[发明专利]储热单元

说明书

本发明公开了一种储热单元，至少包括单层封闭壳体。其中，封闭壳体具有至少一个换热面和非换热面，泡沫骨架填充在其内部空间中。相变介质均匀分布在泡沫骨架的空隙中，与泡沫骨架形成复合材料，以获得比单纯相变介质更高的导热系数。超声波发生装置发出超声波，诱导由形状记忆合金制成的振动颗粒产生振动，将液态相变介质的流态由自然对流或纯导热转化为强制对流，同时利用超声波的空化和声流效应提高液态相变介质的对流表面传热系数。采用本发明储热单元的设备可显著提高单位体积储热效率。

技术领域

本发明涉及一种高效储热单元，以及使用该储热单元的换热器。

背景技术

目前的储热器分为显热式与相变潜热式，其中固-液相变潜热式储热器以其高储热密度和稳定温控等优点，成为相变储热器的主流。相变换热过程主要以导热和对流换热为主，因此相变材料的导热性能以及对流特性至关重要。常见的相变材料导热系数极低，极大地限制了储热器的储热效率。专利CN104140786A通过在相变材料中添加纳米颗粒与高导热多孔材料以提高有效导热系数，可将相变材料的导热系数提高40％-50％。但是，此类方法强化换热效果不明显，其单位体积换热效率并没有得到大幅度提高。

专利CN102777874A提出了一种应用于相变储热器的储热器核心部件的改良结构，将石蜡填充在泡沫石墨骨架中。该设计可大幅度提高储热器的传热性能，等效导热系数达到了135W/(m.K)。虽然该储热器效果良好，但由于泡沫石墨的价格昂贵，且需要利用真空银钎焊与储热器吸热表面连接，造成此类储热器的成本极高。只能应用于军工或者航天等特殊领域，难以大规模推向市场。

专利JP3076847B1提出了一种应用于蓄热槽的改良结构，在蓄热槽内封装由金属、陶瓷、矿石等制成的固体片，在超声波的激发下，固体片可在蓄热介质中振动。该设计可将液态相变材料的流态由自然对流转化为强制对流，将热量快速传入相变介质内部。

发明内容

本发明的针对相变储热器换热效率低，相变材料导热性能差等问题，提供一种高导热、高换热效率的储热单元。该单元用于相变储热器等以热流体或高温火焰或辐射作为热源的换热设备中，将显著提高传热性能，降低制造成本。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

提供一种储热单元，至少包括单层封闭壳体。其中，封闭壳体具有至少一个换热面，泡沫骨架填充在封闭壳体的内部空间中；相变介质均匀分布在泡沫骨架的空隙中，与泡沫骨架形成复合材料，以获得比单纯相变介质更高的导热系数；振动颗粒由形状记忆合金制成，其被压制为条状后采用过滤法被填入泡沫铜骨架的空隙中；超声波发生装置发出超声波，诱导所述振动颗粒产生振动，将液态相变介质的流态由自然对流或纯导热转化为强制对流，同时利用超声波的空化和声流效应提高液态相变介质(6)的对流表面传热系数。

优选方案进一步包括如下任一技术特征:

所述单层封闭壳体的换热面和非换热面由相同的金属或非金属材料制成，其中非换热面外围包裹绝热材料；或者换热面和非换热面由不同材料制成，其中换热面材料的导热系数高于非换热面材料的导热系数。

所述泡沫骨架选用高导热系数的材料，可由高导热系数的金属(泡沫铜骨架或者泡沫铝骨架)或非金属材料(泡沫石墨骨架)制成，或者为高导热系数材料丝网(铜丝、不锈钢丝)。

所述相变介质由在一定温度下可发生相变化且至少有一相为液相，并吸收或释放潜热的材料制成。

所述振动颗粒的冷态形状可为枝状、环形、弧形或者十字架状。将其在常温条件下压制为条状后采用过滤法加入至泡沫骨架中，然后利用其高温变形能力，加热并冷却后恢复冷态形状，卡在泡沫骨架内部，保证所述振动颗粒的稳定性，防止其从所述泡沫骨架中脱落。

所述形状记忆合金颗粒的振动动力可由外界超声波、交变电磁场或电动机代替超声波发生装置提供，或可由所述振动颗粒自身提供。