基于固态相变压卡效应的制冷元件和固态制冷系统
阅读说明：本技术 基于固态相变压卡效应的制冷元件和固态制冷系统 (Refrigeration element based on solid-state phase-change pressure clamping effect and solid-state refrigeration system ) 是由 李昺 宋睿琪 张志东 张哲� 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于固态相变压卡效应的制冷元件和固态制冷系统,属于制冷技术领域。该制冷元件包括圆柱形腔体,圆柱形腔体内部可以设置垂直型样品分隔架、多层圆环型样品分隔架或多层方型样品分隔架。样品分隔架可以将压卡材料有序的固定于腔体内部,当加压装置经输油口向圆柱形腔体中输入抗磨压油为整个腔体提供压力时,高压使得压卡材料发生相变释放出热量,由抗磨压油携带热量通向热端换热器；接着由高压电动注射泵经输油口为圆柱形腔体内卸压,压热材料卸压后发生相变吸收热量由抗磨压油携带冷量通向冷端换热器。反复对制冷元件内的压卡材料进行加压、卸压操作,从而实现连续的制冷过程。(The invention discloses a solid-state phase-change pressure clamping effect-based refrigeration element and a solid-state refrigeration system, and belongs to the technical field of refrigeration. The refrigeration element comprises a cylindrical cavity, wherein a vertical sample separation frame, a multilayer circular sample separation frame or a multilayer square sample separation frame can be arranged in the cylindrical cavity. The sample separation frame can orderly fix the pressure card material in the cavity, when the pressurizing device inputs anti-wear pressure oil into the cylindrical cavity through the oil delivery port to provide pressure for the whole cavity, the pressure causes the pressure card material to generate phase change to release heat, and the heat carried by the anti-wear pressure oil is led to the hot end heat exchanger; and then the pressure is relieved in the cylindrical cavity by a high-pressure electric injection pump through the oil delivery port, and the pressure-heat material is subjected to pressure relief, then phase change is generated to absorb heat, and the cold energy carried by the anti-wear pressure oil is transmitted to the cold-end heat exchanger. The operations of pressurizing and releasing the pressure of the card pressing material in the refrigeration element are repeated, so that the continuous refrigeration process is realized.)
技术领域
本发明属于制冷技术领域，具体涉及一种基于固态相变压卡效应的制冷元件和固态制冷系统。
背景技术
在传统制冷领域中，气体压缩制冷技术一直占据主导地位。而传统制冷技术中使用的制冷工质全氟化碳和氢氟碳化物皆为超温室效应气体，显然不利于我国对“碳中和”目标的持续推进。固态制冷技术具有低能耗、低噪音和绿色环保等优点，一直是新型制冷技术中的研究重点。固态制冷技术原理主要基于固态材料的磁热效应、电热效应、弹热效应以及压热效应当中的一种或多种。其中，压热效应以其材料的优异性和应力场的施加成本低廉便捷等优势更易于在实际应用中推展。
压热效应制冷原理是指对具有相变过程的材料施加压力，压力能有效驱动材料发生相变，使其从负载吸收热量达到制冷的目的。整个制冷过程中，压力是主要驱动因素，也是制冷循环中的关键点。在以压热效应为原理的制冷机中，压力驱动材料相变的制冷元件部分是衔接冷端和热端的桥梁，在整个热量传导过程中起主导部分。制冷工质、传压介质以及加压卸压可逆性是决定压热效应制冷元件能否有效驱动固态相变制冷的核心问题。为此，本发明就压热效应设计提供一种基于压热效应的制冷元件，适用于以压热效应为原理的固态制冷系统中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于固态相变压卡效应的制冷元件和固态制冷系统，热效应是指通过对具有相变过程的材料施加压力，材料在压力驱动下发生相变，产生了吸热或放热的热效应。在本发明中，压卡制冷元件即利用该原理，使得放置在其内部的材料在外界的压力驱动下发生相变使其从负载吸收热量达到制冷的目的。
在本申请中，压力调节方式为通过加压设备对压卡元件内部进行加压以及卸压的压力控制。
在该制冷元件中样品分隔架可以将诸如球形的压卡材料固定于腔体内部，将其按照需求分别排布成要求的阵列结构，或直接堆积在腔体底部。其所使用的压卡材料具有可以由压力驱动相变的特点，在高压下升温放热，卸压时降温吸热，将该制冷元件连接至压卡制冷系统内可以由抗磨液压油将相变产生的热量及冷量运输至整个系统内，反复对制冷元件内的压卡材料进行加压、卸压操作，从而实现连续的制冷过程。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于固态相变压卡效应的制冷元件，该制冷元件包括圆柱形腔体，腔体上盖、底座以及位于腔体侧壁上的冷端换热器出液口、冷端换热器进液口、热端换热器进液口、输油口、热端换热器出液口；其中圆柱形腔体底部与底座连接固定，腔体上部与上盖连接，圆柱形腔体内用于容纳压卡材料。一种优选方式，还在于可以在圆柱形腔体内部增设可更换的样品分隔架，用于放置腔体内部的压卡材料，该分隔架为垂直型样品分隔架，其包括压卡材料填充区域和分隔架底座，分隔架底座上阵列式设置多根支架杆，支架杆之间的间隔构成压卡材料填充区域。另一种优选方式，该样品分隔架可更换为多层圆环型样品分隔架，每层圆环型分隔架包括多个同心圆环，多个同心圆环通过纵向固定支架和横向固定支架分别在垂直方向和每层的水平方向上进行支撑，同心圆环之间的间隔构成压卡材料填充区域。另一种优选方式，该样品分隔架可更换为多层方型样品分隔架，其包括分隔架底座、位于底座上的阵列式堆叠的独立框型单元，每个框型单元内构成压卡材料填充区域，最底层的各个框体单元分别与底座固定，在垂直底座的方向上，位于上层的框体单元与相邻下层框体单元固定连接。圆柱形腔体右侧筒壁的上、下端设有开口，其中上端开口与冷端换热器出液口连通，圆柱形腔体右侧筒壁下端开口与冷端换热器进液口连通，上下端开口处均设有密封过滤网。圆柱形腔体正面中部开口与输油口相连通；圆柱形腔体左侧筒壁的上、下端设有开口，其中上端开口与热端换热器出液口连通，圆柱形腔体右侧筒壁下端开口与冷端换热器进液口连通，上、下端开口处均设有密封过滤网。上盖与圆柱形腔体上部为可自由拆卸式密封安装连接，连接处装有密封胶圈。由输油口输入腔体内部以及流经冷端换热器出液口、冷端换热器进液口、热端换热器进液口、热端换热器出液口的液体为抗磨液压油。
低炭环保的满足各种制冷需求，能够有效替代传统的气体压缩制冷方式。在使用过程中，可以将一定数量的样品直接堆积至圆柱形腔体内部，操作方便；也可以根据需要将样品放置于相应类型的分隔架中，既方便更换样品，又有效防止样品发生移动，减少样品因为在腔体内相互碰撞挤压产生破碎而造成的损耗；阵列式样品排布方式，内部结构整齐，可以使得压卡材料的相变过程充分进行，同时分隔架可以容纳更多样品；本发明的制冷元件中所述的压卡材料设置成与液体直接接触换热的设计，能够在流体及材料间传递热量，热量损耗小，样品与流体之间有更大的换热面积，换热效率更高，便于且保证流体能够在制冷元件内流动顺畅。相对于机械施压方式，样品受压更均匀，压力传递速率更快，压力施加更精准，加压、卸压操作简单，可以快速实现加压、卸压过程。
抗磨液压油由输油口7输入制冷元件内腔体内部时，压力通过抗磨液压油传递给腔体内固定的压卡材料，冷端换热器出液口、冷端换热器进液口、热端换热器进液口、热端换热器出液口、输油口分别固定有密封过滤网，能够有效防止样品堵塞管路及样品随液体流出；配合制冷系统内的液压泵，便于腔体内流体流入、流出以实现整个系统内的循环过程从而起到制冷效果。
上述的压卡制冷元件可以应用于以压力驱动为核心部件的固态制冷系统中。本发明制冷元件也可应用于具有相反的压热效应的压卡材料，例如在加压过程在吸热，卸压过程中放热的材料，只需要将制冷元件的冷端换热器端的管路与热端换热器端管路在系统中颠倒安装，即可完成该反常压卡材料的制冷循环过程。
附图说明
图1是压卡制冷元件外部三视图。
图2是内部装有垂直型样品分隔架的制冷元件剖视图；(a)纵剖图；(b)横剖图。
图3是内部装有多层圆环型样品分隔架的制冷元件剖视图；(a)纵剖图；(b)横剖图。
图4是内部装有多层方型样品分隔架的制冷元件剖视图；(a)纵剖图；(b)横剖图。
图5包含制冷元件的压卡制冷系统图。
其中：1—腔体上盖、2—冷端换热器出液口、3—圆柱形腔体、4—冷端换热器进液口、5—底座、6—热端换热器进液口、7—输油口、8—热端换热器出液口、31—垂直型样品分隔架、32—压卡材料填充区域、33—分隔架底座、34—多层圆环型样品分隔架、35—样品分隔架纵向固定支架、36—样品分隔架横向固定支架、37—压卡材料填充区域、38—多层方型样品分隔架、39—分隔架底座、310—压卡材料填充区域、40—独立框型单元。
具体实施方式
如图1所示，该基于固态相变压卡效应的制冷元件，包括腔体上盖1、冷端换热器出液口2、圆柱形腔体3、冷端换热器进液口4、底座5、热端换热器进液口6、输油口7、热端换热器出液口8。其结构是：圆柱形腔体3右侧筒壁的上端开口与冷端换热器出液口2连通，圆柱形腔体3右侧筒壁的下端开口与冷端换热器进液口2连通；圆柱形腔体3的正面中部开口与输油口7相连通；圆柱形腔体3底部与底座5固定连接；圆柱形腔体3左侧筒壁的上端开口与热端换热器出液口8连通，圆柱形腔体3右侧筒壁的下端开口与冷端换热器进液口6连通；圆柱形腔体3上部与腔体上盖1连接，可自由拆卸安装密封，连接处装有密封胶圈。冷端换热器出液口2、冷端换热器进液口4、热端换热器进液口6、热端换热器出液口8等部件内分别固定有密封过滤网，用于防止样品堵塞管路及样品随液体流出。
该制冷元件主体为圆柱形腔体的筒状结构，筒体由抗压性能较好的材料制成，例如不锈钢材料，筒体底部密封并固定在底座5上，筒体上端具有可自由安装拆卸的腔体上盖1。
压卡材料在放置于圆柱形腔体3内之前，先进行预处理。优选为，将压卡材料先预压成型，例如球形结构，其形状、尺寸和数量根据使用条件决定，以实现压力和热量均匀排布和传热效率的提高，压卡材料也可以选择其他形状和结构，例如圆柱体、圆形薄片、立方体等。
在制冷进行中，可以将样品直接堆积放置于圆柱形腔体3底部。一种优选实施方式中，本发明的压卡制冷元件的腔体内部可以包含可更换的不同的样品分隔架，便于将填充至腔体内部的压卡材料分隔固定至腔体内。当使用样品分隔架时，样品分隔架如图2-4所示。其中图2为垂直型样品分隔架31，其包括压卡材料填充区域32和分隔架底座33，分隔架底座33上阵列式设置多根支架杆，支架杆之间的间隔构成压卡材料填充区域。
图3所示为多层圆环型样品分隔架34，每层圆环型分隔架包括多个同心圆环，多个同心圆环通过纵向固定支架35和横向固定支架36分别在垂直方向和每层的水平方向上进行连接支撑，同心圆环之间构成压卡材料填充区域37。优选地，同一环内可以根据需要适当调整每个样品材料之间的间隔空隙，便于换热流体在空隙中来回流动，进一步扩大换热面积，提高了换热效率。
图4所示为多层方型样品分隔架38，其包括分隔架底座39、位于底座39上的阵列式堆叠的多个独立框型单元40，每个独立框型单元40为条形中空长方体结构；每个框型单元内为压卡材料填充区域310，位于最底层的各个框体单元分别与底座39固定；在垂直底座的方向上，同一竖列中，位于上层的框体单元与相邻下层框体单元固定连接。优选地，在每个独立框型单元40内设置相应的多个卡槽，卡槽的位置和数量的设计是便于同一框体单元内可以根据需要适当调整每个样品材料之间的间隔空隙，进一步扩大换热面积；优选地，可按照需求调整每列框体单元之间的间隔，便于液体顺利流通，扩大换热面积，同时增大换热的效率。
本发明的压卡制冷元件可以承受最大为400MPa的压力。优选地，内部设计的样品分隔支架选用抗压强度较高的的材料构成，例如抗压强度大的金属材料，不锈钢等；优选地，材料表面涂覆绝热材料，以尽可能减少对样品换热过程中热量的耗散。
如图5所示，当本发明的制冷元件用于制冷系统时，加压设备由输油口7向圆柱形腔体3内部以及整个系统管路中注入抗磨液压油，保证所有样品均被浸没在液压油中，此时将腔体上盖1与圆柱形腔体3连接，中间用橡胶圈固定密封拧紧，配合加压设备对腔体内部流体进行加压。
加压过程中冷端换热器出液口2、冷端换热器进液口4、热端换热器进液口6、热端换热器出液口8在压力控制阀的作用下关闭，高压流体将压力传递给腔体内部的样品，保压一段时间，压卡材料在压力驱动下相变，样品升温，腔体内流体温度上升，然后将左侧热端换热器进液口6、热端换热器出液口8的压力控制阀开启，由液压泵将高温流体经由热端换热器出液口8传递至热端，高温流体流经热端换热器将从制冷元件中带出的热量与热端负载进行热交换后流经热端换热器进液口6流回圆柱形腔体3内部，此时热端换热器进液口6、热端换热器出液口8的压力控制阀关闭。加压设备由输油口7对圆柱形腔体3内压力进行卸压操作，压卡材料在卸压过程中达到相变压力从而发生相变，样品温度下降，腔体内流体温度下降，由液压泵将圆柱形腔体3内的低温流体经由冷端换热器出液口2传递至冷端，在冷端换热器中低温流体将从制冷元件中带出的冷量与冷端负载进行热交换后经由冷端换热器进液口4流回腔体，即完成一次的循环过程，实现了制冷的效果。
反复对制冷元件内的压卡材料进行加压、卸压操作，并由流体在系统内循环换热，从而实现连续的制冷过程。
其他优选项
本文明确地公开了上述实施方案中的每一种相容组合，如同每一种组合被单独且明确地叙述一样。
鉴于本发明公开文本，本发明的各种其他方面和实施方案将对于本领域技术人员而言是显而易见的。
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