[发明专利]相转变材料及其应用

说明书

本发明涉及以氢氧化锶八水合物或氢氧化锂-水合物为基质的相转变材料。本发明还涉及这些相转变材料的优选的使用范围。

在许多传热工艺中都用相转变材料作为贮热的部件。它们是各种有着某一熔点的物质，其熔点都介于传热过程的工作温度范围之内，以便它们加热时由固体相态转变为液体相态，冷却时又还原为固体相态，由此反复吸收和释放潜热（熔化热、各自的再结晶热）。对此，它们的加热曲线图表明，在最初上升曲线之后，在熔融温度的同一水平上有一温度平台（也是在传热工艺的工作温度范围内），它出现在完全熔融后而发生的温度再次上升之前。相反，在冷却时，它们在再结晶的温度水平上保持一段相应的时间，直至该潜热全部释放为止。由于同一物质的潜热所达到的值一般要比其比热大100至200倍，所以，与所谓热容性贮热物质（亦即这样的物质，在工作温度范围内，它们的聚集态不发生变化），相比，相转变物质的优点就在于该物质能在较窄的温度范围内，以相对较小的体积，贮存较大量的能量。

一般为了使单位体积的贮热空间达到最大的贮存容量，相变物质应具有尽可能高的熔融热焓，在这一点上，它尤其取决于体积（指相关体积）熔融比焓。除此之外，该物质还必须有循环耐久性，亦即固-液-固的相转变必须在长期多次条件下保持可逆重现性，还应不受各种化学反应、分离、结晶水分离或其它类似作用的影响。其它重要的标准还有固化行为（如亚稳态熔体的形成、相变时的体积改变量或结晶形式）和与构件材料的相容性、生理无害性和可投资性。确实有几种已知的相变材料，它们是以例如氢氧化物水合物、盐水合物、低熔点合金甚至有机化合物为基质的，但到目前为止已经证明，要寻找到以最佳方式能在各种用途中实现所有上述标准的相转变材料是很困难的。

相转变物质的典型用途是用在贮存有用热量的领域，如用于民用加热（如相应的太阳能集取器或热量泵等）或用于工业生产中，那些想贮存废热进行使用的部门，或必须将热量贮备保持在消费高峰时供应的部门。但也有其它更特殊的用途，例如将相变物质用于汽车预热器、人造卫星的热控制元件或诸如工业生产及地质钻探中的测量电子元件的热保护系统。在这些用途及其它用途中，一直要求一种改进的相转变材料，这一方面是由于目前所用的物质不足，另一方面还在于持续改进的不懈努力。特别需要相转变物质能在给定的体积范围内，贮存尽可能高的能量，其在体积基础上的贮存比容量应接近其物理极限。

以前的观点认为，在高至130℃的温度范围内，有机物质也和无机物质一样，估计其熔融热焓的最大能量密度同样也是最高为约300焦/立方厘米（见Dr.P.Kesselring，Zur        Energiedichte        im        Latentwaerme-speicher-einige        grundsatzliche        Ueberlegungen，German        VDI-Reports        Nr.288，1977）。但本人的研究则表明，纯粹从物理的角度来看，体积熔融比焓达到最大值是可能的，在任何熔融温度下，其值恰恰与该物质的熔融温度的开尔文温度值与稍大于2的常数的乘积近似，如，某一物质的熔融温度为85℃（相当于约358°K），则其熔融热焓可能达到约720-730焦/立方厘米的最大值。

氢氧化锶八水合物确实显示了这种“梦想值”，这在JP-A76-97584中连同氢氧化钡八水合物一起作为相变物质一并做了介绍。在该文献中，关于此物质的熔点有不同的论述，但已证明这是错误的。本人的检验结果表明，熔融温度为85.0℃时，此纯物质的熔融热焓为382焦/克、固态的比热为1.65焦/克/开尔文，液相的比热为3.2焦/克/开尔文。采用该文献中给出的其密度值1.91克/立方厘米，计算出其体积熔融比焓为730焦/立方厘米，固态体积比热为3.15焦/立方厘米/开尔文，液相为6.11焦/立方厘米/开尔文。到目前为止，在绝对零度至约250℃的整个温度范围内，未发现比此更高的单位体积值。

氢氧化锂一水合物是另一已知的近乎具有高熔融热焓的物质，由本人的测试测知，在106.8℃的熔融温度下，其值为465焦/克。采用上述文献中的密度值1.51克/立方厘米计算，其体积熔融比焓达到的近似极高值为702焦/立方厘米。