CN208236516U - 基于相变材料的回热器及斯特林循环系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于相变材料的回热器，包括壳体和填充在由壳体形成的腔室中的填料部分，所述腔室的一端为供高温气体工质流入的热端、另一端为供低温气体工质流入的冷端，所述高温气体工质和所述低温气体工质分别通过所述腔室的热端和冷端交替流经回热器的所述腔室。其中，所述填料部分包括由熔点不同的相变材料构成的多个相变部件；所述相变部件至少包括第一熔点相变部件和第二熔点相变部件，临近所述热端的第一熔点相变部件相对于临近所述冷端的第二熔点相变部件具有更高的熔点。本实用新型所提出的使用相变材料作为填料的回热器，可以提高回热器的蓄热密度，增大回热量；也可以减小回热器的尺寸，减小系统死容积从而提高整机效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于相变材料的回热器，还涉及使用该回热器的斯特林循环系统。
背景技术
回热器是斯特林发动机、制冷机、电子设备冷却器等多种设备的核心换热部件。这些设备以气体为工质，按闭式回热循环方式进行工作。当工质气体吸热膨胀后，高温气流从热端流向冷端，回热器储存一部分气体热量于填料中；当工质放热压缩后，低温气流从冷端返回热端，回热器将储存的热量释放给低温气流，完成回热。回热器是一种可以提高设备整机效率的节能装置，使加热器和冷却器的工作负荷大大降低，其回热量是影响整机性能的关键参数。
为了提高回热器有效性，增大回热量，回热器应具有较大的热容量和良好的换热性能；此外，回热器通流容积要小，工质的流动阻力要小。以现有斯特林发动机回热器为例，其基本结构是在耐压容器中填充由多孔介质构成的基体，具有一定的孔隙率和比表面积。为了增强传热性能，增大回热量，传统回热器往往采用小孔隙率的多孔介质，以增大换热面积；但另一方面，为了减小回热器中工质流动阻力，回热器设计应选择孔隙率较大的基体。此外，现有的回热器还受限于材料比热容，为了增大回热量，需要采用大尺寸的回热器；但是，回热器尺寸过大，会导致死容积增加，造成整机效率下降。由此可见，现有回热器的设计存在工质流动和换热两者要求相矛盾的问题，而为了保证一定的整机效率、减小损失，决定了回热器尺寸不可过大，这也影响了现有回热器的换热性能和回热量受到限制。
回热器填料种类方面，具体来说传统的回热器一般采用耐热耐腐蚀的不锈钢制成的堆叠丝网、金属纤维、烧结金属等多孔介质作为回热器中的有效填料，采用金属显热蓄热的方式。但是，其蓄热能力常受限于材料比热容，蓄热密度不高，回热量有限，从而导致需要的回热器体积较大的问题。
相变胶囊是以相变材料为囊芯，以有机或无机聚合物、高分子和金属(合金)等为囊壁制成的一种颗粒状储能材料，具有较大的比热容和比表面积，换热和蓄热性能良好。关于相变胶囊的类型、制作工艺、特性和应用等，现有技术均有揭示，如参见Giro-Paloma J,Martínez M,Cabeza L F,et al.Types,methods,techniques,and applications formicroencapsulated phase change materials(MPCM):A review[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews,2016,53:1059-1075.。目前，相变胶囊的应用领域涉及航空航天、建筑、汽车、环境保护、纺织服装、医疗卫生等诸多领域，但在斯特林机、电子器件冷却领域中应用较少，未见将其用于回热器填料的在先文献。
实用新型内容
“相变材料”(PCM-Phase Change Material)是指随温度变化而改变物质状态并能提供潜热的物质。转变物理性质的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。针对现有回热器的设计所存在的在控制回热器尺寸的同时回热效果受到限制的技术问题，本实用新型提出一种新的基于相变材料的回热器，将相变材料作为填料填充在回热器腔室中。在现有回热器的基础上结合相变材料储热原理，提高回热效率，明显减小回热器体积，显著提高整机效率。
本实用新型提出的基于相变材料的回热器，包括壳体和填充在由壳体形成的腔室中的填料部分，所述腔室的一端为供高温气体工质流入的热端、另一端为供低温气体工质流入的冷端，所述高温气体工质和所述低温气体工质分别通过所述腔室的热端和冷端交替流经回热器的所述腔室。其中，所述填料部分包括由熔点不同的相变材料构成的多个相变部件；所述相变部件至少包括第一熔点相变部件和第二熔点相变部件，临近所述热端的第一熔点相变部件相对于临近所述冷端的第二熔点相变部件具有更高的熔点。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述多个相变部件的熔点温度沿所述热端向所述冷端的方向阶梯下降，以与流经该各个相变部件所在位置的气体工质的温度相匹配的方式设置。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述相变部件由多个相变胶囊构成；所述相变胶囊包括囊芯和囊壁，所述囊芯为相变材料。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述回热器的腔室中设置丝网，对所述相变部件进行固定。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述壳体形成的腔室截面呈长方形、圆形、方形、蜂窝形或圆环形。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述腔室中还设置有搅拌器。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述囊芯包括无机类材料、有机类材料或两者的混合；其中，所述无机类材料选自于结晶水合盐、熔融盐、金属及合金的一种或多种；所述有机类材料选自于石蜡类、羧酸类、羧酸脂类、多元醇类、正烷醇类、糖醇类、聚醚类的一种或多种。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述囊壁选自于合金材料、天然高分子材料、无机材料、全合成高分子材料或共聚物的一种或多种。
本实用新型的基于相变材料的回热器中，所述相变胶囊包括微胶囊和大胶囊。
本实用新型还提出一种使用上述基于相变材料的回热器的斯特林循环系统，该斯特林循环系统还包括膨胀腔和压缩腔，所述回热器设置在所述膨胀腔和所述压缩腔之间，在膨胀腔处设置有加热器，在压缩腔处设置有冷却器；气体工质在所述膨胀腔内等温膨胀后，高温气体工质经过所述回热器流向所述压缩腔，气体工质在所述压缩腔内等温压缩后，低温气体工质经过所述回热器流向所述膨胀腔，进行闭式循环。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下优点：
本实用新型提出的回热器将相变材料作为填料进行回热，使得回热器能够利用相变材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存，具有良好的蓄热性能。本实用新型由于大幅提高回热器比热容，提高了单位质量(体积)的蓄热量，增强了回热器的工作性能。对于同样体积大小的回热器，本实用新型回热器由于具有更高的蓄热密度因此能够增加回热量，减小加热器负荷，提高发动机效率；在相同换热量的需求下，本实用新型能够明显减小回热器体积，从而减小死容积、降低流动阻力，进而提高整机效率。
本实用新型的相变材料回热器，在针对气体工质的温度进一步设置相变材料的情况下，还能够控制回热器内部不同部位的温度分布，可以减少无益容积，降低由于外界吸热量变化(如太阳能)带来的波动。
此外，回热器的工作条件极其恶劣，温度变化高达300℃/秒，热负荷、热应力都很大。本实用新型提出的回热器将相变材料作为填料利用潜热蓄热，回热器的蓄热、放热过程的温度更为稳定、近似等温，从而降低了回热器内部温度的波动，减小回热器的热疲劳损害。在实际工业应用中，本实用新型改进的回热器相对材料传统填料(如不锈钢材料)具有更长的工作寿命，能够降低生产成本。
附图说明
图1是本实用新型斯特林循环系统的示意图；
图2是本实用新型实施例1相变胶囊的示意图；
图3是本实用新型实施例2基于相变材料的回热器的示意图；
图4是本实用新型实施例3基于相变材料的回热器的示意图；
图5是本实用新型实施例4基于相变材料的回热器的示意图；
图6是本实用新型实施例5基于相变材料的回热器的示意图。
附图标记说明：
1-相变胶囊；2-囊芯；3-囊壁；4-回热器壳体；5-丝网；6-搅拌器；7-冷却器；8-加热器；9-回热器；10-压缩腔；11-膨胀腔
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明。本实用新型的实现并不限于下述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内所采用的本实用新型技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本实用新型的保护范围。
以下首先分别对本实用新型涉及的回热器、斯特林循环系统及相变胶囊等结构和原理进行简单说明。
(回热器和斯特林循环系统)
图1示出斯特林循环系统的基本结构和气体工质的循环过程。如图所示，工质气体在膨胀腔11一端加热器8的作用下吸热膨胀，高温气流从回热器9的热端流向冷端，经过回热器9时将一部分气体热量储存于填料中；工质在压缩腔10一端冷却器7的作用下放热压缩，低温气流从冷端返回热端，在再次经过回热器9时回热器9将储存的热量释放给低温气流，完成回热。
回热器9中，在回热器壳体4形成的腔室内含有相变胶囊1作为填料，相变胶囊1由囊芯2和囊壁3组成。囊芯2由相变材料制成。工作时，高温气流和低温气流交替流经回热器9，相变胶囊1储存高温气流热量，并释放给低温气流，完成回热。工质气体从回热器9的热端向冷端或是冷端向热端的流动过程中，为了实现将工质气体的热量储存在相变胶囊1中或是从相变胶囊1中吸收热量，在回热器腔室中不同工作温度区域中填充的是相变材料熔点不同的相变胶囊1。从而，流经不同工作温度区域时，气体工质与相变胶囊间的温度差能够引起相变胶囊进行相变，并实现热量在气体工质和相变胶囊之间进行转移。
本实用新型回热器中，相变胶囊1放置于回热器壳体4形成的腔体中，利用相变蓄热，相对现有显热蓄热方式增强了回热器蓄热能力，提高整机效率，尤其适合应用于包括斯特林发动机在内的斯特林气体循环系统。本领域技术人员能够理解的是，只要将工业应用中的斯特林发动机、制冷机、电子设备冷却器等各类系统、设备中的储热器(如回热器)中填料替换为相变材料，更具体地例如是相变胶囊，均属于本实用新型意图提出的发明构思。在本说明书中提出的斯特林发动机的例子仅仅作为示意性举例，用于说明本实用新型回热器及使用该回热器的斯特林循环系统的可能的实现方式，而不应理解为是对实用新型保护范围的限制。
(相变胶囊)
相变胶囊1由囊芯2和囊壁3组成，高温气流的热量经由囊壁3传递给囊芯2，使之吸热熔化，当低温气流流经回热器9时，囊芯2凝固放热，将热量释放给低温气流。本实用新型中作为回热器填料的相变胶囊1中，囊芯2由相变材料制成，并且囊芯2的熔点(即相变温度点)在回热器的工作温度范围内，所以当回热器正常工作时，囊芯2发生相变过程，用于储存和释放热量。回热器的工作温度范围，可以视回热器所应用的斯特林循环系统(例如斯特林发动机)及其应用环境具体确定；本领域技术人员能够理解的是，为了实现本实用新型回热器利用相变材料蓄热实现回热，需要采用熔点与回热器的工作温度匹配的相变材料(“匹配”是指，在高温或低温气体工质流经相变材料所在位置时，相变材料能够通过相变蓄热或放热)，并根据实际条件和需要合理选择具体的相变材料种类。在囊芯2为固体形态时，囊芯2和囊壁3之间留有空隙，用于囊芯熔化膨胀。
进一步来说，适合用作本实用新型回热器的囊芯材料包括无机类材料和有机类材料，或是两者的混合。其中，无机类材料包括结晶水合盐、熔融盐、金属及合金；有机类材料包括石蜡类、羧酸类、羧酸脂类、多元醇类、正烷醇类、糖醇类和聚醚类。囊壁3用于分隔囊芯2和气流，保护囊芯2，并起到传递热量的作用。囊壁材料包括合金材料，如镍基合金、低碳钢、铌-锆合金钢；天然高分子材料，如阿拉伯胶、明胶、海藻酸钠；无机材料，如硼硅酸盐、二氧化硅、碳酸钙；全合成高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯、聚脲、脲醛树脂；共聚物，如聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物。
通常，相变胶囊根据粒径可分为：纳胶囊(粒径<1μm)、微胶囊(1μm<粒径<1mm)、大胶囊(粒径>1mm)(张兴祥,王馨,吴文健.相变材料胶囊制备与应用[M].化学工业出版社,2009.)。本实用新型中用作回热器填料的相变胶囊的粒径可大于1mm，即，使用大胶囊作为填料，也可以是小于1mm的微胶囊。在不同固定方式下可以针对地采用不同粒径的相变胶囊。在一些实施方式中，将本实用新型回热器与丝网配合使用，此时参考丝网孔径对粒径进行选择，大致在10微米到1000微米量级(微胶囊)。在一些实施方式中，直接利用回热器的壳体固定相变胶囊，此时需要相对更大的胶囊直径，可达到毫米量级(大胶囊)。
与传统的回热器堆叠丝网相比，本实用新型利用堆叠丝网中的空隙布置相变胶囊，将潜热蓄热应用于传统的显热蓄热中，增强了丝网回热器的蓄热能力，增大回热量，提高了整机效率。
相变胶囊的制作工艺包括：细乳液聚合法、原位聚合法、溶胶-凝胶法、界面聚合法、自组装合成法、直接微乳液法、灌装法、电镀法等。本实用新型所提出的基于相变材料的回热器所采用的相变胶囊，根据现有的制备方法即制备可得。如美国阿贡国家重点实验室研发的Terrafore相变熔盐胶囊，采用化学气相沉积法进行制备，可获得粒径约为5mm的大胶囊。该相变胶囊用于太阳能热发电中，工作温度在300℃至500℃之间。
在将本实用新型回热器应用于斯特林气体循环系统，例如斯特林发动机中的情况下，视实际工作条件所需制备熔点为相应工作温度的相变胶囊。由于回热器热端和冷端存在温差，温度梯度较大，因而，根据回热器内气体工质的温度分布，针对性地采用以不同熔点的相变材料作为囊芯的相变胶囊，使填充于回热器腔室内不同熔点的相变胶囊可在所处位置在对应的工作温度条件下实现相变过程，避免了由于具体位置的相变胶囊囊芯熔点与所流经的气体工质温度不对应，相变胶囊无法通过相变过程将高温气体工质的热量储存在囊芯或将热量释放给低温气体工质。具体来说，靠近回热器热端所填充的相变胶囊囊芯材料的熔点高于靠近回热器冷端所填充的相变胶囊囊芯材料的熔点。如此布置相变胶囊填料，本实用新型回热器充分利用相变胶囊进行蓄热，还能合理确定相变胶囊的填料量、减少无相变的相变胶囊数量，减小回热器的尺寸，提高回热器以及整机工作效率。
(回热器的壳体结构)
在一些实施方式中，本实用新型提出的基于相变材料填料的回热器，其壳体4为扁平的长方体形状，壳体高度与相变胶囊外径大致相等，将一层相变胶囊1固定在壳体4形成的腔室中。固定是指，在斯特林循环过程中，由于回热器壳体4的结构和形状限制、以及相变胶囊本身的流动性所限，相变胶囊填料将停留在回热器壳体所形成的腔室中，而不会离开腔室进入其它区域。
举例来说，作为闭式气体循环的开始，高温气流先从回热器9热端一侧进入回热器9并流经相变胶囊1，在高温气流影响下，囊芯材料熔点相对较低由固态转为熔融态，利用芯材的潜热储存大量热量。这一过程中，高温气流也使囊壁3温度升高，由于囊壁材料熔点远高于高温气流因此保持固态，另外囊壁材料热导率较高，高温气流所携带的热量能够很好地传给囊芯2。随后，当低温气流从冷端进入回热器9后，囊壁温度降低并仍保持固态，而囊芯2转变为热源向囊壁3和外界传热，囊芯材料由熔融态转为固态，释放出芯材储存的大量潜热至低温气流，使其温度升高。
在一些实施方式中，回热器壳体4可以为长方体以外的其它各种形状，壳体截面包括呈现为圆形、方形、蜂窝形或圆环形等，取决于应用回热器的设备本身的结构及工作过程、工作目的。与前述实施方式类似，将相变胶囊1放置于回热器壳体4形成的腔室中，根据回热器腔室的形状、大小等或是出于进一步提高回热效率的考虑，相变胶囊的固定方式在原先的回热器壳体直接固定的基础上可进一步采用使用多层丝网5固定。例如，毎两层丝网5夹持一层相变胶囊1，此时可以采用粒径大于1mm的大胶囊，其大于丝网孔径的直径。气流经由丝网5进入回热器壳体4形成的腔体中，并与相变胶囊1进行换热，再由另一侧的丝网流出。在一些实施方式中，圆筒形、方形、蜂窝形壳体主要应用在α型斯特林发动机中。在一些实施方式中，如在β型和γ型斯特林发动机中，回热器9往往采用圆环形壳体，壳体4包括内外双层结构，内层壳体中是活塞和气缸结构，相变胶囊1放置于回热器9内层和外层之间的气流通道内。
回热器壳体4内的空腔内全部用于布置相变胶囊1，可以更大程度地增加回热器蓄热量和回热量。此时丝网5仅设置于回热器壳体4形成的腔室两端，防止相变胶囊随着气流流出回热器。相变胶囊1的粒径应大于丝网孔径，并且采用不同囊芯或囊壁材料的相变胶囊的粒径可以不等，用于调整回热器整体孔隙率，满足不同的流动和换热需要。
在一些实施方式中，丝网5和回热器壳体4形成的空腔还设置有提高气体工质流动的搅拌机构，例如搅拌器6(更具体地可以是垂直式风机)。在一些实施方式中，搅拌器叶片为翼型，当气流吹过时，在升力作用下发生旋转运动，对相变胶囊1进行搅拌，增大相变胶囊表面气流流速，增强胶囊外壳与气流的对流换热速度和效果，增大回热器蓄热量和回热量。
实施例1
如图2所示，相变胶囊1包括囊芯2和囊壁3两部分。囊芯2由相变材料制成，在回热器工作温度范围内发生相变过程，即高温气流温度大于囊芯相变材料熔点，低温气流小于囊芯相变材料熔点，用于储存和释放热量。囊壁3用于分隔囊芯和气流，保护囊芯，并起到传递热量的作用。本领域技术人员能够理解的是，本实用新型用于实现潜热换热的回热器的填料，主要利用相变材料的潜热性能。也就是说，用作填料的相变材料的结构并不限定于相变胶囊，而只要能够实现高温和低温工质气体循环流经回热器完成换热过程即可。
当高温气流流经相变胶囊1时，高温气流的热量经由囊壁3传递给囊芯2，使之吸热熔化；当低温气流流经相变胶囊1时，囊芯2凝固放热，将热量释放给低温气流，完成回热。本领域的普通技术人员知道，相比于普通的显热蓄热，单位质量或体积的相变材料通过潜热蓄热可以储存的热量更多；根据有关文献，显热储热密度约为50kW·h/m3，潜热储热密度约为100kW·h/m3，即潜热储热密度约为显热的两倍。因而，对于同样的回热量需求，本实用新型通过采用相变材料或更具体地采用相变胶囊的形式作为回热器填料，可以将回热器的体积比现有的丝网回热器减少50％左右，从而系统中死容积也相应显著减少，进而减少了流阻损失，提高整机效率。
以某100W斯特林发动机回热器为例，采用氦气为工质，转速为800r/min，工作压力2MPa，热端温度771K，冷端温度286K，采用现有方法将丝网为回热器填料时，回热器筒体长度29mm，通过SIMPLE程序得到斯特林发动机输出功为86.7W，流阻损失为17.2W。而将本实用新型相变材料回热器应用于上述斯特林发动机，不但筒体长度减少为14.5mm，而其输出功增大为104.1W，流阻损失减少为8.8W。可见，与现有回热器相比，应用本实用新型基于相变材料的回热器一方面明显减小了回热器体积，另一方面还获得减少流阻损失、大幅提高输出功的有益效果。
实施例2
如图3所示，回热器壳体4为扁平的长方体形状，高度与相变胶囊外径相等，固定一层相变胶囊1，相变胶囊1一般为粒径大于1mm的大胶囊，便于固定。回热器壳体4内为气流通道，高温气流首先从回热器壳体一侧进入回热器并流经相变胶囊1，囊壁3温度升高，由于囊壁材料熔点远高于高温气流所以保持固态，又由于囊壁材料热导率较高，高温气流热流温度能够很好地传给囊芯2，囊芯材料一般熔点相对较低，且低于高温气流温度，所以在高温气流影响下，囊芯材料由固态转为熔融态，用芯材的潜热储存大量热量。紧接着当低温气流进入回热器结构后，囊壁3温度降低，且保持固态，此时，囊芯2变为热源，向囊壁3和外界传热，囊芯材料由熔融态转为固态，释放出芯材储存的大量潜热。
实施例3
如图4所示，回热器壳体形状为圆筒形、方形、蜂窝形或圆环形，也就是回热器壳体形成的腔室的截面形状为圆形、方形、蜂窝形或圆环形。相变胶囊1放置于回热器的壳体4形成的腔室中，其固定方式由原先的回热器壳体4直接固定改为多层丝网5固定，毎两层丝网夹持一层相变胶囊1，相变胶囊一般为粒径大于1mm的大胶囊。气流经由丝网5进入回热器壳体4形成的腔体中，并与相变胶囊1进行换热，再由另一侧的丝网流出。具体来说，圆筒形、方形、蜂窝形壳体主要应用在α型斯特林发动机中。但在β型和γ型斯特林发动机中，往往采用圆环形壳体，此时壳体4包括内外两层结构，可在内层壳体的外部(即圆环内部空间区域)设置活塞和气缸结构，而相变胶囊1放置于回热器内层和外层之间形成的中间的气流通道内。
以某100W斯特林发动机为例，采用氦气为工质，转速为800r/min，工作压力2MPa，回热器热端为771K，冷端为286K存在温差，温度梯度较大。因而，将回热器腔室内的工作温度分布划分为五个区段，第一工作温度区域至第五工作温度区域分别为286-385K、386-485K、486-585K、586-685K以及686-771K。相应地，对相变胶囊对应工作温度采用不同熔点的囊芯材料，在第一工作温度区域填充的相变胶囊的囊芯材料的熔点例如为200K，第二工作温度区域熔点例如为300K，第三工作温度区域熔点例如为400K，第四工作温度区域熔点例如为500K，第五工作温度区域熔点例如为600K。在气体工质流经相变胶囊时，引起相变胶囊发生相变过程并相应地储热或放热，由此回热器能够充分利用相变胶囊的蓄热能力，减少无法发生相变的相变胶囊数量，合理控制填料量，提高回热器效率。
作为对比的例子，仍采用相变胶囊为回热器填料，但是对于各个不同工作温度区域均采用相同熔点的囊芯材料，由于气体工质温度与囊芯熔点不一致使得在五个区段中仅其中之一的相变胶囊能够基本发生相变，而其它工作温度区域中仍为显热储热方式。按照显热储热密度约为50kW·h/m3、潜热储热密度约为100kW·h/m3进行如下式的计算，这里所述对比实施方式的回热器的储热量相对现有完全显热储热的回热器，提高了20％。
而在每一段工作区域中都分别采用与该段温区的对应囊芯熔点的相变胶囊，则储热量可大大提高50％。
此外，通过调整相变胶囊囊芯、囊壁的种类，相变胶囊的尺寸，或是采用某些制备工艺等，能够得到适应于不同于上述工作条件和换热量要求的相变材料回热器。
实施例4
如图5所示，将相变胶囊1充分填充回热器壳体内的空腔，仅在回热器壳体4两端(也就是气体工质流经回热器腔室的出口和进口)布置丝网5，防止相变胶囊1随着工质的气流流出回热器9。相变胶囊1的粒径应大于丝网5孔径，不同相变胶囊1的粒径可以不等，用于调整相变胶囊回热器整体孔隙率，满足不同的流动和换热需要。还可以将回热器壳体内部丝网全部以相变胶囊代替，由于相变胶囊热容比丝网材料不锈钢要高很多，因此在全部采用相变胶囊作为填料的情况下，同样体积的回热器可以储存更多的热量。
此外，相变胶囊1也可以是小于1mm的微胶囊，随机分布于丝网5的空隙之中，此时丝网层与层之间的间隙减小，接近于堆叠丝网。由于相变胶囊1粒径减小，比表面积增大，进一步提高了换热量。与传统的回热器堆叠丝网相比，这样的实施方式利用了堆叠丝网中的空隙布置相变胶囊1，将潜热蓄热与传统显热蓄热结合，增强了丝网回热器的蓄热能力，增大回热量，并能减小回热器尺寸，从而提高整机效率。
实施例5
如图6所示，在丝网5和回热器壳体4形成的空腔中还设置有搅拌器6(更具体的可以是垂直轴风力机)，搅拌器叶片为翼型，当气流吹过时，在升力作用下，搅拌器发生旋转运动，搅拌相变胶囊1，由于相变胶囊被带动运动，使得相变胶囊1表面的气流流速增大，增强了囊壳(指相变胶囊的表面)与气流的对流换热，增大回热器蓄热量和回热量。该实施方式有助于减少回热器的体积。
同样地，为了实现相变材料(相变胶囊)在回热器腔室中的流动，增大相变材料与气体工质换热的比表面积，提高换热效率，也可在前述回热器结构基础上进一步设置转动机构，令回热器在系统中以轴向转动方式运动，同样实现上述目的。
以上对本实用新型所提供的基于相变材料作为填料的回热器进行了详细说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本实用新型专利权的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于相变材料的回热器，包括壳体和填充在由壳体形成的腔室中的填料部分，所述腔室的一端为供高温气体工质流入的热端、另一端为供低温气体工质流入的冷端，所述高温气体工质和所述低温气体工质分别通过所述腔室的热端和冷端交替流经回热器的所述腔室；其特征在于，所述填料部分包括由熔点不同的相变材料构成的多个相变部件；
所述相变部件至少包括第一熔点相变部件和第二熔点相变部件，临近所述热端的第一熔点相变部件相对于临近所述冷端的第二熔点相变部件具有更高的熔点。
2.如权利要求1所述的基于相变材料的回热器，其特征在于，所述多个相变部件的熔点温度沿所述热端向所述冷端的方向阶梯下降，以与流经该各个相变部件所在位置的气体工质的温度相匹配的方式设置。
3.如权利要求1或2所述的基于相变材料的回热器，其特征在于，所述相变部件由多个相变胶囊构成；所述相变胶囊包括囊芯和囊壁，所述囊芯为相变材料。
4.如权利要求1或2所述的基于相变材料的回热器，其特征在于，所述回热器的腔室中设置丝网，对所述相变部件进行固定。
5.如权利要求1或2所述的基于相变材料的回热器，其特征在于，所述壳体形成的腔室截面呈圆形、方形、蜂窝形或圆环形。
6.如权利要求1或2所述的基于相变材料的回热器，其特征在于，所述腔室中还设置有搅拌器。
7.如权利要求3所述的基于相变材料的回热器，其特征在于，所述相变胶囊包括微胶囊和大胶囊。
8.一种斯特林循环系统，使用如权利要求1-7之任一项所述的回热器，其特征在于，所述斯特林循环系统还包括膨胀腔和压缩腔，所述回热器设置在所述膨胀腔和所述压缩腔之间，在膨胀腔处设置有加热器，在压缩腔处设置有冷却器；气体工质在所述膨胀腔内等温膨胀后，高温气体工质经过所述回热器流向所述压缩腔，气体工质在所述压缩腔内等温压缩后，低温气体工质经过所述回热器流向所述膨胀腔，进行闭式循环。
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