CN106052190B - 一种主动回热式弹热制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种主动回热式弹热冷却系统，该系统包括高温侧换热器、低温侧换热器、至少两个由弹热制冷材料构成的回热器及热交换流体网络以将热量从低温侧排向高温侧。

Description

一种主动回热式弹热制冷系统
发明领域
本发明涉及制冷、空调应用领域，具体涉及使用记忆合金弹热效应的固态制冷循环系统。
背景技术
蒸气压缩循环是目前全球采用最为广泛的制冷技术，大量应用于空调、冰箱、冰柜机组。自20世纪初以来，蒸气压缩循环中的压缩机、换热器等核心部件已历经数代发展，目前最优秀的蒸气压缩制冷系统制冷效率已经能接近40～45％卡诺循环的理论效率。蒸气压缩制冷系统大量使用对环境及气候变化不利的氟氯烃、氟代烃等制冷剂，这些制冷剂的温室气体效应大多为CO2的1000倍以上，以欧盟为首的诸多国家已逐步立法限制并禁止这些制冷剂的使用。
在此大背景下，弹热制冷技术是最近被提出的一种环境友好、具有较大性能潜力、负面因素较小的一种替代制冷技术。美国能源部的研究报告指出，弹热制冷技术可实现42％的卡诺循环效率，是目前性能潜力最大的非蒸气压缩制冷技术。然而，弹热制冷系统的设计仍存在较多挑战，主要因素之一是系统的温差，即高温热汇与低温热源之间的温差，仍受限于系统中的热交换损耗，需要通过合理的流程、系统设计来使该技术达到现有蒸气压缩制冷技术的性能水平。早期的弹热制冷系统设计，如美国专利号6367281中公开的连续型履带式设计，引入了过多的内部导热损耗，并且无任何回热环节，系统性能十分有限。另一种在美国专利号20120273158 A1及中国专利CN102778075 A中公开的基于单级制冷循环的系统设计方案尽管提及了回热器，但在系统流程设计及实施案例中仅为基于单级循环的设计，无法保证能够实现更大的系统温差。总而言之，单级弹热制冷循环及系统仍较难满足该技术在实际空调、冰箱等应用中所需的大系统温差，因此，该技术在未来的进一步发展需要可提供更大系统温差的复叠式循环设计。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种主动回热式弹热制冷系统，基于多个记忆合金床自身作为回热器，利用回热器内部的大温度梯度来实现较大的系统温差，通过合理的系统设计减小回热器内部的导热耗散损失，同时通过合理的热交换流体网络设计将多个记忆合金回热器内的热量和冷量周期性地传递至系统的低温热源与热汇。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种主动回热式弹热冷却系统，该系统包括：至少两个回热器、高温换热器103、低温换热器104、驱动装置107、热交换流体网络105、提供往复式流动的流体驱动装置106和传递驱动载荷的机架108；
所述回热器一端和高温换热器103、另一端和低温换热器104通过热交换流体网络105连接，所述回热器由可被力驱动进行可逆的马氏体相变弹热制冷效应的记忆合金固态材料构成；回热器由驱动装置107周期性地分别施加力来驱动，驱动装置107和回热器之间通过机架108连接，在流体驱动装置106的作用下将回热器周期性产生的热量排至高温换热器103，将回热器周期性产生的冷量送至低温换热器104，满足制冷需求。
所述回热器内部的记忆合金固态材料由驱动装置107提供拉力、压缩或扭转来驱动产生制冷效应。
所述记忆合金固态材料为镍钛合金、钛镍铜、铜铝镍、铜铝锰、铜锌铝、铜锌、铁钯、镍锰镓、铁锰或镍铁镓或上述合金中的衍生合金。
由记忆合金材料构成的回热器为丝、线、板、薄膜109、厚膜、管、棒、多孔结构、穿孔型结构110、蜂窝状结构111或波浪型结构113或上述材料及结构的复合或衍生结构。
所述流体驱动装置106为线性往复式驱动器，包括线性电机、螺旋起重器、液压千斤顶、压电驱动器、气动驱动器、电磁铁驱动器和电压驱动器中的一种。
所述驱动装置107为旋转式的曲柄连杆、曲柄摇杆或曲柄滑块或上述三种机械系统的衍生机构。
所述回热器，其内部具有温度梯度，在该回热器中热交换流体从高温侧流向低温侧，同时完成向低温换热器的吸热、回热器内部回热、从高温侧高温流体回热等传热过程；且回热器热端温度在高温侧换热器温度附近及以上波动；且回热器冷端温度在低温换热器温度附近及以下波动。
所述回热器内部的温度分布，当回热器被加载时温度整体升高；当回热器被热交换流体冷却时，回热器内温度整体降低；当回热器被卸载时温度整体降低；当回热器被热交换流体加热时，回热器内温度整体升高。
所述回热器在热交换流体流动方向的长度大于等于记忆合金热扩散率与系统运行频率比值的平方根的3倍。
所述回热器内部在热交换流体流动方向上插入多个低热导率的结构件114，所述低热导率的结构件114为高分子材料、半导体材料或陶瓷材料。
所述回热器内部的热交换流体在循环周期的不同阶段往复流动。
所述热交换流体网络105为回热器提供往复流动的热交换流体；由两个子网络构成；
第一个子网络与回热器的热端、高温换热器103相连；
第二个子网络与回热器的冷端、低温换热器104相连。
所述热交换流体网络105与流体驱动装置106，采用单管式设计，即热交换流体网络105中回热器冷端、热端均只有单管与热交换流体网络相连接。
所述单管式设计的热交换流体网络105，其中往复式流动由双向泵106提供。
所述单管式设计的热交换流体网络105，其中往复式流动由一个四通阀121和一个单向泵120提供，单向泵120的出口与高温换热器103的入口相连接，四通阀121的两个接口分别与单向泵120的入口、高温换热器103的出口相连接，另两个接口与两组由记忆合金构成的回热器热端相连接，四通阀121在两组模式间切换，当一部分回热器需要来自单向泵120的热交换流体时，四通阀121将单向泵120管路与这些回热器对应的总管相连，将单向泵120的入口与另一部分回热器的总管相连，两组回热器交换制冷、制热时通过四通阀121切换流向。
所述单管式设计的热交换流体网络105，其中第一定压或膨胀装置123与单向泵120的入口连接，单向泵120出口与高温换热器103连接，高温换热器103出口与第六三通阀125连接，第六三通阀125的另两个接口分别与两组由记忆合金构成的回热器热端相连接；第五三通阀124与第六三通阀125并联布置，两个接口与两组回热器连接，第三个接口与第二定压或膨胀装置122连接，第五三通阀124和第六三通阀125在两组模式间切换，当一部分回热器需要来自单向泵120的热交换流体时，单向泵120出口的第六三通阀125将单向泵管路与这些回热器对应的总管相连，第五三通阀124将定压或膨胀装置122与另一部分回热器的总管相连，两组回热器交换制冷、制热时通过两个三通阀切换流向，当单向泵120停止运行时，第一定压或膨胀装置123与第二定压或膨胀装置122间压力平衡，流体经过高温换热器103进行换热。
所述热交换流体网络105采用双管式管内单向流动的设计；包括至少一个单向泵120和至少四个电磁阀，单向泵120出口与高温换热器103相连接，高温换热器出口与第二三通阀117相连接，单向泵120入口与第一三通阀116相连接，低温换热器104的入口与第三三通阀118相连接，低温换热器出口与第四三通阀119连接，第一三通阀116的其余两个接口分别与第一回热器101和第二回热器102的热端出口相连接，第二三通阀117的其余两个接口分别与第一回热器101和第二回热器102的热端入口相连接，第三三通阀118的其余两个接口分别与第一回热器101和第二回热器102的冷端出口相连接，第四三通阀119的其余两个接口分别于第一回热器101和第二回热器102的冷端入口相连接。
其中有至少四个回热器，被分为至少两组，热交换流体在每组多个回热器间通过阀门组进行动态的流型调控，在每组多个回热器间可在串联、并联、串联后并联、或并联后串联等模式间切换。
附图说明
图1A为温度驱动形状记忆合金的相变回滞特性曲线。
图1B为应力驱动形状记忆合金的相变回滞特性曲线。
图2A为采用双向泵、双弹热制冷床的主动回热式制冷系统中上回热器被加载、下回热器被卸载的示意图。
图2B为采用双向泵、双弹热制冷床的主动回热式制冷系统中下回热器被加载、上回热器被卸载的示意图。
图3A为在温度(T)-熵(s)图上以回热器入口、出口热力学状态参数变化描述的主动回热式制冷循环特征。
图3B为主动回热式制冷循环中回热器内温度在绝热加载过程中在温度(T)-回热器内坐标(x)图上的变化规律。
图3C为主动回热式制冷循环中回热器内温度在加载排热-回热过程中在温度(T)-回热器内坐标(x)图上的变化规律。
图3D为主动回热式制冷循环中回热器内温度在绝热卸载过程中在温度(T)-回热器内坐标(x)图上的变化规律。
图3E为主动回热式制冷循环中回热器内温度在卸载制冷-回热过程中在温度(T)-回热器内坐标(x)图上的变化规律。
图4A为主动回热器制冷循环中回热器内记忆合金、热交换流体在上回热器被加载、下回热器被卸载时的温度分布特性简图。
图4B为主动回热器制冷循环中回热器内记忆合金、热交换流体在上回热器被卸载、上回热器被加载时的温度分布特性简图。
图5A为采用平行薄膜结构的回热器设计方案。
图5B为采用穿孔型结构的回热器设计方案。
图5C为采用蜂窝状结构的回热器设计方案。
图5D为采用波浪型结构的回热器设计方案。
图6为采用复合结构的回热器构造示意图。
图7A为采用单向管、单向泵和阀门组、双回热器的主动回热式制冷系统在上回热器被加载、下回热器被卸载时的系统示意图。
图7B为采用单向管、单向泵和阀门组、双回热器的主动回热式制冷系统在上回热器被卸载、下回热器被加载时的系统示意图。
图8为采用单向泵、四通阀、对称式热汇设计的高温侧热交换流体网络示意图。
图9为采用单向泵、四通阀、单个热汇设计的高温侧热交换流体网络示意图。
图10为采用单向泵、三通阀、膨胀或定压装置的高温侧热交换流体网络示意图。
图11A为双弹热制冷床系统的设计简图。
图11B为多弹热制冷床系统的设计简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
本发明针对使用形状记忆合金(简称记忆合金)马氏体相变制冷、制热的固态制冷技术。在形状记忆合金中，具有至少两个晶体结构(相)，最典型的为高温相(奥氏体)和低温相(马氏体)。如图1A所示，高温相为无应力时，当材料温度高于Af时的稳定组分，此时马氏体相含量最低；对材料降温至Ms时，高温相的奥氏体开始转变为低温相的马氏体，同时释放潜热；当材料温度低于Mf时，马氏体变为材料的稳定组分。从马氏体转变回奥氏体时，材料需被加热至As，同时吸收相变潜热，最终达到以奥氏体为稳定组分的Af温度。
图1B描述了由应力诱导的马氏体相变制热、制冷过程。当材料初始温度在Af以上时，在一定的温度范围内对材料施加力将导致记忆合金从奥氏体转变为马氏体，同时释放相变潜热，加热记忆合金；去除外力时，马氏体将转变回奥氏体，同时吸收相变潜热，降低材料自身温度，达到制冷的效果。需要注意的是，在由马氏体转变回奥氏体时，材料的最低温度应保证在Af以上，否则将可能导致部分残留的马氏体，影响制冷能量密度。
最为典型的记忆合金为镍钛二元合金，由美国于20世纪60年代发现使用至今。镍钛合金的奥氏体具有有序的立方B2晶体结构，马氏体具有单斜B19'结构，在这两相互相转化之间还有过渡的具有菱形结构的R相B2'。在镍钛合金中，绝热加载、卸载时材料的温差ΔTad可达到约20K，显著高于磁热、电热等固态制冷技术所使用的材料。镍钛合金的Af一般在0摄氏度以下，较为接近室温，较适宜应用于室温环境条件下的制冷、制热。本发明同样适用于其它记忆合金，包括铜铝镍、铜铝锰、铜锌铝、铜锌、铁钯、镍锰镓、铁锰、镍铁镓等及其衍生合金。
主动回热循环特指将形状记忆合金本身同时作为制冷剂和蓄热器，利用记忆合金的弹热制冷、制热效应，通过周期性地加载、卸载材料并往复流动热交换流体，在材料内部逐渐产生温度梯度，最终实现并维持材料一端冷、一端热，使得材料从低温热源侧吸热制冷，并向高温热汇侧排热。该循环的原理与磁热制冷领域的主动磁热回热器(activemagnetocaloric regenerator)的原理类似，目标都是通过热交换流体的往复流动，使用复叠式的循环将有限的固态制冷材料(记忆合金或磁热材料)绝热温差扩展到可以达到冰箱、空调等实际应用所需的系统温差技术指标。其中，主动磁热回热器的最早方案在1982年美国专利4332135中公开。
图2A和图2B以一个具体实施案例阐明了构成记忆合金的主动回热式弹热制冷系统的基本要素。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图2A所示，系统包含至少两个由记忆合金填充或由记忆合金构成的第一床101和第二床102，床同时也是回热器，一个高温侧流体的高温换热器103，一个低温侧流体的低温换热器104，一个可往复流动的热交换流体网络105，至少一个提供床内流体往复流动的流体驱动装置106，如双向泵，一个机械驱动两个记忆合金床(回热器)相变的驱动装置107，如曲柄连杆装置，以及系统用于传递加载力的机架108。两个或以上的记忆合金回热器可以近似实现连续供冷、供热，相比Tusek等人在2015年公布的单一记忆合金回热器的设计概念( J,Engelbrecht K,Millán-Solsona R, L,Vives E,Mikkelsen LP,etal.The Elastocaloric Effect:A Way to Cool Efficiently.Adv Energy Mater 2015)可显著提升性能稳定性及适用范围。其中记忆合金回热器101和102可由具有高比表面积、高力学稳定性的结构或材料填充方式构成，如平行薄膜、多孔结构、蜂窝状结构等。根据具体应用的不同，高温换热器103和低温换热器104可采用多种技术方案，如冷却气体的管束式换热器、微通道换热器、管翅式换热器、板翅式换热器，或是冷却液体的板式换热器、套管式换热器、壳管式换热器等。热交换流体网络105中的热交换流体可由气体、液体或其混合工质构成。如图2A所示，当曲柄连杆装置中连杆向上运动时，第一记忆合金回热器即第一床101被加载，由奥氏体转变为马氏体，合金温度升高，并向热交换流体排热，在该回热器中热交换流体自低温侧流向高温侧，同时完成向高温换热器的排热、回热器内部回热、从低温侧低温流体回热等传热过程；与此同时，由于连杆向上移动，第二记忆合金回热器即第二床102被卸载至无应力自由状态，由马氏体变回奥氏体，合金温度下降，从热交换流体吸热制冷，在该回热器中热交换流体从高温侧流向低温侧，同时完成向低温换热器的吸热、回热器内部回热、从高温侧高温流体回热等传热过程。图2B描述了循环的下半个周期，即曲柄连杆装置中连杆向下运动时，第一记忆合金回热器即第一床101被卸载，第二记忆合金回热器即第二床102被加载额过程。在此过程中，相比上半个周期，第一床101和第二床102的相变、传热、回热关系对调，因此需要热交换流体流动反向，并且流体驱动装置106可以反向提供驱动。此时的流体流动方向为图2B中实现方向，即第一记忆合金回热器即第一床101由低温换 热器吸热制冷，第二记忆合金回热器即第二床102向高温换热器排热制热。
上文描述了组成使用记忆合金的主动回热式循环的基本要素，其中最重要的特征是依靠记忆合金回热器内部的温度梯度，以实现尽可能高的系统温差，满足制冷应用所需的性能。图3A到图3E以一个抽象的理想循环和温度分布定性地描述了第一记忆合金回热器即第一床101在经历绝热加载-传热与回热-绝热卸载-传热与回热，完成一个制冷循环的温度变化及分布规律。这一抽象的过程可在实际应用中推广至类似的循环，例如在加载、卸载过程中通热交换流体同时传热，即加载与传热、回热过程可以通过一定形式进行合并，并且实际过程中记忆合金回热器内部的温度分布并非一定满足图3B到图3E中的线性分布，这些满足本发明中记忆合金回热器温度分布及循环的基本特性的变种及其对应的实际循环设计均应受到保护。图3A在温度(T)-比熵(s)图上阐明了在理想循环中，第一记忆合金回热器即第一床101的热端(A1-A4)和冷端(B1-B4)在一个周期内的热力学状态参数变化规律。其中，绝热加载过程即对第一记忆合金回热器即第一床101施加应力，相变释放热量，等熵加热整个第一记忆合金回热器即第一床101，使得A、B两位置温度分别从A1和B1升高到A2和B2；之后自冷端B向热端A通热交换流体，进行传热和回热过程，该过程将热端的潜热传递至热交换流体，同时热端被从A2冷却至A3，冷端由低温热源进行回热，由B2被预冷至B3；之后第一记忆合金回热器即第一床101被绝热卸载，整个第一记忆合金回热器即第一床101由于相变吸收潜热温度下降，A和B点分别等熵地由A3和B3下降到A4和B4；该循环周期的最后是制冷环节，即自热端向冷端流动流体，使得B将冷量交换至流体，温度从B4升高到B1，热端进行回热，由A4被预热至A1。每个循环都要经历上述的四个理想过程，图3B到图3E表示了在这四个过程中第一记忆合金回热器即第一床101内部的温度分布变化规律。以最简单的线性分布作为理想情况下回热器内部的温度分布状况阐明循环中回热器温度分布的变化规律及其运行特性，实际运行及变种循环可能对应不同的温度分布。该温度分布的特点在于，热端A工作在系统高温热汇温度Th附近，冷端B工作在系统低温热源温度Tc附近；无论何时，冷端、热端的温差均约为Th-Tc以满足系统应用所需的温差；加载第一床101时，回热器101内部温度升高；卸载第一床101时，第一床101内部温度降低；加载后进行热交换流体的流动传热，可以将热端冷却至近似Th，冷端预冷至近似Tc；卸载后热交换流体流动传热时，可以将冷端近似加热至Tc，热端预热至近似Th。满足上述特征的温度分布及其对应的循环可以在加载后的流动排热过程中，利用流体自低温向高温流动的特性，将回热器内温度较低区域的材料相变潜热用来逐步加热热交换流体，再利用回热器内温度较高区域的材料相变潜热进一步提高热交换流体的温度，以达到尽可能增大系统高温侧温度Th；类似地，完成卸载后，流体自高温流向低温端，从高温逐步被冷却至最低温度，实现尽可能低的Tc；综合两者，通过材料内部的温度分布特性，可以实现热量、冷量的梯级利用，达到尽可能增大系统温差Th-Tc的目的。
上述在记忆合金回热器内建立的温度分布在整个系统中的作用及其特征可以通过图4A和图4B体现出来。第一床101和第二床102的热端直接与通往高温热汇的热交换流体网络相连，第一床101和第二床102的冷端直接与通往低温热源的热交换流体网络相连。第一床101和第二床102内部的温度分布会导致热交换流体在第一床101和第二床102内部产生类似的温度分布。图4A为回热器101完成加载后、回热器102完成卸载后，两回热器内合金及流体的温度分布。图4B为卸载第一床101、加载第二床102后，两床内合金及流体的温度分布。可见在加载、卸载完成后，合金与流体之间有较大的温差，可以通过提高回热器比表面积缩短传热所需的时间，图5A到图5D给出了几种具有较大比表面积的回热器即床结构、填充设计方案。图5A展示了平行薄膜的设计方案，薄膜109厚度和间距可优化；图5B展示了穿孔型结构110的设计方案，孔的水力直径和间距可优化；图5C展示了蜂窝状结构111的回热器的结构，水力直径和间距可优化；图5D展示了波浪型结构113回热器，波幅、波长、厚度等参数可优化，其中112为辅助加载的结构件，113为波浪型结构回热器。这几种设计方案仅作为实例表明增大回热器比表面积的设计方向，无论采用与否均可使用主动回热式循环的设计。
除此之外，由于回热器冷端、热端之间有温差，特别是在系统温差较大的应用场合，冷端、热端间通过合金的导热耗散对回热器内部的温度分布有中和作用，需要尽可能减小导热耗散的作用，即成功实现主动回热式循环需要在回热器内部的流体流动方向上减小导热耗散，有以下两种技术路线：增大回热器在流体流动方向的长度L，采用复合材料、复合结构设计。回热器在流体流动方向上的长度L应至少大于方程(1)中的值以满足导热损耗占材料潜热制冷量的比例低于10％。
其中，α为材料的热扩散率，f为系统的运行频率。
图6给出了一种利用复合结构的回热器设计方案，以达到减小流体流动方向导热耗散的目的。该设计方案在回热器记忆合金115内部插入多个低热导率的结构件114，其中114可由高分子材料、半导体或陶瓷等材料组成。这种复合结构可以减小回热器整体的导热耗散量。
在主动回热式制冷系统中，需要一个有往复流动热交换流体的网络，在该流体网络中，热交换流体可在循环的不同过程中根据需要改变流向。这样的往复流动单管流体网络也可替代为单向流动的双管流体网络。图7A到图7B用一个具体的设计案例具体展示了单向流动双管式设计思路，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在图7A中，第一回热器101被曲柄连杆装置107加载，相变并向热交换流体排热，此时热交换流体自第一回热器101冷端实线流入，吸收第一回热器101的潜热，自热端实线网络流出，经三通阀116、单向泵120，进入高温换热器103排热，后经第二个三通阀117由实线流入第二回热器102；在第二回热器102内部，热交换流体被逐步冷却，最终在第二回热器102冷端由实线管路经第三个三通阀118流入低温换热器104进行制冷。在图7B中，当曲柄连杆装置加载第二回热器102时，此时热交换流体在第二回热器102内反向，但在外部流体网络仍保持单向，此时，流体吸热后由第二回热器102热端经实线管网流出，进入三通阀116，经单向泵120进入高温换热器103排热，后经第二个三通阀117和实线管路流入第一回热器101的热端进行回热；在第一回热器101内，热交换流体流动方向相比上半个周期反向，逐步被冷却，自冷端实线管路流出，进入第三个三通阀119，流入低温换热器104进行制冷。图7A与图7B中的108为用于传递加载力的结构件。在该设计方案中，由单向泵120和四个三通阀(116、117、118、119)及双管构成的流体网络设计方案可等效替换图2A和图2B中的单管式往复流动的设计方案。
进一步地，针对热交换流体网络，无论是采用图2A和图2B中的双向泵和单管往复式流动设计还是图7A和图7B中的单向泵、阀门组、双管式单向流动设计方案，泵、高温热汇、低温热源的布置可以采用更加灵活、多样化的设计方案，以满足不同应用的需求。一般情况下，泵宜布置于热交换流体网络中热汇的上游，以在热汇中排出泵电机的产热。
图8到图10以高温热汇侧流体网络为例，展示了几种典型的流体网络设计方案。在实际系统中，热汇侧和热源侧可采用不对称的设计，即可分别使用图2A和图B、图7A和图7B及图8到图10中任意一种设计方案或其组合。这几种方案均可满足主动式回热制冷循环中往复式热交换流体网络和可提供往复式流动的驱动装置的要求，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。图8为采用对称式热汇设计，使用单向泵120和四通阀121来驱动往复式流动的热交换流体的设计方案，其中两个高温换热器103对称布置，使得无论哪个流向，单向泵120的产热均可由高温换热器排出，适用于对高温换热器传热有分布式设计要求、回热器压降较大、泵产热较显著的应用中。其中，四通阀121可在P→A和P→B两种模式间切换。图9展示了单个热汇、单向泵和四通阀的设计方案。该方案中，单向泵120始终处于高温换热器103的上游，四通阀121可在P→A和P→B两种模式间切换。图10为采用单向泵、三通阀组、定压或膨胀设备的设计方案。在该设计方案中，单向泵120给第一定压或膨胀装置123内部的热交换流体加压并通过高温换热器103排出泵的余热；根据加载、卸载工况，第五个三通阀124和第六个三通阀125用来控制热交换流体流向。例如，当图10中第六个三通阀125右侧回热器被卸载时，来自高温换热器103的流体流经第六个三通阀125流向右侧回热器，同时，来自另一个回热器的高温流体经过第五个三通阀124流入第二个定压或膨胀装置122；传热结束后，关闭单向泵120，两个定压或膨胀装置(123、122)间会达到平衡压力，期间，热交换流体回流经过高温换热器103排热。该设计方案适合热交换流体网络压力在大气压附近，工作压力较小、回热器压降较小的应用。
上文针对具有双记忆合金床(回热器)的设计方案进行阐述，本发明可应用于具有任意个回热器的系统中。下面为了方便讨论，以使用偶数个回热器的制冷系统为例，阐述其中的热交换流体运行方案，应当明确的是类似的方案也可用于采用奇数个回热器的制冷系统。若一个采用主动回热式循环的弹热制冷中具有2N个回热器时，其中N为正整数，热交换流体在同时或同批依次被加载(卸载)的N个回热器间可选择串联或并联的流动模式。串联可以在保持制冷量近似不变的情况下进一步提高系统的整体温差，并联则可在同一系统温差下提高系统制冷量。实际的系统运行往往需要在不同工况间进行切换，以满足大制冷量或大系统温差等不同的要求。这种动态变工况特性可以通过热交换流体网络中阀门组的切换来实现。图11A是普通采用主动回热式循环的双回热器(N＝1)系统设计简图，其中的驱动装置未画出，图11B以使用8个回热器(N＝4)的系统为例，阐明使用阀门组的热交换流体网络设计的基本方案。在该设计中，当上面四个记忆合金回热器被同时加载，下面四个回热器被卸载后，可开启阀门2、6，关闭阀门1、3、4、5、7、8，开启驱动泵，此时热交换流体在同侧的四个回热器间是完全串联的，系统运行在最大系统温差的工况下；也可开启阀门1、3、4、5、7、8，关闭阀门2、6，开启驱动泵，实现每侧四个回热器中两两并联再串联的模式，在适中的系统温差下提供更大的制冷量；或者开启阀门1、2、5、6，关闭阀门3、4、7、8，开启驱动泵，实现适中的系统温差下适中的制冷量；或是开启阀门1、2、4、5、6、8，关闭阀门3、7，开启驱动泵，尽可能提高系统的制冷量。当系统中的回热器数量变化时，阀门组和相应的热交换流体网络具体布置形式应当发生变化，但通过阀门组来实线系统性能调控的核心方案并未变化。在具有多回热器的系统中，可根据本发明公开的使用阀门组的设计方案实现快速、有效的系统性能动态调控。

Claims (17)

1.一种主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：该系统包括：至少两个回热器、高温换热器(103)、低温换热器(104)、驱动装置(107)、热交换流体网络(105)、提供往复式流动的流体驱动装置(106)和传递驱动载荷的机架(108)；
所述回热器一端和高温换热器(103)、另一端和低温换热器(104)通过热交换流体网络(105)连接，所述回热器由可被力驱动进行可逆的马氏体相变弹热制冷效应的记忆合金固态材料构成；回热器由驱动装置(107)周期性地分别施加力来驱动，驱动装置(107)和回热器之间通过机架(108)连接，在流体驱动装置(106)的作用下将回热器周期性产生的热量排至高温换热器(103)，将回热器周期性产生的冷量送至低温换热器(104)，满足制冷需求。
2.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述回热器内部的记忆合金固态材料由驱动装置(107)提供拉力、压缩或扭转来驱动产生制冷效应。
3.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述记忆合金固态材料为镍钛合金、钛镍铜、铜铝镍、铜铝锰、铜锌铝、铜锌、铁钯、镍锰镓、铁锰或镍铁镓或上述合金中的衍生合金。
4.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：由记忆合金固态材料构成的回热器为丝、线、板、薄膜(109)、厚膜、管、棒、多孔结构、穿孔型结构(110)、蜂窝状结构(111)或波浪型结构(113)或上述材料及结构的复合或衍生结构。
5.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述流体驱动装置(106)为线性往复式驱动器，包括线性电机、螺旋起重器、液压千斤顶、压电驱动器、气动驱动器、电磁铁驱动器和电压驱动器中的一种。
6.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述驱动装置(107)为旋转式的曲柄连杆、曲柄摇杆或曲柄滑块或上述三种机械系统的衍生机构。
7.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述回热器，其内部具有温度梯度，当第二回热器被卸载至无应力自由状态时，在该回热器中热交换流体从高温侧流向低温侧，同时完成向低温换热器的吸热、回热器内部回热、从高温侧高温流体回热传热过程；且回热器热端温度在高温换热器温度附近及以上波动；且回热器冷端温度在低温换热器温度附近及以下波动。
8.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述回热器内部的温度分布，当回热器被加载时温度整体升高；当回热器被热交换流体冷却时，回热器内温度整体降低；当回热器被卸载时温度整体降低；当回热器被热交换流体加热时，回热器内温度整体升高。
9.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述回热器在热交换流体流动方向的长度大于等于记忆合金固态材料热扩散率与系统运行频率比值的平方根的3倍。
10.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述回热器内部在热交换流体流动方向上插入多个低热导率的结构件(114)，所述低热导率的结构件(114)为高分子材料、半导体材料或陶瓷材料。
11.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述回热器内部的热交换流体在循环周期的不同阶段往复流动。
12.如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述热交换流体网络(105)为回热器提供往复流动的热交换流体；
由两个子网络构成；
第一个子网络与回热器的热端、高温换热器(103)相连；
第二个子网络与回热器的冷端、低温换热器(104)相连。
13.如权利要求12所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述热交换流体网络(105)与流体驱动装置(106)，采用单管式设计，即热交换流体网络(105)中回热器冷端、热端均只有单管与热交换流体网络相连接。
14.如权利要求13所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述单管式设计的热交换流体网络(105)，其中往复式流动由双向泵(106)提供。
15.如权利要求13所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述单管式设计的热交换流体网络(105)，其中往复式流动由一个四通阀(121)和一个单向泵(120)提供，单向泵(120)的出口与高温换热器(103)的入口相连接，四通阀(121)的两个接口分别与单向泵(120)的入口、高温换热器(103)的出口相连接，另两个接口与两组由记忆合金固态材料构成的回热器热端相连接，四通阀(121)在两组模式间切换，当一部分回热器需要来自单向泵(120)的热交换流体时，四通阀(121)将单向泵(120)管路与这些回热器对应的总管相连，将单向泵(120)的入口与另一部分回热器的总管相连，两组回热器交换制冷、制热时通过四通阀(121)切换流向。
16.如权利要求13所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述单管式设计的热交换流体网络(105)，其中第一定压或膨胀装置(123)与单向泵(120)的入口连接，单向泵(120)出口与高温换热器(103)连接，高温换热器(103)出口与第六三通阀(125)连接，第六三通阀(125)的另两个接口分别与两组由记忆合金固态材料构成的回热器热端相连接；第五三通阀(124)与第六三通阀(125)并联布置，两个接口与两组回热器连接，第三个接口与第二定压或膨胀装置(122)连接，第五三通阀(124)和第六三通阀(125)在两组模式间切换，当一部分回热器需要来自单向泵(120)的热交换流体时，单向泵(120)出口的第六三通阀(125)将单向泵管路与这些回热器对应的总管相连，第五三通阀(124)将第二定压或膨胀装置(122)与另一部分回热器的总管相连，两组回热器交换制冷、制热时通过两个三通阀切换流向，当单向泵(120)停止运行时，第一定压或膨胀装置(123)与第二定压或膨胀装置(122)间压力平衡，流体经过高温换热器(103)进行换热。
17.如权利要求12所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述热交换流体网络(105)采用双管式管内单向流动的设计；包括至少一个单向泵(120)和至少四个电磁阀，单向泵(120)出口与高温换热器(103)相连接，高温换热器出口与第二三通阀(117)相连接，单向泵(120)入口与第一三通阀(116)相连接，低温换热器(104)的入口与第三三通阀(118)相连接，低温换热器出口与第四三通阀(119)连接，第一三通阀(116)的其余两个接口分别与第一回热器(101)和第二回热器(102)的热端出口相连接，第二三通阀(117)的其余两个接口分别与第一回热器(101)和第二回热器(102)的热端入口相连接，第三三通阀(118)的其余两个接口分别与第一回热器(101)和第二回热器(102)的冷端出口相连接，第四三通阀(119)的其余两个接口分别与第一回热器(101)和第二回热器(102)的冷端入口相连接。
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