CN114279250A - 一种相变蓄热体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变蓄热体，该相变蓄热体包括：壳体，内部设置有换热结构；所述换热结构呈点阵结构；相变蓄热材料，填充在所述壳体与所述换热结构之间的空隙中。如此设置，可根据需求设计不同强度和封装量的蓄热体，呈点阵结构的换热结构增大了换热面积，可以有效提高蓄热体的换热性能。并且在蓄热体的内部设置换热结构，并将换热结构设置为点阵结构，可以提高蓄热体在高温和高负重条件下的结构强度，防止变形和破碎。同时也降低了相变蓄热材料的泄露风险。

Description

一种相变蓄热体

技术领域

本发明涉及储热技术领域，具体涉及一种相变蓄热体。

背景技术

储热技术是储能技术的主要方向之一，在太阳能、风能发电、工业余热回收利用、分布式能源系统等领域具有广泛应用，其在平抑新能源电源负荷波动、提高系统连续发电能力、降低弃风弃光率等方面有着重要作用。

其中，相变蓄热是储热技术中的一种。相变蓄热主要是依靠相变材料在相变过程中吸收和释放热量的特性来进行储热和释热，具有装置设计简单、蓄热密度高、蓄热温度相对恒定和易于管理等优点。此外，相变蓄放热过程基本保持恒温，可以减少储热和释热过程中能量品位的损失。

蓄热体作为蓄热载体，是在高温和承受上层重量的条件下工作的，因此必须要有足够耐高温和高负重条件下的结构强度，否则很容易发生变形和破碎。

发明内容

因此，本发明在于提供一种能满足耐高温和高负重条件下结构强度的相变蓄热体。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种相变蓄热体，该相变蓄热体包括：壳体，内部设置有换热结构；所述换热结构呈点阵结构；相变蓄热材料，填充在所述壳体与所述换热结构之间的空隙中。

可选地，所述点阵结构包括周期性点阵结构或/和梯度点阵结构。

可选地，所述点阵结构包括二维点阵结构或/和三维点阵结构。

可选地，所述三维点阵结构包括体心立方点阵结构、面心立方点阵结构、四面体点阵结构、钻石型点阵结构、拱形桁架点阵结构。

可选地，所述点阵结构由多根支柱构成，支柱的截面轮廓呈正方形、圆形、三角形、多边形或流线形。

可选地，所述支柱呈实心结构或空心结构。

可选地，所述壳体与所述换热结构为一体成型。

可选地，所述壳体及所述换热结构由石墨、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、碳纳米管、碳纤维、石墨烯及金属中的至少一种材料制成。

可选地，所述相变蓄热材料为有机相变蓄热材料，所述有机相变蓄热材料至少包括脂肪酸、石蜡、直链烷烃、脂肪醇以及酯类物质。

可选地，所述相变蓄热材料为无机盐类相变蓄热材料，所述无机盐类相变蓄热材料至少包括碱金属或碱土金属卤化物、硝酸盐、碳酸盐、氟化盐、盐酸盐及硫酸盐。

可选地，所述相变蓄热材料由单一金属构成，或者由不同种金属组成的二元合金、三元合金、多元合金构成。

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明实施例提供了一种相变蓄热体，该相变蓄热体包括：壳体，内部设置有换热结构；所述换热结构呈点阵结构；相变蓄热材料，填充在所述壳体与所述换热结构之间的空隙中。

如此设置，可根据需求设计不同强度和封装量的蓄热体，呈点阵结构的换热结构增大了换热面积，可以有效提高蓄热体的换热性能。并且在蓄热体的内部设置换热结构，并将换热结构设置为点阵结构，可以提高蓄热体在耐高温和高负重条件下的结构强度，防止变形和破碎。同时也降低了相变蓄热材料的泄露风险。

2.本发明实施例通过将所述壳体与所述换热结构为一体成型设置，可实现壳体与换热结构的一体化制造，进一步提高了蓄热体的整体强度，降低了相变材料的泄露风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通工人来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例相变蓄热体的整体结构示意图；

图2为本发明实施例点阵结构的示意图；

图3为本发明实施例支柱为实心和空心的示意图；

图4为本发明实施例空心点阵结构的工作原理图；

图5为本发明实施例实心点阵结构的工作原理图。

附图标记：

1、壳体；2、点阵结构；3、相变蓄热材料。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通工人在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通工人而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

储热技术是储能技术的主要方向之一，在太阳能、风能发电、工业余热回收利用、分布式能源系统等领域具有广泛应用，其在平抑新能源电源负荷波动、提高系统连续发电能力、降低弃风弃光率等方面有着重要作用。

其中，相变蓄热是储热技术中的一种。相变蓄热主要是依靠相变材料在相变过程中吸收和释放热量的特性来进行储热和释热，具有装置设计简单、蓄热密度高、蓄热温度相对恒定和易于管理等优点。此外，相变蓄放热过程基本保持恒温，可以减少储热和释热过程中能量品位的损失。蓄热体作为蓄热载体，是在高温和承受上层重量的条件下工作的，因此必须要有足够耐高温和高负重条件下的结构强度，否则很容易发生变形和破碎。

因此，本发明在于提供一种能满足耐高温和高负重条件下结构强度的相变蓄热体。

实施例1

如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种相变蓄热体，该相变蓄热体包括壳体1以及相变蓄热材料3。

具体地，壳体1内部设置有换热结构，所述换热结构呈点阵结构2。相变蓄热材料3填充在所述壳体1与所述换热结构之间的空隙中。所述壳体1的形状可以为立方体、长方体、圆柱体、球体、梯形体及各种异形结构。所述壳体1及点阵结构2的制备方法为增材制造技术。

如此设置，可根据需求设计不同强度和封装量的蓄热体，呈点阵结构2的换热结构增大了换热面积，可以有效提高蓄热体的换热性能。并且在蓄热体的内部设置换热结构，并将换热结构设置为点阵结构，可以提高蓄热体在耐高温和高负重条件下的结构强度，防止变形和破碎。同时也降低了相变蓄热材料3的泄露风险。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述点阵结构2可以是周期性点阵结构或梯度点阵结构。当然，本领域技术人员也可以根据实际情况同时设置周期性点阵结构和梯度点阵结构。同样地，所述点阵结构2可以是二维点阵结构或三维点阵结构。当然，本领域技术人员也可以根据实际情况同时设置二维点阵结构和三维点阵结构。具体地，所述三维点阵结构可以包括体心立方点阵结构、面心立方点阵结构、四面体点阵结构、钻石型点阵结构、拱形桁架点阵结构以及各种拓扑优化结构，如图2所示。

当然，本实施例仅仅是对点阵结构2的具体类型进行举例说明，但是并不对此进行限制，本领域技术人员可以根据实际情况对点阵结构2的具体类型进行改变，能够起到相同的技术效果即可。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述点阵结构2由多根支柱构成，支柱的截面外轮廓可以呈正方形、圆形、三角形、多边形或流线形。具体地，所述支柱可以呈实心结构或空心结构。如图3所示，当所述支柱呈空心结构时，呈空心结构的支柱互相连通，换热工质可从支柱中的通道穿过，增强换热。

空心结构支柱，即空心点阵结构增强的复合相变蓄热体的工作原理如下：

如图4所示，在相变蓄热体蓄热（释热）过程中，热（冷）流体对相变蓄热体进行加热（冷却），一部分流体通过壳体1与相变蓄热材料3进行热量交换，另一部分热流体通过点阵结构2支柱内的通道与相变蓄热材料3进行热量交换，通过对点阵结构2的优化设计可进一步优化换热流道，提升蓄热体的换热性能。

实心结构支柱，即实心点阵结构增强的复合相变蓄热体的工作原理如下：

如图5所示，在相变蓄热体蓄热（释热）过程中，热（冷）流体通过与相变蓄热体壳体1对相变蓄热体整体进行加热（冷却），与空心点阵结构增强的复合相变蓄热体相比，实心点阵结构增强的复合相变蓄热体的换热性能虽有一定程度的减小，但相变材料的封装比例上限高于空心点阵结构增强的复合相变蓄热体。

当然，本实施例仅仅是对支柱的具体类型进行举例说明，但是并不对此进行限制，本领域技术人员可以根据实际情况对支柱的具体类型进行改变，能够起到相同的技术效果即可。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述壳体1与所述换热结构为一体成型。本发明实施例通过将所述壳体1与所述换热结构为一体成型设置，可实现壳体1与换热结构的一体化制造，进一步提高了蓄热体的整体强度，降低了相变材料的泄露风险。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述壳体1及所述换热结构可以由石墨、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、碳纳米管、碳纤维、石墨烯及金属中的至少一种材料制成。

进一步地，在本发明的一个可选实施例中，所述相变蓄热材料3可以为有机相变蓄热材料3和无机盐类相变蓄热材料3，所述有机相变蓄热材料3至少包括脂肪酸、石蜡、直链烷烃、脂肪醇以及酯类物质。所述无机盐类相变蓄热材料3至少包括碱金属或碱土金属卤化物、硝酸盐、碳酸盐、氟化盐、盐酸盐及硫酸盐。另外，所述相变蓄热材料3还可以由单一金属构成，或者由不同种金属组成的二元合金、三元合金、多元合金构成。

在本发明实施例中，相变蓄热体的制造工艺为，首先通过三维建模软件对壳体1和换热结构的点阵结构2进行建模，建模后的三维模型保存为STL格式进行切片处理，将切片处理好的数据导入增材制造设备进行制造，通过增材制造技术将壳体1和换热结构的点阵结构2一体化成型，壳体1上预留排沙孔，对一体化成型的壳体1和换热结构的点阵结构2进行处理后，将相变蓄热材料3由排沙孔灌装入壳体1和换热结构之间的空隙中，并对灌装完成后的相变蓄热体进行抽真空，然后将排沙孔密封，最后根据材料的需求对相变蓄热体进行烧结或热处理。

传统相变材料的封装工艺主要有胶囊法和混合成型烧结法。采用胶囊法制备的相变材料稳定性差、破碎率高，使用寿命短。混合成型烧结法制备的相变材料存在相变材料封装比例低（通常不超过40%），且在熔融态时相变材料易出现扩散、分解、析出等问题。与传统的相变材料封装方式相比，本发明的结构与制造方法明显可以大幅度提高相变材料的封装比例和结构强度。

在本发明实施例中，例如，相变蓄热体可以为以下两种：

1.氧化铝-铝合金复合相变蓄热体

选择氧化铝为蓄热体壳体1与点阵结构2主体材料，铝合金为相变蓄热材料3，在对壳体1和点阵结构2进行三维建模时，可根据强度要求设计不同的壳体1壁厚和点阵结构2相对密度，完成壳体1与点阵结构2的一体化成型后，通过排沙孔将烘干后的铝合金粉末或颗粒灌装入壳体1与点阵结构2之间的空隙中，并对灌装后的蓄热体进行抽真空，然后密封排沙孔，根据蓄热体材料选择合适的温度区间对蓄热体进行烧结。氧化铝-铝合金高温复合相变蓄热体的相变温度约为580~600℃，可应用于高温蓄热领域。

2.不锈钢-硝酸盐复合相变蓄热体

选择316L不锈钢为蓄热体壳体1与点阵结构2主体材料，硝酸盐为相变蓄热材料3，在对壳体1和点阵结构2进行三维建模时，可根据强度要求设计不同的壳体1壁厚和点阵结构2相对密度，完成壳体1与点阵结构2的一体化成型后，通过排沙孔将进行干燥处理的硝酸盐灌装入壳体1与点阵结构2之间的空隙中，并对灌装后的蓄热体进行抽真空，然后密封排沙孔。不锈钢-硝酸盐高温复合相变蓄热体的相变温度范围根据不同的硝酸盐种类与组合比例约为100~500℃，可应用于低、中、高温蓄热领域。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通工人来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种相变蓄热体，其特征在于，包括：

壳体（1），内部设置有换热结构，所述换热结构呈点阵结构（2）；

相变蓄热材料（3），填充在所述壳体（1）与所述换热结构之间的空隙中。

2.根据权利要求1所述的相变蓄热体，其特征在于，所述点阵结构（2）包括周期性点阵结构或/和梯度点阵结构。

3.根据权利要求1所述的相变蓄热体，其特征在于，所述点阵结构（2）包括二维点阵结构或/和三维点阵结构。

4.根据权利要求3所述的相变蓄热体，其特征在于，所述三维点阵结构包括体心立方点阵结构、面心立方点阵结构、四面体点阵结构、钻石型点阵结构、拱形桁架点阵结构。

5.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热体，其特征在于，所述点阵结构（2）由多根支柱构成，所述支柱的截面轮廓呈正方形、圆形、三角形、多边形或流线形。

6.根据权利要求5所述的相变蓄热体，其特征在于，所述支柱呈实心结构或空心结构。

7.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热体，其特征在于，所述壳体（1）与所述换热结构为一体成型。

8.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热体，其特征在于，所述壳体（1）及所述换热结构由石墨、碳化硅、氧化镁、氧化铝、氧化铁、氧化锆、碳纳米管、碳纤维、石墨烯及金属中的至少一种材料制成。

9.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热体，其特征在于，所述相变蓄热材料（3）为有机相变蓄热材料（3），所述有机相变蓄热材料（3）至少包括脂肪酸、石蜡、直链烷烃、脂肪醇以及酯类物质。

10.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热体，其特征在于，所述相变蓄热材料（3）为无机盐类相变蓄热材料（3），所述无机盐类相变蓄热材料（3）至少包括碱金属或碱土金属卤化物、硝酸盐、碳酸盐、氟化盐、盐酸盐及硫酸盐。

11.根据权利要求1至4任一项所述的相变蓄热体，其特征在于，所述相变蓄热材料（3）由单一金属构成，或者由不同种金属组成的二元合金、三元合金、多元合金构成。

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