基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置及冷却方法

1.本发明属于制冷与蓄冷技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置及冷却方法。


背景技术：

2.在夏季，经过暴晒的汽车内部温度极高，其中汽车前排座椅的表面温度显著高于客舱空气温度。虽然现在的汽车均配有空调系统，但汽车空调系统必须在汽车启动状态下才能运行并产生制冷效应，且座椅的温度下降速度远比客舱空气的温度下降速度要慢，无法解决乘客和驾驶员在进入汽车后的动态热舒适问题。目前，已有的汽车座椅冷却装置包括水冷、风冷或者半导体冷却。水冷与风冷的局限性在于非固态传热导致传热效率低，冷却速度慢，半导体冷却的缺陷是半导体冷端温度受热端温度以及环境温度影响大，且会增加汽车空调系统的热负荷。
3.弹热制冷技术是由应力场驱动形状记忆合金相变而产生制冷效应的固态制冷技术。相变温度低于室温的形状记忆合金在受到外界机械应力的拉伸或者压缩条件下，会发生由奥氏体相向马氏体相的转变，熵减小并对外放热；去除应力时，又会发生逆相变，熵增大并从外界吸收热量，从而产生制冷效应。形状记忆合金的一个优势就是可以快速放能，再加上固体材料导热率高，单位时间内热穿透深度大，可传递更多的冷量。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置及冷却方法，制冷效率高，制冷速度快，受环境影响小。
5.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
6.一种基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置，包括设置在座椅上表面的压力传感器以及设置在座椅下表面的金属凸台，金属凸台的下方设置有形状记忆合金，所述形状记忆合金的两端在滑轨滑块的带动下能够沿滑轨上下移动，形状记忆合金的下方设置有散热器；
7.所述滑轨倾斜对称设置，当压力传感器未检测到压力时，形状记忆合金向下移动并被压缩，形状记忆合金在压缩状态与散热器接触散热；
8.当压力传感器检测到压力时，形状记忆合金向上移动并恢复原长，形状记忆合金在原长状态与金属凸台接触，吸收座椅热量。
9.作为一种优选方案，座椅的下方安装机架，散热器固定在机架内底部，滑轨的一端与散热器旁侧的机架连接，另一端与机架的顶部连接；滑轨滑块上设置有固定夹具的连接器，夹具与形状记忆合金的端部固定。
10.作为一种优选方案，机架底部安装有电机以及滑轮，电机通过钢索连接形状记忆合金两端的夹具，钢索经过滑轮改变牵引方向。
11.作为一种优选方案，散热器两侧的机架上设置有弹簧，弹簧的高度大于散热器的
高度。
12.作为一种优选方案，机架为矩形截面支架，电机、滑轮均固定在机架的底面下方，钢索穿过机架的底面与夹具连接；散热器、弹簧固定在机架的底面上方；金属凸台为矩形截面金属块，金属凸台的上表面与座椅的下表面紧密接触；机架的顶部与座椅下表面紧密接触。
13.作为一种优选方案，所述形状记忆合金的形状为平板状、圆管状或圆柱状。
14.作为一种优选方案，所述形状记忆合金的奥氏体终止温度低于20℃；所述散热器通过汽车空调系统的剩余冷量冷却加载状态的形状记忆合金。
15.一种所述基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：
16.客舱无人时，压力传感器检测不到压力，形状记忆合金的两端在滑轨滑块的带动下沿滑轨向下移动并被压缩，形状记忆合金在压缩应力的驱动下发生相变，由奥氏体相变为马氏体相，相变过程释放潜热，形状记忆合金向下运动直至与散热器接触，将相变潜热释放至环境，形状记忆合金达到环境温度；
17.乘客进入客舱坐在座椅上时，压力传感器检测到压力，形状记忆合金的两端在滑轨滑块的带动下沿滑轨向上移动并恢复原长，形状记忆合金的应力降低，发生逆向相变，由马氏体相变为奥氏体相，形状记忆合金的温度降低，形状记忆合金向上运动直到与金属凸台接触，在原长状态下释放冷量，冷却座椅。
18.作为一种优选方案，当压力传感器检测不到压力时，通过电机通电动作，收紧钢索，钢索带动夹具向下运动，滑轨滑块沿滑轨向下移动的过程中带动形状记忆合金的两端向中间靠拢，使形状记忆合金被压缩，形状记忆合金与散热器相接触之后，弹簧对形状记忆合金产生一个竖直向上的支撑力。
19.作为一种优选方案，当压力传感器检测到压力时，电机停止动作，形状记忆合金在弹簧的支撑力以及形状记忆合金自身弹性恢复力的作用下沿滑轨向上移动并恢复原长。
20.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
21.利用形状记忆合金的弹热效应，通过在座椅上设置压力传感器进行检测，可以得出汽车客舱为无人状态还是有乘客进入客舱坐在座椅上，客舱无人状态时进行储能过程，将形状记忆合金的两端在滑轨滑块的带动下沿滑轨向下移动并被压缩，形状记忆合金同时产生水平和竖直方向的位移，形状记忆合金在压缩应力的驱动下发生相变，由奥氏体相变为马氏体相，相变过程释放潜热，形状记忆合金向下运动直至与散热器接触散热。而在乘客进入客舱坐在座椅上时，压力传感器检测到压力，形状记忆合金的两端在滑轨滑块的带动下沿滑轨向上移动并恢复原长，形状记忆合金在原长状态与金属凸台接触吸热，去除载荷后的形状记忆合金可以快速释放冷量。本发明的制冷效率高，制冷速度快，受环境影响小。
22.进一步的，汽车空调系统的剩余冷量可以用来冷却加载状态的形状记忆合金，实现汽车空调系统冷量的二次利用，使形状记忆合金成为高效的蓄冷单元。
附图说明
23.图1本发明实施例基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置正视结构示意图；
24.图2本发明实施例加载状态下形状记忆合金与散热器接触的正视示意图；
25.图3本发明实施例卸载状态下形状记忆合金与金属凸台接触的正视示意图；
26.图4本发明实施例弹热制冷循环过程中的应力-温度示意图；
27.附图中：101-机架；102-滑轨；103-滑轨滑块；104-连接器；105-座椅；106-夹具；107-形状记忆合金；108-电机；109-钢索；110-散热器；111-滑轮；112-压力传感器；113-弹簧；114-金属凸台。
具体实施方式
28.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
29.如图1所示，本发明实施例基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置，包括固定在汽车座椅105下方的机架101；座椅105的下表面设置有用高导热系数金属材料制成的金属凸台114，以便于与处于原长状态的形状记忆合金107紧密接触，从而传递热量，金属凸台114的厚度取决于形状记忆合金107处于原长状态时形状记忆合金107上表面与座椅105下表面之间的距离；电机108和滑轮111固定在机架101的下方，电机108启动时可收紧钢索109，电机108停机时钢索109可自由伸长，滑轮111对钢索109起转向和支撑作用；两条滑轨102倾斜放置于机架101内，左右对称放置，滑轨摆放呈v字型，滑轨102利用若干螺丝固定在垫块上，垫块的另一端通过螺丝固定在机架上，垫块起到稳固倾斜放置的滑轨102的作用；位于左右两侧滑轨102上的滑轨滑块103向上运动时相互远离，向下运动时相互靠近；连接件104的作用是在滑轨滑块103运动时能够始终保证夹具106水平夹持形状记忆合金107；夹具106通过连接件104与滑轨滑块103连接，形状记忆合金107左右两端与夹具106连接；形状记忆合金107在夹具106的夹持带动下向下运动并被压缩，向上运动恢复原长，水平方向的拉伸、收缩将在形状记忆合金107内产生不断变化的应力，驱动形状记忆合金107发生形变，进而释放或吸收热量；钢索109的一端与电机108的转轴连接，另一端与夹具106连接，电机108启动时收紧钢索109，带动夹具106向下运动，形状记忆合金107受到滑轨102反作用力的水平分力产生压缩形变；弹簧113和散热器110通过螺栓或螺丝固定于机架101底部，形状记忆合金107向下运动时压缩弹簧113，形状记忆合金107向上自由运动时弹簧113复原，对形状记忆合金107产生竖直向上的支持力，加快形状记忆合金107恢复原长。形状记忆合金107在向下运动时受到应力驱动，发生相变并释放潜热，通过机架101底端的散热器110进行辅助散热，形状记忆合金107在向上运动时受到应力卸载发生逆相变并吸收热量，通过金属凸台114吸收热量冷却座椅105。电机108的启动或停止由座椅105上的压力传感器112控制，当压力传感器112未感知到压力，即未有人坐在汽车座椅上时，电机108动作；当压力传感器112感知到压力，即有人坐上汽车座椅时，电机108停机。
30.本发明基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置的冷却方法，包括以下步骤：
31.客舱无人时，座椅105上的压力传感器112的信号控制电机108动作。电机108转动收紧钢索109，钢索109另一端连接夹具106，使得夹具106与连接件104随滑轨滑块103一同沿着滑轨102斜向下运动。在夹具106的夹持下，形状记忆合金107受到压应力而发生收缩形变，随着材料的形变达到一定程度，形状记忆合金107发生相变，释放潜热，温度升高。形状记忆合金107在夹具106的带动下向下运动直到与机架101底端的散热器110、弹簧113紧密接触，如图2所示，此时弹簧113受到形状记忆合金107提供的预紧力，处于压缩状态，形状记忆合金107将热量传递给散热器110，散热器110向环境散热。
32.卸载过程为：当乘客进入客舱坐在座椅105上时，座椅105上的压力传感器112感知
到压力信号，控制电机108停止转动，弹簧113竖直向上的预紧力使得形状记忆合金107连同夹具106、连接件104和滑轨滑块103一同沿着滑轨102快速向上运动，卸下载荷并恢复原长。形状记忆合金107形变减小到一定程度发生逆向变，熵增大，温度降低。如图3所示，此时形状记忆合金107与座椅105下的金属凸台114紧密接触，应力完全卸载，温度低于座椅105下的金属凸台114并从中吸收热量，进而冷却汽车座椅105。
33.在形状记忆合金107加载和卸载的过程中，倾斜安装的滑轨102起到了拉伸、压缩形状记忆合金107和上、下移动形状记忆合金107的作用，电机108通过钢索109对夹具106向下的驱动力以及弹簧113对形状记忆合金107向上的驱动力在滑轨102的约束下，均可转换成水平和竖直方向的驱动力。形状记忆合金107左右两边的滑轨102布置应该完全对称，这样才能保证形状记忆合金107受力沿水平方向，防止形状记忆合金107产生其他方向的形变，也能防止形状记忆合金107发生应力集中。为了进一步保证形状记忆合金107所受到的压应力沿水平方向，可以在形状记忆合金107两端的夹具106通过一组线性轴承连接，保证左右两边的夹具106在竖直方向上运动时始终能保持在同一水平线上。
34.本发明使用的形状记忆合金107在外力作用下会产生弹热效应。如图4所示，加载过程，乘客离开汽车座椅105，电机108动作，收紧钢索109，形状记忆合金107开始被压缩，首先发生等温下的应力升高现象，此时还未发生相变，对应图4中的点1到点2的过程；之后，当形状记忆合金107的应力大于该温度下发生马氏体相变所需的最小应力时，形状记忆合金107材料开始由奥氏体向马氏体转变，对应图中的点2到点3的过程，形状记忆合金107继续被压缩，温度升高。到点3时，形状记忆合金107与散热器110紧密接触，此时压应力达到最大，温度最高。形状记忆合金107向散热器110散热，直到形状记忆合金107恢复室温，此过程对应图4的点3到点4的过程。形状记忆合金107从点1到点4的过程中，电机108均收紧钢索109。卸载过程，有人坐上座椅105，此时电机108停止转动，形状记忆合金107受到弹簧113预紧力的作用快速上移卸下载荷恢复原长，产生拉伸形变，对应点4到点5的过程，该过程温度不变。形状记忆合金107所受应力降低到临界值时，形状记忆合金107开始发生由马氏体相向奥氏体相的转变，即图4中点5到点6的过程。从点4到点6，形状记忆合金107逐渐向105靠近，当形状记忆合金107逆向变发生完全，即完全转变成奥氏体相时，温度最低，对应点6。之后，形状记忆合金107通过金属凸台114向座椅105吸收热量，对应图4中点6到点1的吸热制冷过程，从而达到冷却座椅105的目的。
35.在一种可能的实施方式中，机架101为矩形截面支架，电机108、滑轮111均固定在机架101的底面下方，钢索109穿过机架101的底面与夹具106连接；散热器110、弹簧113固定在机架101的底面上方；金属凸台114为矩形截面金属块，金属凸台114的上表面与座椅105的下表面紧密接触；机架101的顶部与金属凸台114两侧的座椅105下表面连接。
36.在一种可能的实施方式中，形状记忆合金107的形状为平板状、圆管状或圆柱状。本发明基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置包含蓄冷模式和非蓄冷模式，仅在蓄冷模式启动电机108。形状记忆合金107的奥氏体终止温度低于20℃，在非蓄冷模式下电机108未启动时处于奥氏体状态，在蓄冷模式下电机108完成压缩后处于马氏体状态。
37.本发明基于形状记忆合金的汽车座椅冷却装置在客舱无人时，形状记忆合金107能够提前储存冷能；在乘客进入客舱、座椅105上有人时，形状记忆合金107受弹簧力113作用快速向上运动并恢复原长，和座椅105下的金属凸台114接触吸热，释放冷量。基于此，本
发明能够快速释放冷量，实现高效的热量传递，改善夏季汽车客舱的热舒适性。
38.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。