一种极低温弹热制冷系统

技术领域

本申请涉及极低温制冷技术领域，特别涉及一种极低温弹热制冷系统。

背景技术

极低温温区制冷技术对前沿物理研究、量子计算等领域具有重要的应用价值。基于目前极低温制冷技术的研究现状，除了改进制冷系统设计、提高制冷性能外，需要进一步探索结构简单、热效率高，运行时不依赖重力低温制冷系统，以满足未来技术发展全方位的需求。弹热制冷技术是利用弹热工质相变潜热的交替吸收和释放，实现制冷的一种新型固态制冷技术。弹热效应类似于磁热效应，驱动力由磁场变为应力场。当对弹热工质施加载荷时，工质在应力作用下由奥氏体转变为马氏体，熵减小，向外界放热；当去除载荷时，工质从马氏体转变为奥氏体，熵增大，从外界吸热，即产生制冷效应。弹热制冷技术具有理论效率高、应力驱动方式简单、温度适用范围宽、不受重力影响等优点，被美国能源部认可为最具潜力的新型制冷技术。该制冷技术有望成为一种高效、可靠的极低温制冷技术。

弹热制冷系统需要驱动弹热工质相变制冷的驱动装置，且通常需要驱动装置给弹热工质提供的应力大于100MPa，而弹热工质在进行马氏体相变时对应的轴向应变一般低于10％。因此，弹热制冷系统选用的驱动装置应满足大驱动力、小位移的特性。

传统的弹热制冷系统绝大部分采用直线电机或旋转电机配螺杆等电驱动方式，它们的工作特性与弹热制冷系统所需求的输出特性不匹配，导致系统驱动质量与制冷工质质量之比大，整机系统体积大。

发明内容

鉴于此，有必要针对现有技术中存在的系统驱动质量与制冷工质质量之比大，整机系统体积大的缺陷，提供一种紧凑、体积小的极低温弹热制冷系统。

为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

本申请提供了一种极低温弹热制冷系统，包括：支撑结构、驱动装置、弹热材料及负载，所述驱动装置包括磁致伸缩材料及设置所述磁致伸缩材料周围的磁体，所述支撑结构呈封闭结构，所述磁致伸缩材料及所述弹热材料固定设置于所述支撑结构内部，所述负载通过热连接于所述支撑结构；

当对所述磁致伸缩材料施加磁场时，所述磁致伸缩材料在长度方向发生变化并产生应力，并向所述弹热材料传递加载过程中所需的驱动力，所述弹热材料在所述驱动力下从奥氏体逐步转变为马氏体，所述弹热材料内部各点温度升高，向外界放热；

当去除施加在所述磁致伸缩材料上的磁场时，所述磁致伸缩材料在长度方向回复到原来的状态，并卸载施加在所述弹热材料上的驱动力，所述弹热材料从马氏体向奥氏体转变，所述弹热材料内部各点温度降低，向外界吸热，产生制冷效应，使得所述负载冷却。

在其中一些实施例中，还包括设置于所述支撑结构外部的预冷板，所述预冷板可吸收所述弹热材料在施加载荷过程中产生的热量。

在其中一些实施例中，所述预冷板与所述支撑结构之间柔性连接。

在其中一些实施例中，所述预冷板上还设置有若干肋片，所述肋片延伸至所述支撑结构内部。

在其中一些实施例中，还包括设置于所述磁致伸缩材料及所述弹热材料之间的机械连接件，所述机械连接件可将所述磁致伸缩材料在磁场变化时所产生的应力传递给所述弹热材料。

在其中一些实施例中，还包括热开关组件，所述热开关组件包括吸附床以及与所述吸附床连接的加热器及连接管，所述加热器弱热连接于所述预冷板，所述连接管延伸于所述支撑结构内部。

在其中一些实施例中，当启动所述加热器的电源，所述吸附床升温，所述吸附床释放出吸附的气体，将所述弹热材料释放的热量通过所述预冷板的肋片导出；当切断所述加热器的电源，所述吸附床吸附气体，阻断热量由所述预冷板与所述支撑结构内的传递。

在其中一些实施例中，所述吸附床内的吸附剂包括活性炭。

采用上述技术方案，本申请实现的技术效果如下：

本申请提供的极低温弹热制冷系统，当对所述磁致伸缩材料施加磁场时，所述磁致伸缩材料在长度方向发生变化并产生应力，并向所述弹热材料传递加载过程中所需的驱动力，所述弹热材料在所述驱动力下从奥氏体逐步转变为马氏体，所述弹热材料内部各点温度升高，向外界放热；当去除施加在所述磁致伸缩材料上的磁场时，所述磁致伸缩材料在长度方向回复到原来的状态，并卸载施加在所述弹热材料上的驱动力，所述弹热材料从马氏体向奥氏体转变，所述弹热材料内部各点温度降低，向外界吸热，产生制冷效应，使得所述负载冷却，本申请提供的极低温弹热制冷系统，利用磁致伸缩材料在磁场变化时所产生的应力驱动弹热工质实现制冷，与传统的弹热制冷系统相比，减小了庞大的驱动结构，整体紧凑、体积小。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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为本申请一实施方式提供的极低温弹热制冷系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

请参阅图1，为本申请一实施方式提供的极低温弹热制冷系统100的结构示意图，包括：支撑结构110、驱动装置120、弹热材料130及负载140。以下进一步说明各个部件间的连接关系及其工作方式。

所述驱动装置120包括磁致伸缩材料121及设置所述磁致伸缩材料121周围的磁体122。所述支撑结构110呈封闭结构，所述磁致伸缩材料121及所述弹热材料122固定设置于所述支撑结构110内部，所述负载140热连接于所述支撑结构110。

可以理解，磁致伸缩效应是指对磁致伸缩材料施加磁场后，材料内部原来呈杂乱无章排列的磁分子就会沿着磁场方向重新排列，导致材料的长度或体积发生变化；在去掉外磁场后，尺寸又能恢复到原来的状态。

在本实施例中，所述磁致伸缩材料121及所述弹热材料122相对设置。

可以理解，可以根据需求改变所需磁致伸缩材料、弹热材料的数量以及结构，不局限于图中所示的结构与数量；磁致伸缩材料和弹热材料的布置形式不局限于当前的描述，如以层叠堆放等。

在其中一些实施例中，驱动装置120不局限磁致伸缩材料121，也可以采用压电材料，通过施加电场产生应力驱动弹热材料。

上述极低温弹热制冷系统的工作方式如下：

当对所述磁致伸缩材料121施加磁场时，所述磁致伸缩材料121在长度方向发生变化并产生应力，并向所述弹热材料122传递加载过程中所需的驱动力，所述弹热材料122在所述驱动力下从奥氏体逐步转变为马氏体，所述弹热材料122内部各点温度升高，向外界放热。

当去除施加在所述磁致伸缩材料121上的磁场时，所述磁致伸缩材料121在长度方向回复到原来的状态，并卸载施加在所述弹热材料122上的驱动力，所述弹热材料122从马氏体向奥氏体转变，所述弹热材料122内部各点温度降低，向外界吸热，产生制冷效应，使得所述负载140冷却。

在其中一些实施例中，还包括设置于所述支撑结构110外部的预冷板150，所述预冷板150可吸收所述弹热材料122在施加载荷过程中产生的热量。

进一步地，所述预冷板150与所述支撑结构110之间通过柔性连接件170连接。

在一些实施例中，柔性连接可以通过弹簧连接。可以理解，由于所述预冷板150与所述支撑结构110之间通过柔性连接，可以起到弹性支撑的作用。

在其中一些实施例中，所述预冷板150上还设置有若干肋片151，所述肋片151延伸至所述支撑结构110的内部。

可以理解，肋片151可吸收所述弹热材料在施加载荷过程中产生的热量，并将热量传递至所述预冷板150。

在其中一些实施例中，还包括设置于所述磁致伸缩材料121及所述弹热材料122之间的机械连接件123，所述机械连接件123可将所述磁致伸缩材料121在磁场变化时所产生的应力传递给所述弹热材料122。所述机械连接件123为低热导材料。

在其中一些实施例中，还包括热开关组件160，所述热开关组件160包括吸附床161以及与所述吸附床161连接的加热器162及连接管163，所述加热器162弱热连接于所述预冷板150，所述连接管163延伸于所述支撑结构110内部。

进一步地，当启动所述加热器162的电源，所述吸附床161升温，所述吸附床161释放出吸附的气体，将所述弹热材料122释放的热量通过所述预冷板150的肋片151导出；当切断所述加热器162的电源，所述吸附床161吸附气体，阻断热量由所述预冷板150与所述支撑结构110内的传递。

在其中一些实施例中，所述吸附床161内的吸附剂包括活性炭。

可以理解，在加热器162的作用下，可以控制吸附剂的吸附和解析过程，弱热连接一方面可以将吸附剂吸附时放出的热量导出，同时也保证吸附剂解吸时，加热器162的热量不被快速传导出去。

本申请提供的极低温弹热制冷系统，利用磁致伸缩材料在磁场变化时所产生的应力驱动弹热工质实现制冷，与传统的弹热制冷系统相比，减小了庞大的驱动结构，整体紧凑、体积小。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，仅具体描述了本申请的技术原理，这些描述只是为了解释本申请的原理，不能以任何方式解释为对本申请保护范围的限制。基于此处解释，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本申请的其他具体实施方式，均应包含在本申请的保护范围之内。