CN115342566B - 基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置及蓄冷方法 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置及蓄冷方法，装置包括平行设置的两根丝杠，两根丝杠上均设置有齿轮，且两根丝杠上的齿轮相互啮合，其中一根丝杠与电机的转轴相连；两根丝杠上的同一位置加工有旋向相反的螺纹段，并且在两根丝杠的螺纹段上跨接一个丝杠滑块，丝杠滑块能够沿螺纹段进行平移；还包括与两根丝杠平行设置的形状记忆合金管束，形状记忆合金管束的一端连接在丝杠滑块上，另一端保持固定；形状记忆合金管束的两端分别连接导流管形成入水端与出水端；形状记忆合金管束在电机正转时被丝杠滑块压缩并向环境散热，形状记忆合金管束在电机反转时恢复原长并向管内水流吸热。本发明结构简单，装置紧凑，解决了小型饮水机制备冷水的需求。

Description

基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置及蓄冷方法

技术领域

本发明属于制冷与蓄冷技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置及蓄冷方法。

背景技术

传统的饮水机只设置有两个出水档位——开水档与常温水档，并不具有制备冷水的功能。而用户对于饮水机制冷水功能的需求日益增大，现有的饮水机制冷技术多采用半导体制冷系统和压缩机制冷系统。其中，半导体制冷的制冷能力弱、耗电量大，且冷端温度极易受热端温度以及环境温度影响，置于饮水机腔体内的半导体冷却系统为了解决热端散热问题还需额外配备风扇进行散热，无形中又增大了耗电量。而压缩机制冷系统包含压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器，系统过于庞大，不利于小型饮水机的冷水制备。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中为传统小型饮水机制备冷水的装置系统复杂、结构繁琐而庞大的问题，提供一种基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置及蓄冷方法，基于形状记忆合金的弹热效应，实现便捷制备冷水，解决用户对冷水饮用的需求。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置，包括平行设置的两根丝杠，两根丝杠上均设置有齿轮，且两根丝杠上的齿轮相互啮合，其中一根丝杠与电机的转轴相连；所述两根丝杠上的同一位置加工有旋向相反的螺纹段，并且在两根丝杠的螺纹段上跨接一个丝杠滑块，所述丝杠滑块能够沿螺纹段进行平移；还包括与两根丝杠平行设置的形状记忆合金管束，所述形状记忆合金管束的一端连接在丝杠滑块上，另一端保持固定；形状记忆合金管束的两端分别连接导流管形成入水端与出水端；所述形状记忆合金管束在电机正转时被丝杠滑块压缩并向环境散热，形状记忆合金管束在电机反转时恢复原长并向管内水流吸热。

作为本发明的一种优选方案，所述两根丝杠固定在底座上，底座包括底面以及相对设置在底面两端的竖直侧壁，丝杠的两端通过轴承安装在底座的两个竖直侧壁上；所述形状记忆合金管束保持固定的一端连接在底座的竖直侧壁上，丝杠滑块以及底座的竖直侧壁分别开设有与形状记忆合金管束连通的孔口，导流管设置在孔口的外部。

作为本发明的一种优选方案，水流从底座的竖直侧壁孔口外侧的导流管依次流经底座的竖直侧壁孔口、形状记忆合金管束、丝杠滑块孔口，最后由丝杠滑块孔口外侧的导流管流出。

作为本发明的一种优选方案，所述形状记忆合金管束的两端分别通过卡槽与丝杠滑块以及底座的竖直侧壁固定；通过卡槽使形状记忆合金管束的两端分别与丝杠滑块以及底座的竖直侧壁孔口正对。

作为本发明的一种优选方案，所述齿轮均通过键连接固定在两根丝杠的一端。

作为本发明的一种优选方案，所述形状记忆合金管束的奥氏体终止温度低于-5℃，电机未启动时处于奥氏体状态，被丝杠滑块压缩后处于马氏体状态。

一种所述基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置的蓄冷方法，包括以下步骤：

不需要冷水时的形状记忆合金管束储能过程：控制电机正转，带动与电机转轴相连的一根丝杠旋转，再通过两根丝杠上的齿轮啮合传动，丝杠滑块被两根丝杠带动沿螺纹段进行平移，形状记忆合金管束被丝杠滑块压缩而产生形变，丝杠滑块水平移动到指定位置时电机停机，形状记忆合金管束保持在受压状态；在压应力的驱动下，形状记忆合金管束发生相变，由奥氏体相变为马氏体相，相变过程形状记忆合金管束将潜热释放到环境中，最终复原到环境温度；

需要饮用冷水时的形状记忆合金管束冷量释放过程：控制电机反转，带动与电机转轴相连的一根丝杠旋转，再通过两根丝杠上的齿轮啮合传动，丝杠滑块被两根丝杠带动沿螺纹段进行平移，形状记忆合金管束的应力卸载并恢复原长，应力卸载过程的形状记忆合金管束发生逆相变，由马氏体相变为奥氏体相，形状记忆合金管束的温度降低，常温水流由入水端的导流管流入形状记忆合金管束，被形状记忆合金管束冷却，再由出水端的导流管流出。

作为本发明的一种优选方案，所述需要饮用冷水时的形状记忆合金管束冷量释放过程中，用户按下冷水按钮，在电机反转的同时，水槽内的常温水流由入水端的导流管流入形状记忆合金管束。

作为本发明的一种优选方案，流经形状记忆合金管束的常温水流冷却后在出水端温度进入设定出水温区时开始出水，完成一次出水任务时停止出水。

相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

现有的通过基于帕尔贴效应的半导体冷却或者通过蒸汽压缩式制冷系统冷却的饮水机蓄冷装置，前者的局限性在于半导体制冷的制冷能力弱、耗电量大，且冷端温度极易受热端温度以及环境温度影响，为了解决热端散热问题还需额外配备风扇进行散热，无形中增大了耗电量；后者的缺陷是压缩机制冷系统包含压缩机、冷凝器、毛细管和蒸发器，系统过于庞大，不利于小型饮水机的冷水制备。本发明基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置利用形状记忆合金的弹热效应，在用户不需要饮用冷水时，电机正转，通过齿轮的传动作用带动丝杠同时驱动丝杠滑块压缩形状记忆合金管束，并将形状记忆合金管束维持在加载状态，利用环境自然冷却形状记忆合金管束。当用户需要饮用冷水时，缓慢卸载形状记忆合金管束上的应力，形状记忆合金可以均匀地冷却形状记忆合金管束内的流水，在出水时间内出水温度较为稳定。本发明饮水机蓄冷装置的系统紧凑，结构简单，储能效率高，受环境影响小。

附图说明

图1本发明基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置立体结构示意图；

图2本发明形状记忆合金管束卸载状态下饮水机蓄冷装置的正视示意图；

图3本发明形状记忆合金管束卸载状态下饮水机蓄冷装置的俯视示意图；

图4本发明形状记忆合金管束加载状态下饮水机蓄冷装置的正视示意图；

图5本发明饮水机蓄冷装置弹热制冷循环过程中的循环应力-温度示意图；

附图中：101-底座；102-第一丝杠；103-第二丝杠；104-丝杠滑块；105-形状记忆合金管束；106-电机；107-齿轮；108-卡槽；109-导流管。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明实施例基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置，包括平行设置的两根丝杠，分别为第一丝杠102和第二丝杠103，所述第一丝杠102与第二丝杠103通过滚动轴承架在底座101上，运动的第一丝杠102、第二丝杠103与静止不动的底座101之间放置了一个止推轴承，第一丝杠102、第二丝杠103的轴肩与止推轴承相接，限制了第一丝杠102、第二丝杠103的水平运动，使得第一丝杠102、第二丝杠103只能沿轴线做旋转运动。两根丝杠上的螺纹旋转方向相反，第一丝杠102顺时针旋转，第二丝杠103逆时针旋转。丝杠滑块104上有两个螺纹旋转方向相反的螺纹孔，两个螺纹孔分别与第一丝杠102、第二丝杠103进行对应的螺纹连接。一对完全一样的齿轮107分别通过键固定在第一丝杠102、第二丝杠103上，相互啮合，并能够随着第一丝杠102、第二丝杠103的转动而转动，当第一丝杠102顺时针(或第二丝杠103逆时针)转动时，由于齿轮107的啮合作用，第二丝杠103则会逆时针(或第一丝杠102顺时针)转动，从而同步作用于丝杠滑块104，使得丝杠滑块104得以水平向前或向后平移。电机106的转子与第一丝杠102连接，作为驱动第一丝杠102、第二丝杠103旋转的动力源，电机106可正转也可以反转，电机106停机时自锁，第一丝杠102、第二丝杠103不能转动，丝杠滑块104将维持在电机106停机前一时刻的状态。

卡槽108分别固定在丝杠滑块104与底座101的侧壁上，卡槽108上有若干与形状记忆合金管束105相配适的孔，形状记忆合金管束105通过卡槽108固定在丝杠滑块104与底座101之间。丝杠滑块104中间与一面底座101侧壁上均设有若干与形状记忆合金管数相配适的通孔，便于水在底座101、形状记忆合金管105以及丝杠滑块104中流通。丝杠滑块104与一面底座101侧壁外侧安装了导流管109，底座101侧壁外侧导流管109为饮水机蓄冷器件常温水入水端，丝杠滑块104外侧导流管109为蓄冷器件冷水出水端，该饮水机蓄冷器件置于饮水机内水槽正下方，蓄冷器件入口和出口分别通过软管与水槽和饮水机冷水出口连接。

第一丝杠102和第二丝杠103的旋转只受电机106控制，电机106正转时，丝杠滑块104在第一丝杠102和第二丝杠103的作用下与入水端底座101的侧壁相互靠近，形状记忆合金管束105被压缩发生形变，当达到相变应力时发生马氏体相变并释放潜热到环境中。电机106正转过指定角度后停机，形状记忆合金管束105保持压缩状态，与空气散热后又复原到常温。电机106反转时，形状记忆合金管束105受到应力卸载而发生逆相变，进而吸收形状记忆合金管束105内流水的热量，从而冷却常温水。用户每次按下饮水机冷水按钮则触发电机106执行一次反转指令，执行结束又将恢复到蓄冷状态，即电机106正转过一定角度后停机。

在一种可能的实施方式中，本发明实施例基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置包含蓄冷模式和非蓄冷模式，仅在蓄冷模式启动电机106，储能时电机106正转，放能时电机106反转。形状记忆合金管束105的奥氏体终止温度低于-5℃，在非蓄冷模式下电机106未启动时处于奥氏体状态，在蓄冷模式下电机106完成压缩后处于马氏体状态。

本发明使用的形状记忆合金管束105在外力的作用下会产生弹热效应。如图5所示，当饮水机结束一次制备冷水的任务后，电机106正转，驱动丝杠滑块104压缩形状记忆合金管束105，在加载过程中，形状记忆合金管束105首先发生等温下的应力升高现象，此时还未发生相变，对应图5中点1到点2的过程；之后，当形状记忆合金管束105的应力大于该温度下发生马氏体相变所需要的最小应力时，形状记忆合金管束105材料开始由奥氏体向马氏体转变，对应图5中点2到点3的过程，形状记忆合金管束105继续被丝杠滑块104压缩，形状记忆合金温度将升高。到3点时电机106停止转动，此时形状记忆合金管束105应力达到循环中最大、温度达到循环中最高。在形状记忆合金管束105温度高于环境温度时候，形状记忆合金管束105将潜热释放到环境中，直到形状记忆合金管束105恢复到室温，此过程对应图5的点3到点4的过程。形状记忆合金管束105从点1到点3的过程中电机106均正转。卸载过程中，用户按下冷水按钮，电机106反转，在丝杠滑块104远离底座101入水侧时形状记忆合金管束105应力降低，逐渐恢复原长，对应点4到点5的过程，该过程温度不变。形状记忆合金管束105所受应力降低到临界值时，形状记忆合金管束105开始发生马氏体相向奥氏体相的转变，即图5中点5到点6的过程。在点5到点6的过程中，当出水温度低于设定出水控制温区的下限时电机106停止转动，当出水温度高于设定出水控制温区的上限时电机106继续反向转动，直到形状记忆合金管束105的应力降为0，此时形状记忆合金管束105逆相变完成，对应图5的点6处状态。形状记忆合金管束105管内流水在合金管出口处温度进入设定出水温区时开始出水，在完成一次出水任务时停止出水。

本发明基于形状记忆合金的弹热效应，针对饮水机制备冷水的应用背景，设计了一种饮水机快速制备冷水的蓄冷器件，可以满足出水速度和出水量的设计要求。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置，其特征在于：包括平行设置的两根丝杠，两根丝杠上均设置有齿轮(107)，且两根丝杠上的齿轮(107)相互啮合，其中一根丝杠与电机(106)的转轴相连；所述两根丝杠上的同一位置加工有旋向相反的螺纹段，并且在两根丝杠的螺纹段上跨接一个丝杠滑块(104)，所述丝杠滑块(104)能够沿螺纹段进行平移；还包括与两根丝杠平行设置的形状记忆合金管束(105)，所述形状记忆合金管束(105)的一端连接在丝杠滑块(104)上，另一端保持固定；形状记忆合金管束(105)的两端分别连接导流管(109)形成入水端与出水端；所述形状记忆合金管束(105)在电机(106)正转时被丝杠滑块(104)压缩并向环境散热，形状记忆合金管束(105)在电机(106)反转时恢复原长并向管内水流吸热；所述两根丝杠固定在底座(101)上，底座(101)包括底面以及相对设置在底面两端的竖直侧壁，丝杠的两端通过轴承安装在底座(101)的两个竖直侧壁上；所述形状记忆合金管束(105)保持固定的一端连接在底座(101)的竖直侧壁上，丝杠滑块(104)以及底座(101)的竖直侧壁分别开设有与形状记忆合金管束(105)连通的孔口，导流管(109)设置在孔口的外部；水流从底座(101)的竖直侧壁孔口外侧的导流管(109)依次流经底座(101)的竖直侧壁孔口、形状记忆合金管束(105)、丝杠滑块(104)孔口，最后由丝杠滑块(104)孔口外侧的导流管(109)流出；所述形状记忆合金管束(105)的两端分别通过卡槽(108)与丝杠滑块(104)以及底座(101)的竖直侧壁固定；通过卡槽(108)使形状记忆合金管束(105)的两端分别与丝杠滑块(104)以及底座(101)的竖直侧壁孔口正对。

2.根据权利要求1所述基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置，其特征在于：所述齿轮(107)均通过键连接固定在两根丝杠的一端。

3.根据权利要求1所述基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置，其特征在于：所述形状记忆合金管束(105)的奥氏体终止温度低于-5℃，电机(106)未启动时处于奥氏体状态，被丝杠滑块(104)压缩后处于马氏体状态。

4.一种如权利要求1-3中任意一项所述基于形状记忆合金的饮水机蓄冷装置的蓄冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

不需要冷水时的形状记忆合金管束(105)储能过程：控制电机(106)正转，带动与电机(106)转轴相连的一根丝杠旋转，再通过两根丝杠上的齿轮(107)啮合传动，丝杠滑块(104)被两根丝杠带动沿螺纹段进行平移，形状记忆合金管束(105)被丝杠滑块(104)压缩而产生形变，丝杠滑块(104)水平移动到指定位置时电机(106)停机，形状记忆合金管束(105)保持在受压状态；在压应力的驱动下，形状记忆合金管束(105)发生相变，由奥氏体相变为马氏体相，相变过程形状记忆合金管束(105)将潜热释放到环境中，最终复原到环境温度；

需要饮用冷水时的形状记忆合金管束(105)冷量释放过程：控制电机(106)反转，带动与电机(106)转轴相连的一根丝杠旋转，再通过两根丝杠上的齿轮(107)啮合传动，丝杠滑块(104)被两根丝杠带动沿螺纹段进行平移，形状记忆合金管束(105)的应力卸载并恢复原长，应力卸载过程的形状记忆合金管束(105)发生逆相变，由马氏体相变为奥氏体相，形状记忆合金管束(105)的温度降低，常温水流由入水端的导流管(109)流入形状记忆合金管束(105)，被形状记忆合金管束(105)冷却，再由出水端的导流管(109)流出。

5.根据权利要求4所述的蓄冷方法，其特征在于：所述需要饮用冷水时的形状记忆合金管束(105)冷量释放过程中，用户按下冷水按钮，在电机(106)反转的同时，水槽内的常温水流由入水端的导流管(109)流入形状记忆合金管束(105)。

6.根据权利要求4所述的蓄冷方法，其特征在于：流经形状记忆合金管束(105)的常温水流冷却后在出水端温度进入设定出水温区时开始出水，完成一次出水任务时停止出水。