一种杠杆结构的弹热制冷系统及其制冷方法与流程

1.本发明涉及制冷与空调领域，具体涉及一种杠杆结构的弹热制冷系统及其制冷方法。


背景技术：

2.联合国气候变化委员会在2018年发布《ipcc全球升温1.5℃特别报告》显示，目前全球气温较工业化前水平增加了1.5℃，气候变暖导致的环境问题包括了冰川融化、海平面上升、臭氧层破坏、雨水酸化等。传统的蒸气压缩式制冷循环所使用的cfcs、hcfcs类制冷剂对臭氧层破坏较为严重，作为cfcs和hcfcs类制冷剂的替代品，hfcs类制冷剂虽然不会对臭氧层产生破坏，却有着较高的温室效应潜值。中国作为全球最大的hfcs类制冷剂生产国，已经承诺在2030年前实现碳达峰，在2060年前实现碳中和。
3.弹热制冷技术作为一种新型的固态制冷技术，已被视为替代传统蒸气压缩式制冷循环最有效的方案，其所使用的弹热材料具有高达31j/g的相变潜热以及高的相变温差效应，是目前研究最为广泛的磁制冷的一个数量级以上，此外，由于弹热制冷技术不需要使用制冷剂，因此不会对环境产生负面影响，是一种绿色环保的制冷方法。
4.然而，弹热制冷的应用推广还存在着诸多挑战，主要包括了热量传递、弹热材料所需要的驱动力过大等，现有的技术大多采用多台电机用于实现弹热材料的拉伸和卸载过程、弹热材料和热源热汇接触的过程，因此，制冷系统运动部件多且组成复杂；此外弹热材料所释放的热量、冷量的高效传递需要合理的系统设计以及较高的系统加工装配工艺。基于上述问题，弹热制冷技术领域的突破需要综合系统流程以及加载方式的优化，从而进一步利用弹热材料的潜热以及减小外界提供的驱动力，实现制冷系统的高效、紧凑。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种杠杆结构的弹热制冷系统及其制冷方法，实现加载方式的优化，减小外界提供的驱动力，实现制冷系统的高效、紧凑。
6.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
7.一种杠杆结构的弹热制冷系统，包括通过支点铰接在机架上的杠杆，杠杆的一端通过连杆和电机连接，所述的电机固定在机架的一侧，机架的另一侧沿竖直方向固定有滑轨，滑轨上放置一个滑轨滑块，该滑轨滑块和杠杆的另一端分别与弹热材料的两端连接；所述的杠杆在电机的驱动下绕其支点旋转，弹热材料在杠杆和滑轨滑块的带动下同时产生水平和竖直方向的位移；弹热材料的上方设置有热端散热器，下方设置有冷藏发泡箱，弹热材料在应力加载拉伸状态下和上方的热端散热器接触散热，热端散热器的热量向环境释放，弹热材料在应力卸载收缩状态下和下方的冷藏发泡箱接触并释放冷量。
8.作为本发明弹热制冷系统的一种优选方案，所述的连杆在电机的带动下沿水平方向运动，连杆的一端为球形结构，杠杆的一端沿长度方向开设有槽体，连杆一端的球形结构
能够在杠杆一端的槽体内运动。
9.作为本发明弹热制冷系统的一种优选方案，所述的电机为直线电机、旋转电机组合滚珠丝杆机构、电动推杆或电动缸。
10.作为本发明弹热制冷系统的一种优选方案，所述的弹热材料通过螺丝螺母旋紧或穿孔缠绕方式固定在滑轨滑块和杠杆上。
11.作为本发明弹热制冷系统的一种优选方案，所述的支点通过支撑立柱提供，所述支撑立柱的一端与机架固定，另一端与杠杆的中部相铰接。
12.作为本发明弹热制冷系统的一种优选方案，所述的机架为框架式结构，冷藏发泡箱以及热端散热器均固定在机架上。
13.作为本发明弹热制冷系统的一种优选方案，所述的弹热材料在电机带动下发生形变时，弹热材料一侧的拉伸力通过杠杆和连杆由电机直接提供，另一侧的拉伸力通过滑轨滑块由机架的反作用力提供。
14.本发明还提供一种基于所述杠杆结构的弹热制冷系统的制冷方法，包括以下步骤：
15.电机带动连杆沿水平方向运动，连杆推动杠杆绕其支点旋转，杠杆提供拉伸力使弹热材料发生形变，滑轨滑块在弹热材料的带动下向上方运动，杠杆和弹热材料连接的一端和滑轨滑块之间的距离不断增加，弹热材料受到杠杆和滑轨滑块提供的拉伸应力而发生马氏体相变，相变过程潜热释放，使弹热材料的温度升高；在拉伸过程中，弹热材料不断向上运动，并最终和上方的热端散热器接触，进而向环境释放放热；
16.连杆在电机的反向运动下带动弹热材料离开上方热端散热器，杠杆逆向旋转带动弹热材料恢复原始长度，弹热材料受到的应力不断减小并向下方运动，应力减小的过程伴随着弹热材料逆向相变，弹热材料的温度不断降低，并最终和下方的冷藏发泡箱接触，在应力卸载状态下释放冷量；
17.弹热材料通过重复和热端散热器以及冷藏发泡箱接触，完成制冷。
18.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：通过杠杆结构，实现了单台电机驱动弹热材料的拉伸卸载以及和热端散热器、冷藏发泡箱接触的过程，同时简化了运动部件数量，大大减少了电机采购及设备加工费用，使得装置更加紧凑，同时采用纯固态制冷系统，实现了冷量和热量的高效传递，进一步简化了系统的布局复杂程度。
附图说明
19.图1本发明杠杆结构的弹热制冷系统在加载状态下和热端散热器接触的正视示意图；
20.图2本发明杠杆结构的弹热制冷系统在卸载状态下和冷藏发泡箱接触的正视示意图；
21.图3本发明制冷系统对应的循环温
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熵示意图；
22.附图中：101
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机架；102
‑
电机；103
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连杆；104
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杠杆；105
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弹热材料；106
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热端散热器；107
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冷藏发泡箱；108
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滑轨滑块；109
‑
滑轨。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
24.参见图1和图2，本发明实施例杠杆结构的弹热制冷系统，包括框架式结构的机架101，在机架101上通过支点铰接杠杆104，该支点通过支撑立柱提供，支撑立柱的一端与机架101固定，另一端与杠杆104的中部相铰接。杠杆104的一端通过连杆103和电机102连接，电机102可以为直线电机、旋转电机组合滚珠丝杆机构、电动推杆或电动缸等。电机102固定在机架101的一侧，机架101的另一侧沿竖直方向固定有滑轨109，滑轨109上放置一个滑轨滑块108，该滑轨滑块108和杠杆104的另一端分别与弹热材料105的两端连接，弹热材料105可以通过螺丝螺母旋紧或穿孔缠绕方式固定在滑轨滑块108和杠杆104上。连杆103在电机102的带动下沿水平方向运动，连杆103的一端为球形结构，杠杆104的一端沿长度方向开设有槽体，连杆103一端的球形结构能够在杠杆104一端的槽体内运动。杠杆104在电机102的驱动下绕其支点旋转，弹热材料105在杠杆104和滑轨滑块108的带动下同时产生水平和竖直方向的位移；弹热材料105的上方设置有热端散热器106，下方设置有冷藏发泡箱107，冷藏发泡箱107以及热端散热器106均固定在机架101上。弹热材料105在应力加载拉伸状态下和上方的热端散热器106接触散热，热端散热器106的热量向环境释放，弹热材料105在应力卸载收缩状态下和下方的冷藏发泡箱107接触并释放冷量。弹热材料105在电机带动下发生形变时，弹热材料105一侧的拉伸力通过杠杆104和连杆103由电机102直接提供，另一侧的拉伸力通过滑轨滑块108由机架101的反作用力提供。
25.实施例还提供一种基于所述杠杆结构的弹热制冷系统的制冷方法，包括以下步骤：
26.(1)对初始状态下处于奥氏体的弹热材料105施加拉伸应力的同时，使弹热材料105不断向上移动，当弹热材料105被拉伸至给定的形变量时，如图1所示，处于被完全加载状态的弹热材料105和上方的热端散热器106相接触；
27.(2)完全加载状态下的弹热材料105发生相变并释放潜热，热量通过热端散热器106而释放到环境热汇中；
28.(3)当热量完全释放，弹热材料105的温度恢复至环境温度时，将弹热材料105受到的应力卸载，弹热材料105开始恢复原长，并不断向下运动，直至弹热材料105恢复原长并和下方冷藏发泡箱107接触，如图2所示；
29.(4)弹热材料105恢复原长的同时伴随着逆向相变，逆向相变过程伴随着弹热材料105温度不断降低，弹热材料105和冷藏发泡箱107接触后，从冷藏发泡箱107中吸收热量，冷却冷藏发泡箱107内的物体。
30.重复上述步骤(1)
‑
(4)，完成弹热制冷过程。
31.本发明制冷方法中弹热材料105相变过程温度与熵的变化关系如图3所示：
32.常温下的弹热材料位于图3中的1点，该点表示初始状态下弹热材料105处于奥氏体相；当弹热材料105受到外力拉伸时，应力不断升高直至弹热材料105发生由奥氏体相向马氏体相的相变，相变过程伴随着弹热材料105温度的升高，如图中3中1点至3点的过程；处于3点马氏体状态的弹热材料105和热端散热器106接触并释放热量，热量释放过程伴随着弹热材料105的温度不断降低至环境温度，如图3中3点至4点过程；当弹热材料105冷却至环境热汇温度时，将外界应力卸载，弹热材料105离开热端散热器，恢复原长的同时，弹热材料
105发生由马氏体相向奥氏体相的逆向相变，该过程伴随着弹热材料105的温度不断降低，对应图3中4点至6点过程，当弹热材料105的温度降低到最低值时，弹热材料105与冷藏发泡箱107接触，并吸收冷藏发泡箱107内物体的热量，该过程弹热材料105的温度不断升高，直至温度达到冷藏发泡箱107内低温热源的温度，制冷过程结束，该过程对应图3中6点至1点，制冷过程产生的制冷量对应图3中虚线部分。
33.为实现上述弹热制冷方法的弹热制冷系统，具体加载方式包括：
34.如图1所示，杠杆104通过支点固定在机架101上，电机102固定连接在机架101的一侧，电机种类包括了直线电机、旋转电机加滚珠丝杆机构、电动推杆或电动缸等，电机102的输出轴连接有连杆103，连杆103的一端带有球形结构，该结构可以在杠杆104一端的槽体内自由运动，从而保证连杆103带动杠杆104旋转的同时，连杆103运动方向始终保持水平；
35.机架101另一侧固定连接有滑轨109，滑轨109上放置一个滑轨滑块108，滑轨滑块108可以沿滑轨109竖直方向自由运动；
36.该滑轨滑块108和杠杆104的一端分别与弹热材料105的两端连接，弹热材料的形状可以是丝状、板状、波纹状，连接的方式包括了利用螺丝螺母紧固或在滑轨滑块以及杠杆上穿孔缠绕等；
37.弹热材料105的上方设置有热端散热器106，下方设置有冷藏发泡箱107，弹热材料105在应力加载拉伸状态下和上方的热端散热器106接触散热，热端散热器106的热量向环境释放，弹热材料105在应力卸载收缩状态下和下方的冷藏发泡箱107接触并释放冷量。
38.电机102的输出轴通过连杆103带动杠杆104绕其支点旋转，弹热材料105在杠杆104和滑轨滑块108的带动下同时产生水平和竖直方向位移，连杆103向右移动带动杠杆104逆时针旋转，弹热材料105被不断拉伸并逐渐向上方热端散热器106移动；连杆103向左移动带动杠杆104顺时针旋转，弹热材料105长度不断缩小，并逐渐向下方冷藏发泡箱107移动。
39.本发明通过单台电机提供驱动力，驱动弹热材料发生相变制冷并实现冷量高效传递，制冷过程环保无污染，满足可持续发展的同时，效率高且系统结构简洁可靠。
40.以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。