CN113074472B - 一种高效回热式热驱动弹热制冷方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种高效回热式热驱动弹热制冷方法及系统，该系统包括了回热式制冷床、回热式驱动器、高温热源、常温热汇、低温热源、热交换流体网络、流体驱动装置和机架；回热式驱动器材料内部存在相变温度梯度，该梯度方向和回热式驱动器运行时自身的温度梯度方向一致；热交换流体网络通过流体驱动装置将高温热源的热量传递给回热式驱动器，回热式驱动器吸收热量产生相变收缩，进而产生收缩应力驱动回热式制冷床发生马氏体相变，热交换流体网络通过流体驱动装置将回热式制冷床的冷量传递给低温热源。本发明通过主动回热的方式，能够更高效的利用来自高温热源的低品位热量，利用高温记忆合金相变时产生的收缩应力驱动低温形状记忆合金制冷。

Description

一种高效回热式热驱动弹热制冷方法及系统

技术领域

本发明属于制冷与空调领域，具体涉及一种高效回热式热驱动弹热制冷方法及系统。

背景技术

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，目前，蒸气压缩式制冷循环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。蒸气压缩式制冷中大量使用的氟氯烃、氟代烃类制冷剂对环境的破坏作用十分明显，许多国家已经明令禁止这些制冷剂的使用，因此目前全球都在开展新型制冷技术的研究，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。

弹热制冷作为一种新型的固态制冷技术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。目前，弹热制冷循环系统的设计仍然存在着许多的挑战，其中最为显著的两个挑战，一个是系统温差，一个是驱动形状记忆合金相变的应力。早期的弹热制冷循环系统由于不带回热，性能十分有限，无法应用在更大的系统温差的工况下，此外，针对形状记忆合金相变过程的大应力、小位移的特性，传统弹热制冷循环所使用的电机驱动方式存在显著的不匹配性，且需要外界提供相变应力，代价较高。

公开号为CN106052190A的中国专利公开了使用主动回热式循环改进系统温差性能的设计，但该系统对解决驱动力的问题没有帮助，公开号为CN107289668A的中国专利公开了使用低品位热驱动的弹热制冷循环方法，该方法取消了传统外界电机驱动结构，通过形状记忆合金驱动器吸收低品位热源热量来驱动形状记忆合金制冷剂完成相变制冷过程，但该系统对于外界热量的利用并不高效，且由于温度梯度的存在，导致驱动器的相变过程不均匀。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中弹热制冷循环系统无法适用于较大系统温差的工况以及驱动形状记忆合金均匀相变的应力难以获取的问题，提供一种高效回热式热驱动弹热制冷方法及系统，利用额外的由热量驱动相变的高温记忆合金作为驱动器，该高温记忆合金驱动器材料内部存在相变温度梯度，并通过主动回热的方式，更高效的利用来自高温热源的低品位热量，利用高温记忆合金相变时产生的收缩应力驱动低温形状记忆合金制冷。

为了实现上述目的，本发明有如下技术方案：

一种高效回热式热驱动弹热制冷方法，包括以下步骤：

-由存在相变温度梯度的形状记忆合金材料制备回热式驱动器，使热端的相变温度高于冷端的相变温度，相变温度梯度方向和系统运行时回热式驱动器自身温度梯度方向一致；

-通过机械耦合装置将回热式制冷床与回热式驱动器进行连接；

-设置高温热源、常温热汇以及低温热源并连接：使高温热源的温度高于回热式驱动器热端的奥氏体终止温度，回热式驱动器热端的马氏体终止温度大于回热式驱动器冷端的奥氏体终止温度；常温热汇的温度低于回热式驱动器冷端的马氏体终止温度且高于回热式制冷床的奥氏体终止温度；低温热源的温度低于回热式制冷床的马氏体终止温度；将回热式制冷床的热端和常温热汇连接，冷端和低温热源连接，将回热式驱动器的热端和高温热源连接，冷端和常温热汇连接；

-通过流体驱动装置将热交换流体周期性的在回热式制冷床与回热式驱动器之间进行交换，回热式制冷床由回热式驱动器通过机械耦合装置周期性提供的应力驱动。

本发明还提供一种高效回热式热驱动弹热制冷系统，包括回热式制冷床、回热式驱动器、高温热源、常温热汇、低温热源、机械耦合装置、热交换流体网络以及流体驱动装置；所述回热式制冷床、回热式驱动器、高温热源、常温热汇、低温热源、机械耦合装置、热交换流体网络以及流体驱动装置的连接经由热交换流体网络，所述的流体驱动装置用于将热交换流体周期性的通过热交换流体网络进行交换；所述的回热式驱动器由存在相变温度梯度的形状记忆合金材料构成，回热式驱动器热端的相变温度高于冷端的相变温度，相变温度梯度方向和系统运行时回热式驱动器自身温度梯度方向一致；所述高温热源的温度高于回热式驱动器热端的奥氏体终止温度，回热式驱动器热端的马氏体终止温度大于回热式驱动器冷端的奥氏体终止温度，所述常温热汇的温度低于回热式驱动器冷端的马氏体终止温度且高于回热式制冷床的奥氏体终止温度，所述低温热源的温度低于回热式制冷床的马氏体终止温度；所述的机械耦合装置连接在回热式制冷床与回热式驱动器之间，回热式制冷床由回热式驱动器通过机械耦合装置周期性提供的应力驱动。

优选的，所述的热交换流体网络将热交换流体周期性的从高温热源经回热式驱动器热端向冷端流动并最终回到常温热汇，完成换热流体从高温热源吸热、回热式驱动器内部回热的过程，在该过程中，回热式驱动器在温度驱动下发生由马氏体相向奥氏体相的相变，从而产生收缩应力，并通过机械耦合装置将应力周期性地传递给回热式制冷床；所述的热交换流体网络将热交换流体周期性的从常温热汇经回热式驱动器的冷端向热端流动，并最终回到高温热源，热交换流体完成向常温热汇放热、回热式驱动器内部回热的过程，在该过程中，回热式驱动器放热发生奥氏体相向马氏体相的相变，从而使回热式驱动器恢复原长，通过机械耦合装置使回热式制冷床卸载。

优选的，所述的热交换流体网络至少由四个子网络构成，具体如下：

第一个子网络与回热式制冷床的冷端、低温热源相连；

第二个子网络与回热式制冷床的热端、常温热汇相连；

第三个子网络与回热式驱动器的冷端、常温热汇相连；

第四个子网络与回热式驱动器的热端、高温热源相连。

优选的，所述的回热式制冷床、回热式驱动器以及机械耦合装置设置两组，热交换流体网络通过管道将两个回热式制冷床的热端和常温热汇相连、将两个回热式制冷床的冷端和低温热源相连、将两个回热式驱动器的热端和高温热源相连以及将回热式驱动器的冷端和常温热汇相连，所述的流体驱动装置驱动热交换流体往复地在两组回热式制冷床以及回热式驱动器的冷热两端流动，形成两种不同的工作模式。

优选的，所述的两个回热式制冷床分别为第一回热式制冷床和第二回热式制冷剂，两个回热式驱动器分别为第一回热式驱动器和第二回热式驱动器；

两种不同的工作模式包括：第一回热式驱动器加载第一回热式制冷床完成相变升温的同时，第二回热式驱动器卸载第二回热式制冷床完成制冷工作；第二回热式驱动器加载第二回热式制冷剂完成相变升温的同时，第一回热式驱动器卸载第一回热式制冷床完成制冷工作。

优选的，所述热交换流体网络中的管道采用单管设计，热交换流体网络中的往复流动通过两个双向泵控制，所述的流体驱动装置通过两个双向泵驱动热交换流体往复地在两组回热式制冷床以及回热式驱动器的冷热两端流动，通过双向泵的流路切换形成两种不同的工作模式。

优选的，所述热交换流体网络中管道采用单管设计，热交换流体网络中热交换流体的往复流动通过两对四通阀和两个单向泵实现，其中一对四通阀和一个单向泵工作在一组对称布置的回热式驱动器之间，具体的，第一单向泵布置在高温热源的入口位置，高温热源侧第一四通阀的接口分别和对称布置的回热式驱动器的热端、高温热源出口、第一单向泵入口相连，常温热汇侧第二四通阀的接口分别和对称布置的回热式驱动器的冷端、常温热汇出入口相连；另外一对四通阀和另一个单向泵工作在一组对称布置的回热式制冷床之间，具体的，第二单向泵布置在低温热源的入口位置，低温热源侧第四四通阀的接口分别和对称布置的回热式制冷床的冷端、低温热源出口、第二单向泵入口相连，常温热汇侧第三四通阀的接口分别和对称布置的回热式制冷床的热端、常温热汇入口、第二单向泵出口相连；通过四个四通阀的切换，形成两种不同的工作模式。

优选的，所述热交换流体网络通过双管和回热式制冷床的冷、热端以及回热式驱动器的冷、热端相连，通过单向泵与三通阀控制热交换流体在热交换流体网络的管道中单向流动；具体的，将两个单向泵分别布置在高温热源入口和低温热源入口处，将第五三通阀布置在第一单向泵入口处，将第八三通阀布置在第二单向泵入口处；高温热源、低温热源的出口分别和第一三通阀、第四三通阀相连，常温热汇的入口分别和第二三通阀、第三三通阀相连，常温热汇的出口分别和第六三通阀、第七三通阀相连；所述第一三通阀的其余两个接口分别和第一回热式驱动器、第二回热式驱动器的热端相连，所述第二三通阀的其余两个接口分别和第一回热式驱动器、第二回热式驱动器的冷端相连，所述第三三通阀的其余两个接口分别和第一回热式制冷床、第二回热式制冷床的热端相连，所述第四三通阀的其余两个接口分别和第一回热式制冷床、第二回热式制冷床的冷端相连，所述第五三通阀的其余两个接口分别和第一回热式驱动器、第二回热式驱动器的热端相连，所述第六三通阀的其余两个接口分别和第一回热式驱动器、第二回热式驱动器的冷端相连，所述第七三通阀的其余两个接口分别和第一回热式制冷床、第二回热式制冷床的热端相连，所述第八三通阀的其余两个接口分别和第一回热式制冷床、第二回热式制冷床的冷端相连；通过八个三通阀的切换，形成两种不同的工作模式。

优选的，所述热交换流体网络中的管道采用双管设计，通过活塞及止回阀控制热交换流体单向流动，具体的，第一活塞的一端和高温热源、第二止回阀相连，另一端和常温热汇、第三止回阀相连，第二活塞的一端和第六止回阀、常温热汇相连，另一端和第七止回阀、低温热源相连，第一止回阀两端分别和高温热源、回热式驱动器的热端相连，第二止回阀的两端分别和第一活塞、回热式驱动器热端相连，第三止回阀的两端分别和第一活塞、回热式驱动器冷端相连，第四止回阀的两端分别和常温热汇、回热式驱动器冷端相连，第五止回阀的两端分别和常温热汇、回热式制冷床的热端相连，第六止回阀的两端分别和回热式制冷床的热端、第二活塞相连，第七止回阀分别和第二活塞、回热式制冷床的冷端相连，第八止回阀的两端分别和低温热源、回热式制冷床的冷端相连；所述的第一活塞向第一侧运动，热交换流体网络将高温热源的热量传递给回热式驱动器，第一活塞向第二侧运动，热交换流体网络将回热式驱动器的热量传递给常温热汇，第二活塞向第二侧运动，热交换流体网络将回热式制冷床的热量传递给常温热汇，第二活塞向第一侧运动，热交换流体网络将回热式制冷床的冷量传递给低温热源。

相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：

由存在相变温度梯度的形状记忆合金材料制备回热式驱动器，使回热式制冷床由回热式驱动器周期性提供的应力驱动。通过回热的形式减小了驱动器从高温热源所吸收走的热量，提高了热量利用率。回热式驱动器由存在相变温度梯度的形状记忆合金材料制成，热端的相变温度高于冷端的相变温度，相变温度梯度方向和系统运行时回热式驱动器自身温度梯度方向一致，保证回热式驱动器内部各个位置在和热交换流体换热时，相变势能处处相等。通过回热的形式提高了回热式制冷床的系统温差，因此可以运用在更大系统温差的制冷领域；通过热交换流体网络将高温热源的热量周期性的传递给回热式驱动器，并将回热式制冷床的冷量周期性的传递给低温热源，本发明设计合理，易于实施，具有高效的优点。

附图说明

图1温度驱动形状记忆合金的相变回滞特性曲线。

图2应力驱动形状记忆合金的相变回滞特性曲线。

图3A采用双向泵、双回热式制冷床、双回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一回热式制冷床被加载、第二回热式制冷床被卸载、第一回热式驱动器吸热、第二回热式驱动器放热的热交换流体网络示意图。

图3B采用双向泵、双回热式制冷床、双回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一回热式制冷床被卸载、第二回热式制冷床被加载、第一回热式驱动器放热、第二回热式驱动器吸热的热交换流体网络示意图。

图4A采用双向泵、四回热式制冷床、双回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一、第二回热式制冷床被加载、第三、第四回热式制冷床被卸载、第一回热式驱动器吸热、第二回热式驱动器放热的热交换流体网络示意图。

图4B采用双向泵、四回热式制冷床、双回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一、第二回热式制冷床被卸载、第三、第四回热式制冷床被加载、第一回热式驱动器放热、第二回热式驱动器吸热的热交换流体网络示意图。

图5高效回热式热驱动制冷系统应力-温度图。

图6A高效回热式热驱动弹热制冷循环在第一回热式制冷床被卸载、第二回热式制冷床被加载、第一回热式驱动器放热、第二回热式驱动器吸热时的温度分布特性图。

图6B高效回热式热驱动弹热制冷循环在第一回热式制冷床被加载、第二回热式制冷床被卸载、第一回热式驱动器吸热、第二回热式驱动器放热时的温度分布特性图。

图7A采用单向泵、四通阀、双制冷床、双驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一回热式制冷剂被加载、第二回热式制冷剂被卸载、第一回热式驱动器吸热、第二回热式驱动器放热的热交换流体网络示意图。

图7B采用单向泵、四通阀、双回热式制冷床、双回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一回热式制冷床被卸载、第二回热式制冷床被加载、第一回热式驱动器放热、第二回热式驱动器吸热的热交换流体网络示意图。

图8A采用单向泵、阀门组、单向管、双回热式制冷床、双回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一回热式制冷床被加载、第二回热式制冷床被卸载、第一回热式驱动器吸热、第二回热式驱动器放热的热交换流体网络示意图。

图8B采用单向泵、阀门组、单向管、双回热式制冷床、双回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在第一回热式制冷床被卸载、第二回热式制冷床被加载、第一回热式驱动器放热、第二回热式驱动器吸热的热交换流体网络示意图。

图9A采用止回阀、活塞、单回热式制冷床、单回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在驱动器吸热、制冷床被加载时的热交换流体网络示意图。

图9B采用止回阀、活塞、单回热式制冷床、单回热式驱动器的高效回热式热驱动弹热制冷系统在驱动器放热、制冷床被卸载时的热交换流体网络示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细说明：

本发明中的制冷系统涉及到了形状记忆合金马氏体相变制冷技术。在形状记忆合金中具有至少两个晶体结构(相)，即零应力时的高温相(奥氏体)和低温相(马氏体)。

回热式制冷床和回热式驱动器采用了相变温度不同的形状记忆合金并分别工作在不同的温度区间内，高温热源103的温度T_g高于回热式驱动器奥氏体终止温度，常温热汇104的温度T_h低于回热式驱动器马氏体终止温度T_Mf1且高于回热式制冷床的奥氏体终止温度T_Af，低温热源105的温度T_c低于回热式制冷床的马氏体终止温度T_Mf。

图1描述了温度高温形状记忆合发生马氏体相变产生收缩形变的过程的应变温度曲线。对于高温形状记忆合金，零应力常温下，材料相处于百分百马氏体相，随着高温形状记忆合金从外界吸收热量，高温形状记忆合金温度不断升高，当材料温度高于A_f温度时，高温记忆合金材料开始发生由马氏体相向奥氏体相的转变，相变过程伴随着应变的减小，高温记忆合金材料开始对外产生收缩应力；处于奥氏体状态下的高温记忆合金通过外界冷源释放热量，温度降低，发生由奥氏体相向马氏体相的转变，相变过程中伴随着应变的增加，高温记忆合金材料恢复原长。图2描述了由应力诱导的低温记忆合金发生马氏体相变制冷过程的应力温度曲线。对于低温记忆合金，零应力常温下，材料相处于百分百马氏体相，对低温记忆合金施加外力，将导致低温记忆合金从奥氏体转变为马氏体，相变过程伴随着潜热的释放，低温记忆合金温度的升高；当外力去除，低温记忆合金由马氏体相转变为奥氏体相，同时吸收相变潜热，低温记忆合金自身的温度降低，从而产生弹热制冷效应。

本发明提出的高效回热式热驱动弹热制冷系统利用了主动回热循环的原理，设置回热式驱动器和回热式制冷床，通过往复流动的热交换流体，在回热式驱动器材料内部逐渐产生温度梯度，最终实现回热式驱动器材料一端冷、一端热，使得回热式驱动器材料从高温热源吸收热量产生收缩应力，并向常温热汇放热，通过将回热式驱动器内部设置为存在相变温度梯度的记忆合金材料，回热式驱动器的相变温度梯度应和由主动回热循环所产生的回热式驱动器材料内部的温度梯度一致，从而保证回热式驱动器材料发生相变的势能处处相等；通过周期性的将高温热源的热量传递给回热式驱动器，使得回热式驱动器周期性地产生对外收缩应力，通过周期性的应力加载回热式制冷床，并往复流动热交换流体通过回热式制冷床，在回热式制冷床材料内部也将逐步产生温度梯度，最终可以实现回热式制冷床材料一端冷、一端热，使得回热式制冷床能从低温热源吸热制冷，并向高温热源排热。

图3A和图3B描述了一个本发明的具体实施例，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明的方案，并不用于限定本发明。如图3A所示，该高效回热式热驱动弹热制冷系统中包括了一对回热式驱动器，一对回热式制冷床，高温热源103、常温热汇104、低温热源105、双向泵、热交换流体网络107、机架108、机械耦合装置109。第一回热式驱动器101-1通过机械耦合装置109和第一回热式制冷床102-1连接，第二回热式驱动器101-2通过机械耦合装置109和第二回热式制冷床102-2连接，通过机架108和机械耦合装置109约束其总长度。在回热式驱动器和回热式制冷床横截面积相等的情况下，通过机械耦合装置109，第一回热式驱动器101-1和第二回热式制冷床102-1在任意时刻应力、应变均大小相等、方向相反。图3A所示的系统热交换流体网络107中的热交换流体流向为从高温热源流入第一回热式驱动器101-1通过常温热汇104进入第二回热式驱动器101-2，最终回到高温热源103，另一股热交换流体由低温热源105流向第一回热式制冷床102-1通过常温热汇104进入第二回热式制冷床102-2，最终回到低温热源105，在该热交换流体流动状态下，第一回热式驱动器101-1被高温热源103加热处于收缩状态，产生的应力用于驱动加载第一回热式制冷床102-1，第一回热式制冷床102-1完成了向常温热汇放热104的过程，第二回热式驱动器101-2被常温热汇104冷却，第二回热式驱动器101-2恢复原长，第二回热式驱动器101-2施加于第二回热式制冷床102-2上的应力卸载，第二回热式制冷床102-2完成了将冷量通过热交换流体网络107传递给低温热源105的过程；图3B描述了该系统布置的下半个循环周期，即双向泵106驱动热交换流体网络107内的流体反向流动，第一回热式驱动器101-1被常温热汇104冷却，第二回热式驱动器101-2被高温热源103加热，第一回热式制冷床102-1产生冷量给到低温热源105，第二回热式制冷床102-2向常温热汇104放热，在此过程中，回热式制冷床、回热式驱动器的相变、传热、回热以及加载卸载关系对调。

回热式制冷床在外界应力加载下发生马氏体相变，加载的形式可以为拉伸或压缩，当回热式驱动器和回热式制冷床置于对侧时，收缩状态下的回热式驱动器可以对回热式制冷床产生拉伸载荷。另外的，当回热式驱动器位于回热式制冷床同侧时，收缩状态下的回热式驱动器可以对同侧的回热式制冷床产生压缩载荷。图3A和图3B是将回热式驱动器和回热式制冷床对侧布置，回热式驱动器施加给回热式制冷床的载荷为拉伸载荷；图4A和图4B则是将回热式驱动器和回热式制冷床同侧布置，回热式驱动器施加给回热式制冷床的载荷为压缩载荷，图4A描述了本发明中的热交换流体从高温热源103经过第一回热式驱动器101-1流向常温热汇104，并经过第二回热式驱动器101-2回到高温热源103，在该过程中，高温热源103的热量传递给第一回热式驱动器101-1产生收缩相变，通过机械耦合装置109，将第一回热式驱动器101-1的载荷传递给第一回热式制冷床102-1和第二回热式制冷床102-2，此时的载荷为压缩载荷，第一回热式制冷床102-1和第二回热式制冷床102-2产生收缩相变，通过热交换流体将释放的潜热传递给常温热汇，而第二回热式驱动器101-2则将热量传递给常温热汇，使得第二回热式驱动器101-2恢复原长，此时，第二回热式驱动器101-2施加给第三回热式制冷床102-3和第四回热式制冷床102-4的应力卸载，第三回热式制冷床102-3和第四回热式制冷床102-4完成了将冷量通过热交换流体网络107传递给低温热源105的过程；图4B描述了该系统布置的下半个循环周期，即双向泵驱动热交换流体网络107内的流体反向流动，第一回热式驱动器101-1被常温热汇104冷却，第二回热式驱动器101-2被高温热源103加热，第一回热式制冷床102-1和第二回热式制冷床102-2产生冷量给到低温热源105，第三回热式制冷床102-3和第四回热式制冷床102-3向常温热汇104放热，在此过程中，回热式制冷床、回热式驱动器的相变、传热、回热以及加载卸载关系对调。需要注意的是，图4A和图4B的系统布置中，通过在一侧布置一个回热式驱动器和两个回热式制冷床，来保证回热式驱动器的载荷能以压缩载荷的形式均匀分配到同侧的回热式制冷床。

上文描述了本发明高效回热式热驱动弹热制冷循环系统的几大基本要素和基本循环过程，其中最为主要的特征就是利用了主动回热的方式，构建了回热式制冷床和回热式驱动器内部的温度梯度，图5描述了本发明中的回热式制冷床和回热式驱动器冷、热端侧形状记忆合金相变过程应力、温度关系。由于回热式驱动器材料内部存在相变温度梯度，且通过主动回热的方式，构建了回热式驱动器材料两端的温度梯度，回热式驱动器的热端位于高温热源103侧，该侧的相变温度和内部温度均最高；回热式驱动器的冷端位于常温热汇104侧，该侧的相变温度和该侧内部温度均低于热端侧；回热式驱动器各个时刻的内部温度从热端侧向冷端侧不断降低，同样的，回热式驱动器材料内部的相变温度从热端侧向冷端侧也不断降低；由于回热式制冷床同样采用主动回热的方式构建了材料内部的温度梯度，回热式制冷床冷端和低温热源接触，热端和常温热汇104接触，因此回热式制冷床材料内部各个时刻的温度从热端侧向冷端侧不断降低；实际运行过程中，回热式驱动器的热端工作在高温热源103的T_g温度附近，冷端工作在常温热汇104的T_h温度附近，通过热交换流体网络107，当热交换流体从回热式驱动器热端流入，经过充分换热后由回热式驱动器冷端流出，该过程可以将热端加热至近似高温热源103的T_g温度，冷端预热、回热至近似T_As1+△T_ad温度，该过程回热式驱动器产生应力通过机械耦合装置109加载回热式制冷床，加载后的热交换流体的流动传热可以将回热式制冷床的热端冷却至近似常温热汇104的T_h温度，冷端预冷、回热至近似低温热源的Tc温度；当流体驱动装置106驱动流体反向流动时，热交换流体从回热式驱动器冷端流入，经过充分换热后由回热式驱动器的热端流出，该过程可以将冷端近似冷却到常温热汇的T_h温度，热端预冷、回热至近似T_Mf2温度，该过程回热式驱动器应力卸载，通过机械耦合装置109卸载后的回热式制冷床，通过热交换流体流动传热，可以将回热式制冷床冷端加热至近似T_c温度，热端预热、回热至近似T_h温度，该高效回热循环，通过材料内部的温度分布特性，实现了冷量和热量的梯级利用，使得回热式驱动器可以更高效的利用高温热源103的热量，同时进一步增大了回热式制冷床的系统温差T_h-T_c，通过回热式驱动器内部记忆合金材料的相变温度梯度，也使得回热式驱动器内部的各处相变势能相等，从而保证回热式驱动器产生高效均匀的相变应力驱动回热式制冷床完成弹热制冷过程。

图3A和图3B的高效回热式热驱动弹热制冷系统的回热式驱动器、回热式制冷床内部理想温度分布特征可以通过图6A和图6B体现出来。第一回热式驱动器101-1和第二回热式驱动器101-2的热端和高温热源103相连，冷端和常温热汇104相连，第一回热式制冷床102-1和第二回热式制冷床102-2的热端和常温热汇104相连，冷端和低温热源105相连，回热式驱动器、回热式制冷床材料内部的温度分布会导致两侧的热交换流体在第一回热式驱动器101-1、第二回热式驱动器101-2、第一回热式制冷床102-1、第二回热式制冷床102-2内部也产生类似的温度分布。图6A为该系统在第一回热式制冷床被加载、第二回热式制冷床被卸载、第一回热式驱动器吸热、第二回热式驱动器放热后，回热式驱动器、回热式制冷床内部记忆合金材料以及热交换流体的温度分布。图6B为该系统在第一回热式制冷床被卸载、第二回热式制冷床被加载、第一回热式驱动器放热、第二回热式驱动器吸热后，回热式驱动器、回热式制冷床内部记忆合金材料以及热交换流体的温度分布。

在本发明的高效回热式热驱动弹热制冷系统中，需要构建一个热交换流体网络，该流体网络可以根据循环需要改变热交换流体的流向，图3A和图3B采用双向泵106作为流体驱动装置、并采用单管设计的热交换流体网络107的双回热式制冷床、双回热式驱动器制冷系统布置，通过双向泵106的流路切换，使两个回热式制冷床、两个回热式驱动器在循环周期内工作。在图3A和图3B的基础上，将四个四通阀111、两个单向泵110替代双向泵106作为驱动装置，构建了采用单向泵、四通阀、单管式设计的热交换流体网络的双制冷床、双驱动器弹热制冷系统，如图7A和图7B所示。在图7A中，左侧高温热源103中的热交换流体经过第一四通阀111-1流入第一回热式驱动器101-1内部，热交换流体将热量传递给第一回热式驱动器101-1后经过第二四通阀111-2进入常温热汇104，第一回热式驱动器101-1产生相变收缩应力，从常温热汇104流出的热交换流体进入第二回热式驱动器101-2内部后经过充分的换热，将第二回热式驱动器101-2冷却，第二回热式驱动器101-2放热相变并恢复原长，从第二回热式驱动器101-2的内部排出的热交换流体经过第一四通阀111-1、第一单向泵110-1后重新回到高温热源103换热；右侧低温冷源中的热交换流体经过第四四通阀111-4流入第一回热式制冷床102-1内部，热交换流体吸收第一回热式制冷床的热量，换热后的热交换流体经过第三四通阀111-3后进入常温热汇104进行换热，常温热汇流出的热交换流体经过第三四通阀111-3流入第二回热式制冷床102-2内部，热交换流体被逐步冷却，换热后的热交换流体从回热式制冷床102-2内部流出，经过第四四通阀111-4、第二单向泵110-2重新回到低温热源105产生制冷效应；图7B中的四个四通阀111同时切换方向，热交换流体在回热式制冷床、回热式驱动器中的流向和图7A相反，此时第一回热式驱动器101-1处于原长状态，第二回热式驱动器101-2处于相变收缩状态，相对应的，此时第一回热式制冷床102-1处于应力卸载状态，第二回热式制冷床102-2处于加载状态。

上述图3A、图3B以及图7A、图7B的热交换流体网络107均采用单管式设计，图8A和图8B中的热交换流体网络107采用双管式设计，热交换流体在管道中均为单向流动，通过8个三通阀的切换来控制热交换流体在回热式制冷床和回热式驱动器中流动方向。在图7A中，第一回热式101-1处于相变收缩状态，第二回热式驱动器101-2处于原长状态，第一回热式制冷床102-1处于应力加载状态，第二回热式制冷床102-2处于应力卸载状态，左侧热交换流体从高温热源103流经第一三通阀112-1、第一回热式驱动器101-1、第二三通阀112-2、常温热汇104、第六三通阀112-6、第二回热式驱动器101-2、第五三通阀112-5、第一单向泵110-1后重新回到高温热源103，右侧热交换流体从低温热源105经过第四三通阀112-4、第一回热式制冷床102-1、第三三通阀112-3、常温热汇104、第七三通阀112-7、第二回热式制冷床102-2、第八三通阀112-8、第二单向泵110-2后回到低温热源105；图7B中，回热式驱动器、回热式制冷床的状态和图7A所示状态相反，左侧热交换流体从高温热源103流经第一三通阀112-1、第二回热式驱动器101-2、第二三通阀112-2、常温热汇104、第六三通阀112-6、第一回热式驱动器101-1、第五三通阀112-5、第一单向泵110-1后重新回到高温热源103，右侧热交换流体从低温热源105经过第四三通阀112-4、第二回热式制冷床102-2、第三三通阀112-3、常温热汇104、第七三通阀112-7、第一回热式制冷床102-2、第八三通阀112-8、第二单向泵110-2后回到低温热源105。

上述图3A、图3B、图7A、图7B、图8A和图8B均采用一对回热式驱动器和一对回热式制冷床上下对称布置的方式设计系统，图9A和图9B通过设置单个回热式驱动器、单个回热式制冷床的方式，热交换流体网络采用双管设计的系统布置。

在图9A中，回热式驱动器及其连接的热交换流体网络107包括了第一活塞113-1、第一、二、三、四止回阀114-1、114-2、114-3、114-4，回热式制冷床及其连接的热交换流体网络107包括了第二活塞113-2、第五、六、七、八止回阀114-5、114-6、114-7、114-8，如图9A所示，第一活塞113-1向左运动，排出第一活塞113-1高温腔中的流体进入高温热源103吸收热量，之后流体从回热式驱动器的左侧流入，使回热式驱动器吸热相变，产生收缩应力，热交换流体从回热式驱动器右侧流出，进入第一活塞113-1的低温腔，回热式驱动器产生的应力加载回热式制冷床发生相变，第二活塞向右移动，排出第二活塞113-2低温腔的热交换流体，使热交换流体从回热式制冷床的左侧，将其相变产生的潜热吸收，从回热式制冷床的右侧带走，排至常温热汇104，热交换流体散热后流入第二活塞113-2的高温腔；如图9B所示，此时第一活塞113-2向右运动，将第一活塞113-1低温腔中的流体压进常温热汇104放热，之后换热流体从回热式驱动器的右侧流入，使回热式驱动器放热，温度降低，逆向相变，回热式驱动器恢复原长，热交换流体从回热式驱动器的左侧流出，进入第一活塞113-1的高温腔，回热式驱动器对回热式制冷床的应力卸载，回热式制冷床发生逆向相变，第二活塞113-2向左运动，排出第二活塞113-2高温腔中的热交换流体，使热交换流体从回热式制冷床的左侧流入，并将其逆向相变的制冷量从回热式制冷床的右侧带出，排至低温热源103中，热交换流体完成制冷后流入第二活塞113-2的低温腔内。

以上所述的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会落入权利要求书所涵盖的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于：包括回热式制冷床、回热式驱动器、高温热源(103)、常温热汇(104)、低温热源(105)、机械耦合装置(109)、热交换流体网络(107)以及流体驱动装置；所述回热式制冷床、回热式驱动器、高温热源(103)、常温热汇(104)、低温热源(105)、机械耦合装置(109)、热交换流体网络(107)以及流体驱动装置的连接经由热交换流体网络(107)，所述的流体驱动装置用于将热交换流体周期性的通过热交换流体网络(107)进行交换；所述的回热式驱动器由存在相变温度梯度的形状记忆合金材料构成，回热式驱动器热端的相变温度高于冷端的相变温度，相变温度梯度方向和系统运行时回热式驱动器自身温度梯度方向一致；所述高温热源(103)的温度高于回热式驱动器热端的奥氏体终止温度，回热式驱动器热端的马氏体终止温度大于回热式驱动器冷端的奥氏体终止温度，所述常温热汇(104)的温度低于回热式驱动器冷端的马氏体终止温度且高于回热式制冷床的奥氏体终止温度，所述低温热源(105)的温度低于回热式制冷床的马氏体终止温度；所述的机械耦合装置(109)连接在回热式制冷床与回热式驱动器之间，回热式制冷床由回热式驱动器通过机械耦合装置(109)周期性提供的应力驱动；

所述的热交换流体网络(107)将热交换流体周期性的从高温热源(103)经回热式驱动器热端向冷端流动并最终回到常温热汇(104)，完成换热流体从高温热源(103)吸热、回热式驱动器内部回热的过程，在该过程中，回热式驱动器在温度驱动下发生由马氏体相向奥氏体相的相变，从而产生收缩应力，并通过机械耦合装置将应力周期性地传递给回热式制冷床；所述的热交换流体网络(107)将热交换流体周期性的从常温热汇(104)经回热式驱动器的冷端向热端流动，并最终回到高温热源(103)，热交换流体网络(107)完成向常温热汇(104)放热、回热式驱动器内部回热的过程，在该过程中，回热式驱动器放热发生奥氏体相向马氏体相的相变，从而使回热式驱动器恢复原长，通过机械耦合装置(109)使回热式制冷床卸载。

2.根据权利要求1所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于，所述的热交换流体网络(107)至少由四个子网络构成，具体如下：

第一个子网络与回热式制冷床的冷端、低温热源(105)相连；

第二个子网络与回热式制冷床的热端、常温热汇(104)相连；

第三个子网络与回热式驱动器的冷端、常温热汇(104)相连；

第四个子网络与回热式驱动器的热端、高温热源(103)相连。

3.根据权利要求2所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于：所述的回热式制冷床、回热式驱动器以及机械耦合装置(109)设置两组，热交换流体网络(107)通过管道将两个回热式制冷床的热端和常温热汇(104)相连、将两个回热式制冷床的冷端和低温热源(105)相连、将两个回热式驱动器的热端和高温热源(103)相连以及将回热式驱动器的冷端和常温热汇(104)相连，所述的流体驱动装置(106)驱动热交换流体往复地在两组回热式制冷床以及回热式驱动器的冷热两端流动，形成两种不同的工作模式。

4.根据权利要求3所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于：所述的两个回热式制冷床分别为第一回热式制冷床(102-1)和第二回热式制冷剂(102-2)，两个回热式驱动器分别为第一回热式驱动器(101-1)和第二回热式驱动器(101-2)；

两种不同的工作模式包括：第一回热式驱动器(101-1)加载第一回热式制冷床(102-1)完成相变升温的同时，第二回热式驱动器(101-2)卸载第二回热式制冷床(102-2)完成制冷工作；第二回热式驱动器(101-2)加载第二回热式制冷剂(102-2)完成相变升温的同时，第一回热式驱动器(101-1)卸载第一回热式制冷床(102-1)完成制冷工作。

5.根据权利要求3所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于：所述热交换流体网络(107)中的管道采用单管设计，热交换流体网络(107)中的往复流动通过两个双向泵控制，所述的流体驱动装置(106)通过两个双向泵驱动热交换流体往复地在两组回热式制冷床以及回热式驱动器的冷热两端流动，通过双向泵的流路切换形成两种不同的工作模式。

6.根据权利要求3所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于：所述热交换流体网络(107)中管道采用单管设计，热交换流体网络(107)中热交换流体的往复流动通过两对四通阀和两个单向泵实现，其中一对四通阀和一个单向泵工作在一组对称布置的回热式驱动器之间，具体的，第一单向泵(110-1)布置在高温热源(103)的入口位置，高温热源(103)侧第一四通阀(111-1)的接口分别和对称布置的回热式驱动器的热端、高温热源(103)出口、第一单向泵(110-1)入口相连，常温热汇(104)侧第二四通阀(111-2)的接口分别和对称布置的回热式驱动器的冷端、常温热汇(104)出入口相连；另外一对四通阀和另一个单向泵工作在一组对称布置的回热式制冷床之间，具体的，第二单向泵(110-2)布置在低温热源(105)的入口位置，低温热源(105)侧第四四通阀(111-4)的接口分别和对称布置的回热式制冷床的冷端、低温热源(105)出口、第二单向泵(110-2)入口相连，常温热汇(104)侧第三四通阀(111-3)的接口分别和对称布置的回热式制冷床的热端、常温热汇(104)入口、第二单向泵(110-2)出口相连；通过四个四通阀的切换，形成两种不同的工作模式。

7.根据权利要求3所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于：所述热交换流体网络(107)通过双管和回热式制冷床的冷、热端以及回热式驱动器的冷、热端相连，通过单向泵与三通阀控制热交换流体在热交换流体网络(107)的管道中单向流动；具体的，将两个单向泵分别布置在高温热源(103)入口和低温热源(105)入口处，将第五三通阀(112-5)布置在第一单向泵(110-1)入口处，将第八三通阀(112-8)布置在第二单向泵(110-2)入口处；高温热源(103)、低温热源(105)的出口分别和第一三通阀(112-1)、第四三通阀(112-4)相连，常温热汇(104)的入口分别和第二三通阀(112-2)、第三三通阀(112-3)相连，常温热汇(104)的出口分别和第六三通阀(112-6)、第七三通阀(112-7)相连；所述第一三通阀(112-1)的其余两个接口分别和第一回热式驱动器(101-1)、第二回热式驱动器(101-2)的热端相连，所述第二三通阀(112-2)的其余两个接口分别和第一回热式驱动器(101-1)、第二回热式驱动器(101-2)的冷端相连，所述第三三通阀(112-3)的其余两个接口分别和第一回热式制冷床(102-1)、第二回热式制冷床(102-2)的热端相连，所述第四三通阀(112-4)的其余两个接口分别和第一回热式制冷床(102-1)、第二回热式制冷床(102-2)的冷端相连，所述第五三通阀(112-5)的其余两个接口分别和第一回热式驱动器(101-1)、第二回热式驱动器(101-2)的热端相连，所述第六三通阀(112-6)的其余两个接口分别和第一回热式驱动器(101-1)、第二回热式驱动器(101-2)的冷端相连，所述第七三通阀(112-7)的其余两个接口分别和第一回热式制冷床(102-1)、第二回热式制冷床(102-2)的热端相连，所述第八三通阀(112-8)的其余两个接口分别和第一回热式制冷床(102-1)、第二回热式制冷床(102-2)的冷端相连；通过八个三通阀的切换，形成两种不同的工作模式。

8.根据权利要求3所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统，其特征在于：所述热交换流体网络(107)中的管道采用双管设计，通过活塞及止回阀控制热交换流体单向流动，具体的，第一活塞(113-1)的一端和高温热源(103)、第二止回阀(114-2)相连，另一端和常温热汇(104)、第三止回阀(114-3)相连，第二活塞(113-2)的一端和第六止回阀(114-6)、常温热汇(104)相连，另一端和第七止回阀(114-7)、低温热源(105)相连，第一止回阀(114-1)两端分别和高温热源(103)、回热式驱动器的热端相连，第二止回阀(114-2)的两端分别和第一活塞(113-1)、回热式驱动器热端相连，第三止回阀(114-3)的两端分别和第一活塞(113-1)、回热式驱动器冷端相连，第四止回阀(114-4)的两端分别和常温热汇(104)、回热式驱动器冷端相连，第五止回阀(114-5)的两端分别和常温热汇(104)、回热式制冷床的热端相连，第六止回阀(114-6)的两端分别和回热式制冷床的热端、第二活塞(113-2)相连，第七止回阀(114-7)分别和第二活塞(113-2)、回热式制冷床的冷端相连，第八止回阀(114-8)的两端分别和低温热源(105)、回热式制冷床的冷端相连；所述的第一活塞(113-1)向第一侧运动，热交换流体网络(107)将高温热源(103)的热量传递给回热式驱动器，第一活塞(113-1)向第二侧运动，热交换流体网络(107)将回热式驱动器的热量传递给常温热汇(104)，第二活塞(113-2)向第二侧运动，热交换流体网络(107)将回热式制冷床的热量传递给常温热汇(104)，第二活塞(113-2)向第一侧运动，热交换流体网络(107)将回热式制冷床的冷量传递给低温热源(105)。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的高效回热式热驱动弹热制冷系统的制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

-由存在相变温度梯度的形状记忆合金材料制备回热式驱动器，使热端的相变温度高于冷端的相变温度，相变温度梯度方向和系统运行时回热式驱动器自身温度梯度方向一致；

-通过机械耦合装置(109)将回热式制冷床与回热式驱动器进行连接；

-设置高温热源(103)、常温热汇(104)以及低温热源(105)并连接：使高温热源(103)的温度高于回热式驱动器热端的奥氏体终止温度，回热式驱动器热端的马氏体终止温度大于回热式驱动器冷端的奥氏体终止温度；常温热汇(104)的温度低于回热式驱动器冷端的马氏体终止温度且高于回热式制冷床的奥氏体终止温度；低温热源(105)的温度低于回热式制冷床的马氏体终止温度；将回热式制冷床的热端和常温热汇(104)连接，冷端和低温热源(105)连接，将回热式驱动器的热端和高温热源(103)连接，冷端和常温热汇(104)连接；

-通过流体驱动装置将热交换流体周期性的在回热式制冷床与回热式驱动器之间进行交换，回热式制冷床由回热式驱动器通过机械耦合装置(109)周期性提供的应力驱动。

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