CN112424551A - 基于pcm的热交换器及其用途 - Google Patents

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Abstract

公开了一种基于PCM的热交换器，所述基于相变材料(PCM)的热交换器包括：a)具有包括入口和出口的绝热壁的壳体；以及b)包括包含相变材料的支撑结构的多个模块，其中所述模块以一种方式布置在所述壳体内以限定将所述入口与所述出口连接的流体路径。另一目的涉及一种装置，其中所述装置是保育箱，例如婴儿保育箱或鸡/蛋孵育箱，或手套箱，其特征在于，其包括与限定绝热隔室的罩可操作地连接的基于PCM的热交换器，适于将空气流注入所述基于PCM的热交换器的风扇和调节罩内部的空气温度的系统。

Description

基于PCM的热交换器及其用途
技术领域
本公开中描述的主题涉及一种利用相变材料的热能储存单元及其应用，例如在作为示例的婴儿保育箱中的应用。
背景技术
每年大约有2000万婴儿早产，其中400万死亡。这些死亡中约有99％发生在低收入和中等收入国家，主要是由于体温过低，即不能将婴儿的身体保持在足够温暖的温度下。
通常，早产婴儿被保持在新生儿保育箱中，其主要功能是确保维持婴儿的适当体温，原因是他们的器官未完全发育，因此不能维持必要的体温。在发达国家，保育箱和辐射保暖器已成为NICU(新生儿重症监护病房)的重要部分。它们提供了可以控制温度、湿度和氧含量的稳定环境。
普通保育箱的工作原理是在部分封闭的隔室中产生暖空气的循环。空气经由加热器加热，所述加热器通常放置在产生气流的风扇后面。在一些保育箱中，事情正好相反，空气通过加热器吸入。空气的温度由放置在靠近婴儿的罩内并直接连接到加热器的热调节器调节。
该医学创新有助于极大地降低由体温过低引起的死亡人数。然而，发达国家的医学进步与其在全球南方的有效实施之间仍然存在巨大差距。除缺乏资金外，阻碍可靠且稳定地使用那些技术的主要因素是缺乏训练有素的监测和维修人员，以及不提供备件的供应链断裂。而且，发展中国家的新生儿保育箱的适当功能的主要问题(每当有时)是电网的不稳定，这会导致频繁的断电并因此损害保育箱将婴儿体温维持在所需生理水平的能力。结果，人们不能将援助仅仅看作是西方技术和对低资源国家的投入的转化。必须构想和实施适当适应的定制解决方案以弥合医疗保健以及其他部门中存在的差距。因此，迫切需要一种解决方案，其能够使新生儿保育箱即使在频繁的电力中断期间也能确保其重要功能。为了适合其预期环境，这样的保育箱还应当价格合理、坚固耐用且易于使用。
在没有电驱动的加热源的情况下用于维持恒定温度的理想候选解决方案可以是使用相变材料(PCM)。PCM通常(但非排他地)是经历具有高熔融潜热的固液相转变的物质。换句话说，通过在一定温度下熔化和固化，PCM能够储存和释放大量能量。当材料从固体变为液体和经历相反过程时热被吸收或释放；因此，PCM被分类为潜热储存单元。通常，任何材料都具有比熔融潜热(和汽化潜热)。然而，用于热储存/温度维持目的的商用PCM的特殊性在于，与标准材料相比，它们的熔融潜热(或储热能力)大，并且它们可以对进行工程改造以使其在所需温度下发生相转变。
最初，固液PCM行为类似于显热储存(SHS)材料；它们吸收热时温度会升高。当PCM达到相变温度(它们的熔化温度)时，它们会在几乎恒定的温度下吸收大量热。PCM继续吸收热而温度没有明显升高，直到材料完全转变为液相。一旦其完全融化，其行为就会再次类似于显热储存材料，其温度与其接收的能量成比例地上升。当液体材料周围的环境温度下降时，PCM固化，在几乎恒定的温度下将其储存的潜热释放到相邻的环境。
然而，尽管PCM显示合适的热储存和释放特征，但是关于例如新生儿保育箱应用，本领域中所缺少的是最佳接口，该接口允许从PCM提取热并将其有效且受控地分配到保育箱内部。
过去，已经提出了各种解决方案，其涉及在不同环境中使用PCM作为用于临时容器的温度维持的储热元件。例如，WO 2012/002982描述了一种保育箱装置。尽管该装置展示了使用PCM在密闭空间内维持恒定温度的可能性，但婴儿保育箱的要求却大不相同。罩必须足够大以容纳新生婴儿，它必须透明以允许对婴儿的视觉监视，并且必须提供到婴儿的直接通路以用于医疗护理，这防止彻底隔离。
转向用于防止婴儿的体温过低的装置，WO 2009/139877描述了一种婴儿保暖器，其包括配置成包围生物的至少一部分的被褥元件(bedding element)以及包括在被褥元件中的温度或热调节元件，所述温度或热调节元件包括在所需温度范围内在液相和固相之间变化的相变材料。该元件可与系统分离，并且可以从被褥元件完全移除以允许再加热。然而被褥元件的温度是固定的，并且不能进行调节以适应不同的婴儿状态和需要。此外系统既无法对婴儿的身体进行持续的视觉监视，也无法接近它以进行医疗护理，因此不能被视为婴儿保育箱。
关于用于婴儿保育箱的更完整的解决方案，许多文献描述了通过利用相变材料的特征而工作的装置，即使在没有电流的情况下所述相变材料的特征也可用于调节罩/室内部的温度。例如，WO 2010/078395公开了一种模块化新生儿重症监护系统，其包括婴儿保育箱、摇篮和框架。婴儿保育箱配置成降低总体成本和/或最小化新生儿护理系统或婴儿保育箱所消耗的电量。在一方面，设想了并入用于能量储存的相变材料(PCM)模块：一块PCM可以放置在保育箱的基座内部，并且可以使用输入的交流电流从固体变为液体。断电时，PCM块在其从液体变回固体时释放热。所述块保持恒定的温度直到相变完成。该恒定温度源提供用于加热进入空气的基线，使得电加热元件仅在需要增加PCM热时才从电池获取能量。即使提供了在电功率可用时使用PCM储存热并在电力故障期间将其释放到保育箱中的概念，然而该文献也未描述该功能的任何实现方式，尤其是如何有效地从PCM收回热，也未提出可以使该概念成为现实的解决方案的任何量化要素。
US 2012078034描述了一种婴儿保暖装置，其包括限定婴儿隔室的婴儿箱以及与所述婴儿隔室气动联接的加热系统。加热系统包括配置成经由风扇将热选择性地传递至婴儿隔室的加热器，以及配置成储存来自加热器的热并将所述储存的热选择性地传递至婴儿隔室的储热装置。储热装置材料的列表包括高密度固体，例如石头、砖石或金属材料，液体和/或相变材料。在热释放模式下，储热装置经由通道与婴儿隔室气动联接。这些通道相应地配置成将较冷的空气从婴儿隔室传递至储热装置，并将较热的空气从储热装置传递至婴儿隔室。风扇与通道气动联接，以促进加热的空气从储热装置传递至婴儿隔室。
再次，缺乏对储热单元和环境或风扇吹出的空气之间的热交换过程的描述，以及对可以或应当储存的热量的任何定量评估以便使所述装置适合于发展中国家的环境，这是讨论使用相变材料进行热储存时的关键点，原因是必要的材料量和热交换程序在实施过程中是重要方面。
本申请人拥有的国际专利申请WO 2017/167363描述了基于PCM的热交换器及其在婴儿保育箱中的应用，其中所述热交换器具有基座、具有由金属壁的网络限定的多个中空体积的金属热交换器、包括在金属热交换器中以填充多个中空体积的PCM、以及与金属热交换器可操作地连接的至少一个金属管状元件，所述金属管状元件具有入口、出口和适于允许流体流动的中空主体，其中PCM的每个点距金属壁的网络的壁、金属热交换器或金属管状元件至多5mm远。尽管与本领域中已知的热交换器相比，所公开的热交换器在基于PCM的保育箱的开发上迈出了一大步，但在空气流和热能储存和释放单元中的相变材料之间的接口的易用性和有效性方面仍有改进的空间。
发明内容
根据本说明书中描述的主题的主要方面，公开了一种基于PCM的热交换器，所述基于PCM的热交换器包括：
a)具有包括入口和出口的绝热壁的壳体；以及
b)包括包含PCM的支撑结构的多个模块，
其中所述模块以限定将所述入口与所述出口连接的流体路径的方式布置在所述壳体内以。
本说明书中描述的主题的另一目的涉及如先前所述的基于PCM的热交换器在保育箱或手套箱中的用途，所述保育箱例如是婴儿保育箱、鸡或蛋孵育箱。
本说明书中描述的主题的又一目的涉及一种装置，其中所述装置是保育箱，例如婴儿保育箱、鸡或蛋孵育箱，或手套箱，其特征在于，所述装置包括：
a)用于新鲜空气的总空气入口和排出二氧化碳的出口；
b)限定绝热室的罩，所述罩具有入口和出口，并且提供进入到所述罩的内容物的视觉通路；
c)如前所述的基于PCM的热交换器，所述基于PCM的热交换器通过其出口操作性地连接到所述罩的入口；
d)适于将空气流注入所述基于PCM的热交换器的入口的风扇；以及
e)调节所述罩内部的空气温度的系统。
通过参考示出了所述主题的一些优选方面的附图的以下描述的研究，本文呈现的主题的以上和其他目的、特征和优点将变得更加显而易见。
附图说明
图1示出了根据本公开的基于PCM的热交换器的一个方面的俯视图；
图2示出了根据本公开的主题的两个方面的包含PCM的模块的侧向横截面：a)具有包封两层相变材料的支撑容器的包含PCM的模块的侧向横截面；b)具有包封两层相变材料的支撑结构的包含PCM的模块的侧向横截面，每一层包括在诸如塑料袋的容器中；
图3示出了根据本公开的包含PCM的模块的一个方面的等距视图；
图4示出了与风扇可操作地连接的、根据本公开的基于PCM的热交换器的一个方面的俯视图，其中空气流示出为箭头；
图5示出了包括四个包含PCM的模块的、根据本公开的基于PCM的热交换器的一个方面的等距视图；
图6示出了根据本公开的包括基于PCM的热交换器的婴儿保育箱的一个方面的示意性侧视图；
图7示出了包括以水平布局堆叠的多个PCM模块的、根据本公开的基于PCM的热交换器的另一实施例的示意性侧视图。在图中，箭头越暗，空气越热。
具体实施方式
在下文中，将通过对附图中所描绘的那些方面的以下描述来阐明本文中描述的主题。然而应当理解，本说明书中描述的主题不限于以下描述和附图中所描绘的方面；相反，本文描述的主题的范围由权利要求限定。而且，应当理解，以下描述和/或示出的特定条件或参数并不限制本文描述的主题，并且本文所用的术语是为了仅通过示例描述特定方面的目的，而不旨在进行限制。
如本文和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另外明确指出。另外，“或”的使用表示“和/或”，除非另有说明。类似地，“包括”和“包含”是可互换的而不是旨在限制。还将理解的是，在各个方面的描述使用术语“包括”的情况下，本领域技术人员将理解，在某些特定情况下，可以使用语言“基本上由...组成”或“由...组成”来替代地描述一个方面。
此外，为了清楚起见，术语“约”在本文中旨在涵盖给定值的+/-10％的变化。
本公开描述了一种基于相变材料的热能储存和释放单元，以及一种系统，所述系统包括所述单元以及在功能接口中设置的附加元件，特别是设计用于诸如(婴儿)保育箱或手套箱的物品中。当然，这些应用不应被解释为限制性的，其他应用也是可能的。所述热电池单元包括基于PCM的热交换器，所述基于PCM的热交换器被优化以在发展中国家遇到的意料不到的电力故障的持续时间(其通常可持续长达四个小时)内维持保育箱罩内部的恒定温度。先前已提出了用于储热和/或温度维持的基于PCM的许多解决方案，但是它们在商业上生产尺寸和重量有限的热交换器中，尤其是在婴儿保育箱中使用的热交换器中，实际上都没有实现。
因此，本文公开的主题的关键方面之一依赖于这样的热交换器的实现，所述热交换器可以通过有效地从相变材料收回热能，并使从所述相变材料到工作流体(例如空气)的热传递最大化，或者在保育箱的情况下直接传导至婴儿，解决如何确保例如至少四个小时的热自主的问题。
特别地，为了解决和克服在本领域中成问题的先前尝试的缺点，本发明的一个目的是提供一种装置，例如手套箱或保育箱，例如婴儿保育箱、鸡或蛋孵育箱，其在不能保证持续供电的情况下使用，例如用于发展中国家或难民营中，和/或在没有电的情况下执行其任务持续足够的时间(例如，至少4个小时)以从一个地方运输到另一个地方。
下文中公开的本发明的另一目的是为保育箱(例如婴儿保育箱，鸡或蛋孵育箱)提供一种低成本、可靠的解决方案，该解决方案将由于其部件的典型的非气密性密封而导致的热损失最小化，同时保证氧的更新和CO2的消除，以使婴儿/鸡正常呼吸。所有这些目的都是通过如本说明书和所附权利要求中所述的主题来实现的。
如本文所用，“相变材料”(PCM)是在熔化和冷冻/固化过程期间吸收和释放热能的物质。当PCM固化时，它在相对恒定的温度下以潜热的形式释放大量能量。相反，当这样的材料熔化时，它从环境吸收大量热。潜热表示将物质从一种状态变为另一种状态(即从液体变为固体，反之亦然)所需的能量。PCM在广泛的应用中找到了用途，例如用于冰箱、高性能纺织品、运输集装箱、建筑材料等。
PCM分为四个主要类别：水基，盐水合物，石蜡和蔬菜基。特定应用中的选择标准通常基于以下考虑因素：热力学性质(所需工作温度范围内的熔化温度，潜热，密度，热导率，体积变化)，运动性质(成核速率，晶体生长速率)，化学性质(化学稳定性，完全可逆的冷冻/熔化循环，经过大量冷冻/熔化循环后不会降解，无腐蚀，无毒，不可燃和无爆炸性)或经济性质(成本，可用性)。
即使存在广泛的选择，在本公开的框架中，基于石蜡的PCM被认为是最合适的替代方案并且因此是优选的。水合盐会引起很多腐蚀问题，因此最好不要在热交换器和保育箱中使用它们，因为其中的许多不同部分都是金属的，存在泄漏的风险会导致电气问题。石蜡不仅具有良好的储热能力还具有非常低的热导率，这可以被认为是在电击穿的情况下连续和缓慢地收回热的优点。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，该选择不是排他的和非限制性的，只要选择的PCM根据本公开能够以有效的方式储存热。在一方面，根据本公开的PCM具有通过本领域已知的方法(例如差示扫描量热法(DSC))测量的高于45℃(例如包括在50至100℃之间或50至70℃之间的温度)的相变温度。在使用热交换器作为诸如婴儿保育箱/鸡/蛋孵育箱或手套箱的、如稍后将详细描述的装置内的热电池的框架中，该温度范围以这样的方式被认为是有利的，使得取决于所述装置内的热交换元件和/或流体路径的位置和/或设计，可以实现所连接的罩内部的最高期望温度。
已构想并调整了本文描述的基于PCM的热交换器的方面，以解决过去在热电池的充电/放电、成本和搬运/运输等方面遇到的一些问题。此外，设计与诸如(婴儿)保育箱的装置容易接口的独立单元至关重要：该系统应储存能量并在连接到电源时传送稳定的热条件，并在断电时维持它们。出于该目的，已经对用于控制保育箱内温度调节的基本参数进行了更详细的研究，从而得出定义本公开的主题的最终模型。
参考图1，示出了本文所公开的基于PCM的热交换器1000的一个非限制性方面的顶视图，其示意性地描绘了根据本说明书的实际实现的热电池。基于PCM的热交换器包括具有包括入口101和出口102的绝热壁(103-106)的壳体100。壳体100适于用作所有其他部件的支撑件和容器，并且可以具有任意三维形状，例如立方体形状、矩形棱柱体形状、角锥体形状、球体形状、蛋形等，并且可以由任何材料，例如木材或塑料聚合材料(例如PET或聚丙烯)或甚至它们的组合制成，只要与系统的其他部件的相互作用(例如由于加热某些所述部件)不会改变壳体100的性质(例如在坚固性方面)。考虑到在易于制造、轻便、坚固、绝热性能和低成本之间的良好平衡，塑料聚合材料被认为是根据本发明的优选方面。
壳体100的形状取决于几个因素，例如其他部件的尺寸或使用所述部件的装置(例如手套箱或婴儿保育箱/鸡孵育箱)的尺寸，待使用的PCM模块(在下文中描述)的体积、大小和/形状，期望/预期的可操纵性等，并且可以通过本领域已知的任何合适方法来制造，例如热成形、塑料注射、3D打印等。在一方面，例如通过实施抽屉，壳体100可以包括进入到其中包括的部件的容易通路。这可以使用户例如将PCM模块放入烤箱中以快速加热PCM。替代地，可以设想并实现在PCM模块周围或内部的热水循环系统以再熔化PCM模块。
在所示的方面，入口101成形为沿着壳体100的一个绝热壁(例如104)产生的“通道”开口，并且用作空气流的进入点。所述通道开口界定在一侧由绝热壁103限定并且在另一侧由一个包含PCM的模块200限定的流体路径107的初始部分；在另一方面，出口102成形为贯穿壳体100的顶板的厚度的通孔，未在图1中示出。然而，入口101、出口102或两者的任何其他布置和/或设计都是可想到的。
如所预期的，壳体100在其内部体积中包括多个包含PCM的模块200，所述包含PCM的模块以一种方式布置在所述壳体100内，以限定将所述入口101与所述出口102连接的流体路径107。在根据本公开的一个方面中，所述流体路径107可以是单个的单向流体路径107。为了清楚起见，在本文中使用措辞“单个的单向流体路径”是指在没有或具有最小的流体分散的情况下将流体流从至少一个入口运载或引导到至少一个出口的单向、非分支、渠化路径。所述单个的单向流体路径107由多个包含PCM的模块200的精确布置限定，即界定。单个的单向流体路径107可以具有若干不同的形状，例如直的或弯曲的形状；然而，为了使长度与面积之比最大化(为了在有限的热交换器体积中具有长的流体路径)，诸如蛇形或螺旋形的形状是最合适的。而且，壳体100可以被分成多个水平，以便增加相同体积中的流体路径的长度。例如，可以在壳体100内或通过使用具有连接的出口和入口的若干壳体(例如彼此堆叠(例如串联或并联)的)来产生这样的水平。诸如风扇400(参见图4)的装置可以用于在壳体100中产生空气流，并且可以使用附加的装置(例如风扇)来维持水平中的气流。
所开发的热交换器的主要特征之一在于其模块化设计，这意味着每个单独的含PCM的模块200彼此完全独立，无论是在机械关系还是在热关系方面，这在实用的观点下提供了许多优点。例如，在发生故障的情况下，它提供对电池内部进行调查和诊断的能力，而对于其他设计而言这是非常困难的，原因是它们构建在单个块中。如果任何包含PCM的模块发生故障，这并不一定会使整个电池出现故障，原因是其他模块至少可以在一段时间内接管发生故障的模块。而且，该布置提供了容易维修的可能性，原因是仅需更换一个模块。那些考虑因素在给定的环境中尤其重要，其中维修和备件的使用通常会是主要问题，例如在发展中国家。
在图2中描绘了根据本公开的一个方面的示例性的包含PCM的模块200。如其中所示，包含PCM的模块200包括具有厚度w、高度h和长度l的容器结构201，所述容器201填充有选择的相变材料202。独立于模块200的容器结构201的形状，PCM 202以这样的方式布置在模块200内，使得形成具有在约1mm至约10mm之间、例如5mm的厚度w'的至少一个PCM层。
再次，模块200的形状不是限制性的，并且模块可以在某些方面具有立方体形、矩形棱柱体形、角锥体形、球体形或蛋形形状。然而，在一方面，每个所述含PCM的模块200的厚度w与任何其他尺寸(高度h和/或长度l，优选高度h和长度l)之间的比率小于1。当前特征的选择背后的理论基础与由于PCM的液-固相变后的体积收缩而留下的气隙(也称为气隙空间)的存在有关，所述气隙相当于局部阻碍热传递的耐热空气层。然而，如果模块200以减小其厚度w的方式进行设计并且竖直地放置它们，则该损失可以被最小化。
例如，在图1所示的方面中，具有矩形棱柱形状的四个包含PCM的模块200彼此平行地并排放置在也具有矩形棱柱形状的壳体100内，所述模块定位成使其长轴平行于壳体100的长轴。可以插入可选的绝热元件300以将模块200与壳体100的壁分离。模块200适于放置成使其厚度w尺寸相比于壳体100的长轴垂直地定向，它们的长度l尺寸相比于壳体100的长轴平行地定向，并且它们的高度h尺寸相比于壳体100的底板区域垂直地定向。
而且，在所示方面，所述包含PCM的模块200具有全部相同的体积以及相同的大小和形状。当然，它们也可以具有不同的形状、大小和体积。而且，在如图1所示的一个方面，流体路径107是具有蛇形形状的单个的单向流体路径107。当然，在本发明的框架中不排除其他形状的流体路径，例如螺旋形或其他等效形状。在这样的情况下，模块200可以具有另一合适的形状，例如螺旋形。如本说明书中所指示的，给出的示例是应当以限制方式解释的说明性实施例。
包括有效且快速的方法以熔化PCM并因此在存在电的情况下在基于PCM的热交换器中储存能量至关重要。通常在储热单元中看到很长的充热时间，而储热单元最经常使用空气作为充放热流体，因此不适合发展中国家的环境。这建议研究装载电池的替代方法。因此，在一方面，每个包含PCM的模块200包括加热元件203(例如，参见图2和3)。作为示例，所述加热元件203可以设置为加热线圈或模块200内的嵌入式元件，例如加热垫；附加地或替代地，容器/支撑结构201可以包括用于加热包含PCM的模块200内的PCM的装置。
作为示例，在图2和3中示意性地示出了，根据本公开的基于PCM的热交换器可以具有从约50至约100cm的长度l、从约10至约50cm的高度h、以及从约5至约20cm的宽度w(例如70cm的长度1，30cm的高度h以及约10cm的宽度w)。每个模块200包括支撑容器201，所述支撑容器包封基于石蜡的相变材料的两个层202，每一层202具有从约0.2至约1cm(例如约5mm)的厚度w'，并且由约2mm的加热垫203分离，使得每个模块200具有例如约10mm的厚度w，包括在45至65cm之间(例如50cm，55cm或60cm)的长度l，以及约30cm的高度h(图2a)。在替代方面，每个模块200包括支撑结构201，所述支撑结构包封包括在诸如塑料袋的容器中的基于石蜡的相变材料的两个层202(图2b)。支撑容器201可以包封PCM层202，如图2a中所示，或者可以用作填充PCM的塑料袋的物理支撑件，如图2b中所示；在两种情况下，支撑结构201包括或基本上由具有良好导热性的传热材料(例如金属)或传热复合材料组成。可以用于支撑结构201的金属材料例如是铝或铜。由于热交换器尤其依赖于支撑结构201的导热性来进行从储热元件(PCM)到工作流体(例如空气)的热传递，反之亦然，因此在其选择中可以考虑诸如热传导的某些参数，这对于本领域技术人员而言是显而易见的。然而，根据本发明的总体精神，在试图减少或至少控制成本的同时，还应预期有关制造工艺、所使用的材料、材料可用性等方面的经济考虑。例如，在一方面，使用基于铝的支撑结构201，其在热交换性质/价格比方面表现出良好的折衷。
返回到图1中所示的方面，可以将热交换器设计为使得(在横截面上)有连续的例如10mm宽的纵向空气管道(形成单个的单向流体路径107)以及在它们之间相比于热交换器的主轴线平行延伸的连续的例如10mm厚的PCM模块200。在根据本公开的所描绘的方面中，五个空气管道和四个PCM模块200布置成例如具有约10cm宽的热交换器。空气一次在两个PCM模块200之间流动(空气在一个模块200和绝热壁103或105之间流动的第一部分和最后部分除外)，使得沿流体路径107流动的空气始终保持与在每侧的例如5mm厚的PCM层202或与一个PCM层和绝热壁接触(图4和5)。
通过使空气沿着若干模块200流动，实际的空气路径107变得很长(是一个模块200的长度的几倍)，例如长度在约1至约5米之间。使那些模块200更长可以增加总的热交换面积，这对于有效的热交换是必要的。另外，可以设想在流体路径107中引入局部扰动和粗糙度，以使空气状况湍流、或减小空气间隙，从而增加对流热传递系数。在模块之间引入散热片是另一可能性。而且，如上所述，例如可以在壳体100中形成独立的水平以进一步增加流体路径的长度。
在替代实施例中，本发明的基于PCM的热交换器1000包括以“水平布局”分布的多个包含PCM的模块200。特别地，例如如图7中所示，可以将具有矩形棱柱形状的多个包含PCM的模块200彼此堆叠平行地放置在壳体100内，模块定位成使其长轴平行于壳体100的长轴。在该实施例中，显而易见的是，模块200适于放置成其厚度w尺寸相比于于壳体100的底板区域垂直地定向，其高度h尺寸相比于壳体100的长轴垂直地定向，并且其长度l尺寸相比于壳体100的长轴平行地定向。
在该配置中，一方面对PCM包封的要求，以及另一方面对PCM模块的形状或结构的要求被分割。在具有“竖直布局”的基于PCM的热交换器1000的实施例中，两个方面由于重力而固有地组合：当PCM熔化时，它必须包含在刚性结构中以防止其形成太厚的块，太厚的块将在其下一次结晶时阻止通过PCM进行适当的热传递。在水平布局的情况下，PCM模块的结构可以采用托盘、盒、笼等形式，而PCM包封本身可以是软的或硬的。这为设计以及制造和组装工艺(市场上可用的包封解决方案，用于包封与结构的适当材料)提供了更大的灵活性。
在该实施例中，以包括放置在金属托盘250中的软PCM填充袋的PCM模块200为特征，如果其包封在刚性壳体中，则在其熔化时在PCM 202上方形成绝热空气层的问题被进一步减少或抑制。PCM袋上方没有盖子或顶盖允许空气被加热以沿着袋流动，即使由于PCM的结晶/熔化状态而使PCM水平略高或略低。
通过该实施例，通常可以改善婴儿保育箱的人体工程学，特别是到婴儿的通路；该设计还简化了制造和组装工艺，从工业的角度使保育箱更现实并且价格也更便宜。
可选地，可以利用诸如聚合物和/或弹性体垫圈的垫圈260来优化PCM模块200和热电池壳体100之间的热绝缘，从而使每个模块200彼此绝热并且与电池壳体100绝热。
除了所描述的许多技术关键方面之外，还必须牢记一些其他限制。当然，应当尽可能限制热电池的总价，以使其在资源匮乏的环境中成为可行的解决方案。在这方面，研究材料的选择以及制造方法以响应该要求。
此外，储热单元的最大重量必须保持尽可能低，以易于处理和运输。同时，电池充电时间应保持最短且不超过两个小时，优选不超过一小时，而热中性环境应在不通电的情况下维持至少四个小时的最小持续时间。因此，与已知解决方案相比，本说明书中公开的基于PCM的热交换器具有有限的重量，例如小于50kg，以及通常不超过总体积的立方米的有限的尺寸。
本说明书中描述的主题的另一目的涉及如前所述的基于PCM的热交换器在诸如婴儿保育箱的保育箱或手套箱的装置中的用途。
因此，本说明书中描述的主题的又一目的涉及一种装置，其中所述装置是保育箱或手套箱，其特征在于其包括(图6)：
a)用于新鲜空气的总空气入口501和适于排出二氧化碳的出口502；
b)限定绝热隔室的罩600，所述罩具有入口601和出口602，并且提供到罩的内容物的视觉通路；
c)如前所述的基于PCM的热交换器，所述基于PCM的热交换器通过其出口102操作性地连接到所述罩600的入口601；
d)适于将空气流注入所述基于PCM的热交换器的入口101中的风扇400；以及
e)调节罩600内部的空气温度的系统700(例如参见图6)。
如根据本公开内容反复陈述的，已构思本发明的热交换器用于与婴儿保育箱有关的应用。然而，在不脱离本发明的精神的情况下，本发明背后的主要发明构思也可以适用于其他类型的装置，例如细胞培育箱，鸡/鸡蛋孵育箱或手套箱。然而，为了简便起见，在此之后可以引用“婴儿保育箱”以表示根据本发明的装置，但是不以任何方式限制本文公开的内容。
在保育箱中可以包括婴儿的健康或监测所必需的其他功能。例如，温度、湿度和气体(例如，O2和/或CO2)传感器可以操作性地连接到罩600，以便监测婴儿的生命参数，例如避免在O2过多或窒息(如果O2不足)的情况下失明。在最终装置中还可以包含带有蓝色LED以治愈黄疸的光疗单元，以及在保温箱或空气过滤系统的不同部分功能异常的情况下的警报。然而，所有这些方面均不在本公开的范围内，并且将不进行详细处理。
为了清楚起见，在本文中以及在整个本公开中使用措辞“操作性地被连接”，“操作性地可连接”或甚至“操作性地连接”来反映装置或系统的两个或更多个部件之间的功能关系，也就是说，这种措词意味着要求保护的部件必须以执行指定功能的方式连接。“指定功能”可以根据连接中涉及的不同部件而变化；例如，与罩的入口601操作性地连接的出口102的指定功能是将流体流从基于PCM的热交换器输送到所述罩。基于本公开，本领域技术人员将容易理解和弄清楚本发明的装置或系统的每一个部件的指定功能以及它们的相互关系是什么。
在图6中示意性地描绘了体现为婴儿保育箱/鸡孵育箱的所述装置的一个方面。罩600可以具有适合于将婴儿适应其中的任何形状和体积。它可以由任何材料制成，但优选由透明或半透明的塑料材料制成，例如聚丙烯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，以便于制造、降低成本，允许进入到其内部的视觉通路，并且同时提供最大绝热以避免浪费热量。罩600的壁可以限定手孔以使操作者能够例如在保育箱的情况下可及婴儿或在手套箱的情况下可及生物样本；附加地或替代地，可以实现至少一个通道门。以便例如在保育箱的情况下便于婴儿护理。在该背景下，滑动门在绝热和强度方面比铰链门更有效，并且因此是优选的。而且，罩600可以是双壁的，以便关于保育箱的热损失提高效率，以减少早产儿的氧消耗以及由于辐射造成的他/她的热损失。为了使比O2(1.225kg/m3)重的CO2(1.87kg/m3)通过，在罩600的底部处可以存在小曝气结构502。
罩600经由热交换器的出口102与罩的入口601的连接而与基于PCM的热交换器1000操作性地连接。同时，基于PCM的热交换器1000通过其入口101与适于在热交换器内注入空气流的风扇400操作性地连接，所述风扇400由例如嵌入式电池供电，从而确保独立于外部电流的可用性的稳定空气流。
整个系统与操作性地布置成加热源自风扇400、包括在包含PCM的模块200中的PCM202或两者的空气流的加热器或其他合适的加热元件连接。例如，加热器可以沿着流体空气路径紧接在风扇400之后，例如在风扇400和基于PCM的热交换器1000的入口101之间放置，从而加热空气流。优选地，如在别处简要地所述，加热元件可以设置为加热线圈，模块200内的嵌入式元件，例如加热垫203，或者例如可以放置在包含PCM的模块200的容器/支撑结构201上/中，以及热交换器的壳体100上/中。可以设想前述替代方案的组合。
在本说明书中公开的装置还包括调节罩600内部的空气温度的系统700。可以以几个偏角来想象所述系统700，例如在图6中示出了其中的一些，但是其不限制本公开。作为示例，系统700可以设计成以一种方式将罩的出口602与总新鲜空气入口501连接，以将来自罩600的出口602的再循环空气与新鲜空气混合，并通过风扇400将该空气流注入基于PCM的热交换器1000的入口101。
附加地或替代地，调节罩600内部的空气温度的系统700适于改变来自总新鲜空气入口501并流入基于PCM的热交换器1000的新鲜空气的量。这可以通过适于根据需要和情况，并且在调节反馈中基于罩600内部的空气温度将空气引导到基于PCM的热交换器1000中的阀/挡板701而实现。附加地或替代地，调节罩600内部的空气温度的系统700适于改变新鲜空气流的方向，从而绕过基于PCM的热交换器1000。这可以通过适于例如再循环来自其内的罩600的空气的阀/挡板702而实现。
附加地或替代地，调节罩600内部的空气温度的系统700适于改变来自总新鲜空气入口501的新鲜空气与来自罩600的出口602并流入罩600中的再循环空气之间的比例。这可以通过阀/挡板703来实现，所述阀/挡板以这样的方式定位，使得相对于直接从基于PCM的热交换器1000流入罩600的热空气调节再循环空气的流量。
诸如婴儿保育箱的装置有两种不同的工作模式。当如前所述的加热器工作时，模块200中包括的PCM 202被加热以达到熔化温度。同时，当有电流可用并且电源打开时，风扇400产生空气循环，使得空气与加热器接触而被加热；在该背景下，取决于后者的位置和/或需求，加热的空气可以通过基于PCM的热交换器1000、调节空气温度的系统700或两者流入罩600。一旦被加热，包含在模块200中的PCM 202熔化，并且包含PCM的模块200中的温度保持稍高于PCM熔化温度。
如本领域技术人员将显而易见的，在根据本公开的基于PCM的热交换器1000在保育箱中的使用的背景下，PCM的一些性质是至关重要的，并且应当被考虑。例如，注入容纳婴儿、容纳鸡或容纳蛋的隔室600中的空气的工作温度范围必须在约25℃至40℃之间。这方面在该背景下限制了可用PCM材料的最终选择：PCM基于其相变温度进行选择，考虑到热交换器和保育箱罩之间的空气冷却，所述相变温度必须包括在高于空气工作温度的范围内。根据本公开的主题的优选方面，PCM 202是固液PCM，其具有约45℃至约55℃之间的相变温度，从而即使考虑到从热交换器1000到罩600的空气路径中的不可避免的热损失，也确保罩可以加热到40℃。这样的固液PCM例如由德国Rubitherm Technologies GmbH商业化。
第二模式是当发生电击穿时，其可以被视为当电源关闭时。在该情况下，风扇400由于其独立的(低能量)电源而保持运转。空气流过相同的(一个或多个)回路，但未被任何加热器加热。一旦空气进入基于PCM的热交换器1000，其就开始由先前熔化的液体PCM 202加热。PCM 202朝着其固化的相变开始，为引入的更新鲜空气提供热能。
当所有PCM 202固化时该过程结束，在优选的方面该过程约需要4个小时。该时间可以根据几个参数而变化，特别是来自热交换器1000和罩600的热损失量，模块200中包括的PCM的质量和/或模块200的数量，仅举几个例子。在基于PCM的热交换器1000的出口处，空气处于允许罩600内部的空气处于包括在32℃至38℃之间(优选约37℃)的精确控制的温度的温度，这取决于需要和情况。
对于热调节，可以设想几种不同的可能性。例如，由于基于PCM的热交换器1000可以提供恒定的温度，因此在一些方面，通过混合从所述基于PCM的热交换器1000出来的热空气和直接来自风扇400的新鲜空气来调节罩600内部的温度可能是更节能的解决方案。可以将热空气和新鲜空气直接混合在罩600内部，或预混合到与罩600操作性地连接的中间室中。
附加地或替代地，可以经由热调节器来调节罩600中的温度，所述热调节器可以通过直接作用于加热器、作用于新鲜空气到达和/或通过以合适的反馈回路方式打开/关闭阀701至703作用于系统700来调节温度。作为示例，如果罩600中的温度太高，则激活热调节器，以便例如经由挡板703部分地/完全地关闭基于PCM的热交换器出口102(进入到热空气循环的通路)，并且通过阀702的连贯打开和阀701的关闭，更多的新鲜空气将直接进入罩600。在另一方面，如果罩600中的温度太低，则将通过阀702的关闭/阀701的打开以及挡板703朝向出口102的打开的切换来减少新鲜空气的循环。以该方式，加热器的温度不变，并且在电源打开时以及在其关闭时可以使用热调节系统。该调节系统的另一优点是加热器和热交换器可以保持恒定的温度，并且系统的反应性更高。
当前的描述既不旨在也不应当被解释为代表本发明的完整精神和范围。在本说明书以及附图和本发明的详细描述中以各种详细程度阐述了本发明，并且不通过包括或不包括元件、部件等旨在限制对本发明的范围。根据上面的详细描述，特别是当与附图一起使用时，本发明的附加方面已变得更加显而易见。
另外，已描述了示例性实施例以提供对本文公开的系统和方法的结构、功能、制造和使用的原理的总体理解。这些实施例的一个或多个示例在附图中示出。本领域技术人员将理解，本文中具体描述并在附图中示出的系统和方法是非限制性示例性实施例，并且本发明的范围不仅仅由权利要求限定。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可以与其他实施例的特征组合。这样的修改和变化旨在被包括在本发明的范围内。本文指出了常规方法和系统的许多问题，并且本文公开的方法和系统可以解决这些问题中的一个或多个。通过描述这些问题，无意承认其是本领域中的知识。本领域普通技术人员将理解，尽管本文描述了某些方法和系统，但是本发明的范围不限于此。而且，尽管已结合多个实施例描述了本发明，但是显然，对于应用领域的普通技术人员而言，许多替代、修改和变化将是或显而易见的。因此，旨在涵盖在本发明的精神和范围内的所有这样的替代、修改、等同和变化。

Claims (15)

1.一种基于PCM的热交换器(1000)，其包括：
a)具有包括入口(101)和出口(102)的绝热壁的壳体(100)；以及
b)包括支撑结构(201)的多个模块(200)，所述支撑结构(201)包含PCM(202)，
其中，所述模块(200)以限定将所述入口(101)与所述出口(102)连接的单个的单向流体路径(107)的方式布置在所述壳体(100)内。
2.根据权利要求1所述的基于PCM的热交换器，其中，所述PCM是基于石蜡的PCM。
3.根据权利要求1或2所述的基于PCM的热交换器，其中，所述PCM具有高于50℃的相变温度，优选地在50至70℃之间的相变温度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的基于PCM的热交换器，其中，所述PCM(202)布置在所述模块(200)内，从而形成具有在约1mm至约10mm之间的厚度w'的至少一个层。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的基于PCM的热交换器，其中，每个包含PCM的所述模块(200)的厚度与任何其他尺寸之间的比率小于1。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的基于PCM的热交换器，其中，所述单个的单向流体路径(107)具有蛇形形状、或圆形形状、或另一合适的形状。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的基于PCM的热交换器，其中，包含PCM的所述模块(200)全部都具有相同的体积或具有不同的体积。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的基于PCM的热交换器，其中，包含PCM的所述模块(200)全部都具有相同的大小和/或形状、或不同的大小和/或形状。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的基于PCM的热交换器，其中，每个包含PCM的模块(200)包括加热元件(203)。
10.一种根据权利要求1至9所述的基于PCM的热交换器在保育箱或手套箱中的用途，所述保育箱例如是婴儿保育箱、鸡孵育箱。
11.一种装置，其中，所述装置是保育箱或手套箱，其特征在于，所述装置包括：
a)用于新鲜空气的总空气入口(501)和用于排出二氧化碳的出口(502)；
b)限定绝热室的罩(600)，所述罩具有入口(601)和出口(602)；
c)根据权利要求1至9所述的至少一个基于PCM的热交换器(1000)，所述基于PCM的热交换器通过其出口(102)操作性地连接到所述罩的入口(601)；
d)适于将空气流注入所述至少一个基于PCM的热交换器的入口(101)的风扇(400)；以及
e)调节所述罩(600)内部的空气温度的系统(700)。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述系统(700)适于以将新鲜空气与来自所述罩的出口(602)的再循环空气混合、并且通过所述风扇(400)将该空气流注入所述至少一个基于PCM的热交换器(1000)的入口(101)的方式将所述罩的出口(602)与总新鲜空气入口(501)连接。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其中，调节所述罩(600)内部的空气温度的所述系统(700)适于改变来自所述总新鲜空气入口(501)并流入所述至少一个基于PCM的热交换器(1000)的新鲜空气的量。
14.根据权利要求11至13所述的装置，其中，调节所述罩(600)内部的空气温度的所述系统(700)适于改变新鲜空气流的方向，从而绕过所述至少一个基于PCM的热交换器(1000)。
15.根据权利要求12至14所述的装置，其中，调节所述罩(600)内部的空气温度的所述系统(700)适于改变来自所述总新鲜空气入口(501)的新鲜空气和来自所述罩(600)的出口(602)并流入所述罩(600)的再循环空气之间的比例。
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