CN111854222B - 一种弹热制冷系统及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

一种弹热制冷系统及其制冷方法，制冷系统包括机架以及倾斜安装在机架上的电机，电机的输出轴通过联轴器和丝杆的一端相连，丝杆的另一端安装限位器，丝杆上安装螺纹配合的丝杆滑块；机架的内部水平设置有形状记忆合金，形状记忆合金的一端与丝杆滑块连接，另一端与设置在滑轨上的滑轨滑块连接，滑轨竖直安装在机架上；电机驱动丝杆旋转时，形状记忆合金在丝杆滑块以及滑轨滑块的带动下同时产生水平和竖直方向运动；形状记忆合金的上下两侧分别设置热端散热器和冷端散热器，形状记忆合金在拉伸状态下与热端散热器接触，收缩状态下与冷端散热器接触，冷端散热器冷却冷藏发泡箱体内的储物。本发明简化了装置结构，制冷过程稳定可靠。

Description

一种弹热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，具体涉及一种弹热制冷系统及其制冷方法。

背景技术

随着制冷技术在过去几十年里的进步与发展，很大一部分的能源消耗来自于制冷设备的消耗，其中蒸气压缩式制冷技术已经广泛应用于冰箱、空调、冷链运输等方面，蒸气压缩式制冷已经可以达到相对可观的卡诺循环效率，但其所采用的制冷剂会对环境产生诸多负面效应。蒸气压缩式制冷使用的氟氯烃、氟代烃类制冷剂对臭氧层的破坏作用明显，氢氯烃类制冷剂不会对臭氧层产生破坏作用，但其温室气体效应仍然十分严重，因此目前全球都在开展着新型制冷技术的研究，这其中，基于固态制冷技术的弹热制冷被认为是最有希望替代传统气体压缩制冷的新型制冷技术。弹热制冷是指形状记忆合金在受到外界机械应力的拉伸或压缩条件下，发生马氏体相变，从而使得形状记忆合金的潜热得以吸收和释放，这一概念最早由英国科学家在2004年提出。弹热制冷利用固态形状记忆合金制冷剂在受到驱动应力的加载下发生相变过程所释放和吸收的热量来产生制冷效应，具有环境友好、节能高效的特点。

现阶段弹热制冷技术还面临着许多问题和挑战，这其中主要包括了材料相变需要提供较大的驱动应力、材料大应力-小位移产生的和驱动电机匹配性问题以及弹热制冷目前所能达到的系统温差还有待提高。由于材料的热量需要通过固体直接接触或者利用传热流体的方式吸收和释放，因此传热过程必然伴随着损耗，这就需要通过合理设计系统循环流程以及提高材料导热率等方面来达到传热强化的过程；为了解决材料所需的大驱动应力的问题，则需要通过优化设计高效、紧凑的驱动装置等方式来克服这一难题；此外除了通过电机驱动的方式，还可以采用气动缸、液压缸、螺旋千斤顶、压电装置或曲轴装置来提供驱动力，但是不论采用哪种驱动方法，都应该满足大应力、小位移的特性。总而言之，目前关于弹热制冷技术的具体运用，在材料、部件和设计系统等方面还有着较大的提升空间。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中电机驱动弹热制冷系统结构复杂且效率不高的问题，提供一种弹热制冷系统及其制冷方法，通过单台电机带动形状记忆合金材料同时完成拉伸收缩以及和上下两侧换热器接触的过程，简化了装置结构，制冷过程稳定可靠。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种弹热制冷系统，包括机架以及倾斜安装在机架上的电机，电机的输出轴通过联轴器和丝杆的一端相连，丝杆的另一端安装限位器，丝杆上安装螺纹配合的丝杆滑块；机架的内部水平设置有形状记忆合金，形状记忆合金的一端与丝杆滑块连接，另一端与设置在滑轨上的滑轨滑块连接，所述的滑轨竖直安装在机架上；电机驱动丝杆旋转时，形状记忆合金在丝杆滑块以及滑轨滑块的带动下同时产生水平和竖直方向运动；形状记忆合金的上下两侧分别设置热端散热器和冷端散热器，所述的形状记忆合金在拉伸状态下与热端散热器接触，收缩状态下与冷端散热器接触，热端散热器通过散热风机向环境放热，冷端散热器冷却冷藏发泡箱体内的储物。

作为优选，所述的丝杆滑块通过第一夹具与形状记忆合金的一端连接，滑轨滑块通过第二夹具与形状记忆合金的另一端连接，第一夹具与第二夹具通过一组线性轴承连接，使得两个夹具在竖直方向运动时能够始终保持在同一水平线上。

作为优选，所述机架提供用于倾斜安装电机的斜面，热端散热器和冷藏发泡箱体安装在机架上，冷端散热器与冷藏发泡箱体连接，散热风机与热端散热器连接。

作为优选，所述的联轴器通过销钉与电机的输出轴连接，销钉用于限制联轴器沿输出轴的轴线方向发生位移。

作为优选，所述形状记忆合金的形状包括丝状、波纹板状以及平板状。

本发明还提供一种基于所述弹热制冷系统的制冷方法，包括以下步骤：

步骤一、电机驱动丝杆旋转，丝杆的旋转带动丝杆滑块向斜上方运动，丝杆滑块提供拉伸力使形状记忆合金发生形变，滑轨滑块在形状记忆合金的带动下向上方运动，丝杆滑块与滑轨滑块平行向上运动的同时，两者之间相互远离，从而施加给形状记忆合金水平方向上的拉伸应力，形状记忆合金受到拉应力相变的过程释放潜热，温度升高，形状记忆合金向上运动直至与热端散热器紧密接触，热量通过散热风机释放到环境中；

步骤二、形状记忆合金在完成散热过程后，电机反向旋转，丝杆滑块和滑轨滑块带动形状记忆合金离开热端散热器，长度恢复并向下方运动，拉应力的降低使形状记忆合金发生逆向相变，温度不断降低，直到和冷端散热器紧密接触，之后从冷藏发泡箱体中吸收热量，冷却箱内物体。

所述的电机带动形状记忆合金形变时，形状记忆合金一端的拉伸力通过丝杆滑块由电机提供，形状记忆合金另一端的拉伸力通过滑轨滑块由机架的反作用力提供。

所述的电机提供的沿丝杆方向的力能够分解为沿水平方向的分力和竖直方向的分力，其中，水平方向的分力用于拉伸形状记忆合金，竖直方向的分力用于使形状记忆合金能够周期性地与热端散热器和冷端散热器接触换热。

相较于现有技术，本发明弹热制冷系统具有如下的有益效果：在电机驱动弹热制冷系统的基础上，采用倾斜安装小型电机配合丝杆滑块和滑轨滑块，通过单台电机带动形状记忆合金材料同时完成拉伸收缩以及和上下两侧换热器接触的过程，进而利用固体接触传热的方式，使得形状记忆合金材料在拉伸状态下达到高温并和上端的热端换热器接触排热，在收缩状态下达到低温并和下端的冷端换热器接触吸热。系统中采用了纯固态直接接触换热的方式，没有采用换热流体作为传热媒介，能够简化系统流程和布局复杂程度，制冷过程稳定可靠。

相较于现有技术，本发明弹热制冷系统的制冷方法具有如下的有益效果：利用单台电机驱动即能够起到将形状记忆合金拉压和上下移动的作用，这样大大简化了装置的布局，使得装置更加的紧凑，此外驱动装置减少也可以起到缩减成本的作用。本发明采用了纯固态组件通过固体直接接触的方式换热，将形状记忆合金的热量传递给热端散热器以及从冷端散热器吸收热量，由于无需采用换热流体作为传热媒介，控制过程较为简洁并且可靠。

附图说明

图1本发明制冷系统的整体结构示意图；

图2本发明制冷系统中形状记忆合金处于加载状态下和热端散热器接触的示意图；

图3本发明制冷系统中形状记忆合金处于卸载状态下和冷端散热器接触的示意图；

图4加载丝状形状记忆合金的本发明制冷系统俯视示意图；

图5加载平板状形状记忆合金的本发明制冷系统俯视示意图；

图6本发明制冷系统对应的循环应力-温度示意图；

附图中：101-电机；102-联轴器；103-丝杆；104-限位器；105-丝杆滑块；106-第一夹具；107-滑轨滑块；108-滑轨；109-机架；110-第二夹具；111-形状记忆合金；112-冷端散热器；113-热端散热器；114-散热风机；115-冷藏发泡箱体。

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1，本发明弹热制冷系统包括一台电机101，电机101以一定的角度倾斜固定安装在机架109上，电机101的输出轴周期性地正向和反向转动。电机101的输出轴通过联轴器102和丝杆103连接，联轴器102的一端利用销钉连接电机101的输出轴，销钉的作用是限制了联轴器101和电机101的输出轴之间的沿着输出轴轴线方向的相对位移。联轴器101的另一端和丝杆103通过若干螺栓连接，利用螺栓的预紧力产生的静摩擦力来固定丝杆103和联轴器102。丝杆103上旋入丝杆滑块105，丝杆滑块105在丝杆103旋转时产生水平和竖直方向的平动位移。丝杆103的端部旋入限位器104，限位器104的作用是防止丝杆滑块105在丝杆103移动时超出丝杆103的螺纹范围而滑出。形状记忆合金111通过第一夹具106和第二夹具110连接，第一夹具106在丝杆滑块105的带动下沿丝杆方向运动，电机101的提供的驱动力通过形状记忆合金111传递到另一侧的第二夹具110上，第二夹具110利用螺栓固定在滑轨滑块107上，滑轨滑块107在滑轨108上纵向运动，滑轨108利用螺栓固定在机架109上。形状记忆合金111在第二夹具110和第一夹具106的带动下产生水平运动以及纵向的位移，水平方向的拉伸、收缩将在形状记忆合金111内产生周期性变化的应力，驱动形状记忆合金产生周期性的形变，进而释放或吸收热量。第一夹具106提供给形状记忆合金111的驱动力通过电机直接提供，第二夹具110提供给形状记忆合金111的驱动力来自于机架108提供的反作用力。形状记忆合金111在受应力驱动相变并释放潜热时和上端的热端换热器113接触并向热端换热器113散热，形状记忆合金111在受到应力卸载时和下端的冷端散热器115接触并从冷端换热器115吸热。热端散热器113通过若干螺栓固定在机架109上，在热端散热器113的上端连接散热风机114，散热风机114的作用为加快热端散热器113和空气的对流换热，进一步提高形状记忆合金111在拉伸状态下和热端散热器113的换热效率；冷端散热器112固定在冷藏发泡箱体115上，冷藏发泡箱体115通过螺栓固定在机架109上。

本发明弹热制冷系统的加载过程为：电机101的输出轴通过联轴器102旋转带动丝杆103旋转，丝杆103旋转带动丝杆滑块105沿着丝杆方向朝向斜上方运动，第一夹具106通过螺栓固定在丝杆滑块105上，第一夹具106随着丝杆滑块105一同沿着丝杆方向斜上方运动。第一夹具106直接提供给形状记忆合金111向外的拉伸应力，在第一夹具106的带动下，驱动力传递到形状记忆合金111的另一侧，机架提供给第二夹具110反作用力，该反作用力作为驱动力施加给形状记忆合金111的另一侧，形状记忆合金111在电机101直接提供的驱动力以及机架109提供的反作用力驱动下，产生拉伸形变，随着材料的拉伸形变达到一定程度，形状记忆合金发生相变、温度升高，形状记忆合金111也在第一夹具106和第二夹具110的带动下向上移动到和上方热端散热器113接触，如图2所示，此时形状记忆合金111将热量传递给热端散热器113，热端散热器113向环境散热。卸载过程是加载过程的逆过程，电机101反向旋转，带动第一夹具106沿丝杆向斜下方运动，第一夹具110沿滑轨108向下运动，形状记忆合金111在第一夹具106和第二夹具110的带动下，不断向下运动并和冷端散热器112接触，如图3所示，此时形状记忆合金111所受到的驱动应力卸载，形状记忆合金111温度降低，并从冷端散热器112中吸收热量，进而冷却冷藏发泡箱体115内的储物。

在形状记忆合金111的加载过程和卸载过程中，倾斜安装的电机101起到了拉伸收缩形状记忆合金111和上下移动形状记忆合金111的作用，电机101提供的驱动力可以分解为水平方向的力和竖直方向的力，形状记忆合金所受到的加载和卸载应力平行于形状记忆合金外表面，形状记忆合金111的一端受到的力来自于电机101作用在第一夹具106上的驱动力，形状记忆合金111的另一端受到的力来自于机架109提供给第二夹具110的作用力，当第一夹具106和第二夹具110施加给形状记忆合金111驱动力时，形状记忆合金111也会给予第一夹具106和第二夹具110反作用力，使第一夹具106和第二夹具110的受力方向和形状记忆合金111的外表面相同，电机竖直方向的力用于带动第一夹具106和第二夹具110平行上下移动。第一夹具106和第二夹具110施加给形状记忆合金111的力应该完全对称，这样才能保证形状记忆合金111受力沿形状记忆合金外表面的方向，防止形状记忆合金111产生其他方向上的形变，也能防止形状记忆合金111发生应力集中。为了保证形状记忆合金111所收到的拉伸力沿水平方向，可以将第一夹具106和第二夹具110通过一组线性轴承连接，以此来保证两个夹具在竖直方向运动时能始终保持在同一水平线上。

图4是加载丝状形状记忆合金的制冷系统俯视示意图，通过将几个螺栓固定在第一夹具106和第二夹具110上，丝状的形状记忆合金111缠绕在第一夹具106和第二夹具110的螺栓上，利用夹具上的螺栓提供给丝状形状记忆合金111的预紧力产生的静摩擦力来固定形状记忆合金111。或者采用板状的形状记忆合金，如图5加载板状形状记忆合金的制冷系统俯视示意图所示，可以在板状的形状记忆合金111两侧开孔，在第一夹具106和第二夹具110上开槽来对板状的形状记忆合金111定位固定。除了采用丝状、平板状的形状记忆合金111，也可以采用波纹板状的形状记忆合金111。

本发明使用的形状记忆合金111在外力的作用下会产生弹热效应，图6描述了弹热制冷循环过程中的应力-温度示意图，形状记忆合金111在实际运行拉伸前，应该先确认形状记忆合金材料111是否处于预紧状态，即在电机驱动拉伸前形状记忆合金111是否受到第一夹具106和第二夹具110的对称作用力并处于预紧状态，如果形状记忆合金111并未处于预紧状态，则可以启动电机进行一小段位移，利用电机101提供的初段驱动力作为预紧力，保证形状记忆合金111处于水平拉直状态，从而保证形状记忆合金111和第一夹具106以及第二夹具110所受的力在一个水平面上，并以此为电机101位移的起点。在形状记忆合金111预紧后，通过电机101对形状记忆合金111施加拉伸应力，使形状记忆合金材料发生等温下的应力升高现象，对应图6中序号1到2的过程；之后，形状记忆合金111开始发生奥氏体向马氏体的相变，即图6中序号2到3的过程，形状记忆合金111继续被拉伸，形状记忆合金111在相变的同时，在第一夹具106和第二夹具110的带动下向热端散热器113移动，形状记忆合金从图6序号1到3的过程中，电机101均为正向转动，当形状记忆合金111的状态位于图6中的序号3点时，形状记忆合金111达到循环的最高温度，此时电机101停止转动，形状记忆合金111和热端散热器113接触，位置如图2所示，形状记忆合金111通过热端散热器113向环境散热，对应图6中序号3到4的过程。当散热过程结束时，电机101开始反向转动，形状记忆合金111在第一夹具106和第二夹具110的带动下，开始产生收缩形变，对应图6中序号4到5的过程，该过程温度不变，形状记忆合金111的所受的应力降低，当形状记忆合金111的应力降低到临界值时，形状记忆合金开始发生由马氏体相向奥氏体相的转变，即图6中序号5到6的过程，形状记忆合金111发生收缩相变的过程即为图6中序号4到6的过程，该过程形状记忆合金逐渐向冷端散热器112不断靠近，当形状记忆合金111完全转变回奥氏体相，形状记忆合金111处于循环的温度最低值，对应图6中的序号6点，此时形状记忆合金111和冷端散热器112紧密接触，位置如图3所示，形状记忆合金111开始从冷端散热器吸收热量，对应图6中序号6到1的吸热制冷过程，从而达到冷却负载的目的。

本发明利用了单台电机驱动的方式，实现了形状记忆合金的对称拉伸收缩过程，通过固体直接接触换热，没有采用换热流体作为传热媒介，系统运行稳定，装置简洁可靠。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种弹热制冷系统，其特征在于：包括机架(109)以及倾斜安装在机架(109)上的电机(101)，电机(101)的输出轴通过联轴器(102)和丝杆(103)的一端相连，丝杆(103)的另一端安装限位器(104)，丝杆(103)上安装螺纹配合的丝杆滑块(105)；机架(109)的内部水平设置有形状记忆合金(111)，形状记忆合金(111)的一端与丝杆滑块(105)连接，另一端与设置在滑轨(108)上的滑轨滑块(107)连接，所述的滑轨(108)竖直安装在机架(109)上；电机(101)的输出轴通过联轴器(102)旋转带动丝杆(103)旋转，丝杆(103)旋转带动丝杆滑块(105)沿着丝杆(103)方向朝向斜上方运动，电机(101)驱动丝杆(103)旋转时，形状记忆合金(111)在丝杆滑块(105)以及滑轨滑块(107)的带动下同时产生水平和竖直方向运动；形状记忆合金(111)的上下两侧分别设置热端散热器(113)和冷端散热器(112)，所述的形状记忆合金(111)在拉伸状态下与热端散热器(113)接触，收缩状态下与冷端散热器(112)接触，热端散热器(113)通过散热风机(114)向环境放热，冷端散热器(112)冷却冷藏发泡箱体(115)内的储物；所述的丝杆滑块(105)通过第一夹具(106)与形状记忆合金(111)的一端连接，滑轨滑块(107)通过第二夹具(110)与形状记忆合金(111)的另一端连接，第一夹具(106)与第二夹具(110)通过一组线性轴承连接，使得两个夹具在竖直方向运动时能够始终保持在同一水平线上。

2.根据权利要求1所述的弹热制冷系统，其特征在于：机架(109)提供用于倾斜安装电机(101)的斜面，热端散热器(113)和冷藏发泡箱体(115)安装在机架(109)上，冷端散热器(112)与冷藏发泡箱体(115)连接，散热风机(114)与热端散热器(113)连接。

3.根据权利要求1所述的弹热制冷系统，其特征在于：所述的联轴器(102)通过销钉与电机(101)的输出轴连接，销钉用于限制联轴器(101)沿输出轴的轴线方向发生位移。

4.根据权利要求1所述的弹热制冷系统，其特征在于：

所述形状记忆合金(111)的形状包括丝状、波纹板状以及平板状。

5.一种基于权利要求1所述弹热制冷系统的制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、电机(101)驱动丝杆(103)旋转，丝杆(103)的旋转带动丝杆滑块(105)向斜上方运动，丝杆滑块(105)提供拉伸力使形状记忆合金(111)发生形变，滑轨滑块(107)在形状记忆合金(111)的带动下向上方运动，丝杆滑块(105)与滑轨滑块(107)平行向上运动的同时，两者之间相互远离，从而施加给形状记忆合金(111)水平方向上的拉伸应力，形状记忆合金(111)受到拉应力相变的过程释放潜热，温度升高，形状记忆合金(111)向上运动直至与热端散热器(113)紧密接触，热量通过散热风机(114)释放到环境中；

步骤二、形状记忆合金(111)在完成散热过程后，电机(101)反向旋转，丝杆滑块(105)和滑轨滑块(107)带动形状记忆合金(111)离开热端散热器(113)，长度恢复并向下方运动，拉应力的降低使形状记忆合金(111)发生逆向相变，温度不断降低，直到和冷端散热器(112)紧密接触，之后从冷藏发泡箱体(115)中吸收热量，冷却箱内物体。

6.根据权利要求5所述的制冷方法，其特征在于：电机(101)带动形状记忆合金(111)形变时，形状记忆合金(111)一端的拉伸力通过丝杆滑块(105)由电机(101)提供，形状记忆合金(111)另一端的拉伸力通过滑轨滑块(107)由机架(109)的反作用力提供。

7.根据权利要求5所述的制冷方法，其特征在于：

电机(101)提供的沿丝杆(103)方向的力能够分解为沿水平方向的分力和竖直方向的分力，其中，水平方向的分力用于拉伸形状记忆合金(111)，竖直方向的分力用于使形状记忆合金(111)能够周期性地与热端散热器(113)和冷端散热器(115)接触换热。

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