明的另一实施方式的热弹性冷却系统。图5中示出的热弹性冷却系统通过使用多个滚筒来实现工作材料的连续循环。每一滚筒包括多个部分。滚筒的每一部分以不同的速度旋转，当线材缠绕在滚筒上时，根据滚筒的部分之间的速度差异，允许制冷线材被加应力或未加应力(松弛)。例如，如果当线材缠绕在滚筒上时滚筒的部分的旋转速度增加，则线材将被加应力。另一方面，如果当线材缠绕在滚筒上时滚筒的部分的旋转速度降低，则线材将被松弛。滚筒的大表面区域允许有效的热交换。在这一实施方式中，使用具有多个部分的两个滚筒。一个滚筒被放置在与周围环境发生热交换的热侧，而另一滚筒被放置在与目标冷却空间发生热交换的冷侧。本实施方式的主要特征是在一个位置(滚筒处)应力施加与热交换功能的合并。
在本发明的另一实施方式中，公开了包括回热器板和应力施加装置的热弹性冷却系统。图6是回热器的略图。它主要包括由NiTi合金组成的回热器板7、一组扭转应力施加器、旋转热流交流发电机8和风扇。如所描述的在本申请中适合的其他材料也可以用于回热器板7。热弹性冷却系统的这一具体实施方式允许利用扭转力给单个板或多个板加应力。完整的冷却循环包括如下四个步骤：(1)剪切应力施加到回热器板7，释放潜热；(2)热空气被引入到回热器板以将热量从回热器板排出到热空气并且将空气排到室外；(3)一旦温度平衡，就关闭热侧循环，并且将冷侧空气引入；以及(4)移除应力并且允许该板转变回奥氏体，从冷侧空气吸收热量。在优选实施方式中，传感器用于监控能量消耗和冷却载荷。图6中示出的系统需要较少的能量来诱导相同的相变，因而预示较高的能量效率。
本发明的另一实施方式公开了利用双压缩机构的热弹性冷却系统，双压缩机构允许系统恢复耗费在压缩制冷剂上的部分能量，如图8A和图8B所示。图8A描绘了没有偏置的处于预组装状态的热弹性冷却系统的横截面视图，其示出了端板9、制冷剂组A10和制冷剂组B13、握杆11、负载十字架12和显得松动的偏置螺母14。图8B也是示出了具有与图8A相同的部件但具有由拧紧的偏置螺母14描绘的偏置压缩的组装状态的截面视图。在此系统中的制冷剂组A10和制冷剂组B13由具有经调整的热处理剖面或具有添加剂如C、H或其他的过渡金属的材料如NiTi合金、CuAlNi、CuZnNi、CuZnAl、FePd、AuCd、NiMnGa和FeMn合金以及上述合金的衍生物组成。在这种双压缩机构中，当制冷剂A受到压缩时，制冷剂B被松弛，反之亦然。该系统的目标是利用卸载能量来提高总能量效率。这种双压缩机构系统基于图7A和图7B中示出的应力-应变曲线。在初始状态中，制冷剂组A10和制冷剂组B13均被压缩到两个组均在相变的中间的点。由图7A中的虚线示出应力级。当负载十字架12靠着制冷剂组A10被推动时，如图9A中示出的系统的截面视图所示，制冷剂组A10完全转变成马氏体而释放潜热，而制冷剂组B13完全转变回奥氏体而吸收潜热。当朝向制冷剂组B13推动负载十字架时，如图9B中示出的截面视图所示，制冷剂组A10将被松弛，转变成奥氏体而吸收潜热，并且制冷剂组B13将被加应力成马氏体而释放潜热。热交换介质可以与负载十字架12的动作同步，以将所产生的热量倾卸到介质，介质随后将热量倾卸至周围环境，或者冷却热交换介质，热交换介质随后将冷却目标空间。在双压缩系统中消耗的总能量是由应力-应变滞后回线包围的面积，如图7A和图7B中的阴影区域所示。测试结果显示操作双压缩系统所需的能量仅是单压缩系统的30％。并且操作双压缩系统所需的能量仅是双拉力系统的25％。
图10A和图10B描绘了由活塞驱动的简化的双压缩系统的截面视图。如图10A和图10B所示，活塞压缩设计的主要部件是具有相同体积的热弹性材料单元15、端保持板16、压缩预加载螺钉17、外壁18、利用壁18气封的双向运动活塞19、驱动轮20和驱动轴21。在操作之前，通过端保持板16和压缩预加载螺钉17将两个热弹性材料单元15预压缩到最大设计变形的50％。由于来自两个材料单元的平衡力，活塞将保持在中间位置，此时，这两种材料将具有两种固态相。在操作期间，在驱动轮20的第一次90°旋转后，将由驱动轮20通过驱动轴21上下推动活塞。当活塞到达顶点或一半行程距离时，顶部热弹性材料单元15将被100％压缩并且完全被诱导并转变成固态相(马氏体)，将部分潜热(Q_heat)释放到工作介质。同时，底部热弹性材料单元15将被100％释放并且完全转变成另一种相(奥氏体)而吸收部分潜热(Q_in)。然后，在随后的180°旋转位置，当活塞到达底点或满行程距离时，顶部热弹性材料单元15将被完全释放并且相变成奥氏体，从而吸收热量，并且底部热弹性材料单元15将被完全压缩并且相变成马氏体，从而释放潜热。在每个360°旋转后，两个热弹性材料单元15将释放一次并且吸收一次潜热。当材料受到压缩时，它们具有向后推动活塞的势能，使得它们的压缩被释放。因此，用于加载或压缩热弹性材料的机械能又用于驱动该机构，这在每一材料的每一循环中的释放过程期间构成了机械能的恢复。用于活塞压缩设计的合适的热弹性材料是3-D SMA材料。为了确保更好的热交换，开孔多孔材料或捆扎的线材应该用于具有与热弹性材料单元15相同的体积的热弹性材料单元。
本发明的另一实施方式是如图11A和图11B所示的使用鸟笼式设计的热弹性冷却系统。如图11A和图11B所示，通过使用驱动轴23在相反的方向上旋转顶部扭转板24和底部扭转板25来伸展热弹性制冷线材22，所述驱动轴连接到两个轮并且包含在回热器室中。当两个板24、25被扭转时，给热弹性制冷线材22激励或加应力，并且释放潜热。通过在回热器室和散热器(周围环境)之间循环热侧热交换介质来移除所产生的热量。在冷却步骤期间，释放施加到板24、25的扭矩；热弹性制冷线材22被松弛并转变回未激励状态。所述线材从冷侧热交换介质吸收热量并且将其冷却。在优选实施方式中，热弹性制冷线材22由NiTi组成。图12示出了35瓦人力鸟笼式热弹性冷却器的图片。图片中的制冷线材处于未激励状态。没有示出散热器和热交换介质线路。
本发明的另一实施方式公开了使用旋转鸟笼式双环拉动设计的热弹性冷却系统。图13A示出了总系统设计，其中主要部件是具有相同长度26的热弹性线材、用于拉和释放的双拉环27、用于支撑顶环的顶板28、用于所设计的应变施加的高度可调节的螺杆29、驱动电动机30、滑轮及皮带31和用于环旋转驱动的依次以设计频率拉和释放所述线材的轴32、用于底环和其他的支撑部件的底板33。为了在环旋转期间的最小摩擦，在双拉环27与支撑板28和33之间存在轴承。图13B示出了初始(静止)状态的机械部件的横截面视图，以及图13C示出了在操作中的系统，其中在笼子的一个区域中的线材是拉伸的，而在另一区域中的线材是放松的。在如图13B所示的初始状态中，没有一个线材受到应力，并且因此没有应力诱导的相变和热弹性行为。如图13C所示，在操作期间，一旦通过高度可调节的螺杆29提升顶部线材加载环的右侧，旋转到此区域中的制冷线材就将被拉伸并且转变成马氏体而释放热量。这些线材远离此区域旋转时，它们的应力被释放，并且线材被松弛并转变成奥氏体状态而吸收潜热，从而冷却该介质。换句话说，当高度可调节的螺杆29延伸时，顶板28和底板33不再平行，并且靠近所延伸的高度可调节的螺杆29的线材将是拉伸的，而在相对区域中的线材将是放松的，产生热区和冷区。这种设计的关键益处是当线材受到拉力时，它们具有诱导环旋转的势能以便释放它们的拉力，并且用于加载线材的机械能又用于驱动该机构。换句话说，储存在拉伸的线材中的机械能有助于保持环旋转所需的总能量。这在每一线材的每一循环中的释放过程期间构成了卸载机械能的恢复。图14A示出了在旋转鸟笼式双拉环设计系统中的热交换子系统，其促进线材和工作介质之间的热交换。图14A示出了环和线材34、热绝缘壁35和脆性隔离物36，其防止热侧中的空气与冷侧中的空气混合。图14B示出了同一系统的顶视图，其示出了热侧和冷侧的气流。这种设计允许热空气侧和冷空气侧保持分离，这避免了介质中的不必要的热量损失。
本发明的另一实施方式提供了如图15所示的使用旋转滚筒式设计的热弹性冷却系统。图15示出了总的滚筒系统设计，其中主要部件是主驱动轮37、第二驱动轮38、外惰轮39、内惰轮40、具有相同的初始长度的热弹性线材41(其等于图15中的右部分中的最短的线材)、外保持壳42和内保持壳43。在操作期间，主驱动轮37和第二驱动轮38驱动外保持壳42和内保持壳43，其保持以相同的频率顺时针旋转的热弹性线材41。保持制冷线材的两个滚筒的旋转轴偏移高达线材长度的10％。在壳旋转期间，由于旋转中心偏移，在滚筒旋转时这两个滚筒之间的热弹性线材41将被周期性地拉伸和释放。外惰轮39和内惰轮40保持壳(42和43)的位置，并且给拉伸的热弹性线材41提供力。当任何线材从最短情况(当它处于循环的右端时)被越来越长地拉伸至通过拉力引起的最长情况时(当它处于循环的左端时)，它将从一个固态相转变成另一固态相并且将潜热(Q_out)释放到热箱中的工作介质中。然后当线材经过最长情况区域并被释放时，它将转变回原始相并且吸收与来自冷却箱的相变的潜热相等的潜热(Q_in)。当线材受到拉力时，它们具有引起环旋转的势能以便释放它们的拉力。因此，用于加载(拉伸)线材的机械能又用于驱动该机构，这在每一线材的每一循环中的释放过程期间构成了机械能的恢复。图15中示出的在滚筒式设计中的用于热弹性线材和板的合适的材料分别是1-D工作SMA材料和2-D SMA材料。此外，热弹性线材(1-D SMA材料)可以用由2-D SMA材料制成的热弹性带和薄板替换。
本发明的另一实施方式提供了如图16A、图16B和图16C所示的使用旋转压缩设计的热弹性冷却系统。图16A、图16B和图16C中示出的旋转压缩设计的主要部件是外壁44、顶部压缩加载板45、中心驱动轴46、和具有相同的体积的制冷单元47。如图16A所示，顶部压缩加载板45以设计角倾斜，并且连接到驱动轴46。在操作期间，驱动轴46以设计频率旋转。当顶部压缩加载板45被预先设置在壁44内部时，在顶部压缩加载板45较低的一侧上的制冷单元47被完全压缩并且相变成另一相，以及在顶部压缩加载板45较高的一侧上的制冷单元47保持在原始相中。在操作期间，驱动轴46以设计频率旋转。当顶部压缩加载板45的下侧朝着制冷单元47旋转时，这些单元经受压缩和相变，从而释放潜热，直到它们被完全转变，此时，潜热释放停止。换句话说，当制冷单元47被压缩时产生热量，并且必须通过倾卸到周围环境或散热器来将该热量从系统中移除。当下侧远离制冷单元47旋转时，释放制冷剂中的压缩，并且制冷单元47转变回奥氏体，从而吸收热量。当制冷单元47受到压缩时，它们具有向回推动顶部压缩加载板45的势能以便释放它们的压缩。因此，用于加载(压缩)制冷剂的机械能又用于驱动该机构。这在每一制冷剂的每一循环中的释放过程期间构成了机械能的恢复。用于旋转压缩系统的合适的制冷材料是3-D SMA材料。
多种材料或制冷剂可以用于热弹性冷却系统的实施方式。材料优选地展示具有大于12J/g的潜热的可逆的应力诱导的固相到固相转变，并且需要小于250MPa的应力以诱导相变。冷藏空间的温度高于材料的奥氏体最终温度，以便确保制冷剂一旦从应力施加移除就可以从应力诱导的马氏体完全恢复到奥氏体状态。当制冷剂从最马氏体状态转变成最奥氏体状态时，制冷剂仅可以吸收大部分的潜热。例如，诸如NiTi、CuAlNi、CuZnAl、FePd、NiMnGa、FeMn、CuZnNi、AuCd等的现有合金以及具有经调整的热处理剖面或具有添加剂如C、H的NiTi、CuAlNi、CuZnNi、FePd、AuCd和NiMnGa的衍生合金或其他的过渡金属是优选的材料。
非金属材料也可以用于热弹性冷却系统。除了金属热弹性材料之外，某些聚合物也可以用作热弹性制冷剂。
对那些本领域的技术人员来说显然，可在本发明中做出各种修改和改变而不偏离本发明的精神或范围。因此，意图是本发明涵盖出现在所附权利要求及其等同物的范围内的修改和改变。例如，为了将本申请中所公开的示例性回热器中的任何一个适当地耦合至散热器和冷藏空间(即，待制冷的空间)，本领域的技术人员可以容易地应用或适当地修改已知的热耦合方案和结构(代替或除了以上公开的那些新颖的结构之外)，使得本发明的回热器的热量释放和吸收特性有效地用于构建冷却系统。因此，意图是使用这种已知的热耦合方案和结构由本发明的回热器的任何组合构建的冷却系统和热交换系统在本发明的范围内，因为这种系统出现在所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (36)

1.一种冷却系统，包括：
散热器；
冷藏空间；以及
回热器，其与所述冷藏空间和所述散热器连接，以使所述回热器能够将热量从所述冷藏空间泵送到所述散热器，其中所述回热器包括能够展示热弹性效应的多种固态制冷材料。
2.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器通过直接接触与所述冷藏空间和所述散热器连接。
3.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器通过循环热交换介质与所述冷藏空间和所述散热器连接。
4.如权利要求1所述的冷却系统，
其中当所述固态制冷材料与所述散热器热接触同时所述固态制冷材料正被加应力时，所述固态制冷材料将热量释放到所述散热器；以及
其中当所述固态制冷材料与所述冷藏空间热接触同时所述固态制冷材料从先前的受应力状态被松弛时，所述固态制冷材料从所述冷藏空间吸收热量。
5.如权利要求4所述的冷却系统，其中通过施加拉力、压缩或扭转来给所述固态制冷材料加应力。
6.如权利要求4所述的冷却系统，其中两组固态制冷材料被耦合，使得当一组固态制冷材料被加应力时，另一组固态制冷材料被松弛。
7.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述固态制冷材料在被施加应力、电场、磁场、温度、光或溶液时经受可逆的奥氏体到马氏体相变。
8.如权利要求7所述的冷却系统，其中当所述固态制冷材料经受可逆的奥氏体到马氏体相变时释放热量，并且其中所述热量大于1J/g。
9.如权利要求7所述的冷却系统，其中所述固态制冷材料在等于或低于所述冷藏空间的设计温度的温度从马氏体完全转变成奥氏体相。
10.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述固态制冷材料包括镍钛合金、铜铝镍、铜锌镍、铜锌铝、铁钯、金镉、镍锰镓、铁锰、以及镍钛合金、铜铝镍、铜锌镍、铁钯、金镉、铁锰和镍锰镉的衍生合金中的至少一个的合成物。
11.如权利要求7所述的冷却系统，其中所述固态制冷材料包括展示与吸收或释放热量相关的可逆的固态到固态转变的聚合物的合成物。
12.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述制冷剂包括至少一种热弹性材料和以链、带、线、泡沫、板、丝、厚膜、薄片、棒、管或导管的形式的结构材料的合成物。
13.如权利要求6所述的冷却系统，其中通过使第一组固态制冷材料松弛而产生机械能，并且所述机械能能够用于给第二组固态制冷材料加应力。
14.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器包括两组齿轮和布置有多种固态热弹性制冷剂的皮带，其中通过所述第一组齿轮给所述皮带上的所述固态热弹性制冷剂加应力以释放热量，并且通过所述第二组齿轮使所述皮带上的所述固态热弹性制冷剂松弛以吸收热量。
15.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器包括两个滚筒和缠绕所述滚筒的多条固态制冷线材，其中每一滚筒包括多个部分，并且所述滚筒的每一部分以不同的速度旋转，使得当运行中的滚筒部分以较高的速度旋转时，在所述固态制冷线材缠绕到所述滚筒上时所述固态制冷线材被加应力并且将热量释放到所述滚筒，以及当在运行中的滚筒部分以较低的速度旋转时，在所述固态制冷线材缠绕到所述滚筒上时所述固态制冷线材被松弛并且从所述滚筒吸收热量。
16.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器包括一组板，其中所述板被扭转以释放热量，并且所述板被松弛以吸收热量。
17.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器包括两组固态制冷剂，所述两组固态制冷剂被压缩使得它们均处于可逆的相变的中间，并且其中当一组固态制冷剂被加应力并且完全地转变成马氏体以释放热量时，另一组固态制冷剂被松弛并且完全地转变成奥氏体以吸收热量。
18.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器包括一对端板和连接在初始位置的所述端板之间的固态制冷线材，其中当所述两个端板在彼此相反的方向上旋转时，所述固态制冷线材被加应力以释放热量，当所述两个端板恢复所述初始位置时，所述固态制冷线材被松弛以吸收热量。
19.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器包括两个端板，固态制冷线材连接在所述端板之间，其中第一端板被设置在与所述第二端板非平行的倾斜位置上，并且其中在所述板倾斜较高的端上的所述固态制冷线材总处于受应力状态而释放热量，以及在所述板倾斜较低的端上的所述固态制冷线材总处于松弛状态而吸收热量。
20.如权利要求1所述的冷却系统，其中所述回热器包括两个旋转滚筒和连接在所述两个滚筒之间的多条固态制冷线材，其中所述固态制冷线材基于所述滚筒的旋转从完全受应力变化到完全松弛。
21.一种冷却系统，包括：
散热器；
冷藏空间；以及
回热器，其包括：
具有奥氏体相和马氏体相的热弹性材料，在被机械地加应力时，所述热弹性材料经受由奥氏体相到马氏体相的相变而释放潜热，并且当从机械受应力状态松弛时，所述热弹性材料经受由马氏体相到奥氏体相的相变而吸收潜热，以及
加应力和松弛装置，其用于给所述热弹性材料机械地加应力以引起由奥氏体相到马氏体相的相变以将潜热释放到所述散热器，所述加应力和松弛装置还被配置用于使机械受应力的热弹性材料松弛以引起由马氏体相到奥氏体相的相变以从所述冷藏空间吸收潜热。
22.一种用在热交换系统中以从冷藏空间提取热量并且将热量释放到散热器的回热器，所述回热器包括：
具有奥氏体相和马氏体相的热弹性材料，在被机械地加应力时，所述热弹性材料经受由奥氏体相到马氏体相的相变而释放潜热，并且当从机械受应力状态松弛时，所述热弹性材料经受由马氏体相到奥氏体相的相变而吸收潜热；以及
加应力和松弛装置，其用于给所述热弹性材料机械地加应力以引起由奥氏体相到马氏体相的相变以从所述热弹性材料释放潜热，所述加应力和松弛装置还被配置用于使机械受应力的热弹性材料松弛以引起由马氏体相到奥氏体相的相变以吸收潜热。
23.如权利要求22所述的回热器，其中所述加应力和松弛装置施加拉力、压缩和扭转中的至少一个以给所述热弹性材料机械地加应力。
24.如权利要求22所述的回热器，包括至少两组固态热弹性构件作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置给一组固态热弹性钩件机械地加应力，而同时使所述至少两组固态热弹性构件中的至少另一组松弛。
25.如权利要求22所述的回热器，其中所述热弹性材料包括镍钛合金、铜铝镍、铜锌镍、铜锌铝、铁钯、金镉、镍锰镓、铁锰、以及镍钛合金、铜铝镍、铜锌镍、铁钯、金镉、铁锰和镍锰镉的衍生合金中的至少一个的合成物。
26.如权利要求22所述的回热器，其中所述热弹性材料包括展示与吸收或释放热量相关的可逆的固态到固态转变的聚合物的合成物。
27.如权利要求22所述的回热器，其中所述热弹性材料至少部分地以链、带、线、泡沫、板、丝、厚膜、薄片、棒、管或导管的形式成形。
28.如权利要求22所述的回热器，包括多个固态热弹性构件作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置与所述多个固态热弹性构件耦合，使得通过使所述多个固态热弹性构件中的至少一个松弛来产生机械能，并且所述机械能用于给所述多个固态热弹性构件中的至少另一个加应力。
29.如权利要求22所述的回热器，其中所述加应力和松弛装置包括第一组齿轮和第二组齿轮以及皮带，在所述皮带上具有多个热弹性构件作为所述热弹性材料，以及
其中通过所述第一组齿轮给所述皮带上的所述热弹性构件加应力以释放热量，并且通过所述第二组齿轮使所述皮带上的所述热弹性构件松弛以吸收热量。
30.如权利要求22所述的回热器，包括多个热弹性线材作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置包括两个滚筒，所述多个热弹性线材缠绕所述滚筒，以及
其中每一滚筒包括多个部分，并且所述滚筒的每一部分以不同的速度旋转，使得当运行中的滚筒部分以较高的速度旋转时，在所述固态制冷线材缠绕在所述滚筒上时所述固态制冷线材被加应力并且将热量释放到所述滚筒，以及当在运行中的滚筒部分以较低的速度旋转时，在所述固态制冷线材缠绕在所述滚筒上时所述固态制冷线材被松弛并且从所述滚筒吸收热量。
31.如权利要求22所述的回热器，包括热弹性板作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置将扭矩施加到所述热弹性板以释放热量，并且从所述热弹性板释放扭矩以吸收热量。
32.如权利要求22所述的回热器，包括两组固态热弹性构件作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置与所述两组固态热弹性构件耦合，使得当所述加应力和松弛装置处于中间位置时，所述两组固态热弹性构件均处于可逆的相变的中间，并且当所述固态热弹性构件中的一组被加应力以释放热量时，所述固态热弹性构件中的另一组被松弛以吸收热量。
33.如权利要求22所述的回热器，包括固态制冷线材作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置包括一对端板，且所述固态制冷线材连接在处于初始位置中的所述端板之间，以及
其中当所述两个端板在彼此相反的方向上旋转时，所述固态制冷线材被加应力以释放热量，并且当所述两个端板恢复所述初始位置时，所述固态制冷线材被松弛以吸收热量。
34.如权利要求22所述的回热器，包括固态制冷线材作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置包括第一端板和第二端板，所述固态制冷线材连接在所述第一端板和所述第二端板之间，以及
其中所述第一端板被设置在与所述第二端板非平行的倾斜位置上，以及
其中在所述板倾斜较高的端上的所述固态制冷线材总处于受应力状态而释放热量，并且在所述板倾斜较低的端上的所述固态制冷线材总处于松弛状态而吸收热量。
35.如权利要求22所述的回热器，其中所述回热器包括两个旋转滚筒和连接在所述两个滚筒之间的多条固态制冷线材，其中所述固态制冷线材基于所述滚筒的旋转从完全受应力变化到完全松弛。
36.如权利要求22所述的回热器，其中所述回热器包括多个柱状热弹性构件作为所述热弹性材料，
其中所述加应力和松弛装置包括中心驱动轴和倾斜地固定到所述中心驱动轴的顶部压缩加载板，以及
其中所述多个柱状热弹性构件被围绕所述中心驱动轴布置，其各自的顶面与所述顶部压缩加载板邻接，使得当所述驱动轴被驱动以旋转所述顶部压缩加载板时，所述多个柱状热弹性构件被接连地加应力和松弛。
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