专利名称:高温石墨换热器的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种改进的高温换热器，尤其是用于太阳能热过程的石墨能量接收器，其作为太阳能系统的元件提供更大和更均匀的热传递。石墨换热器包括热元件，其包含热传递流体，并为太阳能发电提供对传递流体的高效热传递。该换热器还可包括散热器，散热器包括与热元件成热关系的至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，以改善到它的热传递。
背景技术：
出于对环境、燃料资源恶化以及能量效率持续增加的考虑，太阳能电站已成为世界范围关注的主题。常规的太阳能电站具有塔形结构，其中，一片区域的定日镜将阳光反射到安装于塔结构上的太阳能接收器上。接收器或换热器上所集中的太阳能将其内的流体(例如，氢、氦、油或熔盐)加热到高温。例如，在太阳能塔中，约300°C的“冷”熔盐被加热到565 0C，然后被泵到存储用的容箱内。
为了发电，诸如熔盐或氦这样的热传递流体被泵到蒸气产生系统以产生用于常规兰金循环涡轮系统的蒸气，该系统进而产生电力。当用油作为热传递流体时采用类似的过程。为了使太阳能塔的效率最大化，高导热性的材料(例如石墨)有益于在整个发电过程中帮助捕获、存储和传递太阳能。
因此，所需要的是一种换热器，即太阳能接收器，其通过利用一个或多个碳和石墨产品(尤其是例如柔性石墨板，比如膨胀石墨压缩颗粒板)的各向异性性质来提高对含有热传递流体的热元件提供的热传递的均匀性，并提高从环境能量获得及传递到环境能量的热通量。理想地，这种太阳能接收器能够抵抗高温和热循环，并能够最大化太阳能的利用，同时减少因辐射和对流造成的热损耗。
实用新型内容
在本公开的一个实施例中，提供了一种换热器系统，其包括:(a)热兀件,所述热元件包括表面；(b)散热器，所述散热器包括密度为至少约0.6g/cc且厚度小于约IOmm的至少一个石墨板，并且还包括第一表面和第二表面，其中，所述散热器相对于所述热元件定位，使得所述散热器至少部分地包裹所述热元件，使得所述散热器与所述热元件表面的一部分成热传递关系；(c )基底，所述基底包括石墨，其中，所述基底相对于所述散热器定位，使得所述基底与所述散热器成热传递关系；以及(d)能量收集面板，其中，所述能量收集面板和所述基底位于所述热元件的相对侧上。
在本公开的优选实施例中，所述基底包括尺寸设置为容纳所述热元件的凹部，其中，所述基底布置成邻近所述散热器，使得所述散热器定位在所述热元件和所述基底之间，并且其中，所述基底具有大于约150 W/m-K的热导率。
在本公开的优选实施例中，所述散热器包括两个部件，即第一部件和第二部件，进一步，所述散热器的所述第一部件定位在所述热元件和所述基底之间。
在本公开的优选实施例中，所述散热器包括两个部件，即第一部件和第二部件，进一步，所述散热器的所述第二部件延伸越过所述凹部，使得所述散热器的所述第二部件定位在所述热元件和能量收集面板之间。
在本公开的优选实施例中，所述石墨板选自至少一个膨胀石墨压缩颗粒板、至少一个石墨化聚酰亚胺板或两者组合的组。
在本公开的优选实施例中，所述换热器系统还包括结构元件,所述结构元件包括与所述热元件表面的一部分成热传递关系的表面，并且其中，所述结构元件包括至少一个
合成石墨层。
在本公开的优选实施例中，所述基底包括至少一个合成石墨层。
在本公开的优选实施例中，所述换热器系统还包括保护层，所述保护层具有第一表面和第二表面，其中，所述保护层的所述第一表面位于能量源和所述热元件之间。
在本公开的优选实施例中，所述换热器系统包括太阳能接收器。
在本公开的另一个实施例中，提供了一种换热器系统，其包括:(a)第一个石墨层，其具有第一表面和第二表面；(b)第二个石墨层，其定位在所述第一个石墨层的所述第二表面之下；(C)热元件，其定位在所述第一个石墨层和所述第二个石墨层之间；(d)散热器，其包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的密度为至少约0.6g/cc且平面内热导率为至少约140 W/m-K，其中，所述散热器定位成与所述第一个石墨层、所述第二石墨层和所述热元件成热传递关系。
在本公开的优选实施例中，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的平面内热导率为至少约220 W/m-K。
在本公开的优选实施例中，所述第一石墨层的平面内热导率为至少约120 W/m-K。
在本公开的另一个实施例中，提供了一种换热器系统，其包括:(a)至少一个石墨层；(b)至少一个热通路，用于在其内容纳热传递流体，其中，所述通路穿过所述至少一个石墨层；(C)散热器，其包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的密度为至少约0.6g/cc且平面内热导率为至少约140 W/m-K，其中，所述散热器定位成与所述至少一个石墨层和所述热通路二者成热传递关系。
在本公开的优选实施例中，所述换热器系统还包括保护层，所述保护层具有第一表面和第二表面，其中，所述保护层的所述第一表面位于能量源和所述热元件之间。
在本公开的一个实施例中，提供了一种换热器系统，其包括热元件，例如包含传递流体的导管或通路，以及散热器，其中，散热器包括至少一个柔性石墨板，例如至少一个膨胀石墨压缩颗粒板。
在本公开的另一个实施例中，散热器与热元件热接触以使热元件和能量收集面板之间的热通量最大化，热传递将会通过其发生。
在另一个实施例中，散热器与热元件的“下侧”热接触(所使用的下侧是关于被加热的表面；换句话说，下侧指的是与将要暴露于能量源的表面相对的表面)，以使从能量收集面板到热元件的热通量最大化。
另一个实施例提供了一种散热器，其提高了到热元件的热通量，从而使热元件能够吸收更多热能。
在本公开的另一个实施例中，散热器放置成与热元件以及将要发生热传递的换热器系统的表面(例如能量收集面板)二者热接触，所述散热器包括密度为至少约0.6克每立方厘米(g/cc)的至少一个膨胀石墨压缩颗粒板。
在另一实施例中，散热器的密度为至少约1.lg/cc,最优选地至少约1.5g/cc,和/或厚度小于约10mm。
在另一实施例中，散热器放置成与热元件热接触，并且其还可与通常由太阳加热的能量收集面板接触，所述散热器包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板具有平行于其主表面的至少约140瓦特每米-开尔文(W/m-K)的热导率。
本公开的另一实施例包括热导率为至少约220W/m-K的散热器，更优选地至少约300ff/m-Ko
在本公开的另一实施例中，太阳能系统的换热器的(一个或多个)热元件位于能量收集面板和合成石墨基底之间形成的沟或槽内，其中，散热器位于能量收集面板和合成石墨基底之间。
在本公开的另一实施例中，所述散热器包括至少两个部件，第一部件和第二部件，其中，所述散热器的所述第一部件定位在所述热元件和所述石墨基底之间。所述散热器的所述第二部件可定位在其他位置。
在一些实施例中，所述石墨基底包括尺寸设置为容纳所述热元件的凹部。所述散热器可与基底协作以形成基底散热器凹部。
在其它实施例中，换热器系统可包括数个石墨层，热元件定位在这些层之间。这种实施例还可包括散热器，该散热器定位成与各个石墨层和热元件成热传递关系。
在另一实施例中，换热器系统可包括石墨层，用于在其内容纳热传递流体的热通路穿过该石墨层。该实施例还可包括散热器，所述散热器定位成与石墨和热通路成热传递关系。
换热器的每个实施例可包括太阳能接收器。
在一个实施例中，换热器系统还可包括基底，所述基底优选地由合成石墨形成，具有尺寸设置为容纳所述热元件的凹部，其中，所述基底布置成邻近所述散热器的第二侧，使得所述散热器定位在所述热元件和所述基底之间，并且其中，所述基底具有大于约120 W/m-K的热导率。而且，在一些实施例中，所述散热器可包括两个部件，第一部件和第二部件，其中，所述散热器的所述第一部件定位在所述热元件和所述基底之间。在某些实施例中，所述散热器的所述第二部件延伸越过所述凹部，使得所述散热器的所述第二部件在所述凹部处定位在所述热元件和能量收集面板之间。
本实用新型的另一方面涉及一种换热器系统，所述换热器系统具有:基底，所述基底包括凹部；散热器，所述散热器包括密度为至少约0.6g/cc且厚度小于约IOmm的至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，其中，散热器延伸到所述基底的凹部内，以形成尺寸设置为容纳热元件的基底/散热器凹部。换句话说，散热器在基底的凹部内，因此，当散热器落于基底的凹部内时由散热器形成了凹部，以形成所谓的基底/散热器凹部。散热器可由两个元件形成，第一元件和第二元件，其中，散热器的第一元件与基底协作以形成基底散热器凹部。
另一方面，本公开涉及一种换热器系统，其具有:结构元件，所述结构元件具有第一表面和第二表面；保护层，所述保护层具有第一表面和第二表面；热元件，所述热元件定位成邻近所述结构元件的第二表面，并具有相对彼此而言朝向所述结构元件的第二表面布置的部分和远离所述结构元件布置的部分；散热器，所述散热器包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，其中，所述散热器定位成与结构元件的第二表面和热元件二者成热传递关系，并且进一步其中，所述散热器定位成与所述热元件的远离结构元件的第二表面布置的部分成热传递关系。
本公开的另一方面涉及提供一种换热器系统，其包括:(a)结构元件，其具有第一表面和第二表面；(b)热元件，其定位成邻近结构元件的第二表面，并具有相对彼此而言朝向结构元件的第二表面布置的部分和远离结构元件布置的部分；以及(C)散热器，其包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，其中，散热器定位成与结构元件的第二表面和热元件二者成热传递关系，并且进一步其中，散热器定位成与热元件的远离结构元件的第二表面布置的部分成热传递关系。
在该换热器的一个实施例中，散热器包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，至少一个膨胀石墨压缩颗粒板中的一个板与热元件的整个表面成热传递关系。优选地，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的密度为至少约0.6 g/cc，更优选地至少约1.1 g/cc，或者甚至1.5 g/cc。另外，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的平面内热导率可为至少约140 W/m_K,更优选地至少约220 W/m-K,或者甚至高达300 W/m_K或更高。
热传递系统还可包括布置成邻近结构元件的第二表面的基底，使得散热器定位在基底和结构元件之间，其中，基底是高传导的，即，其在平面内方向上的热导率大于约120W/m-K，更优选地大于约150 W/m-K。
该换热器的另一方面涉及提供一种用于太阳能塔的换热器系统，其包括:(a)具有结构元件的能量收集面板，所述结构元件具有第一表面和第二表面；(b)保护涂层，其定位成邻近结构元件的第一表面，并具有相对彼此而言朝向结构元件的第一表面布置的部分和远离结构元件布置的部分；以及(C)散热器，其包括密度为至少约0.6g/cc且平面内热导率为至少约140 W/m-K的至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，其中，散热器定位成与结构元件的第二表面成热传递关系，并且进一步其中，散热器定位成与热元件成热传递关系。
在阅读下述说明后，本领域技术人员将会明白这些和其它实施例可通过提供换热器系统而实现，该换热器系统包括:热元件，其包括表面；以及柔性石墨散热器，尤其是包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的散热器，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的密度为至少约0.6g/cc,优选为至少约1.lg/cc且厚度小于约IOmm,其中，散热器相对于热元件定位，使得散热器至少部分地包裹热元件，使得散热器的第一侧与热元件表面的一部分成热传递关系。
应理解前述一般说明和下述本实用新型实施例的详细说明都是提供理解本实用新型要求保护的性质和特点的概览和框架。所包括的附图提供本实用新型的进一步理解，并组成本说明书的一部分。这些图示出了本实用新型的各种实施例，并且与说明书一起起到解释本实用新型原理和操作的目的。在联系附图阅读以下公开后，本实用新型的其它和进一步特征和优点对于本领域技术人员而言将会是易于明白的。
图1是根据本公开的换热器的一个实施例的透视图。
图2是图1的换热器的部分剖视图。
图3是图2的换热器的剖视图。[0045]图4是图3的换热器的部分剖视图。
图5-9是根据本文所述各种实施例的石墨换热器的部分剖视图。
图10是石墨层的一个实施例的部分剖视图。
图11是包括散热器的石墨层的一个实施例的部分剖视图。
图12是包括散热器和热道路的石墨层的一个实施例的部分剖视图。
图13是换热器内包括的(一个或多个)石墨层的实施例的分解的部分剖视图。
图14是换热器内包括的(一个或多个)石墨层与散热器一起的一个实施例的部分首1J视图。
图15是可包括在换热器内的(一个或多个)偏移石墨层的分解的部分剖视图。
图16是可包括在换热器内的偏移石墨层与散热器一起的一个实施例的部分剖视图。
具体实施方式
如指出的，换热器系统有利地形成为包括至少一个柔性石墨板，例如至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，以及能量收集面板，所述能量收集面板可由石墨构成，并在一个实施例包括基底，所述基底可由合成石墨构成。
尽管本公开是根据高温太阳能换热器系统而写作的，应理解它也意图涉及其它类型的换热器系统，包括辐射地 板加热系统，例如墙壁或天花板系统，电阻系统，地板下U形钉固定系统；以及本文所教导的概念也可应用的各种冷却系统。
与某些实施例中包括上述膨胀石墨压缩颗粒(其在优选实施例中采用天然石墨形成)的散热器不同，基底和能量收集面板优选地由合成石墨(也被称为人工或人造石墨)构成，该合成石墨由被均衡模制的颗粒尤其是细粒颗粒加工而成。在一些实施例中，合成石墨也可通过挤压模制形成。用于形成基底和能量收集面板的石墨由碳基材料制成，而不是作为天然物质开采而来。
如上所述，本公开涉及一种换热器，其包括散热器，该散热器包括柔性石墨，例如至少一个膨胀石墨压缩颗粒板。该散热器的密度应当为至少约0.6 g/cc，更优选地至少约
1.1 8/(^，最优选地至少约1.5 g/cc。从实践观点看，石墨板散热器的密度上限是约2.0 g/Ce。散热器(即使是由多于一个膨胀石墨压缩颗粒板制成)应在厚度上不大于约10 mm，更优选地不大于约2 mm，并且最优选地厚度上不大于约I mm。
在本公开的实践中，多个石墨板可层叠成单个物件用作散热器，前提是该叠层满足上述密度和厚度要求。可在多个膨胀石墨压缩颗粒板之间使用合适的粘合剂(例如压力敏感的或热激活的粘合剂)来使其层叠。所选的粘合剂应在结合强度和最小化厚度之间进行平衡，并能够在进行热传递时的工作温度下保持充分的结合。合适的粘合剂对于本领域技术人员是已知的，并包括丙烯酸和酚醛树脂。
为了有效使用，构成散热器的(一个或多个)石墨板应具有至少约140 W/m-K的平行于板平面的热导率(被称为“平面内热导率)。更有利地，平行于(一个或多个)石墨板的平面的热导率为至少约220 W/m-K，更有利地至少约300 W/m_K。在某些实施例中，散热器的平面内热导率可为至少约500 W/m-K。在其它实施例中，平面内热导率可为至少约1500 W/m-K。合适的石墨板的一个例子是可从俄亥俄州Parma的GrafTech InternationalHoldings Inc.获得的 eGraf 材料。
当然，将会认识到，平面内热导率越高，散热器的散热特性越有效。从实践观点看，平面内热导率高达约600 W/m-K的膨胀石墨压缩颗粒板是必要的。术语“平行于板平面的热导率”以及“平面内热导率”指的是膨胀石墨压缩颗粒板具有两个主表面，其可被称作形成该板的平面；因此，“平行于板平面的热导率”以及“平面内热导率”构成沿着膨胀石墨压缩颗粒板的主表面的热导率。
散热器的其它实施例可包括石墨板，该石墨板可包括热解石墨或者天然石墨和热解石墨的复合物，其可提供600 W/m-K或更高的平面内热导率；实际上，可获得高达1500W/m-K的热导率。在某些实施例中，“热解石墨”指的是由碳化聚合物膜形成的石墨材料。例如，在生产热解石墨的一些实施例时，诸如聚酰亚胺膜之类的膜被首先切割并成形以预先准备碳化步骤期间的后续收缩。在碳化期间，通常从膜中散发大量一氧化碳，导致膜的显著收缩。碳化可以以两步骤过程来进行，第一步骤在比第二步骤明显更低的温度下进行。在碳化聚酰亚胺膜的第一步骤期间，重量损失主要是因为聚酰亚胺膜的酰亚胺部分中的羰基的断裂。具体地，在第一步骤的末尾开始失去醚氧。在碳化的第二步骤中，在膜的酰亚胺基的分解期间释放氮气。石墨化过程包括用导致碳原子不同排列的热处理温度进行高温热处理。所得到的热解石墨具有垂直于板表面的c轴的高度的优选晶体取向，因此，具有高度各向异性。实际上，换热器100的任何结构元件可包括热解石墨或者包括含有热解石墨的复合石墨。
类似地，换热器包括高温热吸收板(有时称作能量收集板)和基底，其每个都可包括合成石墨。在一个实施例中，合成石墨可以是中粒石墨，为了本公开的目的，该中粒石墨被限定为具有最大约1.0mm的炭粒度,优选地在约0.6mm和约0.9mm之间；更优选地。在另一实施例中，形成热吸收板和基底的合成石墨是细粒石墨，其具有平均0.024 mm或更小的炭粒度。合成石墨(包括能量收集面板和石墨基底)具有至少约120 W/m-K的热导率与粒度。另外，在换热器的一些实施例中，热吸收板和/或基底可包括挤出石墨，使得每个均可提供各向异性，从而通过将热导向散热器而支持换热器内的高效热传递。
尽管主要在太阳热能系统的背景下说明了本公开的换热器，但应理解，本文的原理可应用于嵌入在任何其它类似换热系统内的加热或冷却系统。
现参照附图，图1示意性示出高温换热器100。该高温换热器100包括能量收集面板112，其具有保护涂层110，当换热器100暴露于阳光时，热通过其被吸收。热元件114根据具体应用可以是加热或冷却元件或者替代地可以是用于热传递流体的任何通路，热元件114与能量收集面板112成热传递关系。热传递关系指的是热能从一个物件或实体传递到
另一个。
以下说明主要将加热元件称为热元件114。应理解，热元件114也可包括冷却元件。热元件114可更一般地被称作是可以加热或者冷却的热传递元件。在换热器100中，热元件114被其环境加热。另外，热元件114可包括用于输送热传递流体的凹部、空腔或通路，其被限定为换热器100的各种其它结构特征之间的可用空间。
热元件114也可以是任何可获得类型的热传递元件，包括但不限于用于携带热传递流体或气体的导管或管道网络。词语“热传递流体”应包括适合于传递热能的所有流体、气体、凝胶和/或相变介质。[0067]保护涂层110可以是适合用在太阳能热系统内的用于氧化保护的任何常规材料。在下面更详细地说明合适的热元件114和面板112。
散热器116包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，并与能量收集面板112成热传递关系，从而热接合能量收集面板112。应注意，短语“热接合”可包括传导、对流或辐射关系(后两个关系包括散热器116不需与能量收集面板112物理接触的那些实施例，如下面进一步描述的)。本文下面更详细说明的合成石墨基底118位于能量收集面板112下方，散热器116定位在基底118和能量收集面板112之间。
将会理解的是，能量收集面板112不需直接接合散热器116，而是可由石墨或其它材料的各种层与其分开。因此，当换热器100内的一层材料被描述为在另一层上时，不要求它们彼此物理地接触，除非进一步的特定描述这样指出。实际上，换热器100的任何部件都可在不互相物理地接触的情况下彼此成热传递关系或换热关系。
由于能量收集面板112参与太阳能的光热转换，它被加热到极高的温度，并且该高温促进氧化。为了增加能量收集面板112的寿命，提供了保护涂层110以降低氧化速度。保护涂层110可以是通过保护石墨免于氧化而增加石墨在高温下的工作寿命的任何常规材料，例如石英或具有与石英类似性质的材料。
散热器116也与热元件114成热传递关系。热元件114可以是例如通常在常规换热系统中可见的传递材料或设备。例如，热元件114可以是电线元件或者是包括运送热传递流体(如熔盐或氦)的管道网络的类型。太阳能塔中的这种管件系统通常采用钛或不锈钢管件。这种系统也可采用其它抗腐蚀的导热的管件材料。
热元件114的管件还可包括一系列不渗透、半渗透或可渗透的石墨管道，其可引导氦或另外的相变介质或携热惰性气体通过太阳能接收器。这种石墨管道可用一系列树脂浸溃而被制成是不可渗透或半不可渗透的。采用石墨管件作为热元件114可减轻用于构造根据本公开的高温换热器100的各种材料的各自热膨胀系数的任何不匹配。
如果包括热元件114的管道不是不可渗透的，例如一些石墨管道的情况那样，则可用氦或其它热传递气体对换热器100正加压，以便最小化从可渗透或半渗透管件(即可渗透或半渗透热元件114)的气体损失。而且，尽管通常截面是圆形，但热元件114也可呈现其它截面形状，例如卵形、方形、矩形等等。
散热器116可包括具有抛光的精表面光洁度(即小颗粒尺寸)的石墨，以便提高吸热率。较好的表面光洁度允许较小直径的管道和较高的热传递流体速度，这进而总体上改善了通过散热器100的热流动。
在换热器100的一些实施例中，如图1、3和4-9所示，基底118包括合成石墨材料，例如具有在较高温度应用下胜出的高强度性质的中粒石墨，如由GrafTech InternationalHoldings Inc.生产的SLX 石墨。当采用人造或合成石墨材料时，基底118的热导率在平面内方向上应为至少约120 W/m-K，更优选地至少约150 W/m_K。优选但非必需地，也可采用细粒石墨。因此，石墨基底118能帮助确保尽可能多的热能从能量收集面板112传递到热元件114。
如指出的，散热器116包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，并可定位在基底118和能量收集面板112之间。这样，由于散热器116与热元件114和能量收集面板112两者成热传递关系，散热器116将会把热能更均匀地从能量收集面板112的表面扩散到热元件114或从热元件114扩散(通过加热或冷却)。
最有利地，散热器116与热元件114的整个外表面成热传递关系。但是，在另一实施例中，散热器116也可与热元件114离能量收集面板112最远的那部分成热传递关系。换句话说，当在图1-4的方向上观察时，散热器116应至少部分地包裹热元件114，从而与热元件114的表面的至少一部分，优选为热元件114的整个表面，但替代地仅仅热元件114的一部分成热传递关系(最优选的是处于实际物理接触)。
以这种方式，散热器116通过为来自热元件114的与能量收集面板112成最远热传递关系(即，物理上离开能量收集面板112最远)的那些表面或部分的热能提供路径而改进至热元件114的热通量。而且，散热器116的柔性和顺应性可提高与能量收集面板112的热传递，这从效率的观点来看是一个重要的优势。另外，由于散热器116具有相对均匀的截面厚度和密度，散热器116的有利的物理性质在其整个面积上是均匀的。
在换热器100的一个实施例中，如图5所示，考虑到用于形成散热器116的膨胀石墨压缩颗粒板的柔性本质，散热器116可定位在基底118和能量收集面板112之间，并在热元件114下方延伸(应认识到术语“下方”指的是热元件114背离能量收集面板112的那部分)。替代地，散热器116可由两个分立的部件形成，即第一散热器部件116a和第二散热器部件116b，如图2和图3所示。第一散热器部件116a包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，如上所述，并定位在基底118和能量收集面板112之间，但不在热元件114下方延伸。相反，第一散热器部件116a不延伸到热元件114所在的区域中，如图6所示；或者，第一散热器部件116a完全延伸越过热元件114的上表面，因而与热元件114的上部处于良好的热接触。
如图2和图3所示，第二散热器部件116b是分立部件，其热接触(有利地为物理接触)热元件114或其表面并至少部分地包裹热元件114或其表面(包括热元件114的下侧或侧面的一些部分)，并且热接触(最优选地物理接触)第一散热器部件116a。第二散热器部件116b可由至少一个膨胀石墨压缩颗粒板形成，或者其可以是不同的材料，例如各向同性材料，如铝这样的金属。第二散热器部件116b可具有与第一散热器部件116a不同的密度和/或具有比第一散热器部件116a更低的平面中热导率。在一些实施例中，第二散热器部件116b将会具有比第一散热器部件116a更低的平面中热导率，以便减少热损耗。例如，在一些实施例中，116b可提供某种屏蔽以使到基底118的热损耗最小化。
在一些布置中，也有利的是，使第二散热器部件116b仅部分地围绕热元件114的侧面(未示出)，允许热元件114安装和/或附接到第二散热器部件116b，第二散热器部件116b进而安装或以其他方式附接到第一散热器部件116a。
在另一实施例中，如图8所示，第二散热器部件116b可完全包络热元件114，或者绕热元件114延伸，前提是第二散热器部件116b保持与第一散热器部件116a成热传递关系(最有利地，实际物理接触)。
在另一实施例中，基底118或能量收集面板112包括一系列堆叠的高导热石墨板。该石墨板可包括例如堆叠的天然石墨，例如热导率为500 W/m-K的GrafTech SS500。替代地，可采用一系列堆叠的合成石墨板。理想地，具有高热导率的石墨被用于形成这些堆叠板，以便快速将热从散热器100的表面移到热元件114。
在另一实施例中，基底118或能量收集面板112包括多孔碳或传导性石墨泡沫块，其起到热接收器的作用。在一些实施例中，室温下热导率为至少约120 W/m-K，优选至少约200 W/m-K热导率的石墨泡沫被用作基底。热传递流体可被引导通过多孔基底或通过穿过该基底切割的路径。穿过基底的通道的方向和数量取决于接收器上所需的压力降。一系列导管可布置成与气流正交，并且可在基底内被切割出来以提高多孔性并减少基底上的压力降。在一个实施例中，传导性石墨泡沫块可与大气密封隔开。
能量收集面板112还可包括非多孔碳或石墨块。基底可包括来自阳极等级焦炭的便宜的石墨，室温下热导率为100 W/m-K或更高，甚至热导率为150 W/m-K或更高。
换热器100中的散热器116的使用，在其与加热元件较大热接触的情况下，可显著提高从能量收集面板112到热元件114的热通量。因此，可以将用于加热系统的加热元件更紧密地排列在一起，和/或增加流过管件的传递流体的温度，导致能量效率的显著改善。
在换热器100的一个实施例中，如图9中所示，热元件114可由一系列石墨机加工块120限定，该一系列石墨机加工块120直接或间接地胶合或紧固在一起以在块120之间生成气体或流体流动通道122，其中，通道122等同于热元件114。在一个实施例中，热传递流体(例如氦)可被允许不受限制地流过通道122以将热传递到换热器100或从换热器100传出。在图9中，热元件114被限定为石墨块120之间的通道122。
在一些实施例中，用于形成块120的石墨可以是树脂浸溃的，以便降低块的渗透性。高温石墨胶合剂可用于将石墨块120胶合在一起。而且，可用氦，或替代地用其它热传递流体对整个换热器100正加压，以便最小化从通道122的气体损失。如果形成块120和通道122的石墨不是不可渗透的，则对换热器100加压尤其有益。
当换热器100的一部分被加压时，氦常被用作热传递流体。氦因其作为惰性气体的高热容量而有用，但是，其它相变介质也可替代地用于对换热器100加压。
在另外的实施例中，如图10-12所示，热元件114可由至少一个石墨块124形成，至少一个石墨块124具有一系列从其切割而成的预机加工通道126，其形成石墨块空间(plenum)。该石墨块124还可被称作“石墨层”、“石墨板”或“石墨件”。如图10所示的预机加工通道126限定了换热器100的一些实施例中的热元件114。
如图11所示，通道126 (因而热元件114)可内衬有石墨层，该石墨层起到散热器116的作用。实际上，通道126可全部或部分地内衬有至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，即散热器116，其与热元件成热传递关系以改善至热元件的热传递。
另外，如图12所示，至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，热道路117，可穿过石墨块124，被容纳在石墨块124内，或在通道126之间延伸，以促进至它的均匀高效的热传递。图12示出一个实施例，其包括在具体取向上的热道路117 ;但是，热道路117可基于通道126的变化的几何形状而以不同方式定位，并且甚至可定位成使其延伸穿过通道126。
热道路117包括合成或天然石墨材料，具有至少约50 W/m-K的热导率；在一些实施例中，热导率是至少约150 W/m-K或者甚至更高。包括所述石墨块的换热器100的每个实施例可被加压以促进热传递并防止热损耗。
在另一实施例中，如图13所示，热元件114可通过连接第一石墨块128和第二石墨块130形成,每个具有从至少一个块128、130切割的至少一个半槽。所述一个半槽在形状上可以是半圆柱形。因此，当第一石墨块128和第二石墨块130连接在一起时，这两个块128和130形成一系列通道122，供氦或其它热传递流体流过该换热器100，如图14所示。这些块可由螺栓连接在一起，用高温石墨胶合剂胶合在一起，或者以其它方式通过本领域已知的任何手段连接。所得到的通道126类似于热元件114，并且可被限定在任何数量的石墨块128、130之间。
石墨块128、130的厚度可被最小化以减少保护层110和热元件114之间的热路长度。而且，如图14所示，由天然或合成石墨构成的散热器116可用于衬在通道126内部以确保绕其各自周界的最大热流。散热器116可包括例如至少一个膨胀石墨压缩颗粒板。散热器116可部分或全部地内衬通道126。散热器116可在发热时膨胀以便补偿所包含的热传递流体的任何膨胀。
通道126的尺寸可在换热器100的热传递流体入口和热传递流体出口之间增加。通道尺寸上的这种增加可沿着通过换热器100的热传递流体的路径逐渐上升。随着热传递流体移动通过换热器100并被加热，通道126尺寸增加。通道尺寸上的增加帮助减少换热器上的压力降，这导致例如，当诸如氦的热传递流体随着其行进通过换热器100的通道126而被加热并膨胀时。石墨的使用提供了结构性的可靠路径，以便热传递流体行进通过散热器100，甚至在高温下也是如此。
而且，通道126的数量可变化。例如，可钻通薄石墨块形成多个较小直径的通道来取代少量较大的孔。较小的孔可具有更大的每单位体积的表面积，以使从石墨到热传递流体的热流最大化。较小孔的情况下压力降可增加，不过可使用常规建模以相对块的固有强度优化孔的数量。
另外，如图15所示，一系列多层的通道126可用于使热传递最大化。多个石墨块128和130可被分层以形成通道126，并且由堆叠的块128和130生成的通道126可彼此偏离以进一步促进热传递。不管通道126如何偏移，每个块128和130的终端可排好并相互平齐。
通道126的各层可在行上彼此偏移，如图16所示，以便使石墨厚度最小化并缩短从散热器100的外表面到热元件144 (即通道126)并因而到热传递流体的热路径。这里，再次如图16所示，散热器116可部分或全部地内衬通道126以便使热梯度最小化。
本申请中所提及的所有被引用的专利和出版物均通过参考合并于此。
因而，本实用新型已得到了描述，显然其可以以各种方式改变。所有这种变型和改变都可以以任何合适的组合来实施。这种变型和改变不被认为偏离了本实用新型的精神和范围，并且对于本领域技术人员而言明显的所有这些变型和改变均意图被包括在所附权利要求
的范围内。
权利要求
1.一种换热器系统,其特征在于,包括: (a)热元件,所述热元件包括表面； (b)散热器,所述散热器包括密度为至少约0.6g/cc且厚度小于约IOmm的至少一个石墨板，并且还包括第一表面和第二表面，其中，所述散热器相对于所述热元件定位，使得所述散热器至少部分地包裹所述热元件，使得所述散热器与所述热元件表面的一部分成热传递关系； (C)基底，所述基底包括石墨，其中，所述基底相对于所述散热器定位，使得所述基底与所述散热器成热传递关系；以及 (d)能量收集面板，其中，所述能量收集面板和所述基底位于所述热元件的相对侧上。
2.如权利要求
1所述的换热器系统，其特征在于，所述基底包括尺寸设置为容纳所述热元件的凹部，其中，所述基底布置成邻近所述散热器，使得所述散热器定位在所述热元件和所述基底之间，并且其中，所述基底具有大于约150 W/m-K的热导率。
3.如权利要求
1或2所述的换热器系统，其特征在于，所述散热器包括两个部件，即第一部件和第二部件，进一步，所述散热器的所述第一部件定位在所述热元件和所述基底之间。
4.如权利要求
2所述的换热器，其特征在于，所述散热器包括两个部件，即第一部件和第二部件，进一步，所述散热器的所述第二部件延伸越过所述凹部，使得所述散热器的所述第二部件定位在所述热元件和能量收集面板之间。
5.如权利要求
1所述的换热器系统，其特征在于，所述石墨板选自至少一个膨胀石墨压缩颗粒板、至少一个石墨化聚酰亚胺板或两者组合的组。
6.如权利要求
1所述的换热器系统，其特征在于，还包括结构元件，所述结构元件包括与所述热元件表面的一部分成热传递关系的表面，并且其中，所述结构元件包括至少一个合成石墨层。
7.如权利要求
1所述的换热器系统，其特征在于，所述基底包括至少一个合成石墨层。
8.如权利要求
1所述的换热器系统，其特征在于，还包括保护层，所述保护层具有第一表面和第二表面，其中，所述保护层的所述第一表面位于能量源和所述热元件之间。
9.如权利要求
1所述的换热器系统，其特征在于，其包括太阳能接收器。
10.一种换热器系统，其特征在于，包括: (a)第一个石墨层,其具有第一表面和第二表面； (b)第二个石墨层，其定位在所述第一个石墨层的所述第二表面之下； (C)热元件，其定位在所述第一个石墨层和所述第二个石墨层之间； (d)散热器，其包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的密度为至少约0.6g/cc且平面内热导率为至少约140 W/m-K，其中，所述散热器定位成与所述第一个石墨层、所述第二石墨层和所述热元件成热传递关系。
11.如权利要求
10所述的换热器系统，其特征在于，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的平面内热导率为至少约220 W/m-K。
12.如权利要求
10所述的换热器系统，其特征在于，所述第一石墨层的平面内热导率为至少约120 W/m-K。
13.—种换热器系统,其特征在于,包括:(a)至少一个石墨层； (b)至少一个热通路，用于在其内容纳热传递流体，其中，所述通路穿过所述至少一个石墨层; (C)散热器，其包括至少一个膨胀石墨压缩颗粒板，所述至少一个膨胀石墨压缩颗粒板的密度为至少约0.6g/cc且平面内热导率为至少约140 W/m-K，其中，所述散热器定位成与所述至少一个石墨层和所述热通路二者成热传递关系。
14.如权利要求
13所述的换热器系统，其特征在于，还包括保护层，所述保护层具有第一表面和第二表面，其中，所述 保护层的所述第一表面位于能量源和所述热元件之间。
专利摘要
一种基于石墨的换热器(100)，尤其在太阳能系统中作为热过程的一部分被用作太阳能接收器，包括能量收集面板(112)、散热器(116)以及热元件(114)，其中，散热器由密度为至少约0.6g/cc且厚度小于约10mm的柔性石墨形成，并且散热器还具有第一侧和第二侧，其中，散热器与热元件成热传递关系，并且其中，能量收集面板包括至少一个石墨板或石墨块。
文档编号F28D15/00GKCN203053283SQ201090001069
公开日2013年7月10日 申请日期2010年6月11日
发明者B.E.雷斯, M.塞格尔 申请人:格拉弗技术国际控股有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan