采用相变材料的热存储式热交换器结构的制作方法

本公开总体涉及热存储式热交换器。更具体来说，本公开涉及采用冰/水作为相变材料的热存储式热交换器结构。

背景技术：

热交换器在热能（通常简称为“热”）必须从一个位置移动到另一位置的系统中具有广泛应用。类似地，热能存储式(tes)热交换器广泛用于临时存储多余热能，并且稍后释放所述能量。这具有热“负荷均衡”（工作循环平均）的益处，从而减少必须耗散的热负荷。在许多tes热交换器中，相变材料(pcm)（例如石蜡）因其稳定性和高热存储能力而用作热交换器中的热存储材料。

技术实现要素：

本公开提供一种使用热存储式热交换器结构的系统和方法，所述热存储式热交换器结构采用在冻结时膨胀的相变材料(pcm)（例如冰/水）。

在第一实施例中，一种热交换器包括被构造成载运工作流体的至少一个管道。所述热交换器还包括接近所述至少一个管道的一个或更多个腔室，每一腔室被构造成容纳在冻结时膨胀的相变材料(pcm)。所述至少一个管道和所述一个或更多个腔室热耦合，用于工作流体与每一腔室中的pcm之间的热能传递。每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着pcm在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积。

在第二实施例中，一种系统包括至少一个热源、至少一个散热器以及被构造成从所述至少一个热源接收热能并且向所述至少一个散热器提供热能的热交换器。所述热交换器包括被构造成载运工作流体的至少一个管道。所述热交换器还包括接近所述至少一个管道的一个或更多个腔室，每一腔室被构造成容纳在冻结时膨胀的pcm。所述至少一个管道和所述一个或更多个腔室热耦合，用于工作流体与每一腔室中的pcm之间的热能传递。每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着pcm在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积。

在第三实施例中，一种方法包括使工作流体移动通过热交换器中的至少一个管道。所述方法还包括使热能从pcm传递到工作流体，pcm安置在接近并且热耦合到所述至少一个管道的一个或更多个腔室中的每一者中，所述pcm被构造成在冻结时膨胀。每一腔室的一个壁由顺应层形成，所述顺应层被构造成随着pcm在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积。

本领域技术人员从以下附图、描述和权利要求可以容易地显而易见到其它技术特征。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在结合附图参考以下描述，其中：

图1示出根据本公开的可以使用相变材料(pcm)热交换器的示例性热管理系统；

图2示出根据本公开的pcm热交换器；

图3示出在顺应层变形的状态下图2的pcm热交换器；并且

图4示出用于使用根据本公开的pcm热交换器的示例性方法。

具体实施方式

下文描述的图1至图4以及用于描述此专利文献中的本公开的原理的各种实施例只是为了图示，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域的技术人员将理解，本公开的原理可以在任何类型的适当布置的装置或系统中实现。

现有热存储式热交换器通常使用各种石蜡作为潜在热存储材料。石蜡具有高熔化焓(200-280kj/kg)、稳定、化学良性，并且展现可重复熔化和凝固行为；然而，由于其低热导率(0.1-0.4w/mk)，需要pcm热交换器中的大量热散布结构以实现进出pcm的热传递。石蜡还具有相对低的密度(700-900kg/m³)，并且因此相对于其它已知有机和无机pcm需要更大体积的材料。一般来说，高热率(>30kw)基于石蜡的pcm热交换器分别限于大约50-70kj/kg和50-70mj/m³的比能量密度和体积能量密度。对于重量和体积分配有限的某些应用（例如，新兴定向能量应用），这些数字是不可接受的低。

为解决石蜡的热限制，一些热交换器系统已经提出使用冰/水作为pcm。使用冰/水作为pcm的益处源自其有利热物理性质。例如，与石蜡相比，冰/水具有更高的熔化焓(334kj/kg)、密度(1000kg/m3)和导热率（0.6w/mk（液体）、2.2w/mk（固体））。对于将需要制冷或可进入极低温散热环境的系统来说，冰/水也特别有利。然而，冰/水也是独特的（相对于大多数其它已知pcm），因为水在冻结时膨胀。冰/水pcm热交换器必须被设计成适应此膨胀，同时通过与热交换器包封和热散布结构紧密接触而维持有效热传递。对常见pcm（例如石蜡）有效的典型板/翅片pcm热交换器设计以刚性封装件为特征并且不适于冰/水pcm，因为封装件的壁将因冻结而破裂。

使用冰/水作为pcm的一些设计已经在散热器（与热交换器相反）应用中示出出潜力。然而，这些设计不适于需要来自/到达液体工作流体的高热传递速率（例如，数百千瓦）的tespcm热交换器，正如许多军事定向能量应用的情况一样。这是因为与使热传递进出冰/水pcm相关联的设计结构、系统构造和相对高的传导热阻。类似地，其它冰/水pcm热交换器结构设计以与使热进出冰/水pcm相关联的高对流和传导热阻为特征。虽然这些设计可以适用于低速率传递（数十kw）、相对小的能量（例如，5mj）的应用中，但是这样的设计在高速率（例如，>100kw）、高能量（例如，~25mj）的应用中不可接受，在定向能量应用中可能需要高速率、高能量。

为解决这些或其它问题，本公开的实施例提供一种采用冰/水作为相变材料(pcm)并且在其冻结时不因冰的体积膨胀而经受破裂的热能存储式(tes)热交换器。所公开的实施例显著提高pcmtes热交换器的比能量密度和体积能量密度，从而减小经由热能存储采用负荷均衡的热管理系统(tms)的大小和重量。

将理解，本公开的实施例可以包括这里所描述的特征中的任何一个、多于一个或全部。另外，本公开的实施例可以另外地或替代性地包括这里未列举的其它特征。

图1示出根据本公开的可以使用pcm热交换器的示例性热管理系统100。图1中所示的系统100的实施例仅用于图示。可以使用系统100的其它实施例、而不背离本公开的范围。本领域的技术人员将认识到，为简单和清楚起见，未在每一个图中明确示出一些特征和部件，包括结合其它图示出的那些。这样的特征（包括在其它图中示出的那些）将被理解成同样适用于系统100。将理解，图中示出的所有特征可以用于所述实施例中的任一者中。从特定图中省略特征或部件是出于简单和清楚的目的，并且并不打算暗示所述特征或部件无法用于结合所述图描述的实施例中。

如图1中所示，系统100包括热源部件110、热交换器120和散热器部件130。热源部件110容纳热源112和管道114。热源112在使用期间连续地或短促地产生高水平的热能。热源112可以是多种产热源中的任一者，包括（但不限于）电子部件、激光器等等。由于热源112可以显著变化，因此未示出和描述热源112的细节。类似地，容纳热源112的热源部件110可以显著变化，并且可以表示热源112位于其中的任何合适结构。在一些实施例中，热源部件110可以表示陆地、海洋、天空或太空飞行器的区划（compartment）。虽然为简单起见，图1示出一个热源部件110和一个热源112，但是在一些实施例中，可以存在多个热源部件110和/或多个热源112。

管道114接近热源112载运工作流体通过热源部件110。在系统100的操作期间，通过管道114的工作流体通过对流和传导与热源112交换热能。工作流体可以是适用于热管理系统中的任何流体。在一些实施例中，工作流体是乙二醇和水的混合物。虽然在图1中示出单个管道114，但是管道114可以实际上表示平行、按网格图案或按任何其它合适构造载运工作流体的多个管道。在操作的一个特定方面中，热源112产生短促的热能，并且管道114中的工作流体通过吸收从热源112传递到管道114的热能来冷却热源112。在操作的另一方面中，热源112可以处于闲置模式或另一非产热模式中，并且管道114中的工作流体可以通过管道114使热能传递回到热源112。

散热器部件130包括散热器132和管道134。散热器132可以表示用于最终将热能传递出系统100的散热器。在一些实施例中，散热器132可以是大气、大量水或另一合适的散热器介质，其可以是气体、液体或两相流体。由于散热器132可以显著变化，因此未示出和描述散热器132的细节。类似地，包括散热器132的散热器部件130可以显著变化，并且可以表示散热器132位于其中的任何合适位置或结构。虽然为简单起见，图1示出一个散热器部件130和一个散热器132，但是在一些实施例中，可以存在多个散热器部件130和/或多个散热器132。

管道134接近散热器132载运工作流体通过散热器部件130。在系统100的操作期间，通过管道134的工作流体通过对流和传导将热能传递到散热器132。工作流体可以是适用于热管理系统中的任何流体。在一些实施例中，工作流体是乙二醇和水的混合物。虽然在图1中示出单个管道134，但是管道134可以实际上表示平行、按网格图案或按任何其它合适构造载运工作流体的多个管道。

热交换器120是使用pcm（例如冰/水）作为热能存储材料的热能存储式(tes)相变材料(pcm)热交换器。热交换器120包括pcm腔室122和管道124。热交换器120经由包括管道114、124、134的工作流体回路140与热源部件110和散热器部件130热耦合。即，热能可以由通过回路140的工作流体在热源部件110、热交换器120和散热器部件130之间传输。

pcm腔室122保持pcm。管道124接近pcm腔室122载运工作流体通过热交换器120。在系统100的操作期间，通过管道124的工作流体通过对流和传导与pcm腔室122交换热能。虽然在图1中示出单个pcm腔室122，但是大多数pcm热交换器包括多个pcm腔室，并且pcm腔室122可以表示热交换器120中的任何合适数目个pcm腔室。类似地，管道124可以实际上表示平行、按网格图案或按任何其它合适构造载运工作流体的多个管道。

在操作的一个方面中，由热源112产生的热能传递到管道114中的工作流体。所述工作流体通过回路140将热能载运到热交换器120中的管道124。在热交换器120中，至少一些热能通过对流和传导从管道124中的工作流体传递到pcm腔室122中的pcm。热交换器120中的pcm能够存储热能，直到其可以通过热能传递沿相反方向释放回到管道124中的工作流体。此时，热能从pcm腔室122中的pcm传递到管道124中的工作流体。所述工作流体通过回路140将热能载运到散热器部件130中的管道134。在散热器部件130中，至少一些热能从管道134中的工作流体传递到散热器132。

根据本公开，热交换器120中的pcm为冰/水。当热能从管道124传递到pcm腔室122时，pcm随着所述pcm吸收热能而从冰变为水。类似地，当热能从pcm腔室122传递回到管道124时，pcm从水变为冰并释放热能。热交换器120包括许多有利特征以适应冰在其冻结时的体积膨胀，如下文更详细描述的。

虽然图1示出其中可以使用pcm热交换器的热管理系统100的一个示例，但是可以对图1作出各种改变。例如，虽然热源部件110、热交换器120和散热器部件130示出为分开的，但这只是为了图示清楚起见。在一些实施例中，部件110、120、130中的两者或更多者可以彼此接触，或者部件110、120、130中的两者或更多者可以是相同结构的一部分。而且，系统100的构成和布置仅用于图示。可以根据特定需要按任何其它构造添加、省略、组合或放置部件。

图2示出根据本公开的pcm热交换器200。pcm热交换器200可以表示图1的热交换器120（或由其表示）。图2中所示的pcm热交换器200的实施例仅用于图示。可以使用pcm热交换器200的其它实施例，而不背离本公开的范围。

pcm热交换器200是热能存储式(tes)热交换器并且基于标准板/翅片热交换器架构；已经证明这样的架构最大化性能重量比（每千克热交换器质量耗散的kw）。所述pcm热交换器包括多个热交换器层202。层202可端对端、边对边或按两种方式堆叠，并且允许pcm热交换器200模块化和可缩放两者以增加能量传递速率和能量存储能力。虽然图2示出pcm热交换器200中的三层202，但是在其它实施例中，pcm热交换器200可以包括多于或少于三层202。

每一层202包括一个或更多个工作流体管道204a-204n、多个pcm腔室206a-206n和208a-208n、顺应层210以及多个翅片212。

工作流体管道204a-204n是工作流体流动通过以用于热能传递的通道。工作流体管道204a-204n彼此相邻并且紧密接近pcm腔室206a-206n和208a-208n来布置。图2仅示出每一工作流体管道204a-204n的横截面。即，每一工作流体管道204a-204n是细长管道，其至少一部分大致垂直于图2中的页面平面。

工作流体管道204a-204n平行布置，并且输入和输出工作流体，其是热管理工作流体回路（例如图1的回路140）的一部分。工作流体管道204a-204n可以表示图1的管道124（或由其表示），并且具有相同或类似的结构和操作。工作流体管道204a-204n的壁可以是金属，例如铝、钛、铜、不锈钢或具有有利热传递性质（例如，良好热导率）的任何其它合适材料。工作流体可以是适用于热管理系统中的任何流体。在一些实施例中，工作流体是乙二醇和水的混合物。

pcm腔室206a-206n和208a-208n是基本上填充有冰/水的封闭贮存器，冰/水是pcm热交换器200的pcm材料。如图2中所示，pcm腔室206a-206n和208a-208n按可堆叠行布置，其中第一行pcm腔室206a-206n与第二行pcm腔室208a-208n由顺应层210分开，顺应层210形成每一pcm腔室206a-206n和208a-208n的一个壁。每一行中的pcm腔室206a-206n和208a-208n彼此相邻，并且相邻腔室可以具有共同的壁。每一pcm腔室206a-206n和208a-208n的壁（除了由顺应层210形成的壁以外）可以是金属，例如铝、钛、铜、不锈钢或具有有利热传输性质的任何其它合适材料。每一pcm腔室206a-206n和208a-208n通常是细长的，并且图2仅示出每一pcm腔室206a-206n和208a-208n的横截面。即，每一pcm腔室206a-206n和208a-208n的最长尺寸大致垂直于图2中的页面平面。

顺应层210安置在两行pcm腔室206a-206n和208a-208n之间，并且形成每一腔室的一个壁。顺应层210可变形以适应每一pcm腔室206a-206n和208a-208n中的冰当其在热能传递过程期间冻结时的体积膨胀。然后，当冰融化成水时，顺应层210恢复到其初始构造（大小和形状）。顺应层210的材料不应吸收太多（如果有的话）水，并且应该能够在未设定的情况下压缩。在一些实施例中，顺应层210是固体弹性体材料，例如橡胶、泡沫橡胶、乳胶或聚氨酯。在其它实施例中，顺应层210包括能够弹性变形的两个金属箔膜或层。这样的金属箔膜被设计成防止膜的屈服，这使得所述膜能够在冰融化成水之后恢复到其初始构造。

在操作的一个方面中，pcm腔室206a-206n和208a-208n中的pcm材料处于液态。来自pcm腔室206a-206n和208a-208n的热能通过对流和传导传递到相邻工作流体管道204a-204n。当热能离开pcm材料时，水冻结成冰并随之膨胀。当冰形成并膨胀时，顺应层210变形以便在每一pcm腔室206a-206n和208a-208n内部为膨胀的冰提供额外体积，从而避免任何pcm腔室壁的破裂。图3示出当顺应层210变形时顺应层210的放大视图。如图3中所示，顺应层变形以便使每一pcm腔室206a-206n和208a-208n的总体积膨胀，如由每一pcm腔室206a-206n和208a-208n中的阴影区域所指示。当顺应层210是固体弹性体材料时，顺应层210向内压缩。当顺应层210是两个金属箔层时，每一金属箔层朝着所述层之间的间隙变形。之后，当热能从工作流体管道204a-204n传递到pcm腔室206a-206n和208a-208n时，冰融化成水并减小体积，并且顺应层210恢复到其静态形状。

翅片212是相邻pcm腔室206a-206n和208a-208n之间的薄的平面金属壁，并且减小热交换器200中的总热阻，这促进pcm与工作流体之间的更快热传递速率。翅片212的某些构造还通过确保pcm腔室中更远离顺应层210的水在更靠近顺应层210的水之前冻结来促进pcm腔室206a-206n和208a-208n中的每一者中冰的定向冻结。这确保冰膨胀到顺应层210中，并且防止将可能使翅片212变形的侧向冻结。

虽然图2示出pcm热交换器200的一个示例，但是可以对图2作出各种改变。例如，虽然示出为矩形，但是工作流体管道204a-204n以及pcm腔室206a-206n和208a-208n中的每一者可以是圆柱形的或具有任何其它合适形状。另外，pcm热交换器200的构成和布置仅用于图示。可以根据特定需要按任何其它构造添加、省略、组合或放置部件。例如，虽然工作流体管道204a-204n按与pcm腔室206a-206n和208a-208n的平行一对一构造示出，但是这仅是一个示例。在其它实施例中，工作流体管道204a-204n可以定向成垂直于pcm腔室206a-206n和208a-208n或按促进工作流体管道204a-204n与pcm腔室206a-206n和208a-208n之间的热能传递的任何其它合适构造。而且，其它实施例可以包括更少工作流体管道204a-204n和更多pcm腔室206a-206n和208a-208n，或者反之亦然。在一些实施例中，可以存在仅一个pcm腔室或一个工作流体管道。

图4示出用于使用根据本公开的pcm热交换器的示例性方法400。方法400可以使用图2的pcm热交换器200实施。然而，方法400可以用于任何其它合适系统中。

在步骤401处，使工作流体移动通过热交换器中的至少一个管道。这可以包括（例如）工作热传递流体移动通过一个或更多个管道204a-204n。

在步骤403处，使热能从pcm传递到工作流体。所述pcm安置在接近并且热耦合到至少一个管道的多个腔室中的每一者中。这可以包括（例如）热能从pcm腔室206a-206n和208a-208n中的每一者中的pcm传递到管道204a-204n中的每一者中的工作流体。pcm是被构造成在冻结时膨胀的材料，例如冰/水。

每一腔室的一个壁由被构造成随着pcm在冻结时膨胀而变形以便增加所述腔室的体积的顺应层形成。这可以包括顺应层210形成pcm腔室206a-206n和208a-208n中的每一者的一个壁。当热能从pcm传递到工作流体时，pcm冻结并膨胀。随着pcm膨胀，顺应层210变形以便增加pcm腔室206a-206n和208a-208n的体积。

在步骤405处，使热能从工作流体传递到pcm。这可以包括（例如）热能从每一管道204a-204n中的工作流体传递到每一pcm腔室206a-206n和208a-208n中的pcm。当热能从工作流体传递到pcm时，pcm熔化并收缩。随着pcm收缩，顺应层210恢复到其静态状态，从而减小pcm腔室206a-206n和208a-208n的体积。

虽然图4示出用于使用pcm热交换器的方法400的一个示例，但是可以对图4作出各种改变。例如，虽然示出为一系列步骤，但是图4中所示的各种步骤可以重叠、并行发生、按不同次序发生或多次发生。此外，根据特定需要，可以组合或去除一些步骤，并且可以添加额外的步骤。

阐述贯穿本专利文献使用的特定词语或者短语的定义可能是有利的。术语“包括（include）”和“包括（comprise）”及其派生词意味着包含但不限制。术语“或者”是包容性的，意味着“和/或”。短语“与...相关联”及其派生词意味着包括、包括在内、与…互相关联、包含、包含在内、连接至或者与...连接、联接至或者与...联接、与...通信、与...配合、交织、并置、接近、结合到或者与...结合、具有、具有...特性、具有关系或与...具有关系等。短语“至少一个”在与一系列项目一起使用时意味着可以使用所列出的项目中的一个或者更多个项目的不同组合，并且可能仅需要列表中的一个项目。例如“a、b、和c中的至少一个”包括以下组合中的任何一个：a、b、c、a和b、a和c、b和c、以及a和b和c。

本申请中的描述不应理解为暗示任何特定元件、步骤、或者功能是必须包括在权利要求范围内的必要或者关键元素。专利主题的范围仅通过所允许的权利要求限定。而且，除非在特定权利要求中明确地使用确切词语“用于…的装置”或者“用于…的步骤”，随后是识别功能的分词短语，否则没有任何权利要求旨在援引关于随附权利要求中任一项或者权利要求要素的35u.s.c.§112(f)。权利要求内的术语（诸如但不限于，“机构”、“模块”、“装置”、“单元”、“部件”、“元件”、“构件”、“设备”、“机器”、或者“系统”）的使用被理解为并且旨在表示相关领域的技术人员已知的结构（如由权利要求本身的特征进一步修改或者增强的）并且不旨在援引35u.s.c.§112(f)。

虽然本公开已经描述了特定实施例和一般相关联的方法，但是这些实施例和方法的变更和置换对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，示例性实施例的以上描述不限定或者限制本公开。如由以下权利要求所限定的，在不偏离本公开的精神和范围的情况下，其它改变、替换、和变更也是可能的。