CN113154922B - 一种仿生相变储能蒸汽腔模组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生相变储能蒸汽腔模组，该模组包括树状蒸汽腔与相变容器。所述树状蒸汽腔包括至少一个蒸汽腔平板、一个柱状蒸汽腔和多组枝干蒸汽腔结构，蒸汽腔平板的一面与热源接触，使热源集中的热量均匀化扩散至蒸汽腔平板表面，蒸汽腔平板的另一面与相变容器的外表面封装；柱状蒸汽腔与蒸汽腔平板连接，多组枝干蒸汽腔环绕柱状蒸汽腔布置且都具有两个以上向空间延伸的枝干蒸汽腔分杈；多组枝干蒸汽腔通过多层环状蒸汽腔肋连接；以上蒸汽腔平板、柱状蒸汽腔、枝干蒸汽腔及环状蒸汽腔肋的内部通道相互连通，内部空间填充相变工质，且内表面均布置有多孔毛细结构。所述相变容器内布置上述树状蒸汽腔结构，内部其它部分填充具有的相变材料。

Description

一种仿生相变储能蒸汽腔模组

技术领域

本发明涉及电子部件热管理技术领域，具体涉及能量密度大的高效散热系统。

背景技术

现有的储热技术主要有三种，包括显热存储、潜热存储和热化学存储。其中潜热存储系统具有储能密度高、温度变化小等特点，已经被成功应用于太阳能热利用、工业余热回收、建筑节能、电子设备散热等方面。但是，在潜热存储系统中所使用相变材料较低的热导率会严重削弱热能的存储和释放速率。目前使用的增强方法可分为三种：一种是使用多孔介质和纳米颗粒来增强相变材料的导热性，如泡沫铜、膨胀石墨、二氧化铝和二氧化钛纳米颗粒；第二种是使用翅片管和封装的相变材料来增大传热面积，如管壳式储热系统、微胶囊化相变材料；第三种是使用具有多种相变材料的级联潜热存储系统，来提高传热流体和相变材料之间传热过程的均匀性。采用纳米颗粒复合相变材料以显著提高复合相变材料的导热系数，但对相变材料储热和放热速率的提升却并不显著；另一方面，通过增加翅片或多孔介质的方式可增强相变容器内的热传导，增加传热面积，进而提高相变潜热利用率，然而液相相变材料的自然对流效应被抑制，且远离热源位置的翅片或泡沫金属传热效率骤降，导致储热仓内相变材料吸热严重不均。平板蒸汽腔由于其高效的散热性，在电子设备热管理中受到了广泛的应用。目前，传统的平板蒸汽腔仅考虑到二维平面扩展方向的热量扩散均匀性，没有做到向三维空间的高效热传导并获得均匀的温度分布。本发明专利引入了平板蒸汽腔快速取热、相变容器快速释热的热控观念，依仿生学原理在平板蒸汽腔上表面构建仿生树状枝蒸汽腔结构，进而与相变容器封装形成相变储能蒸汽腔模组，可实现热量自蒸汽腔工质至相变材料的直接、均衡转运过程。

专利CN102741644A公开了一种传热管，在中心管元件外周布置向外延伸的环形肋，实现热量向外扩散传递。但是，该专利仅仅提出了热管搭配翅片的思路，因金属翅片仅能通过导热方式传递热量，沿轴向的热量传递过程会导致温度分布不均，整体温度均匀性远差于蒸汽腔结构；同时，其模型结构为在二维平面扩展后的纵向拉伸状，不能解决相变容器内三维方向的热量传递不均问题。

专利CN212116004U所公开的一种翅片结构复合型储热装置，通过使用热管和翅片等多种结构的配合，迅速将热量传导到内部各个位置，实现热量的快速存储。但是，该专利仅仅提出了热管搭配翅片的思路，因金属翅片仅能通过导热方式传递热量，沿翅片方向因翅片效率降低导致温度分布不均，整体温度均匀性远差于蒸汽腔结构；同时，其模型结构仅展示二维平面方向形状，不能解决相变容器内三维方向的热量传递不均问题。

专利CN104718422A所公开的一种用于储热系统的热交换器，通过使用径向和纵向延伸的两种翅片来增加管和相变材料之间的热交换区域，提高相变材料储热的效率。该专利提出了一种放射状的翅片类型，可将管的热量均匀化向空间扩散。但是，该专利提出的金属翅片仅能通过导热方式传递热量，沿翅片方向因翅片效率降低导致温度分布不均，整体温度均匀性远差于蒸汽腔结构；同时，其模型结构为在二维平面扩展后的纵向拉伸状，不能解决相变容器内三维方向的温度不均问题。

专利CN106524535A所公开的一种临近空间太阳能蓄热装置，通过热管组与蓄热组件的热传导配合，实现对太阳能的快速存储，所述蓄热组件搭配具有一定强化结构翅片。但是，该专利未考虑蓄热装置内部的温度均匀性问题，所采用的金属翅片仅能通过导热方式传递热量，整体温度均匀性远差于蒸汽腔结构；同时，其模型为二维平面扩展后沿纵向阵列结构，不能解决相变容器内三维方向的热传递不均问题。

专利CN2874398Y所公开的一体化热导管散热结构，通过一种一体化热导管配合吸液芯的散热结构，在中间设置导流气槽，利用蒸汽腔的高效导热性能实现热量快速传递。但是，该专利所述热导管为圆柱形状，所述模型为热导管的阵列结构，热导管间的热量传递仅通过翅片的导热实现，导致翅片位置的温度低于热导管附近蒸汽腔结构，因此该专利不能解决在储热容器内三维方向上的热传递不均匀问题。

专利CN108662933A所公开的一种空间用相变储能式温控器，通过气液相变腔体配合一种渐缩分层肋片的热储存结构，利用气液相变腔体良好的均温性，在渐缩分层肋片的配合下使能量存储更高效。但是，该专利模型结构为在二维平面扩展后的纵向拉伸状，仅考虑到二维平面扩展方向的热量扩散均匀性，未考虑三维空间热量的高效传导及温度均匀分布，而且没有考虑蓄热装置内部温度均匀性问题；所采用的渐缩分层肋片仅能通过导热方式传递热量，整体温度均匀性远差于蒸汽腔结构，因此该专利不能解决储热容器内三维方向上热传递不均匀问题。

专利CN107014235A所公开的一种相变材料与发散热管耦合储能系统，通过一种发散型脉动热管的结构，对冷凝端进行优化，利用蒸汽腔的高效导热性能实现热量快速传递。但是，该发散型脉动热管的冷凝端未见有树状延伸结构，若干同中心轴单元的叠加仅能实现二维的热量传递且各单元相互间影响较小，不能解决在储热容器内三维方的热量传递不均匀问题。

专利CN105960147A所公开的一种基于螺旋分形的一体化微小型平板热管，通过一种具有斐波那契螺旋线分形并搭配肋片的槽道结构，提高微小型平板热管的换热水平和均温性能。但是，该专利仅对板面式蒸汽腔的内部进行了优化，其模型结构为在二维平面扩展后的纵向拉伸状，仅考虑到二维平面扩展方向的热量扩散均匀性，未考虑三维空间热量传递的不均匀问题。

专利CN102034773A所公开的一种构形树状式热管散热器，由高导热基板、吸液芯与散热肋片组成，散热肋片为构形树状结构，能将局部高热流热源点产生的热量迅速带走。该专利所提出构形树状肋片结构自基板至顶端构成贯穿空腔，即为在二维平面扩展后的纵向拉伸形状，不能解决三维空间热量传递不均问题，与本专利提出的自蒸汽腔平板至相变容器顶端的树状结构完全不同；其次，该专利所述肋片所占空间较大，不适用于填充相变材料的储热系统；同时，本专利枝干蒸汽腔具有独立延伸结构，使蒸汽腔内相变工质与相变容器内相变材料间的接触面积更大。

专利CN104154788A所公开的一种热管式固液相变储热器，在主通道中心环形布置有中空肋片，搭配吸液芯和固液相变介质，可提升导热性能与蓄热器工作效率。该专利提出的中空肋片为旋转拉伸构成贯穿空腔，与本专利提出的自蒸汽腔平板至相变容器顶端的树状分支结构完全不同。该专利中的肋片关于主通道中心轴环形布置，肋片在水平方向上延伸，内部的气相工质很难进入肋片中，每个肋片的构造较为复杂分叉较多且相互独立，导致气相工质扩散不均匀，使得整体的热均匀性不佳。本专利所述树状蒸汽腔的蒸汽腔平板、柱状蒸汽腔和枝干蒸汽腔，形成树根、茎、枝蔓的仿生结构特征，所述枝干蒸汽腔具有树枝或伞架形态向三维空间均匀辐射传热，所述环状蒸汽腔肋将枝干蒸汽腔相互连通，多层环状蒸汽腔肋形成的空间结构沿轴线方向呈现出立体延伸的蛛网状或雪花状仿生形态，可以保证气相工质在内部均匀扩散，使得整体具有更好的热均匀性。其次，该专利未对可实现的成型工艺形式进行描述，而本专利可通过吹胀与焊接封装工艺实现；同时，本专利枝干蒸汽腔具有独立延伸结构，使蒸汽腔内相变传热工质与相变容器内相变材料间的接触面积更大。

发明内容

本发明针对现有潜热式热存储系统相变材料导热系数低、储热过程热量传递不均匀、储热和放热速率低等问题，提出一种包括仿生树状蒸汽腔和相变容器的一体封装的相变储能蒸汽腔模组。该模组中树状蒸汽腔的蒸汽腔平板、柱状蒸汽腔和枝干蒸汽腔，形成树根、茎、枝蔓的仿生结构特征，枝干蒸汽腔具有树枝或伞架形态，多层环状蒸汽腔肋形成的空间结构沿轴线方向呈现出立体延伸的蛛网状或雪花状仿生形态。该模组可应用于高效储热或散热冷却方面，可显著改善传统平板蒸汽腔负载低、启动慢、温控波动大，以及相变容器内相变储热材料导热性差、潜热利用率低、相变不均衡和局部失效等应用限制问题，增强相变容器内的相变材料熔化的均匀性；同时，构建了蒸汽腔相变传热工质与储热仓相变储能材料间的直接热交换渠道，可简化潜热存储系统内部结构，提升储热工质填充率，增大储热容量。

本发明解决上述问题的技术方案是：

提供一种仿生相变储能蒸汽腔模组：至少包括一个树状蒸汽腔以及一个相变储热容器；用于为至少一个热源散热同时实现热量的存储；所述树状蒸汽腔包括至少一个蒸汽腔平板、一个柱状蒸汽腔和多组呈放射状的枝干蒸汽腔结构，自底部向上延展，形成树形生长结构；蒸汽腔平板的表面积为热源表面积的十倍以上，蒸汽腔平板的一面与热源接触，使热源集中的热量均匀化扩散至蒸汽腔平板表面，消除局部热点，蒸汽腔平板的另一侧构建可多组柱状蒸汽腔结构，其与蒸汽腔平板连接；柱状蒸汽腔上连接有多组放射式的枝干蒸汽腔结构，其环绕于柱状蒸汽腔布置，且与柱状蒸汽腔具有一定角度；枝干蒸汽腔具有两个以上树枝或伞架状的枝干蒸汽腔分杈并向空间中呈辐射状延伸，且其根部与尖端有环状蒸汽腔肋连接；环状蒸汽腔肋以环绕的方式分多层与枝干蒸汽腔的末端连接；蒸汽腔平板、柱状蒸汽腔、枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋的内部相互连通，且内部通道的表面均布置有多孔毛细结构；所述相变容器外表面与树状蒸汽腔的接触界面采用扩散焊接方式封装，相变容器内部布置有上述柱状蒸汽腔、枝干蒸汽腔、环状蒸汽腔肋结构，相变容器内其它部分填充具有吸热和放热功能的相变材料，以实现热能的存储和释放。

优选方案进一步包括如下任一技术特征：

所述热源可以是太阳能热利用，工业余热回收，建筑节能，电子设备散热等领域中的热量来源，尤其是表面积小且热功率密度大的热源。

所述树状蒸汽腔具有特殊结构，由至少一个蒸汽腔平板、一个柱状蒸汽腔和多组枝干蒸汽腔结构，蒸汽腔平板的表面积为热源的十倍以上。蒸汽腔平板、柱状蒸汽腔和枝干蒸汽腔的内部为真空通道，且在通道内壁上均布置有可增强导热性能的多孔毛细结构，如铜屏网格、烧结铜等，为液体回流提供动力。

所述树状蒸汽腔可按照形状分成树根、茎、枝蔓的仿生结构特征，其中枝干蒸汽腔具有独立结构，充分深入相变材料，增大与相变材料的接触面积，多组枝干蒸汽腔组合形成树枝或伞架形态。

所述枝干蒸汽腔，环绕于柱状蒸汽腔布置，且与柱状蒸汽腔具有一定角度，蒸汽可在浮升力作用下进入枝干蒸汽腔；多个并联分布的枝干蒸汽腔，根部与柱状蒸汽腔相连，并向空间延伸，枝干蒸汽腔之间通过若干层多边形或圆形的环状蒸汽腔肋连通，使得整体具有更好的热均匀性，多层环状蒸汽腔肋之间形成的空间结构沿轴线方向呈现出立体延伸的蛛网状或雪花状仿生形态，呈辐射状填充至整个容器；枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋的厚度、高度及布置疏密可根据热存储均匀性要求进行调整。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本发明提供的一种仿生相变储能蒸汽腔模组，由树状蒸汽腔与相变容器封装而成，树状蒸汽腔内填充相变传热工质，相变容器内填充相变储能材料。树状蒸汽腔包括至少一个蒸汽腔平板、一个柱状蒸汽腔、多组放射状枝干蒸汽腔及环状蒸汽腔肋结构。蒸汽腔平板的一面与热源接触，蒸汽腔平板的另一面与相变容器的外表面接触并采用扩散焊接方法封装；沿竖直方向，蒸汽腔平板与柱状蒸汽腔连接，且内部通道连通；柱状蒸汽腔上环绕布置有多组放射式的枝干蒸汽腔结构，枝干蒸汽腔的根部与柱状蒸汽腔的内部通道连通，且枝干蒸汽腔的末端向上延伸并与柱状蒸汽腔呈一定角度布置；枝干蒸汽腔具有两个以上树枝或伞架状的枝干蒸汽腔分杈并向空间中呈辐射状延伸；多组枝干蒸汽腔之间通过多层环状蒸汽腔肋连通。柱状蒸汽腔、枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋均布置于相变容器内部，相变容器其他区域填充相变材料；整个树状蒸汽腔内部通道的表面均布置有多孔毛细结构，且填充有相变工作介质。在整个相变储能蒸汽腔工作时，热量自热源传递至蒸汽腔平板的一端，蒸汽腔平板内的液相工质吸收热源表面的热量后汽化，在浮升力作用下可沿树状蒸汽腔通道依次通过柱状蒸汽腔、枝干蒸汽腔，最终均匀扩散至枝干蒸汽腔末梢；在与相变材料进行热交换后，气相工质释放潜热并冷凝液化，树状蒸汽腔的内表面布置有可增强导热性能的多孔毛细芯结构，如铜屏网格、烧结铜等，在毛细芯提供的毛细力及重力作用下，冷凝后的液相工质可快速返回至热源位置并进行循环。蒸汽腔内相变工质的流动轨迹可以描述为蒸汽腔平板与柱状蒸汽腔串联，多组枝干蒸汽腔并联后再串联至柱状蒸汽腔；热量的转移轨迹可以描述为热源传递至蒸汽腔内相变工质，最终转移至相变容器内相变材料，实现热能存储。

在树状蒸汽腔内气液相工质的输运过程中，多组枝干蒸汽腔与柱状蒸汽腔呈一定角度布置，有助于气相工质自柱状蒸汽腔进入枝干式蒸汽腔内，同时有助于液相工质自枝干蒸汽腔回流至柱状蒸汽腔；多组枝干蒸汽腔间隔布置，增大了树状蒸汽腔相变工质与相变容器内的相变材料间的接触面积；其次，多层环状蒸汽腔肋将枝干蒸汽腔之间连通，可进一步提高气相工质在枝干蒸汽腔中分布的均匀性。因此，本专利所提出的仿生相变储能蒸汽腔结构，实现了热量自蒸汽腔工质至相变材料的直接、均衡转运，可使热源表面的热量均匀地向整个相变容器空间扩散，并消除了热源处的局部热点，其导热性能优于普通金属翅片与热管，改善了普通金属翅片在导热过程中沿轴向或径向扩展方向的温度分布不均匀的问题，实现相变容器中相变材料的整体温度统一和均匀变化；在所述相变容器中布置多组上述枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋组合，相比于传统的潜热存储系统，实现了相变材料的多层之间同步储热，有效改善了相变储热材料导热性差、潜热利用率低、相变不均衡和局部失效等的问题。

附图说明

图1是本发明仿生相变储能蒸汽腔模组的整体结构示意图；

图2是本发明仿生相变储能蒸汽腔模组树状蒸汽腔内平面结构局部示意图；

图3是本发明仿生相变储能蒸汽腔模组枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋组合结构示意图；

图4是本发明仿生相变储能蒸汽腔模组其他形式枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋组合结构示意图；

图5是本发明仿生相变储能蒸汽腔模组组合式并联式枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋组合结构示意图。

附图标记说明：

1-热源；2-树状蒸汽腔；3-相变容器；4-蒸汽腔平板；

5-柱状蒸汽腔；6-枝干蒸汽腔；7-环状蒸汽腔肋；8-封装面；

9-多孔毛细结构；10-气相工质；11-液相工质；12-相变材料；

13-枝干蒸汽腔分杈

具体实施方式

图1和图2是本发明提供的仿生相变储能蒸汽腔模组结构示意图。

下面结合附图对本发明进行具体描述。一种仿生相变储能蒸汽腔模组，其整体结构由树状蒸汽腔2，相变容器3组成，树状蒸汽腔2内填充相变工质11，相变容器3内填充相变材料12。树状蒸汽腔2包括至少一个蒸汽腔平板4、一个柱状蒸汽腔5、多组放射状枝干蒸汽腔6及环状蒸汽腔肋7结构，自底部向上延展形成树根、茎、枝蔓的仿生结构特征。蒸汽腔平板4的一面与热源1接触，表面积为热源1的十倍以上，使热源1的热量均匀扩散至蒸汽腔平板4的表面，可消除局部热点，蒸汽腔平板4的另一面与相变容器3的外表面为封装面8，并采用扩散焊接方法封装；沿竖直方向，蒸汽腔平板4与柱状蒸汽腔5连接，且内部通道相互连通；柱状蒸汽腔5上环绕布置有多组放射式的枝干蒸汽腔6结构，枝干蒸汽腔6的根部与柱状蒸汽腔5的内部通道连通，其末端向上延伸并与柱状蒸汽腔5呈一定角度布置；枝干蒸汽腔6具有两个以上树枝或伞架状的分杈并向空间中呈辐射状延伸；多组枝干蒸汽腔6之间通过多层环状蒸汽腔肋7连通，进一步增强整体的热均匀性；在整个相变储能蒸汽腔工作时，热量自热源1传递至蒸汽腔平板4的一端，蒸汽腔平板4内的液相工质11吸收热源1表面的热量后汽化，在浮升力作用下可沿树状蒸汽腔2通道依次通过柱状蒸汽腔5、枝干蒸汽腔6，最终均匀扩散至枝干蒸汽腔6末梢；在与相变材料进行热交换后，气相工质10释放潜热并冷凝液化，树状蒸汽腔2的内表面布置有可增强导热性能的多孔毛细芯结构9，如铜屏网格、烧结铜等，在毛细芯提供的毛细力及重力作用下，冷凝后的液相工质11可快速返回至热源1位置并进行循环。蒸汽腔内相变工质的流动轨迹可以描述为蒸汽腔平板4与柱状蒸汽腔5串联，多组枝干蒸汽腔6并联后再串联至柱状蒸汽腔5；热量的转移轨迹可以描述为热源1传递至蒸汽腔内相变工质11，最终转移至相变容器3内相变材料12，实现热能存储。

优选的，树状蒸汽腔2可采用吹胀法进行加工，使两块平板在模具限定空间内扩张，并通过扩散焊接方法与相变容器3进行封装。

优选的，树状蒸汽腔2按照形状可分为树根、茎、枝蔓的仿生结构特征，以蒸汽腔平板4为根，柱状蒸汽腔5和枝干蒸汽腔6分别为茎和枝蔓，沿竖直方向或倾斜向上延伸，有利于气相工质10的上升和液相工质11的回流。

优选的，柱状蒸汽腔5的横截面积不小于多组枝干蒸汽腔6的根部横截面积之和，以利相变工质输运。

优选的，蒸汽腔平板4、柱状蒸汽腔5、枝干蒸汽腔6和环状蒸汽腔肋7的内部为真空通道，且可在内壁布置复合毛细芯结构，增大毛细芯结构的渗透率和等效导热系数，进一步增强传热效果。

优选的，蒸汽腔平板4、柱状蒸汽腔5、枝干蒸汽腔6和环状蒸汽腔肋7中的液相工质11可以使用水、制冷剂、介电液等工质，获得较强的传热效果。

优选的，枝干蒸汽腔6具有两个以上的枝干蒸汽腔分杈，形成树的枝干或伞骨架形态，多组枝干蒸汽腔6环绕布置于柱状蒸汽腔5周围且根部与柱状蒸汽腔5连通，其末端向上延伸并与柱状蒸汽腔5呈一定角度布置。

优选的，环状蒸汽腔肋7为多边形或圆形，多层环状蒸汽腔肋7将枝干蒸汽腔6之间连通，且多层环状蒸汽腔肋形成的空间结构沿轴线方向呈现出立体延伸的蛛网状或雪花状仿生形态，可进一步提高气相工质10在枝干蒸汽腔6中分布的均匀性。

本发明未对仿生相变储能蒸汽腔模组中所述枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋的个数以及排布方式进行详细描述。本发明的实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (1)

1.一种仿生相变储能蒸汽腔模组，其特征在于：包括至少一个树状蒸汽腔与一个相变容器；用于为至少一个热源散热同时实现热量的存储；所述树状蒸汽腔包括至少一个蒸汽腔平板、一个柱状蒸汽腔和多组呈放射状的枝干蒸汽腔结构，蒸汽腔平板的表面积为热源表面积的十倍以上；蒸汽腔平板上连接一个柱状蒸汽腔，该柱状蒸汽腔与相变容器长度相当；柱状蒸汽腔上连接有多组放射状的枝干蒸汽腔，且呈环绕布置，枝干蒸汽腔具有两个以上的分杈并向空间中呈辐射状延伸至相变容器内表面；多组枝干蒸汽腔之间通过多层环状蒸汽腔肋连接；上述蒸汽腔平板、柱状蒸汽腔、枝干蒸汽腔以及环状蒸汽腔肋的内部通道相互连通且填充相变工质，树状蒸汽腔的蒸汽腔平板、柱状蒸汽腔和枝干蒸汽腔形成树根、茎、枝蔓的仿生结构特征，在通道内壁上均布置有多孔毛细结构；所述相变容器与树状蒸汽腔的外表面的接触部分采用封装或粘合的结合方式，相变容器内部布置有上述柱状蒸汽腔、多组枝干蒸汽腔和环状蒸汽腔肋结构，相变容器内其它部分填充具有吸热和放热功能的相变材料；环状蒸汽腔肋将多组枝干蒸汽腔连通，其依相变容器外形可呈现多边形或圆形结构，多层环状蒸汽腔肋之间形成的空间结构沿轴线方向呈现出立体延伸的蛛网状或雪花状仿生形态；所述柱状蒸汽腔，其横截面积不小于多组枝干蒸汽腔的根部横截面积之和，以利相变工质输运；所述枝干蒸汽腔具有两个以上的分杈，形成树枝或伞架形态，一端以一定角度连接于柱状蒸汽腔上且多组枝干蒸汽腔环绕布置于柱状蒸汽腔周围并向空间延伸；树状蒸汽腔采用吹胀法进行加工，使两块平板在模具限定空间内扩张，并通过扩散焊接方法与相变容器进行封装。

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