一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器及其制冷方法

1.本发明涉及弹卡制冷技术领域，特别涉及一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，本发明还涉及一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器的制冷方法。


背景技术：

2.随着全球气候变化加剧，减少温室气体排放愈加受到人们关注。新型弹卡制冷技术使用以镍钛基形状记忆合金为主的弹卡固态制冷剂，运行过程中无温室气体排放，在生活制冷和工业散热中都显示出巨大的应用前景。基于镍钛基形状记忆合金的弹卡固态制冷器具有温降大、循环压缩加载疲劳寿命高、固态制冷剂成本低等优势，国际上尤其是欧美发达国家已投入大量人力物力进行研发，并形成了多代产品，根据固态制冷剂加载方式，可主要分为平行平板或丝拉伸式、管及管束压缩式、管-壳结构压缩式等几类。弹卡固态制冷器先进加载原理的开发对于弹卡固态制冷技术的产业化具有十分重要的意义。
3.但现有的弹卡固态制冷器中忽略了驱动系统的设计，而是借助大型液压驱动装置或者机械的驱动装置来进行加载。其中，现有的驱动装置的整体设备体积过大、成本过高，无法充分满足市场需求，尤其机械驱动装置中的各部件之间的长期接触易产生疲劳损伤，对材料强度要求较高，且位移量较小、无法灵活调节。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，以提高整体的使用寿命，减少磨损。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，包括：
7.支撑底座；
8.曲轴连杆机构，包括驱动组件、旋转轴、偏心轮，以及通过轴承二设置在所述偏心轮上的连杆和通过所述轴承三设置在连杆上的压头，所述驱动组件设置在所述支撑底座上，所述旋转轴通过所述轴承一连接在所述支撑底座上，且所述旋转轴设置在所述驱动组件的动力端，所述偏心轮连接在所述旋转轴上，所述旋转轴被驱使转动而能够带动所述偏心轮转动，且随所述偏心轮的转动、所述连杆能够在其所在的平面进行往复运动，所述支撑底座上设有用于避让所述压头的过孔，所述压头被带动在所述过孔内往复滑动；
9.固态制冷组件，包括弹卡回热器和换热流道，所述弹卡回热器设置在所述支撑底座上，所述弹卡回热器内设有弹卡固态制冷剂，所述压头被带动加载所述弹卡固态制冷剂或者卸载所述弹卡固态制冷剂，以使得所述弹卡固态制冷剂产生形变释放或者吸收能量，所述换热流道连通所述弹卡回热器，所述换热流道内填充有与所述弹卡固态制冷剂进行热交换的换热流体。
10.进一步的，所述换热流体通过流体泵驱动而进行第一流动过程和第二流动过程；
11.所述第一流动过程中，所述弹卡固态制冷剂被所述压头加载产生形变并释放热
量，所述换热流体将所述热量传递出去，所述第二流动过程中，所述压头对所述弹卡固态制冷剂卸载，所述弹卡固态制冷剂反向形变并吸收所述换热流体内的能量。
12.进一步的，所述偏心轮的内侧设置有第一键槽，所述旋转轴外侧设置有与所述偏心轮的第一键槽相同的第二键槽，通过放置键连接所述旋转轴与所述偏心轮。
13.进一步的，所述支撑底座包括底板和侧板，所述侧板设置在所述底板上，所述驱动组件和所述旋转轴连接在所述侧板上，所述底板上设有用于避让所述压头的过孔。
14.进一步的，还包括夹紧机构，所述夹紧机构连接在所述底板上，并与所述底板共同夹紧所述弹卡回热器。
15.进一步的，所述夹紧机构包括支撑板，多个连接柱以及锁紧螺母，多个所述连接柱围绕所述弹卡回热器设置，且所述连接柱的两端分别连接所述底板和所述支撑板，所述连接柱的与所述底板连接的一端穿过所述底板，并与所述锁紧螺母相连。
16.进一步的，所述弹卡固态制冷剂外设有隔热层，所述隔热层用于支撑所述弹卡固态制冷剂。
17.进一步的，所述弹卡固态制冷剂内设有导流器，所述导流器用于所述换热流体和所述弹卡固态制冷剂之间的传热。
18.进一步的，所述压头和所述弹卡回热器之间设有压力传感器。
19.相对于现有技术，本发明具有以下优势：
20.本发明的曲轴连杆压缩弹卡固态制冷器，通过在偏心轮和连杆之间设置轴承二连接，并在旋转轴和支撑底座之间通过轴承一连接，以及在连杆和压头之间通过轴承三连接，可利于在使用过程中减少各部件之间的磨损，提高整体的使用寿命。
21.本发明的另一目的在于提出一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器的制冷方法，所述制冷方法应用于如上所述的一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器上；
22.其中，所述制冷方法包括：所述驱动组件驱使所述旋转轴转动，所述旋转轴带动所述偏心轮运动，所述连杆一端随所述偏心轮往复摆动，进而所述连杆的另一端反复加载所述弹卡固态制冷剂；
23.所述压头加载所述弹卡固态制冷剂，并在预设时间阈值内保持加载状态，所述换热流体进行第一流动过程，所述弹卡固态制冷剂产生热量，由所述换热流体带出；
24.所述压头对所述弹卡固态制冷剂卸载，并在预设时间阈值内保持卸载状态，所述换热流体进行第二流动过程，所述弹卡固态制冷剂吸收换热流体内的热量。
25.相对于现有技术，本发明具有以下优势：
26.本发明通过偏心轮来驱动可产生形变的弹卡固态制冷剂，同时利用其在加压和泄压时能够发生形变，并具有吸热和放热的特性，通过流体系统将热量和冷量带出实现制冷，可便于实现高效率的制冷，同时利于环保。
附图说明
27.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例一所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器的整体结构示意图；
29.图2为本发明实施例一所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器的局部结构示意图；
30.图3为本发明实施例一所述的偏心轮结构的示意图；
31.图4为本发明实施例一所述的偏心轮结构的局部结构示意图；
32.图5为本发明实施例一所述的旋转轴和轴承一以及轴承二的装配图；
33.图6为本发明实施例一所述的弹卡回热器的结构示意图；
34.图7为本发明实施例一所述的弹卡回热器的局部结构示意图；
35.图8为本发明实施例一所述的弹卡固态制冷器和导流器的装配图；
36.图9为本发明实施例二所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器运行原理示意图；
37.图10为本发明实施例二所述的曲轴连杆运动的加载位移-角度关系曲线图；
38.图11为本发明实施例二所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器制冷过程中的力、位移、换热流体各测点温度数据图；
39.图12为本发明实施例二所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器制冷过程的红外热成像图；
40.图13为本发明实施例一所述的偏心轮连杆机构和固态制冷组件的一种实施例下的装配图。
41.附图标记说明：
42.1、电机；2、齿轮箱；3、旋转轴；301、偏心轮；4、轴承座；5、连杆；6、压头；7、底板；701、侧板；8、轴承一；9、轴承二；10、连接轴；11、轴承三；12、弹卡回热器；13、力传感器；14、锁紧螺母；15、线性轴承一；16、线性轴承二；17、连接柱；18、支撑板；19、固定底座；20、弹卡固态制冷剂；21、隔热层；22、导流器；23、热流体流道；24、冷流体流道；25、流体泵一；26、流体泵二；27、阀门一；28、阀门二；29、阀门三；30、阀门四；h1、换热器一；h2、换热器二；a1、热量排放区域；a2、待制冷区域；s1、加载过程；s2、第一流动过程；s3、卸载过程；s4、第二流动过程；t1、温度计一；t2、温度计二；t3、温度计三；t4、温度计四。
具体实施方式
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“背”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
45.此外，在本发明的描述中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连接件”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
46.下面将参考附图1至图10并结合实施例来详细说明本发明。
47.实施例一
48.本发明涉及一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，在整体构成上，结合图1至图6中示出的，其包括支撑底座，曲轴连杆机构和固态制冷组件。
49.其中，曲轴连杆机构包括驱动组件，旋转轴3，偏心轮301，以及通过轴承二9设置在偏心轮301上的连杆5和通过轴承三11设置在连杆5上的压头6，驱动组件设置在支撑底座上，旋转轴3通过轴承一8连接在支撑底座上，且旋转轴3设置在驱动组件的动力端，偏心轮301连接在旋转轴3上，旋转轴3被驱使转动而能够带动偏心轮301转动，且随偏心轮301的转动，连杆5能够在其所在的平面进行往复运动，支撑底座上设有用于避让连杆5的过孔，压头6被带动在过孔内往复滑动。
50.而固态制冷组件包括弹卡回热器12和换热流道，弹卡回热器12设置在支撑底座上，弹卡回热器12内设有弹卡固态制冷剂20，压头6被带动加载弹卡固态制冷剂20或者卸载弹卡固态制冷剂20，以使得弹卡固态制冷剂20产生形变释放或者吸收能量，换热流道连通弹卡回热器12，换热流道内填充有与弹卡固态制冷剂20进行热交换的换热流体。
51.本实施例的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，通过在偏心轮301和连杆5之间设置轴承二9连接，并在旋转轴3和支撑底座之间通过轴承一8连接，以及在连杆5和压头6之间通过轴承三11连接，可利于在使用过程中减少各部件之间的磨损，提高整体的使用寿命。
52.基于以上结构的整体介绍，本实施例的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器的一种示例性结构如图1和图2所示，支撑底座包括底板7和侧板701，侧板701设置在底板7上，驱动组件和旋转轴3连接在侧板701上，底板7上设有用于避让连杆5的过孔。为便于旋转轴3的设置，侧板701设置为两个，以更好的支撑旋转轴3。
53.结合图2和图3中示出的，驱动组件包括电机1和设于电机1动力输出端的齿轮箱2，齿轮箱2内包含多个齿轮组件以及传动轴，并在齿轮箱2的两侧分别延伸出与电机1相连的传动轴，以及与旋转轴3相连的传动轴，便于将电机1的动力传递到旋转轴3上。旋转轴3的两端分别与两个侧板701通过轴承一8相连，如此设置可便于减少旋转轴3与侧板701之间的摩擦，提高两者的使用寿命，同时提高动力的传递。
54.优选的，齿轮箱2为长方体形状，外壳内部包含一系列传动轴和齿轮，两端为输入轴和输出轴。其作用是为旋转轴3提供精确的转动控制。电机1为圆柱体形状，外壳内部包含线圈，磁体和输出轴。其作用是为齿轮箱2和旋转轴3的联合体提供动力。
55.结合图4所示，旋转轴3为圆柱体，偏心轮301装配在旋转轴3上且具有一定偏心。材料可选用不锈钢。其作用是作为主要运动部件，将齿轮箱2传递的动力通过轴承一8传递到连杆5上。其中，连杆5通过轴承一8套设在偏心轮301外周。
56.上述的偏心轮301设置在两个侧板701之间，且偏心轮301能够随旋转轴3进行转动。作为一种优选的实施方式，结合图4中示出的，偏心轮301的内侧设置有第一键槽，旋转轴3的外侧设置有与偏心轮301的第一键槽相同的第二键槽，通过放置键连接旋转轴3与偏心轮301。其结构简单，便于布置，且便于拆装和更换。
57.连杆5的顶端与偏心轮301之间通过轴承二9相连，如此在偏心轮301转动的同时，方便连杆5能够随着偏心轮301进行往复的运动，且两者之间通过设置轴承二9相连，可利于减少运动过程中，连杆5和偏心轮301之间的磨损。
58.连杆5的底端通过轴承三11连接有压头6，其目的在于，当连杆5做往复摆动时，压
头6和连杆5之间能够产生相对的转动，使得压头6能够作上下往复滑动的动作，从而可便于顺利加载或者卸载弹卡回热器12的顺利进行。
59.为便于精准控制压头6对弹卡回热器12的压力，作为优选的，压头6和弹卡回热器12之间设有压力传感器13，该力传感器13为圆柱体状，其作用是测量弹卡回热器12所受的压力数据，以便于进行换热过程。
60.如图3至图5所示，侧板701上对应旋转轴3设置有轴承座4，轴承座4为长方体与长方体的特殊组合形状，上面具有圆柱体盲孔用于安装轴承一8，材料可选用不锈钢、铝合金等，其作用是固定齿轮箱2、电机1和旋转轴3的组合体。
61.连杆5为两端粗中间细的哑铃状特殊形状，上面具有圆柱形通孔和盲孔用于安装轴承二9和压头6，材料可选用不锈钢，其作用是作为主要运动部件，将旋转轴3传递的动力通过轴承二9传递到压头6上。
62.其中，轴承一8为圆柱体状，材料可选用不锈钢，其作用是连接旋转轴3和轴承座4，减小两者间的摩擦力。轴承二9为圆柱体状，材料可选用不锈钢，其作用是连接旋转轴3和连杆5，减小两者间的摩擦力。
63.压头6为圆盘和圆柱体的特殊组合形状，上面具有圆柱体通孔用于安装轴承二9，材料可选用不锈钢、硬质合金、陶瓷等，其作用是作为主要驱动部件，将连杆5传递的动力施加到弹卡固态制冷剂20上。
64.并在连杆5和压头6之间设置有一个连接轴10，该转连接轴10为圆柱体状，材料可选用不锈钢、铝合金等，其作用是连接连杆5和压头6。同时在连杆5和压头6之间设有轴承三11，该轴承三11为圆柱体状，材料可选用不锈钢，其作用是减小两者间的摩擦力。
65.为便于固定弹卡回热器12，作为一种优选的实施方式，还包括夹紧机构，该夹紧机构连接在底板7上，并于底板7共同夹紧弹卡回热器12。结合图2中示出的，夹紧机构包括支撑板18，四个连接柱17，以及锁紧螺母14，四个连接柱17分别设置在支撑板18的四角位置，且四个连接柱17围绕弹卡回热器12设置，如此可便于从多个角度支撑固定弹卡回热器12，保持弹卡回热器12的稳定。
66.其中，连接柱17的两端分别连接底板7和支撑板18，连接柱17的两端设置有螺纹，且连接柱17的底端通过锁紧螺母14设置在支撑板18内，连接柱17的顶端穿过底板7并向上延伸，最终通过锁紧螺母14相连。也可根据弹卡回热器12的长度尺寸及时调整弹卡锁紧螺母14和连接柱17之间的相对位置，以保证底板7和支撑板18能够始终保持对弹卡回热器12的夹紧。
67.结合图3中示出的，底板7为长方体形状，上面具有一组圆柱体通孔，材料可选用不锈钢、铝合金等，其作用是固定轴承座4和弹卡回热器12。
68.此外，锁紧螺母14为切角的圆柱体特殊形状，材料可选用不锈钢，其作用是将连接柱17锁紧在底板7和支撑板18之间，固定弹卡回热器12。其中，连接柱17为圆柱体形状，两端带有螺纹，螺纹处直径略小于圆柱体直径，材料可选用不锈钢、铝合金等。
69.而支撑板18为长方体形状，上面具有一组圆柱体通孔，材料可选用不锈钢、铝合金等，其作用是固定弹卡回热器12。并在支撑板18底部设置固定底座19，该固定底座19为长方体形状，上面具有一个长方体盲孔，材料可选用不锈钢、铝合金等，其作用是安放支撑板18，保护其上的锁紧螺母14，并维持曲轴连杆压缩式固态制冷器整体放置在地面或桌面上的平
衡。
70.为保证弹卡回热器12线性运动的精确性。作为一种优选的实施方式，底板7和支撑板18上分别设置有两个线性轴承，其中，将底板7上的线性轴承称为线性轴承一15，线性轴承一15设于底板7上的过孔内，将支撑板18上的线性轴承称为线性轴承二16。
71.线性轴承一15为圆柱体与圆柱体的组合形状，具有圆柱体形通孔，材料可选用不锈钢，其作用是容纳压头6和确保压头6的线性运动。线性轴承二16为圆柱体与圆柱体的组合形状，具有圆柱体形通孔，材料可选用不锈钢，其作用是容纳弹卡回热器12，确保弹卡回热器12与压头6轴向对中。
72.为便于弹卡回热器12完成热量的传递。弹卡回热器12设置为圆柱形，并在弹卡回热器12的上下靠近端部的位置，分别设置有通孔，两个通孔分别用于连通两条换热流道进行换热。其中，作为一种优选的实施方式，以工业生产的外径5mm、壁厚1mm、长度100-300mm的ni
0.508
ti
0.492
(原子比)管材组装在防屈曲结构中作为弹卡回热器12，管材一端连接在压头6处，另一端固定在防屈曲结构底部上，使用螺栓将防屈曲结构顶部固定在支撑底座上，其中防屈曲结构可参照现有技术，在此不再详述。
73.此外，弹卡固态制冷剂20为圆柱体形状，横截面为圆环形或其他有利于传热的形状，材料可选用镍钛(镍原子比在48％-52％)、其他组分的镍基、铜基、铁基等形状记忆合金或天然橡胶等聚合物，其作用是在受压和释放过程中分别发生从奥氏体到马氏体和从马氏体到奥氏体的正向和反向相变，释放和吸收热量，与换热流体接触传热，实现制冷。
74.同时，参照图6和图7中示出的，在弹卡回热器12内设置隔热层21，隔热层21为圆柱体形状，该隔热层21设置在弹卡固态制冷剂20外，且其上有与弹卡固态制冷剂20形状吻合的通孔，整个隔热层21的作用是减少弹卡固态制冷剂20向环境的热损失，并提供支撑和保护作用，防止弹卡固态制冷剂20出现裂纹扩展和失效。其中，作为优选的，其材料可选用亚克力、尼龙等材质，可依据实际情况进行选择。
75.另外，换热流道包括热流体流道23和冷流体流道24，换热流体分别在两个换热内流通，完成换热过程。其中，热流体流道23为圆管形状，其材料可选用硅胶、聚四氟乙烯等，其作用为连接弹卡回热器12，导入处于热沉温度的换热流体和导出高温换热流体。冷流体流道24为圆管形状，其材料可选用硅胶、聚四氟乙烯等，其作用为连接弹卡回热器12，导入处于热源温度的换热流体和导出低温换热流体。
76.需要说明的是，如图9所示，换热流体通过流体泵驱动而进行第一流动过程s2和第二流动过程s4。在热流体流道23内完成第一流动过程s2，在冷流体流道24内完成第二流动过程s4。其中，第一流动过程s2中，弹卡固态制冷剂20被压头6加载产生形变并释放热量，换热流体将热量传递出去，第二流动过程s4中，压头6对弹卡固态制冷剂20卸载，弹卡固态制冷剂20反向形变并吸收换热流体内的能量。
77.此外，为便于传热过程的顺利进行，作为优选的，在弹卡固态制冷剂20内设有导流器22，结合图8中示出的，该导流器22用于换热流体和弹卡固态制冷剂20之间的传热。其中，导流器22为圆柱体形状，其外壁具有与弹卡固态制冷剂20内壁吻合的形状，其材料可选用塑料等，其作用为减少流经弹卡固态制冷剂20的换热流体的体积流量，进而增强换热流体与弹卡固态制冷剂20之间的传热。
78.结合图1中示出的，热流体流道23、流体泵一25、以及阀门一27和阀门二28形成热
流体回路，热换热流体在热流体回路内流动，带动弹卡固态制冷剂20产生的热量。冷流体流道24、流体泵二26、以及阀门三29和阀门四30形成冷流体回路，冷换热流体在热流体回路内流动，便于弹卡固态制冷剂20吸收流体内的热量。
79.其中，热流体回路为多个圆管与长方体的组合形状，其作用为容纳从流体泵一25输送到热流体流道23的换热流体，以及从热流体流道23输送回流体泵一25的换热流体。
80.而流体泵一25为长方体组合圆柱体的特殊形状，其作用为向/从热流体回路输入/排出换热流体。阀门一27和阀门二28为长方体组合圆柱体的特殊形状，其作用为控制热流体回路中换热流体的流向。
81.并且，冷流体回路为多个圆管与长方体的组合形状，其作用为容纳从流体泵二26输送到热流体流道23的换热流体，以及从冷流体流道24输送回流体泵二26的换热流体。
82.而流体泵二26为长方体组合圆柱体的特殊形状，其作用为向/从冷流体回路输入/排出换热流体。阀门三29和阀门四30为长方体组合圆柱体的特殊形状，其作用为控制冷流体回路中换热流体的流向。
83.本实施例的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，通过轴承与连杆5相配合，进一步通过轴承连接压头6，压头6安装在具有线性轴承的底板7上，在电机1等速或间歇运动时实现压头6精确的线性位移-力-时间关系，在线性位移逐渐增大达到弹卡固态制冷剂20相变区时，弹卡固态制冷剂20发生从奥氏体到马氏体的正向相变，通过流体泵一25驱动换热流体与弹卡固态制冷剂20接触传热，释放热量到环境中；在压头6线性位移逐渐减小达到弹卡固态制冷剂20反向相变区时，弹卡固态制冷剂20发生从马氏体到奥氏体的反向相变，通过流体泵二26驱动换热流体与弹卡固态制冷剂20接触传热，从环境中吸收热量，以此实现弹卡固态制冷剂20的周期加载和运行。
84.另外，本实施例中的偏心轮301、连杆5、压头6以及弹卡回热器12分别设置为多个，且每个偏心轮301、每个连杆5、每个压头6以及每个弹卡回热器12一一对应设置，相邻的两个偏心轮301之间具有相位差，并作为优选的相邻两个偏心轮301之间的相位差为90度-180度。
85.结合图13中示出的，本实施例的偏心轮301、连杆5、压头6以及弹卡回热器12分别设置为6个。其中，6个偏心轮301并排设置在旋转轴3上，相邻的两个偏心轮301带动对应的连杆5和压头6对弹卡回热器12存在加载或者卸载两种不同的状态。
86.如此设置可便于在其中一个弹卡回热器12处于加载状态时，压头6对弹卡回热器12的机械功转换为弹卡回热器12内弹卡固态制冷剂20相变放出热量；另一个弹卡回热器12内的弹卡固态制冷剂20处于卸载状态时，回收被前述的被放出的热量，并再次转化为第二个压头6运动的机械能，以最大程度回收弹卡固态制冷剂20卸载时释放的机械功。当然，本实施例中的偏心轮301、连杆5、压头6以及弹卡回热器12的数量不限于设置为6个，还可设置为其它的数量，可依据实际情况进行设置。
87.本实施例的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，具有体积小、重量轻的特点，并可在精确实现弹卡固态制冷器中需要的位移-时间关系的同时，显著降低弹卡固态制冷驱动器的体积和制造成本，以及显著提高弹卡固态制冷器的疲劳寿命，具有较高的实用性。
88.实施例二
89.本实施例涉及一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器的制冷方法，该制冷方法应用
于实施例一中的一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器上。
90.其中，制冷方法包括：电机1驱使旋转轴3转动，旋转轴3带动偏心轮301运动，连杆5一端随偏心轮301往复摆动，进而连杆5的另一端通过压头6反复加载弹卡固态制冷剂20。
91.压头6加载弹卡固态制冷剂20，并在预设时间阈值内保持加载状态，换热流体进行第一流动过程s2，弹卡固态制冷剂20产生热量，由换热流体带出；压头6对弹卡固态制冷剂20卸载，并在预设时间阈值内保持卸载状态，换热流体进行第二流动过程s4，弹卡固态制冷剂20吸收换热流体内的热量。
92.具体的，参照图9至图12中示出的，开启电机1，进行加载过程s1，连杆5转动0.5周，转动速度在0.1-10s/周，连杆5驱动压头6加载弹卡回热器12，弹卡回热器12安装时具有预应力，预应力的范围在0-300mpa。弹卡回热器12中的弹卡固态制冷剂20在压力升高进入正向相变区域时发生从奥氏体转变为马氏体的正向相变，释放热量，在近似满足绝热条件时温度升高。
93.弹卡回热器12与压头6连接处安装有力传感器13，力传感器13测得压力超过加载设定值时控制系统向电机1发送信号，电机1停转，维持高应力状态，高应力在700-1200mpa范围，维持时间在0.1-10s，第一流动过程s2启动，阀门一27和阀门四30关闭，阀门二28和阀门三29打开，流体泵二26驱动温度为tc,i(使用温度计三t3测量)的换热流体(可选用水、乙醇等)从冷流体回路通过冷流体流道24，流经弹卡回热器12中弹卡固态制冷剂20和导流器22之间的空间，与弹卡固态制冷剂20接触，换热流体温度升高为th,o(使用温度计二t2测量)，从热流体流道23流出，流入热流体回路，在换热器一h1处向热量排放区域a1进行排热，换热流体温度降低到th,i(使用温度计一t1测量)，由于弹卡固态制冷剂20向换热流体传热，其温度也逐渐下降。
94.第一流动过程s2完成后，控制系统向电机1发送信号，进行卸载过程s3，电机1运转，连杆5转动0.5周，转动速度在0.1-10s/周，连杆5驱动压头6卸载弹卡回热器12。弹卡回热器12中的弹卡固态制冷剂20在压力降低进入反向相变区域时发生从马氏体转变为奥氏体的反向相变，吸收热量，在近似满足绝热条件时温度降低。力传感器13测得压力小于卸载设定值时控制系统向电机1发送信号，电机1停转，维持低应力状态，低应力在0-300mpa范围，维持时间在0.1-10s，第二流动过程s4启动，阀门一27和阀门四30打开，阀门二28和阀门三29关闭，流体泵一25驱动温度为th,i的换热流体从热流体回路通过热流体流道23，流经弹卡回热器12中弹卡固态制冷剂20和导流器22之间的空间，与弹卡固态制冷剂20接触，换热流体温度降低为tc,o(使用温度计四t4测量)，从冷流体流道24流出，流入冷流体回路，在换热器二h2处从待制冷区域a2进行吸热，换热流体温度回升到tc,i，由于弹卡固态制冷剂20从换热流体吸热，其温度也逐渐回升。
95.第二流动过程s4完成后，控制系统再向电机1发送信号，电机1运转，连杆5转动0.5周，连杆5驱动压头6加载弹卡回热器12，这样不断周期重复，就实现了曲轴连杆5压缩式弹卡固态制冷器的运行(运行步骤示意如图所示)。
96.其中，力-位移-温度-阀门状态-换热流体流率数据示例如图11所示，该示例中th,i、th,o、tc,i和tc,o在稳定循环状态下分别维持在297.1k、298.4k、294.2k和292.7k，制冷温跨(th,o和tc,o之间的差值)为5.7k，比驱动力(驱动单位有效质量的弹卡固态制冷剂20所需要的驱动力)为443.7n
·
g-1，为引证文件中目前国际已有的技术方案中的最低值；运
行过程红外热成像图片如图9和图12所示，该示例中th,i、th,o、tc,i和tc,o在稳定循环状态下分别维持在298.4k、302.4k、294.8k和293.3k，制冷温跨为9.1k，比驱动力为472.6n
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g-1)，持续地向热量排放区域a1放热，从待制冷区域a2吸热。
97.本实施例中曲轴连杆5压缩式弹卡固态制冷器运行有几种模式：制冷模式，热泵模式和混合模式。在制冷模式中，通过控温器将th,i人工设定为室温或附近温度，此时tc,o显著低于室温，可从低于室温一定温度范围的待制冷区域a2持续吸热。在热泵模式中，通过控温器将tc,i人工设定为室温或附近温度，此时th,o显著高于室温，可向高于室温一定温度范围的热量排放区域a1持续放热。在混合模式中，th,i和tc,i无人工设定，可同时从低于室温一定温度范围的待制冷区域a2持续吸热和向高于室温一定温度范围的热量排放区域a1持续放热。
98.本实施例中曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器性能主要有几个指标：比制冷功率，定义为单位有效弹卡固态制冷剂2020质量所产生的制冷功率，在本实施例中范围为0-7000w
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kg-1；制冷温跨，定义为th,o和tc,o之间的差值，在本实施例中范围为0-100k；制冷温升，定义为th,i和tc,i之间的差值，在本实施例中范围为0-100k；效能系数，定义为曲轴连杆5压缩式弹卡固态制冷器比制冷功率与比输入机械功的比值，在本实施例中范围为0-10。
99.零温升比制冷功率，为th,i和tc,i设定为相同值时的比制冷功率，也是曲轴连杆5压缩式弹卡固态制冷器所能达到的最大比制冷功率，在本实施例中范围为150-7000w
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kg-1；零制冷功率工作制冷温跨，为比制冷功率趋近0时曲轴连杆5压缩式弹卡固态制冷器的制冷温跨，也是曲轴连杆5压缩式弹卡固态制冷器所能达到的最大制冷温跨，在本实施例中范围为10-100k。
100.比驱动力，定义为驱动单位有效质量的弹卡固态制冷剂2020所需要的驱动力，在本实施例中范围为10-20000n
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g-1；驱动器体积在弹卡固态制冷器总体积中的占比，定义为驱动器体积和弹卡固态制冷器总体积的比值，本实施例中范围为1％-50％；疲劳寿命，定义为工作状态下从开始启动到曲轴连杆5压缩式弹卡固态制冷器内部的弹卡固态制冷剂2020失效的工作周数，本实施例中范围为106-109次。
101.实施例三
102.本实施例中的弹卡回热器12可由以工业生产的外径45mm、长1m的ni0.506ti0.494(原子比)棒材为原料，线切割出外径21.4-22.5mm，长50.1mm的柱子。使用电火花和慢走丝线切割机对柱子进行截面加工，对柱子两端抛光，并和防屈曲件进行适配组成。此时弹卡固态制冷剂20截面比较大，旋转轴3采用连续旋转的方式运动，以减小电机1的频繁启停导致的摩擦耗散，提高曲轴连杆5驱动器的能效。
103.其具体使用过程中，使用螺栓将弹卡回热器12固定在曲轴连杆5驱动器基座一上。在弹卡固态制冷剂20截面比较大时，曲轴采用连续旋转的方式运动，以减小电机1的频繁启停导致的摩擦耗散，提高曲轴连杆5驱动器的能效。在曲轴旋转到曲轴和连杆5带动的加载压头6线性位移逐渐增加达到可使得弹卡回热器12中的弹卡固态制冷剂20发生从奥氏体到马氏体的正向相变的区间时，弹卡固态制冷剂20释放热量，使用流体泵二26输送的换热流体与弹卡固态制冷剂20相接触，将弹卡固态制冷剂20释放的热量传递到热量排放区域a1中。
104.在曲轴旋转到曲轴和连杆5带动的加载压头6线性位移逐渐减小到可使得弹卡回热器12中的弹卡固态制冷剂20发生从马氏体到奥氏体的反向相变的区间时，弹卡固态制冷剂20吸收热量，使用流体泵一25输送的另一股换热流体与弹卡固态制冷剂20相接触，从待制冷区域a2中吸收热量到弹卡固态制冷剂20中，实现弹卡固态制冷器的运行。本实施例中未提及的其他结构运行细节、运行模式、性能指标等参照实施例二。
105.实施例四
106.本实施例中的弹卡回热器12可由以熔炼制造的外径20mm、长20mm的niticuco棒材为原料，线切割出外径13mm，长20mm的柱子。使用电火花和慢走丝线切割对柱子进行截面加工，对柱子两端抛光之后和防屈曲件进行适配，组成弹卡回热器12，使用螺栓或焊接将弹卡回热器12固定在曲轴连杆5驱动器基座一上。其余运行方法同实施例三。
107.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于，包括：支撑底座；曲轴连杆机构，包括驱动组件、旋转轴、偏心轮，以及通过轴承二设置在所述偏心轮上的连杆和通过三轴承设置在连杆上的压头，所述驱动组件设置在所述支撑底座上，所述旋转轴通过轴承一连接在所述支撑底座上，且所述旋转轴设置在所述驱动组件的动力端，所述偏心轮连接在所述旋转轴上，所述旋转轴被驱使转动而能够带动所述偏心轮转动，且随所述偏心轮的转动、所述连杆能够在其所在的平面进行往复运动，所述支撑底座上设有用于避让所述压头的过孔，所述压头被带动在所述过孔内往复滑动；固态制冷组件，包括弹卡回热器和换热流道，所述弹卡回热器设置在所述支撑底座上，所述弹卡回热器内设有弹卡固态制冷剂，所述压头被带动加载所述弹卡固态制冷剂或者卸载所述弹卡固态制冷剂，以使得所述弹卡固态制冷剂产生形变释放或者吸收能量，所述换热流道连通所述弹卡回热器，所述换热流道内填充有与所述弹卡固态制冷剂进行热交换的换热流体。2.根据权利要求1所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：所述换热流体通过流体泵驱动而进行第一流动过程和第二流动过程；所述第一流动过程中，所述弹卡固态制冷剂被所述压头加载产生形变并释放热量，所述换热流体将所述热量传递出去，所述第二流动过程中，所述压头对所述弹卡固态制冷剂卸载，所述弹卡固态制冷剂反向形变并吸收所述换热流体内的能量。3.根据权利要求1所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：所述偏心轮的内侧设置有第一键槽，所述旋转轴外侧设置有与所述偏心轮的第一键槽相同的第二键槽，通过放置键连接所述旋转轴与所述偏心轮。4.根据权利要求1所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：所述支撑底座包括底板和侧板，所述侧板设置在所述底板上，所述驱动组件和所述旋转轴连接在所述侧板上，所述底板上设有用于避让所述压头的过孔。5.根据权利要求4所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：还包括夹紧机构，所述夹紧机构连接在所述底板上，并与所述底板共同夹紧所述弹卡回热器。6.根据权利要求5所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：所述夹紧机构包括支撑板，多个连接柱以及锁紧螺母，多个所述连接柱围绕所述弹卡回热器设置，且所述连接柱的两端分别连接所述底板和所述支撑板，所述连接柱的与所述底板连接的一端穿过所述底板，并与所述锁紧螺母相连。7.根据权利要求1所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：所述弹卡固态制冷剂外设有隔热层，所述隔热层用于支撑所述弹卡固态制冷剂。8.根据权利要求1所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：所述弹卡固态制冷剂内设有导流器，所述导流器用于所述换热流体和所述弹卡固态制冷剂之间的传热。9.根据权利要求1所述的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，其特征在于：所述压头和所述弹卡回热器之间设有压力传感器。10.一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器的制冷方法，其特征在于：所述制冷方法应用
于权利要求1至9中任一项所述的一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器上；其中，所述制冷方法包括：所述驱动组件驱使所述旋转轴转动，所述旋转轴带动所述偏心轮运动，所述连杆一端随所述偏心轮往复摆动，进而所述连杆的另一端通过所述压头反复加载所述弹卡固态制冷剂；所述压头加载所述弹卡固态制冷剂，并在预设时间阈值内保持加载状态，所述换热流体进行第一流动过程，所述弹卡固态制冷剂产生热量，由所述换热流体带出；所述压头对所述弹卡固态制冷剂卸载，并在预设时间阈值内保持卸载状态，所述换热流体进行第二流动过程，所述弹卡固态制冷剂吸收换热流体内的热量。

技术总结
本发明涉及一种曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器及其制冷方法，其中，曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器包括支撑底座、曲轴连杆机构和固态制冷组件，曲轴连杆机构包括驱动组件、旋转轴、偏心轮，以及通过轴承二设置在偏心轮上的连杆和通过轴承三设置在连杆上的压头，连杆和压头之间通过轴承一连接，固态制冷组件包括弹卡回热器和换热流道，弹卡回热器内设有弹卡固态制冷剂，压头被带动加载或者卸载弹卡固态制冷剂。本发明的曲轴连杆压缩式弹卡固态制冷器，通过在偏心轮和连杆之间设置轴承二连接，并在旋转轴和支撑底座之间通过轴承三连接，以及连杆和压头之间通过轴承一连接，可利于在使用过程中减少各部件之间的磨损，提高整体的使用寿命。用寿命。用寿命。


技术研发人员：程思远 刘烁阳 付阳 赵亚涛 张梦怡
受保护的技术使用者：河北科技大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/7