固态热力学循环的制作方法

本披露涉及热力学循环，并且更具体地涉及用于弹性热材料(elastocaloricmaterial)的热力学循环。

背景技术：

1、最近对弹性热效应(elastocaloric[ec]effect)的研究已经表明，其有潜力作为传统的蒸气压缩制冷和热泵方法的固态替代方案。ec循环利用了形状记忆合金(sma)的超弹性行为，该行为通过周期性单轴加载和卸载，促进了从低温源吸收热量以及将热量向更高温度的汇的排放。弹性热材料热力学循环先前已经使用传统的气体循环进行建模。文献中已显示，逆向布雷顿(reverse brayton)循环和逆向斯特林(reverse stirling)循环具有弹性热热循环的最佳表现。从气体循环理论中已知，逆向斯特林循环和卡诺(carnot)循环(热力学极限)的性能系数(cop，coefficient of performance)相同，因为两者都使用等温热排放和吸收过程。因此，旨在最大化其cop的弹性热材料将目标是在可能的情况下实施逆向斯特林循环。图1展示了用于斯特林循环的关键过程。如可以看出的，热排放和热吸收是等温过程，并且使sma预热和预冷的热回收过程是等容或恒定材料体积过程。

2、然而，过去对弹性热热力学循环的建模已经在假设从奥氏体(austenite)到马氏体(martensite)的完全相变的情况下进行。由于温度或应力的限制，真正的弹性热材料可能仅进行各相之间的部分转变。

3、图2a-图2d是分别展示了当弹性热材料经历逆向斯特林循环时，应力对温度、应力对应变、比熵对温度、以及比熵对马氏体体积之间的关系的曲线图。从图2d可以看出，在从2-3(材料冷却)的热回收过程期间，马氏体体积增加，并且在从4-1(材料加热)的过程期间，马氏体体积减小。发现在较高温度的情况下，马氏体体积所产生的增加/减小更大。这是由于在热排放过程期间，由于操作应力限制，马氏体体积变化有限。此外，在图2b中，由于热膨胀和弹性应变降低以及相变应变随着马氏体体积增加，来自2-3(材料冷却)的可观察到的应变保持恒定。

4、然而，排放的热量的量与马氏体体积有关，并且因此增加会导致进一步的热量被排放。真正的热回收系统需要热量的增加和排放，但是在这种情况下，排放的热量是由于基本的过程失衡造成的，而这种失衡是物理设计无法控制的。对于热回收过程也是如此。这意味着热回收装置必须处理更高的热负载。此外，热回收期间的马氏体体积变化随着较大的操作温度差量而增加。这是由于由操作应力引起的热排放时马氏体体积增加较少。

5、因此，鉴于上文，需要一种系统和方法，该系统和方法在热回收过程期间维持恒定的马氏体体积，并且减少由于在热回收过程期间马氏体体积的增加而引起的损失。

技术实现思路

1、根据本发明，如所附权利要求中所阐述的，提供了一种用于实施用于弹性热材料的热力学循环的方法。该方法包括增加施加在弹性热材料上的应力，直到应力达到期望的应力值或者弹性热材料从奥氏体转变为马氏体形式；将弹性热材料的温度从高值降低到低值，并且减小弹性热材料的应力，以在温度降低期间维持相应的马氏体形式的恒定体积分数；减小弹性热材料的应力，直到应力达到最小应力值或者弹性热材料从马氏体转变为奥氏体形式；以及将弹性热材料的温度从低值升高到高值，并且增加弹性热材料的应力，以在温度升高期间维持相应的马氏体形式的恒定体积分数。

2、在本发明的实施例中，将弹性热材料的应力增加到期望的应力值形成等温热排放过程，并且减小应力形成等温热吸收过程。

3、在本发明的实施例中，减小应力以在温度降低期间维持马氏体形式的恒定体积分数形成多变温度降低过程，并且增加弹性热材料的应力以在温度升高期间维持马氏体形式的恒定体积分数形成多变温度升高过程。

4、在本发明的实施例中，多变温度升高过程和多变温度降低过程期间的应力变化使用以下公式计算：

5、

6、其中δα是各相之间的热膨胀差，σ是当前的材料应力，ρδso是可以由克劳修斯克拉佩隆关系确定的各相之间的体积熵差，δs是材料刚度，λ是材料转变应变，并且t点是温度变化。

7、在本发明的实施例中，应力的变化与温度和熵差的变化成正比，并且与材料刚度和材料转变应变成反比。

8、在本发明的实施例中，在多变温度升高过程和多变温度降低过程期间对恒定的马氏体体积的维持减少了热力学循环的总功输入，并且增加了cop。

9、本发明披露了一种实施热力学循环的方法，在该方法中，通过在热回收过程期间维持恒定的马氏体体积，热回收期间的潜热排放/吸收被消除，并且因此，循环的总效率由于较低的功输入而增加。新的热力学循环仅特定于固-固相变，并且通过在热回收过程中随温度改变应力，在相同条件下弹性热材料的部分负载效率相对于逆向斯特林提高了25％。新的热力学循环在没有增加系统成本或寄生负载的情况下，提高了用于加热应用或冷却应用的弹性热技术的效率，以及提高了sma的商业吸引力。此外，由于消除了不必要的能量排放/吸收，材料滞后减少，从而导致更高的cop和减少的寄生损耗。

10、在本发明的另一个方面，提供了一种热泵系统，该热泵系统使用实施热力学循环的方法。

11、在本发明的又另一个方面，提供了一种制冷系统，该制冷系统使用实施热力学循环的方法。

12、在本发明的又另一个方面，提供了一种用于实施用于弹性热材料的热力学循环的系统。该系统包括：等温热排放模块，该等温热排放模块用于增加施加在弹性热材料上的应力，直到应力达到期望的应力值或者弹性热材料从奥氏体转变为马氏体形式；多变温度降低模块，该多变温度降低模块用于将弹性热材料的温度从高值降低到低值，并且减小弹性热材料的应力，以在温度降低期间维持相应的马氏体形式的恒定体积分数；等温热吸收模块，该等温热吸收模块用于减小弹性热材料的应力，直到应力达到最小应力值或者弹性热材料从马氏体转变为奥氏体形式；以及多变温度升高模块，该多变温度升高模块将弹性热材料的温度从低值升高到高值，并且增加弹性热材料的应力，以在温度升高期间维持相应的马氏体形式的恒定体积分数。

技术特征：

1.一种用于实施用于弹性热材料的热力学循环的方法，所述方法包括：

2.如任一前述权利要求所述的方法，其中，将所述弹性热材料的所述应力增加到所述期望的应力值形成等温热排放过程，并且减小所述应力形成等温热吸收过程。

3.如任一前述权利要求所述的方法，其中，减小所述应力以在温度降低期间维持所述马氏体形式的恒定体积分数形成多变温度降低过程，并且增加所述弹性热材料的所述应力以在温度升高期间维持所述马氏体形式的恒定体积分数形成多变温度升高过程。

4.如权利要求3所述的方法，其中，在多变温度升高过程和多变温度降低过程期间的应力变化使用以下公式计算：

5.如任一前述权利要求所述的方法，其中，应力的变化与温度和熵差的变化成正比，并且与材料刚度和材料转变应变成反比。

6.如任一前述权利要求所述的方法，其中，在多变温度升高过程和多变温度降低过程期间对恒定的马氏体体积的所述维持减少了所述热力学循环的总功输入，并且增加了cop。

7.一种用于实施如任一前述权利要求所述的方法的液压系统，所述液压系统包括压力调节器，所述压力调节器用于控制应力以在多变温度升高过程和多变温度降低过程期间维持恒定的马氏体体积。

8.一种热泵系统，所述热泵系统用于使用如任一前述权利要求所述的方法来实施热力学循环。

9.一种制冷系统，所述制冷系统用于使用如权利要求1至7中任一项所述的方法来实施热力学循环。

10.一种用于实施用于弹性热材料的热力学循环的系统，所述系统包括：

11.如权利要求10所述的系统，其中，应力的变化使用以下公式来计算：

12.如权利要求10所述的系统，其中，应力的变化与温度和熵差的变化成正比，并且与材料刚度和材料转变应变成反比。

13.如权利要求10所述的系统，其中，对恒定的马氏体体积的所述维持减少了所述热力学循环的总功输入，并且增加了cop。

技术总结
披露了一种用于实施用于弹性热材料的热力学循环的方法。该方法包括增加施加在弹性热材料上的应力，直到应力达到期望的应力值或者弹性热材料从奥氏体转变为马氏体形式，将弹性热材料的温度从高值降低到低值，并且减小弹性热材料的应力以在温度降低期间维持相应的马氏体形式的恒定体积分数，减小弹性热材料的应力，直到应力达到最小应力值或者弹性热材料从马氏体转变为奥氏体形式，以及将弹性热材料的温度从低值升高到高值，并且增加弹性热材料的应力以在温度升高期间维持相应的马氏体形式的恒定体积分数。

技术研发人员：K·沃伦,R·布莱克本
受保护的技术使用者：埃克斯金有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/27