CN113587489A - 一种基于压热效应的室温压卡制冷机 - Google Patents

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宋睿琪
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices

Abstract

本发明公开了一种基于压热效应的室温压卡制冷机，属于制冷机技术领域。该制冷机包括高精密高压电动注射泵、压卡元件、换热流体、冷端换热器和热端换热器，通过压卡工质在高压注射泵的作用下会由于相变产生加压放热和卸压吸热现象，所述的换热流体在压卡制冷工质间往复流动而云再出热量和冷量。本发明中的高精密高压电动注射泵为压卡制冷循环提供压力，压力恒定输出。加压形式为液体压力，很好的改善了机械压力传递不均匀的缺陷，加压用油同时作为换热流体，与样品直接接触，将压力驱动的热量与冷量直接带入热端、冷端换热器中完成循环，减小了热量的损耗。

Description

一种基于压热效应的室温压卡制冷机
技术领域
本发明涉及制冷机技术领域，具体涉及一种基于压热效应的室温压卡制冷机。
背景技术
现代社会，制冷技术已经渗透到各生产技术及科学领域中，然而当前大量使用的传统气体压缩技术采用的常见制冷剂如氯氟碳化物(CFC)、氢氯氟碳化物(HCFC)都对臭氧层有不同程度的破坏作用，不符合当前大环境环保、绿色、节能的健康理念。
在此背景下，发展和研究环境友好型的制冷技术成为制冷技术革新的重要研究方向。目前有新型固态研究制冷技术在研发阶段，因具有零温室效应潜能(GWP)的优势，被认为是最有可能取代传统气体压缩的制冷方式之一。其中固态制冷技术原理基于不同的热效应可分为如下：磁热效应、电热效应、弹热效应以及压热效应。固态相变制冷材料的性能与液态制冷剂相比存在巨大差距，成为限制该技术走向应用的瓶颈之一。
压卡制冷效应是在材料的选择上更为广泛，且近期有科学家发现在塑晶材料中其最高等温熵变可以达到687J kg-1K-1，相比传统固态制冷材料高出一个数量级，与传统商业用液体制冷剂接近，驱动条件便于实现，材料易获得且价格低廉，便于实现应用。在该技术中，对塑晶材料施加压力或去除压力场时，材料会由于相的改变而产生吸热或放热现象，从而通过与负载进行热量交换而完成制冷或制热效应，该过程被称为压热效应。压热效应的热力学循环过程与逆卡诺循环一致。基于上述在室温条件下具有较高等温熵变的材料的产生，需要开发相应的制冷设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压热效应的室温压卡制冷机，该制冷机是基于上述压卡热效应原理，利用对压卡材料加压后吸热升温、卸压降温放热的特点，在室温环境下，利用高精密高压注射泵为材料提供对应的相变压力条件，便可以在系统内获得冷量与热量，并利用流体在系统中贯穿循环将热量带到高温热源端，将冷量带到冷端负载端，完成整个制冷循环。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于压热效应的室温压卡制冷机，包括高精密高压电动注射泵、压卡元件、换热流体、冷端换热器和热端换热器；其中：
压卡元件：为具有圆柱状腔体的筒体结构，腔体内装有固态制冷工质，该筒状结构的侧壁上部设有热端出液管和冷端出液管，侧壁下部设有热端进液管和冷端进液管，侧壁中部设有进油口；其中：热端出液管、冷端出液管、热端进液管和冷端进液管上均设有压力控制阀；
高精密高压电动注射泵：用于为压卡元件提供恒定压力；该注射泵上端的注油管与压卡元件中的进油口相连接，用于向压卡元件的腔体内注射加压用油，该加压用油同时作为换热流体，与固态制冷工质直接接触；
热端换热器：压卡元件的热端出液管与热端换热器的进液口相连接，热端换热器的出液口与压卡元件的热端进液管相连接，从而形成热交换回路；
冷端换热器：压卡元件的冷端出液管与冷端换热器的进液口相连接，冷端换热器的出液口与压卡元件的冷端进液管相连接，从而形成热交换回路。
所述固态制冷工质为碳硼烷材料、NaPF6、KPF6、NaSbF6或KSbF6，所述固态制冷工质的工作温度为室温，施加的驱动压力为0.1MPa～400MPa。所述换热流体为抗磨液压油。
所述压卡元件是由耐高压不锈钢制成，其筒体结构的底部密封，顶端设有可拆卸的腔体上盖，固态制冷工质放置于圆柱状腔体内部；压卡元件的热端出液管、冷端出液管、热端进液管和冷端进液管内均设有密封过滤网，可以防止固态制冷工质在加压过程中发生位置的移动，同时还能避免因为固态制冷工质间的碰撞而产生的碎屑随流体流走堵塞管路；所述筒体结构顶端与腔体上盖之间采用橡胶圈密封，防止加压用油从圆柱状腔体内流出，在系统运行过程中，整个压卡元件固定放置于平面上。
所述压卡元件的热端出液管上还设有液压泵，以使压卡元件中的换热流体在液压泵的作用下流入热端换热器，而热端换热器中的换热流体被推动流入压卡元件中，并持续此循环过程；所述压卡元件的冷端出液管上也设有液压泵，以使压卡元件中的换热流体在液压泵的作用下流入冷端换热器，而冷端换热器中的换热流体被推动流入压卡元件中，并持续此循环过程。
所述冷端换热器包括立方形腔体Ⅰ和腔体Ⅰ内的换热管路Ⅰ，所述换热管路Ⅰ呈U形排布，换热管路Ⅰ分别连接冷端换热器的进液口和出液口；腔体Ⅰ内设有若干平板夹层(平板夹层上面可以放置待制冷物品)，换热管路Ⅰ在平板夹层内排布；立方形腔体Ⅰ的顶端安装有温度传感器，用于将腔体Ⅰ内温度实时反馈至控制系统。
所述热端换热器包括立方形腔体Ⅱ和腔体Ⅱ内的换热管路Ⅱ，换热管路Ⅱ呈螺旋状排布，换热管路Ⅱ分别连接热端换热器的进液口和出液口；腔体Ⅱ的外壳设计为镂空结构，以便于内部换热，腔体Ⅱ顶端置有风扇便于热端换热器完成与空气的热交换；腔体Ⅱ顶端安装有温度传感器，用于将腔体Ⅱ的温度实时反馈至控制系统。
所述电控柜包括PLC控制模块(控制系统)，压力控制阀与温度传感器与PLC控制模块电连接；所述电控柜用于控制压力控制阀的开启、关闭以及流量调节，同时能够实时监测温度传感器传输的压卡元件内换热流体温度信息。
本发明的优点如下：
1、本发明制冷机通过压卡工质在高压注射泵的作用下由于相变产生加压放热和卸压吸热现象，所述的换热流体在压卡制冷工质间往复流动而交换热量和冷量。
2、本发明中的高精密高压电动注射泵为压卡制冷循环提供压力，压力恒定输出。加压形式为液体压力，很好的改善了机械压力传递不均匀的缺陷，加压用油同时作为换热流体，与制冷工质直接接触，将压力驱动的热量与冷量直接带入热端、冷端换热器中完成循环，减小了热量的损耗。
3、本发明致冷机配合电控柜、压力控制阀及温度传感器使得本发明中的压卡制冷机具有智能调控、方便操作等优势。当制冷机内的换热流体由于压力驱动在管路内流通时，温度传感器与压力控制阀将相应信号传递至电控柜，实现温度和压力的实时监测，并能控制阀门按设定程序开启和关闭，通过高精密高压电动注射泵使在压卡元件内部的压卡材料(制冷工质)受压及卸压从而产生压热现象，实现制冷循环过程。
附图说明
图1为本发明基于压热效应的压卡制冷机整体结构示意图。
图2为本发明压卡制冷机中高精密高压电动注射泵结构示意图。
图3为本发明压卡制冷机中压卡元件结构示意图。
图4为本发明压卡制冷机中冷端换热器结构示意图。
图5为本发明压卡制冷机中热端换热器结构示意图。
图6为本发明压卡制冷机中电控柜结构示意图。
图中：1-电动注射泵；101-注油管；2-压卡元件；201-腔体上盖；202-圆柱状腔体；203-冷端出液管；204-冷端进液管；205-进油口；206-热端进液管；207-热端出液管；3-冷端换热器；301-冷端换热器出液口；302-换热管路Ⅰ；303-冷端换热器进液口；304-腔体Ⅰ；4-热端换热器；401-腔体Ⅱ；402-换热管路Ⅱ；403-风扇；5-电控柜；6-压力控制阀；7-温度传感器。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供一种基于压热效应的室温压卡制冷机，如图1所示。该压卡制冷机包括高精密高压电动注射泵1、压卡元件2、换热流体、冷端换热器3和热端换热器4；各部分结构具体如下：
如图2所示，所述高精密高压电动注射泵(北京宜捷材料科技有限公司，HP350A)用于为压卡元件2提供恒定压力；该电动注射泵1上端的注油管101与压卡元件中的进油口205相连接，用于向压卡元件的腔体内注射加压用油；
如图3所示，所述压卡元件为具有圆柱状腔体202的筒体结构，腔体内装有固态制冷工质，该筒状结构的侧壁上部设有热端出液管207和冷端出液管203，该筒状结构的侧壁下部设有热端进液管206和冷端进液管204，侧壁中部设有进油口205，由进油口注入的加压用油同时作为换热流体，与固态制冷工质直接接触。所述热端出液管、冷端出液管、热端进液管和冷端进液管上均设有压力控制阀6，用于控制流体的开关及流体流量调节；所述压卡元件是由耐高压不锈钢制成，其筒体结构的底部密封，顶端设有可拆卸的腔体上盖201，筒体结构顶端与腔体上盖201之间采用橡胶圈密封，防止加压用油从圆柱状腔体202内流出；压卡元件的热端出液管、冷端出液管、热端进液管和冷端进液管内均设有密封过滤网，可以防止固态制冷工质在加压过程中发生位置的移动，同时还能避免因为固态制冷工质间的碰撞而产生的碎屑随流体流走堵塞管路；在系统运行过程中，整个压卡元件固定放置于水平面上。所述压卡元件的热端出液管上设有液压泵，以使压卡元件中的换热流体在液压泵的作用下流入热端换热器，而热端换热器中的换热流体被推动流入压卡元件中，并持续此循环过程；所述压卡元件的冷端出液管上设有液压泵，以使压卡元件中的换热流体在液压泵的作用下流入冷端换热器，而冷端换热器中的换热流体被推动流入压卡元件中，并持续此循环过程。
如图4所示，所述冷端换热器3包括立方形腔体Ⅰ304和腔体Ⅰ内的换热管路Ⅰ302，所述换热管路Ⅰ302呈U形排布，换热管路Ⅰ分别连接冷端换热器进液口303和冷端换热器出液口301，冷端换热器进液口303和冷端换热器出液口301分别与压卡元件的冷端出液管和冷端进液管相连通，从而形成热交换回路。腔体Ⅰ内设有若干平板夹层(平板夹层上面可以放置待制冷物品)，换热管路Ⅰ在平板夹层内排布；立方形腔体Ⅰ的顶端安装有温度传感器7，用于将腔体Ⅰ内温度实时反馈至控制系统。
如图5所示，所述热端换热器4包括立方形腔体Ⅱ401和腔体Ⅱ内的换热管路Ⅱ402，换热管路Ⅱ呈螺旋状排布，换热管路Ⅱ分别连接热端换热器的进液口和出液口，进液口和出液口分别连接压卡元件的热端出液管与热端进液管，从而形成热交换回路；腔体Ⅱ的外壳设计为镂空结构，以便于内部换热，腔体Ⅱ顶端置有风扇403便于热端换热器完成与空气的热交换；腔体Ⅱ顶端安装有温度传感器，用于将腔体Ⅱ的温度实时反馈至控制系统。
本发明室温压卡制冷机还包括电控柜5，所述电控柜包括PLC控制模块(控制系统)，压力控制阀6与温度传感器7与PLC控制模块电连接；所述电控柜用于控制压力控制阀的开启、关闭以及流量调节，同时能够实时监测温度传感器传输的压卡元件内换热流体温度信息。
本发明中所述固态制冷工质采用能在常温条件下基于压卡效应实现致冷效果的材料，如优选为碳硼烷材料、NaPF6、KPF6、NaSbF6或KSbF6，工作温度为室温，施加的驱动压力为0.1MPa～400MPa；使用的换热流体为抗磨液压油。
本发明压卡致冷机工作过程如下：
根据所使用的固态制冷工质在常温条件下的驱动压力和致冷区间，设定高精密高压注射泵1的驱动压力值。高精密高压注射泵1上部的注油管11向压卡元件的进油口25将常温的换热流体泵入压卡元件2、热端换热器3和冷端换热器4中，直至压卡元件内所有制冷工质被换热流体覆盖。
开始循环时首先关闭压卡元件2与热端换热器3及冷端换热器4间的压力控制阀门，使用高压精密注射泵给压卡元件2中的制冷工质加压直至达到相变压力，此时压卡材料发生相变温度上升，此时压卡元件2中的换热流体与制冷工质换热，温度上升，等待换热完成整个腔体内的流体温度都上升至不变后，打开压卡元件2与热端换热器3之间的压力控制阀门6，再打开连接在压卡元件2与热端换热器3间的液体泵，使得压卡元件2中的高温流体在泵的作用下流入热端换热器3中，与外界环境在顶端风扇的作用下进行热交换，而热端换热器3中的常温流体被推动流入压卡元件2中。持续此循环过程直至两腔体内的流体温度一致，恢复到室温。
此时关闭压卡元件2与热端换热器3间的压力控制阀门，由高精密高压注射泵1将压卡元件2中的压力降至常压，此时压卡材料卸压后吸热温度降低，待换热完成，整个腔体内的流体温度都下降至不变后，打开压卡元件2与冷端换热器之间连接的压力控制阀门，打开连接在压卡元件2与冷端换热器4间的液体泵，使得压卡元件2中的低温流体在泵的作用下流入冷端换热器4中，将冷量传递给负载(平板夹层上放置的物品)，而冷端换热器4中的常温流体流入压卡元件2中，如此循环直至两端温度恢复至环境温度。左右两端换热循环连续交替运行，可实现冷端负载的温度连续下降知道达到预期降温温度。

Claims (8)

1.一种基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：该压卡制冷机包括高精密高压电动注射泵、压卡元件、换热流体、冷端换热器和热端换热器；其中：
压卡元件：为具有圆柱状腔体的筒体结构，腔体内装有固态制冷工质，该筒状结构的侧壁上部设有热端出液管和冷端出液管，侧壁下部设有热端进液管和冷端进液管，侧壁中部设有进油口；其中：热端出液管、冷端出液管、热端进液管和冷端进液管上均设有压力控制阀；
高精密高压电动注射泵：用于为压卡元件提供恒定压力；该注射泵上端的注油管与压卡元件中的进油口相连接，用于向压卡元件的腔体内注射加压用油，该加压用油同时作为换热流体，与固态制冷工质直接接触；
热端换热器：压卡元件的热端出液管与热端换热器的进液口相连接，热端换热器的出液口与压卡元件的热端进液管相连接，从而形成热交换回路；
冷端换热器：压卡元件的冷端出液管与冷端换热器的进液口相连接，冷端换热器的出液口与压卡元件的冷端进液管相连接，从而形成热交换回路。
2.根据权利要求1所述的基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：所述固态制冷工质为碳硼烷材料、NaPF6、KPF6、NaSbF6或KSbF6，所述固态制冷工质的工作温度为室温，施加的驱动压力为0.1MPa～400MPa。
3.根据权利要求1所述的基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：所述压卡元件是由耐高压不锈钢制成，其筒体结构的底部密封，顶端设有可拆卸的腔体上盖，固态制冷工质放置于圆柱状腔体内部；压卡元件的热端出液管、冷端出液管、热端进液管和冷端进液管内均设有密封过滤网，可以防止固态制冷工质在加压过程中发生位置的移动，同时还能避免因为固态制冷工质间的碰撞而产生的碎屑随流体流走堵塞管路；所述筒体结构顶端与腔体上盖之间采用橡胶圈密封，防止加压用油从圆柱状腔体内流出，在系统运行过程中，整个压卡元件固定放置于平面上。
4.根据权利要求1所述的基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：所述压卡元件的热端出液管上设有液压泵，以使压卡元件中的换热流体在液压泵的作用下流入热端换热器，而热端换热器中的换热流体被推动流入压卡元件中，并持续此循环过程；所述压卡元件的冷端出液管上设有液压泵，以使压卡元件中的换热流体在液压泵的作用下流入冷端换热器，而冷端换热器中的换热流体被推动流入压卡元件中，并持续此循环过程。
5.根据权利要求1所述的基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：所述冷端换热器包括立方形腔体Ⅰ和腔体Ⅰ内的换热管路Ⅰ，所述换热管路Ⅰ呈U形排布，换热管路Ⅰ分别连接冷端换热器的进液口和出液口；腔体Ⅰ内设有若干平板夹层，换热管路Ⅰ在平板夹层内排布；立方形腔体Ⅰ的顶端安装有温度传感器，用于将腔体Ⅰ内温度实时反馈至控制系统。
6.根据权利要求1所述的基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：所述热端换热器包括立方形腔体Ⅱ和腔体Ⅱ内的换热管路Ⅱ，换热管路Ⅱ呈螺旋状排布，换热管路Ⅱ分别连接热端换热器的进液口和出液口；腔体Ⅱ的外壳设计为镂空结构，以便于内部换热，腔体Ⅱ顶端置有风扇便于热端换热器完成与空气的热交换；腔体Ⅱ顶端安装有温度传感器，用于将腔体Ⅱ的温度实时反馈至控制系统。
7.根据权利要求5或6所述的基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：所述电控柜包括PLC控制模块(控制系统)，压力控制阀与温度传感器与PLC控制模块电连接；所述电控柜用于控制压力控制阀的开启、关闭以及流量调节，同时能够实时监测温度传感器传输的压卡元件内换热流体温度信息。
8.根据权利要求1所述的基于压热效应的室温压卡制冷机，其特征在于：所述换热流体为抗磨液压油。
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