CN102575908A - 使用热能储存材料的热传递系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及经由毛细泵回路在储存的热能和热接受器之间的增强热传递。所述装置、系统和方法使用如下的热能储存材料并且具有多个毛细管的结构，该热能储存材料在一定温度下具有固态至液态的相变。

Description

使用热能储存材料的热传递系统
要求优先权
本发明要求美国临时专利申请61/245,767(由Soukhojak等人在2009年9月25日提交)的申请日的权益，将其全部内容引入本文作为参考。
技术领域
本发明涉及经由毛细泵回路在储存的热能和热接受器之间的增强热传递。
背景技术
通常工业一直在积极寻找有效收集和储存废热从而可以在更恰当的时间利用其的新方法。此外，实现在紧凑的空间内储存能量的期望需要每单位重量和单位体积能够储存高的能含量的新型材料的开发。突破技术的潜在应用领域包括运输、太阳能、工业制造工艺以及市政和/或商业建筑加热。
对于运输工业，公知内燃机的运行效率很低。这种效率低的原因包括通过来自所述系统的排气、冷却、辐射热的热损失和机械损失。估计超过30％的供应至内燃机的燃料能量通过发动机排气损失到了环境中。
公知在“冷起动”过程中，内燃机在显著更低的效率下运行，产生更多的排放，或两者都发生，原因是没有在最佳的温度下发生燃烧，并且由于冷润滑剂的高粘度，内燃机需要相对于摩擦做额外的功。该问题对于混合动力电动汽车甚至更重要，其中在混合动力电动汽车中，内燃机间歇性地操作从而使冷起动状况延迟，和/或在单个周期内运行所述汽车导致多个冷起动状况的发生。为帮助解决该问题，原始设备制造商(OEM)在寻找能够有效地储存和释放废热的技术方案。基本的想法是在标准的汽车运行中回收和储存废热，然后在稍晚的时间受控地释放该热，从而使所述冷起动状况的持续时间和频率降低或最小化，并且最终改进内燃机的效率、降低排放量或同时达到这两个目的。
为成为实际可操作的方案，对于热能储存系统的能量密度和热能密度的要求是极高的。申请人之前已经提交：1)在2009年2月20日提交的名称为“Thermal Energy Storage Materials”的美国专利申请12/389,416；以及2)在2009年2月20日提交的名称为“Heat Storage Devices”的美国专利申请12/389,598。将这些在先申请全部引入本文作为参考。
现有技术中已知排气热回收装置。然而，它们不能提供长时间(＞6小时)的储热能力，而长时间的储热能力对于在紧接着冷起动之后或甚至在冷起动之前使冷起动状况减轻是希望的。因此，需要如下系统，所述系统能够提供高能量密度、高功率密度、长的保温时间和在机动车排气热回收系统中所需热传递的简单机制的前所未有的组合。
发明概述
本发明的一个方面涉及一种装置，该装置包括热能储存材料，该材料在高于约50℃的温度下具有固态至液态的相变；和毛细结构；其中所述装置是储热装置。
本方面的另一方面涉及包括一个或多个容器的装置，所述容器各自具有用于工作流体的至少一个入口和一个出口，以及用于第二流体的至少一个入口和至少一个出口；在所述容器中的包含相变材料的一个或多个胶囊，所述胶囊具有至少第一外表面；用于所述工作流体流动通过所述容器的第一流路，其中所述流路至少部分地由所述胶囊的第一外表面限定；毛细结构，其具有多个毛细管、能够泵送工作流体通过所述第一流路，其中所述毛细结构部分地填充所述第一流路并且至少部分地与所述胶囊的第一外表面接触，从而当在一端与工作流体接触时，所述工作流体被吸入所述毛细管中，和不含毛细结构的所述第一流路的第二部分；用于所述第二流体流通过所述容器的第二流路；其中所述第一流路是在工作流体隔室内，所述第二流路是在热传递流体隔室内，并且所述相变材料是在相变材料隔室内；所述相变材料与所述工作流体隔室和所述热传递流体隔室热连通；且其中所述装置是储热装置。
本方面的另一方面涉及一种用于储存和传递热的系统，该系统包括：如本文所述的储热装置；具有用于所述工作流体的至少第一入口和至少第一出口和第一流路的冷凝器；其中所述储热装置与所述冷凝器流体连通，并且所述系统包括毛细泵回路，所述毛细泵回路包括所述冷凝器的第一流路和所述储热装置的第一流路。
本方面的又一方面涉及一种热量排放方法，该方法包括使所述工作流体循环通过本文所述的储热装置的步骤，所述储热装置例如为包括热能储存材料和毛细结构的储热装置。
本发明可以用于使内燃机中的冷起动状况减轻，并且在需要时为使用者舒适度而加热和/或挡风玻璃除霜提供另外的稳态冷却剂加热。本发明的其它工业应用也可以包括冷却系统、其它功率产生应用例如郎肯循环热机、热电发电机等。
在本方面的其它方面中，本方面还可以用于使混合动力电动汽车、插入式混合动力电动汽车、增程式电动汽车或纯电力汽车中的电化学电池加热；仅电推动的汽车的舒适度加热；使用吸附或吸收循环制冷的机动车空气调节；使用热机例如郎肯循环的稳态排气热回收；以及工业和住宅热储集。
附图说明
参考标注的多个附图，在如下的详细说明中通过本发明的实施方式的非限制性实施例进一步描述本发明，其中在所有的若干附图视图中，类似的标记数字代表类似的部件，并且其中：
图1是储热装置的一些主要组件的示意图。
图2A是储热装置的示意性横截面图。该横截面图说明含有热能储存材料和蒸发器的三腔室(排气、相变材料和工作流体)二流体(排气和工作流体)储热装置的内部结构。
图2B是储热装置的另一示意性横截面图。
图3是表示包括储热装置和冷凝器的热能储存系统的一些主要组件的示意图。
发明详述
在如下的详细说明中，基于其优选实施方式描述了本发明的特定实施方式。然而，由于如下说明是针对本发明技术的特定实施方式或特定用途进行具体说明的，其旨在仅为说明性的，且仅提供了所述示例性实施方式的简要说明。因此，本发明不局限于如下描述的特定实施方式，而是本发明包括落在所附权利要求真实范围内的所有选择、修改和等同方式。
如从本文的教导中所看到的，本发明提供了包装和容纳热能储存材料(其也包括通常所谓的“相变材料”)的独特和出人意料有效的方法，所述热能储存材料用于热量储存和释放应用，特别是用于需要高功率密度从而能够迅速储存、迅速除去或迅速储存并迅速除去热的应用。本文的热能储存系统表现出非常高的功率密度能力并且可以被用于从所述系统中的储热装置(继续所述相变材料)以每升储热装置至少约10kW的比率除去热。本文的教导预期了以相对稳固的结构包装和包含热能储存材料，所述结构能够抵抗由于腐蚀、由于来自循环热负荷的热引发应变、或由于这两者引起的故障，并且对于被该结构和包括该结构的系统所占据的全部体积，所述结构也将能够产生相对高的储存和释放能力。本文的教导还预期了用于工作流体的在所述储热装置中的流路，其中所述流路部分地包括具有多个毛细管的毛细结构。可以使用所述毛细结构以至少部分地泵送所述工作流体。本文所述的毛细结构的优点之一是可进行相对紧凑的装配，所述装配显示出出人意料的大的和迅速的热储存和释放能力。所述系统能够不使用除所述毛细泵送之外的其它泵而泵送所述工作流体。如可以看到的，本文的教导预期了在多个胶囊结构中包装离散量的热能储存材料的方式。该教导预期了装配这种胶囊结构以用于储热装置中。由于这样的结构、装置和/或系统而产生的许多可能的或更有效的应用也被理解为所述教导的一部分。
储热装置
如以上所讨论的，所述热能储存系统包括能够储存热能的储热装置(即，热能储存装置)。因此，所述储热装置能够接收热(例如废热或其它的热)、储存热，并在稍晚的时间释放热，从而使其能够被用于加热一个或多个物体。优选地，所述储热装置能够迅速释放热。在释放热的过程中，所述储热装置可以起到蒸发器的作用，至少部分地将工作流体从液相转化为气相。因此，所述储热装置包括用于容纳所述工作流体的工作流体隔室(所述隔室可包括一个或多个流路)，连接至所述工作流体隔室(例如，在所述工作流体隔室的一侧或一端)用于接收所述工作流体(例如，为液态)的一个或多个工作流体入口，以及用于排出所述工作流体(例如，为气态)的一个或多个工作流体出口，从而使得所述工作流体流入所述一个或多个工作流体入口，经过所述一个或多个工作流体隔室的流路，并流出所述一个或多个工作流体出口。优选地，至少一部分所述流路(例如，一部分各个流路)包括能够依靠毛细作用带走所述工作流体的毛细结构(例如具有多个毛细管的结构)。所述储热装置的工作流体隔室可以是毛细泵回路的一部分，并且所述毛细结构可以用于至少部分地泵送所述工作流体通过所述环路。
在本发明的不同方面中，所述储热装置可以是重量相对轻，相对小，或具有这两种特征。因此，所述储热容量密度(即，能够储存在所述储热装置中热的最大量除以所述储热装置的体积)可以是相对高的，并且所述储热容量与质量之比(即，能够储存在所述储热装置中的热的量与所述储热装置的质量之比)可以是相对高的。为了达到这些效率，所述储热装置可以使用重量轻的材料(例如热能储存材料、封装材料、容器材料、用于所述毛细结构的材料等)。
所述储热装置的大部分优选包括一种或多种能够有效储存热的热能储存材料(优选一种或多种相变材料)。所述热能储存材料在所述储热装置中的浓度可以被最大化，条件是所述储热装置具有对于所述工作流体流动和迅速从所述装置传递热的足够大的工作流体隔室，和与所述热能储存材料热接触并且对于热传递流体流动通过并有效地传递热至所述装置足够大的热传递流体隔室。基于所述储热装置的容器的总体积，所述一种或多种热能储存材料的体积可以是大于约10体积％，优选大于约20体积％，更优选大于约30体积％，甚至更优选大于约40体积％，并且最优选大于约50体积％。
所述储热装置可以具有足够数量的隔室从而使所述热能储存材料和一种或多种流体彼此隔开。所述储热装置可具有两个或更多个(优选三个或更多个)隔室。可以使用所述隔室隔开(例如，基本或完全隔离)一种或所有的如下物质：i)所述热能储存材料，ii)用于使所述热能储存材料负载(charging)(例如，加热)(例如，用于使所述相变材料负载)的第一流体(例如热传递流体)，和iii)用于使所述热能储存材料(例如相变材料)卸载(discharging)(例如，冷却)的第二流体(例如工作流体)。因此，所述储热装置可包括用于所述热能储存材料的热能储存材料隔室(例如，用于所述相变材料的相变材料隔室)，用于所述第一流体的隔室(例如，热传递流体隔室)，以及用于所述第二流体的隔室(例如，工作流体隔室)。所述热能储存材料隔室可以与所述热传递流体隔室、所述工作流体隔室、或优选这两者热连通。将认识到所述热能储存材料隔室可与所述热传递流体隔室、与所述工作流体隔室、或与这两者共用一个或多个壁。例如，所述热能储存材料可以被储存在具有第一表面和第二表面的胶囊中，其中所述第一表面至少部分地限定所述热传递流体隔室，所述第二表面至少部分地限定所述工作流体隔室。所述装置可具有用于所述第一流体的一个或多个入口和一个或多个出口，其均被连接至用于所述第一流体的隔室，从而使得所述第一流体(例如，所述热传递流体)可以流动通过所述入口并进入所述装置，流动进入用于所述第一流体的隔室，并提供热能至所述热能储存材料(例如，至所述相变材料)并通过出口离开所述装置。类似地，所述装置可以具有用于所述第二流体的一个或多个入口和一个或多个出口，并且被连接至用于所述第二流体的隔室，从而使得所述第二流体(例如，所述工作流体)可以流动通过所述入口并进入所述装置，流动进入用于所述第二流体的隔室，并从所述热能储存材料(例如，从所述相变材料)除去热能并通过出口离开所述装置。
毛细结构
如以上所描述的，所述储热装置包括包含多个毛细管的毛细结构。优选地，所述工作流体隔室包括毛细结构。通常依靠毛细作用将流体带入毛细管的能力随所述毛细管半径降低而增加。所述毛细结构可以是任何如下结构，所述结构具有足够数量的、具有足够小半径的毛细管以使得所述毛细结构能够泵送所述工作流体。当所述储热装置(例如，所述热能储存材料)的温度使得在该温度下所述工作流体的压力大于约1个大气压时，所述冷凝器的温度使得在该温度下所述工作流体的压力小于约1个大气压，或优选这两个条件都满足时，所述毛细结构可以泵送所述工作流体。可以使用所述毛细结构泵送所述工作流体。优选地，使用所述毛细结构作为仅有的泵送所述工作流体的设备。因此，预期所述储热装置可以被用于具有如下工作流体环路的系统，所述工作流体环路除所述毛细泵之外不含任何其它泵。
所述毛细结构可以是具有多孔结构的一种或多种物体，或通过将多种物体填塞在一起从而使在所述物体之间的间隙形成所述多孔结构，或者这两种情况均可。所述储热装置(例如，所述储热装置的蒸发器)的毛细结构(例如，吸液芯结构)可包括一种或多种纤维或细丝、一种或多种凹槽、或一种或多种具有通常为小孔径的其它多孔结构，从而使得所述毛细结构能够在所述工作流体上产生足够大的毛细管压力以克服重力、在所述蒸发器和冷凝器之间的气体压力差、或这两者。所述毛细结构可以是任何现有技术已知的毛细结构(例如，在热导管和毛细泵回路中使用的那些毛细结构，例如用于冷却电子装置的毛细结构)。例如可以使用简单的均相毛细结构例如绕制筛管、烧结金属或轴向凹槽。可以使用的其它毛细结构包括平板、网管式干道(pedestal artery)、螺旋干道、隧道干道、具有变化的凹槽宽度的轴向凹槽、双壁干道、单纹槽、通道吸液芯等。可以将任何上述结构调整为通常为层状的结构，例如可以将其形成在两个吸塑包装的平坦表面之间。
所述毛细结构具有足够小的孔径以克服重力、克服在所述蒸发器和冷凝器之间的气体压力差、或这两者。所述毛细结构具有足够大的孔径使得所述液态工作流体可以进入所述毛细管。所述毛细管压力通常与所述孔半径成反比。所述毛细结构可具有小于约2mm、优选小于约1mm、更优选小于约400μm、甚至更优选小于约100μm、甚至更优选小于约30μm、甚至更优选小于约20μm、并且最优选小于约10μm的平均孔半径。
位于所述工作流体隔室中的所述毛细结构应当充分填充所述工作流体隔室的体积以克服重力、在所述蒸发器和冷凝器之间的气体压力差、或这两者。所述毛细结构可填充大于约1体积％、优选大于约5体积％、更优选大于约10体积％、最优选大于约25体积％的所述储热装置的工作流体隔室。所述毛细结构可填充小于约95体积％、优选小于约90体积％、更优选小于约85体积％、最优选小于约75体积％的所述储热装置的工作流体隔室。所述储热装置的工作流体隔室的剩余体积优选不含所述毛细结构。
热能储存材料隔室
如前所述的，所热能储存材料优选位于所述储热装置的一个或多个隔室中。通常，所述热能储存材料具有相对低的热扩散系数(例如，与在所述隔室其中的材料相比)。优选地选择所述一个或多个隔室的形状和/或尺寸以使得热能能够迅速传递进入和传递出所述热能储存材料。因此，所述储热装置可以使用一种或多种用于增加所述热传递的设备。例如，所述一种或多种热能储存材料可以具有至少一个相对小(例如，与一个或多个其它维度相比)的维度，所述热能储存材料可以被储存在多个隔室中，所述一个或多个隔室的内部可具有传热物体(例如，散热翅片、丝、网等)或其任意组合。例如，所述热能储存材料可以被储存在至少约5、10、15或20个隔室中。
所述热能储存材料优选处于多个单独隔离开的单元(例如胶囊)中，其中所述多个单元的总表面积相对高，从单元表面到所述单元中心的距离相对低，或这两个条件都满足。所述多个单元(例如胶囊)可以设置为一层或多层单元。例如，所述储热装置可包括多层的单元(例如胶囊)。各个层的单元可包括单个单元或多个单元。将认识到单元的层(例如，胶囊的层)可具有相对低的厚度、相对高的表面积与体积之比、或这两者，从而可以将热从所述单元的内部迅速除去。所述单元在层内可以是任何设置。例如，所述单元可以具有相同的尺寸和形状，所述单元可以具有不同的尺寸和形状，所述单元可以重复的模式(例如，包括1、2或多个单元的模式)设置或可以通常不重复的模式设置。在本发明的优选方面中，所述单元在各胶囊层中以胶囊阵列(例如，一维阵列、二维阵列或径向阵列)设置。
所述储热装置可以包括多层胶囊，其中在一对或多对相邻胶囊层之间具有间隔。可以将间隔用作所述工作流体隔室的一部分，或用作所述热传递流体隔室的一部分。胶囊层可以在一侧具有间隔、在两个相对侧具有间隔、不具有间隔或具有以上的任意组合。例如，可以在每对相邻胶囊层之间具有间隔。优选地，在每对相邻胶囊层之间具有间隔，并且所述间隔交替地为所述工作流体隔室和所述热传递流体隔室。
胶囊层可以具有弓形表面和通常平坦的相对表面。对于热传递流体，通常为弓形的表面特别有利，其中所述弓形路径可以增加从所述热传递流体到所述胶囊的热流。通常平坦的表面对于放置毛细结构特别有利(并且所述毛细结构的厚度可以确定在两层胶囊之间在所述工作流体隔室部分任一侧的间隔)。可以使用具有通常均为平坦或均为弓形的相对侧的层。所述储热装置也可以使用部分或基本完全嵌套在一起的两个相邻的胶囊层。
可以选择所述胶囊的尺寸和形状，以使传递至包含在所述胶囊中的相变材料和从包含在所述胶囊中的相变材料传递出的热传递最大化。所述胶囊(例如，所述胶囊层)的平均厚度可以是相对短的，从而使热可以迅速从所述胶囊中心脱离。所述胶囊的平均厚度可以小于约100mm、优选小于约30mm、更优选小于约10mm、甚至更优选小于约5mm、最优选小于约3mm。所述胶囊的平均厚度可以大于约0.1mm、优选大于约0.5mm、更优选大于约0.8mm、且最优选大于1.0mm。
所述胶囊优选具有相对高的表面积与体积之比，从而使得与所述工作流体的接触面积、与所述热传递流体的接触面积、或这两者相对高。例如，所述胶囊可以具有使与工作流体隔室的接触最大化的表面；所述胶囊可以具有使在所述胶囊和所述工作流体隔室之间的热传递最大化的几何形状，或具有这两者。在所述工作流体隔室和所述相变材料隔室之间的界面的总表面积与在所述储热装置中的热能储存材料的总体积的比值可以大于约0.02mm-1、优选大于约0.05mm-1、更优选大于约0.1mm-1、甚至更优选大于约0.2mm-1、且最优选大于约0.3mm-1。
所述热能储存材料隔室可以是吸塑包装或吸塑包装堆叠的形式。例如，所述热能储存材料可以被封装在压印的金属层和平坦的金属层之间，其密封在一起形成多个隔离的胶囊。所述储热装置可以无限制地使用胶囊或胶囊排列(例如，吸塑包装或吸塑包装堆叠)，如在2009年2月20日提交的名为“Heat Storage Devices”的美国专利申请12/389,598中描述的。
工作流体隔室和热传递流体隔室
如前所述的，所述储热装置优选包括与所述热能储存材料隔室热连通的工作流体隔室和热传递流体隔室。
选择所述热传递流体隔室的厚度以促进所述热传递流体流通过所述流路的理想流动，并且使至所述相变材料的热传递最大化。所述热传递流体隔室层的平均厚度可以是小于约20mm、优选小于约10mm、更优选小于约5mm、甚至更优选小于约3mm、且最优选小于约2mm。当从所述热传递流体至所述热能储存材料储存热的速率不是关键性问题时，可以使用较大的厚度。所述热传递流体隔室层的平均厚度应当足够大，从而使得在所述热能储存材料装置中的热传递流体的压降是低的。优选地，在所述储热装置的热传递流体入口和热传递流体出口之间的压降小于约95％、更优选小于约50％。所述热传递流体隔室层的平均厚度可以大于约0.1mm、优选大于约0.2mm、更优选大于约0.4mm、且最优选大于约0.6mm。
选择所述工作流体隔室的厚度以促进所述工作流体通过所述流路的理想流动，并且使从所述相变材料的热传递最大化。所述工作流体隔室层的平均厚度可以小于约20mm、优选小于约10mm、更优选小于约5mm、甚至更优选小于约3mm、且最优选小于约2mm。所述工作流体隔室层的平均厚度可以大于约0.1mm、优选大于约0.2mm、更优选大于约0.4mm、且最优选大于约0.6mm。
可以将胶囊相邻层之间的间隔用于所述工作流体、所述热传递流体、或这两者。例如，可以将至少一部分(例如一层)所述热交换流体隔室插入胶囊的两个相邻层之间。可以将至少一部分(例如一层)所述工作流体隔室插入胶囊的两个相邻层之间，并且所述工作流体隔室的平均厚度可以由所述两层胶囊的间隔距离(例如，平均距离)限定。胶囊的层可以在所述胶囊层的一侧具有所述工作流体隔室的层并且在相对侧具有所述热传递流体隔室的层。
可以选择所述工作流体使得其作为液体流动进入所述储热装置，被储存在所述热能储存材料(例如，所述相变材料)中的热能加热并蒸发，并作为蒸气离开所述储热装置。因此，优选所述工作流体出口的高度高于所述工作流体入口的高度。
如前所述的，一些所述工作流体隔室通常包括具有用于将所述液体吸液至所述隔室中的毛细结构的区域，以及不含用于所述工作流体(例如，所述气态工作流体)的毛细结构的区域。例如，在单层的所述工作流体隔室中，会存在一个或多个包含毛细结构的区域(例如柱状区域)以及一个或多个不含毛细结构的区域(例如柱状区域)。
所述热能储存材料隔室的表面(例如，包含热能储存材料的胶囊层的外表面)通常会限定至少一部分所述热传递流体隔室。类似地，所述热能储存材料隔室的第二表面(例如，包含热能储存材料的胶囊层的第二外表面)通常会限定至少一部分所述工作流体隔室。将认识到一种或多种另外的材料(例如，一种或多种另外的层)可以将胶囊层与所述工作流体隔室、所述热传递流体隔室、或这两者分隔，条件是所述胶囊层与所述工作流体隔室、所述热传递隔室、或优选与这两者热连通。
热能储存材料
不受限制地，用于所述储热装置的适当的热能储存材料包括能够显示出相对高的作为显热、潜热、或优选这两者的热能密度的材料。所述热能储存材料优选是与所述储热装置的操作温度范围相容的。例如，所述热能储存材料在所述储热装置的较低操作温度下优选是固体，在所述储热装置的最高操作温度下至少部分为液体(例如，全部为液体)，在所述储热装置的最高操作温度下不会显著地降解或分解(例如，在至少约1,000小时、优选至少约10,000小时的时间内)，或其任意组合。所述热能储存材料可以具有大于约30℃、优选大于约50℃、更优选大于约80℃、甚至更优选大于约110℃、且最优选大于约140℃的液相线温度例如熔融温度。所述热能储存材料可以具有小于约400℃、优选小于约350℃、更优选小于约290℃、甚至更优选小于约250℃、且最优选小于约200℃的液相线温度。所述热能储存材料可以具有大于约0.1MJ/升、优选大于约0.2MJ/升、更优选大于约0.4MJ/升、且最优选大于约0.6MJ/升的熔化热密度。所述热能储存材料可以具有小于约5g/cm3、优选小于约4g/cm3、更优选小于约3.5g/cm3、且最优选小于约3g/cm3的密度。
可以用于所述热传递装置中的适当的热能储存材料的其它实例包括描述在如下文献中的热能储存材料：2009年2月20日提交的名为“Thermal Energy Storage Materials”的美国专利申请12/389,416；和2009年2月20日提交的名为“Heat Storage Devices”的美国专利申请12/389,598。
所述热能储存材料可以包括(或可以甚至基本由如下物质组成或由如下物质组成)至少一种含有第一金属的材料，且更优选所述含有至少一种第一金属的材料与含有至少一种第二金属的材料的组合。所述含有第一金属的材料、所述含有第二金属的材料、或这两者可以使基本纯的金属、例如包含基本纯的金属和一种或多种另外的合金成分(例如，一种或多种其它金属)的合金、金属间化合物、金属化合物(例如，盐、氧化物或其它)或其任意组合。一种优选的途径是使用含有一种或多种金属的材料作为金属化合物的一部分；一种更优选的途径是使用至少两种金属化合物的混合物。举例来说，适当的金属化合物可以选自氧化物、氢氧化物、包含氮和氧的化合物(例如，硝酸盐、亚硝酸盐或这两者)、卤化物或其任意组合。一种特别优选的金属化合物包括至少一种硝酸盐化合物、至少一种亚硝酸盐化合物或其组合。也可以使用三组分、四组分或其它多组分材料系统。本文所述的热能储存材料可以是表现出共熔的两种或多种材料的混合物。特别优选的热能储存材料包括含有锂的化合物，例如锂盐。所述热能储存材料可以是包括至少一种含有锂的化合物的两种或多种化合物(例如，两种或多种盐)的混合物。
所述储热装置的大部分体积可以被所述热能储存材料所占据，从而使得所述储热装置的功率输出相对高，所述储热装置的总体积相对小，或满足这两个条件。例如，在所述储热装置中工作流体隔室的体积与热能储存材料(例如，所述相变材料)的体积的比率可以是小于约20∶1(优选小于约10∶1、更优选小于约5∶1、甚至更优选小于约2∶1、且最优选小于约1∶1)，在所述储热装置中热传递流体隔室的体积与热能储存材料(例如，所述相变材料)的体积的比率可以是小于约20∶1(优选小于约10∶1、更优选小于约5∶1、甚至更优选小于约2∶1、且最优选小于约1∶1)，或满足这两个条件。
所述储热装置可以含有足够量的所述热能储存材料，从而使得待加热的物体(例如内燃机或汽车驾驶舱)能够被加热至理想温度。例如，所述储热装置可以含有足够量的热能储存材料以使内燃机的温度升高至少10℃、优选至少约20℃、更优选至少约30℃、且最优选至少约40℃。
形成胶囊
可以使用任何提供所述热能储存材料封装的方法形成所述热能储存材料的胶囊。不受限制地，所述工艺可以使用如下方法的一种或任意组合：压印或另外使薄的材料片(例如箔)变形以在所述片上限定图案，使用所述热能储存材料填充在所述压印片中的凹陷，使用第二个片(例如，通常平坦的片)覆盖压印片，或连接所述两个片。形成所述胶囊的工艺可以使用在2009年2月20日提交的名称为“Heat Storage Devices”的美国专利申请12/389,598中描述的工艺。
用于封装所述热储存材料的适当的片包括耐用的、耐腐蚀的、或满足这两种条件的薄的金属片(例如，金属箔)，从而使得所述片能够优选无泄漏地包含所述热能储存材料。所述金属片在机动车的环境中可以重复热循环运行超过1年和优选超过5年。不受限制地，可以使用的示例性金属片包括具有至少一层黄铜、铜、铝、镍铁合金、青铜、钛、不锈钢等的金属片。所述片通常可以为贵金属，或者它可以是包括具有氧化层(例如，天然氧化物层或可以在表面上形成的氧化物层)的金属。另外所述金属片可以具有基本为惰性的外表面，其与工作中的热能储存材料相接触。一种示例性的金属片是包括铝或含铝合金层(例如，含有大于50重量％铝、优选大于90重量％铝的铝合金)的铝箔。另一示例性金属片是不锈钢。适当的不锈钢包括奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢或马氏体不锈钢。不受限制地，所述不锈钢可以包括如下浓度的铬，大于约10重量％、优选大于约13重量％、更优选大于约15重量％、且最优选大于约17重量％。所述不锈钢可以包括如下浓度的碳，小于约0.30重量％、优选小于约0.15重量％、更优选小于约0.12重量％、且最优选小于约0.10重量％。例如，含有19重量％铬和约0.08重量％碳的不锈钢304(SAE命名)。适当的不锈钢还包括含钼的不锈钢，例如316(SAE命名)。
所述金属片具有足够高的厚度，使得在形成所述片时、使用热能储存材料填充所述胶囊时、在使用所述胶囊过程中、或其任意组合的情况下不形成孔或裂缝。对于例如运输的应用，所述金属片优选是相对薄的，从而使得所述金属片不会显著增加所述储热装置的重量。所述金属片可以具有大于约10μm、优选大于约20μm、且更优选大于约50μm的适当的厚度。所述金属箔可以具有小于约3mm、优选小于1mm、且更优选小于0.5mm(例如小于约0.25mm)的厚度。
热能储存系统
所述储热装置可以用在热能储存系统中。所述热能储存材料系统可以用于含有负载阶段、储存阶段和卸载阶段的三个阶段的操作循环中。
所述热能储存系统优选包括在所述储热装置中加热所述相变材料的设备，从而使得所述储热装置处于足以使所述工作流体的所有组分的组合蒸气压超过1个大气压的温度下时，所述工作流体阀被打开以允许所述工作流体流动，所述工作流体被a)所述毛细结构泵送；b)至少部分蒸发；和c)至少部分地传送至所述冷凝器；和至少部分地在所述冷凝器中冷凝；从而使得从所述储热装置中除去热。
本发明的热能系统可以包括：本文中所述的储热装置、冷凝器(例如，具有用于所述工作流体的入口和用于所述工作流体的出口)、连接所述冷凝器的工作流体入口至所述储热装置的工作流体出口的蒸气线(例如蒸气管)、连接所述冷凝器的工作流体出口至所述储热装置的工作流体入口的工作流体液相线(例如液管)。如此前所述的，所述工作流体隔室优选包括毛细结构。同样所述热能储存系统可以包含在所述储热装置中的包括所述工作流体隔室的毛细泵回路、在所述冷凝器中的工作流体隔室、所述工作流体气相线和所述工作流体液相线。所述冷凝器能够从所述工作流体除去热，从而使得所述工作流体部分地或优选全部地冷凝。所述蒸气线能够包含所述工作流体(例如，以气相)，在其从所述储热装置流入所述冷凝器时无泄漏。所述工作流体液相线能够包含所述工作流体(例如，以液相)，在其从所述冷凝器流入所述储热装置时无泄漏。
所述热能储存系统也可以包括能够储存过量工作流体的工作流体储罐，从而当所述流体被所述毛细泵泵送时，所述液相线填充有所述工作流体。所述工作流体储罐可以具有如下高度的填充水平，所述高度高于所述储热装置的工作流体入口的高度，低于所述冷凝器的工作流体入口的高度，或满足这两个条件。所述毛细泵回路可以具有一个或多个阀，例如在所述工作流体液相线中的阀。所述工作流体液相线中的阀可以用于在所述储热装置负载时、在所述储热装置储存热时、或在这两种情况下防止所述工作流体在所述毛细泵回路中循环。当希望从所述储热装置卸载热(例如，为加热内燃机)时，可以打开所述阀。
所述热能储存系统可以包括热传递流体入口线(其可以是管、导管等)和热传递流体出口线，分别用于使所述热传递流体流入和流出所述储热装置。所述热传递流体入口线和所述热传递流体出口线能够在无泄露和不会破裂的情况下包括所述热传递流体(例如，当其流动时)。例如所述热传递流体线优选在所述热传递流体的压力下无泄露和不会破裂。所述热能储存系统也可以具有能够包括所述热传递流体的热传递流体旁路线，从而使得其可以在所述储热装置外无泄露地不受阻碍地流动。当在所述储热装置中的热能储存材料处于其最大标称温度或高于其最大标称温度时，或当所述热传递流体的温度高于所述热能储存材料可能发生降解的临界温度时，可以使用所述热传递旁路线。所述热能储存系统也可以包括能够控制所述热传递流体流动通过所述储热装置的量和所述热传递流体流动通过所述旁路线的量的阀，例如分流阀(例如，旁路阀)。可以使用所述分流阀用于分流一些或所有的所述热传递流体至所述旁路线(例如，当所述储热装置满负载时，或当所述热传递流体的温度低于在所述储热装置中的热能储存材料的温度时)。当满足如下条件中的一个或任意组合(例如，所有的)时，所述分流阀允许一些或优选所有的热传递流体流入所述储热装置中：在所述储热装置中的热能储存材料的温度低于所述热传递流体的温度，所述储热装置没有满载，或所述热传递流体的温度低于所述储热装置的最大标称温度。
用于加热所述储热装置的热传递流体可以是任意液体或气体，从而使得所述流体在冷却时流动通过所述储热装置(例如，不会凝固)。例如，所述热传递流体在约1个大气压的压力和如下的温度下可以是液体或气体，所述温度为约25℃、优选约0℃、更优选约-20℃、且最优选约-40℃。不受限制地，用于加热所述储热装置的优选的热传递流体是排气，例如来自发动机(例如内燃机)的排气。
所述热能储存系统的冷凝器可以是能够将热能从所述工作流体传递至另一流体的热交换器。例如，所述冷凝器可以用于将热从所述工作流体传递至热传递流体。在所述冷凝器(例如，在所述热交换器)中传递的热优选包括所述工作流体蒸发的热。所述热能储存系统可以包括冷线和热线，所述冷线用于将热传递流体提供至所述热交换器，所述热线用于将热传递流体从所述热交换器除去。所述冷线和所述热线优选能够包含所述热交换器的热交换流体，当其流动通过环路时无泄漏。所述冷线和所述热线可以是热传递流体环路的一部分。所述热传递流体环路可以被连接至待加热的物体。不受限制地，所述待加热的物体可以是内燃机、机动车驾驶舱、贮油器或其任意组合。在所述热传递流体环路中使用的热传递流体可以是液体或气体。优选地，所述热传递流体能够在其使用过程中可能被暴露的最低操作温度(例如，最低环境温度)下流动。在加热所述储热装置中使用的任何热传递流体也可以用于所述热交换器中。优选地，所述热交换器的热传递流体是液体。例如，任何现有技术已知的发动机冷却剂可以被用作所述热传递流体。特别优选的热传递流体是乙二醇和水的混合物。
如前所述的，所述热能储存系统包括在所述储热装置中加热所述相变材料的设备。当所述储热装置(例如，在所述储热装置中的相变材料)处于足以使所述工作流体的所有组分的组合蒸气压超过1个大气压的温度下时，所述工作流体阀被打开以允许所述工作流体流动，所述工作流体被a)所述毛细结构泵送；b)至少部分蒸发；c)至少部分传送至所述冷凝器；和d)至少部分冷凝在所述冷凝器中；从而使得从所述储热装置中除去热。
工作流体
适当的工作流体(例如，用于所述毛细泵回路)包括具有如下特性的一种或任意组合的纯物质和混合物：在最大热能储存系统温度下的良好的化学稳定性、低粘度(例如，小于约100mPa·s)、所述毛细结构的良好润湿性(例如，良好的吸液润湿性)、与所述毛细泵回路的材料(例如所述容器材料、用于封装所述热能储存材料的材料、所述气相和液相线的材料等)的化学相容性(例如，所述工作流体导致低腐蚀)、有益于所述蒸发器和所述冷凝器温度的温度依赖性蒸气压、高的体积蒸发潜热(即，熔化潜热与在约25℃下的工作流体密度的乘积，单位为焦耳每升)、或低于或等于所述冷凝器的热传递流体凝固点的凝固点(例如，低于或等于防冻剂凝固点的凝固点，或低于或等于约-40℃的凝固点，或满足这两个条件)。例如，所述工作流体的平衡态可以是在-40℃的温度和1个大气压的压力下为至少90％的液体。
在所述蒸发器中所述工作流体的蒸气压应当足够高从而使得产生足够泵送所述工作流体的蒸气流。优选地，在所述蒸发器中所述工作流体的蒸气压应当足够高从而使得产生足以运送以瓦特计的理想的热功率从所述蒸发器到所述冷凝器的蒸气流。在所述蒸发器中的工作流体的蒸气压优选足够低，从而使得所述毛细泵回路不会泄漏和不会破裂。
所述工作流体到所述毛细结构的润湿性可以由所述工作流体在所述毛细结构材料上的接触角来表征。优选地，所述接触角小于约80°、更优选小于约70°、甚至更优选小于约60°、且最优选小于约55°。
所述工作流体优选在中等压力下在低于约90℃的温度下冷凝。例如，所述工作流体可以在约90℃下在小于约2MPa、优选小于约0.8MPa、更优选小于约0.3MPa、甚至更优选小于约0.2MPa、且最优选小于约0.1MPa的压力下冷凝。
所述工作流体优选可以在非常低的温度下流动。例如，所述工作流体可以被暴露于非常低的环境温度下，且优选能够在约0℃、优选约-10℃、更优选约-25℃、甚至更优选约-40℃、且最优选约-60℃的温度下从所述冷凝器流动至所述储热装置。当所述工作流体处于满载储热装置的温度下时，其优选为气态。例如，所述工作流体在1个大气压下可以具有低于在所述储热装置中的热能储存材料相变温度的沸点，其优选比所述热能储存材料的相变温度低至少20℃，且更优选比所述热能储存材料的相变温度低至少40℃。在本发明的不同方面中，在1个大气压下所述工作流体具有如下的沸点(或所述工作流体的所有组分的组合蒸气压等于1个大气压时的温度)会是理想的，所述沸点大于约30℃、优选大于约35℃、更优选大于约50℃、甚至更优选大于约60℃、且最优选大于约70℃(例如，所述工作流体在环境条件下是液体)。在本发明的不同方面中，在1个大气压下所述工作流体的沸点(或所述工作流体的所有组分的组合蒸气压等于1个大气压时的温度)可小于约180℃、优选小于约150℃、更优选小于约120℃、且最优选小于约95℃。
所述工作流体可以是在所述热能储存材料处于或高于其液相线温度时在所述储热装置中能够部分或完全蒸发的任何流体。不受限制地，示例性工作流体可以包括如下物质或基本由如下物质组成：一种或多种醇、一种或多种酮、一种或多种烃、碳氟化合物、氢氟烃(例如，现有技术已知的氢氟烃制冷剂，例如现有技术已知的氢氟烃机动车制冷剂)、水、氨或其任意组合。
特别优选的工作流体包括水和氨或基本由水和氨组成。例如，基于所述工作流体水和氨的总重量，在所述工作流体中的水和氨的组合浓度可以是至少约80重量％、更优选至少约90重量％、且最优选至少约95重量％。氨的浓度可以足够大以保持所述工作流体的沸点低于水的沸点(例如，比水的沸点低至少10℃)。基于所述工作流体的总重量，氨的浓度可以大于约2重量％、优选大于约10重量％、更优选大于约15重量％、且最优选大于约18重量％。基于所述工作流体的总重量，氨的浓度可以小于约80重量％、优选小于约60重量％、更优选小于约40重量％、且最优选小于约30重量％。基于所述工作流体的总重量，在所述工作流体中的水的浓度可以大于约20重量％、优选大于约40重量％、更优选大于约60重量％、且最优选大于约70重量％。基于所述工作流体的总重量，在所述工作流体中的水的浓度可以小于约98重量％、优选小于约95重量％、更优选小于约90重量％、甚至更优选小于约85重量％、且最优选小于约82重量％。例如，约21重量％的氨和约79重量％的水的溶液具有约-40℃的液相点，并且在1个大气压下的沸程上限小于约100℃。在室温下该溶液可以储存在(例如，作为液体)未加压的容器中。
优选地，在约0℃至约250℃的一个温度下，所述工作流体所有组分的组合蒸气压等于1个大气压。
所述工作流体能够从所述储热装置有效地传递热能，从而使得从所述储热装置除去大量热所需的工作流体的量相对小(例如，与使用不是工作流体的热传递流体以除去热的装置相比)。优选地，通过所述工作流体传递的热的一大部分是以蒸发热的形式传递的。与使用不是工作流体的热传递流体并且具有相同的初始功率的系统相比，在所述热能储存中的工作流体体积、工作流体流速、或这两者可相对低。每升所述储热装置的容器的工作流体的流速(即，液态的工作流体流入所述储热装置)可以小于约5升/分钟、优选小于约2升/分钟、更优选小于约1升/分钟、甚至更优选小于约0.5升/分钟、且最优选小于约0.1升/分钟。在所述系统中的工作流体的体积(例如，在系统中或在毛细泵回路中)与所述储热装置的容器的总体积(即，在所述容器内的体积)的比率(或甚至在所述系统中的工作流体的体积与所述储热装置中的热能储存材料的体积的比率)可以小于约20、优选小于约10、更优选小于约4、甚至更优选小于约2、且最优选小于约1。
如前所述的，所述工作流体能够以蒸发热的形式传递一些热能。所述工作流体优选具有高的蒸发热，从而使得可以传递的热的量高。用于所述储热装置的适当的工作流体可以具有大于约200kJ/摩尔、优选大于约500kJ/摩尔、更优选大于约750kJ/摩尔、甚至更优选大于约1,000kJ/摩尔、和最优选大于约1,200kJ/摩尔的蒸发热。
在其中所述工作流体的温度可小于0℃的应用中，所述工作流体优选不是水(例如，从而使得所述工作流体不会冻结、引起破裂、或这两种情况)。
将认识到与所述工作流体接触的材料可以是对于所述工作流体耐腐蚀的。例如，可与所述工作流体接触的所述储热装置或热能储存系统的任一或所有表面(例如，所述工作流体蒸气线的内部、所述工作流体液相线的内部、所述储热装置的工作流体隔室的表面、所述工作流体阀的内表面、在所述冷凝器中的工作流体隔室的表面、所述工作流体储罐的内表面等)可以由不锈钢制得。
将认识到本文中所描述的热能储存系统中使用的任何工作流体或热传递流体可以包括添加剂组合装。例如，所述添加剂组合装可以包括稳定剂、缓蚀剂、润滑剂、极压添加剂或其任意组合。
热能储存系统的操作
所述热能储存系统具有多个操作阶段，包括：负载阶段，其中将来自所述储热装置外部的热提供至所述热能储存材料；储存阶段，其中将至少一些热储存在所述热能储存材料中；以及卸载阶段，其中将至少一些热从所述热能储存材料中除去。
1.负载阶段
当所述储热装置的温度(低于其最大标称温度和热传递流体(例如，排气))高于所述热能储存材料的温度时，所述负载阶段会发生。在所述负载阶段中，使所述热能储存材料(例如，所述相变材料)负载的步骤可以包括将热从所述热传递流体传递至所述热能储存材料的步骤。在所述负载阶段中，用于所述工作流体的卸载阀优选是关闭的。在所述蒸发器(即，所述储热装置的工作流体隔室)中的任何液态工作流体的残余物可蒸发掉，进入所述冷凝器，在所述冷凝器中变为液体，并进入所述储罐。可以使用排气旁路(例如图1中所示的由阀激活的旁路)以防止在如下情况下所述储热装置的过热，所述情况为当所述热能储存系统满载时或当所述排气足够热以导致局部相变材料过热时，这会导致相变材料降解。优选将温度传感器嵌入所述相变材料附近以通过触发所述排气旁路阀防止所述相变材料过热。可以优选使用其它控制方案以防止所述相变材料过热。
2.储存阶段
当所述内燃机停机时，例如在停车时，所述卸载阀保持关闭。储存在热能储存系统中的热缓慢损失至环境中。因此，在本发明中优选使用一些形式的绝热。所述系统的绝热越好，所述储存时间越长。
可以使用防止所述储热装置损失热的任何已知的绝热形式。例如，可以使用在美国专利6,889,751中公开的任何绝热方式，将其全部引入本文作为参考。所述储热装置优选是(热)绝缘的容器，从而使得其在一个或多个表面上绝热。优选地，暴露于环境或外部的一些或所有表面将具有邻接的绝热体。所述绝热材料可以通过降低对流热损失、降低辐射热损失、降低传导热损失、或其任意组合而起作用。优选地，所述绝热可以通过使用优选具有相对低传热性的绝热体材料或结构。所述绝热可以通过在相对间隔的壁之间使用间隔而实现。所述间隔可以被气态介质例如空气间隔占据，或可以甚至是抽空的空间(例如，通过使用杜瓦容器)、具有低热导率的材料或结构、具有低热发射率的材料或结构、具有低对流的材料或结构或其任意组合。不受限制地，所述绝热体可以包括陶瓷绝热体(例如石英或玻璃绝热体)、聚合物绝热体或其任意组合。所述绝热体可以是纤维形式、泡沫形式、强化层、涂层或其任意组合。所述绝热体可以是纺织材料、无纺布材料或其任意组合的形式。可以使用杜瓦容器使所述热传递装置绝热，所述杜瓦容器更具体地是包括被构造用于限定内部储存腔的、通常相对的壁和所述相对的壁之间的壁腔(wall cavity)的容器，其中将壁腔抽空至低于大气压力。所述壁可以进一步使用反射表面涂层(例如，镜面)以使辐射热损失最小化。
优选地，在所述系统周围提供真空绝热。更优选地，提供如在其全部引入本文作为参考的美国专利6,889,751中公开的真空绝热。
3.卸载阶段
当需要将储存在所述热能储存系统中的热传递至待加热的物体时，取决于需要的卸载功率(例如，单位为瓦特(W))，将所述卸载阀打开至理想的程度。由重力驱使，储存在所述储罐中的液态工作流体进入所述蒸发器，使所述吸液芯润湿，由毛细压力驱动沿所述吸液芯向上流动并且被从所述相变材料流动的热蒸发。所述蒸气沿所述间隔在所述吸液芯中流动，并然后进入所述冷凝器，在所述冷凝器中所述蒸气释放其以蒸发潜热和显热储存的热至冷却剂，所述冷却剂在所述冷凝器和冷的内燃机和/或空气加热器芯之间循环。在高功率卸载过程中，在所述蒸发器中的蒸气压可以基本超过在所述冷凝器中的蒸气压。该压力差试图推动所述液体沿所述液相线从所述蒸发器出来。不受理论的限制，认为由填充所述毛细结构(例如，所述吸液芯)孔的液态微型半月板形成的毛细压力维持该压力并保持“泵送”液体至所述蒸发器内。所述毛细压力与所述吸液芯的孔径成反比(杨-拉普拉斯公式)。所述蒸气没有卸载其压力的其它选择，只能通过所述气相线流入所述冷凝器中。这在毛细泵回路内建立了循环流模式。当所述毛细泵回路已经传递了所希望的量的热时，所述卸载阀关闭。
在所述卸载阶段中，本发明的装置和系统可以具有相对高的功率输出(以瓦特为单位)、相对高的功率输出密度(例如，以瓦特每升储热装置体积为单位)、或这两者。所述功率输出、所述功率输出密度、或这两者可以高于(例如，至少高20％、更优选至少高约100％)除不具有毛细结构之外同样的装置或系统的相应值。例如，基于所述储热装置的绝热体积的总内部体积(例如，所述热能储存材料隔室、所述热传递流体隔室和所述工作流体隔室的体积总和)，所述装置、系统、或这两者可以具有至少约1kW/升、优选至少约10kW/升、更优选至少约25kW/升、甚至更优选至少约30kW/升、且最优选至少约50kW/升的平均功率密度，其中所述功率是相对于初始的卸载操作(例如，所述卸载操作的最初的30、60或120秒)取平均值，所述卸载操作在如下时间下开始，所述时间例如为当阀打开允许所述工作流体流动通过所述储热装置的第一流路时，以及当大部分(例如，当至少50体积％、或至少75体积％)所述相变材料在所述卸载操作开始时为液态时(例如，在所述阀打开时)。
应当认识到本发明的热能储存系统也可以通过同时使所述热能储存材料负载和卸载(即，通过同时进行所述负载阶段和所述放热阶段)以“组合”方式(例如，作为稳态方式)操作。在所述组合方式操作中，所述工作流体的卸载阀均打开，并且热传递流体(例如，热的排气)流动通过所述储热装置。所述“组合”方式操作可以建立热从所述排气至热接受器的连续(例如，持续)流。本发明的系统优于其它现有技术稳态排气热回收装置之处在于，本发明系统使所述排气物流的热功率波动(这在城市交通中是很常见的)平缓的能力，并通过使用所述相变材料的大的储热能力将更稳定的热功率传递至接受器，所述相变材料基本起到在所述排气和所述热接受器之间的热缓冲剂的作用。使所述热流平缓对于保证由所述废热提供动力的装置的最佳操作可以是特别有利的，所述装置例如为郎肯循环热机(又名涡轮蒸汽机)、吸收或吸附循环制冷系统或简单的客舱空气加热器。
所述热能储存系统可以使用一种或多种设备以使从所述热能储存系统至环境的热损失最小化。使热损失最小化的示例性设备包括使一个或多个所述热能储存系统的组件(例如，所述储热装置、线、所述蒸发器或其任意组合)绝热，使用低热导率的材料，使用减低辐射热损失或热流距离的几何形状和/或涂层，或其任意组合。
不受限制地，可以使用在2009年2月20日提交的名称为“HeatStorage Devices”的美国专利申请12/389,598中公开的任何绝热设备。
例如，所述储热装置可以使用真空(例如高真空)夹套绝热体，其任选具有薄的内部辐射屏以减缓在所述真空夹套的内壁和外壁之间的辐射热传递。辐射热传递的速率大致与在辐射屏之间沿所述热流路的真空间隔的数量成反比。该方法与双杜瓦瓶类似。同样，所述绝热体可以使用一个、两个、三个或多个真空间隔。
所述储热装置可以使用一种或多种具有相对低热导率的材料，以降低或最小化损失到周围环境的热。例如，所述储热装置可以使用一种或多种具有如下热导率的材料，所述热导率小于低碳钢(例如，A 36级)热导率的50％、优选小于低碳钢热导率的30％、更优选小于低碳钢热导率的20％、且最优选小于低碳钢热导率的10％。可以使用的示例性低热导率的材料包括但不限于不锈钢、钛合金、二氧化硅基玻璃或其任意组合。例如，可以将低热导率材料用于连接所述储热装置的入口和出口至所述冷凝器、至热源(例如，排气管)、或至这两者的线(例如管)。
可以通过选择增加所述热路径距离的一个或多个(例如，甚至所有的)连接线(例如，管或导管)的几何形状从而降低热损失。例如，线的几何形状可以使用薄壁的波纹而不是平滑(例如柱状)的壁。所述线可以是弯曲的(例如，具有基本弯曲的中心线)，从而使得在所述储热装置和所述热能储存系统的未隔离的一部分之间的直接“视距”辐射热传递被显著降低或甚至消除。同样，可以选择所述几何形状以降低线的辐射孔径，而不会显著增加所述线的流体阻力。另外，所述线的一侧或多侧可以涂覆有能够降低间接辐射热损失的涂层。该涂层通常是反射涂层，例如银。
在本发明的优选实施方式中，所述系统具有如下特性。所述封装片厚度为0.01-2mm。所述相变材料胶囊尺寸为0.5-100mm。胶囊之间的流体间隔是0.1-10mm。所述吸塑包装的维度取决于所述热交换器的维度，其取决于应用有很大变化。其可以小至单一胶囊的维度，或者大至用于大的建筑物的加热和空调的若干米的距离。
所述热能储存系统可以用于运输机动车(例如汽车)中用于储存来自发动机排气的能量。当所述发动机生成排气时，旁路阀可以引导所述气流通过所述储热装置从而使得所述储热装置被负载，或引导所述气流通过旁路线以防止所述储热装置过热。当所述发动机停机时，例如，在所述机动车停放过程中，储存在所述储热装置中的大部分热被长时间保持(例如，由于围绕所述储热装置的真空绝热)。优选地，在所述机动车在约-40℃的环境温度下停放16小时之后，在所述储热装置中至少50％的热能储存材料保持在液态。如果所述机动车停放足够长的时间(例如，至少二或三个小时)以使所述发动机充分冷却(例如，从而使得在所述发动机和周围环境之间的温度差小于约20℃)，可以通过使热交换流体(例如所述发动机冷却剂)流动通过包括用于所述工作流体的冷凝器的热交换器，从而将储存在所述储热装置中的热间接卸载入所述冷的发动机或其它热接受器中。使用在所述储热装置内的毛细结构使工作流体在毛细泵回路中循环，其中所述工作流体被蒸发。来自所述工作流体的热被传递至在所述热交换器中的发动机冷却剂。通过使用所述储热装置，在之前路程中否则会被浪费掉的热可以被收集以缓和冷起动和/或提供即时的驾驶舱加热。
可以通过打开所述工作流体阀(即，所述卸载阀)使采用所述工作流体的热传递开始。通过另外的液相线连接至所述环路的密封工作流体储罐起到调节在所述环路中的工作流体液体体积的变化而不产生显著压力变化的作用。一旦从所述储热装置传递了足够的或所有有用的热时，可将所述卸载阀关闭。在所述储热装置中的残留的工作流体可以蒸发(例如，从残留在所述储热装置中的热或当所述储热装置开始负载时)并且然后在所述冷凝器中冷凝。随着所述储热装置排空所述工作流体，所述工作流体水平的液位会变化(例如，升高)。
所述储热装置可以是叉流式热交换器(即，具有用于所述工作流体的流动方向和用于所述排气流的正交流动方向)。在操作过程中，所述储热装置可以包括被1)排气；2)停滞的相变材料(例如，在胶囊内，例如吸塑包装)；和3)工作流体占据的三个腔室。所有三个腔室被由适当材料、优选不锈钢制得的薄壁保持分隔开。排气可以在泡壳之中的相变材料的胶囊的表面(例如，所述弯曲表面)之间流动，并且所述工作流体可以在泡壳之中的相变材料的胶囊的不同表面(例如，平坦表面)之间流动，该流动方向通常与所述排气流动方向正交。优选进入其腔室的液态工作流体使毛细结构(例如，金属吸液芯)润湿，并且通过作用于形成在所述毛细管内的所述工作流体液体半月板上的毛细力，靠重力和蒸气压的合力向上传输。通过利用取自泡壳内的相变材料的热连续蒸发所述液体而维持该流。工作流体的蒸气离开所述毛细结构并通过蒸气通道逸出至所述装置的顶部，所述蒸气通道可以是在所述毛细结构柱之间互相交叉的，所述毛细结构柱挤压在泡壳内相变材料的胶囊的表面(例如，平坦表面)之间。所述工作流体的蒸气流动进入所述冷凝器中，在所述冷凝器中所述工作流体的蒸气将其蒸发热和显热传递至所述冷的冷却剂，并再次变成液体以返回至所述储热装置并继续其在所述环路中的循环，仅被存在于所述毛细结构(例如，金属吸液芯)内的毛细力泵送，其中所述毛细结构被液态工作流体部分浸润。可以将所述毛细结构的所有柱连接至常用的多孔基座。这种多孔基座可用于将从所述装置底部进入的液态工作流体分配至不同的柱。
此外，可以与另外的元素/组件/步骤结合使用本发明。例如，可以将用于空气调节的吸收或吸附循环制冷系统用作所述热接受器以代替或补充所述冷的冷却剂(例如，所述冷凝器也可以起到用于在空调的流体环路中循环的制冷剂的蒸发器的作用)。在另一应用中，可以构造使用热机例如郎肯循环的稳态废热回收系统，从而其使用相同或不同的毛细泵回路工作流体，并将产生机械功率的涡轮机加入到在所述储热装置和所述冷凝器之间的蒸气线中，(例如，为克服涡轮机上游的高蒸气压)，和/或将液体泵加入至在所述冷凝器和储热装置之间的液相线中。上述涡轮机可以把来自收集的排气废热的一部分转化为有用的机械功或电功，并从而改进机动车的总体燃料效率。
尽管本发明可以容许各种修改和替代形式，如上讨论的示例性实施方式是通过实施例方式说明的。然而，应当再次理解，本发明并不是旨在局限于本文所公开的特定实施方式。实际上，本发明的技术覆盖了落入由如下所述权利要求限定的本发明精神和范围之内的所有修改、等价物和替代物。
图1是本发明的热能储存储热装置，其包括本发明的储热装置。如图1中所示的，储热装置10可以包括具有工作流体入口14、工作流体出口16、热传递流体入口18和热传递流体出口20的容器12。所述储热装置的体积为约1升，并且所述热能储存材料填充所述储热装置的约60体积％以上。
图2A是图1的储热装置10的示意性横截面(即，图1中所示的横截面)图。所述储热装置包括胶囊层32，在各个相邻的胶囊层之间具有间隔。胶囊层32各自具有为弓形的表面34和为通常平坦的相对表面36。至少一部分(例如，一层)热传递流体隔室26插入两个胶囊层之间。一部分(例如，一层)工作流体隔室22插入两个相邻的胶囊层之间并且由所述两个胶囊层的间隔的距离(例如，平均距离)限定的所述工作流体隔室的平均厚度为约1mm。胶囊层通常在所述胶囊层的一侧具有工作流体隔室22的层，并且在相对侧具有热传递流体隔室26的层。所述热传递流体隔室层的平均厚度为约1mm。
如图1、2A和2B中所示的，所述储热装置具有用于使工作流体流入所述储热装置的工作流体隔室内的入口14，和用于使所述工作流体流出所述储热装置的出口16。相对于所述入口，所述出口处于较高的高度，从而使得所述工作流体的流动包括通常垂直的组件。所述工作流体是约79重量％的水和约21重量％的氨的混合物。所述工作流体与热能储存材料30热接触。至少一些所述工作流体隔室包括形成毛细结构的金属吸液芯的5mm的带。图2A的横截面显示了工作流体隔室22的区域，其中所有的工作流体隔室层具有所述金属吸液芯。如在图2B的横截面中所示的，在吸液芯的5mm带之间是不含金属吸液芯的10mm的宽的部分。如在图2A中所示的，所述毛细结构(即，金属吸液芯)可以扩展所述工作流体隔室的长度。一部分所述毛细结构与各个包含所述相变材料的胶囊热接触(例如，所述毛细结构与邻近各个胶囊的通常平坦的外表面的一部分相接触)。
本发明的热能系统示于图3中。所述热能储存系统50包括所述储热装置、具有用于工作流体54的入口56和用于所述工作流体的出口58的冷凝器52、将连接冷凝器52的工作流体出口58的所述管的工作流体入口56连接至所述储热装置的工作流体入口的蒸气管60。所述热能储存系统包括在储热装置中的包括工作流体隔室的毛细泵回路、在冷凝器中的工作流体隔室、工作流体蒸气管和工作流体液管。所述热能储存系统还包括工作流体储罐74。所述工作流体储罐具有如下高度的填充水平，所述高度高于所述储热装置的工作流体入口的高度，低于冷凝器58的工作流体入口的高度。所述毛细泵回路可以在工作流体液管62中具有阀72。所述阀用于在所述储热装置负载时和在所述储热装置储存热时防止所述工作流体在所述毛细泵回路中循环。当希望从所述储热装置卸载热时，打开所述阀。
再次参考图3，所述热能储存系统包括热传递流体入口线64和热传递流体出口线66，用于使所述热交换流体流入和流出所述储热装置。所述热能储存系统也具有热传递流体旁路线68。所述热能储存系统还包括分流阀(例如，旁路阀)70以将一些或所有的热交换流体分流至旁路线68(例如，当所述储热装置满载时，或当所述热传递流体的温度低于在所述储热装置中的热能储存材料的温度时)。
所述热能储存系统的冷凝器52是热交换器。所述热能储存系统包括冷线80和热线78，冷线80用于将热传递流体提供至所述热交换器，热线78用于将热传递流体从所述热交换器除去。冷线80和热线78是热传递流体环路84的一部分。所述热传递流体环路包括发动机冷却剂，被连接至内燃机76，并且被用于使用储存在所述储热装置中的能量加热所述内燃机。

Claims (38)

1.一种装置，该装置包括：
i)热能储存材料，该材料在一定温度下具有固态至液态的相变；和
ii)具有多个毛细管的毛细结构；
其中所述装置是储热装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述热能储存材料在高于约50℃的温度下具有固态至液态的相变。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述热能储存材料在约90℃至约300℃的温度下具有固态至液态的相变。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述热能储存材料被封装在一个或多个热能储存材料隔室内，并且所述装置包括与所述热能储存材料热接触的工作流体隔室。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中所述热能储存材料被封装在多个胶囊中。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述胶囊具有这样的表面和几何形状，所述表面使得与工作流体隔室的接触最大化，并且所述几何形状使得其间的热传递最大化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述热能储存材料被封装在多个胶囊中，其中所述胶囊具有弓形表面和平坦表面。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，该装置包括：
i)一个或多个容器，其各自具有用于工作流体的至少一个入口和一个出口，以及用于第二流体的至少一个入口和至少一个出口；
ii)在所述容器中的包含所述热能储存材料的一个或多个胶囊，所述胶囊具有至少第一外表面，其中所述热能储存材料是相变材料；
iii)用于所述工作流体流动通过所述容器的第一流路，其中所述流路至少部分地由所述胶囊的第一外表面限定；
iv)毛细结构：其具有多个毛细管、能够泵送工作流体通过所述第一流路，其中所述毛细结构部分地填充所述第一流路并且至少部分地与所述胶囊的第一外表面接触，使得当在一端与工作流体接触时，所述工作流体被吸入所述毛细管中，和所述第一流路的不含毛细管的第二部分；
v)用于所述第二流体流动通过所述容器的第二流路；
其中所述第一流路是在工作流体隔室内，所述第二流路是在热传递流体隔室内，并且所述相变材料是在相变材料隔室内；
所述相变材料与所述工作流体隔室和所述热传递流体隔室热连通；且
其中所述装置是储热装置。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述多个毛细管包括孔径小于约200μm的毛细管。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述胶囊包括第二外表面，其中所述第二外表面至少部分地限定所述第二流路。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述第二流体是排气。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中所述工作流体在约0℃至约250℃的温度下其所有组分的组合蒸气压等于1个大气压。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的装置，其中所述相变材料的固态至液态相变温度大于约50℃(例如，为约90℃至约300℃)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的装置，其中所述容器至少是部分绝热的。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的装置，其中所述系统包括多个胶囊。
16.一种用于储存和传递热的系统，该系统包括：
a)根据权利要求1至15中任一项所述的储热装置；
b)具有用于所述工作流体的至少第一入口和至少第一出口和第一流路的冷凝器；
其中所述储热装置与所述冷凝器流体连通，并且所述系统包括毛细泵回路，所述毛细泵回路包括所述冷凝器的第一流路和所述储热装置的第一流路。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述系统包括工作流体。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述工作流体在大于约35℃的温度下其所有组分的组合蒸气压等于1个大气压。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的系统，其中所述工作流体包括一种或多种醇、一种或多种酮、一种或多种烃、碳氟化合物、氢氟烃、水、氨或其任意组合。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述工作流体包括氨和水的溶液。
21.根据权利要求16至20中任一项所述的系统，其中在-40℃的温度和1个大气压的压力下，所述工作流体的平衡状态是至少90％为液态。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的系统，其中所述系统包括工作流体阀以控制所述工作流体从所述储热装置到所述冷凝器的流动。
23.根据权利要求16至22中任一项所述的系统，其中所述系统包括连接所述储热装置的出口和所述冷凝器的入口的蒸气管。
24.根据权利要求16所述的系统，其中所述蒸气管是至少部分绝热的。
25.根据权利要求16至24中任一项所述的系统，其中所述系统包括连接所述冷凝器的出口和所述储热装置的入口的液管。
26.根据权利要求16至25中任一项所述的系统，其中所述系统包括至少部分填充所述冷凝器的工作流体。
27.根据权利要求16至26中任一项所述的系统，其中所述系统包括在所述储热装置中加热所述相变材料的设备，从而当所述储热装置在足以导致所述工作流体的所有组分的组合蒸气压超过1个大气压的温度下并且所述阀被打开以允许所述工作流体流动时，所述工作流体被
a)所述毛细结构泵送；
b)至少部分蒸发；和
c)至少部分传送至所述冷凝器；和
d)至少部分冷凝在所述冷凝器中；
从而使得从所述储热装置中除去热。
28.根据权利要求16至27中任一项所述的系统，其中所述系统包括用于控制所述第二流体流入所述储热装置的第二阀。
29.根据权利要求16至28中任一项所述的系统，其中所述系统包括储罐，其中所述储罐含有工作流体。
30.根据权利要求16至29中任一项所述的系统，其中除所述毛细泵之外，所述系统不包括用于泵送所述工作流体的其它泵。
31.根据权利要求16至30中任一项所述的系统，其中所述冷凝器包括用于传输热传递流体通过所述冷凝器的第二流路、第二入口和第二出口，从而所述冷凝器能够从所述工作流体传递热至所述热传递流体。
32.根据权利要求16至31中任一项所述的系统，其中所述系统用于加热机动车的组件。
33.根据权利要求16至32中任一项所述的系统，其中所述系统与内燃机热连通。
34.根据权利要求16至33中任一项所述的系统，其中所述工作流体的体积与所述相变材料的体积之比小于约20∶1。
35.根据权利要求16至34中任一项所述的系统，其中通过所述热交换器的第一流路的约5％至约95％包括所述毛细结构。
36.根据权利要求16至35中任一项所述的系统，其中所述系统还包括用于控制所述排气流动通过所述第二流路的阀。
37.根据权利要求16至36中任一项所述的系统，其中在操作的最初30秒内取平均值的所述系统的平均功率密度为至少约1kW每升所述装置的绝热(内部)体积，当阀打开允许所述工作流体流动通过所述储热装置的第一流路时所述操作开始，其中当所述阀打开时，所述相变材料的至少50体积％为液态。
38.一种热量排放方法，其中该方法包括使所述工作流体循环通过根据权利要求1至15中任一项所述的储热装置的步骤。
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