CN109323489A - 一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法，制冷系统包括两对相互啮合的传动齿轮，四个传动齿轮完全相同并且对称布置，同一侧的两个传动齿轮之间通过沿轴心连接的中心轴保持同步转动；传动齿轮的齿轮面上开孔并在同一侧的两个传动齿轮之间安装连接轴，两根连接轴之间通过夹具连接弹热材料；所述的传动齿轮通过驱动电机进行驱动，弹热材料在两侧传动齿轮的带动下能够同时对称伸张收缩以及上下活动，弹热材料的上下两侧分别设置有热汇换热器和热源换热器，弹热材料在伸张状态下与热汇换热器紧密接触散热，弹热材料在收缩状态下与热源换热器紧密接触吸热，热源换热器连接冷藏箱。本发明实现了弹热材料的对称加载、卸载过程，运行稳定。

Description

一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法

技术领域

本发明涉及制冷与空调领域，具体为一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法。

背景技术

在全世界范围内，很大比例的能源被制冷或空气调节设备消耗，每年都会产生很大的碳排放量。此外，现今应用最广泛的蒸气压缩制冷技术通过百年的发展，已经达到接近40～45％的卡诺循环理论效率。但是蒸气压缩制冷使用的制冷剂大多为对环境不利的氟氯烃、氟代烃等，这些制冷剂对温室效应或者臭氧层有着不可忽略的负面影响，世界范围内的许多国家已经逐步立法限制并禁用这些制冷剂。美国能源部的研究报告指出，弹热制冷技术的卡诺循环效率可以达到42％，并且弹热制冷技术使用的是固体制冷剂，对环境不产生直接的负面影响，所以弹热制冷技术是目前最具有发展潜力的替代制冷技术。但是，弹热制冷技术的系统研究还存在很多挑战，现阶段主要集中在两方面，一是系统温差，二是弹热制冷材料需要的驱动应力较大。对于高温热汇与低温热源之间的系统温差，由于受限于热交换过程的损耗，需要通过合理化地设计系统和循环流程；而对于弹热制冷材料所需要的较大驱动应力的挑战，则需要通过循环系统的设计与加工、装配工艺的统一来克服，这就需要不断优化弹热制冷的传动结构或者加载方式。近年来相关的现有技术中，公开号为CN106052190A的中国专利使用了主动回热式循环来改进系统温差性能的设计，通过回热式循环来有效提升系统温差；公开号为CN107289668A的中国专利则是提供了一种利用低品位热能驱动的弹热制冷循环方法及其系统，来给弹热材料提供所需的相变应力。然而，这两类技术方案虽然有助于解决弹热制冷技术面临的挑战，却都需要多台驱动机构和额外的水循环系统作为传热介质，系统结构较为冗杂。并且在解决弹热制冷材料所需驱动应力较大的问题上，并没有深入地在机械传动、加载方式上进行研究。总而言之，弹热制冷技术的发展需要相应系统方面的研究得到较大的突破，系统研究不仅仅要考虑系统温差和驱动力大小的问题，也要综合设计匹配紧凑、高效的传动结构。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法，在电机驱动弹热制冷系统的基础上，引入齿轮传动的机械结构，通过单台驱动机来实现弹热材料的对称加载、卸载过程，并使用固体导热与该机械结构配合，使得弹热材料周期性地在纯固态系统中，仅通过单机驱动就能够保证弹热材料受拉应力达到高温后与高温热汇接触并向热汇排热，在受压应力达到低温时能够与低温热源接触并从热源吸热。

为了实现上述目的，本发明齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统采用如下技术方案：

包括两对相互啮合的传动齿轮，四个传动齿轮完全相同并且对称布置，同一侧的两个传动齿轮之间通过沿轴心连接的中心轴保持同步转动；传动齿轮的齿轮面上开孔并在同一侧的两个传动齿轮之间安装连接轴，两根连接轴之间通过夹具连接弹热材料；所述的传动齿轮通过驱动电机进行驱动，弹热材料在两侧传动齿轮的带动下能够同时对称伸张收缩以及上下活动，弹热材料的上下两侧分别设置有热汇换热器和热源换热器，弹热材料在伸张状态下与热汇换热器紧密接触散热，弹热材料在收缩状态下与热源换热器紧密接触吸热，热源换热器连接冷藏箱。

所述的中心轴与传动齿轮之间采用键连接，夹具通过内嵌的轴承安装在连接轴上。

通过在连接轴上设置凸台或者开槽安装止推垫圈对设置在轴身上的夹具进行定位。

所述的热汇换热器、热源换热器、冷藏箱、中心轴的轴承座以及驱动电机均通过机架固定。

两侧的夹具上相对开设有弹热材料固定孔，弹热材料一体式套设在两个弹热材料固定孔之间，或者在弹热材料的两侧对称开设单通孔，单通孔连接夹具上对应开设的弹热材料固定孔。

或者，弹热材料两侧可以不设置固定孔，通过两侧的夹具向弹热材料施加预紧力，利用预紧力产生的静摩擦力来固定弹热材料。

本发明齿轮对称加载结构的纯固态制冷方法包括以下步骤：

步骤一、启动时弹热材料处于预紧状态，通过驱动电机驱使传动齿轮转动，传动齿轮带动连接轴向上运动，并且两个连接轴相互远离，进而通过夹具对弹热材料施加拉应力，弹热材料受到拉应力产生形变，产生弹热效应，进而温度升高，弹热材料向上运动至与热汇换热器紧密接触。步骤二、弹热材料与热汇换热器接触后，不断向环境散热，完成散热过程后，驱动电机反向运行，驱动弹热材料离开热汇换热器；步骤三、弹热材料离开热汇换热器后，弹热材料逐步恢复到原长并向下运动，弹热效应温度降低，直到与热源换热器紧密接触；步骤四、弹热材料与热源换热器接触后，从冷藏箱吸热，完成吸热过程后，驱动电机反向运行，驱动弹热材料离开热源处换热器。

所述的弹热材料沿其外表面方向受力。

所述的驱动电机同时带动两套传动齿轮运转，两套传动齿轮存在半个周期的相位差，并分别连接一个弹热材料，弹热材料在自身弹力作用下恢复至原长时能够将弹性势能进行回收。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

现有弹热制冷系统多采用水循环系统作为传热媒介，本发明采用纯固态系统，通过固体导热的方式换热，简化了系统传热流程及结构复杂度，进而减小了换热过程中的不可逆损失。现有通过固态导热方式的弹热制冷系统多采用多台驱动机分别驱动弹热材料和配套换热设备，本发明采用只使用单台驱动机驱动的结构，结构十分简单并且很大程度上增加了产品的紧凑性。此外，减少驱动机的数量可以缩减成本。本发明使用齿轮传动在弹热材料的两侧同时施加对称载荷，相比现有单侧施加载荷，另一侧连接机架的方案，加卸载过程中受力更均匀，对弹热材料的疲劳寿命有利。由于传动方案是对称的，所以通过传动结构对弹热材料施加的外力是相同的，能够保证在整个运行过程中驱动力的加载都是对称的，从而保证设备能够长时间稳定运行。

进一步的，弹热制冷效应所需要的驱动力较大，并且材料自身厚度较薄，很容易发生应力集中的现象导致材料断裂，本发明使用的弹热材料采用单孔或者无孔结构，能够有效地减小由于材料厚度较薄，驱动力方向不能完全平行于材料方向而导致的应力集中问题。此外，通过在机架上设置定位销、开定位孔等方式，能够有效地避免由于定位精度不足导致的驱动力方向偏离预设方向。

进一步的，本发明的驱动电机同时带动两套传动齿轮运转，两套传动齿轮存在半个周期的相位差，并分别连接一个弹热材料，弹热材料在自身弹力作用下恢复至原长时能够将弹性势能进行回收，提高了系统温差性能，满足产品能够连续提供制冷能力的需求。

附图说明

图1弹热制冷循环示意图；

图2本发明制冷系统的正视示意图；

图3本发明制冷系统的俯视示意图；

图4使用钢索和滑轨的系统结构示意图；

附图中：101-驱动电机；102-弹热材料；103-传动齿轮；104-中心轴；105-连接轴；106-夹具；107-热源换热器；108-热汇换热器；109-冷藏箱；110-机架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图2和图3，本发明的纯固态制冷系统，包括：一台驱动电机101，驱动电机101周期性地驱动传动齿轮103正向或反向转动。一片对称结构的弹热材料102，弹热材料102为形状记忆合金材料，弹热材料102在外力驱动下具有弹热效应，施加外力时释放热量，去除外应力时吸收热量。弹热材料102在两侧设置连接单孔或者不设置通孔。两对共计四个传动齿轮103，两个中心轴104和两个连接轴105。传动齿轮103的圆心处和轮面上开有两个通孔，用来连接中心轴104和连接轴105。四个传动齿轮103完全相同。传动齿轮103两两啮合，相互啮合的传动齿轮103为一组，一组传动齿轮103在同一侧，并且通过穿过圆心的中心轴104与另一组传动齿轮103相连接。中心轴104和传动齿轮103通过键连接，保证同一根中心轴104上的两个传动齿轮103的运动轨迹相同。同侧传动齿轮103的轮上通孔位置关于两圆心连线的中垂线对称，并且两侧的传动齿轮103也完全对称，连接轴105穿过传动齿轮103的轮上通孔，并通过键连接约束运动。四个传动齿轮103中有一个或多个传动齿轮103受到驱动电机101的直接驱动。两套弹热材料102的夹具106，夹具106固定在连接轴105上，夹具106内嵌轴承以保证其自由转动。两套夹具106完全相同，夹具106在连接轴105上的位置距离同一侧两个传动齿轮103的距离也完全相同。一个热源换热器107和一个热汇换热器108，换热器位于弹热材料102的两侧。通过热源换热器107，弹热材料102从低温热源吸热制冷；通过热汇换热器108，弹热材料102向环境散热。一个冷藏箱109，冷藏箱109即低温热源，冷藏箱顶部开洞，用来放置热源换热器107，并设置可自由开关的箱门。一套机架110，机架用来放置上述机构，机架上有中心轴轴承座来承载并定位两个中心轴104。此外，机架110上连接驱动电机101、热汇换热器108、冷藏箱109和配套的控制器。

本发明对称加载的实现过程为：驱动电机101对传动齿轮103直接施加驱动力让传动齿轮103正向转动，通过齿轮啮合和中心轴104将驱动力传动到每个传动齿轮103上。传动齿轮103将驱动力传递到连接轴105，进而使得连接轴105上的夹具106受力，最后由夹具106带动弹热材料102运动，使驱动电机101提供的驱动力最终能传递给弹热材料102，实现加载过程。卸载过程是加载过程的逆过程，传动齿轮103反向转动，卸载过程中，弹热材料102受力也是对称的。

在加载过程中，由于连接轴105的运动轨迹与传动齿轮103相同，夹具106保证弹热材料102会同时沿着垂直于受力平面的方向向上运动，加载完成后与热汇换热器108接触，卸载过程中弹热材料102会向下移动，卸载完成后弹热材料102与热源换热器107接触。

弹热材料102的受力方向具有下述特征：在拉伸弹热材料102时，夹具106对弹热材料102施加与其外表面平行的作用力，而弹热材料102会给予夹具106反作用力，使两个夹具106的受力方向与弹热材料102外表面方向相同。只有夹具106对弹热材料102施加的力完全对称，才能保证弹热材料102受力和弹热材料102外表面方向完全相同，从而不产生其他方向的形变，防止可能产生的应力集中。机架110上通过对定位销或者开设孔槽的方式来对中心轴轴承座进行较高精度的定位。夹具106通过在连接轴105上设置凸台或者开槽设置止推垫圈的方式定位。

夹具106通过施加垂直于加载力平面方向的预紧力，利用预紧力产生的静摩擦力来固定弹热材料102。弹热材料102两侧开对称的单孔通孔，连接弹热材料102的夹具106的轴上开槽保证弹热材料102的定位。或者，将弹热材料102制作成无孔结构，两侧保留一定的位置和带有预紧螺栓的夹具106接触，通过静摩擦力来保证弹热材料102的固定。弹热材料102卸载完成后处于低温状态时，与热源换热器107接触，热源换热器107另一侧是冷藏箱109内部。弹热材料102通过热源换热器107吸收冷藏箱109内的热量，进而使冷藏箱109内的温度降低。弹热材料102加载完成后处于高温状态时，与热汇换热器108接触，热汇换热器108向环境散热。

本发明中使用的弹热材料102在外力作用下会产生弹热效应，图1描述了弹热制冷的循环的基本过程，在系统运行时，先确认弹热材料102是否预紧，即初始状态时弹热材料102是否受到对称的作用力并处于预紧状态。如果弹热材料102未预紧，则需要驱动电机101先给弹热材料102提供一定的驱动力，保证弹热材料102拉直，从而确保弹热材料102以及夹具106所受的力在一个平面内。在预紧之后，通过驱动电机101对弹热材料102施加拉应力，使其发生马氏体转变，即图1中的3到4过程，在该过程中，驱动电机101正向运行，弹热材料102向热汇换热器108运动。弹热材料102发生从0％马氏体相向100％马氏体相的转变，同时弹热材料102的温度也会达到单次循环过程的最高温度。弹热材料102达到最高温度时与热汇换热器108接触，对环境散热。图1中的4到1过程即是弹热材料102与热汇换热器108的接触散热。

在弹热材料102向环境排热的过程中，通过设置在弹热材料102上的热电偶检测弹热材料102的温度变化，来控制排热过程的进行。当弹热材料102温度降低到预设值后，排热过程结束，驱动电机101反向运动，弹热材料102离开热汇换热器108，结束排热过程。排热过程的持续时间可以通过改变图1中所预设的点1的温度来改变。散热时间越长，弹热制冷所能达到的效率越高，但是所需要的循环时间也会随之增加。排热过程结束后，驱动电机101继续反向运行，使弹热材料102复原，并进一步反向运动到与热源换热器107接触。与排热过程相对，该过程中弹热材料102会从100％马氏体相变到0％马氏体，并且温度会达到单次循环所能达到的最低温度。当弹热材料102温度降低到最低值时，弹热材料102与热源换热器107接触，并吸收冷藏箱109内的热量，从而达到制冷的目的。与排热过程相似，通过弹热材料102上的热电偶来检测弹热材料102的温度来控制吸热过程的进行，并且可以通过改变预设的点3的温度来改变换热进行的时间。

为了使冷藏箱109内的温度恒定，系统需要不断进行制冷循环过程。冷藏箱109内设置热电偶来监控箱内温度，当温度变化时，通过改变驱动电机101的运行频率及提供的驱动力来改变图1循环中各点的温度，以适应不同的工况要求。除了通过冷藏箱109温度变化来控制驱动电机101的运行频率和其提供的驱动力，还可以通过监测弹热材料102的各个循环工况点的温度来调整驱动电机101的运行工况，比如上述的通过调整图1中预设点1或点3的温度来调整循环时间。

弹热材料102的长度会略大于热源换热器107和热汇换热器108，上述设置在弹热材料102上的热电偶就设置在长于换热器的部分，从而防止热电偶阻碍换热器和弹热材料102的接触换热。

图2和图3中没有完整描述的机架110可以是任意结构的，只需要通过销和螺栓连接，定位孔等方式严格保证图2和图3中各部件的定位即可。系统实际运行中，除了使用图2和图3中的转动驱动电机，还可以将驱动电机101更换为直线电机。驱动电机101的伸出轴通过连接齿条来传递直线电机的驱动力。除了使用齿轮结构的对称加载系统，本发明的对称加载方案也包括图4所示的通过钢索和滑轨对弹热材料102进行加载的系统。参见图4，通过驱动电机101拉动钢索运动，弹热材料102受力拉伸，在导轨的约束下弹热材料102只能沿着垂直于受力的方向运动，并最终与热汇换热器108接触散热。撤去驱动力后，通过弹热材料102自身的弹力和各部件的重力，使弹热材料102反向运动，并最终与热源换热器107接触吸热。图4所述方案中，弹热材料102所受拉力与材料呈一定的角度，为了防止弹热材料102厚度过薄和拉力过大导致的应力集中问题，可以给弹热材料102外加金属保护架或者支撑条来约束弹热材料102向其他方向的运动。

Claims (9)

1.一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统，其特征在于：包括两对相互啮合的传动齿轮(103)，四个传动齿轮(103)完全相同并且对称布置，同一侧的两个传动齿轮(103)之间通过沿轴心连接的中心轴(104)保持同步转动；传动齿轮(103)的齿轮面上开孔并在同一侧的两个传动齿轮(103)之间安装连接轴(105)，两根连接轴(105)之间通过夹具(106)连接弹热材料(102)；所述的传动齿轮(103)通过驱动电机(101)进行驱动，弹热材料(102)在两侧传动齿轮(103)的带动下能够同时对称伸张收缩以及上下活动，弹热材料(102)的上下两侧分别设置有热汇换热器(108)和热源换热器(107)，弹热材料(102)在伸张状态下与热汇换热器(108)紧密接触散热，弹热材料(102)在收缩状态下与热源换热器(107)紧密接触吸热，热源换热器(107)连接冷藏箱(109)。

2.根据权利要求1所述的纯固态制冷系统，其特征在于：所述的中心轴(104)与传动齿轮(103)之间采用键连接，夹具(106)通过内嵌的轴承安装在连接轴(105)上。

3.根据权利要求1或2所述的纯固态制冷系统，其特征在于：通过在连接轴(105)上设置凸台或者开槽安装止推垫圈对设置在轴身上的夹具(106)进行定位。

4.根据权利要求1所述的纯固态制冷系统，其特征在于：所述的热汇换热器(108)、热源换热器(107)、冷藏箱(109)、中心轴(104)的轴承座以及驱动电机(101)均通过机架(110)固定。

5.根据权利要求1所述的纯固态制冷系统，其特征在于：两侧的夹具(106)上相对开设有弹热材料固定孔，弹热材料(102)一体式套设在两个弹热材料固定孔之间，或者在弹热材料(102)的两侧对称开设单通孔，单通孔连接夹具(106)上对应开设的弹热材料固定孔。

6.根据权利要求1所述的纯固态制冷系统，其特征在于：弹热材料(102)的两侧不开孔，通过夹具(106)向弹热材料(102)施加预紧力，利用预紧力产生的静摩擦力来固定弹热材料(102)。

7.一种基于权利要求1所述齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统的制冷方法，其特征在于：

步骤一、启动时弹热材料(102)处于预紧状态，通过驱动电机(101)驱使传动齿轮(103)转动，传动齿轮(103)带动连接轴(105)向上运动，并且两个连接轴(105)相互远离，进而通过夹具(106)对弹热材料(102)施加拉应力，弹热材料(102)受到拉应力产生形变，产生弹热效应，进而温度升高，弹热材料(102)向上运动至与热汇换热器(108)紧密接触；

步骤二、弹热材料(102)与热汇换热器(108)接触后，不断向环境散热，完成散热过程后，驱动电机(101)反向运行，驱动弹热材料(102)离开热汇换热器(108)；

步骤三、弹热材料(102)离开热汇换热器(108)后，弹热材料(102)逐步恢复到原长并向下运动，弹热效应温度降低，直到与热源换热器(107)紧密接触；

步骤四、弹热材料(102)与热源换热器(107)接触后，从冷藏箱(109)吸热，完成吸热过程后，驱动电机(101)反向运行，驱动弹热材料(102)离开热源处换热器(107)。

8.根据权利要求7所述的制冷方法，其特征在于：弹热材料(102)沿其外表面方向受力。

9.根据权利要求7所述的制冷方法，其特征在于：所述的驱动电机(101)同时带动两套传动齿轮(103)运转，两套传动齿轮(103)存在半个周期的相位差，并分别连接一个弹热材料(102)，弹热材料(102)在自身弹力作用下恢复至原长时能够将弹性势能进行回收。