一种基于形状记忆合金的固态制冷原型机系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于形状记忆合金薄片弹簧的固态制冷原型机系统，包括以下部件：基于形状记忆合金弹簧薄片的制冷机构、用于提供形状记忆合金变形的加载机构、第一换热器、第二换热器和用于监控形状记忆合金弹簧片性能的控制机构，所述的制冷机构包括有形状记忆合金弹簧片组、载冷剂、储热容器、制冷泵、热流控制阀门。本发明专利技术进一步提供了一种形状记忆合金薄片弹簧的制造工艺、热处理方法及性能要求。本发明专利技术提供的一种基于形状记忆合金薄片弹簧的固态制冷原型机系统，由于采用固体材料形状记忆合金为介质，能够实现高效制冷且不造成环境污染，能够从根本上突破传统制冷剂在环境问题上的困境。上的困境。上的困境。

【技术实现步骤摘要】
一种基于形状记忆合金的固态制冷原型机系统


[0001]本专利技术属于制冷机械领域，具体地说，涉及一种基于形状记忆合金的固态制冷系统的制备方法。

技术介绍

[0002]联合国环境规划署数据显示，制冷领域碳排放占全球碳排放总量的7.8%。国际能源机构报告表明，制冷所消耗电力占全球电力比例已超过15%。传统制冷采用气
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液压缩制冷技术，具有能耗高、噪音大以及产生温室气体等缺点，引起臭氧空洞及全球变暖危机。随着国家加快生态文明建设，积极参与全球环境治理，绿色高效制冷产业迎来发展的重大契机。真正实现绿色制冷需攻克减少温室气体释放、提升热性能以及瞬时响应能力等关键技术，而固态制冷技术具备零温室效应潜能，同时卡诺循环效率超过50%，从根本上突破传统制冷剂在环境问题上的困境。
[0003]公告号为CN202310015202.2、201810660524.1和202211699741.4的中国专利分别公开了一种基于形状记忆合金的固态制冷系统，其中专利CN202310015202.2公开了一种通过弹热效应和压热效应联合制冷的方法，CN201810660524.1公开了一种包括有形状记忆合金管、传动块、热端容器、冷端容器、制冷泵的固态制冷设备。CN202211699741.4公开了一种弹热制冷和蓄冷系统及其控制方法。上述制冷系统主要侧重于利用形状记忆合金的弹热效应进行复杂的设计，实现固态制冷，但是对材料性能本身关注不多，因此在长期使用过程中难以保证性能的稳定，此外上述固态制冷系统结构复杂。因此需要提出一种新的技术方案来解决上述问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种基于形状记忆合金的固态制冷原型机系统，以合金成分和热处理工艺特别处理的形状记忆合金薄片弹簧为核心，用于解决现有固态制冷技术中性能不稳定，长期使用功能衰退等问题。该固态制冷原型机系统结构简单、设计合理、易于操作，在形状记忆合金弹簧经长期使用性能衰退时无需复杂的操作即可实现弹簧的替换。
[0005]本专利技术固态制冷原型机系统，其特征在于：包括基于形状记忆合金弹簧薄片的制冷机构、用于提供形状记忆合金变形的加载机构、第一换热器、第二换热器和用于监控形状记忆合金弹簧片性能的控制机构。
[0006]进一步的，所述制冷机构包括有形状记忆合金弹簧片组、载冷剂、储热容器、制冷泵、热流控制阀门，所述储热容器包括有上储热容器和下储热容器，储热容器中装有载冷剂，所述上储热容器和下储热容器分别设于所述形状记忆合金薄片弹簧的两端，形状记忆合金薄片弹簧通过焊接或铆接方式与储热容器紧密连接，形状记忆合金弹簧上端与上储热容器下端不发生相对位移，形状记忆合金弹簧下端与下储热容器上端不发生相对位移，通过与所述形状记忆合金弹簧连接的四个热流控制阀门，将弹簧变形过程中的热量传输到两
端的储热容器，所述上下储热容器还经液流管与制冷泵相连通；进一步的，所述形状记忆合金弹簧采用的合金选自NiTi、NiTiZr、NiTiHf、FePd、NiFeGaCo或FeNiCoAl中一种。
[0007]优选的，所述形状记忆合金为NiTiZr，NiTiHf，其中NiTiZr成分为50
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51 at.%Ni，27
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30 at.%Ti，20
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22 at.%Zr，NiTiHf的成分为50
‑
51 at.%Ni，27
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30 at.%Ti，20
‑
22 at.%Hf。
[0008]更优选地，所述形状记忆合金为镍钛合金（NiTi），合金成分按原子数百分比计，包括以下组分：钛 43
‑
50％；镍 50
‑
57％。
[0009]最优选地，所述镍钛合金，按原子数百分比计，包括以下组分：钛 49.2％；镍 50.8％。
[0010]进一步的，所述镍钛形状记忆合金首先进行均匀化热处理，热处理温度为600
‑
900
°
C，时间为3
‑
6小时；然后进行时效处理，时效处理温度为500
‑
600
°
C，时间为1
‑
5小时。
[0011]最优选地，所述镍钛合金进行以下热处理工艺：800
°
C均匀化热处理4小时，然后进行时效处理，时效处理温度为550
°
C，时间为1.5小时。
[0012]进一步的，所述形状记忆合金包含大小相同，分布均匀的Ni4Ti3析出相，Ni4Ti3析出相长度为5
‑
50nm，同一组的Ni4Ti3析出相之间角度成120
°
，相邻Ni4Ti3析出相的间距为5
‑
100nm。
[0013]进一步的，所述形状记忆合金弹簧的外径为2
‑
15mm，内径为1
‑
10mm，长度为150
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250mm。更优选地，所述形状记忆合金弹簧的长度为200mm，内径为3mm，外径为5mm。
[0014]进一步的，所述第一换热器位于上储能器上端，通过液流管与上储能器连接，第二换热器位于下储能器下端，通过液流管与下储能器连接。上下储能器两侧分别装有两个热流控制阀门，控制热量的流进与流出。
[0015]进一步的，所述加载机构通过电机的正向和反向驱动，对形状记忆合金弹簧施加拉伸应力和压缩应力，通过加载机构对形状记忆合金弹簧施加拉伸载荷造成形状记忆合金弹簧的拉伸变形，形状记忆合金弹簧薄片受拉伸应力由奥氏体相变为马氏体释放潜热，温度升高；进一步的，加载装置停止驱动，形状记忆合金向下储能器散热，下储能器装置储存形状记忆合金带来的热量，形状记忆合金向第二换热器散热，第二换热器向环境散热，热量沿着上储能器左侧阀门流入原型机系统，经过形状记忆合金弹簧，从下储能器右侧阀门流出；进一步的，加载装置反向驱动，回到初始位置，此时形状记忆合金完成同步卸载，形状记忆合金所受应力减小，内部微观组织由马氏体相转变为奥氏体相并吸热，温度降低；进一步的，加载装置反向驱动，加载装置对形状记忆合金弹簧施加压缩应力造成形状记忆合金弹簧的压缩变形，形状记忆合金弹簧薄片受压缩应力由奥氏体相变为马氏体释放潜热，温度升高，与拉升变形不同，此时热量由下储能器左侧阀门流入，经过形状记忆合金弹簧，从上储能器右侧阀门流出，经过液流管流入第一换热器，由第一换热器中的制冷剂实现降温；优选地，所述第一和二储能器内储存有吸热剂为油、水或其它冷却剂。
[0016]更优选地，所述第一和第二储能器内存储的吸热剂为水。
[0017]优选的，第一和第二储能器容量相同，储存量为100
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300ml。
[0018]更优选地，第一和第二储能器的储存量为200ml。
[0019]优选地，所述液流管的材质为钢铁、合金或塑料。
[0020]优选地，所述液流管的外径为2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于形状记忆合金弹簧的固态制冷系统，其特征在于，包括以下部件：包括基于形状记忆合金弹簧薄片的制冷机构、用于提供形状记忆合金变形的加载机构、第一换热器、第二换热器和用于监控形状记忆合金弹簧片性能的控制机构。2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金弹簧的制冷机构，其特征在于，包括有形状记忆合金弹簧片组、载冷剂、储热容器、制冷泵、热流控制阀门，所述储热容器包括有上储热容器和下储热容器，储热容器中装有载冷剂，所述上储热容器和下储热容器分别设于所述形状记忆合金薄片弹簧的两端，形状记忆合金薄片弹簧通过焊接或铆接方式与储热容器紧密连接，形状记忆合金弹簧上端与上储热容器下端不发生相对位移，形状记忆合金弹簧下端与下储热容器上端不发生相对位移，通过与所述形状记忆合金弹簧连接的四个热流控制阀门，将弹簧变形过程中的热量传输到两端的储热容器，所述上下储热容器还经液流管与制冷泵相连通。3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金弹簧的固态制冷系统，其特征在于，所述形状记忆合金弹簧采用的合金选自NiTi、NiTiZr、NiTiHf、FePd、NiFeGaCo或FeNiCoAl中一种；优选的，所述形状记忆合金为NiTiZr，NiTiHf，其中NiTiZr成分为50
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51 at.%Ni，27
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30 at.%Ti，20
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22 at.%Zr，NiTiHf的成分为50
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51 at.%Ni，27
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30 at.%Ti，20
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22 at.%Hf；更优选地，所述形状记忆合金为镍钛合金（NiTi），合金成分按原子数百分比计，包括以下组分：钛 43
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50％；镍 50
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57％；最优选地，所述镍钛合金，按原子数百分比计，包括以下组分：钛 49.2％；镍 50.8％...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志伟，袁悠悠，宋义晗，马雪莹，于皓，张彤，任贝达，王誉博，唐护洋，姜晨曦，朱彦铭，郭锐，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：