热能存储介质的封装制造技术

在一个实施例中，用于制造陶瓷相变材料胶囊的方法包括：形成具有填充孔的中空陶瓷胶囊本体；用一种或更多种相变材料经由填充孔填充陶瓷胶囊本体；和封闭和密封所述填充孔。

Encapsulation of thermal storage medium

In one embodiment, for including method of manufacturing ceramic MicroPCMs: forming a hollow ceramic capsule body filling hole; with one or more phase change material through the filling hole filling body and ceramic capsule; closed and sealed the filling hole.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热能存储介质的封装政府资助研究的声明本专利技术在由美国能源部（DOE）授予的批准/合同号DE-AR0000179下由政府支持做出。政府在本专利技术中具有某些权利。相关申请的交叉引用本专利技术要求2014年6月16日提交的同在审查中的美国临时申请序列号62/012633的优先权，其通过引用整体地结合于本文中。
技术介绍
热能存储对于太阳热电源的未来是关键的。此种存储减少了能量的成本并使能量在白昼时段期间和在白昼时段之后两者都可获得。选择合适的热能存储介质对于开发有效的热能存储体系是重要的。相变材料（PCMs）对于此种应用特别有吸引力，因为相变材料相比显热存储材料可以存储更多的热量。可以期望在未来的安装以及现有的安装两者中使用PCMs，所述现有的安装不是特别构造以用于此种材料的使用。鉴于此，还可以期望开发封装PCMs的方法，从而其可以在未来的安装和现在的安装两者中使用。附图说明本公开参考附图可以被更好地理解。匹配的附图标记贯穿附图指示对应的部分，所述附图不必要按照比例绘制。图1是陶瓷胶囊本体的实施例的横截面视图。图2是用于形成陶瓷相变材料（PCM）胶囊不可渗透（non-porous，或无孔的）本体的方法的第一实施例的流程图。图3是用于形成陶瓷PCM胶囊不可渗透本体的方法的第二实施例的流程图。图4是用于形成陶瓷PCM胶囊不可渗透本体的方法的第三实施例的流程图。图5是用于封闭和密封陶瓷PCM胶囊本体的方法的第一实施例的流程图。图6是使用图5的方法形成的陶瓷PCM胶囊的实施例的横截面视图。图7是用于封闭和密封陶瓷PCM胶囊本体的方法的第二实施例的流程图。图8是使用图7的方法形成的陶瓷PCM胶囊的实施例的横截面视图。图9是用于形成陶瓷PCM胶囊的方法的替代实施例的流程图。图10是使用图9的方法形成的陶瓷PCM胶囊的实施例的横截面视图。具体实施方式如上所述，可以期望具有封装热能存储介质（例如相变材料（PCMs））的方法。本文公开了封装方法和适合于此目的的胶囊。在公开的方法中，一种或更多种PCMs容纳在陶瓷胶囊中。在一些实施例中，中空陶瓷胶囊本体首先被制造，胶囊本体经由本体内的填充孔填充一种或更多种PCMs，孔随后封闭并密封。密封材料可以被应用到胶囊本体的陶瓷材料或者与胶囊本体的陶瓷材料一体成型，以使其不可渗透。在替代实施例中，陶瓷PCM胶囊通过首先形成实心PCM小球，随后将陶瓷材料应用到所述小球而产生。在陶瓷胶囊本体包括必须被封闭和密封的填充孔的情况中，胶囊本体可以用两种或更多种PCMs填充，当混合时，形成具有低于各种PCMs熔点的熔点的共晶PCM。如果PCMs分开地加入胶囊从而没有混合，可以选择密封材料封闭胶囊本体的孔，所述密封材料将会在低于各种PCMs的熔点但高于共晶PCM的熔点的温度熔化。因此，可以通过将胶囊加热到密封材料熔化但是各种PCMs没有熔化的温度来密封所述胶囊，胶囊随后可以被摇动以混合PCMs形成共晶PCM。在下面的公开中，各种特定的实施例被描述。可以理解的是，这些实施例是本公开专利技术的示例实施方式，其他替代实施例是可能的。所有这些实施例都旨在落入本公开的范围。介绍PCM胶囊先前被专利技术者开发为包括被金属壳体包围的PCM芯部。一层聚合物材料被设置在PCM和壳体之间以防止熔化的PCM接触并腐蚀金属。虽然此种胶囊对于低温应用是有效的，所述胶囊对于高温应用（例如400℃以上）可能不那么有效，因为此种高温降解大多数聚合材料。鉴于先前PCM胶囊设计的潜在限制，决定将相对高温的PCM封装在陶瓷材料中，所述陶瓷材料相比于聚合物材料可以承受更高的温度，相比于金属更不易与熔化的PCM反应。正如下述讨论中将会显而易见的，陶瓷材料的优势包括：（1）封装材料与熔化PCMs的兼容性，（2）胶囊对于熔化PCMs是不可渗透的，（3）在固体和液体状态两者中在升高温度下的PCM膨胀的适应性，（4）加热胶囊时气体膨胀的适应性。胶囊本体制造如上文指出的，胶囊可以用来容纳一种或更多种PCMs。尽管金属可以用来形成胶囊，在高温下，金属在熔化PCMs存在时会腐蚀，例如熔化碱金属氯化物。陶瓷材料在高温下在熔化PCMs存在时更不易受到腐蚀的影响，因此是用于形成PCM胶囊的更好候选。然而，当在相对低的温度（例如850到1100℃）烧结短的持续时间（例如4到5小时）时，陶瓷材料对许多PCMs是固有可渗透的。尽管陶瓷材料可以通过在较高温度（例如1200到1600℃）烧结长段时间（例如24到30小时）被制成对基本上所有PCMs不可渗透，这会使制造过程不期望地昂贵。将陶瓷材料制成对熔化PCM不可渗透的替代方法是用上釉材料涂覆陶瓷材料。不幸的是，上釉材料可以与熔化PCM反应，因为所述上釉材料经常包含与熔化碱金属氯化物和硅酸盐反应的过渡金属氧化物和非过渡金属氧化物。可渗透陶瓷材料也可以与熔化碱金属氯化物反应，在烧结陶瓷的颗粒边界导致关键结构变化，可导致微裂纹的发展，随后在热循环期间尺寸增长并导致熔化盐的泄漏。然而，其他材料，例如碱金属硅酸盐（例如硅酸钠和硅酸锂）和硼酸盐（例如四水合偏硼酸钠和四硼酸钠）不和熔化PCM反应。此种材料可以因此被用作密封材料，涂覆胶囊本体的陶瓷材料并填充其孔以防止熔化PCM与陶瓷材料的直接接触并防止PCM通过陶瓷材料。陶瓷胶囊本体可以被制造及其材料可以用此种密封材料密封的几种方法在下文中描述。在第一方法中，胶囊本体首先形成，密封材料稍后被应用到胶囊本体以涂覆所述胶囊本体并填充其孔。胶囊本体可以由陶瓷材料制成，所述陶瓷材料包括长石、高岭土、球粘土、膨润土、氧化铝、二氧化硅和有机聚合物中的一种或多种的混合物。图1示出此种胶囊本体10的示例。如此图中所示，本体10包括由陶瓷材料制成的球形外壳体12。尽管壳体12被描绘和描述为球形，要指出的是其他形状是可能的。壳体12可以被模制或铸造从而包括在其顶部的填充孔14，所述填充孔允许本体10的内部空间16被一种或更多种PCMs（以粉末或者熔化物形式）填充。陶瓷胶囊本体可以被部分地烧结和浸入在密封材料和水的溶液中。在一些实施例中，溶液可以具有大约15%到25%浓度的硅酸钠。浸入的胶囊本体可以被放置在真空腔室，真空可以应用以从陶瓷材料的孔移除空气并允许密封材料填充所述孔。涂覆的胶囊本体随后可以被固化，例如在大约1040℃的温度下。在固化期间，一层均匀的密封材料在陶瓷胶囊本体的整个表面上形成，并填充陶瓷材料的孔。产生的是不可渗透的可以用PCM填充的陶瓷胶囊本体。在此填充之后，在胶囊本体上的孔可以使用合适的材料封闭和密封。此种封闭和密封的示例在下文中描述。无论陶瓷胶囊本体以何种方式封闭和密封，都不会与熔化的PCM反应并可以经受重复的热循环。图2的流程图示出了与上述方法一致的用于形成PCM胶囊本体的示例方法。从图2的块20开始，陶瓷粉末混合物形成。如上文指出的，混合物可以包括长石、高岭土、球粘土、膨润土、氧化铝、二氧化硅和有机聚合物中的一种或多种。下一步，可以将水加入陶瓷混合物并与之混合以形成陶瓷团或者浆，如块22中所示。一旦形成团或者浆，其可以用于形成生坯（未烧结）的具有填充孔的陶瓷胶囊本体，如块24中所示。在一些实施例中，所述本体可以使用拉模或者流铸形成。下一步，陶瓷胶囊本体可以被部分烧结，如块26中所示。通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造陶瓷相变材料胶囊的方法，所述方法包括：形成具有填充孔的中空陶瓷胶囊本体；用一种或更多种相变材料经由填充孔填充陶瓷胶囊本体；和封闭和密封所述填充孔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.16 US 62/0126331.一种用于制造陶瓷相变材料胶囊的方法，所述方法包括：形成具有填充孔的中空陶瓷胶囊本体；用一种或更多种相变材料经由填充孔填充陶瓷胶囊本体；和封闭和密封所述填充孔。2.如权利要求1所述的方法，其中，形成陶瓷胶囊本体包括形成生坯陶瓷胶囊本体。3.如权利要求2所述的方法，其中，形成陶瓷胶囊本体还包括将生坯陶瓷胶囊本体浸入在包括密封材料的溶液中。4.如权利要求3所述的方法，其中，密封材料包括碱金属硅酸盐、硼酸盐或者其混合物。5.如权利要求3所述的方法，其中，形成陶瓷胶囊本体还包括固化所述生坯陶瓷胶囊本体以获得不可渗透的陶瓷胶囊本体。6.如权利要求2所述的方法，其中，形成陶瓷胶囊本体还包括将密封材料与陶瓷材料混合以形成用来形成生坯陶瓷胶囊本体的材料。7.如权利要求6所述的方法，其中，形成陶瓷胶囊本体还包括烧结生坯陶瓷胶囊本体以获得不可渗透的陶瓷胶囊本体。8.如权利要求2所述的方法，其中，形成陶瓷胶囊本体还包括用包括密封材料的溶液涂覆生坯陶瓷胶囊本体的内表面。9.如权利要求8所述的方法，其中，形成陶瓷胶囊本体还包括加热生坯陶瓷胶囊本体以获得不可渗透的陶瓷胶囊本体。10.如权利要求1所述的方法，其中，填充胶囊本体包括用第一相变材料和第二相变材料填充胶囊本体，所述相变材料以单独的层包含在胶囊本体中。11.如权利要求10所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：DY戈斯瓦米，EK斯蒂法纳科斯，CK乔特施，J多，
申请(专利权)人：南佛罗里达州大学，
类型：发明
国别省市：美国,US