CN114184074A - 一种仿线粒体形储热单元及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿线粒体形储热单元及加工方法，储热单元包含壳体和两个端盖；壳体为两端开口的空心圆柱体，端盖结为空心的圆球体或截面为圆形的空心半椭球体；两个端盖分别和壳体的两端同轴固连，形成密闭腔体。端盖内设有端盖肋片，壳体内设有五个壳体肋片，以加强导热。本发明依据仿生思想，根据线粒体内部脊片的结构设计，整体简单有效，可大幅度减少融化时间，并提高相变储热效率。加工可利用3D打印或者铸造技术来完成，外壳可以采用不同类型的材料。内部所填充相变材料熔点低于外壳材料工作温度，可直接填充粉末或者熔融后填充。本发明加工简单、可调性大，能够用于太阳能集热、余废热利用等诸多领域。

Description

一种仿线粒体形储热单元及加工方法

技术领域

本发明涉及新能源科学领域及机械加工技术领域，尤其涉及一种仿线粒体形储热单元及加工方法。

背景技术

随着传统能源资源的进一步消耗以及我国大力发展能源回收及储存技术，如何高效地利用太阳能和工业余废热成为了目前的研究趋势。相变储热技术安全性高，在使用过程中利用相变过程可以储存大量热量的同时基本保持温度不变。但相变储热材料自身导热系数较低是其主要缺点,限制了其在太阳能及余废热回收领域的大规模利用。

目前对于相变材料导热系数的提高，多采用在相变材料中填充高导热材料的方式。此种方法虽然可以在一定程度提高导热系数，但使得相变材料储能密度有所降低，而对于储热单元结构的改进可以克服这一明显的不足。自然界中有许多生物结构有着优异的性能，更加值得我们借鉴，然而在利用仿生方法设计加工相变储能单元目前少有研究。

因此，为了提高储热单元的储热性能，本发明提出借鉴生物界中线粒体的结构与功能来设计相变储热单元，以此提高其储热性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种仿线粒体形储热单元及加工方法，可调性大，加工简单，有着较高的储热性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种仿线粒体形储热单元，包含壳体、第一端盖和第二端盖；

所述壳体为两端开口的空心圆柱体；

所述第一端盖、第二端盖结构相同，均为空心的圆球体或截面为圆形的空心半椭球体；

所述第一端盖、第二端盖分别和所述壳体的两端同轴固连，形成密闭腔体；

所述第一端盖内设有第一端盖肋片，所述第一端盖肋片将第一端盖沿着壳体轴线分割为对称的两半；所述第二端盖内设有第二端盖肋片，所述第二端盖肋片将第二端盖沿着壳体轴线分割为对称的两半；

所述壳体内设有第一至第五壳体肋片，所述第一至第五壳体肋片均为半径等于壳体内壁半径的半圆形肋板；

所述第一至第五壳体肋片依次等距均匀设置在所述壳体中，均和所述壳体轴线垂直，且第一至第五壳体肋片的弧边均和壳体内壁固连、第一至第五壳体肋片的直边共面，其中，第一、第三、第五壳体肋片的弧边开口方向相同，第二、第四壳体肋片的弧边开口方向相同，第一、第二壳体肋片的弧边开口方向相反；

所述第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体内填充有相变材料，所述相变材料的体积小于等于密闭腔体体积的95%；

所述第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、第一至第五壳体肋片的导热系数大于相变材料的导热系数，相变材料的相变点低于第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、第一至第五壳体肋片的工作温度。

作为本发明一种仿线粒体形储热单元进一步的优化方案，所述第一端盖肋片、第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片的直边共面。

作为本发明一种仿线粒体形储热单元进一步的优化方案，所述第一端盖肋片、第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片采用树脂、尼龙、金属中的任意一种制成。

本发明还公开了一种该仿线粒体形储热单元的加工方法，包含以下步骤：

步骤A.1），根据预先设定的图纸利用3D打印技术、采用树脂或者尼龙加工第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片，并在第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体上设置用于填充相变材料的缺口；

步骤A.2），将粉末状或者融化后的相变材料填充至单元内部；

步骤A.3），待相变材料稳定后，用热熔胶将密闭腔体上的缺口密封。

本发明还公开了另一种该仿线粒体形储热单元的加工方法，包含以下步骤：

步骤A.1），根据预先设定的图纸利用3D打印技术、采用金属加工第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片，并在第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体上设置用于填充相变材料的缺口；

步骤A.2），将粉末状或者融化后的相变材料填充至单元内部；

步骤A.3），待相变材料稳定后，采用氩弧焊将腔体上的缺口密封。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明利用3D打印技术或者注模技术加工了一种相变储热单元，该单元为仿照自然界中线粒体结构而设计，相比传统的储热单元，该单元表面积体积比较高，储热时间较短，并且材料储热密度不会减小，可以明显提升储热性能，在太阳能利用、建筑采暖、工业余废热利用等领域具有较好的应用前景。其优点：

（1）仿线粒体结构及内部肋片有利于热量快速传递到单元内部，使得储热时间明显缩短，储热效率明显提升；

（2）仿线粒体结构具有的弧线形设计有利于提高空间利用率并且降低流动阻力；

（3）可以根据不同应用场景，采用不同的加工制作方法，成本较低，可调性好。

附图说明

图1是实施例1的储热单元设计加工图；

图2是实施例1的储热单元加工的一个剖面图；

图3是实施例2的两种储热单元中心温度随时间变化图；

图4是实施例3的两种储热单元所需储热时间对比图。

图中，1-壳体，2-内部肋片，3-壳体内的相变材料填充区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1、图2所示，本发明功能开了一种仿线粒体形储热单元，包含壳体、第一端盖和第二端盖；

所述壳体为两端开口的空心圆柱体；

所述第一端盖、第二端盖结构相同，均为空心的圆球体或截面为圆形的空心半椭球体；

所述第一端盖、第二端盖分别和所述壳体的两端同轴固连，形成密闭腔体；

所述第一端盖内设有第一端盖肋片，所述第一端盖肋片将第一端盖沿着壳体轴线分割为对称的两半；所述第二端盖内设有第二端盖肋片，所述第二端盖肋片将第二端盖沿着壳体轴线分割为对称的两半；

所述壳体内设有第一至第五壳体肋片，所述第一至第五壳体肋片均为半径等于壳体内壁半径的半圆形肋板；

所述第一至第五壳体肋片依次等距均匀设置在所述壳体中，均和所述壳体轴线垂直，且第一至第五壳体肋片的弧边均和壳体内壁固连、第一至第五壳体肋片的直边共面，其中，第一、第三、第五壳体肋片的弧边开口方向相同，第二、第四壳体肋片的弧边开口方向相同，第一、第二壳体肋片的弧边开口方向相反；

所述第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体内填充有相变材料，所述相变材料的体积小于等于密闭腔体体积的95%；

所述第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、第一至第五壳体肋片的导热系数大于相变材料的导热系数，相变材料的相变点低于第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、第一至第五壳体肋片的工作温度。

所述第一端盖肋片、第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片的直边共面。

所述第一端盖肋片、第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片采用树脂、尼龙、金属中的任意一种制成。

本发明还公开了一种该仿线粒体形储热单元的加工方法，包含以下步骤：

步骤A.1），根据预先设定的图纸利用3D打印技术、采用树脂或者尼龙加工第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片，并在第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体上设置用于填充相变材料的缺口；

步骤A.2），将粉末状或者融化后的相变材料填充至单元内部；

步骤A.3），待相变材料稳定后，用热熔胶将密闭腔体上的缺口密封。

本发明还公开了另一种该仿线粒体形储热单元的加工方法，包含以下步骤：

步骤A.1），根据预先设定的图纸利用3D打印技术、采用金属加工第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片，并在第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体上设置用于填充相变材料的缺口；

步骤A.2），将粉末状或者融化后的相变材料填充至单元内部；

步骤A.3），待相变材料稳定后，采用氩弧焊将腔体上的缺口密封。

实施例1

利用CAD软件绘制了储热单元的设计图，之后将图纸导入3D打印设备并进行编程加工。图1为本实例储热单元设计加工图。图2为本实例储热单元加工的一个剖面图。第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片均采用金属铜，相变材料采用正十八烷。将相变材料融化后注入加工好的储热单元，在其凝固后采用氩弧焊将其密封。

实施例2

利用3D打印技术将CAD图纸导入设备，编程加工仿线粒体形储热单元，加工储热单元，壁厚及容积与仿线粒体形单元一致。第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片均采用白色尼龙，相变材料采用正十八烷。将相变材料融化后注入加工好的储热单元，将K型热电偶插入至储热单元中心处，在其相变材料凝固后采用热熔胶将其密封。将加工好的储热单元置于35 ℃的恒温水浴槽中使相变材料融化，并记录其融化过程中心温度的变化。图3为两种储热单元中心温度随时间变化图。

实施例3

利用3D打印技术将CAD图纸导入设备并进行编程加工，加工储热单元，壁厚及容积与仿线粒体形单元一致。第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片均采用半透明光敏树脂，相变材料为正十八烷。将相变材料融化后注入加工好的储热单元，在其凝固后采用热熔胶将其密封。将加工好的储热单元置于35℃的可视恒温水浴槽中观察其融化状况，并记录完全融化时间。图4为两种储热单元所需储热时间的对比图。

通过上述实施例子，仿线粒体结构自身的几何特性使得热量能够快速的传递到储热单元内部，与传统储热单元相比，储热时间减小，储热效率提升。该种储热单元加工方法成熟可靠、可调性广，可根据不同的使用领域进行调节，在太阳能利用、建筑采暖、工业余废热利用等领域具有较好的应用前景。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种仿线粒体形储热单元，其特征在于，包含壳体、第一端盖和第二端盖；

所述壳体为两端开口的空心圆柱体；

所述第一端盖、第二端盖结构相同，均为空心的圆球体或截面为圆形的空心半椭球体；

所述第一端盖、第二端盖分别和所述壳体的两端同轴固连，形成密闭腔体；

所述第一端盖内设有第一端盖肋片，所述第一端盖肋片将第一端盖沿着壳体轴线分割为对称的两半；所述第二端盖内设有第二端盖肋片，所述第二端盖肋片将第二端盖沿着壳体轴线分割为对称的两半；

所述壳体内设有第一至第五壳体肋片，所述第一至第五壳体肋片均为半径等于壳体内壁半径的半圆形肋板；

所述第一至第五壳体肋片依次等距均匀设置在所述壳体中，均和所述壳体轴线垂直，且第一至第五壳体肋片的弧边均和壳体内壁固连、第一至第五壳体肋片的直边共面，其中，第一、第三、第五壳体肋片的弧边开口方向相同，第二、第四壳体肋片的弧边开口方向相同，第一、第二壳体肋片的弧边开口方向相反；

所述第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体内填充有相变材料，所述相变材料的体积小于等于密闭腔体体积的95%；

所述第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、第一至第五壳体肋片的导热系数大于相变材料的导热系数，相变材料的相变点低于第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、第一至第五壳体肋片的工作温度。

2.根据权利要求1所述的仿线粒体形储热单元，其特征在于，所述第一端盖肋片、第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片的直边共面。

3.根据权利要求1所述的仿线粒体形储热单元，其特征在于，所述第一端盖肋片、第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片采用树脂、尼龙、金属中的任意一种制成。

4.基于权利要求1所述的仿线粒体形储热单元的加工方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A.1），根据预先设定的图纸利用3D打印技术、采用树脂或者尼龙加工第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片，并在第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体上设置用于填充相变材料的缺口；

步骤A.2），将粉末状或者融化后的相变材料填充至单元内部；

步骤A.3），待相变材料稳定后，用热熔胶将密闭腔体上的缺口密封。

5.基于权利要求1所述的仿线粒体形储热单元的加工方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A.1），根据预先设定的图纸利用3D打印技术、采用金属加工第一端盖、第一端盖、壳体、第一至第二端盖肋片、以及第一至第五壳体肋片，并在第一端盖、第二端盖、壳体形成的密闭腔体上设置用于填充相变材料的缺口；

步骤A.2），将粉末状或者融化后的相变材料填充至单元内部；

步骤A.3），待相变材料稳定后，采用氩弧焊将腔体上的缺口密封。

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