潜热存储装置制造方法及图纸

一种潜热存储装置，其包括：容器；设置在容器内的相变材料； 至少一个与相变材料接触的热交换界面；至少一个在相变材料的本体 内延伸的石墨薄片片层。

【技术实现步骤摘要】

一种潜热存储装置。
技术介绍
相变材料(PCM)能够以潜热形式存储热能。这样的材料在供给或取出热量时可进行相变，例如从固相向液相(熔融)或从液相向固相(固化)的转变，或者低温与高温变换之间或水合与脱水变换之间或不同液态变换之间的转变。如果从相变材料供给或取出热量，则在达到相变点时，温度将保持恒定直至材料完全转变。不会导致材料中温度变化的在相变期间供给或释放的热量已知为潜热。在潜热存储装置中，可利用相变材料来存储潜热。该装置通过从穿过界面将热量释放至存储热量的相变材料内的介质传出热量(热能)进行注入，通过从相变材料、经界面将热量传递至被加热的介质来实现输出。获得或输出热量的介质例如可以为水或蒸汽，空气，氦或氮。热交换界面例如可以由获得或输出热量的介质通过的热交换管壁构成或由获得或输出热量的介质流过的热交换板构成。不利的是，大部分相变材料的热传导率均相当低(在0.2W/m*K～1.0W/m*K的范围内)。结果，潜热存储装置的注入和输出是较慢的过程。因此，为了减小热量必须在相变材料的本体内传递的距离，往往使与热交换界面相邻的相变材料层的厚度最小。例如，当经热交换管从相变材料传出热量或将热量传递至相变材料时，在管之间必需有小的距离，以便减小PCM层(必须通过该层，从热交换管传出热量或将热量传递至热交换管)的厚度。在为10～50毫米(mm)的管之间的代表性距离可以为大约50～80mm。由于需要管之间具有小的距离，因此，具有规定容量的储热装置所需的管数量变得相当大。由于大量的管会导致装置难以制造和处理并且很昂贵，因此，从技术和经济的原因考虑，其是非常不利的。通过提供一种使相变材料与具有高热传导率的辅助成分(例如，石墨)相组合的潜热存储装置，能够克服相变材料的低热传导率问题。美国公开文本No.2004-084658披露了一种潜热存储装置，该装置使用了一种潜热存储复合件，这种复合件包括相变材料和体积百分率为5～40％的膨胀石墨微粒，将潜热存储复合件的本体层引入带有热交换器轮廓的潜热存储容器。在整个潜热存储复合件中，石墨微粒被基本上均匀地分布。因此，不存在占优势的热传导方位。但是，希望能够朝向/从发生热交换的界面进行优选热传递，以便加强潜热存储容器的注入或输出。
技术实现思路
在一个实施例中，本专利技术涉及一种潜热存储装置，其具有至少一个设置在相变材料的本体内的石墨薄片片层，并且该相变材料由容器包围并与热交换界面接触。潜热存储装置可以提供相变材料的本体内的定向热传递和/或相变材料的本体内的局部增大的热传导率。石墨薄片的特征在于热传导率的显著各向异性。平行于所述薄片平面的特定热传导率比垂直于薄片平面的特定热传导率高出20～100倍。因此，石墨薄片非常适于热量的定向传递。因此，在潜热存储装置中，至少一个石墨薄片片层在石墨薄片和相变材料的总体积内的体积百分率可被保持得非常低。在潜热存储装置中，至少一个石墨薄片片层在石墨薄片和相变材料的总体积内的代表性体积百分率为最多20％，在另一实施例中，低于10％。在本专利技术一个实施例的潜热存储装置中，石墨薄片片层可紧固在热交换界面处，例如紧固在热交换管或板上。在该实施例中，石墨薄片片层倾斜于热交换界面设置。在文中的倾斜设置意味着热交换界面与石墨薄片片层之间的角度不为零，即片层不平行于热交换界面，而是相对于界面伸入相变材料的本体内。根据一个实施例，至少一个石墨薄片片层垂直于热交换界面。由于石墨薄片片层的这种结构，因此，平行于石墨薄片片层的导热性有助于热量从热交换界面向相变材料本体的传递，反之亦然。在相变材抖本身内，在石墨薄片片层附近，必须使热量仅沿相变材料层的一半厚度的短距离传递。这样，能够非常有效地促进相变材料的本体内的热传递，即使用于储热的整个体积内的石墨薄片片层的体积百分率非常小。更为特别的是，至少一个石墨薄片片层在石墨薄片片层和相变材料的整个体积中的体积百分率最多为20％，优选小于10％。根据本专利技术的另一实施例，所述至少一个石墨薄片片层可被设置为使得至少一个片层在不与热交换界面直接机械相连的情况下伸入相变材料的本体内。这种结构有助于在相变材料的离热交换界面更远的那些区域内进行热传导。另一方面，在热交换界面附近，由于到热交换界面的短距离，在相变材料内的热传递不太关键。可以将不与热交换界面接触的石墨薄片片层紧固在围绕相变材料的容器的内壁上。当然，可以结合所有变形，以使潜热存储装置例如设有多个与热交换界面接触并伸入相变材料的本体内的第一石墨薄片片层以及多个在相变材料的远离热交换界面的本体内延伸的第二石墨薄片片层。在各种实施例中，石墨薄片片层可采用平面形状。也可以采用之字形方式折叠这些石墨薄片片层或以类似波纹状铁片的方式使这些石墨薄片片层形成波纹状。作为可选择的方案，可以结合多个石墨片层以形成在相变材料的本体内延伸的非平面状结构。例如，可以以之字形链的方式设置多个石墨薄片片层。为了稳定石墨薄片片层的波纹形状或之字形状，可以沿石墨薄片片层边缘使用加强件，例如凸缘状或卷曲状金属或塑料条。在另一实施例中，石墨薄片片层设有多个允许熔融相变材料流过的穿孔。这样，能够减小或避免在相变材料熔化时因体积突然增大而产生的机械应力。石墨薄片片层可以在至少一个表面上设置类似球形圆块或扣环那样的凸起区域的结构。这些凸起起到分隔件的作用，并能在相变材料处于液态时防止片层在彼此上滑动。相反，由于凸起的分隔作用，因此始终会在容纳相变材料的相邻片层之间留下一定间隙。在一个实施例中，薄片中凸起区域的厚度与非凸起区域的厚度之间的比率为20∶1～5∶1。由于由凸起占据的空间对于相变材料不可用，因此凸起的面积必须保持较小。通过使用具有适当形状的压延辊能够制备具有一定表面结构的石墨薄片。根据本专利技术的一个实施例，预制包括石墨薄片片层和相变材料的复合件并将这些复合件设置在潜热存储装置内。特别优选地为由一个石墨薄片片层和一个相变材料层形成的层压制品(层压复合件)。通过将液态相变材料浇注至石墨薄片片层的表面上或石墨薄片片层的周围并允许相变材料固化，可获得这些复合件。必须利用相变材料填充石墨薄片片层周围的空间由模具或其它适当的装置限定。至少一个石墨薄片片层设置在模具内。例如通过融化或溶解在适当的溶剂中，能够将相变材料转变为液态，该溶剂之后会从复合件蒸发。可以采用在层压制品内，石墨薄片片层的体积百分率最多为20％，优选小于10％的量施加相变材料。该实施例的优点在于由于预制了复合件，因此，在潜热存储装置的组装期间，不必处理热液态相变材料。石墨薄片片层的预制可从例如美国专利No.3,404,061中获知。为了制造膨胀石墨，以类似冲击的方式，将石墨插层化合物或石墨盐(例如石墨硫酸氢盐或石墨硝酸盐)加热至800℃～1,000℃。随后，释放插层成分并使石墨颗粒的体积增大200～400倍。这种体积上的增大对应于容积密度从石墨盐常见的600～700克/立方厘米(g/cm3)降低至大约2～7克/升(g/l)。膨胀的石墨由蠕虫状或手风琴状集料构成。如果沿压力的作用方向压紧膨胀石墨，则石墨层平面最好垂直于压力的作用方向，同时，单个集料彼此勾挂。结果，可以制造出无需添加任意粘结剂就能自身支撑的平面薄片状结构(“石墨薄片”)。这样，能够制造出厚度为0.1～3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种潜热存储装置，其包括：容器；设置在所述容器内的相变材料；至少一个与所述相变材料接触的热交换界面；以及至少一个在所述相变材料的本体内延伸的石墨薄片片层。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：M·克里斯特，O·奥廷格，WD·施泰因曼，
申请(专利权)人：SGL碳股份公司，德国空间宇航中心，
类型：发明
国别省市：DE