专利名称：相变材料换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种换热器，该换热器包括根据逆流原理工作的回热换热器、在该回热换热器中的相变材料(PCM)焓蓄热器和/或利用文氏管现象 的涡流管。上述系统在夏天提供新鲜通风空气的预冷却和预干燥，在冬天提 供新鲜通风空气的预加热和预加湿。该系统也可在无通风的情况下使用。除 了建筑物之外，本发明可用于车辆、工业和商业的设备间，以及需要受控环 境条件的任何封闭隔间，例如在车间中和在诸如计算机和电信装备之类的设 备中用于冷却。除了空气或气体冷却外，所述换热器可适用于增强液体中的 热传递。
背景技术：
在全球范围，能量大量用于冷却，这与热能朝较冷物体传递的自然趋势 相反。随着气候变暖，冷却与除湿将需要更多的能量。传统的压缩机冷却是 一种需要高功耗/能量的方法。其中，吸收式冷却有效利用废热。基于塞贝克现象的热电单元将热转化为电，但其具有较高的生产成本，因此不适于需 要较大量能量的对象。除了建筑物、车辆和工业过程外，温度控制在例如计算机的发热装置中 也是至关重要的。通风是重要的，但通常不可能用于例如具有污染空气的场所中，例如街 道层面上的商店中。在诸如计算机冷却之类的许多应用中，通风是不必要的。在原先已知的P C M热储存器中，材料相变通常发生在固态与液态之间。 这种储存器通常在0- 100。C的温度范围内维持，因而适于连接至加热器和 冷却器用于短期能量储存。常用介质包括水/水、盐水、无机盐水合物、高分子量的饱和烃和脂肪酸。PCM储存单元与例如单独用于水的储存单元相 比具有尺寸小的益处，且不具有任何移动部件。PCM材料近来已经用于加热和冷却穿着服装用布。PCM储存器的一个缺点由于其较差的热传导性所 致。PCM储存器还可给定为板状形状。PCM储存器的放热形成了一个主要 问题，这是因为除非其首先完成放热，否则不能储存更多的热。因此，PCM 工作基于轮换充热和放热。PCM材料的一个优点是在小温差时工作。如果 室内外流通空气的温度相同，当然不会发生相变。建筑物中的冷却要求取决于三个要素由室外空气、室内空气和通风所 致的热负荷。根据逆流原理工作的热回收(heat recovery )已被证实比根据 顺流工作的系统产生更高的效率(例如参见7,059,385 )。在回热(regenerative ) 系统中，热被有效储存在热回收单元中。在蓄热式(recuperative)横流板换热器中，空气流不反转，因此，空气 流不能理想地与PCM储存器相互作用，也不能理想地与回热旋转热回收单 元相互作用。基于逆流原理工作的静止、回热和蓄积储存单元系统简单且有效。所述 单元系统可由例如铝或铜之类的任何具有高热储存量(热容量)的材料制成。 此外，可使用一个旋转型回热换热器，其在两逆(空气)流之间交替旋转以 替代两个热交换单元，不过其效率较低而且结构相当复杂昂贵。原先已知的涡流管或类似装置利用文氏管现象。参见Wikipedia http:〃en.wikipedia.org/wiki/Vortex tube。涡流管具有一个入口以及在管的相 对端处设置为垂直于该入口的第一和第二出口 。例如空气之类的可压缩流体 进入入口 ，加热后的空气从第一出口排出，而冷却后的空气从第二出口排出。 涡流管没有移动部分。例如，如果21。C的空气进入入口 ，则76。C的空气可 从第一出口排出，而-34。C的空气可从第二出口排出。作为涡流管的替代，可使用例如压缩机的传统技术形成温差，但是效率 较低。如果单独使用涡流管，则其容量对冷却/加热大空间通常不经济。在专利DE3825155、 US4407134和公开的美国申请US2002073848中，提到涡流管作为分立装置用于在一侧产生冷气流并且在另一侧产生热气流。 所述管也未连接至具有或不具有PCM的任何换热器，这是因为，其连续的 工作原理不允许涡流管与如在本发明中所述的间歇性工作的设备连接。在EP1455157中提到，PCM仅作为热储存介质，但并未连接至外部涡流管， 这与本发明不同。发明内容本发明的目的为形成回热换热器，这种回热换热器可用于大多数情况， 甚至是外不流体不可用的情况；特别是，可用于输出与输入流体的温差不足 以确保PCM相变效应的情况。本发明可适用于空气、其他气体和液体间的热传递。潜热无法随着温度增加而被察觉，这是由于潜热是物质从一物理状态至 另一物理状态(例如，从水到水以及从水至水蒸气)所需的能量。这样的状 态转变可能是吸热的，即，它们结合(吸收)热能，或者可能是放热的，即， 它们释放热能。因此，例如，水进行蒸发所需的能量在水蒸气重新凝结为液 态水的形式时被释放。才艮据本发明， 一个PCM蓄热器添加至至少一个热回收单元，当空气流 方向反转时，储存在蓄热器中的热被释放。每个蓄热器和热回收材料连接， 使得热传递尽可能有效进行。这对于基于湿气凝结和蒸发的空气和气体处理 是重要的。应指出的是，使用热回收材料对于液体处理并不那么重要。所述 设备包括两个焓回收单元，其中，流体流方向交替反转。涡流管可位于所述 设备的第一端，热/冷流体从所述涡流管从第一出口引出通过一腔至PCM。 同时，来自涡流管的第二流从第二出口被引出至第二 PCM (如果存在)或 至外空间。根据本发明，对于换热器，PCM的初始相变根据排出涡流管的空气的 温度快速形成。当相态改变时，关断涡流管，例如，可根据温度调节涡流管， 而且不再需要涡流管工作。存在许多方式使用涡流管的热、冷流；即，加热后的空气或冷却后的空气可引导至装置的出口或入口 。使用何种方式取决于 经济情况。来自涡流管的第二出口的流可引向所述单元。否则，所述流引出 至外空间，或引出以加热或冷却其他物体，例如水。来自第一出口的流引导至其中设置有PCM的所述装置的换热器。在第二循环中，第一流的冷或热 的流体可引导通过其他换热器/PCM。未引导通过换热器/PCM的流可引导至 外空间。空气然后变热或变冷。因而通过涡流管快速有效地形成温差。PCM蓄热器材料适用于特定的温度范围。空气调节单元可用于冷、暖 的室外环境。因此需要若干PCM蓄热器材料。另外，例如，排气热泵在冷 环境中不能有效工作。使用上述涡流管作为预加热器/冷却器时，由于涡流 管而使得输入流体的温度在进入PCM蓄热器材料前非常稳定并最佳，因此， 仅需要很少的PCM蓄热器材料。涡流管例如可位于所述装置的两端或位于换热器与P C M之间的中部。 在权利要求1中更准确地论述了相变换热器装置。根据本发明，涡流管在室内外空气的温差不足以形成PCM相变的情况 下可与通风装置一起使用。本发明的系统具有更高的效率，其性能系数(COP)可达到9.0,高于 传统冷却设备的COP平均值2.7。本发明的季节能量效率比(SEER)由于 在冬天不冻和在夏天不蒸发而相对更平稳。本发明显著地降低了冬天和夏天 的电力峰值负荷。这对于经常缺乏足够电力的国家，例如中国，是非常重要 的问题。本发明的设备便宜，较安静，轻，便于维护，并且不包含有害物质。 根据本发明，所述装置仅需三个风机工作，即，两个用于使空气/流体 再循环或通风(容量大致相等的两个风机/泵需要平衡流体流并避免压力下 降)，而一个用于涡流管。能源使用很低，因而电连接功率需求也较低。这 有可能在例如运输容器和远程电信基站中使用诸如太阳电池板的低功率电 源。车辆的压缩机从动冷却器需要引擎在使用压缩机时运转。因而即使车辆未移动也使空气被污染。根据本发明，如果引擎不工作，则内空气冷却可能 具有低功率消耗。在例如潜水艇或洁净室的封闭隔离环境中，当新鲜空气的 供给无法实现时，低噪声水平是另外的基本要求。这种低噪声水平可通过本 发明实现。在传统通风中，热回收装置和冷却器具有较长的投资回收(payback) 期。除了初始成本外，传统的使用室外空气的热回收通风装置和热泵在温度 低于零摄氏度时在没有额外的外部能量的情况下不能工作。室内空气热泵在 室外空气暖于室内空气时也是无用的。因此，这种装置每年均具有非常短的 工作期(冬天或夏天，但不是全年)。如果需要将这两个系统与空气干燥器 或加湿器一起使用，则成本将会更高。根据美国热区及其平均电费计算，本 发明的通风装置可具有不到一年的投资回收期。其良好的季节性能因数 (SPF)是因为，所述设备在冬天和夏天均工作，因而每年长期使用，即实 际上全年一直使用。
本发明在下文中通过实例并参照附图进行说明，其中 图1是本发明的PCM换热器装置的示意图，其中显示其流体流，和 图2是满流管的示意图，其中图示根据本发明用于不同工作温度的流体 流和换热器和相变材料。
具体实施方式
如图1可见，根据本发明的PCM换热器装置包括根据回热(regenerative) 逆流原理工作的至少两个回热换热器单元la和lb，通过所述换热器单元， 空气、气体或液体流按照交替且轮换反转的相反的流动方向被引导进出所述 装置。空气流如箭头22和24所示。实线箭头22显示一种循环中的空气流， 而虚线箭头24显示第二种循环中的空气流。在单元la和lb中的空气流的 方向改变可通过已知技术设备实现，例如，换向器、风机、反射器、风门片、或转轮换向器。这些用于改变单元la和lb中的空气流方向的已知技术设备，通过部件26a和26b示意性显示。可替代地，作为对两个单元的空气流的变例，可使用单一的旋转型回热 换热器，但效率不如两个换热器好。换热器(单元)la、 lb互相靠近或紧邻放置并且分开，以防止这些流 的混合以及过度热传导。由某些相变材料制成或包含某些相变材料的一个或 多个单位，即PCM蓄热器(accumulator) 2、 3,安装在换热器la、 lb中。 当热流体进入其中一个单元(例如la)时，热流体将其能量(焓)传递到该 换热器单元la,并可改变PCM蓄热器2中的材料的状态。这导致流动流体 的温度改变。换热器可由例如铝或铜之类的高导热材料制成，该高导热材料 优选地还具有高热容量。换热器la、 lb可处于所述装置的中部。换热器la、 lb通过壁30互相隔开并且通过壁31、 32与所述装置隔开，壁31、 32处于 所述单元的两端并具有用于所示空气流的开口。 PCM蓄热器2、 3可被设计 为产生足够的移动流体紊流。当蓄积了来自进入流体的足够热量时，或者 PCM蓄热器2、 3产生相变时，流体流的方向反转，使得较冷的流体在经过 暖的单元la、 lb时被加热，反之亦然。如果在先前循环中的热量已经由于 相变效应被储存，则热量也从PCM蓄热器2或3释》文到流体流中。循环工作尤其可根据温度最优化。在空气流的情况下，在此循环中包含在空气中的水蒸气凝结在相应单元的表面上，在随后的循环中，水蒸气通过 蒸发返回至空气中。蒸发水蒸气所需的能量从所述单元和PCM蓄热器2或 3供给，空气因此冷却，PCM蓄热器2或3产生相变，例如从液态至固态。 在此后的循环中，热空气在到达冷的单元和PCM蓄热器2或3时被冷却， 在循环结束时，该冷的单元#:加热，而且PCM蓄热器2或3再次产生相变， 现在从固态至液态，从而导致气流方向再次反转。因此，可设置在不同温度 范围的多个PCM蓄热器2、 3,即，当一蓄热器停止时另一蓄热器开始工作， 或者， 一蓄热器工作在冷环境中，而另一蓄热器工作在暖环境中。PCM蓄 热器2、 3可仅在其中一个换热器单元中设置；然而，如果在每一个换热器单元la、 lb中均具有至少一个PCM蓄热器2、 3,使得当一蓄热器放热时 另一蓄热器连续充热，则能够实现更高的效率。还可通过使用另外的液体循 环系统(副回路)使热量充入到PCM蓄热器2、 3中或从PCM蓄热器2、 3 中放出，从而允许热量用于其他目的，例如水加热。本发明不仅适合于建筑 物和车辆，而且适用于工业过程和例如计算机、电动器件等装置中的热管理。所述PCM蓄热器利用潜热。另一方面，相变需要许多能量。此温差/ 热通过具有中空管的涡流管6-8形成/增强。所述涡流管可位于流体密封腔 4中，或位于单元la和lb之间的区域(腔)4，中。压缩空气被沿切向引导 至入口 40而进入涡流管6-8中。暖空气>^人第一出口 42排出，而冷空气/人 第二出口44排出。流体流加热或冷却单元la、 lb和相关的PCM蓄热器2、 3。在此过程中未使用的来自涡流管6-8的流可引导至外空间50,或者， 所述未使用的流可用于冷却/加热例如水。而且，来自涡流管6-8的其他流 也可用在此过程中。通常，在装置中仅使用一个涡流管6-8。例如，如图2所示，2rC的空气9通过风^几/压缩机/泵52(压力为6-7 巴)在入口 40被引导至一个涡流管6-8中。来自所述涡流管的第一出口 42的流动流当其进入换热器单元lb中时为+76匸的流12。 PCM蓄热器3 处于固态。当暖流体流过换热器单元lb和PCM蓄热器3时，PCM蓄热器3 产生从固态至液态的相变。当流体流出换热器单元lb时，其温度已经下降 至+ 32。C而形成流13。热能和焓;陂吸收到例如铝或铜的热回收材料中和 PCM蓄热器材料3中。另一PCM蓄热器2由于在不同温度范围内工作，因 而对此温度没有反应。来自所述涡流管的第二出口 44的流动流在出口 44是 温度为-34。C的流10。这一侧的结构与如前所述的在涡流管的另一侧上的 结构是类似的，其不同之处在于，PCM蓄热器材料2由于冷流体10而产生 从液态至固态的相变。在此过程中，流体温度从-34。C增加至+ l(TC。 PCM 蓄热器2已释放在先前循环中储存的热能。另一PCM蓄热器3由于此温度 不适于其相变而不起作用。(PCM),即，利用熔化潜热。用于材料相变的能量被称为潜热。本发明使用(吸收)热，以同时产生两种相变，即，在涡流管6-8的第一出口 42例如乂人固态至液态2，而同时 在涡流管6-8的第二出口 44从液态至固态3。另外，本发明利用在换热器 la、 lb的表面上的凝结和蒸发过程中的湿态相变。由此，本发明的效率很高。当这些相变已发生时，通过换热器l的流动反转。此外，必须改变涡流 管6-8的流10、 12。这可通过如下方式实现，例如，通过使用阀、管道或 板将流动流体导入换热器1中(见虚线箭头56)，或者通过利用轮换使用 的若干不同涡流管7、 8(当一管接通时，另一管关断，反之亦然)，或者 单一的涡流管7可按照例如180度的增量旋转。反转过程释放与先前所吸收能量相同量的能量。由于材料的相变(潜热)比加热或冷却需要明显更多的能量，因此本发 明的目的在于，尽可能接近相变点或相变温度工作。换句话说，本发明迫使 PCM蓄热器2、 3在特定时间段内尽可能多次改变其状态。一旦室内外的空气/气体/流体的温差足以产生可用的材料相变，则涡流 管6- 8可关断。另一方面，使用涡流管6-8能够在室内外环境的温差不足以产生相变 发生时使用本发明，或者说，目的不是为了利用温差。在流体在根据本发明 在空间中再循环的情况下，流体变暖或冷却。对于空气而言，不存在通风， 本发明仅为加热器/冷却器。尽管已显示并描述和指出本发明的应用于其优选实施例的基本新特征， 但本领域技术人员应理解的是，在不脱离本发明的精神的情况下，可在所述 装置和方法的形式和细节上进行各种省略和替换和改变。例如，明显的是， 以基本相同的方式执行基本相同的功能从而实现相同效果的元件和/或方法 步骤的所有组合，处于本发明的范围内。此外，应认识的是，结合本发明的 任何公开形式或实施例所显示和/或所描述的结构和/或元件和/或方法步骤， 作为设计选择的通常方案可包括在任何其他公开的或描述的或建议的形式或实施例中。因此，本发明仅由在此所附的权利要求的范围所示进行限定。 此外，在权利要求中，装置加功能的表述意在覆盖在此所述的执行所述功能 的结构，不仅包括结构等同设置，而且也包括等同结构。因此，尽管钉子和 螺钉可能不是结构上的等同物(这是由于钉子采用柱表面将木制部件紧固在 一起，而螺钉采用螺旋表面)，但在固定木制部件的情况下，钉子和螺钉可 为等同结构。
权利要求
1. 一种相变材料换热器装置，包括至少第一和第二换热器单元(1a，1b)，每个换热器单元的尺寸适于使流体流通过，流体流的方向在每个单元内交替反转并且保持相反，所述第一和第二换热器单元(1a，1b)中的至少一个包括相变材料(PCM)蓄热器(2，3)，涡流管(6，7，8)，其具有入口(40)、第一出口(42)和第二出口；和流体密封腔(4，4’)，所述涡流管(6，7，8)位于所述流体密封腔中，其中，来自所述涡流管(6，7，8)的出口(42，44)的两个流体流通过所述第一和第二换热器单元(1a，1b)及位于所述换热器单元中的任何相变材料(PCM)蓄热器(2，3)而至空间或外空间。
2、 如权利要求1所述的相变材料(PCM)换热器装置，其特征在于， 当来自所述装置的流体流与到达所述装置的流体流的温差足以使所述相变 材料(PCM)蓄热器(2， 3)工作时，所述涡流管(6, 7， 8)停止工作。
3、 如权利要求1所述的相变材料(PCM)换热器装置，其特征在于， 多个轮换工作的相变材料(PCM)蓄热器(2,3)设置在各自对应的单元中。
4、 如权利要求1所述的相变材料(PCM)换热器装置，其特征在于， 当任何换热器单元(la， lb)包括所述相变材料(PCM)蓄热器(2， 3)时， 所述装置最有效。
5、 如权利要求3所述的相变材料(PCM)换热器装置，其特征在于， 所述蓄热器(2, 3)中至少一些蓄热器具有不同的工作温度范围。
6、 如权利要求1所述的相变材料(PCM)换热器装置，其特征在于， 所述相变材料(PCM)换热器单元(la， lb)的尺寸适用于下述之一建筑 物、车辆、潜水艇、飞机、运输容器、计算机、低温装置、空间技术设备， 和超临界二氧化碳应用装置。
7、 一种设备，包括至少一个涡流管(6， 7， 8)，其具有入口、第一出口和第二出口，所 述涡流管位于流体密封腔中，使得来自所述涡流管的第一出口的第一流体流 被引导通过来自所述设备外的相变材料蓄热器，同时，来自所述涡流管的第 二出口的流沿相反的方向被引导至另 一 换热器单元。
8、 如权利要求7所述的设备，其中，来自所述涡流管的第二出口的流 被引导至所述设备外部。
9、 如权利要求7所述的设备，进一步包括位于第二换热器单元中的 至少第二相变材料蓄热器，其中来自所述涡流管的第 一 出口的第 一流体流被 交替地引导至第一换热器单元中的相变材料蓄热器和第二换热器单元中的 相变材料蓄热器。
10、 如权利要求9所述的设备，其中，所述涡流管的第一出口的交替流 体流，通过与所述涡流管的第一出口关联的管道或板，相对于所述第一和第 二换热器单元中的相变材料蓄热器交替地定位。
11、 如权利要求9所述的设备，其中，所述涡流管的第一出口的交替输 出，通过将所述涡流管交替地旋转180。相对于所述第 一和第二换热器单元中 的相变材料蓄热器定位。
12、 如权利要求9所述的设备，进一步包括第二涡流管，其位于所述 流体密封腔中，使得来自所述第二涡流管的第一 出口的第一流体流被引导通 过与所述第二换热器单元关联的相变材料蓄热器，其中所述第一和第二涡流 管轮换地接通和关断，使得在任何给定时间，只有一个涡流管的来自其第一 出口的5庇体流进4亍流动。
13、 如权利要求7所述的设备，其中，使用单一的旋转型回热换热器单 元来替代所述第一和第二换热器单元，所述旋转型回热换热器位于冷、暖流 体流之间，使得流体流不能交替地反转，并使得当所述回热换热器单元旋转 时，来自所述涡流管的第 一 出口的第 一 流体流通过所述相变材料蓄热器。
全文摘要
本发明涉及一种相变材料(PCM)换热器装置，其包括根据回热逆流原理工作的换热器单元(1a，1b)，设置在换热器单元中的相变材料(PCM)蓄热器(2，3)和涡流管(6，7，8)。当空气、气体和液体的流动方向在设备中轮换反转时，能量回收至换热器单元和PCM蓄热器中，而在随后的循环过程中，能量从换热器单元和PCM蓄热器释放。当一个换热器单元和PCM蓄热器充热时，另一换热器单元和PCM蓄热器同时放热。来自涡流管的冷/热流用于增强/形成所需的温差。本发明可适用于建筑物、车辆、环境控制室、例如计算机之类的单个设备或多个设备，并适用于各种过程，例如但不限于，低温方法，且适用于空间技术和超临界二氧化碳应用。
文档编号F28DGK101283231SQ200680037758
公开日2008年10月8日 申请日期2006年10月10日 优先权日2005年10月10日
发明者卡里·莫伊拉拉, 迈克尔·盖斯科 申请人:Mg创新公司