一种极低温弹热制冷系统

本申请涉及极低温制冷，特别涉及一种极低温弹热制冷系统。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

3、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；

4、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；

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、在其中一些实施例中，所述吸附床内的吸附剂包括活性炭。

13、采用上述技术方案，本申请实现的技术效果如下：

14、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。

技术特征：

1.一种极低温弹热制冷系统，其特征在于，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，所述负载热连接于所述支撑结构；

2.如权利要求1所述的极低温弹热制冷系统，其特征在于，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。

3.如权利要求2所述的极低温弹热制冷系统，其特征在于，所述预冷板与所述支撑结构之间柔性连接。

4.如权利要求2所述的极低温弹热制冷系统，其特征在于，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。

5.如权利要求1所述的极低温弹热制冷系统，其特征在于，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。

6.如权利要求4所述的极低温弹热制冷系统，其特征在于，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。

7.如权利要求6所述的极低温弹热制冷系统，其特征在于，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。

8.如权利要求7所述的极低温弹热制冷系统，其特征在于，所述吸附床内的吸附剂包括活性炭。

技术总结
本申请提供的极低温弹热制冷系统，当对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，并向弹热材料传递加载过程中所需的驱动力，弹热材料在驱动力下从奥氏体逐步转变为马氏体，弹热材料内部各点温度升高，向外界放热；当去除施加在磁致伸缩材料上的磁场时，磁致伸缩材料在长度方向回复到原来的状态，并卸载施加在弹热材料上的驱动力，弹热材料从马氏体向奥氏体转变，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。

技术研发人员：王亚男,戴巍,李珂,王晓涛,沈俊
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13