專利名稱：一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種熱循環(huán)實驗裝置，特別是關(guān)于一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)的實驗裝置。
技術(shù)背景相變儲能材料即潛熱儲能材料。材料由固態(tài)向液態(tài)或液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變稱之為相變，相變時會發(fā)生熱能轉(zhuǎn)變。當(dāng)相變材料達(dá)到相變溫度時，會通過吸收或釋放熱量保持溫度恒定。相變儲能材料由于其特殊的熱工性能，在航空航天、建筑、服裝加工、太陽能等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，相變儲能材料的熱穩(wěn)定性是其耐久性的重要指標(biāo)。在對導(dǎo)熱性能影響不大的情況下，用熱性能穩(wěn)定的相變材料具有重要的經(jīng)濟價值和意義。在相變儲能材料的使用過程中，由于相變材料不斷發(fā)生凝固/熔化循環(huán)，常伴隨著一定的體積變化，熱性能退化，影響材料的熱穩(wěn)定性。因此，在實際利用相變材料之前，為了確保相變材料的長期使用性能，研究相變材料在經(jīng)歷多次凝固/熔化循環(huán)后的熱穩(wěn)定性是很有必要的。通常，研究相變材料加速熱循環(huán)的手段是將相變材料盛于容器內(nèi)，再置入烘箱或熱箱熔化，待熔化完全后再將其置入冷箱凝固，這樣作為一個循環(huán)，如此重復(fù)幾百數(shù)千次。用這種方法進行相變材料熱循環(huán)加速實驗效率較低，工作強度較高，往往由于實驗周期長而不能進行較多次數(shù)的實驗。

實用新型內(nèi)容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，它可自動對相變材料進行熱循環(huán)實驗，記錄循環(huán)次數(shù)，并實時采集相變材料溫度變化情況，極大提高了熱循環(huán)實驗效率。該裝置可滿足相變溫度為_60°C 260°C的相變材料熱循環(huán)實驗。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術(shù)方案一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，它包括恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊、控制模塊、檢測模塊和換熱模塊；所述恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊包括第一溫控儀、分隔的冷介質(zhì)浴缸和熱介質(zhì)浴缸、冷介質(zhì)浴溫度探頭、熱介質(zhì)浴溫度探頭；所述冷、熱介質(zhì)浴溫度探頭均由第一溫控儀導(dǎo)線控制連接，并且探測端分別伸入到對應(yīng)的冷、熱介質(zhì)浴中；所述控制模塊包括第二溫控儀、試樣溫度探頭、冷介質(zhì)泵、熱介質(zhì)泵、冷回路電磁閥、熱回路電磁閥；所述換熱模塊包括試樣管、換熱筒；所述試樣溫度探頭探測端伸入到試樣管中，試樣管裝有試樣部分置于換熱筒內(nèi)；所述檢測模塊包括溫度巡檢儀、計數(shù)器；所述試樣溫度探頭、冷介質(zhì)泵、熱介質(zhì)泵，冷回路電磁閥、熱回路電磁閥均由第二溫控儀導(dǎo)線控制連接；所述冷介質(zhì)泵、熱介質(zhì)泵、冷回路電磁閥、熱回路電磁閥分別通過水管對應(yīng)地連接在冷介質(zhì)浴缸、熱介質(zhì)浴缸與換熱筒之間；所述溫度巡檢儀同時導(dǎo)線控制連接所述試樣溫度探頭，所述計數(shù)器導(dǎo)線連接到所述冷介質(zhì)泵或熱介質(zhì)泵上。所述第一溫控儀為多路恒溫控制儀。所述第二溫控儀為冷暖溫度控制儀。所述冷、熱介質(zhì)泵為隔膜泵或磁力泵中的一種。所述冷、熱回路電磁閥為常閉型電磁閥。所述計數(shù)器為電子累計計數(shù)器。所述冷、熱介質(zhì)浴缸呈套裝方式，在其中內(nèi)部的介質(zhì)浴缸壁上固定有半導(dǎo)體制冷片，且冷端朝向并接觸冷介質(zhì)浴，熱端朝向并接觸熱介質(zhì)浴，所述半導(dǎo)體制冷片連接到所述第一溫控儀。所述半導(dǎo)體制冷片有多片，多片半導(dǎo)體制冷片之間以冷面貼熱面堆疊的形式逐級串聯(lián)。所述流體介質(zhì)為水、防凍液或油。采取以上技術(shù)方案的本實用新型，具有如下優(yōu)點1、本實用新型由于同時設(shè)置了冷、熱兩介質(zhì)浴，可同時根據(jù)需要加熱或制冷，而節(jié)省單一的介質(zhì)浴由冷至熱的等待過程，或由熱至冷的等待過程。2、本實用新型采用半導(dǎo)體制冷片，利用其一面制冷一面制熱的特性，同時制熱或制冷，代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)，可大大提高結(jié)構(gòu)的緊湊性、可靠性和用電效率。3、本實用新型利用流體介質(zhì)對流換熱系數(shù)大于在空氣中的對流換熱系數(shù)的特性，采用水、油、防凍液等流體介質(zhì)浴。4、利用冷(熱)泵的開啟次數(shù)，記錄熱循環(huán)次數(shù)，并實時采集相變材料溫度變化情況，極大地提高了熱循環(huán)實驗效率。

圖I是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進行詳細(xì)的描述。本實用新型通過建立一個自動熱循環(huán)體系，實現(xiàn)對相變儲能材料的熱穩(wěn)定性研究。本實用新型設(shè)計的體系包括裝置和方法兩部分，基于如下考慮基于相變材料在流體介質(zhì)(水、防凍液或油等)中的對流換熱系數(shù)大于在空氣中的對流換熱系數(shù)的特性，因此利用冷、熱介質(zhì)浴進行凝固和熔化循環(huán)實驗。基于半導(dǎo)體制冷片的“珀爾帖效應(yīng)”，利用其一面制冷一面制熱的特性，代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。利用與溫控儀連接的冷、熱介質(zhì)浴溫度探頭，獲取冷、熱介質(zhì)浴中的溫度，當(dāng)溫度達(dá)不到預(yù)設(shè)溫度時，啟動半導(dǎo)體制冷片進行制冷或加熱。利用與插入試樣中的溫度探頭連接的溫控儀，控制冷介質(zhì)泵和熱介質(zhì)泵以及回路電磁閥，當(dāng)試樣內(nèi)溫度低于或高于設(shè)定溫度時，啟動熱介質(zhì)泵或冷介質(zhì)泵以及回路電磁閥，輸送流體介質(zhì)對試樣進行加熱或冷卻。把這一次開啟熱介質(zhì)泵(或冷介質(zhì)泵)到下一次再次開啟算作一次相變循環(huán)，利用計數(shù)器，對介質(zhì)泵通斷電次數(shù)進行記錄，該次數(shù)即為相變循環(huán)次數(shù)。利用并聯(lián)在試樣溫度探頭上的溫度巡檢儀對試樣相變溫度進行實時記錄，可幫助分析相變材料相變溫度特性，如相變溫度、相變潛熱等。因此，本實用新型提供的裝置基本設(shè)置了如下幾部分模塊恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊、控制模塊、檢測模塊以及換熱模塊。具體講，如圖I所示，恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊由第一溫控儀I、熱介質(zhì)浴溫度探頭2、冷介質(zhì)浴溫度探頭3、熱介質(zhì)浴缸4、冷 介質(zhì)浴缸5、半導(dǎo)體制冷片6組成。第一溫控儀I為多路恒溫控制儀，其通過導(dǎo)線(圖I中，細(xì)線表示導(dǎo)線連接)分別連接熱介質(zhì)浴溫度探頭2和冷介質(zhì)浴溫度探頭3 ;熱介質(zhì)浴溫度探頭2和冷介質(zhì)浴溫度探頭3的探測端分別插入到熱介質(zhì)浴缸4和冷介質(zhì)浴缸5內(nèi)。熱介質(zhì)浴缸4和冷介質(zhì)浴缸5內(nèi)分別裝有熱、冷流體介質(zhì)，可以為水、防凍液或油等構(gòu)成熱、冷介質(zhì)浴，且熱介質(zhì)浴缸4和冷介質(zhì)浴缸5呈套裝形式，誰在內(nèi)誰在外并無限制(圖I以熱介質(zhì)浴缸4在外，冷介質(zhì)浴缸5在內(nèi)形式作為示例)。在其中內(nèi)部的介質(zhì)浴缸(圖I顯示為冷介質(zhì)浴缸5)壁上，固定有幾片半導(dǎo)體制冷片6，且使半導(dǎo)體制冷片6的冷面朝向并解觸冷介質(zhì)浴,熱面朝向并接觸熱介質(zhì)浴，并將半導(dǎo)體制冷片6通過導(dǎo)線連接到第一溫控儀I (圖中未示)。根據(jù)實際制冷制熱功率需求，可將兩片或多片半導(dǎo)體制冷片6聯(lián)用，多片半導(dǎo)體制冷片6之間以冷面貼熱面堆疊的形式逐級串聯(lián)，以提高兩面溫差及制冷制熱功率，片與片之間可涂覆少許硅脂以減小接觸熱阻提高導(dǎo)熱效率。半導(dǎo)體制冷片工作原理半導(dǎo)體制冷片由很多N型半導(dǎo)體元件和P型半導(dǎo)體元件組成，當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量,成為熱端。本實用新型中可使用商購的ZTC1209型半導(dǎo)體制冷片。換熱模塊由試樣管13和換熱筒14組成。試樣管13用于盛裝待測相變材料，在試樣管13中插有試樣溫度探頭8 ;換熱筒14為封閉體，外壁包覆保溫材料，其內(nèi)部空腔為冷熱介質(zhì)流體通道，設(shè)與內(nèi)部空腔連通的上管和下管；試樣管13裝有待測相變材料的部分置于換熱筒14中?？刂颇K由第二溫控儀7、試樣溫度探頭8、熱介質(zhì)泵9、冷介質(zhì)泵10、熱回路電磁閥11、冷回路電磁閥12組成。第二溫控儀7為冷暖溫度控制儀，通過導(dǎo)線連接試樣溫度探頭8，試樣溫度探頭8的探測端插入到試樣管13中。熱介質(zhì)泵9和冷介質(zhì)泵10均為隔膜泵或磁力泵通過導(dǎo)線連接到第二溫控儀7 (圖中未示)；熱介質(zhì)泵9還通過上熱水管21 (圖I中的水管線以粗線條表示)連接在熱介質(zhì)浴缸4和換熱筒14之間，冷介質(zhì)泵10還通過上冷水管22連接在冷介質(zhì)浴缸5和換熱筒14之間，上熱水管21、上冷水管22的一端并聯(lián)連接到換熱筒14的上管，另一端分別通入熱介質(zhì)或冷介質(zhì)中。熱回路電磁閥11和冷回路電磁閥12均為常閉型電磁閥，通過導(dǎo)線并聯(lián)連接到第二溫控儀7 (圖中未示)；熱回路電磁閥11還通過下熱水管23連接在熱介質(zhì)浴缸4和換熱筒14之間，冷回路電磁閥還通過下冷水管24連接在冷介質(zhì)浴缸5和換熱筒14之間，下熱水管23、下冷水管24的一端并聯(lián)連接到換熱筒14的下管，另一端分別通入熱介質(zhì)或冷介質(zhì)中。檢測模塊由溫度巡檢儀15和電子累計計數(shù)器16組成。溫度巡檢儀15與溫控儀7 —樣，也通過導(dǎo)線連接試樣溫度探頭8 ;計數(shù)器16通過導(dǎo)線連接在熱介質(zhì)泵9 (或冷介質(zhì)泵10)和溫控儀7之間。計數(shù)器16為電子累計計數(shù)器。將裝置按如上方式布置好后，工作時，首先啟動第一溫控儀1，給半導(dǎo)體制冷片6通電，讓恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊運行，在溫控儀I上設(shè)置好熱介質(zhì)浴溫度和冷介質(zhì)浴溫度，假設(shè)待測相變材料相變溫度為26°C，則熱介質(zhì)浴溫度應(yīng)設(shè)置為高于此溫度，冷介質(zhì)浴溫度則設(shè)置為低于此溫度。恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊保證熱介質(zhì)浴缸4和冷介質(zhì)浴缸5內(nèi)的熱、冷流體介質(zhì)保持在設(shè)定溫度。將少量熔化后的待測樣品灌入試樣管13，插入試樣溫度探頭8，啟動第二溫控儀7，控制模塊運行，在第二溫控儀7上設(shè)置好上、下限溫度(按相變材料的相變溫度設(shè)置上、下限溫度)，假設(shè)相變材料相變溫度為26°C，則上限溫度設(shè)置為略高于26°C，下限溫度設(shè)置為略低于26°C。通常，第一溫控儀I設(shè)置的熱介質(zhì)浴溫度應(yīng)高于第二溫控儀7設(shè)置的上限溫度，第一溫控儀I設(shè)置的冷介質(zhì)浴溫度應(yīng)低于第二溫控儀7設(shè)置的下限溫度。啟動溫度巡檢儀15和電子累計計數(shù)器16，檢測模塊就緒。啟動第二溫控儀7運行開關(guān)，此時第二溫控儀7將通過試樣溫度探頭8檢測樣品溫度，若溫度低于設(shè)定的下限溫度，則啟動熱介質(zhì)泵9和熱回路電磁閥11，輸送熱流體介質(zhì)對換熱筒14內(nèi)的試樣管13進行換熱，使試樣熔化，熔化過程中試樣內(nèi)溫度不變，熔化完全后試樣溫度升高；當(dāng)試樣溫度探頭8檢測到的溫度高至第二溫控儀7所設(shè)置的上限溫度時，啟動冷介質(zhì)泵10和冷回路電磁閥12輸送冷流體介質(zhì)對試樣進行換熱，使試樣凝固；當(dāng)檢測到的溫度再次低至第二溫控儀7所設(shè)置的下限溫度時，啟動熱介質(zhì)泵9，如此循環(huán)，由這一次開啟熱介質(zhì)泵或冷介質(zhì)泵到下一次再開啟算作一次相變循環(huán)，利用電子累計計數(shù)器16對循環(huán)介質(zhì)泵通斷電次數(shù)進行記錄，記錄次數(shù)即為相變循環(huán)次數(shù)。利用連接試樣溫度探頭8的溫度巡檢儀15，可對試樣溫度變化進行實時記錄，幫助分析試樣相變溫度及相變潛熱變化與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。應(yīng)用實例在本實例中，以月桂酸、癸酸混合物作為測試用相變儲能材料試樣，用水作為換熱介質(zhì)，對試樣進行加速熱循環(huán)試驗?；旌衔镏性鹿鹚帷⒐锼岬慕M分摩爾比為6:4，其相變溫度約為26-27°C,將其熔融并混合均勻后,稱取5g灌入試樣管,將試樣管置于換熱筒內(nèi)。在第一溫控儀上設(shè)置冷熱介質(zhì)浴溫度，由于該冷熱介質(zhì)浴的溫度受半導(dǎo)體制冷片單獨控制而非分立控制，其制熱的同時也會制冷，考慮到半導(dǎo)體制冷片的兩個面可以有較大溫差(至少40°C)，且一般相變儲能材料其相變溫度區(qū)間較小，因此，只需保證其冷介質(zhì)浴溫度低于試樣相變溫度的基礎(chǔ)上，單獨設(shè)置熱介質(zhì)浴溫度即可。在本實例中，試樣的相變溫度為26-270C，為加速試驗，提高效率，設(shè)置熱介質(zhì)浴溫度為35°C，相應(yīng)地，冷介質(zhì)浴溫度將會低于試樣相變溫度(本實例冷介質(zhì)浴溫為室溫，約20°C)。冷、熱介質(zhì)浴溫度設(shè)定之后，啟動第二溫控儀，將溫度上限設(shè)為30°C，溫度下限設(shè)置為22°C。開啟電子累計計數(shù)器。待試樣冷卻至22°C時，第二控溫儀啟動熱介質(zhì)泵和熱回路電磁閥，熱介質(zhì)流向換熱筒，對試樣進行升溫，試樣熔化過程內(nèi)部溫度恒定。待相變完全后，內(nèi)部溫度升高，直至升高至30°C，第二溫控儀關(guān)閉熱介質(zhì)泵和熱回路電磁閥，啟動冷介質(zhì)泵和冷回路電磁閥，對試樣進行冷卻。直至再次啟動熱介質(zhì)泵和熱回路電磁閥，此時連接在熱介質(zhì)泵和第二控溫儀之間的電子累計計數(shù)器對熱介質(zhì)泵通斷電次數(shù)進行計數(shù)，表明試樣相變次數(shù)累加一次。利用溫度巡檢儀連接電腦還可實時對試樣相變過程進行監(jiān)測，方便試驗前后對比，如相變溫度的變化，相變區(qū)間變化和相變潛熱的變化等等。在本實例中，5g的試樣一個相變循環(huán)最多耗時約10分鐘，一個小時可循環(huán)至少6次，并自動計數(shù)，若晝夜持續(xù)運行，數(shù)天之內(nèi)即可完成上千次循環(huán)試驗。而傳統(tǒng)的方法則只能循環(huán)上百次，且需人力于烘箱和冰箱之間來回放置樣品，費時費力費電。因此本實用新型提出的相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置可極大地提高實驗效率，有較大實用價值。以上所述僅用于說明本實用新 型，其中各部件的具體結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本實用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應(yīng)排除在本實用新型的保護范圍之外。
權(quán)利要求1.一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于，它包括恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊、控制模塊、檢測模塊和換熱模塊； 所述恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊包括第一溫控儀、分隔的冷介質(zhì)浴缸和熱介質(zhì)浴缸、冷介質(zhì)浴溫度探頭、熱介質(zhì)浴溫度探頭；所述冷、熱介質(zhì)浴溫度探頭均由第一溫控儀導(dǎo)線控制連接，并且探測端分別伸入到對應(yīng)的冷、熱介質(zhì)浴中； 所述控制模塊包括第二溫控儀、試樣溫度探頭、冷介質(zhì)泵、熱介質(zhì)泵、冷回路電磁閥、熱回路電磁閥； 所述換熱模塊包括試樣管、換熱筒；所述試樣溫度探頭探測端伸入到試樣管中，試樣管裝有試樣部分置于換熱筒內(nèi)； 所述檢測模塊包括溫度巡檢儀、計數(shù)器； 所述試樣溫度探頭、冷介質(zhì)泵、熱介質(zhì)泵，冷回路電磁閥、熱回路電磁閥均由第二溫控儀導(dǎo)線控制連接；所述冷介質(zhì)泵、熱介質(zhì)泵、冷回路電磁閥、熱回路電磁閥分別通過水管對應(yīng)地連接在冷介質(zhì)浴缸、熱介質(zhì)浴缸與換熱筒之間；所述溫度巡檢儀同時導(dǎo)線控制連接所述試樣溫度探頭，所述計數(shù)器導(dǎo)線連接到所述冷介質(zhì)泵或熱介質(zhì)泵上。
2.如權(quán)利要求I所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述第一溫控儀為多路恒溫控制儀。
3.如權(quán)利要求I所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述第二溫控儀為冷暖溫度控制儀。
4.如權(quán)利要求I所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述冷、熱介質(zhì)泵為隔膜泵或磁力泵。
5.如權(quán)利要求I所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述冷、熱回路電磁閥為常閉型電磁閥。
6.如權(quán)利要求I所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述計數(shù)器為電子累計計數(shù)器。
7.如權(quán)利要求I或2或3或4或5或6所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述冷、熱介質(zhì)浴缸呈套裝方式，在其中內(nèi)部的介質(zhì)浴缸壁上固定有半導(dǎo)體制冷片，且冷端朝向冷介質(zhì)浴缸并接觸冷介質(zhì)，熱端朝向熱介質(zhì)浴缸并接觸熱介質(zhì)，所述半導(dǎo)體制冷片連接到所述第一溫控儀。
8.如權(quán)利要求7所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述半導(dǎo)體制冷片有多片，多片半導(dǎo)體制冷片之間以冷面貼熱面堆疊的形式逐級串聯(lián)。
9.如權(quán)利要求7所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述流體介質(zhì)為水、防凍液或油。
10.如權(quán)利要求8所述的一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，其特征在于所述流體介質(zhì)為水、防凍液或油。
專利摘要本實用新型涉及一種相變儲能材料自動化熱循環(huán)實驗裝置，包括恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊、控制模塊、檢測模塊和換熱模塊；由第一溫控儀控制恒溫冷熱介質(zhì)浴模塊的冷熱介質(zhì)溫度，由第二溫控儀控制換熱模塊對待測相變儲能材料試樣進行冷、熱循環(huán)，由檢測模塊的計數(shù)器自動記錄循環(huán)次數(shù)，由溫度巡檢儀記錄相變溫度。本實用新型裝置完全實現(xiàn)相變儲能材料自動化循環(huán)過程，可縮短循環(huán)實驗時間，記錄循環(huán)次數(shù)，并實時采集相變材料溫度變化情況，極大提高了相變儲能材料熱循環(huán)實驗效率。
文檔編號G01N25/20GK202583097SQ201220205388
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者李清海, 周全, 郭紅斌, 李東旭 申請人:中國建筑材料科學(xué)研究總院