CN102395833A

CN102395833A - 流体调节装置

Info

Publication number: CN102395833A
Application number: CN2010800132886A
Authority: CN
Inventors: 马修·霍洛韦; 卡林娜·托莱; 丹尼尔·贝塞拉; 威廉·林赛·彭福尔德
Original assignee: ARTICA TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: Monod Da Ford Co.,Ltd.; VKR Holding AS
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2012-03-28

Abstract

一种流体调节装置，包括设置为冷却和/或加热流体的初级热交换器；设置为冷却和/或加热流体的次级热交换器；以及用于在所述初级热交换器不能以预定的可接受水平冷却和/或加热流体时操作所述次级热交换器的控制器；其中所述初级热交换器为基于相变材料(PCM)的热交换器。

Description

流体调节装置

技术领域

本发明涉及流体调节装置、相变材料(PCM)模块和/或与其关联操作的部件。本发明具有利用PCM进行环境温度控制例如住宅和商用建筑内的环境温度控制的特殊适用性。

背景技术

相变材料利用材料的潜热性质来储存热能并可用于温度控制方法中。相变材料或者是有机物例如石蜡或非石蜡化合物，或者是无机物(盐水合物和金属物质)，或者是低共熔混合物(有机物-有机物、有机物-无机物、无机物-无机物)。通常PCM具有的潜热容至少为其比热容的十倍。

确认以下现有技术文件：DE102007013779、US5647225、US7124594、US7162878、US5255526、US7363772、US5211029、US4916916、US5647225、US5860287和US6393861。

本发明的一个目的是试图改进初级PCM基流体调节装置的性能和可靠性。

发明内容

在第一宽范围独立方面，本发明提供一种流体调节装置，包括：设置为冷却和/或加热流体的初级热交换器；设置为冷却和/或加热流体的次级热交换器；以及在所述初级热交换器不能以预定的可接受水平冷却和/或加热流体(或流体不能冷却或加热所述初级热交换器至可接受水平)时操作所述次级热交换器的控制器，其中所述初级热交换器为基于相变材料(PCM)的热交换器。

该构造改善了系统的整体性能，因为其允许PCM热交换器在最小耗能下做最大的冷却和/或加热功，但是根据需要提供备用系统以改善性能和可靠性。例如，PCM可以选择为在室温附近(20-26℃)冻结/熔融。在诸如北欧的许多气候下，晚间气温即使在夏季也低于20℃。因此，PCM可用于在晚间储存冷能以在日间提供空间冷却。因为这些循环取决于自然波动和天气，因此有时夜间温度可能不足以低至冻结PCM或为PCM再储能。在这种情况下，可使用备用系统或辅助系统在夜间提供附加冷却，这是因为夜间温度已经较低，备用系统或辅助系统所必须做的功要低于其在日间所必须做的功，并且优点在于使用较廉价的夜间电力。在这种情况下，备用辅助系统可能只需要使夜间空气冷却目标温度与实际夜间温度的温差，例如如果冻结PCM所需的温度为18℃并且夜间温度为20℃，则辅助系统只需提供额外的2℃冷却。

在第二方面，基于PCM的热交换器可能需要提供冷却或加热。因为潜热储量有限，因此可能存在系统需要提供多于储量的能量的情况。如果初级热交换器不足以加热或冷却流体，则次级系统可额外提供流体加热或冷却。这允许初级PCM冷却和/或加热系统以能耗最小并在通常条件下运行，但却通过包括辅助系统或备用系统具有常规系统的性能和可靠性。其允许装置在各种室外温度条件下运行。相比于常规系统，其还进一步改善能效。

在补充方面，所述次级热交换器选自：基于蒸气压缩循环的空调系统、热泵、吸收制冷器、吸湿器、吸附冷却器或加热元件例如电热元件、电板加热器或红外加热器。

在补充方面，所述次级热交换器包括适合低温冷却的液体储备。这种组合进一步降低次级热交换器的能量需求。在相对不频繁地使用次级热交换器的情况下特别有利。

在又一补充方面，所述次级热交换器包括单级或多级蒸发冷却器。这种组合协同降低可实现的冷却水平的能量需求，这是因为蒸发冷却器可以在夜间更有效。

在再一补充方面，所述蒸发冷却器包括壳体；所述壳体具有空气进口、对应的空气出口；液体进口；对应的液体出口；以及芯吸表面。由于基于流体的热交换器相比于基于空气的热交换器的益处，也可改善蒸发冷却器和PCM热交换器之间的热交换。

在又一补充方面，所述次级热交换器包括Peltier冷却器。该构造还特别有利于只是偶尔需要次级热交换器的情况。这还使其自身成为特别紧凑的解决方案。在又一补充方面，所述次级热交换器与液体交换热，所述液体随后与所述初级热交换器的PCM交换热。该构造的优点在于使用热容高于空气的传热流体。但是，此类系统仍可用于提供新鲜的冷却空气。

在再一补充方面，所述初级热交换器包括一个或多个为PCM提供壳体的单元；其中所述壳体包括PCM槽。该构造与壳体中多个包裹件相比简化结构。

在又一补充方面，所述槽包括隔热面和至少一个非隔热面以增强通过所述面的对流。该构造特别有利于向室内释放冷量/热量。对该方面概括而言，所述槽可包括在使用时面对待进行热交换的空间(例如待加热或冷却的房间)的至少一个面，并且该面可以是非隔热的。不面对待进行热交换的空间的面可以是隔热的。

在另一宽范围独立方面，本发明提供一种相变材料(PCM)模块，包括一个或多个PCM包裹件(pack)；用于使所述多个PCM包裹件热隔离于模块周围介质的壳体；所述包裹件为具有上表面、下表面和相对窄的侧面的板形式；其中在所述板的上表面或下表面的至少其一中提供多个沟槽以允许流体流过模块与PCM进行热交换。该构造减少了所需的部件数目以在PCM包裹件堆叠件(stack)中提供空间并且使热交换器的表面积和储能密度最大化。

在另一宽范围独立方面，本发明提供一种相变材料(PCM)模块，包括多个PCM整体件或管；用于使所述多个PCM整体件热隔离于模块周围介质的壳体；以及在所述模块中的所述整体件或管的堆叠件之间形成间隙以允许流体流过模块与PCM进行热交换。该构造允许该整体件或管的堆叠件实现与传热流体改善的热交换。其还提供特别稳固的堆叠件，其组装还特别简单，同时使用相对轻质的单独部件。

在又一补充方面，所述整体件具有六边形截面。这允许单独的整体件均匀堆叠。

在另一宽范围独立方面，本发明提供一种相变材料(PCM)模块，包括多个PCM包裹件；用于使所述多个PCM包裹件热隔离于模块周围介质的壳体；以及通过所述PCM包裹件的管道以允许流体流过模块与PCM进行热交换。该构造进一步改善特定应用的热交换的效率。

在另一宽范围独立方面，本发明提供一种流体调节装置，包括设置为加热和/或冷却流体的第一热交换器；和设置为加热和/或冷却流体的第二热交换器；其中所述热交换器中的其一为基于相变材料(PCM)的热交换器，另一热交换器为蒸发冷却器。该构造与常规热泵以及热泵和蒸发冷却器的常规组合相比还在能效方面特别有利。

在另一宽范围独立方面，本发明提供一种流体调节装置，包括设置为加热和/或冷却流体的第一热交换器；和设置为加热和/或冷却流体的第二热交换器；其中所述热交换器中的其一为基于相变材料(PCM)的热交换器，另一热交换器为Peltier冷却器。该构造与热泵和PCM材料的常规组合相比还在效率方面特别有利。这使其自身用作辅助系统的Peltier，这在相对少需要使用Peltier冷却器的情况下特别有利。

在另一宽范围独立方面，本发明提供一种流体调节装置，包括设置为加热和/或冷却流体的第一热交换器；和设置为加热和/或冷却流体的第二热交换器；其中所述热交换器中的其一为基于相变材料(PCM)的热交换器，另一热交换器为基于太阳能的热交换器或太阳能集热器。

在另一宽范围独立方面，本发明提供一种可移动PCM(相变材料)模块，包括多个PCM包裹件；用于使所述多个PCM包裹件热隔离于模块周围介质的壳体；分隔所述包裹件并形成一个或更多个流体流动通道的空间；所述壳体包括流体进口和流体出口；由此在使用时流体从所述进口流过所述通道到所述出口。

该构造是特别有利的，因为其允许针对不同的能量需求由多个模块构建系统。当在模块中不设置任何驱动或动力部件时，还可转换常规思维。由此，可允许改装现有的空气流动系统。还改善了耗能效率。

在一个补充方面，所述进口和/或所述出口包括一个或更多个流量调节阀。如果模块仅包括这些部件，则进一步减少了必需的部件数目并允许相比于每个模块包括功率部件的模块而言特别紧凑的模块。

在另一补充方面，所述PCM包裹件基本上并排设置。在该构造中，对冷却有利。

在另一补充方面，所述PCM包裹件被一个或更多个横向延伸并形成所述通道的热导体分隔。这允许PCM部分具有更大的有效体积并因此改善其效率。

其它方面改善以下一项或更多项：PCM的效率、湍流、系统相对于其效率的紧凑性、总包装重量及其制造要求。

在另一补充方面，所述热导体呈波纹板的形式。

在另一补充方面，至少一个所述PCM包裹件包括波纹壁以形成流体流动通道。

在另一补充方面，在至少一个所述通道中提供多个突起。

在另一补充方面，至少一个所述PCM包裹件包括壁，突起从所述壁上突入所述通道中。

在另一补充方面，所述或每个PCM包裹件包括第一导热板和包封主要由PCM形成的部分的第二导热板的层合体；其中PCM的所述部分包括热导体。在另一补充方面，所述热导体从一个或两个所述导热板横向延伸。

在另一补充方面，所述热导体在平面图上形成六边形。

在另一补充方面，所述层合体还包括波纹导热板。

在另一补充方面，所述层合体包括第三导热板和包封主要由PCM形成的第二部分的第四导热板；以及位于所述第二和第三导热板之间的波纹导热板。

在另一补充方面，所述层合体包括多个在所述板上的突起。

在另一补充方面，所述导热板选自铝基材料、钢基材料和塑料材料。

在另一补充方面，所述PCM选自盐、盐基水合物、盐和/或盐基水合物的混合物、和/或有机材料。

在另一补充方面，所述盐基水合物选自水合氯化钙或水合硫酸钠。

在另一补充方面，所述盐基水合物包括增稠剂，所述增稠剂选自黄原胶和/或Liponite。

在另一补充方面，所述有机材料为基于石蜡的材料。

在另一补充方面，所述热导体包括混入所述PCM中的导热化合物。在另一补充方面，所述热导体是混入所述PCM中的碳基化合物。

在另一补充方面，所述碳基化合物为炭黑。

在另一补充方面，所述热导体包括钢丝绒或化学碳纳米管。

在另一补充方面，所述模块还包括小型(pettier)冷却器。

在另一补充方面，所述模块还包括蒸发冷却器。

在第二宽范围独立方面，本发明提供一种空调装置，包括：

根据前述要求中任一项所述的一个或更多个可移动PCM模块；和

至少一个可移动控制模块，其包括具有进口和出口的壳体；以及在使用时使流体从所述进口流至所述出口的泵；

其中所述装置包括将所述可移动控制模块与所述可移动PCM模块连接的管道。

在一个补充方面，所述控制模块包括位于所述壳体的不同面上的第一和第二进口以及设置为调节所述进口之间的流入量的阀。

在另一补充方面，所述控制模块包括在所述进口和所述出口之间的内管道；所述内管道包括两个相邻的通路，一条通路包括泵，另一条通路包括止回阀。

在另一补充方面，所述装置还包括可移动备用模块，所述可移动备用模块包括热泵、换流器、Peltier冷却器或蒸发冷却器中的其一；并且还包括用于将所述备用模块与所述PCM模块连接的装置。

在第三宽范围独立方面，一种PCM(相变材料)包裹件包括第一导热板和包封主要由PCM形成的部分的第二导热板的层合体；其中PCM的所述部分包括热导体。

在一个补充方面，所述热导体从一个或两个所述导热板横向延伸。

在另一补充方面，所述热导体在平面图上形成六边形。

在另一补充方面，所述层合体还包括波纹导热板。

在另一补充方面，所述层合体包括多个在所述板上的突起。

在另一补充方面，所述盐基水合物选自水合氯化钙或水合硫酸钠。在另一补充方面，所述盐基水合物包括增稠剂，所述增稠剂选自黄原胶和/或Liponite。

在另一补充方面，所述有机材料为基于石蜡的材料。

在另一补充方面，所述热导体包括混入所述PCM中的导热化合物。

在另一补充方面，所述热导体是混入所述PCM中的碳基化合物。

在另一补充方面，所述碳基化合物为炭黑。

在另一补充方面，所述热导体包括钢丝绒或化学碳纳米管。

附图说明

以下参考附图进一步说明本发明的实施方案，其中：

图1示出包括主要的PCM模块和其次的热交换单元的流体调节装置的实施方案的示意性截面图。

图2示出具有低温辅助装置的基于PCM的流体调节装置的示意性截面图。

图3示出使用流体代替空气在第一流体调节装置和第二流体调节装置之间实现传热的流体调节装置的示意图。

图4示出根据另一实施方案的流体调节装置中的中央单元的示意图。

图5示出包括蒸发单元的流体调节装置。

图6示出不含PCM材料的模块。

图7示出PCM槽。

图8示出进行基于流体的热交换的PCM模块。

图9示出具有图8所示类型的PCM模块的另一实施方案。

图10示出控制单元。

图11示出PCM模块。

图12示出具有两个模块的系统。

图13示出Peltiere辅助装置。

图14示出PCM包裹件的多个视图。

图15示出PCM整体件的多个视图。

图16示出整个具有六边形部件的多个PCM包裹件。

图17示出PCM包裹件的多个视图。

图18示出具有半圆形沟槽的PCM包裹件的多个视图。

图19示出在截面上多个PCM包裹件被波纹板隔开的热交换器。

图20示出图19的实施方案的透视放大图。

图21示出PCM包裹件与波纹板组合的透视图。

图22示出便携式PCM包裹件的透视图。

图23A和B示出包括导热波纹板的PCM包裹件。

图24示出PCM包裹件与具有多个孔的波纹板的组合件的透视图。

图25示出六边形阵列的组合件的透视图。

图26示出PCM包裹件与具有穿孔的六边形阵列的组合件的透视图。

图27A和B示出包括波纹壁的PCM包裹件的截面图和透视图。

图28A和B分别示出其壳体可通过挤出形成的PCM包裹件的截面图和透视图。

图29示出包括多个图28所示类型的PCM包裹件的热交换器的透视图。

图30示出包括多个图28所示实施方案的PCM包裹件的热交换器的透视图。

图31示出根据本发明的相变材料包裹件。

图32-35示意性示出流体调节系统的不同实施方案。

发明详述

图1示出一般标记为1的流体调节装置。空调装置1包括分别标记为2、3、4的三个空气进口。利用风扇或泵6将新鲜空气通过进口3从外面引入壳体5中。重要的是要注意，虽然本发明的实施方案主要说明用于冷却空气，但是也可以利用这些系统冷却和/或加热其它流体。在常规操作模式中，空气通过PCM热交换器7输入，使得空气中的任何热可以在通过出口8离开壳体之前被PCM吸收。该装置可优选配备控制器，该控制器可构造为测量PCM的温度，以确定热交换器可实现的冷却程度。如果由于热交换器周围的条件，例如由于PCM热交换器不能有效工作或输入的流体的温度不够热/冷而导致需要辅助装置，则控制器开启辅助装置。在这种构造中，辅助装置包括具有位于待冷却空气通路中的冷的热交换器和冷凝盘9以及热的热交换器10的热泵。热泵可包括必要的压缩机和膨胀阀或吸收制冷器、吸湿器或吸附冷却器。框11示出冷却时其位于热的热交换器10和冷的热交换器9之间的位置。如果提供辅助装置来加热空气，则热交换器10是冷的热交换器，而热的热交换器是热交换器9。如果在日间需要辅助装置，则控制器会使提供的空气流过热的热交换器并使阀12关闭，而阀13开启。当装置在辅助装置操作模式下操作时，附加的风扇通过进口4泵送空气。提供阀14以允许空气再循环通过该装置。提供阀15以根据操作者的选择允许和/或阻止新鲜空气进入装置。阀14和15可以组合。本发明还设想根据所需的控制水平没有阀或只有少量阀的系统。在通向房间的出口中提供阀16。该图没有示出其它的标准空调部件，例如空气扩散器。

图2示出一般标记为17的具有辅助装置的流体调节装置，所述辅助装置使用储备的液体二氧化碳或氮气当其在冷的热交换器18中膨胀时提供冷量。除了这种辅助装置外，该流体调节装置类似于图1中所示和具体说明的装置。与向辅助装置的热的热交换器引入空气供应不同，该装置包括出口20以允许空气返回外部。夜间，阀15开启并且阀14关闭以使夜间空气进入。如果夜间空气不足以冷到使PCM冻结，则装置的控制器使辅助装置运行。如果室温变得过冷，则阀16关闭并且阀12开启。在日间，阀C关闭并且阀D开启以使空气进入室内。如果室外冷，则阀15开启并且阀14关闭以使较少的空气再循环，反之亦然。还提供逸出阀以在冷量传递至热交换器之后允许膨胀的气体逸出。

图3示出一般标记为21的另一流体调节装置，其具有包括辅助单元31的中央单元22以及分布在待加热或冷却的空间周围的多个PCM单元23、24和25。提供传热流体管线例如传热流体管线26。提供返回管线27。当控制单元确认位于建筑周围的PCM储备不能提供所需的冷却效果时，启动辅助系统31。辅助系统包括热交换器，并且可以为蒸发系统、热泵、蒸气压缩系统等。当不需要辅助系统时，空气进口29将空气从外部引入通过用于冷却或加热的热交换器28。在空气进口29和任选的辅助系统31之间提供阀30。在使用时，另一空气进口32允许空气进入任选的辅助系统中。根据需要，空气出口33将热空气排出辅助系统；例如在使用热泵提供冷量的情况下。系统可采取多种方式运行，例如，在夜间经进口29的冷空气可经过热交换器28，并且经由单独的流体管线26和27转移至PCM模块23、24和25以冻结PCM。如果夜间温度不足以冷至使PCM冻结，则开启辅助系统31并使空气从外部穿过辅助系统31并在穿过热交换器28之前被辅助系统进一步冷却。在日间，PCM模块23、24和25可根据需要通过辐射或通过使空气穿过单独的热交换器独立地为空间提供冷量。如果需要额外的冷量或热量，则可独立地运行辅助系统。

图4示出用于加热或冷却的中央单元。该系统包括与排放槽35流体连通的外部太阳能集热器34，排放槽35配置为在夜间防止水在太阳能集热器中冻结。在槽35和热水槽37之间提供另一流体管线36。锅炉38与热水槽串联设置。太阳能集热器提供热水或在夜间通过作为辐射器工作来提供冷却。在日间，太阳能集热器提供热水，该热水可根据需要通过锅炉升温并储存在热水槽中。由于在日间提供大量的热并且夜间住宅内需要加热，所以热量可作为潜热储备储存在建筑物周围。在夏季，系统仍可在槽中储存热水用于洗浴，但是在夜间可通过绕过热水槽将外部冷量输入室内的PCM槽。

与采用图4所示类型的中央单元不同，可以采用如图5所示的一般标记为39的蒸发中央单元。该单元包括壳体40、配备有过滤器的空气进口41、具有芯吸网孔42的单级或多级蒸发冷却器、空气排放出口43和使空气流过该单元的风扇44。使用第一传热管线45使温水回到单元，同时使用传热管线46以允许冷水在室内循环至该单元。该构造特别有利，这是因为其允许工作流体即来自蒸发器的水冷却PCM，而不是通过蒸发冷却器使用湿空气(这增加室内湿度)。

替代图3的PCM单元或除此之外，可以使用图6所示的单元47。该单元可通过传热管线进口48和出口49接收和返回来自中央系统的流体。壳体50包括配备有过滤器的空气进口51。在壳体50的相反侧提供空气出口52。风扇53驱使空气通过该单元。

图7示出可供选择的单元，其可放置在建筑物内并可接收和返回来自中央系统的流体。单元54包括含有PCM 56的壳体55。该单元的一个或多个面例如面57不隔热，使得冷量和/或热量可从这些面通过辐射和自然对流释放至室内。

图8示出单元58，其具有包含间隔开的PCM部件例如部件60的壳体59。该单元包括配备有过滤器的空气进口61和具有风扇63的空气出口62。PCM部件可以是板状、球状、壳状和管状的热交换器等。传热管线64形成与PCM紧密相邻或在该PCM包裹件自身内部卷绕的形式以优化传热。本发明还设想使用具有不同熔融温度的两种不同类型的PCM进行加热和冷却。加热范围可为40-60℃，而冷却范围可为15-32℃。

图9示出一般标记为65的另一单元，其具有包含多个PCM部件例如部件67的壳体66。壳体66包括空气进口68和空气出口69。在管道中提供阀70以调节是否从外部接收空气或从室内再循环空气。提供另一阀71以调节是否使空气回到外部或是否使空气进入室内。当该系统与通风装置组合时，其优点在于使用热容高于空气的传热流体管线72。它在用于冻结PCM，同时仍然提供新鲜空气时特别有利。

图10示出可用于评估系统需求的控制单元。提供阀73以确定是否使空气自建筑物再循环、取自外部或取自辅助系统。提供风扇74以驱使空气通过系统。压力传感器75测定压力以调节风扇速度。如果管道76中的压力增加，则使风扇减速。压力传感器可包括皮托管(pilot tube)或任意其它适用于测定可随后等于管道中的压力的值的部件。

图11示出一般标记为77的另一单元，其具有PCM包裹件例如包裹件78的堆叠件。单元77包括用于使单元的内容物与外部隔热的壳体79。在进口管道中提供风门或阀80。提供控制单元81以根据所需冷量来确定流过单元的空气量。可提供操作界面以调节所需冷却水平。

图12示出两个房间82和83，每个房间包括分别标记为84和85的PCM模块。管道86使空气与PCM模块连通。可为图10所示类型的控制单元一般标记为87。在控制单元上游处提供辅助单元88。辅助单元可为前述实施方案中所示的类型。这些控制单元和PCM模块可为图10和11中的那些。

辅助单元可采取Peltier辅助装置的形式，其可为图13所示的形式，其中单元89具有热面90和冷面91。冷面91包括冷凝盘92或冷凝捕集器93以允许冷凝物流掉。

图14示出包括PCM包裹件95的PCM单元94。每个包裹件包括沿包裹件长度延伸的多个凹陷部分96。PCM包裹件包括PCM材料和合适的不可渗透的封套97。凹陷形成在封套内。凹陷仅部分延伸跨越包裹件的深度。随凹陷深度增加，凹陷宽度逐渐减小。在每个凹陷的底部提供平坦的基底面98。凹陷部分允许流体循环以优化热交换。图14B示出图A装置的透视图。图14C示出PCM包裹件的截面图，而图14D示出PCM包裹件的透视图。

图15示出具有多个六边形管100的PCM单元99。每个管包含PCM材料并且在两端被盖101封罩。通过堆叠多个六边形管100，形成多个六边形管道101，其可用于允许加热流体循环通过单元。

图16示出PCM包裹件的视图。PCM包裹件102具有上下表面103和104，所述表面通过连续的凹陷部例如从平坦基底部106起宽度增加的凹陷部105形成。凹陷部有效地为半六边形。提供有同样有效地为半六边形的凸起107。PCM包裹件形成为如同通过移除具有共用面例如面108的多个并排六边形管所形成的一样，使得PCM材料分布在整个PCM包裹件中。在一个可供选择的实施方案中，可在上表面103和下表面104之间提供热导体。通过堆叠如图6F所示的该形式的多个PCM包裹件，形成用于循环流体的通道例如通道109。

图17示出PCM包裹件，其包括以规则间距延伸通过PCM层的管。管110可用于合适时循环冷却流体。盖111允许进入包裹件内部以对包裹件填充PCM。还提供第二盖112以方便PCM包裹件的填充和腾空。

图18示出根据另一实施方案的PCM包裹件，其中包裹件113包括多个截面为半圆形的沟槽114。在上表面115和下表面116中均提供凹陷或沟槽。上表面中的沟槽相对于下表面中的沟槽偏置。上表面中的沟槽位于下表面的平坦最外部分的相反侧。

图19示出PCM模块的截面图，其为具有隔热壳体243的热交换器242形式。壳体的壁可选择为在8小时内保持80-90％的冷度(coolth)。其厚度可为约25mm，热导率为0.01-0.02W/MK。在壳体243的内部，导热金属框244形成内衬。连续的波纹板例如板45的层与PCM包裹件层例如层246交替。图20示出图19的部件的放大图。波纹板可被许多横向鳍片或连接件替代，所述鳍片或连接件以与波纹板类似的方式增加与流过PCM包裹件之间的通道的空气接触的表面积。因为与空气接触的表面积增加，所以PCM包裹件的厚度可增加，从而允许实现更大程度的冷却。在一个优选实施方案中，PCM包裹件之间的间隙略小于波纹鳍片的高度以确保最优的热接触。为了支撑PCM包裹件的重量，在框架内部提供轨道(图中未示出)。图21示出具有多个凸起例如凸起248的波纹板247。作为选择，这些凸起可以是孔或孔与凸起的组合以通过形成湍流来破坏层流从而增加传热。波纹板247可如图19所示设置为与密封的PCM包裹件249相邻。波纹板247可优选由优选厚度小于1mm的金属板材制造。为了优化结构强度和热导率，设想为0.1-0.2mm的范围。设想多种已知技术例如压制或折叠来形成该板。除了使用金属板材之外，也可以选择导热塑料材料。

图22示出PCM包裹件250，其具有用于容纳PCM的不可渗透外层251。提供可具有椭圆形开口形式的手柄252。在包裹件的相对横侧面上提供大量凹陷253和254。这些可用于锁闭所述包裹件成为提供在例如热交换器中的可释放附属件。该实施方案示出可如何使PCM包裹件成为易便携的。

图23A示出形成有用于捕获PCM的上壁255和下壁256的PCM包裹件。在壁255和256之间提供板257，其形成为在截面图上为连续V形的部分。图23A的部件在图23B中示为胶接或密封在一起以防止在使用时PCM的任何逸出。

PCM为有机物、盐基水合物或二者组合中的一种。设想熔融温度优选21-24℃的石蜡基PCM。为了获得最优的熔融温度，将不同类型的可用石蜡以合适的比例混合。

适用的盐水合物可为例如氯化钙或硫酸钠的水合物形式。本发明还设想在盐水合物之外使用增稠剂以使盐保持其水合形式。合适的增稠剂可选自包括：黄原胶或Liponite的组别。除了波纹板257的横向导热鳍片之外或替代这种横向鳍片，可在PCM混合物中悬浮导热元件。合适的悬浮化合物可以是炭黑。

图24示出一般标记为258的可供选择的PCM包裹件的结构。该PCM包裹件的结构与前述实施方案不同之处在于在一般标记为261的波纹板的鳍片260上提供有许多孔259。这种孔允许熔融的PCM均匀分配并使空气保持在外。波纹板可胶接以提高强度。

波纹板可压制并且主要制造成极薄壁厚例如小于1mm以使重量保持最小，同时该轮廓/皱摺/图案增加强度。横向鳍片允许PCM包裹件的厚度增加以改善热导率。其允许在整个包裹件中PCM与连接件之间具有最优的最大距离4-16mm(或10-20mm)。设想在PCM中设置可供选择的热导体，例如钢丝绒、化学碳纳米管、悬浮炭黑，它们可随机分布在整个材料中。

横向连接件可由薄金属/塑料制成，优选厚度小于1mm。板的形状和构型可通过压制、压印和/或折叠工艺得到。

图25示出PCM包裹件262的放大图，该包裹件具有紧密相邻的用于容纳PCM的圆柱体263的阵列。圆柱管可采取六边形网孔的形式。该阵列可由单片板材通过激光切割和拉开形成以得到壁厚约0.1mm的阵列。固定在该阵列的顶部和底部，提供分别标记为264和265的顶板和底板。组装的过程可包括以下步骤：a)将六边形容器的阵列与顶板或底板之一连接；b)用熔融相的PCM填充所述管以允许当其冻结时产生足够用于其膨胀的空隙；随后c)胶接余下的板。

与图25的实施方案相比较示出可供选择的PCM包裹件266。PCM包裹件266包括浅壁平台267，其中设置有六边形容器的阵列268。该容器阵列密封在盖269和平台267之间。提供穿过每个六边形容器的孔例如孔270以允许分布PCM。板269可通过超声焊接或通过胶接连接至平台267。

如果PCM选择为盐基的，则包裹件材料优选选择为涂覆铝或导热塑料材料(例如K大于5W/MK)或不锈钢以防腐。

横向连接件的关键优点之一是其允许PCM包裹件制造成比其它方式所可以制造的更大的厚度。例如可获得具有高效热导率的材料厚度为20-50mm的包裹件。

图27A和27B示出PCM包裹件(图27A)和PCM包裹件堆叠件(图27B)。在该实施方案中，PCM包裹件一般标记为271并且仅由2块板272和273形成，以允许在孔腔例如孔腔274的阵列中填充PCM。所述孔腔形成为截面为V形。诸如部分275的部分暴露于空气流动中。此外，设想暴露于流动中的外表面具有压纹和/或隆起。此类浮雕可用于任一前述实施方案中以增加湍流并因此增加包裹件的传热性。波形或波纹板273例如通过压制或折叠形成。如在包裹件276和277的堆叠件中所示，空气可在孔腔中流动，如箭头所示。该实施方案允许增加与空气接触的表面积并减少PCM和导热材料之间的最大距离。换言之，其结合了具有内横向连接件的PCM包裹件以及与空气接触的波纹热交换器的功能。

图28A和28B示出PCM包裹件278的两个单独的视图。PCM包裹件278包括具有多个向内突起的网例如网280和向外突起的网例如网281的单个周壁279。在另一实施方案中，可仅提供向外突起的网和/或仅提供向内突起的网。在由周壁279形成的封套中，设置有PCM 282以填充空间。为了封闭PCM包裹件，可提供端片(图中未示出)并将其固定在横向边缘283和284上。用于这些PCM包裹件的材料可以是渗透性相对低的塑料材料。作为选择，涂覆铝也是有利的。优选地，塑料材料的热导率选择为热导率大于1W/MK。得到此类热导率的用于PCM包裹件材料的塑料材料的选择是在塑料材料中添加碳纳米管或颗粒。设想用于制造壁279的工艺可通过挤出形成壁。

图29示出一般标记为285的PCM包裹件模块。模块285包括由侧壁287、288形成的隔热外层286、基底壁289和盖290。在隔热层中，提供具有多个壁架例如壁架292的框架291用于以间隔开的方式支撑PCM包裹件堆叠件。提供间隙例如间隙93以允许流体循环。在该实施方案中连接件280和281仅部分朝向相邻的PCM包裹件板延伸。

如图30所示，在组装过程中，可以完全打开侧面294以允许连续的包裹件以类似于抽屉滑入其盒盖内的方式插入。

图31示出根据本发明一个实施方案的相变材料包裹件300。该包裹件由两个压制板301制成，该两个压制板在其边缘和包裹件表面中间的两个位置302处相连以增加强度。包裹件表面纹理化以在流体(空气)流过其上时引起湍流。

导热PCM材料允许PCM包裹件更厚以减少制造成本。目前，PCM包裹件/板的厚度为10-15mm。在使用盐基水合物时，包裹件材料必须是非腐蚀的、不可渗透的和稳固的。优选地，取决于厚度，材料应该为导热的。

优选地，使用金属形成板301，因为金属是不可渗透和高度导热的。具有最佳防腐性的金属是铝和不锈钢。取决于盐，可能需要其它涂层以减少腐蚀效果。合适的技术是阳极化处理、电泳涂覆(E-Coat)或电镀、硅烷涂覆、PTFE。根据制造方法，存在许多允许在制造过程中自然形成保护层的方法。铝合金5052和5251具有良好的成型性和极好的防腐性，从而减少对于涂层水平的要求。

许多塑料由于盐水合物损害塑料的原因而具有差的渗透性并且其机械性能随时间变差，这意味着塑料一般需要更大的壁厚，即1-5mm，而不是金属的0-1mm。HDPE是最好的支架塑料之一。用来使塑料更加导热的添加剂/方法也对塑料的渗透性具有正面效果。

可以使用复合材料。如在食品工业中所常用的，其可由多种不同材料的膜(例如由于渗透性原因的铝箔、由于腐蚀原因的塑料)构成。

典型的制造方法是使用超级成型/液压成型或压印包裹件的两个侧面，以及随后环氧树脂胶接或焊接边缘合拢。优选留出可再密封开口用以填充/再填充包裹件。

以下描述选择性运行次级热交换器的控制方法。将温度传感器置于室外或室外空气沿其进入建筑物中的管道内部以及系统待服务的区域内。根据所需温度，室内系统可提供通风、自由冷却或经由潜热储备进行冷却/加热。例如，如果室外比室内冷并且需要冷却，则系统可绕过潜热储备提供直接通风以冷却房间。这节约了潜热储备直至需要潜热储备为止。如果室外比室内热，则室外空气与再循环空气的比例可通过最小通风要求来确定并且使用潜热储备来冷却空气。

潜热储备通过使夜间冷空气通过系统并且将空气排放在室内(有利于冷却房间)或室外(如果房间被占据并且存在过冷的危险)来重装。

在冬季，系统在白天结束时或在高峰加热时段(例如太阳直射玻璃幕墙建筑物时-在这些情况下甚至在冬季也会发生过热)捕集过量的热并且将其用于调节通风空气。

任选的湿度传感器可监测室外湿度和室内湿度，以确保内环境不超出30-70％的最优范围。例如，在雨天或室外非常潮湿时，提供较少通风以防止湿度上升超过上述参数。

可提供任选的CO₂或其它污染物的传感器以监测室内空气质量并用于控制向空间提供的新鲜空气/通风的量。作为选择，可利用红外、运动或近程传感器来检测居住者或居住者的数量。这在服务区域的居住者数目变化或者使用率和由此所致的通风率可变化的情况下有利于更好地服务居住者和/或节能。

可在包裹件内部设置接触器并且可以测量跨相变材料的电阻。电阻随PCM熔融或凝固而变化。需要注意的是包裹件不要使测量电路“短路”。

可在包裹件内部使用温度传感器测量PCM自身的温度或置于包裹件表面上以测量包裹件外部温度。该方法和前述方法二者的一个潜在问题是仅在单一位置处测量并且可导致局部效应或者它们需要多个传感器。由于包裹件是可移动的，所以传感器也必须能够断开。

利用这些方法中的任一种，系统能够监测PCM的状态。如果PCM没有在一定时间之后达到所需温度，例如当在夜间冷却时，则控制系统开启辅助装置。

通常，在PCM热交换器启动和结束时放置温度传感器和优选的湿度传感器。随后可利用算法来计算PCM的状态和是否需要辅助装置。

热交换器的功率输出由下式给出：

P＝ρ.v.c.h(ΔT)

P-功率(KW或KJ/s)

ρ-空气或HT流体的密度(～1.2Kg/m³)

v-体积流量(m³/s)

h-热交换效率(％)

ΔT-热交换器启动和结束之间的温差

控制系统可根据风扇速度和空气是否再循环/混合或从室外引入(因为电阻会改变)来确定流量。除了温度以外，其它变量不变。

如果热交换器外的空气温度高于特定值例如18℃，则PCM需要进一步冷却。系统根据上式知晓PCM中所储存的总能量(根据潜热KJ/KG和PCM的质量)以及系统对PCM再储能的速率。如果进入和离开热交换器的空气之间的温差小或如果系统计算出再储能速率不能在给定时间段(例如6小时过夜)内冻结全部PCM，则系统可以通过风扇速度增加空气流量以获得所需的再储能速率或开启辅助系统以降低进入热交换器的空气温度。当进入和离开热交换器的空气之间的温差小时，系统知晓可以不进一步再储能，除非室外温度进一步下降(在这种情况下风扇速度可以调低/关闭以节能)或开启辅助系统以进一步降低温度。系统也可以大致地进行考虑。

以类似方式系统可以计算出当前冷却速率是否意味着系统将在白天结束前用完冷量，并因此开启辅助系统、增加或减少空气流量。

图32示出流体调节装置的一个实施方案，其中在不使用时次级热交换器可被绕过，使得在次级热交换器不使用时不浪费能量。在该实施方案中，来自建筑物外部的空气通过第一过滤器401进入系统。待加热/冷却的房间的空气通过第二过滤器402进入。阀403选择由风扇404供应并且经过PCM热交换器405的来自室外和来自室内的空气比例。第二阀406选择在通过PCM热交换器后回到室外或返回室内的空气比例。

在来自第一阀403的空气通路中提供蒸发器和次级热交换器407。旁通阀408选择输入的空气是否通过次级热交换器。通常设置在建筑物外部的冷凝器空调单元409包括冷凝器410和压缩机411。可以使用任何制冷单元。在空调单元409的上游路径中提供膨胀阀412。

图33示出另一版本的流体调节装置，其中对图32所示的相同部件使用相同的附图标记。在图33中，提供间接蒸发器413以使系统的湿侧与进入受控环境的空气隔开，使得不增加受控环境中的湿度。蒸发器413可设置在远处。在该实施方案中，第一阀403用作旁通阀408。

图34示出另一版本的流体调节装置，其中对图32和33所示的相同部件使用相同的附图标记。在该实施方案中，可使用任何合适的热交换器的远程辅助单元415经由输入管416连接至PCM热交换器405。提供通向外部环境的排放管417。在图34中，待服务房间的外周由附图标记418表示。提供具有附加风扇420的天窗(weather louver)419用于将空气排出房间418，从而降低主风扇404上的负载。

图35示出另一版本的流体调节装置，其中对前图中所示的相同部件使用相同的附图标记。在图35中，虚线表示系统可如何分成通过合适的管道连接的控制单元模块421、旁路模块422和辅助模块423。辅助模块423也可以置于控制模块421和PCM热交换器405之间。

在本说明书的说明和权利要求中，表述“包括”和“包含”及其变体的含义是指“包括但不限于”，并非旨在(不)排除其它部分、添加物、部件、整体或步骤。在本说明书的说明和权利要求中，不限定数量的表述包括多个，除非文中另有要求。具体而言，当使用不定冠词时，说明书应理解为包括复数和单数，除非文中另有要求。

与本发明的特定方面、实施方案或实施例相关描述的特征、整体或特性应理解为可应用于本文所述的任何其它方面、实施方案或实施例，除非它们之间不相容。说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤可以任何组合方式进行组合，除了至少一部分这种特征和/或步骤相互排斥的组合之外。本发明不限于任何前述实施方案的细节。本发明延伸至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新的实施方案或任何新的组合或者所公开的方法或过程的任何新的实施方案或任何新的组合。

Claims

1.一种流体调节装置，包括：设置为冷却和/或加热所述流体的初级热交换器；设置为冷却和/或加热所述流体的次级热交换器；以及用于在所述初级热交换器不能以预定的可接受水平冷却和/或加热所述流体时操作所述次级热交换器的控制器；其中所述初级热交换器为基于相变材料(PCM)的热交换器。

2.根据权利要求1的装置，其中所述次级热交换器选自：基于蒸气压缩循环的空调系统、热泵、吸收制冷器、吸湿器、吸附冷却器或加热元件。

3.根据权利要求1的装置，其中所述次级热交换器包括适用于低温冷却的液体储备。

4.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述次级热交换器包括蒸发冷却器。

5.根据权利要求4的装置，其中所述蒸发冷却器包括壳体，所述壳体具有空气进口、对应的空气出口、液体进口、对应的液体出口和芯吸表面。

6.根据权利要求1的装置，其中所述次级热交换器包括Peltier冷却器。

7.根据权利要求1的装置，其中所述次级热交换器与液体交换热量，所述液体随后与所述初级热交换器的PCM交换热量。

8.根据权利要求1的装置，其中所述初级热交换器包括一个或更多个为PCM提供壳体的单元，其中所述壳体包括PCM槽。

9.根据权利要求8的装置，其中所述槽包括隔热面和至少一个非隔热面以增强通过所述非隔热面的对流。

10.一种相变材料(PCM)模块，包括：多个PCM包裹件；使所述多个PCM包裹件热隔离于模块周围介质的壳体；所述包裹件为具有上表面、下表面和相对窄的侧面的板形式；其中在所述板的上表面或下表面的至少其一中提供多个沟槽以允许流体流过所述模块以实现与所述PCM的热交换。

11.一种相变材料(PCM)模块，包括：多个PCM整体件；使所述多个PCM整体件热隔离于模块周围介质的壳体；以及形成在所述模块中的所述整体件堆叠件之间的间隙以允许流体流过所述模块以实现与所述PCM的热交换。

12.根据权利要求11的模块，其中所述整体件的截面为六边形。

13.一种相变材料(PCM)模块，包括：多个PCM包裹件；使所述多个PCM包裹件热隔离于模块周围介质的壳体；以及通过所述PCM包裹件的管道以允许流体流过所述模块以实现与所述PCM的热交换。

14.一种流体调节装置，包括：设置为冷却和/或加热流体的第一热交换器；和设置为冷却和/或加热流体的第二热交换器；其中所述热交换器之一为基于相变材料(PCM)的热交换器，另一热交换器为蒸发冷却器。

15.一种流体调节装置，包括：设置为冷却和/或加热流体的第一热交换器；和设置为冷却和/或加热流体的第二热交换器；其中所述热交换器之一为基于相变材料(PCM)的热交换器，另一热交换器为Peltier冷却器。

16.一种流体调节装置，包括：设置为冷却和/或加热流体的第一热交换器；和设置为冷却和/或加热流体的第二热交换器；其中所述热交换器之一为基于相变材料(PCM)的热交换器，另一热交换器为基于太阳能的热交换器。

17.一种流体调节装置和/或模块，其基本如前所述和/或如所附文本和/或附图的任意合适组合所示。