一种蓄热热芯及其制备方法、蓄热模组和蓄热系统

摘要

本发明提供了一种蓄热热芯及其制备方法、蓄热模组和蓄热系统，属于相变材料技术领域，克服现有技术中蓄热材料牺牲较多潜热，结构不稳定等缺陷。本发明蓄热热芯，包括外壳、核心相变区和设置在外壳与核心相变区之间的混溶层；所述外壳由骨架材料构成，所述核心相变区由核心材料构成，所述骨架材料的相变温度大于所述核心材料的相变温度；所述混溶层为包括骨架材料和核心材料的复合材料，所述混溶层中核心材料的含量由外壳至核心相变区的方向逐渐升高。

说明书

技术领域

本发明属于相变材料技术领域，具体涉及一种蓄热热芯及其制备方法、蓄热模组和蓄热系统。

背景技术

相变材料在太阳能光热发电、工业余热回收以及电制热清洁供暖领域发挥了巨大作用，Solar Salt和Hitec这类高温无机熔盐类相变材料已被广泛应用于传热和蓄热，投入商业运营，另外，基于有机物的相变流体、相变乳液也被开发并用于大功率、高功耗器件的冷却和均温。但是由于这类材料本身的导热系数很低，因此在需要快速吸放热的应用场景，需要采用高导热系数物质，比如金属、石墨、陶瓷等进行掺杂，形成复合材料，这就牺牲了部分潜热，且此类相变材料易潮解，使用温度范围较窄，高温热稳定性差。

相比于熔融盐，金属或者合金作为相变储热材料热导率高、热稳定性好，熔化温度和储热密度高、金属单位体积潜热高。但采用金属材料在相变过程中有液相产生，具有流动性和腐蚀性。现有技术为了克服上述问题，公开了一种Al/Al

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中蓄热材料牺牲较多潜热，结构不稳定等缺陷，从而提供一种蓄热热芯及其制备方法、蓄热模组和蓄热系统。

为此，本发明提供了以下技术方案。

一种蓄热热芯，包括外壳、核心相变区和设置在外壳与核心相变区之间的混溶层；

所述外壳由骨架材料构成，所述核心相变区由核心材料构成，所述骨架材料的相变温度大于所述核心材料的相变温度；

所述混溶层为包括骨架材料和核心材料的复合材料，所述混溶层中核心材料的含量由外壳至核心相变区的方向逐渐升高。

进一步的，所述核心材料为金属单质或合金；所述骨架材料为无机单质、合金或化合物；

所述骨架材料的相变温度高于所述核心材料的相变温度100℃以上；

所述骨架材料与核心材料的莫氏硬度差值≤4。

进一步的，所述核心材料为铝、锌、锡、铝锌合金、铝镁合金或铝镁锌合金；和/或

所述骨架材料为硅、铜、铝硅合金，硅镁合金、铝硅镁合金、镁硅锌合金、鳞片状石墨、膨胀石墨、石墨烯、氧化镁或氧化铝；和/或

所述核心材料的平均粒径为5～200μm；和/或

所述骨架材料的平均粒径为5～200μm。

进一步的，核心材料为锡，骨架材料为石墨，所述锡的平均粒径为10～50μm，所述石墨的平均粒径为20～80μm，所述复合材料中，所述锡和石墨的质量比为(2～8)：1；或

核心材料为锡，骨架材料为铝，所述锡的平均粒径为10～50μm，所述铝的平均粒径为50～150μm，所述复合材料中，所述锡和铝的质量比为(4～16)：1；或

核心材料为铝锌合金，骨架材料为氧化镁，所述铝锌合金的平均粒径为20～80μm，所述氧化镁的平均粒径为20～60μm，所述复合材料中，所述铝锌合金和氧化镁的质量比为(2～16)：1；或

核心材料为铝硅合金，骨架材料为硅，所述铝硅合金的平均粒径为20～80μm，所述硅的平均粒径为10～40μm，所述复合材料中，所述铝硅合金和硅的质量比为(0.5～2)：1。

本发明还提供了一种蓄热热芯的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将核心材料和骨架材料以不同的比例混合；

步骤2、将具有不同核心材料含量的原料进行铺料，得到外周为骨架材料，内部为核心材料，外周和内部的交界区为复合材料的结构；

步骤3、对步骤2形成的结构进行压制，制得所述蓄热热芯。

进一步的，所述步骤3中，压制压力为30MPa-80MPa，保压时间10-30秒。

进一步的，所述步骤2中，在成型模具中进行铺料；

所述成型模具包括成型组件和辅助铺料组件，所述成型组件包括腔体，所述辅助铺料组件为管状，所述辅助铺料组件可拆卸的设置在所述腔体内，所述辅助铺料组件外壁与所述腔体内壁形成第一空间，所述辅助铺料组件内部为第二空间；

所述步骤2包括：

步骤201、在所述腔体内铺设骨架材料；

步骤202、将所述辅助铺料组件放入所述腔体内；

步骤203、在所述第一空间内填入骨架材料；

步骤204、在所述第二空间内填入多层复合材料，每层的复合材料中核心材料含量呈梯度升高；

填入纯的核心材料；

继续填入多层复合材料，每层的复合材料中核心材料含量呈梯度降低；

步骤205、移除所述辅助铺料组件，在最顶层铺设一层骨架材料；

所述步骤201和/或所述步骤205中，铺设的骨架材料的厚度为1-3mm；

所述第一空间垂直于所述辅助铺料组件方向的厚度为1-3mm；

所述步骤204中，每层复合材料的厚度为2～8mm。

本发明还提供了一种蓄热模组，包括蓄热热芯或所述的制备方法制得的蓄热热芯。

进一步的，所述蓄热热芯设置有多个，所述蓄热模组内部排布的蓄热热芯相变温度大于外围排布的蓄热热芯。

一种蓄热系统，包括蓄热热芯或制备方法制得的蓄热热芯，还包括加热件、电源和换热管路；

多个所述蓄热热芯形成蓄热阵列，所述加热件设置在所述蓄热阵列内，所述电源与所述加热件连接，所述换热管路与所述蓄热阵列连接。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的蓄热热芯，核心相变区为100％的核心材料，周边为辅助定型的骨架材料，最大程度提升蓄热热芯整体的体积蓄热密度，尽可能降低潜热的牺牲。在外壳与核心相变区之间设置混溶层，混溶层中核心材料的含量由外壳至核心相变区的方向逐渐升高，混溶层可有效缓冲壳体和核心相变区之间的界面差异，核心材料含量在复合材料中的梯度化设计，有助于平滑热流和温度，降低界面热应力，降低结构的不稳定性，避免随着蓄热热芯吸放热的循环造成外壳与核心相变区分离，避免使用过程中热性局部开裂、骨架材料剥落。

本发明所使用的金属相变材料可选相变温度范围宽(50-800℃)，潜热大(250-600kJ/kg)，导热性能好(30-350W/m/K)，能够克服中高温熔盐体系导热差的缺点、腐蚀性高的缺点。

2.本发明提供的蓄热热芯，核心材料采用金属单质或合金，金属材料的固液相变过程的巨大潜热和金属本身超高的导热能力，制备成的热芯具有高储热密度和快速充放热性能。

骨架材料的相变温度高于所述核心材料的相变温度100℃以上，合理选择两种熔点相差大的金属(或一种金属、另一种高导热无机材料)材料进行混溶和成型，能够实现在低熔点组分熔化(核心材料)呈液态后，因高熔点组分(骨架材料)仍呈固态而保持整体结构的完整性。

骨架材料与核心材料的莫氏硬度差值≤4，优选地≤3，保证蓄热热心外壳、混溶层和核心相变区可一体成型。

3.本发明提供的蓄热热芯，所述核心材料的平均粒径为5～200μm；和/或所述骨架材料的平均粒径为5～200μm。本发明所使用的金属颗粒可以为工业级质量的材料，也可为工业生产和生活回收并分筛后的金属矿渣，杂质对发明使用效果的影响不大。

4.本发明提供的蓄热热芯的制备方法，材料的混合方式和冷压成型工艺易操作、可规模化、能耗低的工业生产工艺。本发明通过优化压力、调控保压时间等参数优化方式，可以获得外形稳定、一致性好、成品率高的产品。且制备过程中采用的原料均采用颗粒或粉末，可避免层与层之间形成界面，避免界面导致的隔热、热阻高等问题，保证蓄热热芯的导热效率。本发明所提出的内外分离和梯度辅助填料方式以及一次性冷压工艺，确保每个热芯简便独立的整体封装，规避了金属熔融可能产生的流动和渗漏，进而和电热丝接触引起腐蚀和短路问题，可通过改变第一空间的厚度，达到最佳的传热效果。

5.本发明提供的蓄热模组，蓄热模组内部排布的蓄热热芯相变温度大于外围排布的蓄热热芯。从而拓宽蓄热模组的工作温度范围，提高不同品味热量的充分回收和利用，根据需求可以广泛应用于不同的工业蓄热和生活生产用热场景，通过提高利用率来有效降低热损失。

通过设计热芯的空间排布方式，形成大功率和高能量的蓄热模块或蓄热包，具有灵活的可扩展性、功能性和使用寿命。热芯原材料可以使用金属矿渣，热芯的成型工艺不需要高温，使用过程中不会产生有毒有害物质，因而生产和使用的整个生命周期绿色环保可持续。

6.本发明提供的蓄热系统，驱动空气作为换热和载热介质，通过流量阀控制换热管路和旁通管路中的气流比，从而可控输出出口风速和温度。将蓄热热芯进行合理的排列和堆积，形成阵列模块，采用带有绝缘保护的高温电热丝进行电加热，给模组进行充热，以空气作为载热流体，通过控制流量、流向、改变蓄热芯之间的空隙，达到功率可调的取热目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是成型模具纵截面示意图；

图2是成型模具使用时的纵截面示意图；

图3是密排阵列示意图；

图4是密排阵列俯视图；

图5是非密排阵列俯视图；

图6是蓄热系统示意图；

图7是实施例1的蓄热阵列排布示意图；

图8是实施例2的蓄热模组排布示意图；

图9是实施例3的蓄热模组排布示意图。

附图标记：

1-成型组件；101-腔体；2-辅助铺料组件；3-第一空间；4-第二空间；5-外壳；6-核心相变区；7-混溶层；8-蓄热热芯；9-加热件；10-保温隔热层；11-进风管道；12-出风管道，13-鼓风机，14-第一流量控制阀；15-第二流量控制阀，16-电源；17-开关；18-旁通管辂。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

本发明提供了一种蓄热热芯，包括外壳5、核心相变区6和设置在外壳5与核心相变区6之间的混溶层7；外壳5由骨架材料构成，核心相变区6由核心材料构成，骨架材料的相变温度大于核心材料的相变温度；混溶层7为包括骨架材料和核心材料的复合材料，混溶层7中核心材料的含量由外壳5至核心相变区6的方向逐渐升高。

核心材料为金属单质或合金；骨架材料为无机单质、合金或化合物；骨架材料的相变温度在核心材料的相变温度的100℃以上。

外壳是直接接触加热部件或者与加热部件空间上最靠近的部分，若外壳导热率低，则会影响热芯整体的充热功率，因此骨架材料选用较高导热率的材料，优选地，骨架材料导热率＞30W/mK。

骨架材料与核心材料的莫氏硬度差值≤4，优选≤3。

进一步的，核心材料为铝、锌、锡、铝锌合金、铝镁合金或铝镁锌合金；和/或

骨架材料为硅、铜、铝硅合金，硅镁合金、铝硅镁合金、镁硅锌合金、鳞片状石墨、膨胀石墨、石墨烯、氧化镁或氧化铝；和/或

核心材料的平均粒径为5～200μm；和/或

骨架材料的平均粒径为5～200μm。

本发明的一个实施例中，核心材料为锡，骨架材料为石墨，锡的莫氏硬度为1.8，石墨的莫氏硬度为1～2，锡的平均粒径为10～50μm，示例性的，为30μm，石墨的平均粒径为20～80μm，示例性的，为50μm，复合材料中，锡和石墨的质量比为(2～8)：1。

本发明的另一个实施例中，核心材料为锡，骨架材料为铝，锡的莫氏硬度为1.8，铝的莫氏硬度为2.5～3，锡的平均粒径为10～50μm，示例性的，为30μm，铝的平均粒径为50～150μm，示例性的，为100μm，复合材料中，锡和铝的质量比为(4～16)：1。

本发明的另一个实施例中，核心材料为铝锌合金，骨架材料为氧化镁，铝锌合金的莫氏硬度为3-4，示例性的，铝锌合金中，铝和锌的质量比为8：1，此时的莫氏硬度为3，氧化镁的莫氏硬度为6，铝锌合金的平均粒径为20～80μm，示例性的，为60μm，氧化镁的平均粒径为20～60μm，示例性的，为40μm，复合材料中，铝锌合金和氧化镁的质量比为(2～16)：1。

本发明的另一个实施例中，核心材料为铝硅合金，骨架材料为硅，铝硅合金的莫氏硬度为3～5，铝硅合金中铝和硅的质量比为1：12，此时莫氏硬度为4，硅的莫氏硬度为6.5，铝硅合金的平均粒径为20～80μm，示例性的，为50μm，硅的平均粒径为10～40μm，示例性的，为20μm，复合材料中，铝硅合金和硅的质量比为(0.5～2)：1。

本发明提供的蓄热热芯可以为圆柱形或方砖形。成型模具如图1、图2所示，包括成型组件1和辅助铺料组件2，成型组件1包括腔体101，辅助铺料组件2为管状，辅助铺料组件2可拆卸的设置在腔体101内，辅助铺料组件2外壁与腔体101内壁形成第一空间3，辅助铺料组件2内部为第二空间4。辅助铺料组件2根据目标蓄热热芯的几何结构改变，示例性的，辅助铺料组件2为具有一定刚性的圆管状或方形框架，辅助铺料组件2材质可以为金属。成型组件1为适用于液压机的承压不低于100Mpa的不锈钢模具。

本发明提供的蓄热热芯的制备方法包括以下步骤：

步骤1、将核心材料和骨架材料以不同的比例称量，分别放到研钵中进行混合、搅拌、研磨和混匀；

步骤2、将具有不同核心材料含量的原料按照先后顺序铺入成型模具中，得到外周为骨架材料，内部为核心材料，外周和内部的交界区为复合材料的结构。具体包括以下步骤：

步骤201、在腔体101底部均匀铺设一层骨架材料，厚度在1-3mm；

步骤202、将辅助铺料组件2放入腔体101内，辅助铺料组件2底部插入已铺好的骨架材料内以固定，辅助铺料组件2外壁与腔体101内壁形成的第一空间3垂直于辅助铺料组件方向的厚度为1-3mm；

步骤203、在第一空间3内填入骨架材料；

步骤204、在第二空间4内填入多层复合材料，每层的复合材料中核心材料含量呈梯度升高；填入纯的核心材料；继续填入多层复合材料，每层的复合材料中核心材料含量呈梯度降低；每层复合材料的厚度为2～8mm；

步骤205、移除辅助铺料组件2，在最顶层铺设一层骨架材料，厚度在1-3mm。

步骤3、对步骤2形成的结构进行压制，制得蓄热热芯，压制压力为30MPa-80MPa，保压时间10-30秒。

本发明提供的蓄热模组，包括上述的蓄热热芯8和加热件9，多个蓄热热芯8排布形成蓄热阵列，加热件9设置在蓄热阵列内。按照加热件9布置方式，蓄热阵列可分为密排阵列和非密排阵列。

以圆柱形蓄热热芯为例：密排阵列中，如3、4图所示，加热件9为加热棒，加热棒贯穿蓄热热芯8之间的间隙；非密排阵列中，如图5所示，加热件9为带有绝缘保护套的蛇形加热毡，加热件9紧密包围在蓄热热芯8侧面。

优选的，蓄热模组内部排布的蓄热热芯相变温度大于外围排布的蓄热热芯。

本发明提供的蓄热系统，如图6所示包括多个蓄热热芯8、加热件9、电源和换热管路；多个蓄热热芯8形成蓄热阵列，加热件9设置在蓄热阵列内，电源16与加热件9连接，换热管路与蓄热阵列连接。换热管路包括进风管道11和出风管道12，载热流体通过进风管道11通入蓄热阵列内，换热后再通过出风管道流12出。示例性的，载热流体为空气。

示例性的，加热件9为多个合金电阻丝，穿插蓄热阵列的蓄热热芯之间；合金电阻丝由外部电源16提供电能。还包括控制通断路的开关17。

蓄热系统还包括保温隔热层10，保温隔热层10位于蓄热阵列外部，包裹蓄热阵列，示例性的，保温隔热层10可采用保温石棉、气凝胶或陶瓷保温板等材料。

还包括鼓风机13、旁通管路18、第一流量控制阀14和第二流量控制阀15。鼓风机13设置在进风管道11上，进风管道11和旁通管路18分别设置有第一流量控制阀14和第二流量控制阀15，用于控制通过蓄热阵列热交换后的载热流体和部分室温流体按一定比例的混合。

实施例1

本实施例提供了一种基于石墨-锡复合材料的蓄热热芯，按照表1配方称取一定质量的石墨-锡的(C-Sn)复合材料，加入圆柱状模具内，施压30MPa，保压10s，制备得到底面直径20mm，高6.6cm，壁厚1mm，质量106g的蓄热热芯。石墨粉平均粒径为50μm，锡粉的平均粒径为30μm。

表1蓄热热芯从下至上的成分表

将61个蓄热热芯排列成蜂窝状阵列，如图7所示，加热件为带有绝缘保护套的加热毡，如图5，以蛇形布置方式设置在蜂窝状阵列内，制成蓄热模组，蓄热模组性能见表2。

表2蓄热模组性能

采用上述蓄热模组组装蓄热系统，采用蓄热系统性对蓄热模组进行充放热测试，蓄热系统控制条件表3。

表3蓄热系统控制条件及测试结果

充热时间＝储热容量/电加热总功率

以10kW的电加热总功率对蓄热模组中的蓄热热芯进行充热，1分12秒完成满充，通过第一流量控制阀设置进风风量为10-30L/s，根据预设的出风温度60℃对第二流量控制阀阀的开度进行调节，经过500次充放热循环后，本实施例中蓄热热芯的外壳未发生变形和脱落。

实施例2

本实施例提供了一种基于硅-铝硅合金的蓄热热芯，按照表4配方称取一定质量的硅-铝硅合金(Si-AlSi

表4蓄热热芯从下至上的成分表

采用100个上述蓄热热芯堆排列成10×10的阵列，如图8所示，加热件为带有绝缘保护套的加热毡，电热丝排布在蓄热热芯之间，制成蓄热模组，蓄热模组性能见表5。

表5蓄热模组性能

采用上述蓄热模组组装蓄热系统，采用蓄热系统性对蓄热模组进行充放热测试，蓄热系统控制条件及测试结果见表6。

表6蓄热系统控制条件及测试结果

以36kW的电加热总功率对蓄热模组中的蓄热热芯进行充热，5分钟完成满充。通过第一流量控制阀设置进风风量为20-40L/s，根据预设的出风温度150℃对第二流量控制阀阀的开度进行调节，经过1000次充放热循环后，本实施例中蓄热热芯的外壳未发生变形和脱落。

实施例3

本实施例提供了一种基于铝-锡复合材料的蓄热热芯，按照表7配方称取一定质量的铝-锡的(Al-Sn)混合材料，加入圆柱状模具内，施压30MPa，保压20s，制备得到底面直径30mm，高4.8mm，壁厚1mm，质量200g的蓄热热芯。铝粉平均粒径为100μm，锡粉平均粒径为30μm。

表7蓄热热芯从下至上的成分表

将61个蓄热热芯排列成蜂窝状阵列，如图9所示，加热电热丝贯穿热芯之间的间隙，制成蓄热模组，蓄热模组性能见表8。

表8蓄热模组性能

采用上述蓄热模组组装蓄热系统，采用蓄热系统性对蓄热模组进行充放热测试，蓄热系统控制条件及测试结果见表9。

表9蓄热系统控制条件及测试结果

以20kW的电加热总功率对模组中的热芯进行充热，1分10秒完成满充，通过第一流量控制阀设置进风风量为10-30L/s，根据预设的出风温度70℃对第二流量控制阀阀的开度进行调节，经过2000次充放热循环后，本实施例中蓄热热芯的外壳未发生变形和脱落。

实施例4

本实施例提供了一种基于氧化镁-铝锌合金的蓄热热芯，按照表10配方称取一定质量的氧化镁-铝锌合金(MgO-ZnAl

表10蓄热热芯从下至上的成分表

采用100个上述蓄热热芯堆排列成10×10的阵列，如图8所示，加热件为带有绝缘保护套的加热毡，电热丝排布在蓄热热芯之间，制成蓄热模组，蓄热模组性能见表11。

表11蓄热模组性能

采用上述蓄热模组组装蓄热系统，采用蓄热系统性对蓄热模组进行充放热测试，蓄热系统控制条件及测试结果见表12。

表12蓄热系统控制条件及测试结果

以36kW的电加热总功率对蓄热模组中的蓄热热芯进行充热，3分钟完成满充，通过第一流量控制阀设置进风风量为20-40L/s，根据预设的出风温度80℃对第二流量控制阀阀的开度进行调节，经过2000次充放热循环后，本实施例中蓄热热芯的外壳未发生变形和脱落。

对比例1

本对比例提供了一种基于石墨-锡复合材料的蓄热热芯，本发明与实施例1基本相同，不同之处仅在于，对比例未设置混溶层，内部均为核心材料。对组装成的蓄热系统进行充放热测试，蓄热系统控制条件与实施例1相同。经过500次充放热循环后，对比例中蓄热热芯的外壳发生变形并有部分脱落。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。