一种双级复叠式弹热制冷机及其制冷方法

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.本发明属于零gwp制冷技术领域，具体涉及一种双级复叠式弹热制冷机及其制冷方法。背景技术：2.对于制冷系统的碳排放而言，分为由制冷剂导致的直接碳排放和通过电力消费产生的运行能耗间接排放，后者可以通过可再生能源替代将排放降至为零，而对于制冷剂而言，常见的如r134a制冷剂所产生的碳排放相当于1430个二氧化碳所产生的温室效应，传统的制冷剂需要在易燃性、高gwp和高毒性这三者之间寻找平衡，正因如此，研发新一代零gwp的制冷技术就显得十分重要。弹热制冷技术自2004年提出，并在2014年被美国能源部认为是最具潜力替代传统蒸气压缩式制冷技术的固态相变制冷技术，目前国内已有诸多文献的记载，例如公开号为cn111854222a的中国专利提出了一种弹热制冷系统及其制冷方法，通过单台电机驱动弹热材料的方式简化了装置结构，然而该方法使用的电机需要持续做功，卸载过程的能量无法回收，造成一定程度的能源浪费。弹热制冷机的结构仍需进一步优化。技术实现要素：3.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种双级复叠式弹热制冷机及其制冷方法，节省电机的做功量和输入功率，有效的提升能量利用率。4.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：5.一种双级复叠式弹热制冷机，包括固定在机架上的导轨、电机、导热片、低温热源以及高温热汇；导轨上安装有一级滑块和二级滑块，一级滑块和二级滑块分别连接一级形状记忆合金和二级形状记忆合金的一端，一级形状记忆合金的另一端连接一级连杆的一端，一级连杆的另一端与二级形状记忆合金的另一端分别通过转轴铰接在二级连杆的两侧；导热片布置在一级形状记忆合金和二级形状记忆合金之间，低温热源布置在一级形状记忆合金的另一侧，高温热汇布置在二级形状记忆合金的另一侧；二级连杆的中心通过中心转轴进行固定，二级连杆在电机的驱动下能够沿中心转轴旋转，二级连杆在旋转过程中能够带动一级形状记忆合金和二级形状记忆合金分别与导热片以及低温热源、高温热汇接触，完成加载、卸载。6.作为一种优选的方案，所述二级连杆为直线结构，二级连杆沿长度方向开槽，电机的输出轴上固定连接有圆杆，电机相对于中心转轴偏心布置，圆杆置于二级连杆的槽中；所述电机固定在导轨对侧的机架上，电机的输出轴沿竖直方向进行上下活动，带动圆杆沿二级连杆的槽移动，驱动二级连杆沿中心转轴旋转，进而带动一级形状记忆合金和二级形状记忆合金在水平方向移动，分别与导热片以及低温热源或高温热汇接触。7.作为一种优选的方案，所述的电机采用旋转电机或者直线电机，旋转电机通过丝杠系统将输出轴的旋转运动转换为直线运动。8.作为一种优选的方案，所述二级连杆为转盘结构，一级连杆的另一端与二级形状记忆合金的另一端分别铰接在二级连杆的两侧外径上；电机固定在导轨对侧的机架上，电机通过驱动二级连杆转动，进而带动一级形状记忆合金和二级形状记忆合金在水平方向移动，分别与导热片以及低温热源或高温热汇接触。9.作为一种优选的方案，所述的电机相对于中心转轴偏心布置，电机的输出轴连接在二级连杆的外径上，通过输出轴沿竖直方向进行上下活动，进而驱动二级连杆发生转动。10.作为一种优选的方案，所述的电机设置在中心转轴的正下方，电机的输出轴通过齿轮机构连接中心转轴，通过驱动中心转轴旋转，进而带动二级连杆发生转动。11.作为一种优选的方案，所述的一级形状记忆合金和二级形状记忆合金均采用具有弹热效应的材料制成；常温下处于奥氏体相，当受到驱动被拉伸时，发生奥氏体相向马氏体相变，释放潜热，当卸载驱动力时，逆向相变，变回奥氏体相，吸收潜热，温度降低。12.作为一种优选的方案，所述的一级形状记忆合金和二级形状记忆合金的材料形状为丝状或平板状。13.一种基于所述双级复叠式弹热制冷机的制冷方法，包括：14.初始状态下，电机的输出轴处于收缩状态，一级形状记忆合金处于卸载状态，二级形状记忆合金处于拉伸加载状态，此时一级形状记忆合金和低温热源接触制冷，二级形状记忆合金和高温热汇接触释放热量；15.电机输出轴向上运动，带动二级连杆沿中心转轴逆时针旋转，致使所述一级形状记忆合金长度增加而发生由奥氏体相向马氏体相的相变，所述二级形状记忆合金长度收缩而发生由马氏体相向奥氏体相的相变；16.在二级连杆逆时针旋转带动下，所述一级形状记忆合金和二级形状记忆合金同时和导热片接触，发生接触之后，所述一级形状记忆合金释放热量，热量通过导热片传递至所述二级形状记忆合金；17.当热交换完全后，电机输出轴向下运动，二级连杆在电机输出轴的带动下瞬时针旋转，从而带动所述一级形状记忆合金长度收缩而发生由马氏体相向奥氏体相的相变，二级形状记忆合金长度增加而发生由奥氏体相向马氏体相的相变，最终使所述一级形状记忆合金和低温热源接触释放冷量，所述二级形状记忆合金和高温热汇接触释放热量，完成一个制冷循环。18.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：19.通过设置两级形状记忆合金的方式构建了一种双级复叠式弹热制冷机，利用弹热制冷技术及复叠循环原理，在传统弹热制冷样机的基础上，利用回收卸载功的机械传动机构将形状记忆合金卸载过程的作用力回收，并设置中间级导热片提升系统温跨，导热片同时进行吸热和放热过程，提升了能量利用率。本发明二级连杆在电机的驱动下能够沿中心转轴旋转，二级连杆在旋转过程中能够带动一级形状记忆合金和二级形状记忆合金分别与导热片以及低温热源、高温热汇接触，完成加载、卸载，通过多级连杆将一组形状记忆合金的卸载功回收同步用于驱动另一组形状记忆合金，节省了电机做功量和输入功率，进一步提升了能量利用率。附图说明20.图1本发明利用线性传动的双级复叠式弹热制冷机在一级形状记忆合金卸载、二级形状记忆合金加载状态下的侧视示意图；21.图2本发明利用线性传动的双级复叠式弹热制冷机在一级形状记忆合金加载、二级形状记忆合金卸载状态下的侧视示意图；22.图3本发明利用转盘传动的双级复叠式弹热制冷机在一级形状记忆合金卸载、二级形状记忆合金加载状态下的侧视示意图；23.图4本发明利用转盘传动的双级复叠式弹热制冷机在一级形状记忆合金加载、二级形状记忆合金卸载状态下的侧视示意图；24.图5本发明双级复叠式弹热制冷机在一级形状记忆合金卸载、二级形状记忆合金加载状态下的正视示意图；25.图6本发明双级复叠式弹热制冷机在一级形状记忆合金加载、二级形状记忆合金卸载状态下的正视示意图；26.图7本发明双级复叠式弹热制冷机的应力-温度状态图上的循环示意图；27.附图中：101-电机；102-一级滑块；103-二级滑块；104-导轨；105-一级连杆；106-二级连杆；107-一级形状记忆合金；108-二级形状记忆合金；109-低温热源；110-导热片；111-高温热源；112-一级转轴；113-二级转轴；114-中心转轴；115-圆杆；116-机架。具体实施方式28.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。29.参见图1和图2，本发明实施例利用线性传动的双级复叠式弹热制冷机，包括固定在机架116上的导轨104、低温热源109、导热片110、高温热汇111和一台电机101，电机101可以是旋转电机或直线电机，旋转电机需要通过增加丝杠系统，将电机101输出轴的旋转运动转换为直线运动，电机101的输出轴上固定有圆杆115，圆杆115可以在二级连杆106的内部槽中运动。一级形状记忆合金107的一端固定在一级滑块102上，另一端固定在一级连杆105上，一级连杆105可以沿着一级转轴112转动；二级形状记忆合金108的一端固定在二级滑块103上，另一端固定在二级连杆113上。二级连杆106顺时针旋转时，二级连杆106在圆杆106的带动下沿中心转轴114旋转运动，带动一级连杆105整体向上方移动并保持竖直方向，一级滑块102沿导轨104向外移动，该过程一级形状记忆合金107沿竖直方向长度收缩的同时向外移动，并最终和低温热源109接触，二级连杆106顺时针的旋转运动还带动二级形状记忆合金108向外运动，同时沿竖直方向长度伸长，并最终和高温热汇111接触，如图1所示；二级连杆106逆时针旋转时，带动一级形状记忆合金107沿长度方向伸长并和导热片110接触，二级形状记忆合金108沿长度方向收缩并和导热片110接触，如图2所示。30.图3和图4则提供了另一种电机加载形式，即本发明实施例利用转盘传动的双级复叠式弹热制冷机，将二级连杆106替换为转盘结构，电机101直接作用在中心转轴114或通过齿轮机构带动转盘结构转动。图3为转盘结构顺时针运动，带动一级形状记忆合金107沿长度方向收缩并和低温热源109接触，二级形状记忆合金108沿长度方向伸长并和高温热汇111接触；图4为转盘结构逆时针旋转运动，带动一级形状记忆合金107沿长度方向伸长并和导热片110接触，二级形状记忆合金108沿长度方向收缩并和导热片110接触。31.图5和图6为本发明实施例双级复叠式弹热制冷机的正视图，将一级形状记忆合金107置于中心位置，二级形状记忆合金108由第一段形状记忆合金108-1和第二段形状记忆合金108-2组成并分别置于一级形状记忆合金107两侧，用于连接两段二级形状记忆合金108的二级滑块共有两个，分别为二级滑块103-1、103-2，并分别在导轨104-1、104-3上运动，两个二级滑块103-1、103-2、一个一级滑块102以及三个导轨104-1、104-2、104-3组成三组滑轨滑块系统，从而保证一级形状记忆合金107和二级形状记忆合金108在运动过程不发生干涉现象的同时，保证一级形状记忆合金107和二级形状记忆合金108受力平衡。32.本发明形状记忆合金在外力的作用下回产生弹热效应，进而产生制冷作用，图7描述了本发明双级复叠式弹热制冷机工作过程对应的循环应力-温度变化，当一级形状记忆合金107处于卸载状态并和低温热源109接触时，状态点位于图7中的1点，此时对应的二级形状记忆合金处于加载状态，位于图7中的1’点并和高温热汇111接触，之后在电机101和二级形状记忆合金108卸载功的共同带动下，一级形状记忆合金107被拉伸至2点，二级形状记忆合金108将卸载回状态点2’，该过程一级形状记忆合金107发生奥氏体相向马氏体相的相变，二级形状记忆合金108发生马氏体相向奥氏体相的相变；一级形状记忆合金107在状态点2时，与导热片110接触释放热量，在应力保持的状态下，温度降低至状态点3，二级形状记忆合金在状态点2’时，与导热片110接触吸收热量，温度上升至状态点3’，之后在一级形状记忆合金107卸载功和电机101的带动下，二级形状记忆合金108将被拉伸至状态点4’，并和高温热汇111接触释放热量，一级形状记忆合金107应力卸载后，由状态点3进入状态点4，并和低温热源109接触释放冷量，最终完成整个循环制冷的作用，最终达到为低温热源109提供制冷效应的目的。该循环利用复叠制冷的原理，一级形状记忆合金107工作在低温热源109和导热片110之间，二级形状记忆合金108工作在导热片110和高温热汇之间111。33.通过上述复叠式制冷方法，本发明两组形状形状记忆合金将会分别处于加载和卸载状态，卸载过程的作用力将作用给另一组加载过程的形状记忆合金，起到了节能省功的作用。34.本发明另一实施例提出一种基于上述高效双级复叠式弹热制冷机的制冷方法，包括：35.步骤一、初始状态下，电机101的输出轴处于收缩状态，一级形状记忆合金107处于卸载状态，二级形状记忆合金108处于拉伸加载状态，此时的一级形状记忆合金107和低温热源109接触制冷，二级形状记忆合金108和高温热汇111接触释放热量；36.步骤二、电机101的输出轴向上运动，带动二级连杆106沿中心转轴114逆向旋转，致使一级形状记忆合金107的长度增加并发生由奥氏体相向马氏体相的相变，二级形状记忆合金108的长度收缩并发生由马氏体相向奥氏体相的相变；37.步骤三、在二级连杆106逆时针旋转带动下，一级形状记忆合金107和二级形状记忆合金108同时和导热片110接触，接触时，一级形状记忆合金107释放热量，热量通过导热片107传递至二级形状记忆合金108；38.步骤四、当热量、冷量释放完全后，电机101的输出轴向下运动，二级连杆106在电机101输出轴的带动下瞬时针旋转，从而带动一级形状记忆合金107的长度收缩并发生由马氏体相向奥氏体相的相变，二级形状记忆合金108的长度增加并发生由奥氏体相向马氏体相的相变，最终一级形状记忆合金107和低温热源109相接触释放冷量，二级形状记忆合金108和高温热汇111接触释放热量，回到步骤一，完成整个循环。39.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属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。









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