一种基于形状记忆合金的相变储冷装置及储冷方法
阅读说明：本技术 一种基于形状记忆合金的相变储冷装置及储冷方法 (Phase change cold storage device and method based on shape memory alloy ) 是由 钱苏昕 陈炎亮 纪元超 钱宇 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：一种基于形状记忆合金的相变储冷装置及储冷方法,储冷装置包括用于储能和提供冷量的形状记忆合金,用于施加载荷的连杆压缩结构和保持应力加载状态的自锁结构；连杆压缩结构包括机壳,机壳的上表面与连杆的一端铰接,连杆的另一端和套筒的一端铰接,套筒的另一端和压杆的上端铰接,手柄插入安装在套筒上,压杆的下端连接压盘,压盘与形状记忆合金置于机壳的内部,压盘的下表面和形状记忆合金保持紧密接触,外界作用力通过压杆施加于压盘上,压杆向下位移带动压盘向下压缩形状记忆合金；自锁结构通过锁定压杆使外界作用力撤出后仍保持加载状态。本发明不仅实现了高效的冷量存储,同时利用形状记忆合金放能过程特性,实现了冷量的快速释放和传递。(A phase change cold storage device based on shape memory alloy and cold storage method, the cold storage device includes the shape memory alloy used for storing energy and providing cold, the connecting rod compression structure used for applying load and the self-locking structure used for keeping the stress loading state; the connecting rod compression structure comprises a shell, the upper surface of the shell is hinged with one end of a connecting rod, the other end of the connecting rod is hinged with one end of a sleeve, the other end of the sleeve is hinged with the upper end of a pressing rod, a handle is inserted and installed on the sleeve, the lower end of the pressing rod is connected with a pressure plate, the pressure plate and the shape memory alloy are arranged in the shell, the lower surface of the pressure plate is in close contact with the shape memory alloy, external acting force is applied to the pressure plate through the pressing rod, and the pressing rod moves downwards to drive the pressure plate to compress the shape memory alloy downwards; the self-locking structure enables the external acting force to be withdrawn through the locking pressure rod and then still keeps the loading state. The invention not only realizes the high-efficiency cold storage, but also realizes the quick release and transmission of the cold by utilizing the energy release process characteristic of the shape memory alloy.)
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种基于形状记忆合金的相变储冷装置及储冷方法。
背景技术
社会的发展伴随着人类需求的不断增加以及不可再生能源的短缺，作为一种有效实现电能源的“移峰填谷”措施，储能技术已经成为世界能源利用和材料研究的热点。这其中，储冷技术作为储能技术的分支，其主要方式包括了：显热储冷、冰蓄冷、无机化合物或者有机化合物储冷以及相变储冷。尽管储冷技术的方式多种多样，但其在应用中仍存在诸多问题，传统的水储冷保温效果差且能耗巨大，且因其装置体积巨大导致其具体应用面相对受限，而相变储冷技术具有储能密度高、温度变化范围稳定，易于操作的优点。其中，有机相变材料包括了石蜡、脂肪酸等，无机相变材料包括了盐水溶液，相变材料可以广泛应用于电子器件散热、航天航空、医疗等领域。但与此同时，传统相变储冷材料存在热导率低的特点，造成了传统相变材料储冷时间周期长、储冷效果差的问题，科研人员对此也做出了大量的改进工作，其中包括了通过增加如高导电性颗粒、石墨、金属纤维等热导复合材料，用于弥补导热率不足产生的传热问题，增加复合材料可以改善相变材料导热特性，但这将导致相变材料的储冷体积密度降低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有储冷技术中储冷材料导热率低、储冷密度低的问题，提供一种基于形状记忆合金的相变储冷装置及储冷方法，实现储存冷量的高效存储、释放和传递。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于形状记忆合金的相变储冷装置，包括用于储能和提供冷量的形状记忆合金，用于施加载荷的连杆压缩结构和保持应力加载状态的自锁结构；
所述的连杆压缩结构包括机壳，机壳的上表面与连杆的一端铰接，连杆的另一端和套筒的一端铰接，套筒的另一端和压杆的上端铰接，手柄插入安装在套筒上，压杆的下端连接压盘，压盘以及形状记忆合金置于机壳的内部，压盘的下表面和形状记忆合金保持紧密接触，外界作用力通过压杆施加于压盘上，所述的压杆向下位移带动压盘向下压缩形状记忆合金；
所述的自锁结构通过锁定压杆使外界作用力撤出后仍保持加载状态。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，所述的自锁结构包括环形自锁静盘和环形自锁动盘，环形自锁静盘固定在机壳上表面，环形自锁动盘通过滚动体和环形自锁静盘同轴心相连，环形自锁动盘位于环形自锁静盘内侧并可沿其旋转轴自由旋转；环形自锁动盘内部具有多个用于安装锁扣的横向孔；所述锁扣的一端具有横向槽体，槽体内部连接有弹簧，将锁扣带有槽体的一端置入环形自锁动盘的横向孔内部，锁扣的另一端具有弧形突出部，锁扣的弧形突出部处于环形自锁动盘中心通孔位置，通过和连接器接触配合完成自锁。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，所述连接器的结构为一个圆环外部设计有多个弧形突出部，连接器安装在压杆上；当压杆带动连接器自上而下移动时，连接器上的弧形突出部会和对应锁扣上的弧形突出部接触，并对锁扣施加外部横向推力，所述的锁扣在外部推力作用下压缩弹簧，当连接器完全移动到锁扣下方时，连接器和锁扣的弧形面脱离接触，推力消失，锁扣在弹簧的反作用力下复位，进而卡于连接器上方，此时撤出对压杆的外界作用力，则压杆向上的反作用力被锁扣的作用力抵消，压杆的应力保持加载状态。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，压杆的外表面设有外螺纹，压盘设有内螺纹，压盘和压杆通过螺纹配合连接；所述连接器的圆环内部设有内螺纹，通过螺纹配合将压杆旋入连接器完成组装，所述连接器的位置高度能够调节。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，所述锁扣的接触面上设置有用于安装锁扣摩擦副的横向槽孔；连接器接触面上也设置有横向槽孔，连接器的横向槽孔上安装有连接器摩擦副；所述连接器和锁扣发生自锁时，两者自锁状态下的接触通过接触面上的摩擦副。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，所述自锁结构的解锁方式为反方向旋转环形自锁动盘，解除锁扣和连接器上下表面接触，连接器和锁扣分别在形状记忆合金的反作用力以及弹簧的弹力作用下回到初始位置，所述旋转环形自锁动盘的方式包括利用推杆手动解锁，或者通过电机旋转带动环形自锁动盘上的啮合齿轮旋转，完成电动解锁的过程。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，所述压杆的尾部设置有用于手动加载的手柄或者将压杆与电动加载设备相连。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，所述形状记忆合金释放的冷量通过直接接触的方式传递给用冷对象；或者将形状记忆合金释放的冷量通过流体网络间接传递给用冷对象。
作为本发明相变储冷装置的一种优选方案，所述的形状记忆合金呈现高换热比表面积的细长薄壁圆管状，常温下处于奥氏体相的形状记忆合金能够被应力驱动产生相变，通过压盘施加的外力作用于形状记忆合金，形状记忆合金受到压缩应力，发生相变并释放潜热，形状记忆合金由奥氏体相向马氏体相转变；压盘的压缩应力卸载后，形状记忆合金发生逆向相变，温度不断降低的同时，形状记忆合金由马氏体相转变为母相奥氏体；形状记忆合金相变过程释放的热量排向环境热汇，逆向相变释放的冷量通过用冷对象存储，所述形状记忆合金的奥氏体转变终止温度低于用冷对象的温度。
本发明还提出一种基于形状记忆合金的相变储冷方法，包括以下步骤：
通过压杆以及压盘将压力施加于形状记忆合金的表面，使形状记忆合金被压缩并产生收缩相变，形状记忆合金由奥氏体变为马氏体，释放潜热，温度升高，此时，形状记忆合金处于储能阶段；当形状记忆合金被压缩至给定应变大小时，所述的自锁结构通过锁定压杆完成自锁过程，将应力保持在加载状态，保持为马氏体相，高温下的形状记忆合金通过和环境换热，自然冷却至室温；
当用冷对象需要冷量时，使环形自锁动盘逆时针转动，自锁结构解锁，形状记忆合金受到应力卸载，发生逆向相变，形状记忆合金由马氏体相向奥氏体相转变，温度不断降低，将冷量传递给用冷对象，该过程为储冷释放的过程；冷量释放过程结束后，环形自锁动盘顺时针转回起始位置，完成整个储能、用冷循环。
相较于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：利用形状记忆合金放能阶段的高功率密度，实现了冷量的快速释放，且由于不存在固液相变，因此设备不需要考虑密封问题；相较于传统相变导热材料导热率能够高出1到2个数量级，因此，不需要额外增加导热介质组成复合材料；综合上述两点，本发明更适用于瞬时高热流密度的场合。
附图说明
图1本发明相变储冷装置在初始卸载状态下的剖面示意图；
图2本发明相变储冷装置的三维立体示意图；
图3本发明相变储冷装置在加载自锁状态下的剖面示意图；
图4本发明连杆压缩结构在初始卸载状态下的剖面示意图；
图5本发明连杆压缩结构在加载自锁状态下的剖面示意图；
图6本发明自锁结构在初始卸载状态下的剖面示意图；
图7本发明自锁结构中的锁扣和连接体接触过程的剖面示意图；
图8本发明自锁结构在加载自锁状态下的剖面示意图；
图9本发明自锁结构在加载自锁状态下的俯视图；
图10本发明自锁结构的解锁过程俯视图；
图11本发明相变储冷装置的相变过程原理图；
图12本发明相变储冷装置结合流体网络示意图；
附图中：101-手柄；102-套筒；103-压杆；104-连杆；105-连接器；106-连接器摩擦副；107-锁扣；108-弹簧；109-锁扣摩擦副；110-环形自锁动盘；111-环形自锁静盘；112-推杆；113-压盘；114-形状记忆合金；115-用冷对象；116-机壳；117-流体网络；118-电磁阀；
105-1.第一连接器；105-2.第二连接器；105-3.第三连接器；105-4.第四连接器；
107-1.第一锁扣；107-2.第二锁扣；107-3.第三锁扣；107-4.第四锁扣。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明相变储冷装置在初始卸载状态下的剖面示意图，本发明装置由两个机构组成，分别是连杆压缩机构和自锁机构，本发明连杆压缩结构在初始卸载状态下的剖面示意图如图4所示，连杆压缩结构由机壳116、手柄101、套筒102、压杆103、连杆104、压盘113组成，连杆104的一端铰接在机壳116上表面的一侧，连杆104的另一端和套筒102的一端铰接，套筒102的另一端和压杆103的一端铰接，压杆103外表面为外螺纹结构，其另一端通过螺纹配合和压盘113连接，套筒102为内部空心结构，手柄101插入安装在套筒102上，压盘104下方紧密接触有形状记忆合金114，形状记忆合金114呈高换热比表面积的薄壁圆筒状。本发明自锁结构在初始卸载状态下的剖面示意图如图6所示，自锁结构由环形自锁动盘110、环形自锁静盘111、连接器105、锁扣107、弹簧108构成，如图2所示，本发明相变储冷装置的环形自锁静盘111表面具有多个螺栓通孔，通过螺栓将环形自锁静盘111固定在机壳116的上表面，环形自锁动盘110通过滚动体和环形自锁静盘111连接，环形自锁动盘110和环形自锁静盘111组成轴承系统，该轴承系统可以是转动轴承配合或球轴承配合，环形自锁动盘110通过滚动体可沿其旋转轴自由转动，环形自锁动盘110侧边具有突出的齿轮结构和一个自上而下的通孔，通孔用于插入推杆112，环形自锁动盘110的内部具有四个横向孔，用于安装四个锁扣107，四个锁扣107沿圆周呈90°角排列，锁扣107的一端具有横向槽体，槽体内部连接有弹簧108，弹簧108另一侧和环形自锁动盘110横向孔内部壁面接触，锁扣107的另一端具有弧形突出部，锁扣107的弧形突出部处于环形自锁动盘110中心通孔位置，通过和连接器105接触配合自锁，连接器105的结构为一个圆环外部设计有四个弧形突出部，连接器105的圆环结构内部设计有内螺纹结构，通过螺纹配合，将连接器105旋入压杆103，根据所需要的形状记忆合金114储冷量对应的形变量而设置连接器105位于压杆103的高度位置。
如图7所示，本发明自锁结构中的锁扣107和连接器105接触过程中，当压杆103受外力作用带动连接器105自上而下移动时，连接器105的弧形突出部会和锁扣107的弧形突出部接触，连接器105对锁扣施加外部横向推力，该推力沿圆心指向四周，在连接器105的推力作用下，锁扣107压缩弹簧108，锁扣107被不断压进自锁动盘110的横向孔内部。
当外界作用于形状记忆合金114表面的应力不断增加，形状记忆合金114不断被压缩，压杆103带动连接器105继续向下移动，当连接器105完全移动到锁扣107下方时，如图8所示，连接器105和锁扣107弧形面脱离接触，连接器105施加给锁扣107水平方向上的推力消失，锁扣107在弹簧108的弹力作用下复位，进而卡于连接器105上方，此时，撤去对压杆103的外力，压杆103向上的反作用力被锁扣107的作用力抵消，压杆103的应力保持加载状态。
参见图3，本发明相变储冷装置在加载自锁状态下时，通过连杆压缩机构保持压杆103的下压力始终保持数值向下，压缩可以通过手柄101、套筒102、连杆103手动加载，也可以将手柄101、套筒102、连杆103拆除，将电动压缩装置安装于压杆103上表面，通过电动装置压缩形状记忆合金114；当形状记忆合金114被完全加载且装置处于自锁状态时，连杆压缩机构状态如图5所示。
参见图9，本发明自锁结构在加载自锁状态下，此时四个锁扣107的弧形突出部分别和其对应的连接器105弧形突出部上下表面接触配合，连接器105弧形突出部上表面具有凹槽结构，用于安装连接器摩擦副106，锁扣107弧形突出部下表面也具有凹槽结构，用于安装锁扣摩擦副109，连接器105向上的反作用力通过连接器摩擦副106传递给锁扣摩擦副109并施加于锁扣107上，连接器105向上的反作用力均匀分配给四个锁扣107，尽可能减小四个锁扣107所受到的压力大小，尽可能延长自锁装置的使用寿命的同时，保证本发明装置受力均匀合理。
如图10所示，本发明相变储冷装置的解锁过程中，通过逆时针旋转环形自锁动盘110，解除连接器105和锁扣107的上、下表面接触，通过光滑的摩擦副材质减小连接器105和锁扣108解锁过程需要克服的摩擦力；上下表面完全脱离接触后，连接器105在形状记忆合金的反作用力作用下向上回到初始位置，锁扣107在弹簧的弹力作用下回到初始位置，完成解锁过程；旋转环形自锁动盘110的方式可以通过推杆112直接推动环形自锁动盘110逆势针旋转，也可以通过外加电机和齿轮的方式，通过电机旋转带动环形自锁动盘110上的啮合齿轮逆时针转动，完成电动解锁的过程。
本发明相变储冷装置的相变过程如图11所示，常温下处于奥氏体相的形状记忆合金114在受到外界应力的加载作用下，发生压缩形变，形变的过程伴随着马氏体相变，形状记忆合金114由奥氏体相向马氏体相相变，相变伴随着潜热量的释放，形状记忆合金114的温度升高，该过程为形状记忆合金114的储能阶段；当形状记忆合金114被压缩到指定应变大小时，撤去应力，通过自锁机构将应力保持在加载状态，通过自然冷却的方式，形状记忆合金114不断向环境散热，温度降低到室温并保持在马氏体状态；当用冷对象需要冷量时，控制型号传递给环形自锁动盘110逆时针旋转45°解锁，连接器105和锁扣107解锁，形状记忆合金114受到的应力卸载，发生逆向相变过程，该过程形状记忆合金114由马氏体相向奥氏体相转变，形状记忆合金114的温度不断降低，产生的冷量传递给用冷对象115，该过程对应本发明装置的储冷释放的过程；冷量释放过程结束后，环形自锁动盘110顺时针转动并回到起始位置，完成整个储冷和冷量释放的过程。
如图1所示，形状记忆合金114的冷量可以通过直接接触的方式传递给用冷对象115，也可以通过流体网络117间接传递给用冷对象115，如图12所示，为本发明相变储冷装置结合流体网络示意图，当用冷对象115需要冷量时，电磁阀118开启，形状记忆合金114的冷量通过流体网络117传递给用冷对象，当冷量释放完全后，关闭电磁阀118，完成形状记忆合金114的冷量释放过程。
本发明不仅实现了高效的冷量存储，同时利用了形状记忆合金放能过程高功率密度和高导热率的特性，实现了冷量的快速释放和传递，可以为瞬时高功率放能的设备提供冷量。
本发明所提出的基于形状记忆合金的相变储冷装置及储冷方法利用形状记忆合金放能阶段的高功率密度，实现了冷量的快速释放，且由于不存在固液相变，因此设备不需要考虑密封问题；相较于传统相变导热材料导热率能够高出1到2个数量级，因此不需要额外增加导热介质组成复合材料；综合以上特点，本发明更适用于瞬时高热流密度的场合。
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。