基于拉卡效应的固态制冷装置及方法与流程

1.本发明属于固态制冷的技术领域，尤其涉及一种基于拉卡效应的固态制冷装置及方法。


背景技术：

2.通过气体的压缩或膨胀实现制冷是现代制冷设备的主要工作方式。其在长期应用的过程中被发现存在两个明显的弊端：压缩机的制冷效率低，且以氟利昂为代表的制冷剂是大气污染的元凶。随着人们对节能和环保的要求越来越高，寻找新型制冷方式以替代传统气体压缩制冷变得尤为迫切。在这种社会背景下，固态制冷技术应运而生。
3.这项新型制冷技术的工作基础是固态材料的可逆热效应，即材料在施加或去除外场时产生的热响应(温变及熵变)。根据外场(磁场、电场、应力场等)性质的不同，热效应可以分为磁卡(magnetocaloric)、电卡(electrocaloric)和机械卡(mechanocaloric)三种。机械卡效应又可以根据外力作用方式的不同分为拉卡(elastocaloric)、压卡(barocaloric)、纽卡(twistocaloric)效应。
4.基于拉卡效应循环过程的温熵图如附图1所示。步骤1为原始状态，制冷剂材料为原始长度，温度为环境温度。步骤2时，制冷剂材料发生形变，产生构象变化或者相变。步骤3时，制冷剂材料通过热交换恢复室温。步骤4时，制冷剂材料恢复原长，发生构象恢复或相变，温度降低到室温以下，通过热交换回复步骤1。
5.近年来，研究者们在一系列固态相变材料中发现了显著的室温卡效应。其中，具有拉卡效应的主要材料是形状记忆合金(sma)等。在sma中发现的巨大拉卡效应，因此促进了复杂制冷装置的发展。基于拉卡效应的固态制冷技术被认为是传统制冷设备的最具潜力的替代品。由于sma在马氏体到奥氏体可逆相变过程中所需应变驱动往往较小。现有文献中，这一类制冷剂材料仅需1％到10％的可逆应变即可发生可逆相变，产生拉卡效应。相应的，这些sma制冷剂材料在可逆相变过程中，所需应力驱动往往大于几百mpa甚至是gpa。这么大的驱动应力在实际应用中是难以达到的。由此研发的制冷机造价高昂、体积庞大，不具有实用价值。
6.相反，一些相比合金而言更廉价的聚合物材料、无机物等，在制冷循环过程中仅需很小的驱动应力即可产生较大的拉卡效应。通过研究证明，天然橡胶具有9
‑
12k的拉卡效应温变以及67
‑
80j/kg/k的拉卡效应熵变。nr材料的拉伸应力与之相比则小了两个数量级。另一类具有潜力的拉卡效应的聚合物是pvdf基聚合物。pvdf在室温下具有温变δt～1.8k以及δs～9j kg
‑1k
‑1，相应的应变为ε～2.5％，应力为σ～15mpa。p(vdf
‑
trfe
‑
ctfe)嵌段共聚物在室温下具有温变δt～2.15k以及δs～11j kg
‑1k
‑1，相应的应变ε～2％，应力为σ～87mpa。此外，不同种类拉卡效应材料的研发也是目前固态制冷技术的研究热点。
7.相应的，这一类具有极低驱动应力的拉卡效应材料，往往需要较大的应变才能产生显著的拉卡效应。例如天然橡胶，需要在约400％的应变下才能产生拉伸结晶化现象，为了产生更大的拉卡效应，甚至需要600％
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700％的应变。虽然较低的应力需求提高了这一类
拉卡效应材料制冷装置研发的可行性，但是较大的应变也增加了制冷装置的外部尺寸，同时不利于拉卡效应热量分离及导出。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于拉卡效应的固态制冷装置及方法，使用可逆形变过程中具有可逆构象变化或可逆相变的固态制冷剂材料产生的热量和能量，对运输介质进行加热或冷却，通过运输介质的流动分别泵送冷量和热量，达到冷能和热能分离及传输的效果。
9.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于拉卡效应的固态制冷装置，其特征在于，包括内部附件和外部附件，所述内部附件包括壳体、盖板、固态制冷剂、形变驱动机构和运输介质，所述壳体中心设有内凹槽，所述盖板与壳体密封配置连接，形成内凹腔，所述形变驱动机构设于所述内凹腔中心，形成环状介质腔，所述运输介质储存于所述介质腔内底部，所述固态制冷剂的一端固定于壳体上，另一端固定于形变驱动机构上，固态制冷剂产生的热量及冷能通过运输介质输送至所述外部附件。
10.按上述方案，所述外部附件包括热量处理组件和冷能处理组件，所述热量处理组件包括热量输运保温水管、散热器和热量水泵，所述热量输运保温水管的两端分别与所述介质腔相连通，所述散热器和热量水泵均设于量输运保温水管上；所述冷能处理组件包括冷能输运保温水管、冷能耗散或储存机构或和冷能水泵，所述冷能输运保温水管的两端分别与所述介质腔相连通，所述冷能耗散或储存机构和冷能水泵均设于冷能输运保温水管上。
11.按上述方案，所述形变驱动机构包括旋转驱动电机和旋转盘，所述旋转盘通过中心轴固定于所述内凹腔中心，所述旋转驱动电机固定于所述壳体外部，与所述中心轴相连，驱动旋转盘转动，所述固态制冷剂的另一端固定于旋转盘上。
12.按上述方案，所述旋转盘的圆周面为凹槽结构，所述凹槽的两侧边通过转轴固定圆柱，所述圆柱沿凹槽周向均匀间隔设置。
13.按上述方案，所述运输介质为水或导热油。
14.基于拉卡效应的固态制冷装置的制冷方法，其特征在于，包括如下步骤：
15.s1)固态制冷剂拉伸制热：启动旋转驱动电机逆时针转动，驱动旋转盘反转，固态制冷剂随旋转盘的转动绕设于旋转盘周向的圆柱上，在室温下拉伸，温度升高产生热量，热量与运输介质经过热交换后，启动热量水泵，运输介质流入热量输运保温水管中，流经散热器散热后恢复室温，流回壳体介质腔中；
16.s2)固态制冷剂复原制冷：固态制冷剂在拉伸状态下恢复至室温，启动旋转驱动电机顺时针转动，驱动旋转盘正转，固态制冷剂恢复原始长度，同时温度降低至室温以下产生冷能，冷能与运输介质通过热交换后，启动冷能水泵，运输介质流入冷能输运保温水管中，流经储能器储存，用于对外部高温热源降温。
17.本发明的有益效果是：提供一种基于拉卡效应的固态制冷装置及方法，针对具有极低驱动应力的拉卡效应的固态制冷剂材料，通过壳体内设置旋转盘，使得固态制冷剂的拉伸沿着旋转盘周向盘绕，满足了固态制冷剂的大应变需求，也没有增加制冷装置整体的外部尺寸，体积小，实用价值高；同时，固态制冷剂的可逆形变过程中具有可逆构象变化或
可逆相变，产生的热量和冷能可以分别泵送处理，达到冷能和热能分离及传输的效果。
附图说明
18.图1为基于拉卡效应循环过程的温熵图。
19.图2为本发明一个实施例的壳体的结构示意图。
20.图3为本发明一个实施例的盖板的结构示意图。
21.图4为本发明一个实施例的旋转盘的结构示意图。
22.图5a
‑
5d为本发明一个实施例的固态制冷剂的制冷过程图。
具体实施方式
23.为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。
24.如图2
‑
图4所示，基于拉卡效应的固态制冷装置，包括内部附件和外部附件，内部附件包括壳体1、盖板2、固态制冷剂3、形变驱动机构和运输介质，壳体中心设有内凹槽4，盖板与壳体密封配置连接，形成内凹腔，形变驱动机构设于内凹腔中心，形成环状介质腔5，运输介质储存于介质腔内底部，固态制冷剂的一端固定于壳体上，另一端固定于形变驱动机构上，固态制冷剂产生的热量及冷能通过运输介质输送至外部附件。
25.外部附件包括热量处理组件和冷能处理组件，热量处理组件包括热量输运保温水管6、散热器7和热量水泵8，热量输运保温水管的两端分别与介质腔相连通，散热器和热量水泵均设于量输运保温水管上；冷能处理组件包括冷能输运保温水管9、冷能耗散或储存机构10和冷能水泵11，冷能输运保温水管的两端分别与介质腔相连通，储能器和冷能水泵均设于冷能输运保温水管上。
26.冷能耗散机构为散热器，其工作原理类似于空调；冷能储存机构为储热器，其工作原理类似于冰箱。
27.形变驱动机构包括旋转驱动电机和旋转盘12，旋转盘通过中心轴固定于内凹腔中心，旋转驱动电机固定于壳体外部，与中心轴相连，驱动旋转盘转动，固态制冷剂的另一端固定于旋转盘上。旋转盘的圆周面为凹槽结构，凹槽的两侧边通过转轴固定圆柱13，圆柱沿凹槽周向均匀间隔设置。旋转盘周圈的圆柱可以自由转动，起到减少摩擦作用，保证了固态制冷剂均匀拉伸。固态制冷剂两端通过夹具分别固定在装置盖板以及旋转盘上。旋转盘逆时针转动即带动了固态制冷剂发生大形变，顺时针转动时固态制冷剂回复原始状态。
28.根据制冷条件不同，运输介质不同。如果需要单位时间搬运大量的热量则选择比热容大的介质，例如水；如果需要使外部环境或物体获得大的温度变化则选择比热容小的介质，例如导热油，运输介质与固态制冷剂产生热交换，实现能量传输。
29.如图5a
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图5d所示，固态制冷装置的制冷过程如下：
30.步骤1为原始状态，固态制冷剂被安装在盖板、壳体、旋转盘组成的内凹腔中，固态制冷剂材料两端分别固定在壳体以及旋转盘上。步骤2，通过对低拉伸应力、高拉伸应变，形变过程中具有可逆构象变化或/和可逆相变的固态制冷剂材料如天然橡胶、合成橡胶、热塑性弹性体(聚氨酯弹性体和sebs等)以及它们添加导热、补强填料的复合材料等施加拉伸应力，使制冷剂材料在室温下伸长。制冷剂材料温度升高产生大量的热量。这些热量与运输介质(水等)通过热交换后流出制冷器件。通过运输介质导出的热量流经换热器与环境换热后
恢复室温，流回制冷器件。步骤3，固态制冷剂保持拉伸状态，恢复室温。步骤4，撤去拉伸应力后，固态制冷剂自发恢复原始长度，同时温度降低至室温以下产生冷能。这些冷能与运输介质通过热交换后流出制冷器件。通过运输介质导出的冷能流经储能器储存，用于对外部高温热源降温。
31.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。