專利名稱：改進的潛熱儲存設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能快速吸收和抽取的、有效的熱能儲存裝置。
背景技術：
近年來，越來越需要儲存能量，通常為電。通過本發(fā)明，目前能夠有效地儲存熱能， 該熱能可以用于發(fā)電、冷卻、加熱或者用于在以后的任何目的。已經(jīng)有多種發(fā)明(例如W08900670，Whitman)表示了利用相變材料(PCM)來儲存 熱能的各種方法，但是它們都有基本問題。對于PCM的蠟變化(wax variety)，主要問題集 中在它的較差熱導率和相對較大的熱膨脹系數(shù)。對于共晶和水合鹽類型的PCM，熱導率明顯更好，但是腐蝕可能成為主要問題。所 有當前的PCM有膨脹和收縮的問題，這使得這些材料的保存極其困難，特別是當試圖使用 可能的最小的容積來快速和有效地使得熱能進出PCM時。現(xiàn)有方法使用較大厚度的材料 由3. Omm厚度的不銹鋼和厚塑料模件制造的IOOmm直徑小球，它們中的大部分必須留有氣 隙，以便允許一些膨脹和使作用在容納材料上的應力最小。已經(jīng)有使用不銹鋼球和管容納PCM的成功范例。不過，為了使得熱能進出這些儲 存裝置，它們必須非常大，或者有復雜的流體分配和控制系統(tǒng)，這樣，可能要適應緩慢的吸 收和抽取速率。還進行了在復雜換熱器上包括導熱環(huán)和精細翅片的一些嘗試，特別是對于 PCM的蠟變化。本發(fā)明即使在PCM并沒有很好的熱傳導性時也明顯提高了傳熱速率。美國專利6889751 (Lukas)表示了一種多邊形結構，因為這公認為當使用管時將 最大容積的材料裝入已知空間內的最佳方式。不過，本發(fā)明并沒有考慮使用的PCM的特性。 即使管有翅片，使用小孔管來使傳熱流體通過和由PCM包圍這些管并不是最有效地使用該 空間。也可選擇，將PCM放入管中可以是一種改進，但是管的端部必須密封，且允許熱膨脹寸。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是增加在給定容積中的熱能儲存密度和有利于該能量的吸收和抽 取速率。本發(fā)明提供了根據(jù)附加權利要求的權利要求1的潛熱儲存設備。該潛熱儲存設備 包含至少一種裝入容納裝置中的相變材料(PCM)，并包括容納容器，該容納容器形成支承結 構外骨架，以便對于容納裝置提供支承。容納裝置包括非常薄的彈性體材料，且壁厚比本領 域以前預計的薄得多。薄壁能夠非常有效地向PCM傳熱和由PCM傳熱。薄彈性體材料可以形成任意形狀的薄截面，并提供非常大的表面面積與容積比 率，例如具有很多有側邊或圓形的腔室，并使得通過PCM的任意截面的距離足夠小，以便快 速熔化和凝固PCM。在特別有利的形式中，容納裝置包括薄彈性體材料，該薄彈性體材料形成為連續(xù) 管，填充有PCM，并在兩端密封，然后沿它的長度折疊，以便占據(jù)在容納容器內可用的最大量
4空間。該結構使得所需的密封量最小，并通過容納裝置而提供了使得容器內使用的空間量 最大的非常有效的裝置。可選的優(yōu)選形式包括通過較小腹板部分連接的管的陣列。該類型的陣列可以通過 模制或擠出而形成，或者甚至可以利用3D印刷技術來制造。管可以在各端密封，并能夠使 得在容器內由管占據(jù)的空間量最大。彈性體材料選擇為具有盡可能薄的壁厚，以便在結構上保持PCM，同時對于向PCM 傳熱和從PCM傳熱的影響最小。這使得本發(fā)明的設備能夠有非?？斓捻憫獣r間，并非?？?地吸收和提供能量。另外，它甚至對于非常小的溫度差別都有效。在PCM填充的彈性體材料之間有很小的間隙，以便允許換熱流體在所述材料之間 通過，從而有利于熱能的吸收和抽取。間隙形成小截面的流動槽道，從而使得換熱流體流有 效通過容器。在容器內可以有多種不同結構的容納裝置和PCM。優(yōu)選是，設備在一個容器內可以 有多個不同PCM，這些PCM具有不同特性。設備在一個容器內還可以有多個不同隔腔，各隔 腔有相同或不同的PCM。隔腔可以利用隔離面板或非隔離面板而形成。優(yōu)選是，換熱流體流 被控制通過容器，且它可以依次被引導到不同隔腔。流體流可以被引導到設備的不同部分， 以便適應不同時間的不同需要。在可選結構中，設備在一個設備內可以有多個容器。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，潛熱儲存設備的容器有密封蓋。當設備密封時，氣體或 流體可以注入密封容器中，以便實現(xiàn)不同的大氣或環(huán)境，例如減少氧的大氣，以便有利于需 要減少氧化的任何傳熱流體或其它材料。優(yōu)選是，惰性氣體可以是氮氣或二氧化碳。在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例中，設備有將換熱流體供給容器和從容器取出的裝 置，以便成為閉合回路，這樣，無論供給任何流體都同時除去，以避免容器過量充裝或排空。在本發(fā)明的特別優(yōu)選實施例中，彈性體容納的PCM能夠根據(jù)它的性質而膨脹和收 縮。特別是，發(fā)生膨脹和收縮，最初離開容器并返回容器中，優(yōu)選是離開容器的頂部并返回 容器頂部。在PCM和(因此)容納裝置膨脹至容器頂部之后，容納裝置可以隨后膨脹至換 熱槽道中，換熱流體在該換熱槽道中流動。該結構特別有利，它可以用于自動限制流體流 動，因為膨脹用于逐漸限制在彈性體管之間的換熱流體的流動。這提供了特別有用的安全 機構，以便防止PCM、彈性體和/或使用的其它材料過熱。容器布置為在PCM熔化時提供用于彈性體PCM的外骨架結構整體性。當設備具有 內部隔腔或分隔器時，它們也可以用于在PCM熔化時提供用于彈性體PCM的結構整體性。這 使得容納裝置能夠使用比先前實現(xiàn)的薄得多的壁厚。在本發(fā)明的很多結構中，優(yōu)選是容器由隔離件包圍。這可以是任何合適的隔離材 料，包括真空隔離件。另外，設備可以由裝滿水或其它合適流體的第二隔離罐來包圍，這樣， 從內部容器逸出的任何熱能都將被吸收，向周圍大氣的損失最小。特定PCM的熱導率可以通過向PCM添加非常少量的、非常細的合適的傳導材料粉 末來提高。當顆粒尺寸足夠小時，它們將保持懸浮在PCM的主體中。它們也有通過由PCM 的熔化引起的任何對流而進行連續(xù)重新分配的趨勢。本發(fā)明還提供了一種潛熱儲存設備，它包括容納容器、至少一個相變材料(PCM) 和至少一個PCM容納裝置，其中，至少一種非常細的納米顆粒傳導粉末添加給PCM，以便提高熱能的傳遞。添加非常細的納米顆粒傳導粉末可以明顯提高較差傳導的PCM的性能。合 適的示例包括但不局限于碳和鋁。濃度可以根據(jù)使用的材料而變化，但是通常為從0. 5% 至2%的任何值；更大濃度將適當?shù)販p少PCM容積量，并影響總體性能。這時可以利用不同 組分的特性來組成新的復合材料，以便使得熱容量和傳熱速率都最大。雖然可以改進當前 技術規(guī)范要求的情況(這些材料具有隨著時間而沉淀或分離的趨勢)，本發(fā)明能夠克服這 些問題。在本發(fā)明的另一可選形式中，容器可以由第二層不同的PCM填充彈性體材料來包 圍。優(yōu)選但不必須，第二層PCM可以有比容器的PCM更低的相變溫度。如果本發(fā)明的潛熱儲存設備用于太陽能加熱設備或其它設備，它可以布置成使得 換熱流體反饋溫度低于其它情況下的溫度，以便使得太陽能加熱或其它設備的效率最高。


下面將參考附圖通過實例介紹本發(fā)明，附圖中圖1表示了本發(fā)明的潛熱儲存設備的示意剖視圖。圖2表示了圖1中所示的設備的拐角部的更詳細視圖。圖3表示了折疊成六個桿的連續(xù)圓形管形式的保存裝置的示例。圖4表示了呈“在罐內的罐”形式的本發(fā)明實施例。圖5表示了本發(fā)明的一個實施例，其中，分離器可以用于引導換熱流體流過PCM的 不同隔腔。圖6表示了可選形狀的保存裝置，且在圖6a中詳細表示。圖7表示了還一可選形狀的保存裝置，且在圖7a中詳細表示。圖8表示了圖3中所示類型的保存裝置的可能包裝結構。
具體實施例方式本發(fā)明的各種實施例克服了大部分或全部的前述問題。如圖1中所示，本發(fā)明的快速吸收和抽取潛熱儲存設備包括用于儲存相變材料2 的裝置1，該裝置1布置在容納容器3中(在該實施例中沒有表示用于該容納容器的隔離裝 置)。容納裝置1為桿或管的形式，它由彈性體材料4制成，容納PCM 2。換熱流體6沿桿 1的長度流動。PCM 2優(yōu)選是可以添加有細的納米顆粒傳熱粉末(例如碳或鋁)，以便提高 它的傳導性。容納容器3表示為六邊形，但是可以為任意形狀，它使得用于圓形桿狀的多個部 件1的儲存容量最大，但是該桿可以為任意形狀，只要它們具有用于傳導的足夠細的截面， 以便能夠在可接受的時間范圍內通過整個截面?zhèn)鳠?。為了適應膨脹和收縮，桿的外部表層 由彈性材料4來制造，當PCM 2處于液相時，該彈性材料4利用緊鄰的所有相鄰桿來支承它 們。桿1有較小直徑，并很長。在本發(fā)明的特定實例中，管的外徑為10. 5mm,內徑為10. Omm, 這樣，壁厚只有0. 25mm。相反，例如W095/16175介紹了 HDPE的管，該管的外徑為38mm，內 徑為32mm，因此壁厚為3. 0mm。這樣厚度的壁將限制在換熱流體和管內的PCM之間可能進 行的傳熱。進口 /出口管13a使得換熱流體能夠供給容器3中和從容器3取出。圖2表示了容納容器3的拐角部的詳圖。換熱流體6通過在桿1之間的空間。在
6圖1所示的結構中，可以使得大約90%的容積充滿PCM 2。用于容納PCM 2的管形彈性體 材料4必須足夠薄，以便并不占據(jù)太大容積，還將有效傳導熱能。初始樣品顯示，很多千瓦 的熱能可以在幾分鐘內儲存和釋放。圖3表示了本發(fā)明的容納裝置的優(yōu)選實施例。容納裝置包括連續(xù)管7，該管7優(yōu)選 是圓形截面，折疊成六個桿1。其中，折疊在桿的頂部和底部進行，當PCM 2熔化時，該區(qū)域 可以成形為提供圓桿狀形狀。在一個特定實施例中，容納裝置1由標稱長度為4500mm的一段管來制造。在該實 例中，對于各組六個桿只需要兩個密封件8。容納裝置1可以為任意所需長度，但是管的處 理和強度將產(chǎn)生實際限制。在本發(fā)明的一個實施例中，單個較小堆垛的桿1由具有大約30kg的水合鹽PCM 2 制成，該水合鹽PCM 2的相變溫度為58°C，換熱流體6在超過100°C的溫度下流速超過2升 /分鐘，包含在換熱流體6中的所有熱能被桿1吸收，且排出溫度并不開始升高至室溫以上， 直到大約75%的PCM 2已經(jīng)達到熔點。圖4表示了呈“在罐內的罐”形式的本發(fā)明實施例，其中，兩種不同類型的PCM 2a、 2b裝于同一罐內，并由分離器9分離，在該實例中，該分離器9是內部擋塊和外部擋塊，其 中，分離器9是合適的內部隔離裝置，通常能夠承受較高溫度。類似的，也表示了外部隔離 裝置10。隔離裝置可以由任意合適材料來制成，包括真空超級隔離裝置。圖5表示了不同結構，其中，分離器11布置在容納容器3內。分離器11可以用于 引導換熱流體6流過容器3的不同隔腔，所述容器3可以利用需要不同熔化溫度的不同類 型PCM 2。類似的，與圖4相同，分離器可以由任意合適的隔離材料來制造。在該結構中，管2可以有利地形成為管的擠出陣列，該管的擠出陣列在各相鄰管 之間通過薄腹板連接。在容納容器3中的各部分有裝在該部分內的陣列50。該陣列50可 以通過模制或擠出或其它合適方式來形成。如圖1中所示的單個隔腔的容器可以有單個陣 列50，或者有兩個或更多陣列的組合，以便填充容器。類似的，圖5中所示的容器的各部分 可以有一個或多個陣列，以便填充容器的多個部分。也可以使用可選形狀的桿，該桿為一片管的寬的扁平結構，這些管通過非常薄的 腹板連接，或者為通過薄腹板部分連接的同心環(huán)形式的圓形管，如圖6和7所示。關鍵結構 是在換熱流體暴露表面之間的PCM 2截面必須不會比保證快速熔化和凝固的厚度更厚。由 于材料的薄截面，可以有用于傳熱的非常大的表面積，且發(fā)現(xiàn)共晶和水合鹽材料能理想地 用于構造的樣品。它對于普通蠟也有效，但是截面必須更薄，除非添加細的納米顆粒傳導材 料。在非圓形桿結構中，用于換熱流體6流的槽道需要很小的分離器12，以便保證槽道保持 打開，除非出現(xiàn)超溫情況。類似的，當使用可選形狀的桿時，整個材料塊或組件的周邊需要 使得外部表面成形為換熱流體能夠在容納容器3和彈性體容納PCM 2的外部表層4之間流 過?？傮w運動的換熱流體6可以通過提供管或槽道13來提供，圖1中表示了一個示例。圖6表示了具有矩形截面的桿。在這種情況下，所示截面有效，其中，圖1中所示 的圓形桿連接在一起。通過這種設計，實際上可以使得更多PCM進入任意給定容積，但是這 將減少換熱流體。因此，將有更高速度的流動，但是預計超過95%的容積將由PCM有效占 據(jù)。圖7給出了不同形狀的桿的另一示例。在該示例中，容器3為圓形，彈性體桿14為類似形狀，并布置為通過較小腹板部分12連接的同心環(huán)，且換熱流體6在層之間流動。通 過這種類型的任意結構，通常需要保證裝配的桿的非均勻周邊，以便使得換熱流體能夠在 容器和周邊之間通過。在所示實施例中，這是成“波紋”形的外表面15形式，它可以在圖7a 中更詳細看到。也可選擇，通過改變容器的形狀來適應流動路徑，但是基本特征是桿仍然由 容器支承和容納，因為它用作主結構的外骨架。本發(fā)明的附加特征是當目前使用的PCM膨脹時將自我調節(jié)。首先，它將主要垂直 地膨脹，直到它到達容器的頂部，然后，它將膨脹至在彈性體容納裝置之間的空間中，然后， 它開始限制通過桿堆垛的流體流。當換熱流體的溫度對于容納的材料太高時，可以通過設 計來完全切斷流體流。以類似的方式，當使用可選形狀的桿(非圓形)時，需要一些支承肋 12來防止換熱槽道在正常操作過程中塌縮。原則上，無論何種材料封入彈性體材料中，本發(fā) 明都將有利于熱能的最大速度注入和抽取。因此，通過平衡橫過彈性體材料的壓力，可以有 開口端的管或槽道以及使用彈性體材料作為普通換熱器。圖8表示了圖3所示類型的多個管7的包裝結構，各管折疊成六個桿1，并封閉包 裝在六邊形容納容器3中。單個進口 /出口管13b使得換熱流體6能夠如所需那樣流入和 流出容器3。初始樣品已經(jīng)使用在58°C和89°C下改變狀態(tài)的PCM構造，但是基本原則將以任意 溫度產(chǎn)生作用。即使只有4°C的傳熱流體溫度差(高于或低于相變溫度)也將只在幾分鐘 內影響有效傳熱。在該實例中，容納PCM 2的彈性體材料4布置成擠出管的形式，但是包圍PCM的彈 性薄膜可以噴射至PCM材料上，或者PCM材料可以浸入溶液中。還可以使用3D印刷技術來 構造彈性體材料，這樣，整個結構可以制成為一個單元，或者為較少單元的組件。
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權利要求
一種潛熱儲存設備，其包括至少一個容納容器，該容納容器形成支承結構外骨架；至少一種相變材料(PCM)；以及至少一個PCM容納裝置，該PCM容納裝置包括彈性體材料壁，所述彈性體材料選擇為具有盡可能薄的壁，以便在結構上保持PCM，同時通過提高的熱導率而提供對到PCM的傳熱和從PCM傳熱的最小的影響，PCM容納裝置包含PCM，其中，PCM在使用中吸收或發(fā)出熱量時可以膨脹和收縮；該至少一個PCM容納裝置布置在容納容器中，使得在PCM容納裝置的至少一部分之間具有槽道，以便允許換熱流體在所述容納裝置之間通過，從而便于從容納裝置內的PCM吸收熱能和抽取熱能，當PCM在使用中處于熔化狀態(tài)時，容納容器提供了容納裝置的彈性體壁的支承結構外骨架。
2.根據(jù)權利要求1所述的潛熱儲存設備，其中容納容器包括進口裝置和出口裝置，以 便允許換熱流體流過容納容器。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的潛熱儲存設備，其中PCM的膨脹和收縮使得容納裝置的 彈性體材料首先膨脹到容器的頂部和收縮成離開容器的頂部，隨后在換熱槽道中膨脹和收 縮，換熱流體在該換熱槽道中流動。
4.根據(jù)權利要求3所述的潛熱儲存設備，其中膨脹用于逐漸限制換熱流體的流動，以 便提供安全機構，從而防止PCM、彈性體和使用的其它材料過熱。
5.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中薄的彈性體材料形成細截 面腔室，該腔室具有圓形、多邊形或其它形狀截面，該腔室充滿PCM。
6.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中所述容納裝置包括彈性體 材料的至少一個連續(xù)管，該連續(xù)管充滿PCM，并在兩端密封，所述容納裝置沿它的長度折疊， 以便形成一系列的連接部分，并位于容納容器內。
7.根據(jù)權利要求1至5中任意一個所述的潛熱儲存設備，其中所述容納裝置包括薄 的彈性體材料，該薄的彈性體材料形成為通過腹板部分連接的管的陣列，該管充滿PCM，并 在兩端密封。
8.根據(jù)權利要求7所述的潛熱儲存設備，其中所述管為圓形、多邊形或其它形狀截
9.根據(jù)權利要求7或8所述的潛熱儲存設備，其中該管的陣列為擠出陣列。
10.根據(jù)權利要求1至6中任意一個所述的潛熱儲存設備，其中所述容納裝置包括薄 的彈性體材料，該薄的彈性體材料形成為通過腹板部分連接的同心環(huán)的陣列，以便使得換 熱流體能夠在所述同心環(huán)之間流過，所述環(huán)充滿PCM，并在兩端密封，且用于換熱流體的流 動槽道位于各同心環(huán)之間。
11.根據(jù)權利要求10所述的潛熱儲存設備，其中鄰近所述容納容器的壁的最外側環(huán) 包括通過腹板部分連接的、波紋形PCM槽道的結構，以便使得換熱流體能夠在最外側環(huán)的 外表面和容納容器的壁之間流動。
12.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中將合適導熱材料的非常 少量的、非常細的粉末添加給PCM，以便提高熱導率。
13.根據(jù)權利要求12所述的潛熱儲存設備，其中所述粉末包括導熱粉末的細的納米 顆粒。
14.根據(jù)權利要求13所述的潛熱儲存設備，其中所述粉末包括碳或鋁的細的納米顆粒。
15.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中所述潛熱儲存設備具有 在不同容納裝置中的多種不同的PCM，所述PCM具有不同特性，所述容納裝置在至少一個容 納容器中。
16.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中所述潛熱儲存設備具有 在至少一個容器中的多個不同隔腔。
17.根據(jù)權利要求16所述的潛熱儲存設備，還包括用于將換熱流體流引導到不同隔 腔的裝置。
18.根據(jù)權利要求16或17所述的潛熱儲存設備，還包括用于控制換熱流體流的裝 置，使得流體流可以被引導到儲存裝置的不同部分，以便適應不同時間的不同需要。
19.根據(jù)權利要求16至18中任意一個所述的潛熱儲存設備，其中一旦在使用中PCM 熔化，所述隔腔提供用于容納裝置的彈性體材料的結構整體性。
20.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中所述潛熱儲存設備具有 在一個設備內的多個容器。
21.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中所述容器具有密封蓋。
22.根據(jù)權利要求21所述的潛熱儲存設備，其中所述潛熱儲存設備具有在密封容器 中的氣體或流體，以便實現(xiàn)不同的大氣或環(huán)境。
23.根據(jù)權利要求21所述的潛熱儲存設備，其中該氣體是氮氣或二氧化碳。
24.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中所述潛熱儲存設備具有 將換熱流體供給容器和從容器中除去的裝置，以便成為閉合回路，使得無論供給何種流體 都同時進行除去，以避免容器過度充裝或排空。
25.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的潛熱儲存設備，其中所述容器由第二附加層 例如PCM、水或其它合適材料來包圍，使得從所述內部容器逸出的任何熱能將被吸收，且向 周圍大氣的損失最小。
26.根據(jù)權利要求25所述的潛熱儲存設備，其中所述第二附加層包括相變溫度比容 器中的PCM低的PCM。
全文摘要
本發(fā)明的快速吸收和抽取的潛熱儲存設備包括用于在容納容器(3)內容納至少一個相變材料(2)的裝置(1)，容納容器形成支承結構外骨架。容納裝置(1)為桿或管的形式，它由包含PCM(2)的彈性體材料(4)來制造。換熱流體(6)在桿(1)之間并沿該桿的長度流動。
文檔編號F28D20/02GK101932898SQ200880125872
公開日2010年12月29日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權日2007年12月19日
發(fā)明者弗雷德里克·喬治·貝斯特 申請人:弗雷德里克·喬治·貝斯特