CN109556319B - 一种在轨无源弹热制冷系统方法和制冷装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于制冷机，制冷设备或系统技术领域，公开了一种在轨无源弹热制冷系统方法和制冷装置，包括：第一形状记忆SMA、第一超弹性SMA、第二超弹性SMA、第二形状记忆SMA、第一滑动轴承、第二滑动轴承、热汇、热源、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、外壳；外壳内部放置有第一形状记忆SMA、第一超弹性SMA、第二超弹性SMA、第二形状记忆SMA，第一超弹性SMA、第二超弹性SMA的两侧为第一滑动轴承、第二滑动轴承；热汇通过第三阀门、第四阀门与第二超弹性SMA联通；热源通过第一阀门、第二阀门与第一超弹性SMA联通。

Description

一种在轨无源弹热制冷系统方法和制冷装置
技术领域
本发明属于制冷机，制冷设备或系统技术领域，尤其涉及一种在轨无源弹热制冷系统方法和制冷装置。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
现阶段，运用于航天器上的低温制冷设备主要有以下几种：其一，辐射制冷器；其二，固体制冷器；其三，超流氦杜瓦；其四，机械制冷机；其五，吸附式制冷机；其六，He-4He稀释制冷机；其七，绝热去磁制冷机。
1、辐射制冷器。利用宇宙的冷黑背景，去实现被动降温的制冷装置，为无源输入的制冷器。辐射制冷器是在1996年由美国研制出的一种制冷装置，经过长时间对该装置的改进和完善，其已经可以应用于各类不同轨道中，如抛物面G型、V型、W型、L型、圆锥形、方锥型等，且该装置的制冷量可以从几毫瓦达到百毫瓦级，制冷温度可以实现从200K降至80K。辐射制冷器的最大优点就是功耗小、无噪声干扰、可靠性高、寿命长、无运动部件，对于空间红外遥感有着很好的适应性。但是其也具有一定的不足，具体表现为体积大、制冷量小，不能有阻挡物，且对安装位置、飞行姿态及航天器轨道有严格的要求，地面试验难以开展，故其应用范围有一定的局限性。
2、固体制冷器。固体制冷剂的升华作用，产生冷源，已达到比较好的制冷效果。其主要优势在于不需要额外消耗航天器的能源，没有振动反应，结构简单，不会受到轨道的局限。当然，其也存在部分缺陷和不足：固体制冷器的工作寿命取决于制冷剂的数量，有着较大的局限性，并且在运作的过程中，会因为自身质量变化出现卫星质心变化，使得航天器处于不易控制的状态，使得其应用前景受到局限。
3、超流氦制冷器。利用超流氦的热机效应，以探测器为对象，实现低温冷却的系统，其冷源来自于液态到气态的相变潜热。其优势在于：能够富于与多种探测系统，运行时间长，能够经受住恶劣的发射力学环境考验，在航天器姿态控制方面能够发挥积极作用；其不足在于蒸发速率较快，导致寿命低。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有航天器的低温制冷设备存在结构复杂，可靠性低，寿命短，制冷率低，体积大、重量大的问题。
解决上述技术问题的难度和意义：
传统的空间在轨制冷技术已不足以满足未来空间装备制冷系统的设计需求，成为制约其设计的瓶颈问题，亟需针对其特点研究基于新思路的高可靠性、长寿命的高效制冷系统设计的理论与方法，解决其中的关键科学与技术问题，满足国防建设和社会发展的重大需求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种在轨无源弹热制冷系统方法和制冷装置。
本发明是这样实现的，一种在轨无源弹热制冷系统，所述在轨无源弹热制冷系统包括：
形状记忆效应模块，用于产生初始预形变；
超弹性模块，用于产生制冷作用；
初始发热模块，用于实现热源初始发热；
形变模块，用于实现形状记忆效应发生形变和马氏体相变；
冷却模块，用于实现高温流体制冷。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述在轨无源弹热制冷系统的空调控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种搭载所述在轨无源弹热制冷系统的汽车空调控制系统。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述在轨无源弹热制冷系统的在轨无源弹热制冷方法，所述在轨无源弹热制冷方法包括以下步骤：
步骤一，预加一定的初始张力，由此第一形状记忆SMA和第二超弹性SMA产生初始预变形；
步骤二，当热源初始发热，热源端流体经过第一阀门，流经第一形状记忆SMA和第一超弹性SMA；温度达到第一形状记忆SMA的奥氏体开始温度，初始张力解锁；
步骤三，第一形状记忆SMA由于形状记忆效应发生形变，产生拉伸力，与第二超弹性SMA的收缩力，共同致第二形状记忆SMA和第一超弹性SMA发生马氏体相变，第一超弹性SMA放热，产生的高温流体经第四阀门至热汇冷却；
步骤四，第二超弹性SMA吸热，产生制冷作用，为热源降温；第一形状记忆SMA和第二形状记忆SMA在循环过程中，产生的吸放热相互抵消。
步骤五，后半个周期，第二形状记忆SMA加载拉伸力，同时卸载第一超弹性SMA的收缩力，热源中流体沿虚线管路流动，第二超弹性SMA放热，第一超弹性SMA吸热制冷。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述在轨无源弹热制冷系统的在轨无源弹热制冷装置，所述在轨无源弹热制冷装置包括：第一形状记忆SMA、第一超弹性SMA、第二超弹性SMA、第二形状记忆SMA、第一滑动轴承、第二滑动轴承、热汇、热源、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、外壳；
外壳内部放置有第一形状记忆SMA、第一超弹性SMA、第二超弹性SMA、第二形状记忆SMA，第一超弹性SMA、第二超弹性SMA的两侧为第一滑动轴承、第二滑动轴承；
热汇通过第三阀门、第四阀门与第二超弹性SMA联通；
热源通过第一阀门、第二阀门与第一超弹性SMA联通。
本发明的另一目的在于提供一种所述在轨无源弹热制冷装置的使用方法，所述在轨无源弹热制冷装置的使用方法。制冷前，为制冷系统预加一定的初始张力F0，由此第一形状记忆SMA和第二超弹性SMA产生初始预变形ΔLM与ΔLL；当热源初始发热，热源端流体经过第一阀门，流经第一形状记忆SMA和第一超弹性SMA；温度达到第一形状记忆SMA的奥氏体开始温度，初始张力F0解锁；第一形状记忆SMA由于形状记忆效应发生形变，产生拉伸力F#1，与第二超弹性SMA的收缩力F#4，共同致第一超弹性SMA和第二形状记忆SMA发生马氏体相变，第一超弹性SMA放热，产生的高温流体经第四阀门至热汇冷却；第二超弹性SMA吸热，产生制冷作用，为热源降温；第一形状记忆SMA和第二形状记忆SMA在循环过程中，产生的吸放热相互抵消。后半个周期第二形状记忆SMA加载F#2，同时卸载第一超弹性SMA的F#3，流体沿虚线管路流动。该过程中第二超弹性SMA制热，第一超弹性SMA吸热制冷。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明采用无源输入，利用形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性原理实现制冷功能，达到降温的目的。此制冷装置，优点在于结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、制冷率高以及寿命长。
表1不同类型制冷机优缺点对比
Figure BDA0001837121040000041
附图说明
图1是本发明实施例提供的在轨无源弹热制冷系统结构示意图；
图中：1、形状记忆效应模块；2、超弹性模块；3、初始发热模块；4、形变模块；5、冷却模块。
图2是本发明实施例提供的在轨无源弹热制冷方法流程图。
图3是本发明实施例提供的在轨无源弹热制冷装置结构示意图；
图中：6、第一形状记忆SMA；7、第一超弹性SMA；8、第二超弹性SMA；9、第二形状记忆SMA；10、第一滑动轴承；11、第二滑动轴承；12、热汇；13、热源；14、第一阀门；15、第二阀门；16、第三阀门；17、第四阀门；18、外壳。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的在轨无源弹热制冷系统包括：形状记忆效应模块1、超弹性模块2、初始发热模块3、形变模块4、冷却模块5。
形状记忆效应模块1，用于产生初始预形变；
超弹性模块2，用于产生制冷作用；
初始发热模块3，用于实现热源初始发热；
形变模块4，用于实现形状记忆效应发生形变和马氏体相变；
冷却模块5，用于实现高温流体制冷。
如图2所示，本发明实施例提供的在轨无源弹热制冷方法包括以下步骤：
S201：预加一定的初始张力，由此第一形状记忆SMA和第二超弹性SMA产生初始预变形；
S202：当热源初始发热，热源端流体经过第一阀门，流经第一形状记忆SMA和第一超弹性SMA；温度达到第一形状记忆SMA的奥氏体开始温度，初始张力解锁；
S203：第一形状记忆SMA由于形状记忆效应发生形变，产生拉伸力，与第二超弹性SMA的收缩力，共同致第二形状记忆SMA和第一超弹性SMA发生马氏体相变，第一超弹性SMA放热，产生的高温流体经第四阀门至热汇冷却；
S204：第二形状记忆SMA吸热，产生制冷作用，为热源降温；第一形状记忆SMA和第二形状记忆SMA在循环过程中，产生的吸放热相互抵消。
S205：后半个周期，第二形状记忆SMA加载拉伸力，同时卸载第一超弹性SMA的收缩力，热源中流体沿虚线管路流动，第二超弹性SMA放热，第一超弹性SMA吸热制冷。
如图3所示，本发明实施例提供的在轨无源弹热制冷装置包括：第一形状记忆SMA(形状记忆合金Shape MemoryAlloys)6、第一超弹性SMA 7、第二超弹性SMA 8、第二形状记忆SMA 9、第一滑动轴承10、第二滑动轴承11、热汇12、热源13、第一阀门14、第二阀门15、第三阀门16、第四阀门17、外壳18。
外壳18内部放置有第一形状记忆SMA 6、第一超弹性SMA 7、第二超弹性SMA 8、第二形状记忆SMA 9，第一超弹性SMA 7、第二超弹性SMA 8的两侧为第一滑动轴承10、第二滑动轴承11，热汇12通过第三阀门16、第四阀门17与第二超弹性SMA 8联通，热源13通过第一阀门14、第二阀门15与第一超弹性SMA 7联通。
本发明实施例提供的在轨无源弹热制冷装置由形状记忆效应SMA、超弹性SMA、热源、热汇、阀门、流管以及滑动轴承等组成。制冷前，为制冷系统预加一定的初始张力F0，由此第一形状记忆SMA 6和第二超弹性SMA 8产生初始预变形ΔLM与ΔLL。当热源13初始发热，热源端流体经过第一阀门14，流经第一形状记忆SMA 6和第一超弹性SMA 7；温度达到第一形状记忆SMA 6的奥氏体开始温度，初始张力F0解锁。第一形状记忆SMA 6由于形状记忆效应发生形变，产生拉伸力F#1，与第二超弹性SMA 8的收缩力F#4，共同致第一超弹性SMA 7和第二形状记忆SMA 9发生马氏体相变，第一超弹性SMA 7放热，产生的高温流体经第四阀门17至热汇12冷却。此时，第二超弹性SMA 8吸热，产生制冷作用，为热源降温。第一形状记忆SMA 6和第二形状记忆SMA 9在循环过程中，产生的吸放热相互抵消，因此认为对整个制冷过程无影响。后半个周期第二形状记忆SMA 9加载F#2，同时卸载第一超弹性SMA7，流体沿虚线管路流动。该过程中第二超弹性SMA 8制热，第一超弹性SMA 7吸热制冷。
表1不同类型制冷机优缺点对比
Figure BDA0001837121040000071
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种在轨无源弹热制冷系统，其特征在于，所述在轨无源弹热制冷系统包括：
形状记忆效应模块，用于产生初始预形变；
超弹性模块，用于产生制冷作用；
初始发热模块，用于实现热源初始发热；
形变模块，用于实现形状记忆效应发生形变和马氏体相变；
冷却模块，用于实现高温流体制冷；
所述在轨无源弹热制冷系统的在轨无源弹热制冷方法包括以下步骤：
步骤一，预加一定的初始张力，由此第一形状记忆SMA和第二超弹性SMA产生初始预变形；
步骤二，当热源初始发热，热源端流体经过第一阀门，流经第一形状记忆SMA 和第一超弹性SMA；温度达到第一形状记忆SMA 的奥氏体开始温度，初始张力解锁；
步骤三，第一形状记忆SMA由于形状记忆效应发生形变，产生拉伸力，与第二超弹性SMA的收缩力，共同致第二形状记忆SMA和第一超弹性SMA发生马氏体相变，第一超弹性SMA放热，产生的高温流体经第四阀门至热汇冷却；
步骤四，第二超弹性SMA 吸热，产生制冷作用，为热源降温；第一形状记忆SMA和第二形状记忆SMA在循环过程中，产生的吸放热相互抵消；
步骤五，后半个周期，第二形状记忆SMA加载拉伸力，同时卸载第一超弹性SMA的收缩力，热源中流体沿虚线管路流动，第二超弹性SMA放热，第一超弹性SMA吸热制冷。
2.一种搭载权利要求1所述在轨无源弹热制冷系统的空调控制系统。
3.一种搭载权利要求1所述在轨无源弹热制冷系统的汽车空调控制系统。
4.一种实现权利要求1所述在轨无源弹热制冷系统的在轨无源弹热制冷装置，其特征在于，所述在轨无源弹热制冷装置包括：第一形状记忆SMA、第一超弹性SMA 、第二超弹性SMA 、第二形状记忆SMA 、第一滑动轴承、第二滑动轴承、热汇、热源、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、外壳；
外壳内部放置有第一形状记忆SMA 、第一超弹性SMA 、第二超弹性SMA 、第二形状记忆SMA ，第一超弹性SMA 、第二超弹性SMA 的两侧为第一滑动轴承、第二滑动轴承；
热汇通过第三阀门、第四阀门与第二超弹性SMA 联通；
热源通过第一阀门、第二阀门与第一超弹性SMA 联通。
5.一种如权利要求4所述在轨无源弹热制冷装置的使用方法，其特征在于，所述在轨无源弹热制冷装置的使用方法包括：制冷前，为制冷系统预加一定的初始张力F0，由此第一形状记忆SMA 和第二超弹性SMA 产生初始预变形 与 ；当热源初始发热，热源端流体经过第一阀门，流经第一形状记忆SMA 和第一超弹性SMA ；温度达到第一形状记忆SMA 的奥氏体开始温度，初始张力F0解锁；第一形状记忆SMA 由于形状记忆效应发生形变，产生拉伸力F#1，与第二超弹性SMA 的收缩力F#4，共同致第一超弹性SMA 和第二形状记忆SMA 发生马氏体相变，第一超弹性SMA 放热，产生的高温流体经第四阀门至热汇冷却；第二超弹性SMA 吸热，产生制冷作用，为热源降温；第一形状记忆SMA 和第二形状记忆SMA 在循环过程中，产生的吸放热相互抵消；后半个周期第二形状记忆SMA加载F#2，同时卸载第一超弹性SMA的F#3，流体沿虚线管路流动；该过程中第二超弹性SMA制热，第一超弹性SMA吸热制冷。
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