一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法技术方案

一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法，制冷系统包括两对相互啮合的传动齿轮，四个传动齿轮完全相同并且对称布置，同一侧的两个传动齿轮之间通过沿轴心连接的中心轴保持同步转动；传动齿轮的齿轮面上开孔并在同一侧的两个传动齿轮之间安装连接轴，两根连接轴之间通过夹具连接弹热材料；所述的传动齿轮通过驱动电机进行驱动，弹热材料在两侧传动齿轮的带动下能够同时对称伸张收缩以及上下活动，弹热材料的上下两侧分别设置有热汇换热器和热源换热器，弹热材料在伸张状态下与热汇换热器紧密接触散热，弹热材料在收缩状态下与热源换热器紧密接触吸热，热源换热器连接冷藏箱。本发明专利技术实现了弹热材料的对称加载、卸载过程，运行稳定。

A Pure Solid State Refrigeration System with Gear Symmetrical Loading Structure and Its Refrigeration Method

A pure solid state refrigeration system with gear symmetrical loading structure and its refrigeration method include two pairs of meshing transmission gears, four transmission gears are identical and symmetrically arranged, and two transmission gears on the same side keep synchronous rotation through the central axis connected along the axis; the gear face of the transmission gear is perforated and installed between the two transmission gears on the same side. A connecting shaft is installed, and the elastic-thermal material is connected between the two connecting shafts through a fixture; the transmission gear is driven by a driving motor, and the elastic-thermal material can simultaneously stretch and contract symmetrically and move up and down under the driving gear on both sides. The upper and lower sides of the elastic-thermal material are respectively provided with heat sink heat exchanger and heat source heat exchanger, and the elastic-thermal material is tightened with the heat sink heat exchanger under the stretching state. Close contact heat dissipation, elastic-thermal material in shrinkage state and heat source heat exchanger close contact heat absorption, heat source heat exchanger connected to the refrigeration box. The invention realizes the symmetrical loading and unloading process of the elastic-thermal material and has stable operation.

【技术实现步骤摘要】
一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法
本专利技术涉及制冷与空调领域，具体为一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法。
技术介绍
在全世界范围内，很大比例的能源被制冷或空气调节设备消耗，每年都会产生很大的碳排放量。此外，现今应用最广泛的蒸气压缩制冷技术通过百年的发展，已经达到接近40～45％的卡诺循环理论效率。但是蒸气压缩制冷使用的制冷剂大多为对环境不利的氟氯烃、氟代烃等，这些制冷剂对温室效应或者臭氧层有着不可忽略的负面影响，世界范围内的许多国家已经逐步立法限制并禁用这些制冷剂。美国能源部的研究报告指出，弹热制冷技术的卡诺循环效率可以达到42％，并且弹热制冷技术使用的是固体制冷剂，对环境不产生直接的负面影响，所以弹热制冷技术是目前最具有发展潜力的替代制冷技术。但是，弹热制冷技术的系统研究还存在很多挑战，现阶段主要集中在两方面，一是系统温差，二是弹热制冷材料需要的驱动应力较大。对于高温热汇与低温热源之间的系统温差，由于受限于热交换过程的损耗，需要通过合理化地设计系统和循环流程；而对于弹热制冷材料所需要的较大驱动应力的挑战，则需要通过循环系统的设计与加工、装配工艺的统一来克服，这就需要不断优化弹热制冷的传动结构或者加载方式。近年来相关的现有技术中，公开号为CN106052190A的中国专利使用了主动回热式循环来改进系统温差性能的设计，通过回热式循环来有效提升系统温差；公开号为CN107289668A的中国专利则是提供了一种利用低品位热能驱动的弹热制冷循环方法及其系统，来给弹热材料提供所需的相变应力。然而，这两类技术方案虽然有助于解决弹热制冷技术面临的挑战，却都需要多台驱动机构和额外的水循环系统作为传热介质，系统结构较为冗杂。并且在解决弹热制冷材料所需驱动应力较大的问题上，并没有深入地在机械传动、加载方式上进行研究。总而言之，弹热制冷技术的发展需要相应系统方面的研究得到较大的突破，系统研究不仅仅要考虑系统温差和驱动力大小的问题，也要综合设计匹配紧凑、高效的传动结构。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统及其制冷方法，在电机驱动弹热制冷系统的基础上，引入齿轮传动的机械结构，通过单台驱动机来实现弹热材料的对称加载、卸载过程，并使用固体导热与该机械结构配合，使得弹热材料周期性地在纯固态系统中，仅通过单机驱动就能够保证弹热材料受拉应力达到高温后与高温热汇接触并向热汇排热，在受压应力达到低温时能够与低温热源接触并从热源吸热。为了实现上述目的，本专利技术齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统采用如下技术方案：包括两对相互啮合的传动齿轮，四个传动齿轮完全相同并且对称布置，同一侧的两个传动齿轮之间通过沿轴心连接的中心轴保持同步转动；传动齿轮的齿轮面上开孔并在同一侧的两个传动齿轮之间安装连接轴，两根连接轴之间通过夹具连接弹热材料；所述的传动齿轮通过驱动电机进行驱动，弹热材料在两侧传动齿轮的带动下能够同时对称伸张收缩以及上下活动，弹热材料的上下两侧分别设置有热汇换热器和热源换热器，弹热材料在伸张状态下与热汇换热器紧密接触散热，弹热材料在收缩状态下与热源换热器紧密接触吸热，热源换热器连接冷藏箱。所述的中心轴与传动齿轮之间采用键连接，夹具通过内嵌的轴承安装在连接轴上。通过在连接轴上设置凸台或者开槽安装止推垫圈对设置在轴身上的夹具进行定位。所述的热汇换热器、热源换热器、冷藏箱、中心轴的轴承座以及驱动电机均通过机架固定。两侧的夹具上相对开设有弹热材料固定孔，弹热材料一体式套设在两个弹热材料固定孔之间，或者在弹热材料的两侧对称开设单通孔，单通孔连接夹具上对应开设的弹热材料固定孔。或者，弹热材料两侧可以不设置固定孔，通过两侧的夹具向弹热材料施加预紧力，利用预紧力产生的静摩擦力来固定弹热材料。本专利技术齿轮对称加载结构的纯固态制冷方法包括以下步骤：步骤一、启动时弹热材料处于预紧状态，通过驱动电机驱使传动齿轮转动，传动齿轮带动连接轴向上运动，并且两个连接轴相互远离，进而通过夹具对弹热材料施加拉应力，弹热材料受到拉应力产生形变，产生弹热效应，进而温度升高，弹热材料向上运动至与热汇换热器紧密接触。步骤二、弹热材料与热汇换热器接触后，不断向环境散热，完成散热过程后，驱动电机反向运行，驱动弹热材料离开热汇换热器；步骤三、弹热材料离开热汇换热器后，弹热材料逐步恢复到原长并向下运动，弹热效应温度降低，直到与热源换热器紧密接触；步骤四、弹热材料与热源换热器接触后，从冷藏箱吸热，完成吸热过程后，驱动电机反向运行，驱动弹热材料离开热源处换热器。所述的弹热材料沿其外表面方向受力。所述的驱动电机同时带动两套传动齿轮运转，两套传动齿轮存在半个周期的相位差，并分别连接一个弹热材料，弹热材料在自身弹力作用下恢复至原长时能够将弹性势能进行回收。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：现有弹热制冷系统多采用水循环系统作为传热媒介，本专利技术采用纯固态系统，通过固体导热的方式换热，简化了系统传热流程及结构复杂度，进而减小了换热过程中的不可逆损失。现有通过固态导热方式的弹热制冷系统多采用多台驱动机分别驱动弹热材料和配套换热设备，本专利技术采用只使用单台驱动机驱动的结构，结构十分简单并且很大程度上增加了产品的紧凑性。此外，减少驱动机的数量可以缩减成本。本专利技术使用齿轮传动在弹热材料的两侧同时施加对称载荷，相比现有单侧施加载荷，另一侧连接机架的方案，加卸载过程中受力更均匀，对弹热材料的疲劳寿命有利。由于传动方案是对称的，所以通过传动结构对弹热材料施加的外力是相同的，能够保证在整个运行过程中驱动力的加载都是对称的，从而保证设备能够长时间稳定运行。进一步的，弹热制冷效应所需要的驱动力较大，并且材料自身厚度较薄，很容易发生应力集中的现象导致材料断裂，本专利技术使用的弹热材料采用单孔或者无孔结构，能够有效地减小由于材料厚度较薄，驱动力方向不能完全平行于材料方向而导致的应力集中问题。此外，通过在机架上设置定位销、开定位孔等方式，能够有效地避免由于定位精度不足导致的驱动力方向偏离预设方向。进一步的，本专利技术的驱动电机同时带动两套传动齿轮运转，两套传动齿轮存在半个周期的相位差，并分别连接一个弹热材料，弹热材料在自身弹力作用下恢复至原长时能够将弹性势能进行回收，提高了系统温差性能，满足产品能够连续提供制冷能力的需求。附图说明图1弹热制冷循环示意图；图2本专利技术制冷系统的正视示意图；图3本专利技术制冷系统的俯视示意图；图4使用钢索和滑轨的系统结构示意图；附图中：101-驱动电机；102-弹热材料；103-传动齿轮；104-中心轴；105-连接轴；106-夹具；107-热源换热器；108-热汇换热器；109-冷藏箱；110-机架。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。参见图2和图3，本专利技术的纯固态制冷系统，包括：一台驱动电机101，驱动电机101周期性地驱动传动齿轮103正向或反向转动。一片对称结构的弹热材料102，弹热材料102为形状记忆合金材料，弹热材料102在外力驱动下具有弹热效应，施加外力时释放热量，去除外应力时吸收热量。弹热材料102在两侧设置连接单孔或者不设置通孔。两对共计四个传动齿轮103，两个中心轴104和两个连接轴105本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统，其特征在于：包括两对相互啮合的传动齿轮(103)，四个传动齿轮(103)完全相同并且对称布置，同一侧的两个传动齿轮(103)之间通过沿轴心连接的中心轴(104)保持同步转动；传动齿轮(103)的齿轮面上开孔并在同一侧的两个传动齿轮(103)之间安装连接轴(105)，两根连接轴(105)之间通过夹具(106)连接弹热材料(102)；所述的传动齿轮(103)通过驱动电机(101)进行驱动，弹热材料(102)在两侧传动齿轮(103)的带动下能够同时对称伸张收缩以及上下活动，弹热材料(102)的上下两侧分别设置有热汇换热器(108)和热源换热器(107)，弹热材料(102)在伸张状态下与热汇换热器(108)紧密接触散热，弹热材料(102)在收缩状态下与热源换热器(107)紧密接触吸热，热源换热器(107)连接冷藏箱(109)。

【技术特征摘要】
1.一种齿轮对称加载结构的纯固态制冷系统，其特征在于：包括两对相互啮合的传动齿轮(103)，四个传动齿轮(103)完全相同并且对称布置，同一侧的两个传动齿轮(103)之间通过沿轴心连接的中心轴(104)保持同步转动；传动齿轮(103)的齿轮面上开孔并在同一侧的两个传动齿轮(103)之间安装连接轴(105)，两根连接轴(105)之间通过夹具(106)连接弹热材料(102)；所述的传动齿轮(103)通过驱动电机(101)进行驱动，弹热材料(102)在两侧传动齿轮(103)的带动下能够同时对称伸张收缩以及上下活动，弹热材料(102)的上下两侧分别设置有热汇换热器(108)和热源换热器(107)，弹热材料(102)在伸张状态下与热汇换热器(108)紧密接触散热，弹热材料(102)在收缩状态下与热源换热器(107)紧密接触吸热，热源换热器(107)连接冷藏箱(109)。2.根据权利要求1所述的纯固态制冷系统，其特征在于：所述的中心轴(104)与传动齿轮(103)之间采用键连接，夹具(106)通过内嵌的轴承安装在连接轴(105)上。3.根据权利要求1或2所述的纯固态制冷系统，其特征在于：通过在连接轴(105)上设置凸台或者开槽安装止推垫圈对设置在轴身上的夹具(106)进行定位。4.根据权利要求1所述的纯固态制冷系统，其特征在于：所述的热汇换热器(108)、热源换热器(107)、冷藏箱(109)、中心轴(104)的轴承座以及驱动电机(101)均通过机架(110)固定。5.根据权利要求1所述的纯固态制冷系统，其特征在于：两侧的夹具(106)上相对开设有弹热材料固定孔，弹热材料(102)一体式套设在两个弹热材料固定孔之间，或者在弹热材料(102)的两侧对称开设单通孔，单通孔连接夹具...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱苏昕，王尧，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61