CN104833255A - 一种相变蓄冷装置 - Google Patents

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范国滨
张卫
刘军
王永振
杨波
柳丽卿
蔡光明
闫锋
武德勇
王姣
谢秀芳
李春领
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Abstract

本发明提供了一种相变蓄冷装置的技术方案，该方案包括有设置在封装壳体内的取热冷板、释热冷板、骨架材料、相变材料和隔热材料；取热冷板和释热冷板之间设置有骨架材料；骨架材料与释热冷板和取热冷板采用层式堆叠交错设置；骨架材料内填充有相变材料；封装壳体的内壁上设置有隔热材料；取热冷板内设置有取热回路；释热冷板内设置有释热回路；取热回路中设置有取热载冷剂；释热回路中设置有释热载冷剂；封装壳体顶部设置有排气孔和相变材料加注口。该方案利用释热回路、取热回路和相变材料进行热交换，无需采用额外能源，整体装置体积较小，能耗较低。

Description

一种相变蓄冷装置
技术领域
本发明涉及的是热交换管理领域，尤其是一种相变蓄冷装置。
背景技术
热管理技术的研究关注点在于解决“取热回路”中高热流密度下热量从热源到冷却工质间的传递过程，而对于“释热回路”以及如何降低热管理系统体积、重量和功耗尚未引起足够的重视。随着固体激光器朝着长时间、更高功率的方向发展，如果仍然采用传统的微通道实时水冷方式，热管理系统的体积、重量及功耗将极其庞大，极大的限制了大功率固体激光器的应用领域。
相变蓄冷是通过相变材料相变把冷量储存起来，在需要时通过相变把冷量释放出来的方法。相变储能系统在太阳能利用、建筑节能、蓄冷空调及高能激光器中有着广泛的应用。
2003年曹建光等人开展了泡沫铝在相变储能装置中的应用研究，获得了基于泡沫铝强化传热的部分相变储能规律，但该技术尚未见应用。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种相变蓄冷装置的技术方案，该方案利用释热回路、取热回路和相变材料进行热交换，无需采用额外能源，整体装置体积较小，能耗较低。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种相变蓄冷装置，包括有设置在封装壳体内的取热冷板、释热冷板、骨架材料、相变材料和隔热材料；取热冷板和释热冷板之间设置有骨架材料；骨架材料与释热冷板和取热冷板采用层式堆叠交错设置；骨架材料内填充有相变材料；封装壳体的内壁上设置有隔热材料；取热冷板内设置有取热回路；释热冷板内设置有释热回路；取热回路中设置有取热载冷剂；释热回路中设置有释热载冷剂；封装壳体顶部设置有排气孔和相变材料加注口。
作为本方案的优选：取热回路一端设置在取热冷板内，另一端设置在热源区域内；释热回路一端设置在释热冷板内，另一端设置在外部制冷设备内。
作为本方案的优选：骨架材料的形状为块状多孔蜂窝形；骨架材料的材质为多孔泡沫石墨；骨架材料导热系数为100w/m﹒K～300w/m﹒K；骨架材料有效孔隙率为0.2～0.8。
作为本方案的优选：取热冷板和释热冷板通过导热胶粘贴在骨架材料上。
作为本方案的优选：相变材料能够发生固液相变；相变材料相变潜热大于100kJ/kg。
作为本方案的优选：导热胶的导热系数大于3W/m﹒K。
作为本方案的优选：相变材料的需要量根据公式计算，其中Q为单次蓄冷量，ΔH为相变材料相变潜热。
作为本方案的优选：骨架材料的需要量根据公式计算，其中Q为单次蓄冷量，ε为有效孔隙率，ΔH为相变材料相变潜热。
作为本方案的优选：相变材料以液相状态加注进封装壳体中。
作为本方案的优选：骨架材料为多孔泡沫石墨；相变材料为石蜡。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中利用相变材料的相变实现废热吸收，吸热过程不需动力能源，能耗低；利用相变材料的相变吸收热量，储能密度高，装置体积规模小；通过多孔介质材料强化传热，单位时间储热量大，适用于高热流密度负载散热；通过增加相变材料总量增加总吸热量，可适用不同热负荷的使用环境，应用范围广。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为取热冷板和释热冷板的换热原理示意图。
图中，1为相变材料加注口，2为排气口，3封装壳体，4为隔热材料，5为取热冷板，6为骨架材料，7为释热冷板，8为取热回路，9为释热回路，10为热源区域，11为外部制冷装置。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
本发明包括有设置在封装壳体内的取热冷板、释热冷板、骨架材料、相变材料和隔热材料；取热冷板和释热冷板之间设置有骨架材料；骨架材料与释热冷板和取热冷板采用层式堆叠交错设置；骨架材料内填充有相变材料；封装壳体的内壁上设置有隔热材料；取热冷板内设置有取热回路；释热冷板内设置有释热回路；取热回路中设置有取热载冷剂；释热回路中设置有释热载冷剂；封装壳体顶部设置有排气孔和相变材料加注口。
取热载冷剂吸收热源热量后，通过循环回路进入取热冷板，取热载冷剂在取热回路内对流换热，热量经取热冷板、导热胶、骨架材料传递至相变材料，相变材料吸热发生固液相变，部分或全部由固态融化为液态；释热载冷剂在释热回路内对流换热，相变材料吸收的热量经骨架材料、导热胶、释热冷板传递至释热载冷剂，释热载冷剂通过循环回路将热量传递至外围制冷设备，相变材料释热发生液固相变，部分或全部由液态固化为固态。
骨架材料为Poco Foam泡沫石墨，层间导热系数为135w/m﹒K，开孔率75％，有效孔隙率为95％，尺寸为208mm×104mm×21mm，层数8层。
导热胶为高导热银胶，导热系数为55w/m﹒K。
取热冷板为铜板，层数为4层，取热回路截面为矩形，尺寸为4mm×4mm，取热回路中心距为8mm。
释热冷板为铜板，层数为3层，释热回路截面为矩形，尺寸为6mm×6mm，释热回路中心距为12mm，释热冷板通过接口管道与释热回路连接。
相变材料为正十四烷，填充量2.4L，膨胀空间占蓄冷器总有效体积10％,单次蓄冷量480kJ。
蓄冷器初始状态相变材料为全固相，取热回路加载热负荷10.64kW，取热载冷剂为水，流量为310L/h，相变材料液固相变时间27s，入口平均水温48.56℃，出口平均水温18.99℃，总换热系数为2500W/m2﹒K。
释热回路连接制冷机，实测制冷功率300W，释热载冷剂为酒精，相变材料固液相变时间30min。
实施例2
与实施例1基本相同，不同之处在于骨架材料尺寸为135mm×270mm×40mm，层数为2层。
取热冷板为铜板，层数为1层，取热回路截面为圆形，内径为6mm，取热回路中心距为38mm，取热冷板通过接口管道与取热回路连接。
释热冷板为铜板，层数为1层，释热回路截面为圆形，内径为6mm，释热回路中心距为40mm，释热冷板通过接口管道与释热回路连接。
相变材料为正十四烷，填充量2.0L，膨胀空间占蓄冷器总有效体积18％,单次蓄冷量400kJ。
蓄冷器初始状态相变材料为全固相，取热回路加载热负荷800W，取热载冷剂为水，流量为3.4L/min，相变材料液固相变时间8min，入口平均水温22.56℃，出口平均水温17.69℃，总换热系数为2400W/m2﹒K。
释热回路连接制冷机，实测制冷功率200W，释热载冷剂为R134a，相变材料固液相变时间40min。
实施例3
与实施例1基本相同，不同之处在于骨架材料为为HTC泡沫石墨，层间导热系数为245w/m·K，开孔率61％，有效孔隙率为95％，尺寸为152mm×194mm×25mm，层数为4层。
取热冷板为铝板，层数为2层，取热回路截面为圆形，内径为6mm，取热回路中心距为38mm，取热冷板通过接口管道与连接取热回路。
释热冷板为铝板，层数为2层，释热回路截面为圆形，内径为6mm，释热回路中心距为40mm，释热冷板通过接口管道与释热回路连接。
相变材料为正十六烷，填充量1.5L，膨胀空间占蓄冷器总有效体积15％,单次蓄冷量320kJ。
蓄冷器初始状态相变材料为全固相，取热回路加载热负荷600W，取热载冷剂为全三乙胺，相变材料液固相变时间9min，入口平均温度22℃，出口平均温度18℃，总换热系数2000W/m2﹒K。
释热回路连接制冷机，制冷功率200W，释热载冷剂为R134a，相变材料固液相变时间30min。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种相变蓄冷装置，其特征是：包括有设置在封装壳体内的取热冷板、释热冷板、骨架材料、相变材料和隔热材料；所述取热冷板和释热冷板之间设置有骨架材料；所述骨架材料与释热冷板和取热冷板采用层式堆叠交错设置；所述骨架材料内填充有相变材料；所述封装壳体的内壁上设置有隔热材料；所述取热冷板内设置有取热回路；所述释热冷板内设置有释热回路；所述取热回路中设置有取热载冷剂；所述释热回路中设置有释热载冷剂；所述封装壳体顶部设置有排气孔和相变材料加注口。
2.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述取热回路一端设置在取热冷板内，另一端设置在热源区域内；所述释热回路一端设置在释热冷板内，另一端设置在外部制冷设备内。
3.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述骨架材料的形状为块状多孔蜂窝形；所述骨架材料的材质为多孔泡沫石墨；所述骨架材料导热系数为100w/m﹒K～300w/m﹒K；所述骨架材料有效孔隙率为0.2～0.8。
4.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述取热冷板和释热冷板通过导热胶粘贴在骨架材料上。
5.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述相变材料能够发生固液相变；所述相变材料相变潜热大于100kJ/kg。
6.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述导热胶的导热系数大于3W/m﹒K。
7.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述相变材料的需要量根据公式计算，其中Q为单次蓄冷量，ΔH为相变材料相变潜热。
8.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述骨架材料的需要量根据公式计算，其中Q为单次蓄冷量，ε为有效孔隙率，ΔH为相变材料相变潜热。
9.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述相变材料以液相状态加注进封装壳体中。
10.根据权利要求1所述的一种相变蓄冷装置，其特征是：所述骨架材料为多孔泡沫石墨；所述相变材料为石蜡。
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