回热器及包括其的制冷系统

本发明属于固态制冷技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的回热器。

背景技术：

自20世纪初循环压缩蒸气以实现制冷的原理被提出后，蒸气压缩制冷技术中的瓶颈问题逐一被突破，核心部件诸如压缩机、换热器等的设计也臻于完善。然而，该技术从原理上要求必须使用诸如卤代烃等会产生并加剧臭氧破坏、温室效应的制冷剂。随着这项技术在现代空调、冰箱等产品中的广泛应用，上述全球性环境问题显得愈发严峻，研发现有的蒸气压缩制冷技术的替代技术刻不容缓。

其中，以形状记忆合金的弹热效应为设计基础的固态制冷技术是一种环境友好、具有较大性能潜力的替代技术，其原理于2004年由英国科学家提出，是基于形状记忆合金在单轴循环应力下马氏体相变过程吸收和释放的潜热。该技术现已被美国能源部认为是最具潜力的新型制冷技术。

近年来，学者们在此领域逐步提出了一些基于形状记忆合金弹热效应的制冷机械结构及系统方案，但现有的制冷机械原型机均存在制冷效率偏低，所用的回热器存在力学稳定性不好等问题。

例如，cn108954901a公开了一种具有形状记忆合金管材的固态制冷系统，其主要特征是通过控制机构分别与制冷泵、电动压机相连接，驱动第一传动块和第二传动块沿着内径为3mm-5mm、外径为5mm-7mm的形状记忆合金管(回热器)的轴向方向线性循环运动，同时通过滚珠丝杆控制吸热剂于管内循环流动，输出回热器自身的冷量和热量以实现输出系统温差。该发明虽然详细地设计了基于循环压缩加载条件下新一代制冷原型机，但其推荐使用的回热器(最优选的形状记忆合金管参数为内径4mm、外径6mm)单位体积内和流体实际接触的有效换热面积只有0.8m²。这导致了整机驱动频率偏低(0.2hz-0.3hz)的同时，加载卸载间仍需保持1s-2s的时间给回热器和换热介质进行充分换热。

另外，cn106052190a公开了一种主动回热式弹热制冷系统，其主要特征是包括高温侧换热器、低温侧换热器、至少两个由弹热制冷材料构成的回热器及热交换流体网络以将热量从低温侧排向高温侧。该文献虽然提及平行薄膜型回热器结构、穿孔型回热器结构、蜂窝状回热器结构和波浪型回热结构，但既没有对比不同结构回热器的制冷效率，也没有论证这些结构的力学稳定性。例如，二维拓扑学认为有且只有三角形、四边形和六边形可以既无重叠也无空隙地铺满整个二维平面，而该发明中所提及的“穿孔型回热器结构”使用圆形结构填充二维平面，其从设计上就存在着孔间距必然不一致的结构缺陷，进而势必会影响其力学稳定性。

技术实现要素：

[要解决的技术问题]

现有技术中，回热器的有效换热面积小，回热器的力学稳定性不好。本技术方案的目的在于提供高制冷效率、力学稳定性好的回热器。

[技术方案]

本发明的第一方面在于提供一种回热器，包括：第一筒状件、第二筒状件，所述第一筒状件设置在所述第二筒状件的内部；以及第一连接件，所述第一筒状件和所述第二筒状件通过所述第一连接件连接并相互支撑，其中，所述第一筒状件、第二筒状件和所述第一连接件由形状记忆合金制成。

本发明的第二方面在于提供一种制冷系统，包括第一方面中所述的回热器。

[发明的有益效果]

本发明通过设置多层筒状件可以实现单位体积内更大的和流体直接接触的有效换热面积。与压缩形状记忆合金圆柱、圆管相比，本发明结构的回热器通过让流体在其内部各级筒状件和连接件之间流动，单位体积内有效换热面积可提高约300％-500％。

本发明多层筒状件的设置还可以使得相同外体积下更大的线密度/潜热量。与相同的单位体积内有效换热面积的圆管(壁厚足够薄)相比，本发明的图1、图2和图3所示的两层、三层、四层筒状件的回热器的线密度/截面积/潜热量分别提升了约79％、172％和272％。

本发明通过在多层筒状件之间设置连接件获得了更好的力学稳定性。由于本发明通过连接件将各级筒状件实现了内外连接，充分利用了空间的同时，在轴向循环应力加载的条件下还能够保持更大的刚度，从而实现更好的力学稳定性。

本发明提供的回热器是基于形状记忆合金的高制冷效率回热器。本发明的结构在保证其力学稳定性同时，可实现相同外体积下更大的潜热量和单位体积内足够多的和流体接触的有效换热面积。本发明提供的高制冷效率的回热器结构有利于以形状记忆合金弹热效应为设计基础的制冷机械在更短的时间内实现更大的系统温差。

附图说明

参照附图阅读本发明的多种实施方式之后，本领域技术人员更容易理解本发明的组件的目的和特征，附图说明如下：

图1是根据本发明一个实施方式的具有两层筒状件的回热器的剖视图；

图2是根据本发明一个实施方式的具有三层筒状件的回热器的剖视图；

图3是根据本发明一个实施方式的具有四层筒状件的回热器的剖视图；

图4是根据本发明一个实施方式的具有三层筒状件的回热器的剖视图；

图5是根据本发明一个实施方式的具有四层筒状件的回热器的剖视图；

图6是根据本发明一个实施方式的具有十三层筒状件的回热器的剖视图；

图7是实施例1中制得的回热器在1gpa循环压应力下以5hz加载150万圈后的绝热温变对比图；

图8是实施例1中制得的回热器在1gpa循环压应力下以5hz加载150万圈后的最大温升/温降对比图；

图9是实施例1中制得的回热器在1gpa循环压应力下以5hz加载150万圈后表面形貌及破坏情况扫描电镜图；

图10是实施例2中制得的回热器在1.2gpa循环压应力下以10hz加载100万圈后的绝热温变对比图；

图11是实施例2中制得的回热器在1.2gpa循环压应力下以10hz加载100万圈后的最大温升/温降对比图；

图12是实施例3中制得的回热器在0.8gpa循环压应力下以20hz加载50万圈后的绝热温变对比图；

图13是实施例3中制得的回热器在0.8gpa循环压应力下以20hz加载50万圈后的最大温升/温降对比图。

具体实施方式

下文结合附图描述本发明提供的回热器的实施方式。通篇附图中采用相似的附图标记描述相似或相同的部件。这里披露的不同特征可以单独使用，或者彼此改变组合，没有规定将本发明限定于文中描述的特定组合。由此，所描述的实施方式不用于限定权利要求的范围。

说明中可能采用短语“在一实施方式中”、“在实施方式中”、“在一些实施方式中”，或者“在其他实施方式中”，分别可以各指根据本文披露的一个或多个相同或者不同的实施方式。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

图1是根据一个实施方式的回热器从与纵向轴线垂直的方向截取的剖视图，纵向轴线是从筒状件(例如第一筒状件、第二筒状件或第三筒状件)的中心沿与筒状件的筒状壁平行的方向延伸的轴线。在该实施方式中，提供了一种回热器1，其包括：第一筒状件10、第二筒状件20。第一筒状件10设置在第二筒状件20的内部。

第一筒状件10和第二筒状件20的横截面形状可为圆形、三角形、四边形以上的多边形等。优选地，第一筒状件10和第二筒状件20的横截面形状均是圆形。横截面形状是从与纵向轴线垂直的方向观察的形状。这种圆形截面的回热器受力更均匀，稳定性更好。根据实际需要，第一筒状件10和第二筒状件20的横截面形状可相同，也可以不相同，例如第一筒状件10的横截面形状为圆形，第二筒状件20的横截面形状为正方形。

回热器1还包括第一连接件15，第一连接件15在该实施方式中设置为三个。第一筒状件10和第二筒状件20通过第一连接件15连接并相互支撑。这种结构的回热器在受轴向循环应力时，第一筒状件和第二筒状件通过连接件互相支撑。与单层圆管相比，在实现整体更大的刚度、力学稳定性更好的同时，还实现了相同体积下更大的线密度(亦即相同体积下更大的潜热量)。而且，这种结构的回热器除最外面筒状件的外表面不直接和换热流体接触外，内部各级筒状件的内外表面、连接件均直接和换热流体接触，从而可实现单位体积内足够大的和流体接触的有效换热面积。设置三个第一连接件是成本效益最佳的一种实施方式。

第一连接件的形状没有特别限制，可以为线性板形或弯曲板形或带孔板形等。由于连接件在轴向方向也会受到循环应力，所以结构简单但力学稳定性最佳的连接件的形状为等厚度的线性板。第一连接件可以沿第一筒状件和第二筒状件轴向的一端至另一端连续设置或间隔设置。相邻连接件之间的夹角θ可彼此相同或不同，优选为相同，在该实施方式中相邻连接件之间的夹角θ相同，均为120度。

第一筒状件10、第二筒状件20和第一连接件15均由形状记忆合金制成。形状记忆合金可以选自niti、niticu、nitiv或nifegaco中的一种或几种。

又一实施方式中还设置了第三筒状件30和第二连接件25，第二筒状件20和第三筒状件30通过第二连接件25连接并相互支撑。如图2和图4所示，在该实施方式中，在第二筒状件20的外侧还设置了第三筒状件30。在第二筒状件与第三筒状件30之间也设置了三个第二连接件25。在该实施方式中，第一连接件15的第一数量与第二连接件25的第二数量相同。从与纵向轴线垂直的截面观察，第一连接件15与第二连接件25在与纵向轴线相垂直的第一方向上错开。例如，第一连接件15与第二连接件25可沿周向方向均匀交错，即第一连接件10的任一个在相邻两个第二连接件20的中间位置，第二连接件20的任一个在相邻两个第一连接件10的中间位置。

当然，第二连接件25的数量也可以与第一连接件15的数量不相同，例如第一连接件10设置为三个，而第二连接件20可以设置为四个。第一连接件15可以沿第一筒状件10的周向均匀间隔设置，第二连接件25可以沿第二筒状件20的周向均匀间隔设置，第一连接件15与第二连接件25可以沿第一筒状件20以彼此错开的方式设置，以更有利于力学稳定性。

该实施方式的回热器的有效换热面积进一步增大，换热效果进一步提高；力学稳定性更好。

再一实施方式中还设置了第四筒状件40和第三连接件35。如图3所示，在该实施方式中，提供了一种回热器1，其包括：从里向外依次设置的第一筒状件10、第二筒状件20、第三筒状件30、第四筒状件40。在第一筒状件10与第二筒状件20之间设置三个第一连接件15，在第二筒状件20与第三筒状件30之间设置三个第二连接件25，在第三筒状件30与第四筒状件40之间设置三个第三连接件35。三个第一连接件15的任意两个相邻连接件之间形成120度的夹角。三个第二连接件25或三个第三连接件35也类似于三个第一连接件设置。第一连接件15与第二连接件25沿第一方向均匀交叉错开，第二连接件25与第三连接件35沿第一方向均匀交叉错开，以更有利于力学稳定性。该实施方式的回热器的有效换热面积又进一步提高。

另一实施方式中的第一连接件15、第二连接件25以及第三连接件35的数量各自设置为四个，每级连接件的任意两个之间形成90度的夹角，如图5所示。该实施方式的回热器可更有利于换热效率的提高和力学稳定性的增加。

还有一实施方式中还设置了第五筒状件50、……第十三筒状件130；以及第四连接件45、……第十二连接件125，并且各级连接件相互之间的数量不相同，具体见下表1。随着筒状件直径的增加，适当增加连接件的数量有利于增加回热器的结构稳定性。

表1

本发明实施方式的回热器在受轴向循环应力时，相邻层的筒状件之间通过连接件互相支撑，与单层圆管相比实现了整体更大的刚度和力学稳定性的同时，实现了相同体积下更大的线密度(亦即相同体积下更大的潜热量)。

此外，本发明实施方式的回热器除最外面筒状件的外表面不直接和换热流体接触外，内部各级筒状件内外表面、连接件均直接和换热流体接触，从而可实现单位体积内足够大的和流体接触的有效换热面积

在一个优选实施方式中，如图1-6所示，第一连接件15与第一筒状件10或第二筒状件20之间，以及第二连接件25与第二筒状件20或第三筒状件30之间采用圆弧过渡。从与纵向轴线垂直的截面观察，第一连接件10沿第一方向的两侧与第一筒状件10和第二筒状件20之间的连接部分s，以及第二连接件20沿第一方向的两侧与第二筒状件20和第三筒状件30之间的连接部分s采用圆弧过渡。采用如上的圆弧过渡能够避免应力集中，从而延长回热器使用寿命。

优选地，第一筒状件10、第二筒状件20、第三筒状件30可均为圆筒状件。第一筒状件10、第二筒状件20、第三筒状件30与第一连接件15、第二连接件25采用一体成型。圆筒状件能够进一步降低轴向循环应力集中。筒状件与连接件一体成型使得易于制造，力学稳定性更好。

如图2所示，第一筒状件10、第二筒状件20以及第三筒状件30的壁厚一致，在与纵向轴线垂直的截面中，第一连接件15在第一筒状件10的外表面和第二筒状件20的内表面之间的长度h1与壁厚一致。在与纵向轴线垂直的截面中，第二连接件25在第二筒状件20的外表面和第三筒状件30的内表面之间的长度h2与壁厚一致。由此，连接件对相邻筒状件的支撑更坚固，从而实现更佳的结构稳定性。

在一个实施例中，本发明的回热器包括第一筒状件10、第二筒状件20、第三筒状件30、第四筒状件40、…第n筒状件n0；以及第一连接件15、第二连接件25、第三连接件35、…第n-1连接件n5。其中，第n-1连接件将第n-1筒状件和第n筒状件连接并相互支撑，n为大于或等于5且小于等于10的整数。过多的筒状件及相应的连接件所对应的横截面积较大，进而导致该结构作为回热器应用在制冷机械中时所需驱动力过大，最终将会对整个制冷机械的结构刚度要求过高。n超过10时，无论是通过模具一次挤压成型还是电火花钻孔+线切割二次加工，结构的生产、加工的难度会极大地增加。因此，本发明中n选择为不超过10的整数。

在一个实施例中，第三连接件的第三数量、…第n-1连接件的第n-1数量分别为两个以上。第三数量与第n-1数量可相同或不同。优选随着n增加，连接件的数量可适当增加，以增加力学稳定性。在一个实施例中，第n-2连接件与第n-1连接件在第一方向上错开，从而使得力学性能更优。

在一个实施例中，第n-1连接件与第n-1筒状件或第n筒状件之间采用圆弧过渡。该圆弧过渡采用与上述第一连接件与第一筒状件和第二筒状件之间的过渡形式类似的形式。

第一筒状件10、第二筒状件20、第三筒状件30、第四筒状件40、…第n筒状件n0的中心大致重合。筒状件的中心之间的距离为0，均相等，从而实现更优的力学稳定性。各级筒状件可以均为圆筒状件，且各级筒状件与各级连接件可采用一体成型。从而实现更好的力学稳定性并且易于制造。

本发明的回热器可采用如下方法制备：以市面上的形状记忆合金(例如niti、niticu、nitiv、nifegaco等)棒材为基础，采用电火花钻孔、麻花钻钻孔或线切割等加工方式，将其加工到期望的结构。另外，本发明的回热器也可以通过与之配套的模具将形状记忆合金材料直接挤压成型，从而得到期望的结构。

本发明的另一方面提供了一种制冷系统，其包括本发明提供的回热器。

下面对本发明的回热器的制备及性能进行说明。

实施例1：

以niti(原子比约为50.6％:49.4％)棒为原料，麻花钻钻小孔后用线切割分2次切至图1所示的两层结构。第一筒状件10、第二筒状件20的内径/外径分别为1.0mm/2.0mm和3.0mm/4.0mm。第一连接件15的长度h1为0.5mm。第一筒状件10、第二筒状件20与第一连接件15直接以半径0.2mm的圆弧过渡s。

将该实施例制得的回热器在mts试验机上，以1gpa的循环压应力5hz循环加载了150万圈。

实验前后的绝热温变(测试条件：1hz、1gpa加载)、最大温升/温降(0.5s内加载至1gpa压应力状态，保持30s后于0.5s内卸载)、实验后的表面形貌/破坏情况详见图7、8、9。

niti形状记忆合金两层回热器结构力学稳定性出色，150万圈5hz轴向循环应力1gpa加载卸载后仅内层筒状件出现2条平均长度约200μm的微裂纹(参见图9)。该实施例制得的回热器的功能稳定性也较为良好。具体来说，150万圈疲劳试验后其绝热温变仅下降了1.78℃(参见图7，疲劳试验前：18.16℃，疲劳试验后：16.38℃)，最大温降仅减少了3.99℃(参见图8，疲劳试验前：15.95℃，疲劳试验后：11.96℃)。

该实施例的回热器实现了相同外体积下更大的潜热量(108.82j/cm³)和单位体积内足够多的和流体接触的有效换热面积(2.03m²/m³)，表现出良好的力学稳定性和功能稳定性，可应用于以形状记忆合金弹热效应为设计基础的制冷机械中以实现更短的时间内实现更大的系统温差。

实施例2：

以nitiv(原子比约为50％:45.3％:4.7％)棒为原料，麻花钻钻小孔后用线切割分2次切至图4所示的三层结构。第一筒状件10、第二筒状件20、第三筒状件30的内径/外径分别为1.0mm/2.0mm，4.0mm/5.0mm和7.0mm/8.0mm。第一连接件15的长度h1以及第二连接件25的长度h2均为1.0mm。第一筒状件10、第二筒状件20与第一连接件15，以及第二筒状件20、第三筒状件30与第二连接件25均直接以半径0.5mm的圆弧过渡。

将该实施例制得的回热器在mts试验机上，以1.2gpa的循环压应力10hz循环加载了100万圈。

实验前后的绝热温变(测试条件：1hz、1.2gpa加载)、最大温升/温降(0.5s内加载至1.2gpa压应力状态，保持30s后于0.5s内卸载)详见图10、11。

nitiv形状记忆合金三层回热器结构力学稳定性出色，100万圈10hz轴向循环应力1.2gpa加载卸载后无微裂纹产生。该实施例制得的回热器的功能稳定性也较为良好。具体来说，100万圈疲劳试验后其绝热温变仅下降了1.25℃(参见图10，试验前：19.16℃，试验后：17.38℃)，最大温降仅减少了4.21℃(参见图11，试验前：15.95℃，试验后：11.74℃)。

该实施例的回热器实现了相同外体积下更大的潜热量(80.23j/cm³)和单位体积内足够多的和流体接触的有效换热面积(2.33m²/m³)，表现出良好的力学稳定性和功能稳定性，可应用于以形状记忆合金弹热效应为设计基础的制冷机械中以实现更短的时间内实现更大的系统温差。

实施例3：

以市面上购得nifegaco(原子比约为56％:17％:25％:2％)为原料，通过配套模具，直接挤压加工至图5的四层结构。第一筒状件10、第二筒状件20、第三筒状件30、第四筒状件40的内径/外径分别为1.0mm/2.0mm，3.0mm/4.0mm，5.0mm/6.0mm和7.0mm/8.0mm。第一连接件15的长度h1、第二连接件25以及第三连接件35的长度h3均为0.5mm。第一筒状件10、第二筒状件20与第一连接件15；第二筒状件20、第三筒状件30与第二连接件25；以及第三筒状件30、第四筒状件40与第三连接件35均直接以半径0.35mm的圆弧过渡。

将该实施例制得的回热器在mts试验机上，以0.8gpa的循环压应力20hz循环加载了50万圈。

实验前后的绝热温变(测试条件：1hz、0.8gpa加载)、最大温升/温降(0.5s内加载至0.8gpa压应力状态，保持30s后于0.5s内卸载)详见图12、13。

nifegaco形状记忆合金四层回热器结构力学稳定性出色，50万圈20hz轴向循环应力0.8gpa加载卸载后无微裂纹产生。该实施例的回热器的功能稳定性也较为良好，具体来说，50万圈疲劳试验后其绝热温变仅下降了0.64℃(参见图10，试验前：16.40℃，试验后：15.76℃)，最大温降仅减少了3.54℃(参见图11，试验前：15.95℃，试验后：12.41℃)。

该实施例的回热器实现了相同外体积下更大的潜热量(99.68j/cm³)和单位体积内足够多的和流体接触的有效换热面积(2.58m²/m³)，表现出良好的力学稳定性和功能稳定性，可应用于以形状记忆合金弹热效应为设计基础的制冷机械中以实现更短的时间内实现更大的系统温差。

实施例1-3的结构单位体积内和流体实际接触的有效换热面积分别约为2.03m²、2.33m²和2.58m²，远大于现有技术cn108954901a中推荐的最优选回热器的相应值0.8m²。

本技术方案提供的形状记忆合金回热器结构在保证其力学稳定性同时，可实现相同外体积下更大的潜热量和单位体积内足够多的和流体接触的有效换热面积，从而提供相当高的制冷效率。为此，本发明的回热器可以有利地用于需要实现更大的系统温差的制冷系统。

应当理解，与附图所示相比，本发明的实施方式可以包括附加的、减少的或者不同的部件。应当理解，本发明的装置的实施方式的特征可以为不同构造的组合。

尽管为了描述和说明的目的，本发明参考附图具体说明了一种实施方式，应当理解所披露的应用方法和装置并不能构成对本发明的限定。对本领域技术人员来说，容易做出对前述实施方式的多种修改，而不脱离本发明的范围。