一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统

技术领域

本发明属于制冷机技术领域，涉及一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统。

背景技术

制冷技术与现代人类生活息息相关。传统的蒸汽压缩式制冷技术已广泛应用于冰箱、空调等领域，但其所采用的含氟制冷剂会破坏臭氧层或引起温室效应。随着环境危机的日益加剧，开发绿色环保的新一代制冷技术已成为一个迫切任务。基于固体材料在外场驱动下的吸/放热效应而发展起来的固态制冷技术有望取代传统的蒸汽压缩式制冷技术，得到了人们的广泛关注。

固态制冷技术包含多个分支。其中，基于固体的弹热效应和压热效应的制冷技术是其中两个重要的技术路线。所述弹热效应是指固体材料在单轴应力的驱动下发生相变所伴随的吸热和放热效应。弹热效应在形状记忆合金中较为常见。所述压热效应是固体材料在等静压力的驱动下发生分子、原子或电子有序度的变化所伴随的吸热和放热效应。压热效应普遍存在于合金、无机盐、高分子和小分子有机物等各类材料中。

目前的弹热制冷装置多使用电机和机械部件实现弹热工质的拉伸和卸载、以及弹热工质与热端冷端的接触和分离。现有技术中一些设计方案取消了传统的电机驱动结构，使用高温形状记忆合金相变时产生的应力驱动低温形状记忆合金产生弹热效应实现制冷，该设计方案对高温形状记忆合金的应力方向和传递效率提出了较高要求，且多个换热流体回路需要按一定的时序切换，控制策略较复杂。

目前的压热制冷装置多使用刚性设计的高压腔体装载制冷工质，并设置高压和低压两个换热流体的回路，分别在施压后和泄压后接通高压腔体，将热量和冷量带出。另有现有技术公开了一种压热制冷机的设计方案，该方案使用圆筒状压力容器装载制冷工质，并根据现有压热制冷工质的性能区间，设定压力变化范围为0.1～400MPa，其最高压力远高于传统的气体压缩制冷机的3～4MPa。如果以抗拉强度1000MPa的高强度合金钢制作内径为200mm的圆筒型压力容器，即使不考虑安全裕度，根据圆筒壁环向张力公式(

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统，包括弹热和压热联合制冷元件、冷端换热器、高压阀门、液压泵、活塞缸和循环水泵，其中，

所述弹热和压热联合制冷元件与冷端换热器之间设置高压阀门，液压泵的高压端经活塞缸与弹热和压热联合制冷元件连接，液压泵的高压端与低压端之间设置有泄压阀，液压泵的低压端与液压油槽连接，循环水泵设置在高压阀门与冷端换热器之间；

所述弹热和压热联合制冷元件为双层管道，包括高分子材料内层和形状记忆合金编织层，高分子材料内层具有压热效应；形状记忆合金编织层具有弹热效应。

优选地，所述弹热和压热联合制冷元件的进液口与出液口分别通过两只高压阀门与冷端换热器的出液口和进液口相连接。

优选地，两只所述高压阀门在电信号的控制下同步开启或关闭；在关闭状态下，弹热和压热联合制冷元件的两端被封闭，其内部空间成为压力容器；在开启状态下，弹热和压热联合制冷元件与冷端换热器接通，从而形成热交换回路。

优选地，所述液压泵用于在高压阀门关闭状态下向弹热和压热联合制冷元件内施压。

优选地，所述活塞缸连接弹热和压热联合制冷元件和液压泵的高压端，用于传导压力并隔离液压油和换热流体。

优选地，所述循环水泵用于在高压阀门开启状态下驱动换热流体在热交换回路中循环流动，将泄压产生的冷量携带至冷端换热器。

优选地，所述弹热和压热联合制冷元件外设置保温箱，所述保温箱设置若干风门，其中至少一个风门与风机连接，向保温箱内鼓风，其余的风门用于保温箱的通风。

优选地，所述高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、天然橡胶、丁腈橡胶、硅酮橡胶及乙烯-醋酸乙烯共聚物。

优选地，所述形状记忆合金材料为Ni-Ti合金。

优选地，所述弹热和压热联合制冷元件呈螺旋型、U型或S型排布；

与现有技术相比，本发明至少有以下有益效果：本发明采用具有超弹性和大形变能力的形状记忆合金作为高分子柔性管道的承压层，并通过管道内层的高分子材料向外层的形状记忆合金传递张力，实现内层的压热制冷和外层的弹热制冷的叠加效果。本发明利用双层管道外的流动空气带走加压时产生的热量，利用双层管道内的换热流体带出泄压时产生的冷量。双层管道同时作为弹热工质、压热工质、高压容器及高压热端换热器，避免了传统的弹热制冷机中复杂的机械驱动部件，及传统的压热制冷机中独立设置的厚壁高压腔体和热端换热器对制冷机的体积、重量和制冷效率带来的不利影响。因此，本发明具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、易于实施的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的基于弹热和压热效应的联合制冷系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的基于弹热和压热效应的联合制冷系统的弹热和压热联合制冷元件具体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参见图1、2，所示为本发明一实施例的基于弹热和压热效应的联合制冷系统结构示意图，包括弹热和压热联合制冷元件1、冷端换热器2、高压阀门3、液压泵5、活塞缸6和循环水泵4，其中，

弹热和压热联合制冷元件1与冷端换热器2之间设置高压阀门3，液压泵5的高压端经活塞缸6与弹热和压热联合制冷元件1连接，液压泵5的高压端与低压端之间设置有泄压阀7，液压泵5的低压端与液压油槽8连接，循环水泵4设置在高压阀门3与冷端换热器2之间；

弹热和压热联合制冷元件1包括为高分子材料内层101和形状记忆合金编织层102，制成双层管道，高分子材料内层101具有压热效应；形状记忆合金编织层102具有弹热效应。

弹热和压热联合制冷元件1的进液口与出液口分别通过两只高压阀门3与冷端换热器2的出液口和进液口相连接。

两只高压阀门3在电信号的控制下同步开启或关闭；在关闭状态下，弹热和压热联合制冷元件1的两端被封闭，其内部空间成为压力容器；在开启状态下，弹热和压热联合制冷元件1与冷端换热器2接通，从而形成热交换回路。

液压泵5用于在高压阀门3关闭状态下向弹热和压热联合制冷元件1内施压。

活塞缸6连接弹热和压热联合制冷元件1和液压泵5的高压端，用于传导压力并隔离液压油和换热流体。

循环水泵4用于在高压阀门3开启状态下驱动换热流体在热交换回路中循环流动，将泄压产生的冷量携带至冷端换热器2。

弹热和压热联合制冷元件1外设置保温箱9，所述保温箱9设置若干风门10，其中至少一个风门10与风机11连接，向保温箱9内鼓风，其余的风门10用于保温箱9的通风。风机11和风门10可根据制冷循环的不同阶段开启或关闭。在开启状态下，流经保温箱9的常温空气将施压时产生的热量带出，所述弹热和压热联合制冷元件1作为热端换热器；在关闭状态下，保温箱9可隔离外界常温环境，由换热流体将泄压时产生的冷量带出。换热流体填满弹热和压热联合制冷元件1和冷端换热器2的内部空间，换热流体优选为乙二醇防冻液。

高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、天然橡胶、丁腈橡胶、硅酮橡胶及乙烯-醋酸乙烯共聚物。高分子材料具有下列特征：在绝热条件下施压使温度上升，在绝热条件下泄压使温度降低。高分子材料内层101的内壁有凸起的棱线，用于增加高分子材料的装载量及高分子材料与换热流体的接触面积。

形状记忆合金材料为Ni-Ti合金。所述合金材料具有下列特征：在绝热条件下加载拉伸使温度上升，在绝热条件下卸载收缩使温度降低。所述形状记忆合金编织层102为套管、多层细丝或条带的编织网格；所述形状记忆合金层对高分子材料层产生轴向和径向的约束力，从而提供承压能力；根据高分子材料层的外径、压热效应的驱动压力、及弹热效应的驱动应力等参数，参考圆筒壁环向张力公式，设计所述合金层的厚度。弹热和压热联合制冷元件1呈螺旋型、U型或S型排布。

本发明基于弹热和压热效应的联合制冷系统的工作过程如下：

制冷循环开始时，首先关闭弹热和压热联合制冷元件1两端的高压阀门3，使其封闭一段换热流体。

关闭泄压阀7，开启液压泵5，使液压油从液压油槽8中流入活塞缸6，进而推动活塞向弹热和压热联合制冷元件1加压至设计压力值，使双层管道膨胀；此时管道内层的高分子材料101因换热流体传导的压力和形状记忆合金编织层102反作用的约束力而升温；管道外层的形状记忆合金编织层102中的合金细丝或条带在张力的作用下拉伸而升温。

保持压力值不变，开启风门10和风机11，使常温空气流入保温箱9，将施压时产生的热量带出至外界环境，此时弹热和压热联合制冷元件1的温度逐渐降低。

当弹热和压热联合制冷元件1的温度趋近常温时，关闭风门10和风机11，使保温箱隔离外界常温环境。再开启泄压阀7，使弹热和压热联合制冷元件1内部的压力快速降至常压；此时双层管道收缩，管道内层的高分子材料101因泄压而降温，管道外层的形状记忆合金编织层102因卸载而降温。

开启高压阀门3，使弹热和压热联合制冷元件1的两端与冷端换热器2联通，形成热交换回路；开启循环水泵4，驱动换热流体在所述热交换回路中循环流动，进而将泄压产生的冷量携带至冷端换热器2，使冷端换热器2的温度下降，产生制冷效果。

当弹热和压热联合制冷元件1的温度趋近冷端换热器2的温度时，关闭循环水泵4、高压阀门3和泄压阀7，开启液压泵5，从而开始下一个制冷循环。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。