一种主动回热式弹热制冷系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种主动回热式弹热冷却系统，该系统包括高温侧换热器、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。
【专利说明】-种主动回热式弹热制冷系统 发明领域
[0001] 本发明设及制冷、空调应用领域，具体设及使用记忆合金弹热效应的固态制冷循 环系统。
【背景技术】
[0002] 蒸气压缩循环是目前全球采用最为广泛的制冷技术，大量应用于空调、冰箱、冰柜 机组。自20世纪初W来，蒸气压缩循环中的压缩机、换热器等核屯、部件已历经数代发展，目 前最优秀的蒸气压缩制冷系统制冷效率已经能接近40~45%卡诺循环的理论效率。蒸气压 缩制冷系统大量使用对环境及气候变化不利的氣氯控、氣代控等制冷剂，运些制冷剂的溫 室气体效应大多为C〇2的1000倍W上，W欧盟为首的诸多国家已逐步立法限制并禁止运些 制冷剂的使用。
[0003] 在此大背景下，弹热制冷技术是最近被提出的一种环境友好、具有较大性能潜力、 负面因素较小的一种替代制冷技术。美国能源部的研究报告指出，弹热制冷技术可实现 42%的卡诺循环效率，是目前性能潜力最大的非蒸气压缩制冷技术。然而，弹热制冷系统的 设计仍存在较多挑战，主要因素之一是系统的溫差，即高溫热汇与低溫热源之间的溫差，仍 受限于系统中的热交换损耗，需要通过合理的流程、系统设计来使该技术达到现有蒸气压 缩制冷技术的性能水平。早期的弹热制冷系统设计，如美国专利号6367281中公开的连续型 履带式设计，引入了过多的内部导热损耗，并且无任何回热环节，系统性能十分有限。另一 种在美国专利号20120273158A1及中国专利CN102778075A中公开的基于单级制冷循环的系 统设计方案尽管提及了回热器，但在系统流程设计及实施案例中仅为基于单级循环的设 计，无法保证能够实现更大的系统溫差。总而言之，单级弹热制冷循环及系统仍较难满足该 技术在实际空调、冰箱等应用中所需的大系统溫差，因此，该技术在未来的进一步发展需要 可提供更大系统溫差的复叠式循环设计。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种主动回热式弹热 制冷系统，基于多个记忆合金床自身作为回热器，利用回热器内部的大溫度梯度来实现较 大的系统溫差，通过合理的系统设计减小回热器内部的导热耗散损失，同时通过合理的热 交换流体网络设计将多个记忆合金回热器内的热量和冷量周期性地传递至系统的低溫热 源与热汇。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种主动回热式弹热冷却系统，该系统包括:至少两个回热器、高溫换热器103、低 溫换热器104、驱动装置107、热交换流体网络105、提供往复式流动的流体驱动装置106、驱 动装置107和传递驱动载荷的机架108;
[0007] 所述回热器与高溫换热器103和低溫换热器104通过热交换流体网络105连接，所 述回热器由可被力驱动进行可逆的马氏体相变弹热制冷效应的记忆合金固态材料构成；回 热器由驱动装置107周期性地分别施加力来驱动，驱动装置107和回热器之间通过机架108 连接，在流体驱动装置106的作用下将回热器周期性产生的热量排至高溫换热器103,将回 热器周期性产生的冷量送至低溫换热器104,满足制冷需求。
[0008] 所述回热器内部的记忆合金固态材料由驱动装置107提供拉力、压缩或扭转来驱 动产生制冷效应。
[0009] 所述记忆合金固态材料为儀铁合金、铁儀铜、铜侣儀、铜侣儘、铜锋侣、铜锋、铁钮、 儀儘嫁、铁儘或儀铁嫁或上述合金中的衍生合金。
[0010] 由记忆合金材料构成的回热器为丝、线、板、薄膜109、厚膜、管、棒、多孔结构、穿孔 型结构110、蜂窝状结构111或波浪型结构113或上述材料及结构的复合或衍生结构。
[0011] 所述流体驱动装置106为线性往复式驱动器，包括线性电机、螺旋起重器、液压千 斤顶、压电驱动器、气动驱动器、电磁铁驱动器和电压驱动器中的一种。
[0012] 所述驱动装置107为旋转式的曲柄连杆、曲柄摇杆或曲柄滑块或上述=种机械系 统的衍生机构。
[0013] 所述回热器，其内部具有溫度梯度;且回热器热端溫度在高溫侧换热器溫度附近 及W上波动;且回热器冷端溫度在低溫换热器溫度附近及W下波动。
[0014] 所述回热器内部的溫度分布，当回热器被加载时溫度整体升高；当回热器被热交 换流体冷却时，回热器内溫度整体降低；当回热器被卸载时溫度整体降低；当回热器被热交 换流体加热时，回热器内溫度整体升高。
[0015] 所述回热器在热交换流体流动方向的长度大于等于3倍记忆合金热扩散率与系统 运行频率比值的平方根。
[0016] 所述回热器内部在热交换流体流动方向上插入多个低热导率的结构件114,所述 低热导率的结构件114为高分子材料、半导体材料或陶瓷材料。
[0017] 所述回热器内部的热交换流体在循环周期的不同阶段往复流动。
[0018] 所述热交换流体网络105为回热器提供往复流动的热交换流体；由两个子网络构 成；
[0019] 第一个子网络与回热器的热端、高溫换热器103相连；
[0020] 第二个子网络与回热器的冷端、低溫换热器104相连。
[0021] 所述热交换流体网络105与流体驱动装置106,采用单管式设计，即热交换流体网 络105中回热器冷端、热端均只有单管与热交换流体网络相连接。
[0022] 所述单管式设计的热交换流体网络105,其中往复式流动由双向累106提供。
[0023] 所述单管式设计的热交换流体网络105,其中往复式流动由一个四通阀121和一个 单向累120提供，四通阀121在两组模式间切换，当一部分回热器需要来自单向累120的热交 换流体时，四通阀121将单向累120管路与运些回热器对应的总管相连，将单向累120的入口 与另一部分回热器的总管相连，两组回热器交换制冷、制热时通过四通阀121切换流向。
[0024] 所述单管式设计的热交换流体网络105,其中往复式流动由第五=通阀124、第六 =通阀125、一个单向累120、两个使用气态或液态热交换流体的第一定压或膨胀装置123和 第二定压或膨胀装置126提供，=通阀在两组模式间切换，当一部分回热器需要来自单向累 120的热交换流体时，单向累120出口的第六=通阀125将单向累管路与运些回热器对应的 总管相连，第五=通阀124将定压或膨胀装置126与另一部分回热器的总管相连，两组回热 器交换制冷、制热时通过两个S通阀切换流向，当单向累120停止运行时，第一定压或膨胀 装置123与第二定压或膨胀装置126间压力平衡，流体经过高溫换热器103进行换热。
[0025]所述热交换流体网络105采用双管式管内单向流动的设计;包括至少一个单向累 120和至少四个电磁阀。
[00%]其中有至少四个回热器，被分为至少两组，热交换流体在每组多个回热器间通过 阀口组进行动态的流型调控，在每组多个回热器间可在串联、并联、串联后并联、或并联后 串联等模式间切换。
【附图说明】
[0027] 图1A为溫度驱动形状记忆合金的相变回滞特性曲线。
[0028] 图1B为应力驱动形状记忆合金的相变回滞特性曲线。
[0029] 图2A为采用双向累、双弹热制冷床的主动回热式制冷系统中上回热器被加载、下 回热器被卸载的示意图。
[0030] 图2B为采用双向累、双弹热制冷床的主动回热式制冷系统中下回热器被加载、上 回热器被卸载的示意图。
[0031] 图3A为在溫度(T)-赌（S)图上W回热器入口、出口热力学状态参数变化描述的主 动回热式制冷循环特征。
[0032] 图3B为主动回热式制冷循环中回热器内溫度在绝热加载过程中在溫度(T)-回热 器内坐标(X)图上的变化规律。
[0033] 图3C为主动回热式制冷循环中回热器内溫度在加载排热-回热过程中在溫度(T)- 回热器内坐标(X)图上的变化规律。
[0034] 图3D为主动回热式制冷循环中回热器内溫度在绝热卸载过程中在溫度(T)-回热 器内坐标(X)图上的变化规律。
[0035] 图3E为主动回热式制冷循环中回热器内溫度在卸载制冷-回热过程中在溫度(T)- 回热器内坐标(X)图上的变化规律。
[0036] 图4A为主动回热器制冷循环中回热器内记忆合金、热交换流体在上回热器被加 载、下回热器被卸载时的溫度分布特性简图。
[0037] 图4B为主动回热器制冷循环中回热器内记忆合金、热交换流体在上回热器被卸 载、上回热器被加载时的溫度分布特性简图。
[0038] 图5A为采用平行薄膜结构的回热器设计方案。
[0039] 图5B为采用穿孔型结构的回热器设计方案。
[0040] 图5C为采用蜂窝状结构的回热器设计方案。
[0041] 图5D为采用波浪型结构的回热器设计方案。
[0042] 图6为采用复合结构的回热器构造示意图。
[0043] 图7A为采用单向管、单向累和阀口组、双回热器的主动回热式制冷系统在上回热 器被加载、下回热器被卸载时的系统示意图。
[0044] 图7B为采用单向管、单向累和阀口组、双回热器的主动回热式制冷系统在上回热 器被卸载、下回热器被加载时的系统示意图。
[0045] 图8为采用单向累、四通阀、对称式热汇设计的高溫侧热交换流体网络示意图。
[0046] 图9为采用单向累、四通阀、单个热汇设计的高溫侧热交换流体网络示意图。
[0047] 图10为采用单向累、=通阀、膨胀或定压装置的高溫侧热交换流体网络示意图。 [004引图11A为双弹热制冷床系统的设计简图。
[0049] 图11B为多弹热制冷床系统的设计简图。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
[0051] 本发明针对使用形状记忆合金(简称记忆合金)马氏体相变制冷、制热的固态制冷 技术。在形状记忆合金中，具有至少两个晶体结构(相），最典型的为高溫相(奥氏体)和低溫 相（马氏体）。如图1A所示，高溫相为无应力时，当材料溫度高于Af时的稳定组分，此时马氏 体相含量最低;对材料降溫至Ms时，高溫相的奥氏体开始转变为低溫相的马氏体，同时释放 潜热；当材料溫度低于Mf时，马氏体变为材料的稳定组分。从马氏体转变回奥氏体时，材料 需被加热至As,同时吸收相变潜热，最终达到W奥氏体为稳定组分的Af溫度。
[0052] 图1B描述了由应力诱导的马氏体相变制热、制冷过程。当材料初始溫度在AfW上 时，在一定的溫度范围内对材料施加力将导致记忆合金从奥氏体转变为马氏体，同时释放 相变潜热，加热记忆合金;去除外力时，马氏体将转变回奥氏体，同时吸收相变潜热，降低材 料自身溫度，达到制冷的效果。需要注意的是，在由马氏体转变回奥氏体时，材料的最低溫 度应保证在AfW上，否则将可能导致部分残留的马氏体，影响制冷能量密度。
[0053] 最为典型的记忆合金为儀铁二元合金，由美国于20世纪60年代发现使用至今。儀 铁合金的奥氏体具有有序的立方B2晶体结构，马氏体具有单斜B19 '结构，在运两相互相转 化之间还有过渡的具有菱形结构的R相B2'。在儀铁合金中，绝热加载、卸载时材料的溫差A Tad可达到约20K，显著高于磁热、电热等固态制冷技术所使用的材料。儀铁合金的Af-般在0 摄氏度W下，较为接近室溫，较适宜应用于室溫环境条件下的制冷、制热。本发明同样适用 于其它记忆合金，包括铜侣儀、铜侣儘、铜锋侣、铜锋、铁钮、儀儘嫁、铁儘、儀铁嫁等及其衍 生合金。
[0054] 主动回热循环特指将形状记忆合金本身同时作为制冷剂和蓄热器，利用记忆合金 的弹热制冷、制热效应，通过周期性地加载、卸载材料并往复流动热交换流体，在材料内部 逐渐产生溫度梯度，最终实现并维持材料一端冷、一端热，使得材料从低溫热源侧吸热制 冷，并向高溫热汇侧排热。该循环的原理与磁热制冷领域的主动磁热回热器（active ma即etocaloric regenerator)的原理类似，目标都是通过热交换流体的往复流动，使用复 叠式的循环将有限的固态制冷材料(记忆合金或磁热材料)绝热溫差扩展到可W达到冰箱、 空调等实际应用所需的系统溫差技术指标。其中，主动磁热回热器的最早方案在1982年美 国专利4332135中公开。
[0055] 图2A和图2BW -个具体实施案例阐明了构成记忆合金的主动回热式弹热制冷系 统的基本要素。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定本 发明。如图2A所示，系统包含至少两个由记忆合金填充或由记忆合金构成的第一床101和第 二床102,床同时也是回热器，一个高溫侧流体的高溫换热器103,一个低溫侧流体的低溫换 热器104,一个可往复流动的热交换流体网络105,至少一个提供床内流体往复流动的流体 驱动装置106,如双向累，一个机械驱动两个记忆合金床（回热器)相变的驱动装置107,如曲 柄连杆装置，W及系统用于传递加载力的机架108。两个或W上的记忆合金回热器可W近似 实现连续供冷、供热，相比Tusek等人在2015年公布的单一记忆合金回热器的设计概念（ Tu§ekJ,Engelbrecht 细-細.l.s〇n:a.R,Ma扫0絕iL'Vives E,Mikkelsen LP,et al.The Elastocaloric Effect:A Way to Cool Efficiently.Adv Energy Mater 2015) 可显著提升性能稳定性及适用范围。其中记忆合金回热器101和102可由具有高比表面积、 高力学稳定性的结构或材料填充方式构成，如平行薄膜、多孔结构、蜂窝状结构等。根据具 体应用的不同，高溫换热器103和低溫换热器104可采用多种技术方案，如冷却气体的管束 式换热器、微通道换热器、管翅式换热器、板翅式换热器，或是冷却液体的板式换热器、套管 式换热器、壳管式换热器等。热交换流体网络105中的热交换流体可由气体、液体或其混合 工质构成。如图2A所示，当曲柄连杆装置中连杆向上运动时，第一记忆合金回热器即第一床 101被加载，由奥氏体转变为马氏体，合金溫度升高，并向热交换流体排热，在该回热器中热 交换流体自低溫侧流向高溫侧，同时完成向高溫热汇的排热、回热器内部回热、从低溫侧低 溫流体回热等传热过程;与此同时，由于连杆向上移动，第二记忆合金回热器即第二床102 被卸载至无应力自由状态，由马氏体变回奥氏体，合金溫度下降，从热交换流体吸热制冷， 在该回热器中热交换流体从高溫侧流向低溫侧，同时完成向低溫热源的吸热、回热器内部 回热、从高溫侧高溫流体回热等传热过程。图2B描述了循环的下半个周期，即曲柄连杆装置 中连杆向下运动时，第一记忆合金回热器即第一床101被卸载，第二记忆合金回热器即第二 床102被加载额过程。在此过程中，相比上半个周期，第一床101和第二床102的相变、传热、 回热关系对调，因此需要热交换流体流动反向，并且流体驱动装置106可W反向提供驱动。 此时的流体流动方向为图2B中实现方向，即第一记忆合金回热器即第一床101由低溫热源 吸热制冷，第二记忆合金回热器即第二床102向高溫热汇排热制热。
[0056]上文描述了组成使用记忆合金的主动回热式循环的基本要素，其中最重要的特征 是依靠记忆合金回热器内部的溫度梯度，W实现尽可能高的系统溫差，满足制冷应用所需 的性能。图3A到图3EW-个抽象的理想循环和溫度分布定性地描述了第一记忆合金回热器 即第一床101在经历绝热加载-传热与回热-绝热卸载-传热与回热，完成一个制冷循环的溫 度变化及分布规律。运一抽象的过程可在实际应用中推广至类似的循环，例如在加载、卸载 过程中通热交换流体同时传热，即加载与传热、回热过程可W通过一定形式进行合并，并且 实际过程中记忆合金回热器内部的溫度分布并非一定满足图3B到图3E中的线性分布，运些 满足本发明中记忆合金回热器溫度分布及循环的基本特性的变种及其对应的实际循环设 计均应受到保护。图3A在溫度(T)-比赌(S)图上阐明了在理想循环中，第一记忆合金回热器 即第一床101的热端(A1-A4)和冷端(B1-B4)在一个周期内的热力学状态参数变化规律。其 中，绝热加载过程即对第一记忆合金回热器即第一床101施加应力，相变释放热量，等赌加 热整个第一记忆合金回热器即第一床101，使得A、B两位置溫度分别从A1和B1升高到A2和 B2;之后自冷端B向热端A通热交换流体，进行传热和回热过程，该过程将热端的潜热传递至 热交换流体，同时热端被从A2冷却至A3,冷端由低溫热源进行回热，由B2被预冷至B3;之后 第一记忆合金回热器即第一床101被绝热卸载，整个第一记忆合金回热器即第一床101由于 相变吸收潜热溫度下降，A和B点分别等赌地由A3和B3下降到A4和B4;该循环周期的最后是 制冷环节，即自热端向冷端流动流体，使得B将冷量交换至流体，溫度从B4升高到B1，热端进 行回热，由A4被预热至A1。每个循环都要经历上述的四个理想过程，图3B到图3E表示了在运 四个过程中第一记忆合金回热器即第一床101内部的溫度分布变化规律。W最简单的线性 分布作为理想情况下回热器内部的溫度分布状况阐明循环中回热器溫度分布的变化规律 及其运行特性，实际运行及变种循环可能对应不同的溫度分布。该溫度分布的特点在于，热 端A工作在系统高溫热汇溫度化附近，冷端B工作在系统低溫热源溫度Tc附近;无论何时，冷 端、热端的溫差均约为Th-TcW满足系统应用所需的溫差;加载第一床101时，回热器101内部 溫度升高；卸载第一床101时，第一床101内部溫度降低；加载后进行热交换流体的流动传 热，可W将热端冷却至近似化，冷端预冷至近似Tc;卸载后热交换流体流动传热时，可W将冷 端近似加热至Tc，热端预热至近似化。满足上述特征的溫度分布及其对应的循环可W在加载 后的流动排热过程中，利用流体自低溫向高溫流动的特性，将回热器内溫度较低区域的材 料相变潜热用来逐步加热热交换流体，再利用回热器内溫度较高区域的材料相变潜热进一 步提高热交换流体的溫度，W达到尽可能增大系统高溫侧溫度化;类似地，完成卸载后，流 体自高溫流向低溫端，从高溫逐步被冷却至最低溫度，实现尽可能低的T。;综合两者，通过 材料内部的溫度分布特性，可W实现热量、冷量的梯级利用，达到尽可能增大系统溫差化-T。 的目的。
[0057] 上述在记忆合金回热器内建立的溫度分布在整个系统中的作用及其特征可W通 过图4A和图4B体现出来。第一床101和第二床102的热端直接与通往高溫热汇的热交换流体 网络相连，第一床101和第二床102的冷端直接与通往低溫热源的热交换流体网络相连。第 一床101和第二床102内部的溫度分布会导致热交换流体在第一床101和第二床102内部产 生类似的溫度分布。图4A为回热器101完成加载后、回热器102完成卸载后，两回热器内合金 及流体的溫度分布。图4B为卸载第一床101、加载第二床102后，两床内合金及流体的溫度分 布。可见在加载、卸载完成后，合金与流体之间有较大的溫差，可W通过提高回热器比表面 积缩短传热所需的时间，图5A到图加给出了几种具有较大比表面积的回热器即床结构、填 充设计方案。图5A展示了平行薄膜的设计方案，薄膜109厚度和间距可优化；图5B展示了穿 孔型结构110的设计方案，孔的水力直径和间距可优化；图5C展示了蜂窝状结构111的回热 器的结构，水力直径和间距可优化；图5D展示了波浪型结构113回热器，波幅、波长、厚度等 参数可优化，其中112为辅助加载的结构件，113为波浪型结构回热器。运几种设计方案仅作 为实例表明增大回热器比表面积的设计方向，无论采用与否均可使用主动回热式循环的设 计。
[0058] 除此之外，由于回热器冷端、热端之间有溫差，特别是在系统溫差较大的应用场 合，冷端、热端间通过合金的导热耗散对回热器内部的溫度分布有中和作用，需要尽可能减 小导热耗散的作用，即成功实现主动回热式循环需要在回热器内部的流体流动方向上减小 导热耗散，有W下两种技术路线:增大回热器在流体流动方向的长度L，采用复合材料、复合 结构设计。回热器在流体流动方向上的长度L应至少大于方程（1)中的值W满足导热损耗占 材料潜热制冷量的比例低于10%。
[0059]
(1)
[0060] 其中，a为材料的热扩散率，f为系统的运行频率。
[0061] 图6给出了一种利用复合结构的回热器设计方案，W达到减小流体流动方向导热 耗散的目的。该设计方案在回热器记忆合金115内部插入多个低热导率的结构件114,其中 114可由高分子材料、半导体或陶瓷等材料组成。运种复合结构可W减小回热器整体的导热 耗散量。
[0062] 在主动回热式制冷系统中，需要一个有往复流动热交换流体的网络，在该流体网 络中，热交换流体可在循环的不同过程中根据需要改变流向。运样的往复流动单管流体网 络也可替代为单向流动的双管流体网络。图7A到图7B用一个具体的设计案例具体展示了单 向流动双管式设计思路，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用 于限定本发明。在图7A中，第一回热器101被曲柄连杆装置10巧日载，相变并向热交换流体排 热，此时热交换流体自第一回热器101冷端实线流入，吸收第一回热器101的潜热，自热端实 线网络流出，经=通阀116、单向累120,进入高溫换热器103排热，后经第二个=通阀117由 实线流入第二回热器102;在第二回热器102内部，热交换流体被逐步冷却，最终在第二回热 器102冷端由实线管路经第=个=通阀118流入低溫换热器104进行制冷。在图7B中，当曲柄 连杆装置加载第二回热器102时，此时热交换流体在第二回热器102内反向，但在外部流体 网络仍保持单向，此时，流体吸热后由第二回热器102热端经实线管网流出，进入=通阀 116,经单向累120进入高溫换热器103排热，后经第二个=通阀117和实线管路流入第一回 热器101的热端进行回热;在第一回热器101内，热交换流体流动方向相比上半个周期反向， 逐步被冷却，自冷端实线管路流出，进入第=个=通阀119,流入低溫换热器104进行制冷。 图7A与图7B中的108为用于传递加载力的结构件。在该设计方案中，由单向累120和四个S 通阀（116、117、118、119)及双管构成的流体网络设计方案可等效替换图24和图28中的单管 式往复流动的设计方案。
[0063] 进一步地，针对热交换流体网络，无论是采用图2A和图2B中的双向累和单管往复 式流动设计还是图7A和图7B中的单向累、阀口组、双管式单向流动设计方案，累、高溫热汇、 低溫热源的布置可W采用更加灵活、多样化的设计方案，W满足不同应用的需求。一般情况 下，累宜布置于热交换流体网络中热汇的上游，W在热汇中排出累电机的产热。
[0064] 图8到图10W高溫热汇侧流体网络为例，展示了几种典型的流体网络设计方案。在 实际系统中，热汇侧和热源侧可采用不对称的设计，即可分别使用图2A和图2B、图7A和图7B 及图8到图10中任意一种设计方案或其组合。运几种方案均可满足主动式回热制冷循环中 往复式热交换流体网络和可提供往复式流动的驱动装置的要求，应当理解，此处所描述的 具体实施例仅仅用W解释本发明，并不用于限定本发明。图8为采用对称式热汇设计，使用 单向累120和四通阀121来驱动往复式流动的热交换流体的设计方案，其中两个热汇122对 称布置，使得无论哪个流向，单向累120的产热均可由热汇排出，适用于对热汇传热有分布 式设计要求、回热器压降较大、累产热较显著的应用中。其中，四通阀121可在P^A和P^B两 种模式间切换。图9展示了单个热汇、单向累和四通阀的设计方案。该方案中，单向累120始 终处于热汇103的上游，四通阀121可在P^A和P^B两种模式间切换。图10为采用单向累、= 通阀组、定压或膨胀设备的设计方案。在该设计方案中，单向累120给第一定压或膨胀装置 123内部的热交换流体加压并通过高溫换热器103排出累的余热;根据加载、卸载工况，第五 个=通阀124和第六个=通阀125用来控制热交换流体流向。例如，当图10中第六个=通阀 125右侧回热器被卸载时，来自高溫换热器103的流体流经第六个=通阀125流向右侧回热 器，同时，来自另一个回热器的高溫流体经过第五个=通阀124流入第二个定压或膨胀装置 126;传热结束后，关闭单向累120,两个定压或膨胀装置（123、126)间会达到平衡压力，期 间，热交换流体回流经过高溫换热器103排热。该设计方案适合热交换流体网络压力在大气 压附近，工作压力较小、回热器压降较小的应用。
[0065]上文针对具有双记忆合金床（回热器）的设计方案进行阐述，本发明可应用于具有 任意个回热器的系统中。下面为了方便讨论，W使用偶数个回热器的制冷系统为例，阐述其 中的热交换流体运行方案，应当明确的是类似的方案也可用于采用奇数个回热器的制冷系 统。若一个采用主动回热式循环的弹热制冷中具有2N个回热器时，其中N为正整数，热交换 流体在同时或同批依次被加载(卸载）的N个回热器间可选择串联或并联的流动模式。串联 可W在保持制冷量近似不变的情况下进一步提高系统的整体溫差，并联则可在同一系统溫 差下提高系统制冷量。实际的系统运行往往需要在不同工况间进行切换，W满足大制冷量 或大系统溫差等不同的要求。运种动态变工况特性可W通过热交换流体网络中阀口组的切 换来实现。图11A是普通采用主动回热式循环的双回热器(N=l)系统设计简图，其中的驱动 装置未画出，图11BW使用8个回热器(N = 4)的系统为例，阐明使用阀口组的热交换流体网 络设计的基本方案。在该设计中，当上面四个记忆合金回热器被同时加载，下面四个回热器 被卸载后，可开启阀口 2、6，关闭阀口 1、3、4、5、7、8，开启驱动累，此时热交换流体在同侧的 四个回热器间是完全串联的，系统运行在最大系统溫差的工况下；也可开启阀口 1、3、4、5、 7、8,关闭阀口 2、6,开启驱动累，实现每侧四个回热器中两两并联再串联的模式，在适中的 系统溫差下提供更大的制冷量;或者开启阀口 1、2、5、6，关闭阀口3、4、7、8，开启驱动累，实 现适中的系统溫差下适中的制冷量;或是开启阀口 1、2、4、5、6、8,关闭阀口3、7,开启驱动 累，尽可能提高系统的制冷量。当系统中的回热器数量变化时，阀口组和相应的热交换流体 网络具体布置形式应当发生变化，但通过阀口组来实线系统性能调控的核屯、方案并未变 化。在具有多回热器的系统中，可根据本发明公开的使用阀口组的设计方案实现快速、有效 的系统性能动态调控。
【主权项】
1. 一种主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：该系统包括:至少两个回热器、高温换 热器（103)、低温换热器（104)、驱动装置（107)、热交换流体网络（105)、提供往复式流动的 流体驱动装置(106)、驱动装置(107)和传递驱动载荷的机架（108); 所述回热器与高温换热器（103)和低温换热器（104)通过热交换流体网络（105)连接， 所述回热器由可被力驱动进行可逆的马氏体相变弹热制冷效应的记忆合金固态材料构成； 回热器由驱动装置（107)周期性地分别施加力来驱动，驱动装置（107)和回热器之间通过机 架（108)连接，在流体驱动装置（106)的作用下将回热器周期性产生的热量排至高温散热器 (103)，将回热器周期性产生的冷量送至低温换热器(104)，满足制冷需求。2. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述回热器内部的记忆 合金固态材料由驱动装置(107)提供拉力、压缩或扭转来驱动产生制冷效应。3. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述记忆合金固态材料 为镍钛合金、钛镍铜、铜错镍、铜错猛、铜锌错、铜锌、铁钯、镍猛镓、铁猛或镍铁镓或上述合 金中的衍生合金。4. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：由记忆合金材料构成的 回热器为丝、线、板、薄膜（109)、厚膜、管、棒、多孔结构、穿孔型结构（110)、蜂窝状结构 (111)或波浪型结构（113)或上述材料及结构的复合或衍生结构。5. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于：所述流体驱动装置 (106)为线性往复式驱动器，包括线性电机、螺旋起重器、液压千斤顶、压电驱动器、气动驱 动器、电磁铁驱动器和电压驱动器中的一种。6. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述驱动装置（107)为 旋转式的曲柄连杆、曲柄摇杆或曲柄滑块或上述三种机械系统的衍生机构。7. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述回热器，其内部具 有温度梯度;且回热器热端温度在高温侧换热器温度附近及以上波动;且回热器冷端温度 在低温换热器温度附近及以下波动。8. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述回热器内部的温度 分布，当回热器被加载时温度整体升高；当回热器被热交换流体冷却时，回热器内温度整体 降低；当回热器被卸载时温度整体降低；当回热器被热交换流体加热时，回热器内温度整体 升尚。9. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述回热器在热交换流 体流动方向的长度大于等于3倍记忆合金热扩散率与系统运行频率比值的平方根。10. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述回热器内部在热 交换流体流动方向上插入多个低热导率的结构件（114)，所述低热导率的结构件（114)为高 分子材料、半导体材料或陶瓷材料。11. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述回热器内部的热 交换流体在循环周期的不同阶段往复流动。12. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述热交换流体网络 (105)为回热器提供往复流动的热交换流体； 由两个子网络构成； 第一个子网络与回热器的热端、高温换热器（103)相连； 第二个子网络与回热器的冷端、低温换热器（104)相连。13. 如权利要求12所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述热交换流体网络 (105)与流体驱动装置（106)，采用单管式设计，即热交换流体网络（105)中回热器冷端、热 端均只有单管与热交换流体网络相连接。14. 如权利要求13所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述单管式设计的热 交换流体网络（105 )，其中往复式流动由双向栗（106)提供。15. 如权利要求13所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述单管式设计的热 交换流体网络（105)，其中往复式流动由一个四通阀（121)和一个单向栗（120)提供，四通阀 (121)在两组模式间切换，当一部分回热器需要来自单向栗（120)的热交换流体时，四通阀 (121)将单向栗（120)管路与这些回热器对应的总管相连，将单向栗（120)的入口与另一部 分回热器的总管相连，两组回热器交换制冷、制热时通过四通阀（121)切换流向。16. 如权利要求13所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述单管式设计的热 交换流体网络（105 )，其中往复式流动由第五三通阀（124 )、第六三通阀125 )、一个单向栗 (120)、使用气态或液态热交换流体的第一定压或膨胀装置（123)和第二定压或膨胀装置 (126)提供，第五三通阀（124)和第六三通阀125)在两组模式间切换，当一部分回热器需要 来自单向栗（120)的热交换流体时，单向栗（120)出口的第六三通阀将（125)单向栗管路与 这些回热器对应的总管相连，第五三通阀（124)将第二定压或膨胀装置（126)与另一部分回 热器的总管相连，两组回热器交换制冷、制热时通过两个三通阀切换流向，当单向栗（120) 停止运行时，第一定压或膨胀装置（123)与第二定压或膨胀装置（126)间压力平衡，流体经 过高温换热器(103)进行换热。17. 如权利要求12所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:所述热交换流体网络 (105)采用双管式管内单向流动的设计;包括至少一个单向栗(120)和至少四个电磁阀。18. 如权利要求1所述的主动回热式弹热冷却系统，其特征在于:其中有至少四个回热 器，被分为至少两组，热交换流体在每组多个回热器间通过阀门组进行动态的流型调控，在 每组多个回热器间选择串联、并联、串联后并联、并联后串联t旲式D
【文档编号】F25B41/06GK106052190SQ201610382436
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】钱苏昕, 鱼剑琳, 晏刚
【申请人】西安交通大学