[發明專利]一種微重力下的水基相變蓄冷裝置

有效

• 申請號: 202110010213.2
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112815590B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 林梅;王友;朱子良;吳一寧;王秋旺
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F25D3/00
• 分類號: F25D3/00;F25D17/02;F25D23/00;F25D23/02
• 代理公司: 北京迎碩知識產權代理事務所(普通合伙) 11512
• 代理人: 錢揚保;張群峰

本發明提供一種微重力下的水基相變蓄冷裝置，涉及相變儲能領域，可應用于極端環境下如航天器內的溫控系統。所述蓄冷裝置的殼體設有循環液的進出口，所述蓄冷裝置內部緊密排列有若干微管且連接到循環液進出口。所述微管換熱段的外圍空間被一層彈性液囊密封，微管、液囊與其內部密封的蓄冷介質構成了眾多具有獨立空間的蓄冷子單元。所述液囊外表面貼合有一層網架，微管、液囊和網架保持同軸心的位置并形成緊密的蜂巢結構。所述液囊和微管的兩端分別設有節流齒并互相嚙合以達到迷宮密封的效果，微管兩端設有波紋結構的膨脹節。所述微管與液囊密封處設有微型肋片。本發明可有效解決極端環境下蓄冷裝置蓄冷效率低、易泄露等問題。

技術領域

本發明涉及相變儲能技術領域，特別涉及一種微重力下的水基相變蓄冷裝置。

背景技術

航天器的熱控制是保障航天器安全且穩定工作的關鍵技術之一。在軌運行的航天器在近日點和遠日點附近需要持續地、周期地經歷溫差極大的熱環境，而航天器內電子設備工作溫度范圍基本在-15～50℃。因此，為航天器提供持續、穩定和充足的熱控制是至關重要的。當輻射散熱器不能滿足熱控制的時候，就有必要通過相變蓄冷裝置、熱泵等附加方式來輔助控溫。

相變蓄冷裝置實質為相變儲能裝置之一，傳統航天器的固-液相變儲能裝置中多采用石蠟作為相變材料。石蠟性質穩定，相變潛熱高(200kJ·kg-1)，但石蠟的導熱系數較低(0.2W·m-1·K-1)、密度較小(液態0.8g·cm-3)。這導致石蠟相變儲能裝置需附加的強化換熱設計去彌補其導熱性較差的缺點。與此同時，由于石蠟密度較小且需附加的強化換熱結構，這使得石蠟相變儲能裝置質量大、占用空間大。現有的冰水相變蓄冷技術還很少被應用在航天領域，冰水相變擁有更高的相變潛熱(334kJ·kg-1)，冰的導熱系數更大(2.16W·m-1·K-1)，同時水有著更高的密度(液態1.0g·cm-3)。理論上，使用水作為相變材料可使同能效的儲能裝置的質量降低約70％。但是，與熱脹冷縮相反，水在凝固成為冰時其體積會發生高達10％左右的膨脹。相變材料周期性發生熔化和凝固會導致儲能裝置的封裝外殼產生裂紋、穿透等疲勞破壞最終導致泄漏。

相變儲能裝置的泄露等封裝安全性問題主要是由于相變材料相變時體積周期性膨脹和自身腐蝕性引起的。因此，對相變儲能裝置的設計既要保證裝置內有良好的傳熱特性，又要使得儲能裝置的封裝結構可以抗疲勞損傷，以滿足長期服役的航天器的工作要求。對于高速飛行的航天器內，如何在微重力、真空、變溫等極端環境下密封儲能介質同樣是一大難題。其次，在達到溫控要求的前提下，應盡可能滿足系統運行效率高、材料質量輕、結構緊湊、適應失重環境等要求。

專利CN201410164695.7公開的板式相變蓄熱換熱裝置，通過將相變材料儲存于并列密封箱的方式增大了相變材料換熱面積，強化了換熱效果。但是，若相變過程中相變材料體積變化大，其體積膨脹對封裝密封箱仍會產生較大的壓力，并造成裂紋或疲勞損傷。

專利申請CN104776744A公開的管殼式多功能相變儲能換熱器，相變儲能材料填充在雙層套管換熱管內。儲熱流體與取熱流體通過閥門切換走管程、走殼程或同時走管程或殼程，這種設計可加快儲熱和取熱速度。但這種結構未考慮到相變材料發生相變時體積發生較大變化的影響，且對內層管和外層管之間的環形空間的密封也未給出具體方案。

專利CN106662079A公開了一種將熱量轉化成其他能量的能量單元和利用能量單元的熱量回收裝置，主要涉及能量轉換領域。該裝置利用了相變材料相變引起的體積變化來進行熱量回收。裝置內含兩個室并由彈性薄膜分隔開，利用含有溫差的流體使第一室內相變材料相變引起體積變化，擠壓第二室內的液壓流體，將熱量轉化為液壓能、機械能或電能。但該發明僅有第一第二室構成的一組可變空間，彈性薄膜內包含多個換熱通道，緊湊度低，換熱面積小。且該發明中的彈性薄膜變形越大能量轉化效率越高。

專利CN204612559U公開了一種儲熱式節能節水器，其中儲熱材料溫度升高并發生固-液相變，相變過程引起的體積變化通過彈性體積補償器中彈簧的伸縮得以補償。但這種含有彈簧和頂片的彈性補償器密封性差，結構不穩定，難以滿足長時間的周期性的體積變化。