[发明专利]一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统

说明书

本发明公开了一种热驱动的弹热制冷循环方法及其系统，该系统由常温零应力时为马氏体的高温驱动组记忆合金从低品位热源吸热、向常温热汇排热，驱动常温零应力时为奥氏体的低温制冷组记忆合金向低温冷藏空间制冷。

发明领域

本发明涉及制冷、空调应用领域，具体涉及一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统。

背景技术

蒸气压缩循环是目前全球采用最为广泛的制冷技术，大量应用于空调、冰箱、冰柜机组。自20世纪初以来，蒸气压缩循环中的压缩机、换热器等核心部件已历经数代发展，目前最优秀的蒸气压缩制冷系统制冷效率已经能接近40～45％卡诺循环的理论效率。蒸气压缩制冷系统大量使用对环境及气候变化不利的氟氯烃、氟代烃等制冷剂，这些制冷剂的温室气体效应大多为CO₂的1000倍以上，以欧盟为首的诸多国家已逐步立法限制并禁止这些制冷剂的使用。

在此大背景下，弹热制冷技术是最近被提出的一种环境友好、具有较大性能潜力、负面因素较小的一种替代制冷技术。美国能源部的研究报告指出，弹热制冷技术可实现42％的卡诺循环效率，是目前性能潜力最大的非蒸气压缩制冷技术。然而，弹热制冷系统的设计仍存在较多挑战，目前主要面临两大挑战，一是系统的温差，二是驱动记忆合金相变的应力过大。温差即指高温热汇与低温热源之间的温差，仍受限于系统中的热交换损耗，需要通过合理的流程、系统设计来使该技术达到现有蒸气压缩制冷技术的性能水平。早期的弹热制冷系统设计，如美国专利号6367281中公开的连续型履带式设计，引入了过多的内部导热损耗，并且无任何回热环节，系统性能十分有限。另一种在美国专利号20120273158A1及中国专利CN102778075A中公开的基于单级制冷循环的系统设计方案尽管提及了回热器，但在系统流程设计及实施案例中仅为基于单级循环的设计，无法保证能够实现更大的系统温差。

最近，中国专利公开号CN106052190A公开了使用主动回热式循环改进系统温差性能的设计，相比传统的单级弹热制冷循环可有效提升系统温差；美国专利公开号2016/0084544A1中详细记录了从记忆合金结构构型、回热环节时间控制、循环流程及系统设计等方面改进单级弹热制冷系统性能的整体方案。然而，这两类技术方案虽然有助于解决系统温差的挑战，但对解决系统驱动力大的挑战无任何帮助。

总而言之，弹热制冷技术的发展既需要提升其制冷的温差性能，也需要综合考虑驱动力的大小以及系统综合设计时匹配驱动装置的难易程度。在现有技术水平条件下，亟需提出能够减小系统驱动力的技术方案。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种低品位热驱动的弹热制冷循环方法及其系统，在电驱动弹热制冷系统的制冷组记忆合金工质基础上引入一组额外的由热量驱动相变的高温记忆合金，利用高温记忆合金相变时产生的巨大应力，通过合理的系统设计来给制冷组记忆合金提供制冷所需的相变应力，同时通过合理的热交换设计，保证高温驱动组记忆合金可以有效地和低品位热源及环温之间进行热交换，保证低温制冷组记忆合金可以有效地向环温排热，并将产生的冷量及时快速地送到冷藏空间。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用低品位热驱动的弹热制冷循环方法，包含如下所述的四个过程；

常温、零应力时处于马氏体状态的高温驱动组记忆合金101由高于其奥氏体终止温度A_f的温度为T_g的低品位热源102驱动，通过机械耦合103的方式，向低温制冷组记忆合金104提供加载过程所需的驱动力；

常温时、零应力时处于奥氏体状态的低温制冷组记忆合金104，通过机械耦合103的方式，被高温驱动组记忆合金101加载相变为马氏体，向温度为T_h的常温热汇(105)散热；