CN107289668A - 一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热驱动的弹热制冷循环方法及其系统，该系统由常温零应力时为马氏体的高温驱动组记忆合金从低品位热源吸热、向常温热汇排热，驱动常温零应力时为奥氏体的低温制冷组记忆合金向低温冷藏空间制冷。

Description

一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统
发明领域
本发明涉及制冷、空调应用领域，具体涉及一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统。
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，目前主要面临两大挑战，一是系统的温差，二是驱动记忆合金相变的应力过大。温差即指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。
最近，中国专利公开号CN106052190A公开了使用主动回热式循环改进系统温差性能的设计，相比传统的单级弹热制冷循环可有效提升系统温差；美国专利公开号2016/0084544 A1中详细记录了从记忆合金结构构型、回热环节时间控制、循环流程及系统设计等方面改进单级弹热制冷系统性能的整体方案。然而，这两类技术方案虽然有助于解决系统温差的挑战，但对解决系统驱动力大的挑战无任何帮助。
总而言之，弹热制冷技术的发展既需要提升其制冷的温差性能，也需要综合考虑驱动力的大小以及系统综合设计时匹配驱动装置的难易程度。在现有技术水平条件下，亟需提出能够减小系统驱动力的技术方案。
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低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统，在电驱动弹热制冷系统的制冷组记忆合金工质基础上引入一组额外的由热量驱动相变的高温记忆合金，利用高温记忆合金相变时产生的巨大应力，通过合理的系统设计来给制冷组记忆合金提供制冷所需的相变应力，同时通过合理的热交换设计，保证高温驱动组记忆合金可以有效地和低品位热源及环温之间进行热交换，保证低温制冷组记忆合金可以有效地向环温排热，并将产生的冷量及时快速地送到冷藏空间。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用低品位热驱动的弹热制冷循环方法，包含如下所述的四个过程；
常温、零应力时处于马氏体状态的高温驱动组记忆合金101由高于其奥氏体终止温度Af的温度为Tg的低品位热源102驱动，通过机械耦合103的方式，向低温制冷组记忆合金104提供加载过程所需的驱动力；
常温时、零应力时处于奥氏体状态的低温制冷组记忆合金104，通过机械耦合103的方式，被高温驱动组记忆合金101加载相变为马氏体，向温度为Th的常温热汇(105)散热；
常温、零应力时处于马氏体状态的高温驱动组记忆合金101向低于其马氏体终止温度Mf的温度为Th的常温热汇105散热，通过机械耦合103的方式，卸载低温制冷组记忆合金104；
完成散热后，低温制冷组记忆合金104，通过机械耦合103的方式，被高温驱动组记忆合金101卸载转变回奥氏体，向温度为Tc的低温冷藏空间106吸热制冷；
在上述四个步骤的循环过程中，在高温驱动组记忆合金101加热及冷却过程中采用高温回热器107提升能源利用效率，或在低温制冷组记忆合金散热与制冷过程中采用低温回热器108提升制冷性能。
当低品位热源102对高温驱动组记忆合金101加热并超过其马氏体相变温度时，高温驱动组记忆合金101自由能使其可以进行相变，但由于高温驱动组记忆合金101与低温制冷组记忆合金104之间存在应变约束，加热高温驱动组记忆合金101增加的自由能转化为内应力的增加，直到达到低温制冷组记忆合金104在常温下转变为马氏体所需的应力，继续加热高温驱动组记忆合金101将驱动其由马氏体转变为奥氏体，产生的应力和应变驱动低温制冷组记忆合金104从奥氏体转变为马氏体，相变产生的潜热向常温热汇105释放。完成加载后，冷却高温驱动组记忆合金101将降低驱动应力，直至低温制冷组记忆合金104的应力低于其由马氏体转变回奥氏体所需的应力，之后继续冷却高温驱动组记忆合金101将导致其从奥氏体转变回马氏体，应力继续降低，低温制冷组记忆合金104被卸载，产生从马氏体回奥氏体的相变，同时吸收相变潜热，向低温冷藏空间106制冷。在上述制冷循环流程中，可在高温驱动组记忆合金101循环中加入高温回热器107，分别在加热、冷却过程中引入回热过程，提升能效；也可在低温制冷组记忆合金104循环中引入低温回热器108，分别在排热、制冷过程前进行回热，提升制冷性能。
为了实现上述循环方法，可以使用热交换流体作为高温驱动组记忆合金101、低温制冷组记忆合金104与低品位热源102、常温热汇105、低温冷藏空间106之间的换热媒介，提出了基于流体传热的制冷系统设计方案，其中，高温驱动组记忆合金101一端与机械耦合103连接，另一端与机架113连接固定，低温制冷组记忆合金104一端与机械耦合103连接，另一端与机架113连接固定，高温驱动组记忆合金101在其内部通过热交换流体与低品位热源102、常温热汇105、高温回热器107进行换热，热交换流体流路的切换由第一阀门112-1、第二阀门112-2控制，流体由第一循环泵111-1驱动，低温制冷组记忆合金104在气内部通过热交换流体与常温热汇105、低温冷藏空间106、低温回热器108进行换热，热交换流体流路的切换由第三阀门112-3、第四阀门112-4控制，流体由第二循环泵111-2驱动。
在上述系统中，低温制冷组记忆合金104可以通过压缩应力、拉伸应力、扭转应力，或上述驱动加载应力形式的组合来实现从常温奥氏体至马氏体的转变，向常温热汇105放热，在去掉上述驱动加载应力后，可从奥氏体转变回马氏体，从低温冷藏空间106吸热。
上述低温制冷组记忆合金104的驱动加载应力由高温驱动组记忆合金101在受热并由常温马氏体转变为奥氏体的过程中提供，通过利用101的形状记忆效应，高温驱动组记忆合金101在受热时可提供压缩应力、拉伸应力、或扭转应力。
所述连接约束高温驱动组记忆合金101和低温制冷组记忆合金104的机械耦合103可以是传递线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩的零件，或是将高温驱动组记忆合金101产生的线性拉伸力、线性压缩力、扭转扭矩转化为低温制冷组记忆合金所需的上述任何一种驱动力的装置。
系统中的低品位热源102可以是高温固体或密闭的静止高温流体，也可以是与高温流体接触的板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器、微通道换热器、壳管式换热器中的一种，低品位热源102的热量可以来自高于室温的热源，包括但不限于太阳能、工业余热、电子产品产热等。
为了进一步提高系统温差性能，低温制冷组记忆合金104可以延用在中国专利公开号CN106052190A公开的主动回热式循环设计，包含至少一个具有两个密闭间室的活塞容器114，可驱动热交换流体在两组运行模式间切换，即从活塞容器114的低温容器向低温制冷组记忆合金104流动吸收热量最终排向常温热汇105，或从活塞容器114的常温容器向低温制冷组记忆合金104流动放热最终将冷量携带至低温冷藏空间106，两组模式间的切换由第三阀门112-3、第四阀门112-4及活塞容器114的往复运动实现。高温驱动组记忆合金101在其内部通过热交换流体与低品位热源102、常温热汇105和高温回热器107进行换热，热交换流体流路的切换由第一阀门112-1、第二阀门112-2控制，流体由第一循环泵111-1驱动；系统满足以下连接关系：高温驱动组记忆合金101一端与机械耦合103连接，另一端与机架113连接固定，低温制冷组记忆合金104一端与机械耦合103连接，另一端与机架113连接固定。
考虑到电子冷却和冷却对象为固体介质的情况，还提出了采用线性驱动方式及固-固接触热交换设计的方案，在低温制冷组记忆合金104和常温热汇105、低温冷藏空间106之间进行固-固接触式换热。
采用线性驱动方式及热二极管主动控制热交换的制冷系统，不需要使用阀门进行流路切换，适用于对系统复杂程度有较高要求的应用，与基准设计相比，其区别在于：在高温驱动组记忆合金101与低品位热源102和常温热汇105之间分别采用可控的第一组热二极管121-1、二、121-2换热，低温制冷组记忆合金101与常温热汇105和低温冷藏空间106之间分别采用第三组可控的热二极管121-3和第四组可控的热二极管121-4换热。四组热二极管与低品位热源102、常温热汇105、低温冷藏空间106之间可用固-固接触式换热或使用热交换流体换热。其中的热二极管是指在外界未施加控制信号时处于近似绝热状态，在外界施加控制信号后处于高导热率状态。热二极管可以是采用电压控制的帕尔贴半导体热泵、磁场控制的热开关、温度控制的热开关等技术方案。
为了满足产品紧凑性和小型化的需求，提出了采用旋转式连续型热驱动的弹热制冷系统设计，完整成环的高温驱动组记忆合金101缠绕在两个大小略有差异并同步转动的第一转子119、第二转子120之间且无相对滑动，高温驱动组记忆合金在两个转子间的一侧与低品位热源102或与低品位热源102换热的流体接触换热，在另一侧与常温热汇105或与常温热汇105换热的流体接触换热，第一转子119通过机械耦合103与偏心轮同轴相连接，将高温记忆合金101的转动扭矩传递至偏心轮内环118与偏心轮外环117的转动，低温制冷组记忆合金104均匀辐射状布置于偏心轮内环118与偏心轮外环117之间，在被拉长过程中与常温热汇105或与常温热汇105换热的传热流体进行热交换，低温制冷组记忆合金104在逆向相变过程中与低温冷藏空间106或与低温冷藏空间105换热的传热流体进行热交换。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1.现有弹热制冷技术方案均需采用体积庞大的驱动器提供至少几十千牛的线性驱动力，对系统设计提出了较大挑战，如美国专利号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。本发明采用热能驱动高温记忆合金提供加载所需的力，系统构造简单且十分紧凑；
2.高温记忆合金可被50～100℃的热能驱动，系统可以更好地利用可再生能源，例如太阳能、地热、工业余热等，从原理上优于现有电驱动的弹热制冷技术方案；
3.现有弹热制冷技术方案仅停留在使用热交换流体进行传热，然而根据制冷设备具体应用的不同，在电子冷却或小型制冷装置中，固态接触导热热交换可避免流体泄露等风险，并可有效提升设备紧凑性，本发明提出的固-固接触式热交换系统设计方案拓展了该技术的应用范围；
4.现有基于热交换流体传热的弹热制冷系统均需使用阀门进行管路切换，以实现循环中不同功能的要求，本发明提出的热二极管热交换系统设计方案可避免使用阀门，简化系统设计，拓展该技术的应用范围。
附图说明
图1为在温度-应力相图上表征的热驱动弹热制冷循环方法原理图。
图2A为热驱动弹热制冷循环方法流程示意图。
图2B为不带回热的热驱动弹热制冷循环换热量示意图。
图2C为带回热的热驱动弹热制冷循环换热量示意图。
图3A为基于线性驱动方式，使用传热流体网络与记忆合金热交换的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被加热、制冷组记忆合金被加载并排热的示意图。
图3B为基于线性驱动方式，使用传热流体网络与记忆合金热交换的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被冷却、制冷组记忆合金被卸载并制冷的示意图。
图4A为基于线性驱动方式，使用主动回热式制冷流程设计的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被加热、制冷组记忆合金被加载并排热的示意图。
图4B为基于线性驱动方式，使用主动回热式制冷流程设计的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被冷却、制冷组记忆合金被卸载并制冷的示意图。
图5A为基于线性驱动方式，使用固-固接触热交换的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被加热、制冷组记忆合金被加载并排热的示意图。
图5B为基于线性驱动方式，使用固-固接触热交换的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被冷却、制冷组记忆合金被卸载并制冷的示意图。
图6A为基于线性驱动方式，使用热二极管传热设计的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被加热、制冷组记忆合金被加载并排热的示意图。
图6B为基于线性驱动方式，使用热二极管传热设计的热驱动弹热制冷系统中驱动组记忆合金被冷却、制冷组记忆合金被卸载并制冷的示意图。
图7A为基于旋转驱动方式，使用传热流体网络与记忆合金热交换的热驱动弹热制冷系统示意图的俯视图。
图7B为基于旋转驱动方式，使用传热流体网络与记忆合金热交换的热驱动弹热制冷系统示意图的主视图。
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：
本发明中涉及形状记忆合金(简称记忆合金)在热驱动下由马氏体变为奥氏体时提供应力、应变的特性，以及记忆合金在应力驱动下由奥氏体变为马氏体相变放热的特性。在记忆合金中，具有至少两个晶体结构(相)，即零应力时的高温相(奥氏体)和低温相(马氏体)。
图1描述了热驱动弹热制冷循环方法的基本原理。为了方便理解原理，图2A、图2B、图2C通过循环流程图更形象地描述了循环方法的基本过程，图3A、图3B提供了以一种线性驱动、利用热交换流体传热的制冷系统设计方案以理解图1循环图中的几个主要部件功能及连接方式。应当理解，图2A-C及图3A、B的具体流程及实施案例仅仅用于解释本发明的基本方法，并不用于限定本发明。如图2C和图3A所示，在热驱动弹热制冷系统中，有两组记忆合金，利用外界提供热量提供应力的是高温驱动组记忆合金101，其特征是在常温下处于马氏体相，另有一组低温制冷组记忆合金104，其特征是在常温下处于奥氏体相。高温驱动组记忆合金101和低温制冷组记忆合金104通过机械耦合103连接，并通过机架113约束其总长度。为了讨论方便，假设高温驱动组记忆合金101和104横截面积一致，因此在103和113的约束条件下，高温驱动组记忆合金101和低温制冷组记忆合金104两者在任意时刻应力相等，应变大小相等，方向相反。如图1和图2C所示，循环开始时，高温驱动组记忆合金101被常温热汇105冷却完毕，处于Th的温度、零应力、完全为马氏体的状态(D1)，低温制冷组记忆合金104完成了制冷过程，与低温冷藏空间106温度一致，处于Tc的温度、零应力、完全为奥氏体的状态(R6)。如图2A所示，循环的第一个过程是回热，在图3A所示的基于热交换流体的制冷系统中，通过调整第一阀门112-1、第二阀门112-2、开启第一循环泵111-1，将高温组记忆合金101与高温回热器107连通，使用高温回热器107储存的热量预热高温驱动组记忆合金101，该加热过程同时冷却了高温回热器107；同时，调整第三阀门112-3、第四阀门112-4、开启第二循环泵111-2，低温组记忆合金104与低温回热器108连通，使用低温回热器108储存的热量预热低温制冷组记忆合金104，该加热过程同时冷却了低温回热器108。在该回热过程中，高温组记忆合金101的温度升高，有可能超过其马氏体相变温度TM(D1’)，继续回热(加热)导致高温驱动组记忆合金101中自由能增加，将驱动高温驱动组记忆合金101向奥氏体转变，但由于机械耦合103、机架113的应力、应变约束，此时低温制冷组记忆合金104尚未达到相变条件，故高温驱动组记忆合金101中由于回热(加热)增加的自由能转化为其内应力，在图1中表现为应力、温度同时升高的过程，直至达到回热过程终点温度D2；在这个过程中，低温组记忆合金104的回热进行地更快，先达到零应力下回热终点温度Th(R1)，接下来回热结束后绝热地在高温驱动组记忆合金101的驱动下增加应力，如图2C所示。根据图2A，回热结束后，进入加热驱动高温驱动组记忆合金101和对低温制冷组记忆合金104进行散热的阶段。具体来看，图3A中，通过控制第一阀门112-1、第二阀门112-2，运行第一循环泵111-1，连通图3A中的实线管路，即高温记忆合金101与低品位热源102连通，从低品位热源102吸热，此过程将持续提升高温驱动组记忆合金101的温度与应力，直到达到了低温记忆合金104的临界相变应力点(D3)，继续加热高温驱动组记忆合金101将在两组记忆合金同时产生相变：高温驱动组记忆合金101温度和应力持续升高，直至达到低温记忆合金104相变结束应力点(D4)。在此过程中，如图3A所示，高温驱动组记忆合金101在达到D3后持续向低温制冷组记忆合金104提供压缩应力，使低温制冷组记忆合金104从R1经相变起始状态点R2’变化到相变终止点R2，此时，调节第三阀门112-3、第四阀门112-4，开启第二循环泵111-2，图3A中的实线管路连通，热交换流体从低温制冷组记忆合金104吸收热量，向常温热汇105进行散热，将低温制冷组记忆合金104冷却至温度为Th的R3状态点。对低温制冷组记忆合金104完成排热后，根据图2A所示，开始进行回热过程。首先，在图3A中调整第三阀门112-3、第四阀门112-4，使得低温制冷组记忆合金104与低温回热器108相连通，利用上次回热时储存的冷量继续冷却低温制冷组记忆合金104，使其温度下降到Tc(R4)，此回热过程将低温制冷组记忆合金104的热量蓄存到低温回热器108；同时，调整第一阀门112-1、第二阀门112-2，使得高温驱动组记忆合金101与高温回热器107连通，利用上次回热时储存的冷量，冷却高温驱动组记忆合金101。值得注意的是，冷却高温驱动组记忆合金101时，其内部的自由能下降，导致其内应力下降，直至达到低温制冷组记忆合金104逆向相变的应力状态(D5’)，继续回热(冷却)将引起高温驱动组记忆合金101、低温制冷组记忆合金104的逆向相变。回热过程结束时，高温组记忆合金达到状态点D5。根据图2A所示，之后进入循环的最后一个步骤，即图3B中所示的冷却高温驱动组记忆合金101、低温制冷组记忆合金104制冷的过程。调整第一阀门112-1、第二阀门112-2，使得图3B中的实线管路连通，此时高温驱动组记忆合金101与常温热汇105连通，热交换流体继续冷却高温驱动组记忆合金101，使得其经过D6最终达到循环起始状态D1；同时，调整第三阀门112-3、第四阀门112-4，使低温制冷组记忆合金104与低温冷藏空间106连通，在经历了逆向相变达到零应力R5状态后，由热交换流体将相变过程的冷量传送到低温冷藏空间106，同时制冷过程吸热，低温制冷组记忆合金104的温度最终达到低温冷藏空间106的温度Tc(R6)，完成一次循环。
在实际系统运行时，如果只有一组高温驱动组记忆合金101和一组低温制冷组记忆合金104，则高温回热器107和低温回热器108只能是蓄热式回热器，其功能是与热交换流体进行换热，在每个循环内周期性地将高温驱动组记忆合金101或低温制冷组记忆合金104多余的余热(冷量)储存，并在循环需要使用余热(冷量)时提供给热交换流体。当有至少两组独立的高温驱动组记忆合金101和至少两组独立的低温制冷组记忆合金104时，且两组高温驱动组记忆合金101、低温制冷组记忆合金104间独立运行有180°(半个周期)相位差时，直接连通两组同功能的记忆合金(高温驱动组记忆合金101与高温驱动组记忆合金101连接，低温制冷组记忆合金104与低温制冷组记忆合金104连接)即可构成回热过程，可以不用单独设置回热器。
在实际系统运行时，回热过程是可以跳过的，如图2A所示。如果在系统不设置高低温回热器107和低温回热器108，则可运行图2B中描述的循环流程。
从低温制冷组记忆合金104的温度变化特性来看，图1～图3中的循环流程对应了电驱动弹热制冷技术中的单级弹热制冷循环，如美国专利公开号2016/0084544A1中公开的制冷流程。当图1～图3中热驱动部分不变时，可以将低温制冷组记忆合金104的循环流程改变为主动回热式制冷循环，如在中国专利公开号CN106052190A中公开的流程，以提升低温制冷组记忆合金104的制冷温差及制冷量。图4A、B以使用线性驱动方式、单个高温驱动组记忆合金101、低温制冷组记忆合金104的设计方案为例阐述由热驱动的主动回热式弹热制冷系统。在图4A中，高温驱动组记忆合金101及与其连接的热交换流体管网包括了第一循环泵111-1、第一、二、三、四阀门112-1、112-2、112-3、112-4、常温热汇105、低品位热源102，其设计、循环流程保持与图2一致。与低温制冷组记忆合金104连接的管路有一定的变化，使用具有两个密闭腔的活塞容器114代替第二循环泵111-2。如图4A所示，当高温驱动组记忆合金101进行加热相变加载时，通过调节第三阀门112-3、第四阀门112-4，将图4A中的实线管路连通，此时，活塞容器114向下移动，排出活塞容器114低温腔的流体，使热交换流体从低温制冷组记忆合金104的左侧(L)流入低温组记忆合金104，并将其相变释放的潜热吸收，从低温制冷组记忆合金104的右侧(R)带走，排至常温热汇105，流体散热后流入活塞容器114的高温侧密闭腔。如图4B所示，当高温驱动组记忆合金101进行冷却相变卸载时，通过调节第三阀门112-3、第四阀门112-4，将图4B中的实线管路连通，此时，活塞容器114向上移动，排出活塞容器114高温腔的流体，使热交换流体从低温制冷组记忆合金104的右侧(R)流入低温组记忆合金104，并将其逆向相变产生的制冷量，从低温制冷组记忆合金104的左侧(L)带走，排至低温冷藏空间106，流体完成制冷后流入活塞容器114的低温侧密闭腔。当循环连续运行时，由于流体每次从低温制冷组记忆合金104的左侧向右侧流动时从低温制冷组记忆合金104吸热，从低温制冷组记忆合金104右侧向左侧流动时向低温制冷组记忆合金104放热，最终将在低温制冷组记忆合金104内部产生一个较大的温度梯度，有助于提升整机的制冷温差和制冷量。
使用热交换流体的传热模式仅是系统设计中的一种方案，第二种热交换模式是使用固-固接触换热的模式，即高高温驱动组记忆合金101、低温制冷组记忆合金104在循环的不同阶段分别与低品位热源102、常温热汇105、低温冷藏空间106接触进行热交换。为了方便理解，图5A、B以低温制冷组记忆合金104应用线性驱动模式和固-固接触式传热设计为例阐述该种方案的工作流程及特征，高温驱动组记忆合金101的热交换设计与图3、图4中介绍的设计方案保持一致。使用固-固接触传热设计一般无法采用回热器(107、108)，但鉴于固-固传热的热阻比使用热交换流体产生的额外输运热阻要小很多，其系统运行的频率可以得到提升，且有可能应用于小型化的电子冷却装置中。如图4A所示，当高温驱动组记忆合金101与低品位热源102连通进行加热相变加载时，高温驱动组记忆合金101相变收缩，对具有1个转动自由度的机械耦合103施加向上的拉力，通过机械耦合103传递来的拉力还将对低温制冷组记忆合金104围绕其另一端固定于机架113的转轴115产生转动扭矩，同时驱动两组对称布置的低温制冷组记忆合金104产生相变并旋转，释放的热量在其上升至相变终止位置并与常温热汇105接触时排走。如图4B所示，当低温制冷组记忆合金104散热结束后，开启风机116冷却高温驱动组记忆合金101，此时驱动力变为零，低温制冷组记忆合金104被卸载回到其零应力下的初始位置，逆向相变产生的冷量在其回到初始位置并与低温冷藏空间106接触时释放，冷却了低温冷藏空间106。
第三种热交换模式是使用主动可控的热二极管设计，可以进一步减小系统的复杂程度。热二极管是指在外界未施加控制信号时处于近似绝热状态，在外界施加控制信号后处于高导热率状态。热二极管可以是采用电压控制的帕尔贴半导体热泵、磁场控制的热开关、温度控制的热开关等技术方案。热二极管与记忆合金之间属于固-固接触换热，热阻较小，其与低品位热源102、常温热汇105、低温冷藏空间106之间可以采用固-固接触换热或热交换流体换热，形式较为灵活，兼具前两种热交换模式设计方案的优点。为了方便理解，图6A与图6B以使用线性驱动、热二极管与低品位热源102、常温热汇105、低温冷藏空间106之间使用热交换流体传热、无回热的系统设计方案为例进行说明。如图6A所示，当高温驱动组记忆合金101进行加热相变加载时，高温驱动组记忆合金101与低品位热源102之间的第一热二极管121-1受控开启进行传热，高温驱动组记忆合金101与常温热汇105之间的第二热二极管121-2未启动处于绝热状态；同时，低温制冷组记忆合金104与常温热汇105之间的第三热二极管121-3受控开启进行传热，低温制冷组记忆合金104与低温冷藏空间106之间的第四热二极管121-4未启动处于绝热状态，此时，可将低温制冷组记忆合金104被加载时释放的潜热排至常温热汇105。排热结束后，如图6B所示，高温驱动组记忆合金101与常温热汇105之间的第二热二极管121-2受控开启，第一热二极管121-1未启动处于绝热状态，此时，常温热汇105将冷却高温驱动组记忆合金101，使其驱动应力逐渐降低到零应力，完成卸载过程；同时，低温制冷组记忆合金104与常温热汇105之间的第三热二极管121-3被关闭处于绝热状态，第四热二极管121-4受控开启，将低温制冷组记忆合金104卸载过程中产生的冷量传递到低温冷藏空间106。
热驱动的弹热制冷系统不仅可以由线性的拉伸力、压缩力驱动，还可以由转动力驱动。但凡符合由一个或多个记忆合金热机通过机械耦合方式驱动一个或多个记忆合金制冷机的技术方案都符合本专利的发明内容，这里仅以图7A、图7B中旋转驱动的系统设计方案为例进行阐述。在图7A、B中，高温驱动组记忆合金101为丝或带状，缠绕在共面的第一转子119和第二转子120之间，一侧由低品位热源102加热，另一侧向常温热汇105散热，在该种布置模式下，高温驱动组记忆合金101与低品位热源102接触受热后由马氏体转变为奥氏体，相变过程产生应变和驱动力，同时，高温驱动组记忆合金101与常温热汇105接触冷却后由奥氏体变回马氏体，产生收缩力，在这两个力的共同作用下，高温驱动组记忆合金101带动第一转子119和第二转子120同步转动。第一转子119通过机械耦合103与具有内环118、外环117的偏心轮相连接，带动偏心轮旋转。偏心轮内环118、外环117与多组低温制冷组记忆合金104呈辐条状相连接，在偏心轮内环118、外环117旋转过程中，低温制冷组记忆合金104运行在图7A中由右侧向左侧顺时针转动时逐渐被拉伸，相变并释放热量，热量由常温热汇105带走；低温制冷组记忆合金104运行在图7A中由左侧向右侧顺时针转动时逐渐恢复零应力时的状态，相变并吸收热量，对低温冷藏空间106产生制冷效应。

Claims (8)

1.一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法，其特征在于：包含如下所述的四个过程；
常温、零应力时处于马氏体状态的高温驱动组记忆合金(101)由高于其奥氏体终止温度Af的温度为Tg的低品位热源(102)驱动，通过机械耦合(103)的方式，向低温制冷组记忆合金(104)提供加载过程所需的驱动力；
常温时、零应力时处于奥氏体状态的低温制冷组记忆合金(104)，通过机械耦合(103)的方式，被高温驱动组记忆合金(101)加载相变为马氏体，向温度为Th的常温热汇(105)散热；
常温、零应力时处于马氏体状态的高温驱动组记忆合金(101)向低于其马氏体终止温度Mf的温度为Th的常温热汇(105)散热，通过机械耦合(103)的方式，卸载低温制冷组记忆合金(104)；
完成散热后，低温制冷组记忆合金(104)，通过机械耦合(103)的方式，被高温驱动组记忆合金(101)卸载转变回奥氏体，向温度为Tc的低温冷藏空间(106)吸热制冷；
在上述四个步骤的循环过程中，在高温驱动组记忆合金(101)加热及冷却过程中采用高温回热器(107)提升能源利用效率，或在低温制冷组记忆合金散热与制冷过程中采用低温回热器(108)提升制冷性能。
2.实现权利要求1所述低品位热驱动的弹热制冷循环方法的制冷系统，其特征在于：使用热交换流体作为高温驱动组记忆合金(101)、低温制冷组记忆合金(104)与低品位热源(102)、常温热汇(105)、低温冷藏空间(106)之间的媒介，系统满足以下连接关系：高温驱动组记忆合金(101)一端与机械耦合(103)连接固定，另一端与机架(113)连接固定，低温制冷组记忆合金(104)一端与机械耦合(103)连接，另一端与机架(113)连接固定，高温驱动组记忆合金(101)在其内部通过热交换流体与低品位热源(102)、常温热汇(105)和高温回热器(107)进行换热，热交换流体流路的切换由第一阀门(112-1)、第二阀门(112-2)控制，流体由第一循环泵(111-1)驱动，低温制冷组记忆合金(104)在其内部通过热交换流体与常温热汇(105)、低温冷藏空间(106)和低温回热器(108)进行换热，热交换流体流路的切换由第三阀门(112-3)、第四阀门(112-3)控制，流体由第二循环泵(111-2)驱动。
3.如权利要求2所述的制冷系统，其特征在于：其中的低品位热源(102)为高温固体或密闭的静止高温流体，或者为与高温流体接触的板式换热器、板翅式换热器、管翅式换热器、微通道换热器、壳管式换热器中的一种，低品位热源(102)的热量为来自高于室温的热源，包括但不限于太阳能、工业余热、电子产品产热。
4.实现权利要求1所述低品位热驱动的弹热制冷循环方法的制冷系统，其特征在于：低温制冷组记忆合金(104)运行主动回热式制冷循环，应用于对系统温差有较大需求的产品，系统中包含至少一个具有两个密闭间室的活塞容器(114)，以驱动热交换流体在两组运行模式间切换，即从活塞容器(114)的低温容器向低温制冷组记忆合金(104)流动吸收热量最终排向常温热汇(105)，或从活塞容器(114)的常温容器向低温制冷组记忆合金(104)流动放热最终将冷量携带至低温冷藏空间(106)，两组模式间的切换由第三阀门(112-3)、第四阀门(112-4)及活塞容器(114)的往复运动实现；高温驱动组记忆合金(101)在其内部通过热交换流体与低品位热源(102)、常温热汇(105)和高温回热器(107)进行换热，热交换流体流路的切换由第一阀门(112-1)、第二阀门(112-2)控制，流体由第一循环泵(111-1)驱动；系统满足以下连接关系：高温驱动组记忆合金(101)一端与机械耦合(103)连接，另一端与机架(113)连接固定，低温制冷组记忆合金(104)一端与机械耦合(103)连接，另一端与机架(113)连接固定。
5.实现权利要求1所述低品位热驱动的弹热制冷循环方法的制冷系统，其特征在于：使用固-固接触导热方式直接将低温组记忆合金(104)与常温热汇(105)、低温冷藏空间(106)进行换热，适用于电子冷却或冷却固体介质的产品应用，其系统各部件连接方式特征为：高温驱动组记忆合金(101)一端与机架(113)连接固定，另一端与机械耦合(103)连接，高温驱动组记忆合金(101)通过热交换流体，在第一循环泵(111-1)的驱动下，与低品位热源(102)换热，或在风机(116)的驱动下，与常温热汇(105)进行换热，低温制冷组记忆合金(104)一端与机架(113)连接固定，另一端与机械耦合(103)连接，在被加载时运行至远端位置，与常温热汇(105)接触换热，在被卸载时运行至初始位置，与低温冷藏空间(106)换热。
6.实现权利要求1所述低品位热驱动的弹热制冷循环方法的制冷系统，其特征在于：采用旋转式驱动的机械设计，适用于对紧凑型有较高要求的应用，其系统由以下部件组成：完整成环的高温驱动组记忆合金(101)缠绕在两个大小有差异并同步转动的第一转子(119)和第二转子(120)之间且无相对滑动，高温驱动组记忆合金(101)在两个转子间的一侧与低品位热源(102)或与低品位热源(102)换热的流体接触换热，在另一侧与常温热汇(105)或与常温热汇(105)换热的流体接触换热，第一转子(119)通过机械耦合(103)与偏心轮外环(117)及偏心轮内环(118)同轴相连接，将高温记忆合金(101)的转动扭矩传递至偏心轮内环(118)与偏心轮外环(117)的转动，低温制冷组记忆合金(104)均匀辐射状布置于偏心轮内环(118)与偏心轮外环(117)之间，在被拉长过程中与常温热汇(105)或与常温热汇(105)换热的传热流体进行热交换，低温制冷组记忆合金(104)在逆向相变过程中与低温冷藏空间(106)或与低温冷藏空间(105)换热的传热流体进行热交换。
7.实现权利要求1所述低品位热驱动的弹热制冷循环方法的制冷系统，其特征在于：不需要使用任何阀门进行流路切换，适用于对系统复杂程度有较高要求的应用，在高温驱动组记忆合金(101)与低品位热源(102)和常温热汇(105)之间分别采用可控的第一组热二极管(121-1)和第二组热二极管(121-2)换热，低温制冷组记忆合金(101)与常温热汇(105)和低温冷藏空间(106)之间分别采用第三组热二极管(121-3)和第四组热二极管(121-4)换热；四组热二极管与低品位热源(102)、常温热汇(105)、低温冷藏空间(106)之间用固-固接触式换热或使用热交换流体换热；系统满足以下连接关系：高温驱动组记忆合金(101)一端与机械耦合(103)连接，另一端与机架(113)连接固定，低温制冷组记忆合金(104)一端与机械耦合(103)连接，另一端与机架(113)连接固定。
8.基于权利要求7的制冷系统，其中的第一组热二极管(121-1)、第二组热二极管(121-2)、第三组热二极管(121-3)、第四组热二极管(121-4)是指在外界未施加控制信号时处于近似绝热状态，在外界施加控制信号后处于高导热率状态；为采用电压控制的帕尔贴半导体热泵、磁场控制的热开关或温度控制的热开关。
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