CN101074854A - 潜热存储装置 - Google Patents

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Abstract

一种潜热存储装置，其包括：容器；设置在容器内的相变材料；至少一个与相变材料接触的热交换界面；至少一个在相变材料的本体内延伸的石墨薄片片层。

Description

潜热存储装置
技术领域
一种潜热存储装置。
背景技术
相变材料(PCM)能够以潜热形式存储热能。这样的材料在供给或取出热量时可进行相变，例如从固相向液相(熔融)或从液相向固相(固化)的转变，或者低温与高温变换之间或水合与脱水变换之间或不同液态变换之间的转变。如果从相变材料供给或取出热量，则在达到相变点时，温度将保持恒定直至材料完全转变。不会导致材料中温度变化的在相变期间供给或释放的热量已知为潜热。
在潜热存储装置中，可利用相变材料来存储潜热。该装置通过从穿过界面将热量释放至存储热量的相变材料内的介质传出热量(热能)进行注入，通过从相变材料、经界面将热量传递至被加热的介质来实现输出。获得或输出热量的介质例如可以为水或蒸汽，空气，氦或氮。热交换界面例如可以由获得或输出热量的介质通过的热交换管壁构成或由获得或输出热量的介质流过的热交换板构成。
不利的是，大部分相变材料的热传导率均相当低(在0.2W/m*K～1.0W/m*K的范围内)。结果，潜热存储装置的注入和输出是较慢的过程。因此，为了减小热量必须在相变材料的本体内传递的距离，往往使与热交换界面相邻的相变材料层的厚度最小。例如，当经热交换管从相变材料传出热量或将热量传递至相变材料时，在管之间必需有小的距离，以便减小PCM层(必须通过该层，从热交换管传出热量或将热量传递至热交换管)的厚度。在为10～50毫米(mm)的管之间的代表性距离可以为大约50～80mm。由于需要管之间具有小的距离，因此，具有规定容量的储热装置所需的管数量变得相当大。由于大量的管会导致装置难以制造和处理并且很昂贵，因此，从技术和经济的原因考虑，其是非常不利的。
通过提供一种使相变材料与具有高热传导率的辅助成分(例如，石墨)相组合的潜热存储装置，能够克服相变材料的低热传导率问题。
美国公开文本No.2004-084658披露了一种潜热存储装置，该装置使用了一种潜热存储复合件，这种复合件包括相变材料和体积百分率为5～40％的膨胀石墨微粒，将潜热存储复合件的本体层引入带有热交换器轮廓的潜热存储容器。
在整个潜热存储复合件中，石墨微粒被基本上均匀地分布。因此，不存在占优势的热传导方位。但是，希望能够朝向/从发生热交换的界面进行优选热传递，以便加强潜热存储容器的注入或输出。
发明内容
在一个实施例中，本发明涉及一种潜热存储装置，其具有至少一个设置在相变材料的本体内的石墨薄片片层，并且该相变材料由容器包围并与热交换界面接触。潜热存储装置可以提供相变材料的本体内的定向热传递和/或相变材料的本体内的局部增大的热传导率。
石墨薄片的特征在于：热传导率的显著各向异性。平行于所述薄片平面的特定热传导率比垂直于薄片平面的特定热传导率高出20～100倍。因此，石墨薄片非常适于热量的定向传递。因此，在潜热存储装置中，至少一个石墨薄片片层在石墨薄片和相变材料的总体积内的体积百分率可被保持得非常低。在潜热存储装置中，至少一个石墨薄片片层在石墨薄片和相变材料的总体积内的代表性体积百分率为最多20％，在另一实施例中，低于10％。
在本发明一个实施例的潜热存储装置中，石墨薄片片层可紧固在热交换界面处，例如紧固在热交换管或板上。在该实施例中，石墨薄片片层倾斜于热交换界面设置。在文中的倾斜设置意味着热交换界面与石墨薄片片层之间的角度不为零，即片层不平行于热交换界面，而是相对于界面伸入相变材料的本体内。根据一个实施例，至少一个石墨薄片片层垂直于热交换界面。
由于石墨薄片片层的这种结构，因此，平行于石墨薄片片层的导热性有助于热量从热交换界面向相变材料本体的传递，反之亦然。在相变材抖本身内，在石墨薄片片层附近，必须使热量仅沿相变材料层的一半厚度的短距离传递。这样，能够非常有效地促进相变材料的本体内的热传递，即使用于储热的整个体积内的石墨薄片片层的体积百分率非常小。更为特别的是，至少一个石墨薄片片层在石墨薄片片层和相变材料的整个体积中的体积百分率最多为20％，优选小于10％。
根据本发明的另一实施例，所述至少一个石墨薄片片层可被设置为使得至少一个片层在不与热交换界面直接机械相连的情况下伸入相变材料的本体内。这种结构有助于在相变材料的离热交换界面更远的那些区域内进行热传导。另一方面，在热交换界面附近，由于到热交换界面的短距离，在相变材料内的热传递不太关键。可以将不与热交换界面接触的石墨薄片片层紧固在围绕相变材料的容器的内壁上。
当然，可以结合所有变形，以使潜热存储装置例如设有多个与热交换界面接触并伸入相变材料的本体内的第一石墨薄片片层以及多个在相变材料的远离热交换界面的本体内延伸的第二石墨薄片片层。
在各种实施例中，石墨薄片片层可采用平面形状。也可以采用之字形方式折叠这些石墨薄片片层或以类似波纹状铁片的方式使这些石墨薄片片层形成波纹状。作为可选择的方案，可以结合多个石墨片层以形成在相变材料的本体内延伸的非平面状结构。例如，可以以之字形链的方式设置多个石墨薄片片层。为了稳定石墨薄片片层的波纹形状或之字形状，可以沿石墨薄片片层边缘使用加强件，例如凸缘状或卷曲状金属或塑料条。
在另一实施例中，石墨薄片片层设有多个允许熔融相变材料流过的穿孔。这样，能够减小或避免在相变材料熔化时因体积突然增大而产生的机械应力。
石墨薄片片层可以在至少一个表面上设置类似球形圆块或扣环那样的凸起区域的结构。这些凸起起到分隔件的作用，并能在相变材料处于液态时防止片层在彼此上滑动。相反，由于凸起的分隔作用，因此始终会在容纳相变材料的相邻片层之间留下一定间隙。在一个实施例中，薄片中凸起区域的厚度与非凸起区域的厚度之间的比率为20∶1～5∶1。由于由凸起占据的空间对于相变材料不可用，因此凸起的面积必须保持较小。通过使用具有适当形状的压延辊能够制备具有一定表面结构的石墨薄片。
根据本发明的一个实施例，预制包括石墨薄片片层和相变材料的复合件并将这些复合件设置在潜热存储装置内。特别优选地为由一个石墨薄片片层和一个相变材料层形成的层压制品(层压复合件)。
通过将液态相变材料浇注至石墨薄片片层的表面上或石墨薄片片层的周围并允许相变材料固化，可获得这些复合件。必须利用相变材料填充石墨薄片片层周围的空间由模具或其它适当的装置限定。至少一个石墨薄片片层设置在模具内。
例如通过融化或溶解在适当的溶剂中，能够将相变材料转变为液态，该溶剂之后会从复合件蒸发。可以采用在层压制品内，石墨薄片片层的体积百分率最多为20％，优选小于10％的量施加相变材料。该实施例的优点在于：由于预制了复合件，因此，在潜热存储装置的组装期间，不必处理热液态相变材料。
石墨薄片片层的预制可从例如美国专利No.3,404,061中获知。为了制造膨胀石墨，以类似冲击的方式，将石墨插层化合物或石墨盐(例如石墨硫酸氢盐或石墨硝酸盐)加热至800℃～1,000℃。随后，释放插层成分并使石墨颗粒的体积增大200～400倍。这种体积上的增大对应于容积密度从石墨盐常见的600～700克/立方厘米(g/cm3)降低至大约2～7克/升(g/l)。
膨胀的石墨由蠕虫状或手风琴状集料构成。如果沿压力的作用方向压紧膨胀石墨，则石墨层平面最好垂直于压力的作用方向，同时，单个集料彼此勾挂。结果，可以制造出无需添加任意粘结剂就能自身支撑的平面薄片状结构(“石墨薄片”)。这样，能够制造出厚度为0.1～3毫米(mm)、面积重量100～3,000克/立方厘米(g/cm3)的石墨薄片。沿平行于薄片平面的方向的热传导率为70～500瓦每米开氏温度(W/m*K)，而垂直于薄片平面的热传导率仅为3～6W/m*K。由于更强的压缩会导致基层平面更明显的对齐，因此，更高的薄片密度往往更易形成热各向异性。
在一个实施例中，潜热存储装置可包括一片或多片石墨薄片(例如，一个或多个石墨薄片片层)，其中，每个石墨薄片的厚度均为0.1～3mm、密度为0.5～1.9g/cm3并且平面内热传导率至少为70W/m*K。
适用于本发明的石墨薄片的另一特点在于其能够抵抗化学侵蚀和腐蚀。石墨薄片往往具有对无机溶剂、盐和盐溶液、无氧化酸和基材的耐受性。
根据本发明的实施例，在潜热存储装置中可使用在工作温度范围内相对于石墨惰性的任意相变材料。本发明允许使用各种相变材料，甚至是那些能够腐蚀金属的材料，如氯化盐。
相变材料具有在液相与固相之间的转变或在不同固相或液相之间的转变。在一个实施例中，适合的相变材料的相变温度范围为-100℃～+500℃。在高于500℃的相变温度下，必须更加小心以防止石墨被周围的氧气氧化侵蚀。
适合的相变材料例如可以采用石蜡，糖醇，聚合物(特别是热塑性聚合物)，水，例如脂肪酸的有机酸或例如癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸以及硬脂酸的其它有机酸以及它们的混合物，盐的水溶液，水合盐，水合盐的混合物，无机和有机盐，盐的低共熔混合物，笼形水合物(chlathrate hydrates)和碱金属的氢氧化物。适用作相变材料的聚合物的典型例子可采用聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯亚胺、聚丁二烯、聚异戊二烯、聚氢化丁二烯、聚醚酯弹性体、乙烯/丙稀/二烯(EPDM)聚苯乙烯以及聚氯乙稀。适用作相变材料的盐和水合盐的例子包括：铵，碱和碱土，如镁、钠、钾、钙、锂、钡的氯化物，氯酸盐，硝酸盐，氯化物，硫化物，磷酸盐，氢氧化物，碳酸盐，氟化物，溴化物，乙酸盐，乙酰胺及它们的水合物。适用作相变材料的盐和水合盐的典型代表性材料例如为硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂、氯化钠、氯化钙、氯化锂以及它们的混合物或氯化钙六水合物、氯化镁六水合物、氯化锂三水合物和乙酸钠三水合物。糖醇的代表性材料例如为季戊四醇、三羟甲基乙烷、赤藓醇、甘露糖醇、新戊二醇及它们的混合物。这些名单仅仅包括例子，而并不意味着限定。
在潜热存储装置的一个实施例中使用的热交换界面(管，板等)可以例如由金属、石墨、含有石墨的复合件或陶瓷制成。材料的选择取决于许多条件，如工作温度，相变材料的腐蚀性以及必须获得和输出热量的介质。
附图说明
图1A为一种预制潜热储存层压制品的平面图。
图1B为图1A中预制潜热储存层压制品的侧视图。
图2为多个潜热储存层压制品布置在热交换管上的示意性剖面图。
图3为多个石墨薄片片层布置在潜热存储装置内的示意性剖面图。
图4为根据另一个实施例，多个石墨薄片的折叠片层布置在潜热存储装置内的示意性剖面图。
图5为根据另一个实施例，多个石墨薄片的波纹状片层布置在潜热存储装置内的示意性视图。
图6为根据另一个实施例，包含相变材料和多个石墨薄片片层的小盒的示意性剖面图。
图7A为一种容器的示意性侧视图，该容器具有涂覆有相变材料的石墨卷绕层。
图7B显示了图7A的容器沿着线A-A’的剖面侧视图。
图8显示了在具有石墨薄片和钢片的情况下，相变材料的注入时间的示意图。
具体实施方式
图1A和图1B分别显示了一种层状复合件(层压制品)1的主视图和侧视图，该层压制品包括石墨薄片片层2和呈固态的相变材料(PCM)层3。在该层压制品的中心有允许层压制品1布置在热交换管上的通孔4。
在图1A和图1B所示的实施例中，石墨薄片片层2的表面面积大于呈固态的相变材料(PCM)层3的表面面积。图1A显示了呈矩形的层压制品1，其带有石墨薄片片层2，该片层2的表面面积大于相变材料层3的表面面积。层压制品1的代表性尺寸为350×350×0.5mm3的片层2和320×320×5～10mm3的层3。表面面积的差由边缘2A表示。在一旦相变而使相变材料的体积增大时，可对由石墨薄片片层2的伸到相变材料层3的边缘之外的边缘2A限定的空间6进行填充。在不设置这些空间的情况下，相变材料的体积增大会导致潜热存储装置爆裂。
图2显示了多个层压制品1在热交换管5上的层叠状结构。通过使管5穿过每一层压制品中的通孔(例如，图1A和图1B中的层压制品1中的通孔4)，可以将每一层压制品1设置在管5上。传出热量或热量传递至其上的介质(例如水)可通过管5。管5的代表性直径为10～50mm，而管5的长度为2～10米。在该实施例中，管5的壁5A形成了热传递界面。应理解：热交换管上的层压制品的数量可根据例如潜热存储装置中的管5的长度以及所需的热传递等因素变化。
在那些靠近管5的壁5A的PCM层3的区域中，小的距离有助于相变材料和热交换界面之间的直接热传递。另一方面，对于那些离管5更远的相变材料层3的区域，石墨薄片片层2向热交换界面提供导热性接合部。在相变材料的本体内的热传递必须仅在层3的一半厚度的短距离范围内发生。热传递由图2中的箭头表示。
应理解：本发明中该实施例的储热装置可包含多根带有层压制品1的热交换管5，其中每个层压制品均由石墨薄片片层2和设置在其上的相变材料层3构成。还应理解：可以穿过层压制品设置一根以上的热交换管5。
通过限定片层2上的边缘2A，将液态相变材料浇注在石墨薄片片层2的表面上并允许相变材料固化，从而形成层3，由此能够获得石墨薄片和相变材料的层压制品(如层压制品1)。如图1A和图1B所示，层压制品在片层2上形成层3，在片层2的边缘2A上没有相变材料。例如，通过熔化或通过溶解在之后会从层压制品蒸发的适当溶剂中，可实现使相变材料变为液态的转变。相变材料被以这样的量施加，即，在层压制品1内，石墨薄片片层2的体积百分率最多为20％，并且在一个实施例中小于10％。例如，厚度为0.5mm的石墨薄片片层2涂覆有厚度为5～10mm的相变材料层3。
参照图1A、1B和2所描述的实施例的优点在于：由于层压制品的预制，在潜热存储装置的组装期间，不必处理热液态相变材料。
每个层压制品均由石墨片层和相变材料层形成的预制层压制品的应用不局限于图2的带有热交换管的实施例。在未在图中显示的另一实施例中，以使石墨薄片片层垂直于热交换板的方式，在热交换板之间设置包含多个层压制品的层叠件，其中，每个层压制品均由一个石墨薄片片层和一个相变材料层形成。在这种结构中，层压制品未设置中央通孔。
在相变材料层的靠近热交换板的那些区域中，小的距离有助于相变材料与热交换板之间的直接热传递。另一方面，对于相变材料层的更远离热交换板的那些区域而言，石墨薄片片层为热交换板提供导热性接合部。在相变材料的本体内的热传递必须仅在层的一半厚度的短距离范围内发生。
石墨薄片片层可带有在至少一个表面上包括类似球形圆块或扣环那样的凸起区域的结构。这些可选择的凸起能够起到分隔件的作用，并能在相变材料处于液态时防止片层在彼此上滑动。例如，在带有5mm直径且高度5mm的球形圆块的一个表面上设有石墨薄片片层(厚度为0.5mm)。球形圆块之间的距离为大约20mm。图1B显示了从片层2的表面突出的凸起8(以虚线所示)，在所述表面上注有相变材料层3。在储热装置内，以设有球形圆块的表面接近相邻薄片表面并且在其内部未注入相变材料的方式组装片层。
根据在图3中所示的本发明的另一实施例，在热交换管5上设有多个第一石墨薄片片层12A，并且，以在相变材料本体13内延伸且不与热交换管5直接机械接触或相连的方式设置多个第二石墨薄片片层12B。可以将不与热交换管5直接接触的第二石墨薄片片层12B紧固在包围相变材料的容器7的内壁上。由于在相变材料13的更远离热交换管5的所述区域中，由片层12B提供附加热传递，因此，图3所示的结构是有利的。在相变材料本体内的热传递必须仅在片层12A、12B之间的PCM13层的一半厚度的短距离范围内发生。
在图3的实施例中，将第一片层12A设置成在多根热交换管5上延伸的连续片层。片层在管5的位置处设有通孔(例如，在图3中，每个第一片层12A均包括两个用于管5的通孔)。在另一实施例中，代替连续片层，可以在每个热交换管上设置多个带有中央通孔的单独石墨薄片片层。
为了在容器7中组装储热装置，可以首先将第一片层12A固定在管5上。随后，将这些管安装在容器7内。作为可选择的方案，如果使用具有较小通孔的第一片层12A和具有较大通孔的第二片层12B，则首先将两种类型的片层固定在容器7上，随后可以穿过容器和通孔输送管5。
虽然在图3中，如图所示，第一片层12A相对于第二片层12B平行布置，但是，本发明不局限于这种特定结构。能够确保石墨薄片片层充分进入相变材料本体13内的第二片层12B的相对于第一片层12A的任意结构均是适合的。
在一个实施例中，将第一片层12A和第二片层12B加入到容器7中，随后，如果适合，以粉末或散料或液态将相变材料13注入容器7内。可以设置在容器中的空间，以便允许相变材料在相变时体积增大。一种形成空间的形式可通过用相变材料13不完全地填充容器来实现。
作为可选择的方案，可通过在容器内设置多个图1所示的预制层压制品实现图3的实施例。所以，在热交换管5上设置多个设有中央通孔的第一预制层压制品，并且，以这些多个第二层压制品的石墨薄片片层不与热交换管5接触但紧固在容器7的内壁上的方式，在容器7内设置多个第二层压制品。
另外，包括与热交换界面接触的多个第一石墨薄片片层和在相变材料的本体内延伸但不与热交换界面接触的多个第二石墨薄片片层的结构可用于在替代热交换管而设置热交换板的装置中。多个第一石墨薄片片层以它们采用不同于零度的角度、从板表面伸入相变材料的本体内的方式相对于热交换板设置，多个第二石墨薄片片层以它们在相变材料本体内延伸但不与热交换板直接机械连接的方式设置。代替片层，可利用每一个均由一个石墨薄片片层和一个相变材料层形成的预制层压制品组装该实施例。必须设置空间以允许相变材料在相变时体积增大。
图4显示了本发明中一个实施例的潜热存储装置的另一实施例。在该实施例中，以之字形方式折叠石墨薄片片层2。之字形折叠的石墨薄片片层2的部分22A，22B…设有多个允许折叠的片层设置在热交换管5上的对准通孔。由于片层22是以之字形折叠的，因此，石墨薄片以不同于零度的角度从管5的壁5A伸出。
图4的潜热存储装置包括含有多根热交换管5，5′，5″…的容器，其中每一根热交换管均具有由设置在其上的石墨薄片制成的之字形折叠的片层22，22′，22″…等。容器中围绕热交换管5，5′，5″…和片层22，22′，22″…的空间含有相变材料23。在一个实施例中，管5，5′，5″上的片层22，22′，22″…以第一片层22的折叠顶点22C伸入下一片层22′的折叠开口内的方式相对于彼此设置。换句话说，每一片层的顶点和凹形均定向对准。这种结构允许石墨薄片充分进入相变材料的本体内。
在相变材料23的靠近热交换管5，5′，5″…中的一根热交换管的那些区域中，小的距离有助于相变材料23与热交换管的壁5A之间的直接热传递。另一方面，对于相变材料层的那些更远离热交换管的区域而言，石墨薄片片层为热交换界面提供导热性接合部。在相变材料的本体内的热传递必须仅在片层22A，22B之间的相变材料层23的一半厚度的短距离范围内发生。
在一个实施例中，如果适合，以粉末或散料或液态将相变材料注入容器内。可以设置空间，以便例如通过仅部分填充折叠片层中的V形开口，从而在相变时允许相变材料体积增大。
作为可选择的方案，通过将液态相变材料注入折叠片层22的V形开口内并允许相变材料23固化，从而预制出包含石墨片层22和相变材料23的复合件。应设置空间，例如通过在预制的复合件与容器壁之间设置过大的自由空间，从而允许相变材料在相变时体积增大。
为了在相变材料23固化之后，组装预制的复合件在容器中，可以在复合件内钻出多个孔，以允许移动通过热交换管5。作为可选择的方案，在将液态相变材料浇注至薄片上之前，例如通过冲孔可以在薄片中设置用于热交换管的通孔。在将相变材料浇注至薄片上之前，应在孔的位置处设置分隔件，以防止液态相变材料填充至提供用于热交换管的通孔的空间。在将液态相变材料浇注至薄片上并允许相变材料固化之后，应取出分隔件。可以将这种包含用于热交换管的通孔的预制复合件固定在热交换管上并随后将其安装在容器中。
也可以在具有代替管的热交换板的装置中使用这些预制复合件。可以将该复合件设置在板之间，以便以之字形折叠的片层在两块热交换板之间延伸。
代替以之字形方式折叠，可以以类似波纹铁片地使设置在热交换管5，5′，5″…上的石墨薄片片层22，22′，22″…成波纹状。
根据本发明的另一实施例，图5显示了在潜热存储装置35内一个叠置在另一个顶部上的多个石墨薄片的波纹状片层32，32′，32″…的结构的示意性分解视图。分别在相邻片层32，32′，32″…等之间设置由相变材料制成的层33，33′…等。在图5所示的实施例中，以使第一片层32的波纹方向相对于第二片层32′的波纹方向转动90°的方式设置这些片层。由于这种相邻片层的波纹的正交取向，因此，能够阻止在相变材料处于液态时波纹片层彼此滑动。相反，在能够容纳相变材料33的相邻片层32，32′之间始终保留一定空间。
可以由以使第一片层的折叠方向相对于下一片层的折叠方向转动90°的方式彼此叠置的之字形折叠片层形成相似的结构。
图5的实施例使用穿过石墨薄片片层32，32′，32″…以及位于它们之间的PCM层33，33′，33″…的热交换管。作为可选择的方案，可以分别将包括多个在中间具有相变材料层33，33′，33″…的石墨薄片片层32，32′，32″…的层叠制品组装在热交换板之间。
可通过使片层彼此叠置，将液态相变材料注入石墨薄片片层之间的空间并允许相变材料固化，由此形成包括多个石墨薄片片层的预制复合件，其中所述石墨薄片片层以使第一片层的波纹和折叠方向相对于下一片层的波纹和折叠方向转动90°并在它们中间具有相变材料层的方式彼此叠置。可以设置空间以允许在相变时相变材料增大体积。
在潜热存储装置的另一实施例中，将包含相变材料的多个小盒设置在包含输出热量或热量传递至其上的介质的容器中。在该实施例中，通过小盒的壁形成热交换界面。由于分布在多个小盒上，从而形成了比较大的热交换界面。
根据本发明的实施例，可以将在相变材料的本体内延伸的石墨薄片片层设置在小盒内。在小盒内设置空间以允许相变材料在熔化时体积增大。当设置能够应对体积增大的弹性的小盒壁时，消除了设置空间的需要。用于这种弹性小盒壁的适合材料为带有气相沉积铝的塑料薄片。
在小盒中，可以将石墨薄片片层在石墨薄片和相变材料的总体积内的体积百分比限制在最多20％，优选小于10％。
根据图6所示的本发明的实施例，在这种小盒45内，可以设置多个层压制品41，每一个层压制品均由石墨薄片片层42和相变材料层43形成。可以根据图1的层压制品来描述这类层压制品的制备。相变材料层43的厚度为5～10mm。
石墨薄片片层42有助于从相变材料层43的远离小盒壁45A的区域进行热传递。在相变材料的本体内的热传递必须仅在层43的一半厚度的短距离范围内发生。
在图6所示的小盒中，小盒45的体积没有由层压制品41完全充满。保留空间46以允许相变材料在相变时增大体积。作为可选择的方案，通过使石墨薄片片层42的表面面积大于处于固态的相变材料层43的表面面积，以与图2所示相似的方式设置空间，从而通过在所述层的边缘上方突出的石墨薄片片层42的边缘限定空间。在不设置这些空间的情况下，相变材料的体积增大会导致小盒爆裂。
当设置弹性小盒壁来应对体积增大时，消除了设置空间的需要。用于这种弹性小盒壁的适合材料为带有气相沉积铝的塑料薄片。
作为可选择的方案，预制包括折叠或波纹状石墨薄片片层和相变材料的复合件并将其设置在小盒中，从而折叠或波纹状片层从小盒的第一壁延伸至相对的壁。在一种方案中，通过将液态相变材料注入折叠或波纹状片层的开口内并允许相变材料固化来预制出复合件。
图7A和图7B显示了石墨薄片52的卷材51(例如，卷绕片材)的本发明的另一实施例。图7A显示了包括涂覆有相变材料53的石墨薄片卷片的容器的侧视图，图7B显示了通过线A-A’的容器的剖面图。图7A和图7B显示了呈卷材51形式的涂覆有相变材料53的石墨薄片片层52。如图7A所示，未涂覆相变材料53的石墨薄片片层52的端部为热交换界面，例如热传递介质流动的管5的壁5A提供了导热接合部。为了避免相变材料53在处于液态时发生泄漏，在填充有相变材料53的容器7中设置卷材51。卷材51由横向分隔件58限定。分隔件可包含有孔，以允许在相变时，相变材料53的体积增大。当然，可以在热交换界面的导热接合部中设置多个卷材51。在一个实施例中，通过使石墨薄片片层涂覆有处于液态状态的相变材料层并随后将涂覆片层卷起，以此能够获得卷材51。相变材料的厚度可根据卷材的半径变化。
在此处说明的每一实施例中，石墨薄片均可设有允许熔融相变材料流过的穿孔。以此方式，能够减小或避免在相变材料熔化时由突然的体积增大产生的机械应力。在薄片中设置穿孔的一种方式可通过钉齿辊(spiked roller)刺穿薄片来实现。作为可选择的方案，可通过冲压或转动切割形成穿孔。在一种典型的应用中，薄片具有空间。
如上面强调的那样，石墨薄片非常适于热量的定向传递。图8显示了用于加载(相变材料的完全转变)储热装置(其包括石墨薄片的热导体，具有不同厚度钢片，以及没有任何热传导片)所需时间的示意图。图8显示了石墨薄片的性能远好于钢散热片。利用硝酸钠/硝酸钾(NaNO3/K←NO3)的易熔混合物进行模拟，并且所述模拟适用于包括12根外径为12mm的管的管列。相变层的厚度为8mm。
在所附权利要求中限定了被认为是本发明特征的其它特征。
应理解：由于在不脱离本发明思想并且在权利要求的范围和等同方案的情况下，可作出不同的改进和结构变化，因此，本发明不应局限于给出的细节。
因此，应强调的是：虽然根据使用了相变材料的潜热存储装置进行了说明，但是，本发明还适合用于显热(sensible heat)存储的装置。

Claims (62)

1.一种潜热存储装置，其包括：
容器；
设置在所述容器内的相变材料；
至少一个与所述相变材料接触的热交换界面；以及
至少一个在所述相变材料的本体内延伸的石墨薄片片层。
2.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个热交换界面由热交换介质通过的热交换管的壁和热传递介质流过的板中的一个形成。
3.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：在所述潜热存储装置中，所述至少一个石墨薄片片层在石墨薄片片层和相变材料的总体积中的体积百分率为最多20％，优选小于10％。
4.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层具有厚度为0.1～3mm、密度为0.5～1.9g/cm3和平面内热传导率至少为70W/m*K的片层。
5.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述相变材料的所述相变温度为-100℃～+500℃。
6.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述相变材料从由石蜡、糖醇、热塑性聚合物、有机酸、水、盐的水溶液、笼形水合物、水合盐、水合盐的混合物、盐、盐的低共熔混合物以及碱金属的氢氧化物构成的组中选择。
7.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层设有多个穿孔，每一个穿孔均允许处于液相的所述相变材料流过。
8.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层包括在至少一个表面上的凸起区域。
9.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层紧固在所述至少一个热交换界面上，并伸入所述相变材料的本体内，从而在所述热交换界面与所述至少一个石墨薄片片层之间的角度不等于零。
10.根据权利要求9所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层被定向为垂直于所述热交换界面，所述至少一个石墨薄片片层紧固在所述热交换界面上。
11.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层在所述相变材料的本体内延伸并且不与热交换界面接触。
12.根据权利要求11所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层不与热交换界面接触并且紧固在包围所述相变材料的所述容器的内壁上。
13.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：
多个石墨薄片片层紧固在所述热交换界面上并且伸入所述相变材料的本体中，从而在所述热交换界面与所述石墨薄片片层之间的角度不等于零；以及
多个第二石墨薄片片层延伸在所述相变材料的本体中而不与热交换界面接触。
14.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层是折叠的和波纹状的。
15.根据权利要求14所述的潜热存储装置，其特征在于：通过加强件沿所述片层的边缘稳定所述至少一个石墨薄片片层。
16.根据权利要求14所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层包括多个部分，所述至少一个石墨薄片片层的每个部分均设有对准的通孔，并且所述至少一个片层通过这些通孔设置在热交换管上。
17.根据权利要求14所述的潜热存储装置，其特征在于：多个波纹状折叠片层以第一片层的波纹或折叠部分的顶点伸入第二片层的波纹或折叠部分的凹形内的方式相对于彼此设置。
18.根据权利要求14所述的潜热存储装置，其特征在于：多个波纹状折叠片层以使每一片层的波纹或折叠部分的方向相对于相邻片层的波纹部分的方向转动90°的方式相对于彼此设置。
19.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：所述潜热存储装置包括多个预制复合件，这些预制复合件由多个石墨薄片片层和相变材料形成。
20.根据权利要求19所述的潜热存储装置，其特征在于：所述复合件为多个由一个石墨薄片片层和一个相变材料层形成的层压制品。
21.根据权利要求20所述的潜热存储装置，其特征在于：层压制品中的所述相变材料层的厚度为5～10mm。
22.根据权利要求20所述的潜热存储装置，其特征在于：每个所述层压制品均具有通孔，每个所述层压制品均设置在至少一根延伸穿过所述通孔的热交换管上。
23.根据权利要求20所述的潜热存储装置，其特征在于：每个所述层压制品均以所述石墨薄片片层被定向为垂直于所述热交换板的方式设置在热交换板之间。
24.根据权利要求20所述的潜热存储装置，其特征在于：每个层压制品中的所述石墨薄片片层的所述表面面积均大于包括处于固态的所述相变材料层的表面积，并且由石墨薄片片层的边缘与所述固态相变材料层的边缘之间的距离限定出空间。
25.根据权利要求1所述的潜热存储装置，其特征在于：在所述容器中设有多个小盒，所述多个小盒中的每一个均包括所述相变材料，所述石墨薄片片层在所述相变材料的本体内延伸。
26.根据权利要求25所述的潜热存储装置，其特征在于：所述小盒包括由石墨薄片的折叠或波纹片层和相变材料形成的预制复合件。
27.根据权利要求25所述的潜热存储装置，其特征在于：所述小盒包括多个由一个石墨薄片片层和一个相变材料层形成的层压制品。
28.一种潜热存储装置，其包括：
容器；
设置在所述容器中的相变材料；
至少一个石墨薄片片层，其设置在所述容器内并与所述相变材料热连通；以及
与至少一个所述相变材料和所述至少一个石墨薄片片层接触的热交换界面。
29.根据权利要求28所述的潜热存储装置，其特征在于：所述热交换界面与每个所述相变材料和所述至少一个石墨薄片片层接触。
30.根据权利要求29所述的潜热存储装置，其特征在于：所述热交换界面与所述至少一个石墨薄片片层接触。
31.根据权利要求30所述的潜热存储装置，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层包括卷绕的部分。
32.根据权利要求31所述的潜热存储装置，其特征在于：所述卷绕部分为第一部分，所述第一部分接触所述相变材料，所述至少一个石墨薄片片层的第二部分接触所述热交换界面。
33.一种包括至少一个石墨薄片片层和相变材料的复合件。
34.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述石墨薄片片层在所述层压制品的总体积中的体积百分率为最多20％。
35.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述石墨薄片片层的厚度为0.1～3mm、密度为0.5～1.9g/cm3和平面内传热导率为至少70W/m*K。
36.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述相变材料的相变温度为-100℃～+500℃。
37.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述相变材料从由石蜡、糖醇、热塑性聚合物、有机酸、水、盐的水溶液、水合盐、水合盐的混合物、盐、盐的低共熔混合物、笼形水合物和碱金属的氢氧化物构成的组中选出。
38.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述石墨薄片片层被折叠或呈波纹状。
39.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述石墨薄片片层设有多个允许熔融的相变材料流过的穿孔。
40.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述石墨薄片片层具有在至少一个表面上包括凸起区域的结构。
41.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述复合件为由一个石墨薄片片层和一个相变材料层形成的层压制品。
42.根据权利要求41所述的复合件，其特征在于：所述相变材料层的厚度为5～10mm。
43.根据权利要求41所述的复合件，其特征在于：所述层压制品具有允许其设置在热交换管上的通孔。
44.根据权利要求41所述的复合件，其特征在于：所述石墨薄片片层的表面面积大于包括处于固态的所述相变材料层的表面面积，从而通过所述石墨薄片片层的边缘与所述固态相变材料层的边缘之间的距离限定出空间。
45.根据权利要求33所述的复合件，其特征在于：所述石墨薄片片层的一部分为卷绕形状。
46.一种小盒，其包括：
小盒壁，其形成了有助于与热量必须从其中传入或传出的介质进行热交换的热交换界面；
在所述小盒内的相变材料；以及
在所述相变材料的本体内延伸的石墨薄片片层。
47.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述石墨薄片片层在所述石墨薄片和所述相变材料的总体积中的体积百分率为最多20％。
48.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述石墨薄片片层的厚度为0.1～3mm、密度为0.5～1.9g/cm3以及平面内热传导率为至少70W/m*K。
49.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述石墨薄片片层被折叠或呈波纹状。
50.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述石墨薄片片层包括多个允许熔融的相变材料流过的穿孔。
51.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述石墨薄片片层具有在至少一个表面上包括凸起区域的结构。
52.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述相变材料的相变温度为-100℃～+500℃。
53.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述相变材料从由石蜡、糖醇、热塑性聚合物、水、盐的水溶液、笼形水合物、水合盐、水合盐的混合物、盐(特别是氯化物和硝酸盐)、盐的低共熔混合物以及碱金属的氢氧化物构成的组中选出。
54.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述小盒包括预制复合件，该复合件包括石墨薄片的折叠或波纹片层和相变材料。
55.根据权利要求46所述的小盒，其特征在于：所述小盒包含多个由石墨薄片片层和相变材料层形成的预制层压制品。
56.根据权利要求55所述的小盒，其特征在于：所述相变材料层具有为5～10mm的厚度。
57.根据权利要求55所述的小盒，其特征在于：每个层压制品中的所述石墨薄片片层的表面面积大于包括处于固态的所述相变材料层的表面面积，从而通过所述石墨薄片片层的边缘与所述固态相变材料层的边缘之间的距离限定出空间。
58.一种制造包括至少一个石墨薄片片层和相变材料的复合件的方法，该方法包括：
提供处于液态的相变材料；
提供模具，该模具限定了由所述相变材料填充的空间；
在所述模具内设置至少一个石墨薄片片层；
将所述液态相变材料注入所述模具内；以及
允许所述相变材料固化。
59.根据权利要求58所述的方法，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层被折叠或呈波纹状。
60.根据权利要求58所述的方法，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层包括多个允许熔融的相变材料流过的穿孔。
61.根据权利要求58所述的方法，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层具有在至少一个表面上包括凸起区域的结构。
62.根据权利要求58所述的方法，其特征在于：所述至少一个石墨薄片片层具有卷绕形状。
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