CN108562061B - 一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于记忆合金热弹效应的活塞‑液缸制冷装置，属于制冷技术领域。装置由电机动力系统、记忆合金热弹效应制冷体、双路可控液流热交换系统组成。电机通过曲柄连杆带动活塞在液缸内作直线往复运动。记忆合金体置于活塞与液缸底的空间内，活塞的往复运动使记忆合金体周期性加载变形和卸载形状恢复，相应地产生交替的马氏体相变放热和逆相变吸热现象。活塞阀芯与液缸侧壁开孔组成两对阀芯入口和两对阀芯出口，活塞运动于上、下半周时各有一对阀芯入口和出口开通，控制一路热交换液流进入液缸，与记忆合金体发生热交换。活塞往返一次，热量由一路液流通过记忆合金传输到另一路液流，完成一次制冷循环过程。本发明装置结构紧凑，制冷效能高，用于空调、冰箱等制冷系统。
Description
技术领域
本发明属于制冷领域，具体涉及一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置。
背景技术
传统的制冷技术依赖压缩蒸汽制冷剂(如氟利昂)的液-汽相变潜热实现热量由低温环境向高温环境的可控传输。然而，蒸汽制冷剂对环境有严重的影响，其地球变暖潜势(GWP)比CO2气体高1000倍。资料显示，近十几年来汽车工业的快速发展，汽车空调压缩蒸汽排放已经成为臭氧层损耗、温室效应以及全球变暖等生态危机的一个主要因素。尽管人们努力开发无氟气体冷却剂(如氨等)，然而大多数蒸汽制冷剂依然存在温室效应，不能完全解决蒸汽压缩制冷技术所带来的环境问题。因此亟需研制蒸汽制冷剂的替代材料和新型制冷技术。
记忆合金具有可逆的热弹性固态相变，即在一定温度下施加应力时记忆合金由奥氏体转变为马氏体；去除应力过程中记忆合金由马氏体转变为奥氏体相。伴随这种可逆的热弹性固态相变过程，记忆合金释放或者吸收一定数量的相变潜热。利用记忆合金的热弹性固态相变替代压缩蒸汽的气-液相变，可以开发固体制冷剂材料和新型制冷技术。记忆合金热弹性固态相变制冷(以下简称为弹热效应制冷)技术的过程可以描述为：在一定温度T0下，加载使记忆合金发生马氏体相变(奥氏体转变成马氏体)，释放相变潜热，记忆合金自身被相变潜热加热而温度升高到T1；通过热交换将该热量传输到环境1，记忆合金的温度降回到T0；随后的卸载记忆合金发生逆相变(马氏体转变为奥氏体)，需要补充相变潜热，记忆合金自身温度被冷却降低到T2(T2<T0<T1)；通过热交换记忆合金吸收环境2的热量，才能使其温度重新升到T0。如此完成一个制冷循环。随着制冷循环过程的不断进行，环境2的热量经记忆合金而不断传输给环境1，实现热量从低温(环境2)向高温(环境1)的可控传输，环境2的温度逐渐下降，从而实现制冷效果。理论上，记忆合金的制冷制冷系数(COP)是压缩蒸汽制冷吸收的1.38倍。可见，记忆合金热弹效应制冷不仅环保，而且高效经济。美国能源部2014年发布的一份关于可替代制冷技术的报告指出，弹热效应制冷是所有固体制冷技术中最具有发展前景的技术。
由于记忆合金不能像压缩蒸汽那样可以经管道流动输运到环境1和环境2进行热交换，因此，弹热效应制冷系统需要额外的两个流体(流体1和流体2)作为热交换载体，分别与记忆合金两种状态相(马氏体和奥氏体)进行热交换，通过流体1从记忆合金的马氏体相吸收热量传输给环境1，通过流体2从环境2吸收热量传输给记忆合金的奥氏体相。弹热效应制冷的这种特殊性决定了弹热效应制冷系统结构与传统蒸汽压缩制冷系统存在显著区别。弹热效应制冷系统的结构设计已成为决定其制冷效率和推广应用的关键。数年来美、欧等发达国家对弹热效应制冷技术进行了持续性研究，已有研制了不同类型的制冷原型机。美国发明US3913326A公开了全球第一个连续运行的记忆合金热机，主要设备包括飞轮、偏心轮毂、记忆合金辐条和冷却水槽等。偏心轮毂旋转过程中记忆合金辐条发生周期性拉伸加载变形和卸载形状恢复，从而产生交替的热弹性相变和逆相变。处于飞轮上半圆的记忆合金辐条为释放相变潜热的马氏体，热量由记忆合金传输于空气；处于飞轮下半圆的记忆合金辐条处于吸收相变潜热的奥氏体，热量由水传输于记忆合金。随着飞轮不断旋转，热量将源源不断地从水传输到空气，水温因此下降。美国发明US4055955A采用两个飞轮代替偏心轮，两个飞轮平行安装并相距一定距离。将记忆合金丝的两端分别连接在两个飞轮的边缘上。当两个飞轮以速度相同、方向相反旋转时，记忆合金丝发生周期性拉伸加载和卸载。相似地，加载状态和卸载状态记忆合金分别与空气和水进行热交换。美国发明US4683721A公开了一种利用记忆合金弹簧代替记忆合金丝，实现了更高的加载应变。尽管上述专利在记忆合金材料形状、加载结构等存在明显差别，然而它们的设计思想相同，即都是采用在拉伸加载记忆合金的同时移动记忆合金，使其加载状态和卸载状态分别与两个静态载流体(水和空气)接触而发生热交换。这些制冷装置不仅体积庞大，热交换效率低，而且开放式结构使得热量自由散失严重，不利于热量的可控传输。最新研究表明，记忆合金弹热效应制冷效率与换热过程有关外，还与记忆合金的加载方式密切相关。因此，本发明提出液缸-活塞式结构设计，记忆合金制冷剂置于液缸内，在活塞的作用下发生拉伸或压缩变形；与此同时，通过活塞阀芯结构，将冷、热两种液体载流体交替流过记忆合金制冷剂，实现高效换热，从而提高制冷效率。
发明内容
为了克服现有记忆合金热弹效应制冷系统存在的问题，本发明提供一种结构紧凑简单、双路可控液流换热的活塞-液缸制冷系统装置，可替代传统蒸汽压缩制冷系统，用于室内空调、车载空调、家用冰箱等制冷应用场合。
本发明提供一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置，由电机动力系统、记忆合金弹热效应制冷体和双路可控液流热交换系统组成。
电机动力系统由调速电机、曲轴连杆、液缸和活塞等组成。曲轴连杆分别与电机输出轴和活塞连接，活塞安装在液缸内。曲轴连杆将电机输出轴的旋转运动转变为活塞在液缸内的直线往复运动。
记忆合金热弹效应制冷体置于液缸底部与活塞之间，活塞的直线往复运动使记忆合金体发生周期性加载变形与卸载形状恢复，进而诱发其交替发生热弹性马氏体相变和马氏体逆相变。
双路可控液流热交换系统包括两路液流循环回路，每路液流循环回路由容器、液泵、活塞阀芯和连接管等组成。活塞直线往复运动使两路液流循环回路的活塞阀芯交替开通与闭合。在活塞运动的前半周时，一路的活塞阀芯开通，该路的热交换液体在液泵的驱动下从容器经管道流经液缸，与记忆合金热弹效应制冷体进行热交换；在活塞运动的后半周，另一路的活塞阀芯开通，该路的热交换液体在液泵的驱动下从容器经管道流经缸体，与记忆合金热弹效应制冷体进行热交换。
如上所述的一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置的安装步骤为：
步骤1，安装电机动力系统；电机的输出轴与液缸中心轴垂直。曲柄连杆一端安装在电机的输出轴上，另一端安装在活塞顶部，曲柄连杆的两端均为铰链方式；电机输出轴的旋转运动经曲柄连杆转换成活塞在液缸中的直线往复运动；活塞直线往复运动的频率通过电机转速调整，活塞直线往复运动的行程通过曲柄连杆的偏心距调整；
步骤2，安装记忆合金热弹效应制冷体；选取等原子比的镍钛合金的丝材加工成螺旋状拉伸弹簧，将镍钛合金弹簧的两端分别固定在活塞下表面和液缸内底面；
步骤3，安装双路可控液流热交换系统；采用A流体管路一和A流体管路二将A容器、A流体泵、A流体阀芯进口和A流体阀芯出口连接成A流体回路；同样地，采用B流体管路一和B流体管路二将B容器、B流体泵、B流体阀芯进口和B流体阀芯出口连接成B流体回路；调整活塞阀芯位置，使活塞位于上半周时A流体的阀芯进口和阀芯出口开通，而B流体的阀芯进口和阀芯出口闭合；活塞位于下半周时A流体的阀芯进口和阀芯出口闭合，而B流体的阀芯进口和阀芯出口开通；
步骤4，分别向A容器和B容器注入换热流体，开启A流体泵和B流体泵及电机，随着制冷系统运转，A容器中的水温不断升高，B容器中的水温逐渐降低。
本发明的有益效果
1)采用活塞-液缸结构提高了隔热效果，减少记忆合金体热弹性相变潜热的自然流失，从而增强了将热量由低温向高温的可控传输效率。
2)采用双液路可控流动热交换结构提高了换热速率，有利于提高循环速率，提高制冷制冷装置的运转速度。
3)采用活塞-液缸结构设计，可以方便实现对记忆合金的拉伸加载或压缩加载，最大限度发挥记忆合金材料的制冷效能。
4)采用简单紧凑的活塞-液缸结构，与传统蒸汽压缩制冷系统结构相近，可以方便替换传统蒸汽压缩制冷系统用于室内空调、车载空调、家用冰箱等制冷应用场合。
附图说明
图1为本发明的一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置示意图。图中，1-电机；2-曲柄连杆；3-活塞；4-液缸；5-B流体阀芯出口；6-B流体管路一；7-B流体容器；8-A流体阀芯出口；9-B流体泵；10-B流体管路二；11-记忆合金弹热效应制冷体；12-A流体阀芯出口；13-B流体阀芯入口；14-A流体管路一；15-A流体容器；16-A流体泵；17-A流体管路二。
具体实施方式
具体实施方式一：
步骤1，安装电机动力系统。电机(1)的输出轴与液缸(4)中心轴垂直。曲柄连杆(2)一端安装在电机的输出轴上，另一端安装在活塞(3)顶部，曲柄连杆的两端均为铰链方式。电机输出轴的旋转运动经曲柄连杆转换成活塞在液缸中的直线往复运动。活塞直线往复运动的频率通过电机转速调整，活塞直线往复运动的行程通过曲柄连杆的偏心距调整。选取活塞直线往复运动的行程为30mm。调整电机与液缸的距离，使连杆处于最低时，活塞下表面与液缸内底面的空间高度为30mm。
步骤2，安装记忆合金热弹效应制冷体(11)。选取等原子比的镍钛合金的丝材，丝的直径为1mm，加工成螺旋状拉伸弹簧，弹簧中径为6mm，弹簧的自由长度为30mm。将镍钛合金弹簧的两端分别固定在活塞下表面和液缸内底面。
步骤3，安装双路可控液流热交换系统。采用连接管(14，17)将A容器(15)、A流体泵(16)、A流体阀芯进口(8)和A流体阀芯出口(12)连接成A流体回路；同样地，采用连接管(6，10)将B容器(7)、B流体泵(9)、B流体阀芯进口(13)和B流体阀芯出口(8)连接成B流体回路。调整活塞阀芯位置，使活塞位于上半周时A流体的阀芯进口(8)和阀芯出口(12)开通，而B流体的阀芯进口(13)和阀芯出口(5)闭合；活塞位于下半周时A流体的阀芯进口(8)和阀芯出口(12)闭合，而B流体的阀芯进口(13)和阀芯出口(5)开通。
步骤4，分别向A容器和B容器注入蒸馏水(换热流体)，开启A流体泵(16)和B流体泵(9)。开启电机，取电机转速为60rpm，相应地活塞直线往复运动频率为1赫兹。随着制冷系统运转，A容器中的水温不断升高，B容器中的水温逐渐降低。
具体实施方式二：
本实施方式与具体实施方式一的区别在于记忆合金的加载方式为压缩加载。记忆合金热弹效应制冷体加工成压缩弹簧，弹簧的自由长度为60mm。调整电机与液缸的距离，使连杆处于最高时，活塞下表面与液缸内底面的空间高度为60mm。
相应地，当活塞处于下半周时，记忆合金压缩弹簧发生诱发马氏体相变，释放相变潜热。随着制冷系统运转，A容器(15)中的水温不断降低，而B容器(7)中的水温逐渐升高。
上述具体实施方式只是举例说明了本发明，而非对本发明的限制。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术思想，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (2)
1.一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置，其特征在于包括电机动力系统、记忆合金热弹效应制冷体和双路可控液流热交换系统；
其中电机动力系统由变速电机、曲柄连杆、活塞和液缸组成；曲柄连杆将电机的旋转运动转变成活塞在液缸内的直线往复运动；
记忆合金热弹效应制冷体安装在液缸底部与活塞之间，活塞的直线往复运动使记忆合金体发生周期性的变形与形状恢复，进而诱发其发生交替的热弹性马氏体相变和马氏体逆相变；双路可控液流热交换系统由两路热交换液流循环回路组成，每路液流循环回路包括容器、液泵、活塞阀芯入口、活塞阀芯出口和连接管道；活塞的直线往复运动使两套流体循环回路的活塞阀芯开口交替开通与闭合，控制两流体循环回路中的液体交替进入液缸内，与记忆合金体进行热交换；
双路可控液流热交换系统；采用A流体管路一(14)和A流体管路二(17)将A容器(15)、A流体泵(16)、A流体阀芯进口(8)和A流体阀芯出口(12)连接成A流体回路；同样地，采用B流体管路一(6)和B流体管路二(10)将B容器(7)、B流体泵(9)、B流体阀芯进口(13)和B流体阀芯出口(5)连接成B流体回路；调整活塞阀芯位置，使活塞位于上半周时A流体的阀芯进口(8)和阀芯出口(12)开通，而B流体的阀芯进口(13)和阀芯出口(5)闭合；活塞位于下半周时A流体的阀芯进口(8)和阀芯出口(12)闭合，而B流体的阀芯进口(13)和阀芯出口(5)开通。
2.根据权利要求1所述的一种基于记忆合金热弹效应的活塞-液缸制冷装置，其特征在于安装步骤为：
步骤1，安装电机动力系统；电机(1)的输出轴与液缸(4)中心轴垂直；曲柄连杆(2)一端安装在电机的输出轴上，另一端安装在活塞(3)顶部，曲柄连杆的两端均为铰链方式；电机输出轴的旋转运动经曲柄连杆转换成活塞在液缸中的直线往复运动；活塞直线往复运动的频率通过电机转速调整，活塞直线往复运动的行程通过曲柄连杆的偏心距调整；
步骤2，安装记忆合金热弹效应制冷体(11)；选取等原子比的镍钛合金的丝材加工成螺旋状拉伸弹簧，将镍钛合金弹簧的两端分别固定在活塞下表面和液缸内底面；
步骤3，安装双路可控液流热交换系统；采用A流体管路一(14)和A流体管路二(17)将A容器(15)、A流体泵(16)、A流体阀芯进口(8)和A流体阀芯出口(12)连接成A流体回路；同样地，采用B流体管路一(6)和B流体管路二(10)将B容器(7)、B流体泵(9)、B流体阀芯进口(13)和B流体阀芯出口(5)连接成B流体回路；调整活塞阀芯位置，使活塞位于上半周时A流体的阀芯进口(8)和阀芯出口(12)开通，而B流体的阀芯进口(13)和阀芯出口(5)闭合；活塞位于下半周时A流体的阀芯进口(8)和阀芯出口(12)闭合，而B流体的阀芯进口(13)和阀芯出口(5)开通；
步骤4，分别向A容器和B容器注入换热流体，开启A流体泵(16)和B流体泵(9)及电机，随着制冷系统运转，A容器中的水温不断升高，B容器中的水温逐渐降低。
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