[发明专利]组合式泡沫金属芯材及采用它的相变蓄热装置

说明书

技术领域

本发明属于高效节能技术领域，涉及一种组合式泡沫金属芯材，采用所述组合式泡沫金属芯材的相变蓄热装置及其制备方法。

背景技术

随着地球上人口增加，生活水平不断提高，能源消耗也与日俱增，能源危机已成为当今世界面临的重大挑战，开发和利用先进的节能技术已显得尤为重要。蓄热技术可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑采暖与空调的节能等领域具有广泛的应用前景。

固液相变蓄热是利用相变材料在熔化或凝固过程吸收或放出相变潜热的特性进行热量储存和释放的方法，具有蓄热密度大、蓄热过程温度恒定、体积变化小、易于控制和管理等优点，已成为当前广泛应用的重要蓄热技术。但是固液相变蓄热在实际应用中受到了一定限制，这主要因为：一、固液相变材料在使用时需要用容器封装，这就涉及到容器材料与相变材料的相容性、容器结构的设计和制造等一系列问题；二、有机类相变材料热导率低，且具有可燃性。无机类相变材料容易产生过冷和相分离现象。

另外，相变材料内部产生空穴对相变蓄热装置的热效率和可靠性的影响一直被人们所忽视。事实上由于相变材料相变时的密度变化，其蓄热装置内必然产生空穴。空穴内热阻通常会增大数倍甚至数十倍，严重影响相变蓄热装置的导热性能。同时巨大的热阻会在空穴周围产生较大温度梯度和局部高温，即所谓“热斑”现象。热斑处的应力集中容易导致相变蓄热容器的热疲劳破坏。而在没有空穴的部位，与容器壁接触的相变材料受热熔化膨胀，由于被周围的固态相变材料和容器壁包围无法自由流动而挤压容器壁，使其产生变形甚至破坏，这就是“热松脱”现象。对于周期性工作的相变蓄热装置，“热斑”“热松脱”现象会大大降低容器结构可靠性，影响蓄热装置的使用寿命。尤其是高温相变蓄热装置，由于高温相变材料的相变体积收缩率通常较大，“热斑”“热松脱”现象对蓄热装置造成的影响更加严重。

目前人们常用以下几种方法来解决有机类固液相变蓄热材料导热性能差、热效率低的问题：(1)使用带肋片的容器；(2)在相变材料中填充金属粉末、石墨等粉末材料；(3)在相变蓄热容器中添加碳纤维、金属纤维和蜂窝铝等高导热材料；(4)采用复合相变蓄热材料。大量研究文献表明，上述方法都不同程度地提高了有机类蓄热装置的传热性能。

泡沫金属是20世纪80年代后期迅速发展起来的新型功能材料，以其独特结构而具有许多优异性能，已被广泛应用于各种高科技领域和一般工业领域。近年来人们开始利用泡沫金属改善相变蓄热装置的热效率。曹建光等通过实验证明了将泡沫铝组合放置于相变材料正十八烷中使得相变材料热导率从0.225W/(m·K)提高到4.05W/(m·K)，提高了约18倍(见：曹建光等.泡沫铝在相变储能装置中的应用[R].北京：卫星热控制技术研讨会论文集，2003：297-305)。余建祖等人将泡沫铜与有机相变材料组合成蓄能构件并应用于温控装置，改善了蓄能构件的蓄热效率和温控装置的温控精度(专利公开号：CN201107006Y)。

然而目前泡沫金属在相变蓄热装置中的应用仅限于改善中低温有机类相变蓄热装置的热导率，而且市场调研得知，目前市场上主要泡沫金属产品的厚度受生产工艺影响都在1-10mm内，这一缺陷极大限制了泡沫金属在大厚度尺寸相变蓄热装置中的应用。虽然市场上也出现了超厚泡沫金属，最大厚度达到70mm，但是超厚泡沫金属不仅造价高昂，而且灌装相变材料工艺性差，为其应用和推广制造了障碍。

针对固液相变蓄热技术在应用推广过程中的上述缺点和困难，本发明提供了一种组合式泡沫金属芯材，带有组合式泡沫金属芯材的相变蓄热装置及其制备方法。所提供的组合式泡沫金属芯材采用连续化带状泡沫金属材料或片式泡沫金属材料制作而成，解决了泡沫金属厚度对于其应用范围的限制，改善了灌装相变材料的工艺性，降低了制造成本。所提供的带有组合式泡沫金属芯材的相变蓄热装置根据蓄热装置的尺寸和所用相变材料的特性选择组合式芯材的材料和制作方式，针对性地解决不同类型相变材料的关键问题，从而适用于各种相变蓄热领域。所提供的制备方法具有适用性广、工艺简单、成本低廉的特点。

发明内容

本发明的第一个目的，在于提供一种组合泡沫金属芯材，以解决常规泡沫金属材料的厚度对其应用范围的限制。

本发明的第二个目的，在于提供带有组合泡沫金属芯材的相变蓄热装置，针对各类相变材料的特点改善相变蓄热装置的传热性能、蓄热效率及可靠性。

本发明的第三个目的，在于提供所述相变蓄热装置的制备方法。