一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统

本发明属于制冷机，涉及一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统。

背景技术：

1、制冷技术与现代人类生活息息相关。传统的蒸汽压缩式制冷技术已广泛应用于冰箱、空调等领域，但其所采用的含氟制冷剂会破坏臭氧层或引起温室效应。随着环境危机的日益加剧，开发绿色环保的新一代制冷技术已成为一个迫切任务。基于固体材料在外场驱动下的吸/放热效应而发展起来的固态制冷技术有望取代传统的蒸汽压缩式制冷技术，得到了人们的广泛关注。

2、固态制冷技术包含多个分支。其中，基于固体的弹热效应和压热效应的制冷技术是其中两个重要的技术路线。所述弹热效应是指固体材料在单轴应力的驱动下发生相变所伴随的吸热和放热效应。弹热效应在形状记忆合金中较为常见。所述压热效应是固体材料在等静压力的驱动下发生分子、原子或电子有序度的变化所伴随的吸热和放热效应。压热效应普遍存在于合金、无机盐、高分子和小分子有机物等各类材料中。

3、目前的弹热制冷装置多使用电机和机械部件实现弹热工质的拉伸和卸载、以及弹热工质与热端冷端的接触和分离。现有技术中一些设计方案取消了传统的电机驱动结构，使用高温形状记忆合金相变时产生的应力驱动低温形状记忆合金产生弹热效应实现制冷，该设计方案对高温形状记忆合金的应力方向和传递效率提出了较高要求，且多个换热流体回路需要按一定的时序切换，控制策略较复杂。

4、目前的压热制冷装置多使用刚性设计的高压腔体装载制冷工质，并设置高压和低压两个换热流体的回路，分别在施压后和泄压后接通高压腔体，将热量和冷量带出。另有现有技术公开了一种压热制冷机的设计方案，该方案使用圆筒状压力容器装载制冷工质，并根据现有压热制冷工质的性能区间，设定压力变化范围为0.1～400mpa，其最高压力远高于传统的气体压缩制冷机的3～4mpa。如果以抗拉强度1000mpa的高强度合金钢制作内径为200mm的圆筒型压力容器，即使不考虑安全裕度，根据圆筒壁环向张力公式(其中p为容器内压强，d为圆筒内径，δ为筒壁厚度)推算，需要至少约40mm的壁厚才能承受400mpa的压强。厚壁高压容器和独立设置的高压换热管路将带来体积和重量方面的问题；此外，厚壁容器自身不具备制冷能力，其巨大的热容却成为了制冷系统的负载，将带来热交换速率和制冷效率的问题。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统，包括弹热和压热联合制冷元件、冷端换热器、高压阀门、液压泵、活塞缸和循环水泵，其中，

2、所述弹热和压热联合制冷元件与冷端换热器之间设置高压阀门，液压泵的高压端经活塞缸与弹热和压热联合制冷元件连接，液压泵的高压端与低压端之间设置有泄压阀，液压泵的低压端与液压油槽连接，循环水泵设置在高压阀门与冷端换热器之间；

3、所述弹热和压热联合制冷元件为双层管道，包括高分子材料内层和形状记忆合金编织层，高分子材料内层具有压热效应；形状记忆合金编织层具有弹热效应。

4、优选地，所述弹热和压热联合制冷元件的进液口与出液口分别通过两只高压阀门与冷端换热器的出液口和进液口相连接。

5、优选地，两只所述高压阀门在电信号的控制下同步开启或关闭；在关闭状态下，弹热和压热联合制冷元件的两端被封闭，其内部空间成为压力容器；在开启状态下，弹热和压热联合制冷元件与冷端换热器接通，从而形成热交换回路。

6、优选地，所述液压泵用于在高压阀门关闭状态下向弹热和压热联合制冷元件内施压。

7、优选地，所述活塞缸连接弹热和压热联合制冷元件和液压泵的高压端，用于传导压力并隔离液压油和换热流体。

8、优选地，所述循环水泵用于在高压阀门开启状态下驱动换热流体在热交换回路中循环流动，将泄压产生的冷量携带至冷端换热器。

9、优选地，所述弹热和压热联合制冷元件外设置保温箱，所述保温箱设置若干风门，其中至少一个风门与风机连接，向保温箱内鼓风，其余的风门用于保温箱的通风。

10、优选地，所述高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、天然橡胶、丁腈橡胶、硅酮橡胶及乙烯-醋酸乙烯共聚物。

11、优选地，所述形状记忆合金材料为ni-ti合金。

12、优选地，所述弹热和压热联合制冷元件呈螺旋型、u型或s型排布；

13、与现有技术相比，本发明至少有以下有益效果：本发明采用具有超弹性和大形变能力的形状记忆合金作为高分子柔性管道的承压层，并通过管道内层的高分子材料向外层的形状记忆合金传递张力，实现内层的压热制冷和外层的弹热制冷的叠加效果。本发明利用双层管道外的流动空气带走加压时产生的热量，利用双层管道内的换热流体带出泄压时产生的冷量。双层管道同时作为弹热工质、压热工质、高压容器及高压热端换热器，避免了传统的弹热制冷机中复杂的机械驱动部件，及传统的压热制冷机中独立设置的厚壁高压腔体和热端换热器对制冷机的体积、重量和制冷效率带来的不利影响。因此，本发明具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、易于实施的优点。

技术特征：

1.一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，包括弹热和压热联合制冷元件、冷端换热器、高压阀门、液压泵、活塞缸和循环水泵，其中，

2.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述弹热和压热联合制冷元件的进液口与出液口分别通过两只高压阀门与冷端换热器的出液口和进液口相连接。

3.根据权利要求2所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，两只所述高压阀门在电信号的控制下同步开启或关闭；在关闭状态下，弹热和压热联合制冷元件的两端被封闭，其内部空间成为压力容器；在开启状态下，弹热和压热联合制冷元件与冷端换热器接通，从而形成热交换回路。

4.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述液压泵用于在高压阀门关闭状态下向弹热和压热联合制冷元件内施压。

5.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述活塞缸连接弹热和压热联合制冷元件与液压泵的高压端，用于传导压力并隔离液压油和换热流体。

6.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述循环水泵用于在高压阀门开启状态下驱动换热流体在热交换回路中循环流动，将泄压产生的冷量携带至冷端换热器。

7.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述弹热和压热联合制冷元件外设置保温箱，所述保温箱设置若干风门，其中至少一个风门与风机连接，向保温箱内鼓风，其余的风门用于保温箱的通风。

8.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述高分子材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、天然橡胶、丁腈橡胶、硅酮橡胶及乙烯-醋酸乙烯共聚物。

9.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述形状记忆合金材料为ni-ti合金。

10.根据权利要求1所述的基于弹热和压热效应的联合制冷系统，其特征在于，所述弹热和压热联合制冷元件呈螺旋型、u型或s型排布。

技术总结
本发明公开了一种基于弹热和压热效应的联合制冷系统，弹热和压热联合制冷元件与冷端换热器之间设置高压阀门，液压泵的高压端经活塞缸与弹热和压热联合制冷元件连接，液压泵的高压端与低压端之间设置有泄压阀，液压泵的低压端与液压油槽连接，循环水泵设置在高压阀门与冷端换热器之间；弹热和压热联合制冷元件为一段由高分子材料和形状记忆合金构成的双层管道。本发明通过对弹热和压热联合制冷元件加压和泄压，使管道内层的高分子材料在压力的作用下产生压热效应，同时使管道外层的形状记忆合金在张力的作用下产生弹热效应，并利用换热流体在弹热和压热联合制冷元件与冷端换热器之间的循环流动，实现制冷效果。

技术研发人员：张成亮,王敦辉,张正明,程鹏涛
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11