CN113218106A - 基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置及其原型机的设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置及其原型机的设计，包括旋转电机、水泵、温度传感器、TiNi基记忆合金丝材、齿轮、感应电子阀门和水冷套管等；温度传感器对管内温度进行测量，防止管内温度过高或过低，对弹热效应的发生造成影响；TiNi基合金丝材为主要制冷零件，在应力作用下发生相变、吸热，从而进行制冷。本发明改进后的制冷原件内部TiNi基记忆合金丝材发生形变的方式由扭转拉伸转变为压缩，在保证卡诺效率不降低的前提下，提升整体结构的稳定性，以压缩形式对TiNi基丝材产生应力，纳米晶TiNi基合金可以承受107次变形，完全可以满足弹热制冷的需要，且将TiNi基丝材改为实心管，整体装置所需体积减少。
Description
技术领域
本发明涉及TiNi基合金技术领域，尤其涉及基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置及其原型机的设计。
背景技术
自二十世纪初，气体压缩制冷一直是主流制冷手段，传统制冷气体都具有臭氧层破坏效应，而其替代物HFC类制冷剂普遍具有较高的温室效应。新型卤代烃类制冷剂本身受制于易燃性、高温室效应、高毒性等因素无法实现应用。因此亟待开发新型的制冷方式以及相应的装置。根据国际制冷研究机构的数据统计，目前世界上使用空调和冰箱制冷所消耗的电能约占全球电能损耗的20％。并且耗电量随地球变暖和发展中国家制冷的需求增加将继续增加。传统的使用空气压缩原理进行制冷的技术，其卡诺效率一般低于60％，而弹热制冷的卡诺效率则可以达到67％。
在巨大的环境压力和国家政策的号召下，越来越多的学者把目光转向了新一代非蒸气压缩制冷技术，如固体制冷技术，固体制冷主要利用电热效应、磁热效应、压热效应、弹热效应来实现制冷，其中弹热制冷技术被美国能源部认为是最有希望替代气体压缩制冷的一种新兴的固态制冷技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的基于 TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置及其原型机的设计。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置及其原型机的设计，包括旋转电机、水泵、温度传感器、TiNi基记忆合金丝材、齿轮、感应电子阀门和水冷套管等零；温度传感器对管内温度进行测量，防止管内温度过高或过低，对弹热效应的发生造成影响；TiNi基合金丝材为主要制冷零件，在应力作用下发生相变、吸热，进行制冷；斜齿轮与旋转电机相连，为TiNi基合金丝材，提供应力，发生扭转，斜齿轮上装有应力感应装置，保证电机对齿轮施加的应力保持在最佳范围内，从而保证弹热效应的最佳效果；感应电子阀门主要是对水流速度进行监测，防止水流速度过大，与TiNi基合金丝材接触不充分，制冷效果变差；水冷套管的导热效果较好，可以充分传导热量，达到最佳的制冷效果。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
1、改进后的制冷原件内部TiNi基记忆合金丝材发生形变的方式由扭转拉伸转变为扭转压缩，在保证卡诺效率不降低的前提下，提升整体结构的稳定性，以压缩形式对TiNi基丝材产生应力，纳米晶TiNi 基合金可以承受107次变形，完全可以满足弹热制冷的需要。且将TiNi 基丝材改为实心管，单个制冷原件能够吸收热量更多，也使得装置整体所需制冷原件个数减少，整体装置所需体积减少。
2、增加磁场由于TiNi基形状记忆合金具有低磁性的特点，外加磁场对内部合金的影响几乎可以忽略不计，同时外加S型管一方面能够使得冷水与空气充分接触，另一方面，在磁场发生器故障时也可以解决制冷不均匀问题且不增加太多成本。
附图说明
图1为本发明提出的组件分析模型图；
图2为本发明提出的TiNi基记忆合金固体制冷装置结构原理图；
图3为本发明提出的解决物理矛盾的技术路线；
图4为本发明提出的图矛盾分析；
图5为本发明提出的TiNi基弹热制冷原型机透视图；
图6为本发明提出的制冷原件透视；
图7为本发明提出的预案6的制冷均匀流程图；
图8为本发明提出的预案7的制冷均匀流程图；
图9为本发明提出的预案8的制冷均匀流程图；
图10为本发明提出的矛盾矩阵法；
图11为本发明提出的预案15的制冷均匀流程图；
图12为本发明提出的预案16的制冷均匀流程图；
图13为本发明提出的预案21的制冷均匀流程图；
图14为本发明提出的预案9的热能循环利用工艺流程图；
图15为本发明提出的预案10的热能循环利用工艺流程图；
图16为本发明提出的预案11的热能循环利用工艺流程图；
图17为本发明提出的基于预案5改进后制冷原件示意图；
图18为本发明提出的基于预案21改进后的混合系统空间示意图；
图19为本发明提出的基于预案10改进后的循环系统空间示意图；
图20为本发明提出的基于TRIZ理论设计的TiNi基弹热制冷装置内部原理图；
图21为本发明提出的TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置流程；
图22为本发明提出的基于TRIZ理论的TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置的概念图。
图中：101进水一口、进水二口102、出水一口103、出水二口 104、齿轮201、水冷套管202、端盖203、TiNi基记忆合金丝204、温度感应器205、1施加应力齿轮组、2S型管、3压力水泵、4制冷原件、5电动机、6磁场发生器、7热电转换器、8轮盘接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-22，基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置及其原型机的设计，包括包括旋转电机、水泵、温度传感器、TiNi基记忆合金丝材、齿轮、感应电子阀门和水冷套管等；
温度传感器对管内温度进行测量，防止管内温度过高或过低，对弹热效应的发生造成影响；
TiNi基合金丝材为主要制冷零件，在应力作用下发生相变、吸热，进行制冷；斜齿轮与旋转电机相连，为TiNi基合金丝材提供应力，发生扭转，斜齿轮上装有应力感应装置，保证电机对齿轮施加的应力保持在最佳范围内，从而保证弹热效应的最佳效果；
感应电子阀门主要是对水流速度进行监测，防止水流速度过大，与TiNi基合金丝材接触不充分，制冷效果变差；
水冷套管的导热效果较好，可以充分传到热量，达到最佳制冷效果(图5)，(图6)。
基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置原型机的设计，包括三个主要存在问题：TiNi基记忆合金丝材损耗问题，制冷不均衡问题，能量循环利用的问题。
TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置结构原理
图2为TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置核心制冷原件，其透视结构，主要有201齿轮、202水冷套管、203端盖、204TiNi基记忆合金丝、205温度感应器结构，端盖和水冷套管密封连接，TiNi基记忆合金丝一端固定，另一端与齿轮同轴连接。工作时，齿轮传递扭矩带动TiNi基记忆合金丝产生扭动形变，由于TiNi基记忆合金丝在受到拉伸作用时会放出热量而在恢复原样时会吸收周围热量，这样在 TiNi基记忆合金丝还原的时候会吸收水冷管中水的热量，使水的温度降低，进而起到制冷的作用。温度感应器主要起到对管内温度进行检测的作用，方便对于温度的控制。
图5，图6所示为TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置主体结构概念图，其主要有制冷原件303和305、金属挡板304、外壳301和302 组成，工作时，空气由进风口进入装置，之后会接触到装置内密布的制冷原件，TiNi基记忆合金丝恢复原样吸收周围热量，水冷套管温度降低，空气与其接触降温再由出风口派出。装置内设置金属板，使得空气流动呈“S”型路线，增大与制冷原件的接触时间，提高制冷降温的效率。
系统组件分析及功能模型建立
该系统作用对象为载冷剂，系统组件为：温度传感器、TiNi基记忆合金丝材、齿轮及其应力感应装置、感应电子阀门和金属导热管，其各组件间功能表见表。
将TiNi基合金弹热制冷装置中的各部分及其作用对象分解为不同的组件，通过各部分之间功能作用关系将各部分连接起来，获得组件分析模型，(图1)
由此可见：由于TiNi基合金丝材的应力施加方式，造成其制冷不均匀，使得制冷系数下降。
实施例1
依据功能分析得到预案1：将单头斜齿轮该换为双头斜齿轮，从两边进行施加应力，使施加在丝材上的应力均匀，从而使丝材制冷均匀。
TiNi基记忆合金丝材损耗问题
在本实验中，受到应力后TiNi基记忆合金丝材恢复原状可以吸收大量热量，达到制冷效果，为使TiNi基记忆合金丝材持续利用弹热效应进行制冷，就需要反复拉伸TiNi基记忆合金丝材，从而造成丝材损耗问题，导致制冷原件寿命变短。虽然通过一系列工艺对TiNi 基记忆合金进行性能优化，但是TiNi基记忆合金丝材损耗问题仍不可避免。本设计的关键在于解决既要有应力使拉伸的丝材恢复原状，又要缓解丝材损耗问题。
实施例2
依据因果分析得到预案2：对TiNi基记忆合金丝材进行结构改造，通过对TiNi基合金丝材进行50％以上的冷拉拔变形，优化丝材强度和超弹性，问题得以解决。
实施例3
依据因果分析得到预案3：在齿轮与丝材之间添加齿轮组以及分别与齿轮组和丝材相连的过渡隔板，使得变扭转拉伸为横向拉伸，减缓丝材的变形程度，问题得以解决。
实施例4
依据因果分析得到预案4：在TiNi基合金丝材外严密包裹具有良好延展性和导热性金属外壳，缓解原材料直接受到外力的冲力，问题得以解决。
实施例5
依据因果分析得到预案5：将TiNi基合金丝材改变为TiNi基合金金属管，在管两端加上齿轮，齿轮连接着带螺纹的柱体，由电动机带动齿轮转动，从而使得螺纹柱体旋转起来，达到压缩TiNi基合金金属管的效果，解决问题。
制冷不均衡问题
TiNi基记忆合金丝材在产生弹热效应时，由于丝材自身固有性质导致在不同位置吸热程度有明显差异，导致TiNi基记忆合金丝材上温度分布不均衡。由矛盾分析(图4)可知制冷原件内的液体与TiNi 基记忆合金丝材通过直接接触进行热量传递，进而导致液体的温度不均衡，且液体不能在短时间内混合均匀。当外界空气与制冷原件接触时制冷原件仍处于温度不均衡状态，这就会造成制冷效果不均衡的问题在原型机中增加制冷原件会使制冷不均衡问题得到一定缓解，但势必会增加多余的制冷原件导致浪费。由此可见：本设计的关键是在 TiNi基丝材自身固有性质特点的前提下，解决制冷不均匀的问题。
实施例6
依据因果分析得到预案6：在制冷原件内部液体水中增设自感应搅拌棒，在感应到一定温度时快速开启并使水的各部分温度快速达到同一温度，问题得以解决。
实施例7
依据因果分析得到预案7：在制冷原件两出水口外接S型管道通过S型管道与外界空气接触，进而改变外界空气温度，问题得以解决。
实施例8
依据因果分析得到预案8：在制冷原件液体中增加环形绝热管控制液体流向，使内部水充分混合之后，外部金属导热管才与空气接触，问题得以解决。
能量循环利用的问题
液体经进水口流入制冷原件后直接通过出水口流出，这样工艺流程简单且便于操作，但TiNi基记忆合金丝材直接与液体接触，TiNi 基记忆合金丝材扭转拉伸产生的热量会直接传递给液体，随着液体由出水口流出其携带的热能也一起流失，使得能量不能循环利用。虽然 TiNi基合金弹热制冷可以吸收大量热量，但是我们由于通过水与丝材直接接触，仍然不可忽视在丝材拉伸时放出的热量直接损失在冷水中。由此可见：本设计的关键是在达到制冷装置能够良好实现制冷效果的前提下，解决热量不能循环利用问题。
实施例9
根据因果分析得到预案9：在齿轮处增设两个压力传感器，且制冷原件内部水原本由整体分割为两部分，当压力传感器接受到信号时说明齿轮开始扭转拉伸记忆合金丝材，丝材放出热量，这时由进水一口101进水，出水一口103出水，热量得以传递至水中，输送至外界再加以转化为电能使系统更加省电。当压力传感器接收到信号时说明记忆合金丝材开始恢复原状吸收大量热量，这时由进水二口102进水，出水二口104出水，由于内部被分割为两部分，则进水一口101、出水一口103与进水二口102、出水二口104互不影响，问题得以解决。
实施例10
根据因果分析得到预案10：在记忆合金丝材末端加入温度传感器，时刻检测丝材温度变化，且制冷原件内部水原本由整体分割为两部分，温度升高时，由进水一口101进水，出水一口103出水，热量得以传递至水中，输送至外界再加以转化为能使系统更加省电。当温度降低时，由进水二口102进水，出水二口104出水，由于内部被分割为两部分，则进水一口101、出水一口103与进水二口102、出水二口104互不影响，问题得以解决(附图2)。
实施例11
根据因果分析得到预案11：在制冷原件中加入时间控制器，根据实验反复测量结果得到每个循环中拉伸与复原的精确时间，对应丝材实时状态，且制冷原件内部水原本由整体分割为两部分，处于丝材拉伸时间段内，由进水一口101进水，出水一口103出水，热量得以传递至水中，输送至外界再加以转化为电能使系统更加省电。处于丝材恢复原状时间段内，由进水二口102进水，出水二口104出水，由于内部被分割为两部分，则进水一口101、出水一口103与进水二口 102、出水二口104互不影响，问题得以解决(附图2)。
最终理想解分析
对TiNi基记忆合金丝材损耗问题采用最终理想解分析：TiNi基记忆合金在实现弹热效应同时可以持续工作无限长时间。
实施例12
依据理想解分析得到预案12：改变原材料，改用CuAlNi的形状记忆合金作为丝材的原料，该种材料具有优异的弹热性能且其制造成本低，可以在保持原有制冷效果不变的情况下，解决上述问题。
实施例13
依据理想解分析得到预案13：在制冷原件内加温度传感器，并将固体制冷装置内部所有制冷原件与轮盘连接，使其可以转动，在温度传感器中不再接受到温度变化信号时，说明内部TiNi基丝材需要及时更换，通过机械控制系统控制轮盘将制冷原件送至切口，切口外接制冷原件循环设备对其进行替换，问题得以解决。对制冷不均衡问题采用最终理想解分析：固体制冷装置制冷出风口制冷均匀。
实施例14
依据理想解分析得到预案14：改变TiNi基金属丝材为TiNi基金属薄片，通过外力对其同时进行横向拉伸与纵向拉伸，问题得以解决。
实施例15
依据理想解分析得到预案15：使得制冷原件在制冷装置内部通过机械系统控制，制冷装置内所有制冷原件按照一定规律循环转动，问题得以解决。
实施例16
依据理想解分析得到预案16：在制冷装置内部设置多层空气管道，每层空气管道覆盖部分制冷原件，每层空气管道有定时装置进行控制，分不同时间不同层管道依次向外释放冷空气，问题得以解决。
对热量不循环利用问题采用最终理想解分析：TiNi基记忆合金所产生热量最终转换为有用功。
实施例17
依据理想解分析得到预案17：在制冷原件内部增加两个温度传感器，温度传感器1时刻检测丝材温度变化，拟定出水一口103为热出水口，出水二口104为冷出水口，在温度升高时，先闭合出水一口 103，外通过压力水泵，迅速将冷水推出出水二口104，温度传感器2时刻检测水流温度，当水流温度由低温恢复至正常时，闭合出水二口 104，热水通过出水一口103流出，同理在温度传感器1检测到温度降低时外通过压力水泵迅速将热水推出出水一口103，问题得以解决。
解决TiNi基合金丝材寿命问题及丝材被拉伸放热影响制冷时物理矛盾的运用
分析TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置的原理不难得知，TiNi 基合金丝材发生损耗是由于TiNi基合金丝材需要受到应力作用反复进行拉伸-恢复的变形，这样会损害丝材的内部结构，导致合金丝材发生不可逆变形甚至发生断裂现象。但是弹式制冷的关键就是需要 TiNi基合金丝材受到应力发生形变，在此过程中吸热从而制冷。由此，能够总结出整个装置中存在着这样一对物理矛盾，即“TiNi基合金丝材需要受到应力形变吸热”和“TiNi基合金丝材长时间受到应力形变而产生损耗”之间的矛盾，这属于物理矛盾中的材料及能量类。
解决这一对物理矛盾的技术路线如图所示，根据矛盾双方的表现形式和具体特点，决定采用时间分离原理对两者进行调和。时间分离原理对应的发明原理关系如表所示，分析对比后从中选择发明原理 11-预先应急措施原理和发明原理15-动态化原理作为设计改进的指导思想。预先应急措施原理的关键在于对于低可靠性的物体采取预先防范或者采取备选的措施。动态化原理的告诉我们，在解决系统问题时可以让系统的一些特性柔性化。应用这两个原理我们得到了解决矛盾的方法预案(图3)
实施例18
依据物理矛盾得到预案18：应用时间分离原理所对应的发明原理中的预先应急措施原理，增加备用TiNi基丝材，同时改变制冷原件结构(如在端盖处不适用不易重复拆卸的胶质连接而是用螺纹密封橡圈连接、改变制冷原件筒一体封闭结构为可打开结构等)，使得TiNi 基丝材容易更换，当丝材发生损耗及时方便更换。
实施例19
依据物理矛盾得到预案19：应用时间分离原理所对应的发明原理中的动态化原理，通过实验探究，研发新型的TiNi基丝材(比如改变Ti、Ni含量比例、加入增强相)，增加TiNi基丝材的柔性、韧性和抗疲劳度，从而提高其寿命，减少丝材损耗。
TiNi基记忆合金在受到拉伸作用发生形变时会放热，在恢复原样时会吸热，本装置的核心原理就在于TiNi基记忆合金的这种弹热效应。然而本文所提到装置只要其制冷作用，也就是需要TiNi基记忆合金形变吸热降温。但是，TiNi基记忆合金丝材不可能一直处于恢复原样的过程状态，还需要有应力将其拉伸后才能在复原，这一过程必然会有放热效应。由此，能够得到此装置存在着“TiNi基记忆合金丝材被拉伸”和“TiNi基记忆合金丝材恢复原样”这样一对物理矛盾，这属于物理矛盾中的功能矛盾。
解决这一物理矛盾的技术路线也如图所示，根据矛盾双方的表现形式和具体特点，决定采用空间分离原尝试理解决这一物理矛盾。空间分离原理对应的发明原理关系如图所示，经过分析和思考后决定采用发明原理2-抽取原理作为指导思想。抽取原理的精髓有：将物体中“负面”的部分或者属性抽离出来。在本装置中，放热升温就是“负面”的属性，因此需要将其抽取出，由此启发我们得到了如下预案。
实施例20
依据物理矛盾得到预案20：应用空间分离原理所对应的发明原理中的抽取原理，由压力感应装置检测出TiNi基丝材被拉伸时，控制进水阀暂停输水，这样丝材放热没有水的介质传导，从而解决了丝材被拉伸放热对制冷产生反作用的问题。
解决TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置结构优化问题时技术矛盾的运用
TiNi基记忆合金固体弹热制冷主要是应用了TiNi基记忆合金丝材形变吸热的原理，但是由于丝材的各部分受力不均匀，势必会导致 TiNi基记忆合金丝材各处形变有所差异，这样也就会造成吸热有差异，制冷效应也就变得不均衡，要解决这一问题改变结构，必然会使的系统的复杂度增加。因此，能够总结出在开展TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置均匀制冷方面结构优化设计的过程中，存在着这样一对技术矛盾，即“TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置均匀制冷”和“TiNi 基记忆合金固体弹热制冷装置复杂度”之间的矛盾。
解决这一对技术矛盾可采用，其技术路线如图(10)所示。通过对优化过程的技术矛盾进行“从特殊到一般”的分析，能够从“48个特性参数”中找到与“TiNi基记忆合金固体弹热制冷装置均衡制冷”对应的特性参数是“39生产率”，而与“TiNi基记忆合金丝材受应力不均匀导致变形不均匀”对应的特性参数是“36系统的复杂性”，两个特性参数的矛盾矩阵如表所示。从表中能够看出，共有3个发明原理可以解决两者之间的技术矛盾，结合本文研究内容的实际特点，选择发明原理-机械系统的代替原理作为解决矛盾的指导思想。(图4)
实施例21
依据技术矛盾得到预案21：在金属导热管外加上规律变化的磁场，在水中加入铁磁性微小颗粒，颗粒将在磁场的变化下规律运动，加快水流流速，人为均匀化制冷效果。
技术方案整理与评价
TiNi基记忆合金丝材损耗问题预案及其评价
预案2
对TiNi基记忆合金丝材进行结构改造，通过对TiNi基合金丝材进行50％以上的冷拉拔变形优化丝材强度和超弹性，问题得以解决。但是需要一定的实验成本。评价：可用，通过改变TiNi基合金丝材的加工工艺和处理方法，可以提高材料的弹性，这样在受到应力时能有更好的变形适应性，从根本上提高TiNi基合金丝材的使用寿命。
预案3
在齿轮与丝材之间添加齿轮组以及分别与齿轮组和丝材相连的过渡隔板，使得变扭转拉伸为横向拉伸，减缓丝材的变形程度，问题得以解决。评价：可用，变扭转拉伸为横向拉伸可以减小丝材的形变，这样丝材受到同样应力作用时形变更小，TiNi基合金丝材的损耗减小，使用寿命也得以增加。
预案4
在TiNi基合金丝材外严密包裹具有良好延展性且良好导热性金属外壳，缓解原材料直接受到外力的冲力，问题得以解决。评价：可用，在丝材外严密包裹良好延展性和导热性的金属外壳，这样可以增强整体抵抗应力的能力，换句话说在受到应力作用时外包覆金属可以分担一部分应力作用，结果是TiNi基合金丝材的寿命有所提高。
预案12
改变原材料，改用CuAlNi的形状记忆合金作为丝材的原料，该种材料具有优异的弹热性能且其制造成本低，可以在保持原有制冷效果不变的情况下，解决上述问题。评价：可用，预案12改用CuAlNi 的形状记忆合金，虽然该合金的成本低，形状记忆和超弹性良好，但是其循环热稳定性差，脆性较大，还有待进一步研究。
预案13
在制冷原件内加温度传感器，并将固体制冷装置内部所有制冷原件与轮盘连接，使其可以转动，在温度传感器中不再接受到温度变化信号时，说明内部TiNi基丝材需要及时更换，通过机械控制系统控制轮盘将制冷原件送至切口，切口外接制冷原件循环设备对其进行替换，问题得以解决。评价：可用，案13相当于是将整个制冷原件作为替换单元，并且实现替换的全自动化，当发生丝材损耗的时候，在不影响其他制冷原件工作的同时将发生损耗的原件进行替换，虽然并没有提高单个丝材的使用寿命，但是解决了丝材损耗造成的问题，提高了装置效率。
预案18
应用时间分离原理所对应的发明原理中的预先应急措施原理，增加备用TiNi基丝材，同时改变制冷原件结构(如在端盖处不适用不易重复拆卸的胶质连接而是用螺纹密封橡圈连接、改变制冷原件筒一体封闭结构为可打开结构等)，使得TiNi基丝材容易更换，当丝材发生损耗及时方便更换。评价：可用，虽然这一方案并没有增加单个 TiNi基合金丝材的使用寿命，但是通过改变制冷装置结构，使其变得容易进行TiNi基合金丝材替换，相当于增加了整个制冷装置的使用寿命。
预案19
应用时间分离原理所对应的发明原理中的动态化原理，通过实验探究，研发新型的TiNi基丝材(比如改变Ti、Ni含量比例、加入增强相)，增加TiNi基丝材的柔性、韧性和抗疲劳度，从而提高其寿命，减少丝材损耗。评价：可用，对材料的微观结构和组成进行改变，研发新型的高柔性、高韧性、高抗疲劳度TiNi基丝材，这样能从根本上提高TiNi基丝材的寿命。但是需要一定的研发成本。
预案5
将TiNi基合金丝材改变为TiNi基合金金属管，在管两端加上齿轮，齿轮连接着带螺纹的柱体，由电动机带动齿轮转动，从而使得螺纹柱体旋转起来，达到压缩TiNi基合金金属管的效果，解决问题。评价：可用，对材料的施加应力的方式以及TiNi基合金的形状进行更改，从物理角度对问题进行分析解决，将丝材改变换为金属管，由拉伸方式换为压缩方式后，将减少因丝材拉伸过程中相互摩擦造成的丝材损耗。
TiNi基合金丝材损耗问题预案及其评分表
关于制冷均匀问题的预案及评价
预案6
在制冷原件内部液体水中增设自感应搅拌棒，在感应到一定温度时快速开启并使水的各部分温度快速达到同一温度，问题得以解决。 (图7)评价：可用，预案1增加了自感应搅拌棒，使得TiNi基合金弹热制冷装置的制冷原件内水流增快，使得制冷均衡，但是增加了装置的复杂性，增加了生产成品。
预案7
在制冷原件两出水口外接S型管道，通过S型管道去与外界空气接触，进而改变外界空气温度，问题得以解决。(图8)评价：可用，增加了一个S型管道，则制冷原件不直接与外界空气直接接触，进行热量交换，而通过S型管道与外界接触，则可以改善制冷不均的问题。
预案8
在制冷原件液体中增加半封闭环形绝热管控制液体流向，使内部水充分混合之后，外部金属导热管才与空气接触，问题得以解决。(图 9)评价：可用，但存在不足，增加半封闭环形绝热管，大大增加了装置的复杂性，但可使制冷更均匀。
预案14
改变TiNi基金属丝材为TiNi基金属薄片，通过外力对其同时进行横向拉伸与纵向拉伸，问题得以解决。评价：不可用。该预案可实施性小，TiNi基金属薄片难以进行固定，在拉伸时形变会变小，不利于发生最佳效果的弹热效应，对解决制冷均匀这一问题不利，故不可用。
预案15
使得制冷原件在制冷装置内部通过机械系统控制，制冷装置内所有制冷原件按照一定规律循环转动，问题得以解决(图11)评价：可用，将与制冷原件进行完全热量交换的空气进行混合，可以人为解决制冷原件制冷不均匀的问题。
预案16
在制冷装置内部设置多层空气管道，每层空气管道覆盖部分制冷原件，每层空气管道有定时装置进行控制，分不同时间不同层管道依次向外释放冷空气，问题得以解决，(图12)。评价：可用，待管内空气混合均匀后，多个管道分批依次向外释放冷空气，可解决制冷不均匀的问题。
预案17
将单头斜齿轮该换为双头斜齿轮，从两边进行施加应力，使施加在丝材上的应力均匀，从而使丝材制冷均匀。评价：可用，双向施加应力可使丝材各处受力更均匀，从而使丝材各处制冷更均匀，解决问题。
预案21
在金属导热管外加上规律变化的磁场，在水中加入铁磁性微小颗粒，颗粒将在磁场的变化下规律运动，加快水流流速，人为均匀化制冷效果，(图13)。评价：可用，但利用变化的磁场和铁磁性小颗粒可能会有涡流效应产生，发热，不利于制冷效果。
制冷不均匀问题预案及其评分表
注：从四项进行考评，每项满分3分，各预案相互比较给出分数热量不能循环利用的预案及评价
预案9
在齿轮处增设2个压力传感器，且制冷原件内部水原本由整体分割为两部分，当压力传感器1接受到信号时说明齿轮开始扭转拉伸记忆合金丝材，丝材放出热量，这时由进水一口101进水，出水一口103出水，热量得以传递至水中，输送至外界再加以转化为电能使系统更加省电。当压力传感器2接收到信号时说明记忆合金丝材开始恢复原状吸收大量热量，这时由进水二口102进水，出水二口104出水，由于内部被分割为两部分，则进水一口101、出水一口103与进水二口102、出水二口104互不影响，问题得以解决(图14)。评价：可用，预案9在齿轮处增加两个压力传感器，且将液体水分成两部分，分离出TiNi基记忆合金丝材扭转拉伸时放出的热量，使得能量可以循环，但是此过程中如何将水分成不互相干扰的两部分存在一定难度。
预案10
在记忆合金丝材末端加入温度传感器，时刻检测丝材温度变化，且制冷原件内部水原本由整体分割为两部分，温度升高时，由进水一口101进水，出水一口103出水，热量得以传递至水中，输送至外界再加以转化为电能使系统更加省电。当温度降低时，由进水二口102 进水，出水二口104出水，由于内部被分割为两部分，则进水一口 101、出水一口103与进水二口102、出水二口104互不影响，问题得以解决(图15)，评价：可用，预案10将液体水分成两部分，且通过制冷原件中原有的温度传感器时刻检测水的温度，分离出TiNi 基记忆合金丝材扭转拉伸时放出的热量，使得能量可以循环，此方案需对装置内部做出较大改动，将水分成互不干扰的两部分。
预案11
在制冷原件中加入时间控制器，根据实验反复测量结果得到每个循环中拉伸与复原的精确时间，对应丝材实时状态，且原型机内部水原本由整体分割为两部分，处于丝材拉伸时间段内，由进水一口101 进水，出水一口103出水，热量得以传递至水中，输送至外界再加以转化为电能使系统更加省电。处于丝材恢复原状时间段内，由进水二口102进水，出水二口104出水，由于内部被分割为两部分，则进水一口101出水一口103与进水二口102、出水二口104互不影响，问题得以解决，(图16)评价：不可用，TiNi基记忆合金丝材扭转拉伸与回复过程均在短时间内完成，且实验中测出的数据均存在不可避免的系统误差，使得时间控制器想要精确对应材料实时状态的难度提升。
预案17
在制冷原件内部增加两个温度传感器，温度传感器1时刻检测丝材温度变化，拟定出水一口103为热出水口，出水二口104为冷出水口，在温度升高时，先闭合出水一口103，外通过压力水泵，迅速将冷水推出出水二口104，温度传感器2时刻检测水流温度，当水流温度由低温恢复至正常时，闭合出水二口104，热水通过出水一口103流出，同理在温度传感器1检测到温度降低时外通过压力水泵迅速将热水推出出水一口103，问题得以解决。评价：可用，预案17增加两个温度传感器，通过控制液体水的流向严格地将TiNi基记忆合金丝材扭转拉伸与复原两个过程中水交换的能量分开，减少能量损耗。但由于TiNi 基记忆合金丝材置于制冷原件中与液体水直接接触，所以测量TiNi 基记忆合金丝材温度变化的温度传感器1会受到水温影响，导致测量出现误差表。
热量不能循环利用预案评分表
最终确定方案
基于预案5的TiNi基丝材损耗问题的优化结论
改进后的制冷原件内部TiNi基记忆合金丝材发生形变的方式由扭转拉伸转变为扭转压缩，在保证卡诺效率不降低的前提下，提升整体结构的稳定性，以压缩形式对TiNi基丝材产生应力，纳米晶TiNi基合金可以承受107次变形，完全可以满足弹热制冷的需要。且讲TiNi基丝材改为实心管，单个制冷原件能够吸收热量更多，也使得装置整体所需制冷原件个数减少，整体装置所需体积减少。针对该问题改进后制冷原件如下图(图17)
基于预案21的制冷不均匀问题的优化结论
针对该问题，经分析得知，制冷原件制冷不均匀的问题主要由于原件内 TiNi基金属丝材各个部分受到不同大小应力进而产生不同程度应变而造成，故为要解决这个问题，设计铁磁性物质外加磁场使得铁磁性物质在制冷原件中快速旋转使得制冷原件内部水快速混合均匀，从而问题得以解决。增加磁场由于TiNi基形状记忆合金具有低磁性的特点，外加磁场对内部合金的影响几乎可以忽略不计，同时外加S型管一方面能够使得冷水与空气充分接触，另一方面，在磁场发生器故障时也可以解决制冷不均匀问题的优化结论且不增加太多成本(图18)
基于预案10的热量循环利用问题的优化结论
改进后的制冷原件通过外加压力水泵控制将之前的液体水分为两部分，与TiNi基记忆合金丝材扭转拉伸时进行热量传递的部分水将输送至外界进行进一步的能量转换，使热能转化为电能，同时转化后的水温度恢复常温后再次流入制冷原件进行循环。(图19)。
总结
围绕本项目所面临的三个问题进行TRIZ理论分析，分别得到预案 5，预案21，预案10。结合三个预案我们可以设计出如下TiNi基弹热制冷装置内部原理图(图20)，(图21)，最终产品(图22)。
Claims (2)
1.基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置，其特征在于，包括旋转电机、水泵、温度传感器、TiNi基记忆合金丝材、齿轮、感应电子阀门和水冷套管等；
温度传感器对管内温度进行测量，防止管内温度过高或过低，对弹热效应的发生造成影响；
TiNi基合金丝材为主要制冷零件，在应力作用下发生相变、吸热，进行制冷；斜齿轮与旋转电机相连，为TiNi基合金丝材提供应力，发生扭转，斜齿轮上装有应力感应装置，保证电机对齿轮施加的应力保持在最佳范围内，从而保证弹热效应的最佳效果；
感应电子阀门主要是对水流速度进行监测，防止水流速度过大，与TiNi基合金丝材接触不充分，制冷效果变差；
水冷套管的导热效果较好，可以充分传导热量，达到最佳制冷效果。
2.基于TiNi基合金弹热效应新型固体制冷装置原型机的设计，包括三个主要存在问题：
1)TiNi基记忆合金丝材损耗问题；
2)制冷不均衡问题；
3)能量循环利用问题。
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