[发明专利]基于相变材料的回热器及斯特林循环系统

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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-Paloma J,Martínez M,Cabeza L F,et al.Types,methods,techniques,and applications formicroencapsulated phase change materials(MPCM):A review[J].Renewable&Sustainable Energy Reviews,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。

发明内容

“相变材料”(PCM-Phase Change Material)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，本发明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。