基于相变材料的回热器及斯特林循环系统技术方案

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于相变材料的回热器及斯特林循环系统
本技术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。
技术介绍
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-PalomaJ,MartínezM,CabezaLF,etal.Types,methods,techniques,andapplicationsformicroencapsulatedphasechangematerials(MPCM):Areview[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,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。
技术实现思路
“相变材料”(PCM-PhaseChangeMaterial)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，本技术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。本技术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。本技术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。本技术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。本技术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。本技术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。本技术的基于相变材料的回热器中，所述腔室中还设置有搅拌器。本技术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。本技术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。本技术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。本技术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，本技术至少具有以下优点：本技术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。本技术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，本技术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，本技术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。本技术的相变材料回热器，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。本技术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，本技术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是本技术斯特林循环系统的示意图；图2是本技术实施例1相变胶囊的示意图；图3是本技术实施例2基于相变材料的回热器的示意图；图4是本技术实施例3基于相变材料的回热器的示意图；图5是本技术实施例4基于相变材料的回热器的示意图；图6是本技术实施例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，对本实用新本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖刚，赖华盛，倪明江，骆仲泱，岑可法，陈欣，程乐鸣，方梦祥，高翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：新型
国别省市：浙江,33