一种扭热耦合弹热制冷机装置及其制冷方法

技术领域

本发明涉及绿色固态制冷领域，具体来说涉及一种扭热耦合弹热制冷机装置及其制冷方法。

背景技术

近年来，无污染气体排放的固体制冷受到广泛关注，但大多数固体制冷如吸附式制冷，吸收式制冷，热电制冷等制冷方式效率较低，应用到实际生活中还不够成熟。因此，一种有着高制冷效率、低成本并且不对环境造成破坏的制冷方式是人类迫切需要的。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；2016年，南开大学刘遵峰教授及其团队提出新柔性制冷新策略——扭热制冷。简单来说，扭热制冷是对相应的扭热材料进行加捻和解旋，加捻可以发热，而解捻可以获得很明显的降温。该方案可以适用于多种纤维材料，包括橡胶弹性体和刚性纤维。目前国内外针对弹热制冷或扭热制冷的研究仅限于单个制冷系统，未能充分将二者相结合。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种扭热耦合弹热制冷机装置及其制冷方法，节省电机的做功量和输入功率，有效的提升能量利用率。

为实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

一种扭热耦合弹热制冷机装置，其包括：

固定机架，所述固定机架左右两侧分布有制冷侧和放热侧；

滑块板，其能够沿所述固定机架的水平方向滑动，所述滑块板上部和下部分别对应设置有上移动压板和下移动压板，且所述上移动压板和下移动压板能够沿所述滑块板的垂直方向滑动，所述上移动压板和所述下移动压板分别对应设置有上动力组件和下动力组件，所述上动力组件和上述下动力组件之间固定有弹扭热材料；

两辅助导轨，其两端均分别连接在所述制冷侧和所述放热侧，其中，在所述制冷侧的两辅助导轨的连接点之间的距离和在所述放热侧的两辅助导轨的连接点之间的距离不相等，所述上动力组件和所述下动力组件分别对应通过上传动组件和下传动组件与两所述辅助导轨传动连接。

如上所述的扭热耦合弹热制冷机装置，进一步的，所述上动力组件和所述下动力组件均为提供旋转运动的电机，所述上传动组件和所述下传动组件均为蜗轮蜗杆，其中，所述电机的输出轴上固定连接蜗杆，所述蜗轮与所述蜗杆传动连接。

如上所述的扭热耦合弹热制冷机装置，进一步的，两辅助导轨均为带有齿条的长轨，所述蜗轮同轴传动连接有齿轮，所述齿条与所述齿轮啮合传动。

如上所述的扭热耦合弹热制冷机装置，进一步的，所述固定机架的底部和顶部的内侧均沿水平方向开槽，槽内设置有水平导轨，所述滑块板的上下两侧分别连接在所述固定机架的底部和顶部的水平导轨上。

如上所述的扭热耦合弹热制冷机装置，进一步的，所述滑板块沿竖直方向开槽，槽内设置有竖直导轨，所述上移动压板和所述下移动压板滑动连接在所述竖直导轨上。

如上所述的扭热耦合弹热制冷机装置，进一步的，所述弹扭热材料采用具有弹热效应的弹扭热材料制成。

如上所述的扭热耦合弹热制冷机装置，进一步的，所述弹扭热材料均为丝状或条状。

一种基于上述任意一项所述的扭热耦合弹热制冷机装置的制冷方法，其包括如下步骤：

初始状态下，电机的输出轴工作，弹扭热材料处于原状态，此时弹扭热材料和制冷侧接触并由电机夹紧固定弹扭热材料；

上下两侧电机异方向转动，使弹扭热材料两侧同时受到不同方向的扭矩作用，弹扭热材料开始加捻；在电机和蜗轮蜗杆的作用下，上下两侧的指令单元同时沿齿条向放热侧一侧移动，所述齿条与水平面呈一定角度，指令单元移动的同时，弹扭热材料在竖直方向上被拉伸；因长度的增加而发生由奥氏体相向马氏体相的相变，释放热，温度升高；

在指令单元的带动下，所述弹扭热材料和放热侧接触，发生接触后，所述弹扭热材料释放热量，热量通过放热侧及导热片传递至装置外；

当热量交换完成后，上下两侧电机反向旋转，电机输出轴带动指令单元和弹扭热材料向制冷侧一侧移动；所述弹扭热材料两侧同时受到不同方向的扭矩作用，弹扭热材料开始解旋；所述齿条与水平面呈一定角度，指令单元移动的同时，弹扭热材料逐渐恢复弹性形变，弹性材料长度收缩而发生由马氏体相向奥氏体相的相变，最终使所述弹扭热材料和制冷侧接触释放冷量，完成一个制冷循环。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：在传统单一弹热制冷样机或扭热制冷样机的基础上，利用蜗轮蜗杆传动装置将两类制冷方式耦合，使制冷效果叠加；装置两边分别设置放热侧、制冷侧和导热片，提升系统的温度跨度，提高了换热效率和制冷效率，进一步提高能量利用率；仅通过控制电机的旋转运动即可完成装置的制冷循环，实现弹扭热材料的加载、卸载，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

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明扭热耦合弹热制冷机在制冷循环中的主视示意图。

图2为本发明扭热耦合弹热制冷机在制冷循环中的右视示意图。

图3为本发明利用电机转动的扭热耦合弹热制冷机在制冷循环中的主视示意图。

图4为本发明指令单元示意图。

图5为本发明制冷过程中弹扭热材料的状态示意图。

附图中：1、固定机架；2、导轨；3、齿条；4、滑块板；5、电机；6、制冷侧；7、放热侧；8、蜗轮蜗杆；9、指令单元；10、弹扭热材料；11、移动压板；12、导热片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是弹热制冷原理和扭热制冷原理：

弹热制冷是对弹扭热材料施加轴向载荷，材料在应力作用下由奥氏体转变为马氏体，熵减小并且对外放热；去除载荷时，逆向的相变导致熵增大，从外界吸热，产生制冷效应。

扭热制冷是对弹扭热材料两端施加方向相反的扭矩，当受到驱动被加捻时，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，产生制冷效应。

参见图1至图5，一种扭热耦合弹热制冷机装置，可以包括固定机架1、滑块板4和两条辅助导轨，其中，所述固定机架1左右两侧分布有制冷侧6和放热侧7。滑块板4能够沿所述固定机架1的水平方向滑动，所述滑块板4上部和下部分别对应设置有上移动压板和下移动压板，且所述上移动压板和下移动压板能够沿所述滑块板4的垂直方向滑动，所述上移动压板和所述下移动压板分别对应设置有上动力组件和下动力组件，所述上动力组件和上述下动力组件之间固定有弹扭热材料10；两条辅助导轨的两端均分别连接在所述制冷侧6和所述放热侧7，其中，在所述制冷侧6的两辅助导轨的连接点之间的距离和在所述放热侧7的两辅助导轨的连接点之间的距离不相等，所述上动力组件和所述下动力组件分别对应通过上传动组件和下传动组件与两所述辅助导轨传动连接。

具体的，扭热耦合弹热制冷机装置的上传动组件和下传动组件将旋转运动转化为直线运动，将上动力组件和下动力组件的旋转运动转化为上移动压板和下移动压板相背离或相向的直线运动，进而对弹扭热材料10进行加捻拉伸或解旋收缩。示例性的，制冷侧6和放热侧7的导热界面材料可以为导热硅脂或导热胶；制冷侧6和放热侧7的导热片12可以为铜片或铝片。本发明实现了扭热制冷和弹热制冷的耦合，对比传统的单一弹热指令单元具有更高的制冷效率，仅通过控制电机5旋转即可实现装置的运行，节能高效。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述上动力组件和所述下动力组件均为提供旋转运动的电机5，所述上传动组件和所述下传动组件均为蜗轮蜗杆8，其中，所述电机5的输出轴上固定连接蜗杆，所述蜗轮与所述蜗杆传动连接。上述实施例中，两辅助导轨均为带有齿条3的长轨且固定在上述固定机架1上，所述蜗轮同轴传动连接有齿轮，所述齿条3与所述齿轮啮合传动。

具体的，电机5连接和固定弹扭热材料10，并控制蜗杆进行旋转运动，电机5相对于蜗杆中心转轴同心重合，电机5采用旋转电机，旋转电机通过丝杠系统将输出轴的旋转运动转换为蜗杆的旋转运动；将齿轮、蜗轮蜗杆8、用于连接蜗轮和齿轮的轴作为制冷单元，通过电机5可实现制冷单元(具体包括齿轮、轴、蜗轮蜗杆8)同时进行旋转运动和直线运动，进而对弹扭热材料10同时进行加捻拉伸或解旋收缩。制冷单元在蜗轮蜗杆8的作用下将电机5的旋转运动转化为沿齿条3方向的水平运动，齿条3约束制冷单元(具体包括齿轮、轴、蜗轮蜗杆8)在竖直方向上的运动；移动压板11(包括上移动压板和下移动压板)约束蜗杆的运动；在完整的运动过程中，制冷单元包括的所有零件保持相对静止。导轨2包括辅助导轨、竖直导轨和水平导轨。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述固定机架1的底部和顶部的内侧均沿水平方向开槽，槽内设置有水平导轨，所述滑块板4的上下两侧分别连接在所述固定机架1的底部和顶部的水平导轨上。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述滑板块沿竖直方向开槽，槽内设置有竖直导轨，所述上移动压板和所述下移动压板滑动连接在所述竖直导轨上。

具体的，整体装置呈对称分布，滑块板4置于整体装置的中心对称面。滑块板4在固定机架1上沿水平方向开槽，水平导轨置于该槽中；移动压板11选型配合蜗杆，另一端与滑块板4连接；滑板块沿竖直方向开槽，所述竖直导轨置于槽中。所述移动压板11沿竖直导轨移动，其中竖直导轨对位于上方的制冷单元起一定约束。另外，滑块板4上通过上移动压板和下移动压板分别固定制冷单元(具体包括齿轮、轴、蜗轮蜗杆8)，移动压板11(包括上移动压板和下移动压板)可通过滑块板4上的竖直导轨，配合制冷单元(具体包括齿轮、轴、蜗轮蜗杆8)完成竖直方向的运动，整个运动过程中制冷单元与滑板块保持水平方向相对静止，与移动压板11(包括上移动压板和下移动压板)保持竖直方向相对静止。如此，在电机5的作用下，沿水平导轨和齿条3向制冷侧6或放热侧7移动并使弹扭热材料10与制冷侧6或放热侧7接触；沿竖直导轨和齿条3在竖直方向对弹扭热材料10进行拉伸或收缩，达到放热或吸热的效果。制冷侧6、放热侧7分别布置在装置的两侧；所述弹扭热材料10在电机5的驱动下沿齿条3水平移动，与制冷侧6或放热侧7接触，完成加载卸载、换热。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述弹扭热材料10采用具有弹热效应的弹扭热材料制成。具体的，所述弹扭热材料10均采用具有弹热效应的弹扭热材料制成；该类弹扭热材料为记忆合金、刚性高分子材料或橡胶；该类弹扭热材料在常温下处于奥氏体相，当被拉伸或加捻时，发生奥氏体相向马氏体相变，释放热，温度升高；当收缩或解旋时，逆向相变，变回奥氏体相，吸收热，温度降低。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，所述弹扭热材料10均为丝状或条状。具体的，弹扭热材料10根据实际体积进行调整，同一电机可连接和固定多根弹扭热材料10。

基于统一发明构思，本申请实施例还提供一种基于上述任意一项所述的扭热耦合弹热制冷机装置的制冷方法，其包括如下步骤：

初始状态下，电机5的输出轴工作，弹扭热材料10处于原状态，此时弹扭热材料10和制冷侧6接触并由电机5夹紧固定弹扭热材料10；

上下两侧电机5异方向转动，使弹扭热材料10两侧同时受到不同方向的扭矩作用，弹扭热材料10开始加捻；在电机5和蜗轮蜗杆8的作用下，上下两侧的指令单元9同时沿齿条3向放热侧7一侧移动，所述齿条3与水平面呈一定角度，指令单元9移动的同时，弹扭热材料10在竖直方向上被拉伸；因长度的增加而发生由奥氏体相向马氏体相的相变，释放热，温度升高；

在指令单元9的带动下，所述弹扭热材料10和放热侧7接触，发生接触后，所述弹扭热材料10释放热量，热量通过放热侧7及导热片12传递至装置外；

当热量交换完成后，上下两侧电机5反向旋转，电机5输出轴带动指令单元9和弹扭热材料10向制冷侧6一侧移动；所述弹扭热材料10两侧同时受到不同方向的扭矩作用，弹扭热材料10开始解旋；所述齿条3与水平面呈一定角度，指令单元9移动的同时，弹扭热材料10逐渐恢复弹性形变，弹性材料长度收缩而发生由马氏体相向奥氏体相的相变，最终使所述弹扭热材料10和制冷侧6接触释放冷量，完成一个制冷循环。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。