CN110274503B - 一种相变储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种相变储能装置，包括导热的活塞腔、相变单元、导热的活塞、限位环、第一弹簧、导热帽以及热沉，活塞腔和热沉在前后两个面上相对设置，热沉在活塞腔前方，活塞腔前端敞口且后端封口，活塞在活塞腔内滑动配合，活塞与活塞腔内壁动态密封，相变单元填充在活塞后端的端部与活塞腔围成的腔室内，限位环与活塞腔前端的内壁固定连接，第一弹簧在限位环与活塞之间，第一弹簧的两端分别与限位环和活塞抵接，导热帽与活塞前端连接，导热帽的前端穿出活塞腔，热沉在导热帽的前方。本发明提供的相变储能装置，可以在保持小尺寸的基础上将大功率设备产生的热量散发，解决卫星上大功率设备的热控问题，保证设备正常运行。

Description

一种相变储能装置
技术领域
本发明涉及热能存储领域，尤其涉及一种相变储能装置。
背景技术
卫星在太空真空环境中，热量只能通过热传导、热辐射的方式进行传递，卫星在轨道绕行过程中，温度变化大，需设置热控系统使卫星上的工作设备的温度控制在合理的区间，由此，可设置相变储能装置存储和提供热能。
现有的相变储能装置一般由腔体和相变材料组成，腔体外形固定，相变储能装置能够存储的热量依赖于腔体及其内部的相变材料的大小，卫星中部分大功率设备工作时，释放的热量大，要吸收如此大的热像需要设置较大尺寸的相变储能装置，而在卫星设计中，需要尽量减轻设备重量和尺寸，设置大尺寸的相变储能装置不满足现在卫星设计的需求，而尺寸小的相变储能装置又无法吸收如此大的热量，达不到散热要求，易造成环境温度过高损坏设备。
发明内容
本发明旨在提供一种相变储能装置，可以在保持小尺寸的基础上将大功率设备产生的热量散发，解决卫星上大功率设备的热控问题，保证设备正常运行。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明公开的相变储能装置，包括导热的活塞腔、相变单元、导热的活塞、限位环、第一弹簧、导热帽以及热沉，所述活塞腔和所述热沉分别在前后两个面上相对设置，所述热沉在所述活塞腔前方，所述活塞腔前端敞口且后端封口，所述活塞在所述活塞腔内与所述活塞腔滑动配合，所述活塞与所述活塞腔内壁动态密封，所述相变单元填充在所述活塞后端的端部与所述活塞腔围成的腔室内，所述限位环与所述活塞腔前端的内壁固定连接，所述第一弹簧在所述限位环与所述活塞之间，所述第一弹簧的两端分别与所述限位环和所述活塞抵接，所述导热帽与所述活塞前端连接，所述导热帽的前端穿出所述活塞腔，所述热沉在所述导热帽的前方，所述活塞的前后止位之间的距离大于或者等于所述导热帽前端到所述热沉的距离。
本发明的有益效果是：当设备工作释放热量时，热通过导热的活塞腔传递给活塞腔内的相变单元，活塞腔内的相变单元吸收热量体积膨胀，推动活塞挤压第一弹簧向前移动，并带动导热帽前移，在热量较少时，导热帽与热沉不接触，留有距离，所有能力由相变单元和第一弹簧储存，当工作设备功率大，释放的热量多时，相变单元不断膨胀，推动导热帽与热沉接触并挤压热沉，热量通过活塞和导热帽传递给热沉，超出相变单元储能能力的热量由热沉发散，实现散热功能，当设备停止工作不再散发热量后，相变单元逐渐冷却，相变单元放热，体积变小，活塞和导热帽在第一弹簧的回复力下向后移动，导热帽与热沉断开接触，活塞腔及其内部相变单元的热量不再传递给热沉，实现保温储能功能。
进一步的，还包括第二弹簧，所述导热帽为礼帽状，所述导热帽的帽檐端朝向所述热沉且在所述活塞腔前方，所述活塞前端的端面向后开有与所述导热帽的帽顶外壁适配的滑动孔，所述滑动孔为盲孔，所述导热帽的帽顶端在所述滑动孔内且与所述滑动孔滑动配合，所述第二弹簧在所述导热帽的帽顶端与所述滑动孔孔底之间，所述第二弹簧的两端分别与所述导热帽的帽顶端和所述滑动孔的孔底固定连接，所述活塞前后止位之间的距离大于所述导热帽前端到所述热沉的距离。
采用上述进一步方案的有益效果是：在相变单元储能达到饱和之前，导热帽可提前与热沉接触通过热沉散热，导热帽与热沉接触后，第二弹簧逐步压缩，第二弹簧在此过程中，吸收活塞的移动，防止热沉与导热帽之间压力过大，造成热沉或者导热帽损坏，且可起到缓冲效果，防止外部温度突变时导热帽瞬间大范围位移造成损坏，在设备停止工作后，导热帽也可与热沉保持一段时间接触后再分离，将部分相变单元体积变小放出的热量传递至热沉。
进一步的，所述活塞包括与所述活塞腔动态密封的密封部以及与所述导热帽连接的连接部，所述密封部宽度大于所述连接部的宽度，所述连接部在所述限位环中部开口的轴向投影内，所述密封部的前端与所述连接部的后端固定连接，所述第一弹簧在所述连接部外壁与所述活塞腔内壁之间，所述第一弹簧的两端分别与所述密封部的前端面和所述限位环的后端面抵接。
采用上述进一步方案的有益效果是：可使密封部设计的更加薄，活塞前后止位之间的距离更大，使相变单元体积可变化的范围更大，利于储能，也便于设置第一弹簧。
进一步的，所述连接部的外壁与所述限位环中部开口适配，所述连接部外壁与所述限位环开口滑动配合且相互接触，所述限位环为导热材质。
采用上述进一步方案的有益效果是：增加一路导热路径，活塞腔吸收的外界的热量可通过限位环传递到导热帽，提高导热效果。
进一步的，所述第一弹簧的内径大于所述连接部的宽度，所述第一弹簧的外径小于所述活塞腔内壁的宽度，所述第一弹簧套在所述连接部的外侧。
采用上述进一步方案的有益效果是：仅设置一根第一弹簧，轴向弹力均匀，便于活塞轴向往复运动。
进一步的，所述活塞腔为空心圆柱状，所述活塞与所述活塞腔动态密封处为与所述活塞腔适配的圆柱状，所述活塞腔、所述活塞、所述限位环以及所述第一弹簧同轴设置。
采用上述进一步方案的有益效果是：相变单元在圆柱形活塞腔内膨胀时，活塞腔径向受力均匀，更易使相变单元向活塞腔轴向方向膨胀，对活塞产生轴向的推力。
进一步的，还包括导热针肋，所述导热针肋的前端与所述活塞后端的端面固定连接，所述导热针肋在所述活塞腔内，所述导热针肋的后端插入所述相变单元内。
采用上述进一步方案的有益效果是：增加向相变单元热传递的效率，活塞腔吸收外界的热量除通过其自身直接向相变单元传递外，还可通过活塞和导热针肋向相变单元传递，提高相变单元的储能效率。
进一步的，还包括密封圈，所述密封圈套在所述活塞外壁，所述密封圈的内侧与所述活塞固定连接，所述密封圈的外侧与所述活塞腔内壁接触且接触处密封，所述活塞和所述活塞套通过所述密封圈动态密封。
采用上述进一步方案的有益效果是：提高活塞和活塞腔的密封效果，利于相变单元在膨胀过程中推动活塞。
进一步的，所述相变单元由石蜡材质制成。
采用上述进一步方案的有益效果是：材料易得，相变能力好，经济性好。
进一步的，所述活塞腔、所述活塞、所述导热帽和所述限位环均由铝合金、铜或者导热塑料中的一种或者多种材料制成。
采用上述进一步方案的有益效果是：材料易得，经济性好。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为活塞腔外侧示意图；
图中：1-活塞腔、2-限位环、3-第一弹簧、4-导热帽、41-帽顶端、42-帽檐端、5-密封圈、6-第二弹簧、7-热沉、8-相变单元、9-活塞、91-密封部、92-连接部、93-滑动孔、10-导热针肋。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图2所示，本发明公开的相变储能装置，包括导热的活塞腔1、相变单元8、导热的活塞9、限位环2、第一弹簧3、导热帽4以及热沉7，活塞腔1和热沉7分别在前后两个面上相对设置，热沉7在活塞腔1前方，活塞腔1为空心圆柱状，活塞腔1前端敞口且后端封口，活塞9在活塞腔1内与活塞腔1滑动配合，活塞9与活塞腔1内壁动态密封。
活塞9包括与活塞腔1动态密封的密封部91以及连接部92，密封部91和连接部92均为圆柱状，密封部91外径大于连接部92的外径，密封部91的前端与连接部92的后端同轴固定连接。还包括密封圈5，密封圈5套在密封部91外壁，密封圈5的内侧与密封部91固定连接，密封圈5的外侧与活塞腔1内壁接触且接触处密封，密封部91和活塞9套通过密封圈5动态密封，密封圈5可由橡胶或者其他密封材料制成。
相变单元8填充在密封部91后端的端部与活塞腔1围成的腔室内，限位环2与活塞腔1前端的内壁固定连接，第一弹簧3在限位环2与密封部91前端面之间，第一弹簧3的两端分别与限位环2后端面和密封部91的前端面抵接，导热帽4与连接部92前端同轴连接，导热帽4的前端穿出活塞腔1，热沉7在导热帽4的前方，活塞9的前后止位之间的距离大于或者等于导热帽4前端到热沉7的距离
连接部92的外壁与限位环2中部开口适配，连接部92外壁与限位环2开口滑动配合且相互接触，限位环2为导热材质。具体的，限位环2中部开口为圆口，连接部92外径与限位部中部开口的口径相同，连接部92在限位环2中部开口的轴向投影内且可从限位部中部开口穿出。
第一弹簧3在连接部92外壁与活塞腔1内壁之间，可在限位环2的周向均匀设置多个相同的第一弹簧3，也可设置一根第一弹簧3，第一弹簧3的内径大于连接部92的宽度，第一弹簧3的外径小于活塞腔1内壁的宽度，第一弹簧3套在连接部92的外侧。
外部环境的热量通过活塞腔1，一路经活塞腔1直接传递到相变单元8，一路经活塞腔1、活塞9传递至相变单元8，还有一路经活塞腔1、限位环2、活塞9传递到相变单元8，相变单元8吸热膨胀，推动活塞9前移，当活塞9与热沉7接触后，热量由导热帽4传递至热沉7，此时热量一路通过活塞腔1、限位环2、活塞9传递至导热帽4，另一路通过活塞腔1、相变单元8、活塞9传递至导热帽4，最后两路热量均通过导热帽4传递至热沉7，如此设置无论对于相变单元8吸热膨胀还是对于将热量传递至热沉7，热传递效果均更好。
优选的，本相变储能装置还包括第二弹簧6，导热帽4为礼帽状，导热帽4的帽顶和帽檐均为实心的圆柱体，导热帽4的帽顶和帽檐均与活塞9同轴设置，导热帽4的帽檐端42朝向热沉7且在活塞腔1前方，连接部92前端的端面向后开有与导热帽4的帽顶外壁适配的滑动孔93，滑动孔93的轴线与导热帽4的轴线重合，滑动孔93为盲孔，导热帽4的帽顶端41在滑动孔93内且与滑动孔93滑动配合，第二弹簧6在导热帽4的帽顶端41与滑动孔93孔底之间，第二弹簧6的两端分别与导热帽4的帽顶端41和滑动孔93的孔底固定连接，设置此种结构时，活塞9前后止位之间的距离大于导热帽4前端到热沉7的距离，在相变单元8吸热膨胀的过程中，第二弹簧6先保持不变，在导热帽4与热沉7接触后，第二弹簧6再逐渐压缩，一方面把部分热能转变为弹性势能，有储能效果，另一方面防止导热帽4与热沉7直接挤压造成损坏，在相变单元8放热收缩的过程中，压缩的第二弹簧6逐渐恢复，可在一定时间内保持导热帽4与热沉7的接触，保持导热帽4与热沉7之间的热传递，相变单元7在开始冷却时，环境温度还比较高，避免在此阶段放出的热量无法散发出去。
活塞腔1、活塞9、限位环2、第一弹簧3、导热帽4、第二弹簧6均同轴设置。
还包括导热针肋10，导热针肋10的前端与活塞9密封部91后端的端面固定连接，导热针肋10在密封部91后端与活塞腔1围成的腔室内，导热针肋10的后端插入相变单元8内，导热针肋10可为铜、铝或者其他导热材质制成，导热针肋10的径向截面为圆形，便于将活塞9和相变单元8之间通过导热针肋10相互进行热传递，热传递效果更好。
相变单元8由现有的相变材料制成，可为水合盐相变材料或蜡质相变材料，相变单元8优选为石蜡材质制成。
活塞腔1、活塞9、导热帽4和限位环2均由铝合金、铜或者导热塑料中的一种或者多种材料制成。
热沉7采用现有卫星内热控系统的热沉7。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种相变储能装置，其特征在于：包括导热的活塞腔(1)、相变单元(8)、导热的活塞(9)、限位环(2)、第一弹簧(3)、导热帽(4)以及热沉(7)，所述活塞腔(1)和所述热沉(7)分别在前后两个面上相对设置，所述热沉(7)在所述活塞腔(1)前方，所述活塞腔(1)前端敞口且后端封口，所述活塞(9)在所述活塞腔(1)内与所述活塞腔(1)滑动配合，所述活塞(9)与所述活塞腔(1)内壁动态密封，所述相变单元(8)填充在所述活塞(9)后端的端部与所述活塞腔(1)围成的腔室内，所述限位环(2)与所述活塞腔(1)前端的内壁固定连接，所述第一弹簧(3)在所述限位环(2)与所述活塞(9)之间，所述第一弹簧(3)的两端分别与所述限位环(2)和所述活塞(9)抵接，所述导热帽(4)与所述活塞(9)前端连接，所述导热帽(4)的前端穿出所述活塞腔(1)，所述热沉(7)在所述导热帽(4)的前方，所述活塞(9)的前后止位之间的距离大于或者等于所述导热帽(4)前端到所述热沉(7)的距离。
2.根据权利要求1所述的相变储能装置，其特征在于：还包括第二弹簧(6)，所述导热帽(4)为礼帽状，所述导热帽(4)的帽檐端(42)朝向所述热沉(7)且在所述活塞腔(1)前方，所述活塞(9)前端的端面向后开有与所述导热帽(4)的帽顶外壁适配的滑动孔(93)，所述滑动孔(93)为盲孔，所述导热帽(4)的帽顶端(41)在所述滑动孔(93)内且与所述滑动孔(93)滑动配合，所述第二弹簧(6)在所述导热帽(4)的帽顶端(41)与所述滑动孔(93)孔底之间，所述第二弹簧(6)的两端分别与所述导热帽(4)的帽顶端(41)和所述滑动孔(93)的孔底固定连接，所述活塞(9)前后止位之间的距离大于所述导热帽(4)前端到所述热沉(7)的距离。
3.根据权利要求1或2所述的相变储能装置，其特征在于：所述活塞(9)包括与所述活塞腔(1)动态密封的密封部(91)以及与所述导热帽(4)连接的连接部(92)，所述密封部(91)宽度大于所述连接部(92)的宽度，所述连接部(92)在所述限位环(2)中部开口的轴向投影内，所述密封部(91)的前端与所述连接部(92)的后端固定连接，所述第一弹簧(3)在所述连接部(92)外壁与所述活塞腔(1)内壁之间，所述第一弹簧(3)的两端分别与所述密封部(91)的前端面和所述限位环(2)的后端面抵接。
4.根据权利要求3所述的相变储能装置，其特征在于：所述连接部(92)的外壁与所述限位环(2)中部开口适配，所述连接部(92)外壁与所述限位环(2)开口滑动配合且相互接触，所述限位环(2)为导热材质。
5.根据权利要求3所述的相变储能装置，其特征在于：所述第一弹簧(3)的内径大于所述连接部(92)的宽度，所述第一弹簧(3)的外径小于所述活塞腔(1)内壁的宽度，所述第一弹簧(3)套在所述连接部(92)的外侧。
6.根据权利要求1或2或4或5所述的相变储能装置，其特征在于：所述活塞腔(1)为空心圆柱状，所述活塞(9)与所述活塞腔(1)动态密封处为与所述活塞腔(1)适配的圆柱状，所述活塞腔(1)、所述活塞(9)、所述限位环(2)以及所述第一弹簧(3)同轴设置。
7.根据权利要求1或2或4或5所述的相变储能装置，其特征在于：还包括导热针肋(10)，所述导热针肋(10)的前端与所述活塞(9)后端的端面固定连接，所述导热针肋(10)在所述活塞腔(1)内，所述导热针肋(10)的后端插入所述相变单元(8)内。
8.根据权利要求1或2或4或5所述的相变储能装置，其特征在于：还包括密封圈(5)，所述密封圈(5)套在所述活塞(9)外壁，所述密封圈(5)的内侧与所述活塞(9)固定连接，所述密封圈(5)的外侧与所述活塞腔(1)内壁接触且接触处密封，所述活塞(9)和所述活塞(9)套通过所述密封圈(5)动态密封。
9.根据权利要求1或2或4或5所述的相变储能装置，其特征在于：所述相变单元(8)由石蜡材质制成。
10.根据权利要求1或2或4或5所述的相变储能装置，其特征在于：所述活塞腔(1)、所述活塞(9)、所述导热帽(4)和所述限位环(2)均由铝合金、铜或者导热塑料中的一种或者多种材料制成。
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