本發明涉及熱管和制冷，尤其涉及一種基于非共沸工質自適應熱管的固態壓卡制冷系統及方法。

背景技術：

1、固態壓卡制冷技術作為一種新型固態制冷技術，近年來因其環保、高效和低能耗的特點備受關注。其核心原理是利用材料在應力加載/卸載過程中發生的可逆相變伴隨的壓熱效應，通過材料自身的熵變實現熱量的吸收與釋放。然而，在實際應用中，應力加載/卸載速率需要與材料相變速率、換熱速率同步，否則會導致熱滯效應加劇。例如，高頻循環時，材料內部熱量可能無法及時導出，導致溫變幅度下降，同時材料與換熱結構之間的接觸熱阻也會顯著降低傳熱效率，換熱效率是制約其性能提升和實用化的關鍵瓶頸之一。

2、熱管憑借其超高的導熱效率、均溫性、被動運行和緊湊化設計，成為增強換熱的理想選擇，熱管技術利用工質在蒸發段吸熱蒸發、在冷凝段放熱冷凝的相變循環，通過潛熱傳遞熱量，相變過程的潛熱傳遞能力遠高于單純導熱或對流。但是普通熱管受安裝方向影響，只能單向傳遞熱量，不能匹配固態壓卡系統在加載/卸載時的冷熱交替變換。本技術利用帶有毛細結構的管芯和使用具有溫度滑移特性的非共沸混合工質，開發一種能夠雙向傳遞熱量的熱管以適應固態壓卡系統在加載/卸載時的冷熱交替變換，為提升壓卡制冷技術的換熱效率提供新方法。有望解決固態壓卡系統中換熱效率低的問題，縮短系統運行周期，提升固態壓卡制冷系統的制冷循環效率，提高系統制冷量。

技術實現思路

1、本發明的目的是為了解決現有技術中存在的缺點，而提出的一種基于非共沸工質自適應熱管的固態壓卡制冷系統及方法，能夠縮短系統的運行周期，顯著提升制冷循環效率和穩定性，提高系統的制冷量。

2、為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

3、一種基于非共沸工質自適應熱管的固態壓卡制冷系統，包括固態壓卡設備、以及與固態壓卡設備連接的換熱流體管網；

4、所述固態壓卡設備包括毛細熱管、壓縮腔和壓頭，所述壓縮腔內填充有壓卡材料，且壓卡材料中均勻分布有若干個毛細熱管，所述壓頭設于壓卡材料的上方，且若干個毛細熱管的頂部均延伸至壓頭內；

5、所述壓頭能夠周期性的對壓卡材料加載/卸載，所述壓卡材料產生熱量/冷量，通過毛細熱管將產生的熱量/冷量提取并傳輸至換熱流體管網；

6、所述換熱流體管網包括取熱流體管路和取冷流體管路，所述換熱流體管網中的換熱流體能夠在取熱流體管路和取冷流體管路之間交替流動。

7、優選地，所述取熱流體管路包括第一三通閥、第二三通閥、第二蝶閥、高溫儲液箱、第二循環泵和高溫換熱器；所述固態壓卡設備的出口與第一三通閥的入口連接，第一三通閥第二出口與第二蝶閥入口連接，第二蝶閥出口與高溫儲液箱入口連接，高溫儲液箱出口與第二循環泵入口連接，第二循環泵出口與高溫換熱器入口連接，高溫換熱器出口與第二三通閥第二入口連接，第二三通閥出口與固態壓卡設備入口連接。

8、優選地，所述取冷流體管路包括第一三通閥、第一蝶閥、低溫儲液箱、第一循環泵、低溫換熱器和第二三通閥；所述固態壓卡設備的出口與第一三通閥的入口連接，第一三通閥第一出口與第一蝶閥入口連接，第一蝶閥出口與低溫儲液箱入口連接，低溫儲液箱出口與第一循環泵入口連接，第一循環泵出口與低溫換熱器入口連接，低溫換熱器出口與第二三通閥第一入口連接，第二三通閥出口與固態壓卡設備入口連接。

9、優選地，所述毛細熱管包括非共沸工質、管芯和管殼；所述管殼的內壁設置帶有毛細結構的管芯，所述管芯內填充有非共沸工質。

10、優選地，所述非共沸工質包括但不限于r290/r1234ze（e）、r134a/r1234ze（e）等能夠在溫度范圍內發生溫度滑移的非共沸混合工質。

11、本發明還提供了一種基于非共沸工質自適應熱管的固態壓卡制冷方法，該制冷方法采用上述的基于非共沸工質自適應熱管的固態壓卡制冷系統實現，包括如下步驟：

12、取熱過程：當壓頭壓縮壓卡材料時，壓卡材料釋放熱量，溫度升高，毛細熱管將產生的熱量傳出，第一蝶閥關閉，第二蝶閥開啟，第二循環泵啟動，換熱流體流經壓頭上方吸收毛細熱管傳出的熱量，之后流經第一三通閥、第二蝶閥、高溫儲液箱、第二循環泵、高溫換熱器后將熱量釋放，流回固態壓卡設備；

13、取冷過程：當壓頭釋放壓力，壓卡材料膨脹時吸收熱量，溫度降低，毛細熱管將產生的冷量傳出，第二蝶閥關閉，第一蝶閥開啟，第一循環泵啟動，換熱流體流經壓頭上方吸收毛細熱管傳出的冷量，之后流經第一三通閥、第一蝶閥、低溫儲液箱、第一循環泵、低溫換熱器后將冷量釋放，流回固態壓卡設備。

14、優選地，還包括：

15、取熱過程：毛細熱管底部為熱端（蒸發端），上部為冷端（冷凝端）；熱端管芯吸收液態工質，由于壓卡材料壓縮放熱，溫度升高，在壓卡材料的加熱下，低沸點組分a優先蒸發，緊接著高沸點組分b也開始蒸發，此時蒸汽中a的濃度較高；隨著蒸發持續，液態工質中高沸點組分b比例上升，非共沸工質的蒸發溫度逐漸升高至熱端最高溫度；由于液態工質不斷蒸發，熱端壓力升高，蒸發產生的高壓蒸汽在壓力的驅動下向壓力更低的冷端流動；蒸汽到達冷端時，高沸點組分b因溫度降低優先冷凝，釋放潛熱，一部分低沸點組分a以氣態滯留，一部分低沸點組分a開始緩慢冷凝，剩余蒸汽中a濃度升高，需更低溫度才能完全冷凝，冷凝的液態工質通過管芯回流至熱端，補充蒸發消耗的液態工質；

16、取冷過程：毛細熱管的冷熱端反轉，原冷端變為熱端（蒸發端），原熱端變為冷端（冷凝端）；由于壓卡材料膨脹產生冷量，原熱端溫度驟降變為冷端，由于溫度降低液態工質不再繼續蒸發，反而吸收冷量冷凝，壓力降低；原冷端保持溫度不變，之前蒸發的蒸汽繼續冷凝液化，待大部分高沸點組分b冷凝之后，蒸汽之中富含低沸點組分a，由于下方壓力較低，富含低沸點組分a的蒸汽流至新冷端冷凝，冷凝之后的液態工質通過帶有毛細結構的管芯克服重力流至新熱端；在新熱端，由于溫度較低，低沸點組分a優先蒸發，隨后部分高沸點組分b蒸發，蒸汽中低沸點組分a濃度升高；隨著低沸點組分a的蒸發，液態工質中高沸點組分b的比例增加，蒸發溫度逐漸升至當前熱端溫度上限，蒸汽壓力逐步升高；由于液態工質不斷蒸發，新熱端壓力升高，蒸發產生的高壓蒸汽在壓力的驅動下向壓力更低的新冷端流動；由于新冷端溫度低于所有組分的冷凝溫度，流動至新冷端的蒸汽中高沸點組分b首先冷凝液化，隨后低沸點組分a在低溫下也冷凝液化；冷凝后的液態工質通過管芯克服重力回流至新熱端，補充蒸發消耗的工質形成逆向循環；

17、取冷過程結束后，再次對壓卡材料加載放熱，材料溫度升高，冷熱端再次反轉，非共沸工質再次重新分布，重復上述取熱過程。

18、通過采用上述技術方案：利用熱管的高傳熱效率，增強壓卡系統的換熱效率；熱管之中利用混合非共沸工質的溫度滑移特性和對稱毛細結構，在冷熱端交替時動態切換蒸發端與冷凝端，通過壓力差驅動蒸汽流動和毛細回流實現熱量高效傳遞，這種特性可快速匹配壓卡材料在加載/卸載過程中的冷熱交替變換，將產生的熱量/冷量快速導出。

19、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

20、1、本發明使用熱管技術對固態壓卡制冷系統進行增強換熱，提高了固態壓卡系統的換熱效率、縮短系統運行周期，提高了系統的制冷量。

21、2、本發明所使用熱管內換熱工質為具有溫度滑移特性的非共沸混合工質，能夠更靈活地匹配壓卡材料在快速加載/卸載時的溫度變化。

22、3、本發明所使用的毛細熱管依靠毛細作用和蒸汽壓力差驅動工質循環，系統簡單可靠。

23、4、本發明中采用的熱管可在數秒內達到穩態傳熱，熱管的快速響應特性可匹配壓卡材料的應力加載/卸載頻率，減少熱積累。