一种冷热分区的扭转制冷装置

1.本实用新型涉及一种冷热分区的扭转制冷装置，属于制冷技术领域。


背景技术：

2.制冷是从低于环境温度的空间或物体中吸取热量，并将其转移给环境介质的过程。制冷技术是为适用人们对低于环境温度条件的需要而产生和发展起来的。目前所利用的常见的制冷技术是蒸汽压缩式制冷，蒸汽压缩式制冷系统是由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器等四个主要部分组成，用管道依次连接，形成一个完全封闭的系统，制冷剂在这个封闭的制冷系统中以流体状态循环，通过相变，连续不断地从蒸发器中吸取热量，并在冷凝器中放出热量，从而实现制冷的目的。蒸汽压缩式制冷技术利用的cfc、hcfc类制冷剂具有臭氧层破坏效应，并且制冷剂泄漏会危害人体和环境，这类传统的制冷剂根据《蒙特利尔议定书》已经或将要逐步淘汰。目前人们使用hfc类制冷剂来取代它们，然而hfc类制冷剂具有温室效应，对全球变暖有不利的影响。hc类制冷剂虽然环保性能好，但是普遍存在易燃易爆的缺点，对制冷系统的安全运行带来隐患。
3.固态冷却技术是一种新型的非蒸汽压缩制冷技术，该技术主要是利用特定类别材料所表现出的显著的热效应来实现的，其中弹热效应是近年来科研者致力于研究探索的新型制冷技术之一。对材料施加单轴应力，材料在外部应力的作用下可由奥氏体相状态转变为马氏体相状态，导致熵减小并向外界放出热量；与此相反，去除应力，材料将会发生由马氏体相向奥氏体相转变的逆向相变，逆向的相变导致熵增大，从周围环境中吸取热量，由此可以产生制冷效应，此过程为弹热效应。在弹热制冷系统中想要取得较好的冷却效果，至少需要将适用于弹热制冷的扭转材料预拉伸数倍，然后收缩回去，这意味着弹热制冷需要较大的体积，对于机器设备的尺寸是一个严重的挑战。
4.扭转制冷技术是一种新型的固态制冷方法，不使用制冷剂，不存在gwp（全球变暖潜能值）、odp（消耗臭氧潜能值）问题，且无毒性、无可燃性。扭转制冷是通过改变纱线、纤维、合金丝等材料的扭转程度来实现制冷。利用扭转实现奥氏体相状态与马氏体相状态的变化，从而产生制冷或制热的目的。有文献报道称，用扭转制冷代替弹性制冷，材料冷却效率提高了一倍（到65%），制冷材料的体积缩小到了七分之二。像合金丝这样的扭转固体材料，需要固定在一个特定的位置，如何让它只从制冷区吸收热量，并且只向制冷区以外释放热量成为了棘手的难题，这也是阻碍扭转热制冷发展的瓶颈。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服先前扭转制冷设备制冷量不足的问题，提供一种冷热分区的扭转制冷装置。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.一种冷热分区的扭转制冷装置，包括伺服电机1、步进电机2、中心轴3、圆环4、导电滑环5、控制装置6、扭转机构7、冷热分隔支架8、行星传动机构9、内圆环10，
8.圆环4包括第一圆环4
‑
1和第二圆环4
‑
2，第一圆环4
‑
1与内圆环10杆焊接固定并能够随内圆环10转动，第二圆环4
‑
2和制冷放热分隔支架8固定不动，伺服电机1的输出轴与中心轴3通过键槽连接，中心轴3通过螺栓与内圆环10固定，伺服电机1通过中心轴3驱动内圆环10转动，
9.内圆环10上固定若干个步进电机2，导电滑环5固定在内圆环10上与步进电机2接电连接并随着内圆环10转动，步进电机2的输出轴与行星传动机构9的中心齿轮9
‑
2连接，扭转机构7两端分别连接行星传动机构9的副齿轮和第一圆环4
‑
1，步进电机2在内圆环10转动过程中对扭转机构7施加旋转应力，使扭转机构7发生扭转螺旋或者解旋等变化进而吸收或释放热量，
10.控制装置6安装在内圆环10内壁面上并通过导电滑环5与步进电机2连接，用于控制步进电机2的转动，冷热分隔支架8作为制冷区与放热区边界固定于圆环4上。
11.优选，扭转机构7选自纱线、纤维、合金丝中的任意一种。
12.优选，冷热分隔支架8上安装有隔热材料防止热量与冷量互传。
13.本实用新型的冷热分区扭转制冷装置增加行星传动机构，每个步进电机带有7根合金丝，大大增加了制冷量。
14.本发明的有益效果：
15.本实用新型的一种扭转制冷装置通过步进电机对纱线、纤维、合金丝等材料施加单轴应力，材料在外部应力的作用下可由奥氏体相状态转变为马氏体相状态，导致熵减小并向外界放出热量；与此相反，步进电机反向旋转可以去除应力，材料将会发生由马氏体相向奥氏体相转变的逆向相变，逆向的相变导致熵增大，从周围环境中吸取热量，由此产生制冷效应；同时应用行星传动机构大大增加制冷量。
16.本装置的扭转机构在伺服电机带动下旋转，在转动一圈的过程中步进电机实现正转和翻转，将该一周的旋转分成了放热区和制冷区，利用伺服电机实现周期性转动的同时，依靠步进电机带动完成周期性螺旋加捻、解捻过程，同时最大程度避免制冷区域有放热或者制热区域有吸热情况的发生。本装置能够实现扭转制冷过程的连续性。
17.本装置引入的导电滑环，可以防止转盘转动过程中造成步进电机导线扭转打结。导电滑环也可以称为集电环或旋转接头，可以提供无限制的、连续的或者是断续的360
°
旋转。另外，导电滑环可以利用导电环的滑动接触、静电耦合等来传递固定座架旋转部件与滚动或滑动部件之间的电信号和能量。因而选择导电滑环能够简化系统的结构，能够避免导线缠绕，从而可以避免导线在旋转过程中所造成的扭伤。
18.本装置引入的冷热分隔支架，将扭转机构的放热区和吸热区分开，隔热材料减少两侧的热量传递，避免能量的浪费。通过这种分隔，也可以利用该装置实现制冷或制热以及同时制冷与制热的目的。
19.实际使用中，根据需要可以将多个同样的该装置串联，满足用户不同的冷量或热量需求。
附图说明
20.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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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。
21.图1为一种冷热分区的扭转制冷装置的总体结构示意图；
22.图2为一种冷热分区的扭转制冷装置的爆炸结构示意图；
23.图3为一种冷热分区的扭转制冷装置的分体结构示意图；
24.图4为一种冷热分区的扭转制冷装置的行星传动机构9结构示意图；
25.图中：1、伺服电机；2、步进电机；2
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1、第一步进电机；2
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2、第二步进电机；2
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3、第三步进电机；2
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4、第四步进电机；2
‑
5、第五步进电机；2
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6、第六步进电机；2
‑
7、第七步进电机；2
‑
8、第八步进电机； 2
‑
9、第九步进电机；3、中心轴；4、圆环；4
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1、第一圆环；4
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2、第二圆环；5、导电滑环；5
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1、滑环转子导线；5
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2滑环定子导线；6、控制装置；7、扭转机构；8、冷热分隔支架；9、行星传动机构；9
‑
1副齿轮；9
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2中心齿轮；9
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3滚动轴承；9
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4斜向定位孔；10、内圆环。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.如图1和图2所示，一种冷热分区的扭转制冷装置，包括伺服电机1、步进电机2、中心轴3、圆环4、导电滑环5、控制装置6、扭转机构7、冷热分隔支架8、行星传动机构9、内圆环10，
28.圆环4包括第一圆环4
‑
1和第二圆环4
‑
2，第一圆环4
‑
1与内圆环10杆焊接固定并能够随内圆环10转动，第二圆环4
‑
2和制冷放热分隔支架8固定不动，伺服电机1的输出轴与中心轴3通过键槽连接，中心轴3通过螺栓与内圆环10固定，伺服电机1通过中心轴3驱动内圆环10转动，
29.内圆环10上固定若干个步进电机2，导电滑环5固定在内圆环10上，滑环转子导线5
‑
1与步进电机2接电连接并随着内圆环10转动，步进电机2的输出轴与行星传动机构9的中心齿轮9
‑
2连接，扭转机构7两端分别连接行星传动机构9的副齿轮9
‑
1和第一圆环4
‑
1，步进电机2在内圆环10转动过程中对扭转机构7施加旋转应力，使扭转机构7发生扭转螺旋或者解旋等变化进而吸收或释放热量，
30.控制装置6安装在内圆环10内壁面上并通过滑环定子导线5
‑
2与导电滑环5连接，通过导电滑环5与步进电机2连接，用于控制步进电机2的转动，冷热分隔支架8作为制冷区与放热区边界固定于圆环4上。
31.建议内圆环10通过螺丝固定至少6个步进电机2，步进电机2的个数由步进电机2的尺寸与内圆环10的尺寸共同决定。如图3所示，本实施例为9个步进电机2，分别为第一步进电机2
‑
1、第二步进电机2
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2、第三步进电机2
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3、第四步进电机2
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4、第五步进电机2
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5、第六步进电机2
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6、第七步进电机2
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7、第八步进电机2
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8、第九步进电机2
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9。
32.如图4所示，本例中行星传动机构9包括副齿轮9
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1、中心齿轮9
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2、滚动轴承9
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3、倾斜定位孔9
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4，步进电机2通过键槽与中心齿轮9
‑
2连接，中心齿轮9
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2与副齿轮9
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1通过齿轮传动连接，步进电机2带动中心齿轮9
‑
2转动，在齿轮传动的作用下带动副齿轮9
‑
1转动，进而使连接在齿轮上的扭转机构7发生扭转；每个副齿轮9
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1通过滚动轴承9
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3上的斜向定位
孔9
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4连接扭转机构7，扭转机构7的另一端固定在第一圆环4
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1上，进而使扭转机构7发生扭转时保持直线减少扭转机构7扭转时产生的应力。本例中的扭转机构7为纱线。
33.扭转制冷技术是一种固态制冷机制，扭转制冷装置利用材料相变制冷，不需要使用制冷剂，解决了蒸汽压缩式制冷过程中使用的制冷剂破坏臭氧层、引发温室效应的问题。相比较于弹热制冷拉伸与回复需要较大空间，扭转制冷的螺旋与解旋只是在改变材料的捻度，在体积方面占有更大优势，在缩小设备体积的同时获得更高的效率。本例的装置启动后，伺服电机1驱动中心轴3转动，中心轴3带动内圆环10转动。内圆环10是用于实现加载放热过程与卸载吸热过程之间循环转换的配合装置。第一圆环4
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1随转盘10转动，第二圆环4
‑
2和制冷放热分隔支架8固定不动。步进电机2在内圆环10转动过程中对扭转机构7施加旋转应力，使扭转机构7发生扭转螺旋或者解旋等变化吸收或释放热量。由于步进电机2是一种开环控制电机，它可以将电脉冲信号这一输入信号转换为角位移或线性位移输出。在正常的负载情况下，步进电机2的转速和停止位置只取决于输入脉冲信号的频率和脉冲数。因此，本例装置中我们可以通过控制装置6根据计算出来的结果，给步进电机2依次输入经计算而确定的脉冲信号，当步进电机2的驱动器接收到输入的脉冲信号时，按照预先设定的方向驱使步进电机2使其旋转一个固定的角度，由于步进电机2转动的角位移是通过脉冲数来控制的，同时给予步进电机2确定的脉冲信号，进而可以控制扭转机构7在放热区、制冷区周期性螺旋加捻或者是解捻，实现制冷区域吸收热量、在放热区释放热量的运动，使得环境温度下降。
34.导电滑环5能够简化系统的结构，能够避免步进电机接电线缠绕，从而可以避免导线在旋转过程中所造成的扭伤。在制冷区与放热区的边界处的冷热分隔支架8上布置隔热材料，将制冷区与放热区分隔开，防止热量与冷量互传，导致能量浪费。
35.本说明书中的术语“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至少一个该特征。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。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。