CN112136010A - 利用形状记忆效应的热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热泵系统和方法，包括形状记忆合金(SMA)或负热膨胀(NTE)芯(2a，2b)，该芯放置在壳体中并且被适配用于响应于以第一温度输入的第一流体而吸收热量并储存能量。该壳体被配置为经由入口接收第二流体，其中，一装置改变该壳体中的压力以使该SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到该第二流体中。出口被适配用于以高于该第一温度的温度输出该第二流体。

Description

利用形状记忆效应的热泵
技术领域
本披露涉及热泵。具体地，本披露涉及用于加热系统和/或冷却系统(诸如空调系统)的热泵。
背景技术
在加热、通风和空调(“HVAC”)应用中，热泵(“HP”)技术已获得了广泛的商业认可。这些热泵技术可以提供能量节省和排放减少，并且通常被安装用于建筑物或汽车应用等中的加热和冷却系统。
存在若干类型的热泵。大多数现有技术利用膨胀/压缩循环，许多热泵按热源分类，例如，空气源热泵或地源热泵。热泵中使用的基本技术是相似的。空气源热泵在低温下的性能有限(在-18℃下，CoP往往约为1(由于卡诺循环)，因此电阻加热更为有效，在较高的操作温度下CoP可以达到4)。地源热泵的入口温度更稳定，但受到当前技术的性能系数(CoP)的限制。
全球需要对建筑物中的加热和冷却进行脱碳处理。加热通常使用碳基燃料燃烧，这会将碳释放到大气中。在更温暖的气候下，冷却和空调可能是主要的电力负荷。可以潜在地从单个封装体提供加热和冷却。如果其使用可再生电力，则其可以是零排放技术。当前的热泵技术通常使用具有高全球变暖潜势并且可能具有高毒性的制冷剂，这是不希望的。风扇和泵具有可能令人讨厌的噪音特征。当前的HP技术的CoP为3到4。通过提高CoP，可以减少电力消耗，这在使用不可再生电力的情况下减少了碳排放。而且，常规HP技术可能具有受环境空气温度影响的CoP，这是不希望的。Radermacher等人的美国专利公开号US20160084544披露了一种热泵系统，该系统使用SMA材料管，在其中填充了其他未知材料的管或棒以占据体积并因此去除废弃的蓄热体，从而有助于提高系统的效率。然而，这种配置的问题在于它们的热效率低，并且不能均匀地膨胀和/或收缩。此外，在使用期间管会屈曲。Cui等人的美国专利公开号US 20120273158披露了一种系统，该系统加捻一束SMA金属丝以释放热量。该系统效率也不高，并且在操作期间会屈曲。转让给弗劳恩霍夫(Fraunhofer)的德国专利公开号DE 102016100596和DE 10215121657描述了一种使用SMA材料在热系统中释放热量的通用系统。
因此，本发明的目的是生产一种大大提高性能系数(CoP)的热泵系统。另一个目的是提供一种改进的冷却系统。
发明内容
根据本发明，如所附权利要求中所述，提供了一种热泵系统，该热泵系统包括：
形状记忆合金(SMA)或负热膨胀(NTE)芯，其被放置在壳体中并且被适配用于响应于以第一温度输入的第一流体而吸收热量并储存能量，其中，该SMA或NTE芯包括多个基本平行布置以限定该芯的元件或金属丝；
该壳体被配置为经由入口接收相同的流体或第二流体，其中，一装置改变该壳体中的SMA或NTE芯上的应力以使该SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到该流体中；以及
出口，该出口被适配用于根据热量是否已经被该SMA或NTE芯释放或吸收，来以相对于该第一流体或该第二流体的温度较高或较低的温度输出该流体。
本发明解决的问题是一种热泵，其可以表现出比任何其他现有技术的热泵系统高得多的CoP。可以实现六或更高的CoP。另外，本发明不包含任何具有高全球变暖潜势的有害流体或材料。本发明可以提供以下优点或特征中的一个或多个：
·在热吸收和热释放阶段期间，流体可以移动或静止
·可以使用级联的各级来提高(随金属丝在不同温度范围内操作或随流速)的温度变化
·可以使用替代传输技术(机械、电气等)
·将SMA/NTE材料用于热泵，利用来自材料相变的潜热
·回收泵用于低负荷能量回收，以驱动输入马达从低压推动到高压。
在一个实施例中，该装置利用高压蓄能器，该高压蓄能器被适配用于向材料提供应力，以使得能够在该芯中发生正向或逆向相变。
在一个实施例中，该SMA或NTE芯包括多个基本平行布置以限定芯的细长金属丝。
在一个实施例中，该液压腔室被配置为响应于来自该蓄能器提供的压力的应力而物理地拉长或拉伸该芯的至少一个金属丝。
在一个实施例中，该液压腔室中的低压传递到芯腔室中的SMA，以便为该芯吸收热量提供一个循环。
在一个实施例中，该液压马达被配置为经由该蓄能器的压力提高来提升该SMA上的应力。
在一个实施例中，该低压蓄能器被配置为当该流体以初始温度输入时减小该壳体中的SMA上的应力。
在一个实施例中，利用泵将液压流体从该低压蓄能器泵送到高压蓄能器。
在一个实施例中，多个SMA或NTE芯以级联结构布置在该系统中并且布置成增大温差。
在一个实施例中，该流体的流速由控制器控制以调节该循环的温度变化。
在又一个实施例中，提供了一种热泵方法，该方法包括以下步骤：
将SMA或NTE芯放置在壳体中，并且被适配用于响应于以第一温度输入的第一流体吸收热量并储存能量；
经由该壳体中的入口接收相同的流体或第二流体，其中有装置改变该壳体中的SMA或NTE部件上的应力以使该SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到该流体中；以及
根据热量是否已经被该SMA或NTE部件释放或吸收，来以更高的温度或更低的温度输出该流体。
在另一个实施例中，提供了一种热泵系统，该热泵系统包括：
形状记忆合金(SMA)或负热膨胀(NTE)芯，其被放置在壳体中并且被适配用于响应于以第一温度输入的第一流体吸收热量并储存能量；
该壳体被配置为经由入口接收第二流体，其中有装置改变该壳体中的压力以使该SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到该第二流体中；以及
出口，该出口被适配用于以高于该第一温度的温度输出该第二流体。
在又一个实施例中，提供了一种冷却系统，该冷却系统包括：
形状记忆合金(SMA)或负热膨胀(NTE)芯，其被放置在壳体中并且被适配用于响应于以第一温度输入的第一流体而吸收热量并储存能量，其中，该SMA或NTE芯包括多个基本平行布置以限定该芯的元件或金属丝；
该壳体被配置为经由入口接收相同的流体或第二流体，其中有装置改变该壳体中的SMA或NTE芯上的应力以使该SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到该流体中；以及
出口，该出口被适配用于根据热量是否已经被SMA或NTE芯释放或吸收，来以相对于该第一流体或该第二流体的温度较低的温度输出该流体。
在另一个实施例中，提供了一种例如在制冷系统中的冷却方法，该方法包括以下步骤：
将形状记忆合金(SMA)或负热膨胀(NTE)芯放置在壳体中，并且响应于以第一温度输入的第一流体吸收热量并储存能量，其中，该SMA或NTE芯包括多个基本平行布置以限定芯的元件或金属丝；
经由该壳体中的入口接收相同的流体或第二流体，其中有装置改变该壳体中的SMA或NTE芯上的应力以使该SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到该流体中；以及
根据热量是否已经被该SMA或NTE芯释放或吸收，来以相对于该第一流体或该第二流体的温度较高或较低的温度输出该流体。
附图说明
参考附图，将从下文仅作为示例给出的本发明实施例的描述中更清楚地理解本发明，在附图中：-
图1示出了具有热泵系统的本发明的实施例，该热泵系统结合了SMA或NTE芯的机械构造和传输系统；
图2示出了工作流程图，示出了操作期间热泵的不同状态；
图3示出了根据本发明的一个实施例的用于在高压(HP)循环中使用的单个SMA或NTE芯；以及
图4示出了根据本发明的一个实施例的用于在低压(LP)循环中使用的单个SMA或NTE芯。
具体实施方式
本发明涉及一种新的热泵循环，其利用来自形状记忆合金(“SMA”)或负热膨胀材料(NTE)的相变换的潜热。本发明可以使用由紧密包装在一起以限定芯的多个元件或金属丝组成的特定SMA发动机。SMA材料可以以马氏体和奥氏体两种晶态存在，并且可以从一个相可逆地转换为另一相。SMA的奥氏体向马氏体转变是放热的。马氏体向奥氏体的转变是吸热的。可以经由向SMA材料施加应力来控制发生相变的温度。
形状记忆合金(SMA)是一种表现出形状记忆效果的合金，一旦变形，加热后就会恢复到其变形之前的形状。这种材料是传统致动器(如液压系统、气动系统和基于马达的系统)的轻质固态替代品。
这种材料的记忆功能已经被采用或被提议用于热回收过程中，具体地通过构造在运动时从热量中回收能量的SMA发动机来应用。与能量回收装置有关的最新出版物包括转让给本发明的受让人并且通过引用全部结合在此的PCT专利公开号WO2013/087490。
本发明涉及一种热泵系统和方法，其可以使用形状记忆合金(SMA)或负热膨胀材料(NTE)，其使用由紧密包装在一起以限定芯的多个元件或金属丝组成的特定SMA发动机。热泵具有两个独立的阶段——热吸收和热释放。机器循环定义为完全热吸收阶段(吸热的)和完全热释放阶段(放热的)。
通过将施加到材料的应力设置为适当的值(在操作循环中使用的较低值)，热吸收阶段允许将热量传递到SMA材料中。这导致活化温度(奥氏体开始点(As)和奥氏体结束点(Af))被设置为低于流体流的输入温度的值。因此，存在的热梯度允许热量经由传导和对流传递到SMA中。一旦材料完全或部分变换成奥氏体(即，SMA材料的温度高于Af)，热吸收阶段就完成了。
热释放阶段在增大奥氏体SMA材料上的应力后开始。这会提升活化温度(马氏体开始点(Ms)和马氏体结束点(Mf))以便逆向变换回马氏体。一旦Ms的值提升到输入流体流的温度以上，就开始逆向变换。只有当Mf也提升到高于流体流温度时，它才会完全完成。然后，潜热由SMA材料释放并进入流体流中，从而提升其温度。热释放发生的速率是热梯度和流体流的各种热力学条件(如流速、湍流等)的函数。
可以在系统中使用单个流体温度输入，并且可以在腔室的输出处使用一系列阀门，以将较冷的流体从热吸收阶段引导流回源，同时将较热的流体从热释放阶段引导到加热目标。也可以使用多个工作流体温度输入。
示例实施例
图1示出了根据本发明的一个实施例的结合有SMA驱动发动机的热泵系统。发动机呈SMA或NTE芯的形式，其包括基本平行布置以限定芯的多个元件或金属丝。图2示出了工作流程图，示出了操作期间SMA驱动的不同状态。
关于图1和图2，现在详细概述热泵系统在操作时的逐步过程。
如图1所示，低压蓄能器的压力1施加到呈马氏体状态的SMA芯2a或束。将流体输入到容纳SMA芯2a的腔室中，该腔室的温度高于As和Af，因此允许SMA材料吸收热量。在优选实施例中，SMA芯2a包括成束布置的机械互锁的SMA元件或金属丝3a，其中，由于紧密的组件布置，束中的每根金属丝3a用于支撑另一根以防止屈曲。在当前情况下，流体在流过束时从外部穿过金属丝3a。从根本上讲这很重要，因为它可以最大化表面，从而最大化传热面积。金属丝彼此机械互锁，以辅助提高功率密度和抗屈曲性。金属丝是密集包装的金属丝/棒束，这将显著提高效率，使得当金属丝如图所示布置在竖直位置时，金属丝在竖直平面内被致动。图1所示的系统有效地提供了闭环热泵系统。
由于施加在金属丝上的低压(因此低应力)，奥氏体开始点(As)和奥氏体结束点(Af)温度均按比例降低，使得在较低的输入流体温度下马氏体向奥氏体的完全变换更容易实现。芯中的SMA金属丝加热到点Af，如图2所示。Af是设计中金属丝的最大收缩点——表示部分或完全马氏体向奥氏体的变换。
在该吸热变换期间，该金属丝或构成芯的多根金属丝从输入的流体流吸收大量潜热。收缩的金属丝将低压液压流体从液压腔室4泵入低压蓄能器1中。
利用泵5将液压流体从低压蓄能器1泵送到高压蓄能器6。可以根据芯2a、2b的输出功率加上通过系统从蓄能器到芯的液压传输损耗来确定泵5的尺寸——这允许高压蓄能器6中有足够的压力，以便在循环的热吸收阶段(吸热的)为芯2b提供足够的压力。
高压蓄能器6被施加到芯2a、2b，以经由释放潜热来实现金属丝伸长。有效地，发生奥氏体到马氏体的变换。输入流体(其温度可以与原始输入流体的温度相同)被输入到腔室中，该腔室现在可以吸收从SMA金属丝释放的热量。
由于SMA金属丝上的高压，马氏体开始点(Ms)和马氏体结束点(Mf)的活化温度成比例地提升到流体温度以上。这允许发生完全的A到M变换，从而拉长金属丝并将热量释放到流体流中，从而增加其内部能量并导致温度升高。
芯中的SMA金属丝温度达到点Mf，如图2所示。Mf是设计中金属丝的伸长点——表示从A到M的变换中的部分或全部反转。
液压腔室7中的高压可以物理地拉紧金属丝。该反应是放热的，显热和全部或部分量的潜热都释放到流体流中，导致流体温度升高。现在必须将液压腔室7中的高压传递到低压液压腔室4，以便允许循环重新开始。
应当理解，上述反应在非拮抗循环中顺序地或连续地发生。该系统可以使用液压传动装置以分离的方式回收机械能而不是通过直接联接回收机械能的事实在技术上是有利的。该系统释放潜热(通过将金属丝浸入流体中而明显地加热金属丝)，然后加热流体，从而使SMA/传热流体达到接近平衡的状态。实际上，金属丝在技术上起着储热单元的作用，当状态变化发生时，该储热单元可用作加热器。
由于存在压差和可用流速，因此可以使用马达8降低压力，同时将功率转换为可用的电力，以经由电动逆变器(回收马达)驱动泵浦马达。这回收了原本会在循环中浪费的能量，并将该能量用于提高系统的CoP。
为了解决热吸收时间与热释放时间之间的任何差异，可以使用另一组冗余芯，以使热吸收时间加倍或者热释放时间加倍——在任何实施例中以较慢者为准。
图3示出了根据本发明的一个实施例的用于在高压(HP)循环中使用的单个SMA或NTE芯，并且使用与图1相同的附图标记。图3示出了加热器泵系统，其中冷水进入腔室并且由于芯2b的状态变化而导致温水存在。实际上，该系统可用作仅使用单芯的有效热泵。
图4示出了根据本发明的一个实施例的用于在低压(LP)循环中使用的单个SMA或NTE芯，并且使用与图1相同的附图标记。图4示出了冷却系统，并且与图3相反地工作。液压腔室4中的低压传递到芯腔室中的SMA或NTE芯2a，以便为芯2a吸收热量提供一个循环。应当理解，本发明可以应用于制冷系统，其中该系统可以逆向操作并且出口被适配用于以低于输入温度的温度输出第二流体。
在说明书中，术语“包括(comprise)、包括(comprises)、包括(comprised)和包括(comprising)”或其任何变体以及术语包含(include)、包含(includes)、包含(included)和包含(including)”或其任何变体被认为是完全可互换的，并且它们应该都被提供尽可能最广泛的解释，并且反之亦然。
本发明不限于上文所述的实施例，而是可以在结构和细节两者上变化。

Claims (10)

1.一种热泵系统，包括：
形状记忆合金(SMA)或负热膨胀(NTE)芯，其被放置在壳体中并且被适配用于响应于以第一温度输入的第一流体而吸收热量并储存能量，其中，该SMA或NTE芯包括多个基本平行布置以限定该芯的元件或金属丝；
所述壳体被配置为经由入口接收相同的流体或第二流体，其中有装置改变所述壳体中的SMA或NTE芯上的应力以使所述SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到所述流体中；以及
出口，该出口被适配用于根据热量是否已经被该SMA或NTE芯释放或吸收，来以相对于所述第一流体或所述第二流体的温度较高或较低的温度输出所述流体。
2.如权利要求1所述的热泵系统，其中，所述装置包括高压蓄能器，该高压蓄能器被适配用于向所述芯提供应力，以使得能够在该芯中发生正向或逆向相变。
3.如任一前述权利要求所述的热泵系统，其中，液压腔室被配置为响应于来自所述蓄能器提供的压力的应力而物理地拉长或拉伸所述芯的至少一个元件或金属丝。
4.如任一前述权利要求所述的热泵系统，其中，所述液压腔室中的低压被传递到芯腔室中的SMA或NTE芯，以便为所述芯吸收热量提供一个循环。
5.如任一前述权利要求所述的热泵系统，包括：液压马达，所述液压马达被配置为经由所述蓄能器的压力提高来提升所述SMA或NTE芯上的应力。
6.如任一前述权利要求所述的热泵系统，包括：低压蓄能器，所述低压蓄能器被配置为当所述流体以初始温度输入时减小所述壳体中的SMA或NTE芯上的应力。
7.如权利要求6所述的热泵系统，其中，利用泵将液压流体从所述低压蓄能器泵送到所述高压蓄能器。
8.如任一前述权利要求所述的热泵系统，包括：在所述系统中以级联结构布置的多个SMA或NTE芯。
9.如任一前述权利要求所述的热泵系统，其中，所述流体的流速由控制器控制以调节所述循环的温差。
10.一种热泵方法，包括以下步骤：
将形状记忆合金(SMA)或负热膨胀(NTE)芯放置在壳体中，并且响应于以第一温度输入的第一流体吸收热量并储存能量，其中，所述SMA或NTE芯包括多个基本平行布置以限定芯的元件或金属丝；
经由该壳体中的入口接收相同的流体或第二流体，其中有装置改变该壳体中的SMA或NTE芯上的应力以使所述SMA或NTE芯改变状态，从而将吸收的热量释放到所述流体中；以及
根据热量是否已经被所述SMA或NTE芯释放或吸收，来以相对于所述第一流体或所述第二流体的温度较高或较低的温度输出所述流体。
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