一种双级弹热制冷系统及其制冷方法

制冷或冷却;气体的液化或固化装置的制造及其应用技术1.本发明属于环保制冷领域，具体涉及一种双级弹热制冷系统及其制冷方法。背景技术：2.随着全球变暖、人口增加、人民生活水平的逐步提高，制冷需求将大幅增加。而已被广泛应用的蒸气压缩式制冷技术，因其能源需求巨大以及所采用的制冷剂会继续加剧全球变暖的程度。氯氟烃(cfcs)和氢氯氟烃(hcfs)因为消耗臭氧层而被逐步淘汰，在过去十年中，蒸气压缩式制冷大多采取氢氟碳化合物(hfcs)作为制冷剂，但其仍具有很高的全球变暖指数。因此，迫切需要新的制冷剂，更为可取的是需要替代传统气体压缩制冷的新型、高效、环保的制冷技术。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。3.弹热制冷是指在应力场驱动下，弹热材料相变而产生制冷效应的固态制冷技术，具有环境友好、节能高效的特点。公开号为cn111854222a的中国专利，通过单个电机完成加载/卸载形状记忆合金材料和接触换热的过程，但现有的技术方案仅对单个形状记忆合金进行设计，只提出了单级系统，未能充分利用形状记忆合金相变特性提供足够高的温度跨度。技术实现要素：4.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种双级弹热制冷系统及其制冷方法，充分利用形状记忆合金相变特性实现大制冷温度跨度条件下的制冷。5.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：6.一种双级弹热制冷系统，包括固定设置在机架上的热源、中间蓄热装置、热汇、电机以及第一导轨；7.电机的端面与机架的底面呈夹角倾斜布置，与丝杆连接输出动力；丝杆上通过丝杆螺母安装支撑结构，所述支撑结构的一端面固定在丝杆螺母上，另一端面通过连杆连接两个水平设置的第二夹具；8.两个第二夹具的两端分别通过第二导轨滑块连接在第二导轨上，第二导轨之间竖直平行设置，且第二导轨顶端分别通过第一导轨滑块安装在第一导轨上，第一导轨水平布置；第二导轨的顶端之间通过第二导轨滑块连接两个第一夹具，第一夹具与第二夹具平行；9.所述两个第二夹具与两个第一夹具分为两组，其中一组夹持第一形状记忆合金的两端，另一组夹持第二形状记忆合金的两端，第一形状记忆合金与第二形状记忆合金之间设置中间蓄热装置，第一形状记忆合金的另一侧设置热源，第二形状记忆合金的另一侧设置热汇。10.作为一种优选方案，电机通过沿机架的底面与侧面连接的倾斜板进行固定；11.电机的端面与机架的底面呈0～90°夹角。12.作为一种优选方案，所述两个第二夹具之间以及两个第一夹具之间分别通过同步固定装置相连固定。13.作为一种优选方案，第一夹具两侧的第二导轨滑块与第二导轨固定相连，第二夹具两侧的第二导轨滑块沿第二导轨自由移动；或者第二夹具两侧的第二导轨滑块与第二导轨固定相连，第一夹具两侧的第二导轨滑块沿第二导轨自由移动。14.作为一种优选方案，所述丝杆的末端设置有用于防止丝杆螺母在丝杆上移动时超出螺纹范围而滑出的限位器。15.作为一种优选方案，所述电机周期性的正转与反转，从而周期性的将丝杆旋进与旋出，丝杆传递电机扭矩，将电机扭矩转化为丝杆方向的推、拉力；16.位于丝杆上的丝杆螺母推动或拉动支撑结构驱动第二夹具，对第二夹具同时产生沿第一导轨方向以及沿第二导轨方向的力；17.沿第一导轨方向的力同时驱动两个形状记忆合金对应的两个第一夹具、两个第二夹具产生沿第一导轨方向同步的运动，表现为两个形状记忆合金沿第一导轨方向的同步运动，改变第一形状记忆合金与热源、中间蓄热装置之间和第二形状记忆合金与中间蓄热装置、热汇之间的接触换热条件；沿第二导轨方向的力同时驱动两个形状记忆合金对应的两个第二夹具产生同步运动，同步加载或卸载第一形状记忆合金和第二形状记忆合金。18.作为一种优选方案，第二形状记忆合金在加载拉伸状态下能够接触并向热汇散热，第一形状记忆合金在加载拉伸状态下能够接触并向中间蓄热装置散热，中间蓄热装置能够储存第一形状记忆合金带来的热量；第二形状记忆合金在卸载收缩状态下从中间蓄热装置吸热，中间蓄热装置接触并向第二形状记忆合金释放第一形状记忆合金带来的热量，第一形状记忆合金在卸载收缩状态下能够接触并从热源吸热。19.作为一种优选方案，所述第二形状记忆合金的相变温度高于第一形状记忆合金。20.作为一种优选方案，所述机架的两侧安装有固定侧板，所述热源、中间蓄热装置以及热汇依次通过螺栓固定在固定侧板上；所述热汇由散热器以及散热风机组成，所述散热风机用于加快散热器和空气的对流换热速度。21.一种基于所述双级弹热制冷系统的制冷方法，包括：22.电机正向驱动，两个第二夹具沿第二导轨方向同步加载拉伸第一形状记忆合金和第二形状记忆合金，并带动第二导轨使第一夹具和第二夹具沿第一导轨方向同步向热汇一侧移动，在第一夹具和第二夹具夹持下的第一形状记忆合金和第二形状记忆合金同步向热汇一侧移动直到第二形状记忆合金与热汇接触，此时第一形状记忆合金与中间蓄热装置接触，第一形状记忆合金和第二形状记忆合金受拉伸应力由奥氏体相变为马氏体释放潜热，温度升高；23.电机停止驱动，第二形状记忆合金向热汇散热，热汇向环境散热，第一形状记忆合金向中间蓄热装置散热，中间蓄热装置储存第一形状记忆合金带来的热量；24.电机反向驱动，两个第二夹具沿第二导轨方向同步卸载第一形状记忆合金和第二形状记忆合金，并带动第二导轨使第一夹具和第二夹具沿第一导轨方向同步地向热源一侧移动，在第一夹具和第二夹具夹持下的第一形状记忆合金和第二形状记忆合金同步向热源一侧移动直到第一形状记忆合金与热源接触，此时第二形状记忆合金与中间蓄热装置接触，第一形状记忆合金和第二形状记忆合金所受应力减小由马氏体相变为奥氏体吸热，温度降低；25.电机停止驱动，第一形状记忆合金从热源吸热，第二形状记忆合金从中间蓄热装置吸热，中间蓄热装置向第二形状记忆合金释放第一形状记忆合金带来的热量。26.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：27.通过水平布置的第一导轨与竖直布置的第二导轨组成正交导轨，通过导轨滑块将两组夹具连接在正交导轨上，其中一组夹具夹持第一形状记忆合金，另一组夹具夹持第二形状记忆合金，利用机架在第一形状记忆合金与第二形状记忆合金之间设置中间蓄热装置，第一形状记忆合金的另一侧设置热源，第二形状记忆合金的另一侧设置热汇。本发明通过电机、丝杠和丝杆螺母组成驱动系统，电机的端面与机架的底面呈夹角倾斜布置，与丝杆连接输出动力，丝杆上通过丝杆螺母安装支撑结构，支撑结构通过连杆连接两个水平设置的第二夹具；驱动夹具在正交导轨和丝杆的约束下同步加载或卸载两组形状记忆合金并改变两组形状记忆合金与中间蓄热装置、热源和热汇的接触换热条件，实现大制冷温跨条件下的制冷。附图说明28.图1本发明实施例双级弹热制冷系统的整体结构正视示意图；29.图2本发明实施例双级弹热制冷系统的整体结构侧视示意图；30.图3本发明实施例双级弹热制冷系统形状记忆合金加载散热过程的结构正视图；31.图4本发明实施例双级弹热制冷系统形状记忆合金加载散热过程的结构侧视图；32.图5本发明实施例双级弹热制冷系统形状记忆合金卸载吸热过程的结构正视图；33.图6本发明实施例双级弹热制冷系统形状记忆合金卸载吸热过程的结构侧视图；34.图7本发明实施例双级弹热制冷系统对应的循环应力-温度变化示意图。具体实施方式35.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。36.如图1、2所示，本发明实施例的一种双级弹热制冷系统包括机架101、固定侧板102、热源103、中间蓄热装置104、热汇105、倾斜板106、电机107、丝杆108、丝杆螺母109、支撑结构110、限位器111、第一导轨112、第一导轨滑块113、第一夹具114、第二夹具115、第一形状记忆合金116、第二形状记忆合金117、第二导轨滑块118、第二导轨119以及同步固定装置120。在本实施例中，固定侧板102固定在机架101的两侧，将热源103、中间蓄热装置104、热汇105依次通过螺栓固定在固定侧板102上。热汇105由散热器105-1、散热风机105-2组成，散热风机105-2加快散热器105-1和空气的对流换热，进一步提高形状记忆合金在拉伸状态下和散热器105-1的换热效率。本实施例倾斜板106与机架101的底面成30°固定在机架101上，电机107端面通过螺栓被固定在倾斜板106上。丝杆108的一端通过联轴器与电机107固定相连，另一侧旋有丝杆螺母109，并在末端旋入限位器111防止丝杆螺母109在丝杆108上移动时超出丝杆108的螺纹范围而滑出。丝杆螺母109内有螺纹，承受丝杆轴轴向载荷。支撑结构110的一端通过螺栓固定在丝杆螺母109上，另一端连接第二夹具115。第一导轨112固定在机架101顶端，第一导轨滑块113沿第一导轨112的方向做往复直线运动。第一夹具114与第一导轨滑块113固定相连，并通过螺栓固定在两个第二导轨滑块118之间。第二夹具115通过螺栓固定在两个第二导轨滑块118之间。第一夹具114两侧的第二导轨滑块118与第二导轨119通过螺栓固定相连，第二夹具115两侧的第二导轨滑块118沿第二导轨119自由移动。第一导轨112、第二导轨119支撑和引导第一导轨滑块113、第二导轨滑块118，使其按给定的方向做往复直线运动。第一导轨112垂直于第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117的长度方向，第二导轨119平行于第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117的长度方向。第一夹具114与第二夹具115夹持第一形状记忆合金116、第二形状记忆合金117。使用同步固定装置120固定连接在两个第一夹具114之间以及两个第二夹具115之间，第二导轨119连接在第一夹具114与第二夹具115之间，以此保证两个第一夹具114、两个第二夹具115沿第一导轨112方向的同步运动以及保证两个第二夹具115沿第二导轨119方向同步拉伸或卸载第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117。37.本实施例电机107周期性正转、反转从而周期性的将丝杆108旋进旋出。丝杆108传递电机扭矩，将电机的扭矩转化为丝杆108方向的推、拉力。位于丝杆108上的丝杆螺母109推动或拉动支撑杆118驱动第二夹具115，对第二夹具115同时产生沿第一导轨112方向以及沿第二导轨119方向的力；沿第一导轨112方向的力同时驱动两个形状记忆合金对应的两个第一夹具114、两个第二夹具115产生沿第一导轨112方向同步的运动，表现为两个形状记忆合金沿第一导轨112方向的同步运动，改变了第一形状记忆合金116与热源103、中间蓄热装置104之间和第二形状记忆合金117与中间蓄热装置104、热汇105之间的接触换热条件；沿第二导轨119方向的力同时驱动两个形状记忆合金对应的两个第二夹具115产生同步的运动，同步地加载或卸载第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117。38.本发明实施例双级弹热制冷系统的制冷过程为：如图3、4所示，电机107旋转旋进丝杆108，丝杆108旋转带动丝杆螺母109沿着丝杆108方向运动，丝杆螺母109拉动支撑杆118驱动第二夹具115，对第二夹具115同时产生沿第一导轨112方向以及沿第二导轨119方向的力。沿第一导轨112方向的力带动第二导轨119使第一夹具114和第二夹具115沿第一导轨112方向同步向热汇105一侧移动，在第一夹具114和第二夹具115夹持下的第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117同步地向热汇105一侧移动直到第二形状记忆合金117与热汇105接触，此时第一形状记忆合金116与中间蓄热装置104接触；沿第二导轨119方向的力同时驱动两个形状记忆合金对应的两个第二夹具115产生同步的远离两个第一夹具114的运动，同步地加载第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117。第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117受拉伸应力由奥氏体相变为马氏体释放潜热，温度升高。在第二形状记忆合金117与热汇105接触，第一形状记忆合金116与中间蓄热装置104接触后，电机107停止转动，第二形状记忆合金117向热汇105散热，热汇105向环境散热，散热器105-1向环境散热，散热风机105-2加强这一换热过程，第一形状记忆合金116向中间蓄热装置104散热，中间蓄热装置104储存第一形状记忆合金116带来的热量。39.如图5、6所示，卸载过程是加载过程的逆过程，电机107旋转旋出丝杆108，丝杆108旋转带动丝杆螺母109沿着丝杆108方向运动，丝杆螺母109推动支撑杆118驱动第二夹具115，对第二夹具115同时产生沿第一导轨112方向以及沿第二导轨119方向的力。沿第一导轨112方向的力带动第二导轨119使第一夹具114和第二夹具115沿第一导轨112方向同步地向热源103一侧移动，在第一夹具114和第二夹具115夹持下的第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117同步地向热源103一侧移动直到第一形状记忆合金116与热源103接触，此时第二形状记忆合金117与中间蓄热装置104接触；沿第二导轨119方向的力同时驱动两个形状记忆合金对应的两个第二夹具115产生同步的靠近两个第一夹具114的运动，同步地卸载第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117。第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117所受应力减小由马氏体相变为奥氏体吸热，温度降低。在第一形状记忆合金116与热源103接触，第二形状记忆合金117与中间蓄热装置104接触后，电机停止转动，第一形状记忆合金116从热源103吸热，第二形状记忆合金117从中间蓄热装置104吸热，中间蓄热装置104向第二形状记忆合金117释放第一形状记忆合金116带来的热量。40.图7描述了本实施例双级弹热制冷系统对应的循环应力-温度变化过程，本实施例第二形状记忆合金117的相变温度高于第一形状记忆合金116。循环相变过程描述如下：41.图7中的1点处，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117均处于无应力作用下完全奥氏体相的状态；图7中1到2过程中，电机107对第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117施加拉伸应力，发生奥氏体相下等温应力增大的现象；图7中的2点处，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117所受应力为马氏体开始相变应力；图7中2到3过程中，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117继续被拉伸，开始发生奥氏体向马氏体的相变，温度随之升高；图7中的3点处，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117所受应力为马氏体结束相变应力，均完全相变为马氏体，达到循环的最高温度；图7中3到4过程中，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117继续被拉伸，发生马氏体相下等温应力增大的现象；图7中1到4过程中，在第一夹具114和第二夹具115夹持下的第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117同步地向热汇105一侧移动；图7中的4处，第二形状记忆合金117与热汇105接触，第一形状记忆合金116与中间蓄热装置104接触；图7中4到5过程中，电机107停止转动，第二形状记忆合金117向热汇105散热，热汇105向环境散热，第一形状记忆合金116向中间蓄热装置104散热，中间蓄热装置104储存第一形状记忆合金116带来的热量，位置如图3、4所示；图7中的5点处，散热过程结束；图7中5到6过程中，电机107开始反向转动，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117所受应力减小，发生马氏体相下等温应力减小的现象；图7中的6点处，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117所受应力为奥氏体开始相变应力；图7中6到7过程中，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117继续被卸载，开始发生马氏体向奥氏体的相变，温度随之降低；图7中的7点处，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117所受应力为奥氏体结束相变应力，均完全相变为奥氏体，达到循环的最低温度；图7中7到8过程中，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117继续被卸载，发生奥氏体相下等温应力减小的现象；图7中5到8过程中，在第一夹具114和第二夹具115夹持下的第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117同步地向热源103一侧移动；图7中的8点处，第一形状记忆合金116与热源103接触，第二形状记忆合金117与中间蓄热装置104接触；图7中8到1点过程中，第一形状记忆合金116从热源103吸热，第二形状记忆合金117从中间蓄热装置104吸热，中间蓄热装置104向第二形状记忆合金117释放第一形状记忆合金116带来的热量。42.本发明另一实施例提出一种基于所述双级弹热制冷系统的制冷方法，包括：43.步骤一、电机107正向驱动，两个第二夹具115沿第二导轨119方向同步加载拉伸第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117，并带动第二导轨119使第一夹具114和第二夹具115沿第一导轨112方向同步向热汇105一侧移动，在第一夹具114和第二夹具115夹持下的第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117同步向热汇105一侧移动直到第二形状记忆合金117与热汇105接触，此时第一形状记忆合金116与中间蓄热装置104接触，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117受拉伸应力由奥氏体相变为马氏体释放潜热，温度升高；44.步骤二、电机107停止驱动，第二形状记忆合金117向热汇105散热，热汇105向环境散热，第一形状记忆合金116向中间蓄热装置104散热，中间蓄热装置104储存第一形状记忆合金116带来的热量；45.步骤三、电机107反向驱动，两个第二夹具115沿第二导轨119方向同步卸载第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117，并带动第二导轨119使第一夹具114和第二夹具115沿第一导轨112方向同步地向热源103一侧移动，在第一夹具114和第二夹具115夹持下的第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117同步向热源103一侧移动直到第一形状记忆合金116与热源103接触，此时第二形状记忆合金117与中间蓄热装置104接触，第一形状记忆合金116和第二形状记忆合金117所受应力减小由马氏体相变为奥氏体吸热，温度降低；46.步骤四、电机107停止驱动，第一形状记忆合金116从热源103吸热，第二形状记忆合金117从中间蓄热装置104吸热，中间蓄热装置104向第二形状记忆合金117释放第一形状记忆合金116带来的热量。47.本发明将形状记忆合金、热源103、中间蓄热装置104、热汇105、夹具、导轨和导轨滑块组成正交导轨系统，将电机107、丝杠108和丝杆螺母109组成驱动系统，驱动系统驱动夹具在正交导轨和丝杆约束下同步加载或卸载两组形状记忆合金并改变两组形状记忆合金与中间蓄热装置104、热源103和热汇105的接触换热条件，实现大制冷温跨条件下的制冷。48.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。









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