采用相变材料的热存储式热交换器结构制造技术

一种热交换器(120、200)包括被构造成载运工作流体的至少一个管道(124、204a‑204n)。所述热交换器还包括接近所述至少一个管道的多个腔室(122、206a‑206n、208a‑208n)，每一腔室被构造成容纳在冻结时膨胀的相变材料(PCM)。所述至少一个管道和所述多个腔室热耦合，用于所述工作流体与每一腔室中的所述PCM之间的热能传递。每一腔室的一个壁由被构造成随着所述PCM在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积的顺应层(210)形成。

Heat Storage Heat Exchanger Using Phase Change Materials

A heat exchanger (120, 200) includes at least one pipeline (124, 204a_204n) constructed to carry a workflow. The heat exchanger also comprises a plurality of chambers (122, 206A 206n, 208a 208n) close to the at least one of the pipes, each chamber being constructed to accommodate a phase change material (PCM) that expands during freezing. The at least one pipe and the plurality of chambers are thermally coupled for heat transfer between the workflow body and the PCM in each chamber. A wall of each chamber is formed by a compliance layer (210) constructed to deform as the PCM expands during freezing in order to increase the volume of the chamber.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】采用相变材料的热存储式热交换器结构
本公开总体涉及热存储式热交换器。更具体来说，本公开涉及采用冰/水作为相变材料的热存储式热交换器结构。
技术介绍
热交换器在热能（通常简称为“热”）必须从一个位置移动到另一位置的系统中具有广泛应用。类似地，热能存储式(TES)热交换器广泛用于临时存储多余热能，并且稍后释放所述能量。这具有热“负荷均衡”（工作循环平均）的益处，从而减少必须耗散的热负荷。在许多TES热交换器中，相变材料(PCM)（例如石蜡）因其稳定性和高热存储能力而用作热交换器中的热存储材料。
技术实现思路
本公开提供一种使用热存储式热交换器结构的系统和方法，所述热存储式热交换器结构采用在冻结时膨胀的相变材料(PCM)（例如冰/水）。在第一实施例中，一种热交换器包括被构造成载运工作流体的至少一个管道。所述热交换器还包括接近所述至少一个管道的一个或更多个腔室，每一腔室被构造成容纳在冻结时膨胀的相变材料(PCM)。所述至少一个管道和所述一个或更多个腔室热耦合，用于工作流体与每一腔室中的PCM之间的热能传递。每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着PCM在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积。在第二实施例中，一种系统包括至少一个热源、至少一个散热器以及被构造成从所述至少一个热源接收热能并且向所述至少一个散热器提供热能的热交换器。所述热交换器包括被构造成载运工作流体的至少一个管道。所述热交换器还包括接近所述至少一个管道的一个或更多个腔室，每一腔室被构造成容纳在冻结时膨胀的PCM。所述至少一个管道和所述一个或更多个腔室热耦合，用于工作流体与每一腔室中的PCM之间的热能传递。每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着PCM在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积。在第三实施例中，一种方法包括使工作流体移动通过热交换器中的至少一个管道。所述方法还包括使热能从PCM传递到工作流体，PCM安置在接近并且热耦合到所述至少一个管道的一个或更多个腔室中的每一者中，所述PCM被构造成在冻结时膨胀。每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着PCM在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积。本领域技术人员从以下附图、描述和权利要求可以容易地显而易见到其它技术特征。附图说明为了更完整地理解本公开，现在结合附图参考以下描述，其中：图1示出根据本公开的可以使用相变材料(PCM)热交换器的示例性热管理系统；图2示出根据本公开的PCM热交换器；图3示出在顺应层变形的状态下图2的PCM热交换器；并且图4示出用于使用根据本公开的PCM热交换器的示例性方法。具体实施方式下文描述的图1至图4以及用于描述此专利文献中的本公开的原理的各种实施例只是为了图示，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域的技术人员将理解，本公开的原理可以在任何类型的适当布置的装置或系统中实现。现有热存储式热交换器通常使用各种石蜡作为潜在热存储材料。石蜡具有高熔化焓(200-280kJ/kg)、稳定、化学良性，并且展现可重复熔化和凝固行为；然而，由于其低热导率(0.1-0.4W/mK)，需要PCM热交换器中的大量热散布结构以实现进出PCM的热传递。石蜡还具有相对低的密度(700-900kg/m3)，并且因此相对于其它已知有机和无机PCM需要更大体积的材料。一般来说，高热率(>30kW)基于石蜡的PCM热交换器分别限于大约50-70kJ/kg和50-70MJ/m3的比能量密度和体积能量密度。对于重量和体积分配有限的某些应用（例如，新兴定向能量应用），这些数字是不可接受的低。为解决石蜡的热限制，一些热交换器系统已经提出使用冰/水作为PCM。使用冰/水作为PCM的益处源自其有利热物理性质。例如，与石蜡相比，冰/水具有更高的熔化焓(334kJ/kg)、密度(1000kg/m3)和导热率（0.6W/mK（液体）、2.2W/mK（固体））。对于将需要制冷或可进入极低温散热环境的系统来说，冰/水也特别有利。然而，冰/水也是独特的（相对于大多数其它已知PCM），因为水在冻结时膨胀。冰/水PCM热交换器必须被设计成适应此膨胀，同时通过与热交换器包封和热散布结构紧密接触而维持有效热传递。对常见PCM（例如石蜡）有效的典型板/翅片PCM热交换器设计以刚性封装件为特征并且不适于冰/水PCM，因为封装件的壁将因冻结而破裂。使用冰/水作为PCM的一些设计已经在散热器（与热交换器相反）应用中示出出潜力。然而，这些设计不适于需要来自/到达液体工作流体的高热传递速率（例如，数百千瓦）的TESPCM热交换器，正如许多军事定向能量应用的情况一样。这是因为与使热传递进出冰/水PCM相关联的设计结构、系统构造和相对高的传导热阻。类似地，其它冰/水PCM热交换器结构设计以与使热进出冰/水PCM相关联的高对流和传导热阻为特征。虽然这些设计可以适用于低速率传递（数十kW）、相对小的能量（例如，5MJ）的应用中，但是这样的设计在高速率（例如，>100kW）、高能量（例如，~25MJ）的应用中不可接受，在定向能量应用中可能需要高速率、高能量。为解决这些或其它问题，本公开的实施例提供一种采用冰/水作为相变材料(PCM)并且在其冻结时不因冰的体积膨胀而经受破裂的热能存储式(TES)热交换器。所公开的实施例显著提高PCMTES热交换器的比能量密度和体积能量密度，从而减小经由热能存储采用负荷均衡的热管理系统(TMS)的大小和重量。将理解，本公开的实施例可以包括这里所描述的特征中的任何一个、多于一个或全部。另外，本公开的实施例可以另外地或替代性地包括这里未列举的其它特征。图1示出根据本公开的可以使用PCM热交换器的示例性热管理系统100。图1中所示的系统100的实施例仅用于图示。可以使用系统100的其它实施例、而不背离本公开的范围。本领域的技术人员将认识到，为简单和清楚起见，未在每一个图中明确示出一些特征和部件，包括结合其它图示出的那些。这样的特征（包括在其它图中示出的那些）将被理解成同样适用于系统100。将理解，图中示出的所有特征可以用于所述实施例中的任一者中。从特定图中省略特征或部件是出于简单和清楚的目的，并且并不打算暗示所述特征或部件无法用于结合所述图描述的实施例中。如图1中所示，系统100包括热源部件110、热交换器120和散热器部件130。热源部件110容纳热源112和管道114。热源112在使用期间连续地或短促地产生高水平的热能。热源112可以是多种产热源中的任一者，包括（但不限于）电子部件、激光器等等。由于热源112可以显著变化，因此未示出和描述热源112的细节。类似地，容纳热源112的热源部件110可以显著变化，并且可以表示热源112位于其中的任何合适结构。在一些实施例中，热源部件110可以表示陆地、海洋、天空或太空飞行器的区划（compartment）。虽然为简单起见，图1示出一个热源部件110和一个热源112，但是在一些实施例中，可以存在多个热源部件110和/或多个热源112。管道114接近热源112载运工作流体通过热源部件110。在系统100的操作期间，通过管道114的工作流体通过对流和传导与热源112交换热能。工作流体可以是适用于热管理系统中的任何流体。在一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 一种热交换器，包括：被构造成载运工作流体的至少一个管道；以及接近所述至少一个管道的一个或更多个腔室，每一腔室被构造成容纳在冻结时膨胀的相变材料(PCM)，其中，所述至少一个管道和所述一个或更多个腔室热耦合，用于所述工作流体与每一腔室中的所述PCM之间的热能传递，并且其中，每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着所述PCM在冻结时膨胀而变形以便增加所述每一腔室的体积。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.01 US 15/2256241.一种热交换器，包括：被构造成载运工作流体的至少一个管道；以及接近所述至少一个管道的一个或更多个腔室，每一腔室被构造成容纳在冻结时膨胀的相变材料(PCM)，其中，所述至少一个管道和所述一个或更多个腔室热耦合，用于所述工作流体与每一腔室中的所述PCM之间的热能传递，并且其中，每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着所述PCM在冻结时膨胀而变形以便增加所述每一腔室的体积。2.根据权利要求1所述的热交换器，其中：所述一个或更多个腔室包括第一行相邻腔室和第二行相邻腔室，并且所述顺应层安置在所述第一行与所述第二行之间。3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述PCM包括在冻结时膨胀的材料。4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述PCM包括冰/水。5.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述顺应层包括弹性体材料的固体层。6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述顺应层包括彼此间隔开的两个或更多个金属箔层。7.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述至少一个管道包括多个管道，每一管道接近对应的腔室安置。8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述一个或更多个腔室包括一行相邻腔室，所述热交换器进一步包括：多个金属翅片，每一翅片在两个相邻腔室之间形成壁，所述金属翅片被构造成促进所述工作流体与所述PCM之间的热能传递。9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，所述至少一个管道、所述腔室、所述顺应层和所述金属翅片共同形成单个热交换器层，所述热交换器包括两个或更多个大致相同的热交换器层。10.一种系统，包括：至少一个热源；至少一个散热器；以及被构造成从所述至少一个热源接收热能并且向所述至少一个散热器提供热能的热交换器，所述热交换器包括：被构造成载运工作流体的至少一个管道；以及接近所述至少一个管道的一个或更多个腔室，每一腔室被构造成容纳在冻结...

【专利技术属性】
技术研发人员：D阿尔特曼，NI马尼斯卡尔科，J巴尔杜奇，JD索尔，JG巴斯塔曼特，CO罗德里格斯，
申请(专利权)人：雷神公司，
类型：发明
国别省市：美国,US