一种高效储热单元及其成型模具与制造方法.pdf

本发明涉及高效储热单元及其成型模具与制造方法，属于热能储存技术领域。成型模具包括型腔、上板、下板、承压杆及柱塞，型腔用于盛装复合相变材料，上板与下板可拆卸式设置在型腔的上下两端，下板上开设有容纳铜管穿过的型孔，铜管竖直设置在型腔内，且铜管下端位于下板的型孔中，上板上开设有容纳柱塞穿过的型孔，柱塞穿过上板上的型孔后，下端插入铜管中，承压杆焊接在上板上表面，压缩承压杆，使得上板沿柱塞向下滑动，压紧复合相变材料，使得铜管上端伸出复合相变材料表面。与现有技术相比，本发明所得的储热单元，因铜管与复合相变材料紧密接触，大大降低了接触热阻，具有较高的换热系数及换热效率。

权利要求书
1.  一种高效储热单元，由储热单元本体组合而成，所述的储热单元本体由复合相变材料及固定在复合相变材料内的铜管构成，其特征在于，所述的铜管均匀分布在复合相变材料中，且在沿垂直于铜管方向的截面上，储热单元本体长、宽尺寸满足关系式：宽度(mm)×铜管根数＝长度(mm)。

2.  根据权利要求1所述的一种高效储热单元，其特征在于，所述的储热单元本体两端，铜管长度各留出不小于8mm的余量。

3.  一种制造权利要求1或2所述的高效储热单元的成型模具，其特征在于，该成型模具包括型腔、上板、下板、承压杆及柱塞，所述的型腔用于盛装复合相变材料，所述的上板与下板可拆卸式设置在型腔的上下两端，所述的下板上开设有容纳铜管穿过的型孔，所述的铜管竖直设置在型腔内，且铜管下端位于下板的型孔中，所述的上板上开设有容纳柱塞穿过的型孔，所述的柱塞穿过上板上的型孔后，下端插入铜管中，所述的承压杆焊接在上板上表面，压缩承压杆，使得上板沿柱塞向下滑动，压紧复合相变材料，使得铜管上端伸出复合相变材料表面。

4.  根据权利要求3所述的一种成型模具，其特征在于，所述的上板与下板均由两块完全相同的带半圆型缺口的板组成，两块带半圆型缺口的板组合后得到圆形的型孔，所述的型孔数量与铜管或柱塞数相等。

5.  根据权利要求3所述的一种成型模具，其特征在于，所述的上板的型孔直径比柱塞直径大0.5mm，下板的型孔直径比铜管外径大0.5mm。

6.  根据权利要求3所述的一种成型模具，其特征在于，所述的型腔由两个L型钢板构成，L型钢板一边用两个合页连接，另一边用两个门搭扣连接。

7.  根据权利要求3所述的一种成型模具，其特征在于，所述的柱塞为一体式铝棒，由上段的圆柱形粗铝棒与下段的圆柱形细铝棒构成，所述的圆柱形细铝棒插入铜管内，且圆柱形细铝棒直径比铜管内径小0.5mm。

8.  一种通过权利要求3所述的成型模具制造储热单元的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将型腔与下板组装后，将铜管竖直设置在型腔内，且铜管下端位于下板的型孔中，再将柱塞下段插入铜管中；
(2)填料：将调配好的复合相变材料按量填充到型腔中；
(3)加压：将上板对应地夹住柱塞，并合并上板，将上板压入型腔中，然后使用液压机对承压杆施压，当储热单元被压至设定的尺寸时加压结束，此时，上板已经完全穿过柱塞；
(4)开模及脱模：将模具从液压机工作台取下，水平放置，再取下柱塞，拨开门搭扣以打开模具型腔，然后取下上板、下板，即可得到储热单元。

说明书一种高效储热单元及其成型模具与制造方法
技术领域
本发明涉及热能储存技术领域，尤其是涉及一种高效储热单元及其成型模具与制造方法。
背景技术
当今，随着社会的发展，人们对于能源的需求量越来越大，能源利用过程中付出的金钱成本与环境成本也越来越高。热能储存技术有效地解决了能量供求在时间与空间上不匹配的矛盾，大大地提高了能源利用效率，是实现节能减排的最有效的手段之一。在所有热能储存技术中，潜热储存是目前最有效的热能储存方法，然而，潜热储存技术中所用相变材料导热系数较小以及换热器换热效率较低，成为限制潜热储存技术广泛应用的最大障碍。将相变材料与一些添加剂(如膨胀石墨、金属泡沫等)结合制备成定型的复合相变材料，在一定程度上解决了相变材料导热系数低的问题，复合材料内部导热系数大大增加了。但是，这样得到的定型相变材料与换热流体间的换热系数相比非定型相变材料却降低了。常规的制备储热单元的方法是：先将复合相变材料压块成型，制备成带有半圆型槽的定型相变材料，在半圆型槽处放入铜管，然后再将两块定型相变材料合并，最终铜管均匀分布在定型相变材料之间。这样的方法得到的储热单元由于铜管与复合相变材料间有一定的空隙，因此接触热阻较大，必然导致整体换热能力降低，无法满足实际应用的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种换热系数高、结构简单、可模块化应用的新型规整储热单元。
本发明的另一目的：提供一种用于制造上述具有较高换热系数的新型规整储热单元的成型模具。
本发明的又一目的：提供一种制造上述具有较高换热系数的新型规整储热单 元的制造方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高效储热单元，由储热单元本体组合而成，所述的储热单元本体由复合相变材料及固定在复合相变材料内的铜管构成，所述的铜管均匀分布在复合相变材料中，且在沿垂直于铜管方向的截面上，储热单元本体长、宽尺寸满足关系式：宽度(mm)×铜管根数＝长度(mm)。
所述的储热单元本体两端，铜管长度各留出不小于8mm的余量，以便焊接铜管弯头。
由于铜管与复合相变材料是压缩成型的，将铜管与复合相变材料紧密结合在一起时，使铜管与复合相变材料之间有较小的接触热阻。
一种制造高效储热单元的成型模具，该成型模具包括型腔、上板、下板、承压杆及柱塞，所述的型腔用于盛装复合相变材料，所述的上板与下板可拆卸式设置在型腔的上下两端，所述的下板上开设有容纳铜管穿过的型孔，所述的铜管竖直设置在型腔内，且铜管下端位于下板的型孔中，所述的上板上开设有容纳柱塞穿过的型孔，所述的柱塞穿过上板上的型孔后，下端插入铜管中，所述的承压杆焊接在上板上表面，压缩承压杆，使得上板沿柱塞向下滑动，压紧复合相变材料，使得铜管上端伸出复合相变材料表面。
所述的上板与下板均由两块完全相同的带半圆型缺口的板组成，两块带半圆型缺口的板组合后得到圆形的型孔，所述的型孔数量与铜管或柱塞数相等。
所述的上板的型孔直径比柱塞直径大0.5mm，保证插入柱塞后可沿柱塞方向自由移动，下板的型孔直径比铜管外径大0.5mm，下板及柱塞均起到定位作用。
所述的型腔由两个L型钢板构成，L型钢板一边用两个合页连接，另一边用两个门搭扣连接，以便于在压缩成型后打开型腔将储热单元取出。
所述的柱塞为一体式铝棒，由上段的圆柱形粗铝棒与下段的圆柱形细铝棒构成，所述的圆柱形细铝棒插入铜管内，且圆柱形细铝棒直径比铜管内径小0.5mm。圆柱形粗铝棒长度(L/mm)依据铜管长度(Lc/mm)与模具型腔高度(H/mm)而定，满足关系：L>Lc+H+8mm，以确保压缩前能较容易地将柱塞插入对应的上板圆孔中。
一种通过所述的成型模具制造储热单元的方法，包括以下步骤：
(1)将型腔与下板组装后，将铜管竖直设置在型腔内，且铜管下端位于下板 的型孔中，再将柱塞下段插入铜管中；
(2)填料：将调配好的复合相变材料按量填充到型腔中；
(3)加压：将上板对应地夹住柱塞，并合并上板，将上板压入型腔中，然后使用液压机对承压杆施压，当储热单元被压至设定的尺寸时加压结束，此时，上板已经完全穿过柱塞；
(4)开模及脱模：将模具从液压机工作台取下，水平放置，再取下柱塞，拨开门搭扣以打开模具型腔，然后取下上板、下板，即可得到储热单元。
由于上板、下板均由两块带半圆型的板组成，非常容易分离，步骤(4)中不会出现因压缩过程中水平方向上受力不均匀而可能发生铜管与上、下板卡死的情况。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明所得的储热单元，因铜管与复合相变材料紧密接触，大大降低了接触热阻，具有较高的换热系数及换热效率。
2、本发明可通过控制储热单元的体积，进而得到具有储热能力可量化的储热单元模块，将一定数量的储热模块串联即可满足一定的储热要求。
3、本发明的成型模具与制造方法，对复合相变材料配方要求低，适用于广泛的复合相变材料配方，施压脱模协调工作，可保证成型的储热坯体尺寸准确、密度均匀，易于实现自动化生产、生产效率高。
4、模具结构简单、设计合理，制造成本较低，各部件分离，便于制造，维修更换方便。
附图说明
图1为成型模具主视结构示意图；
图2为图1中A处放大结构示意图；
图3为成型模具俯视结构示意图；
图4为上板主视结构示意图；
图5为半块上板俯视结构示意图；
图6为组合后上板俯视结构示意图；
图7为半块下板的结构示意图；
图8为组合后下板结构示意图；
图9为柱塞的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种制造高效储热单元的成型模具，如图1～图2所示，该成型模具包括型腔1、上板2、下板3、承压杆4及柱塞5，型腔1用于盛装复合相变材料7，上板2与下板3可拆卸式设置在型腔1的上下两端，下板3上开设有容纳铜管6穿过的型孔，铜管6竖直设置在型腔1内，且铜管6下端位于下板3的型孔中，上板2上开设有容纳柱塞5穿过的型孔，柱塞5穿过上板2上的型孔后，下端插入铜管6中，承压杆4焊接在上板2上表面，压缩承压杆4，使得上板2沿柱塞5向下滑动，压紧复合相变材料7，使得铜管6上端伸出复合相变材料7表面。
如图3所示，型腔1由两个L型钢板11构成，L型钢板11一边用两个合页12连接，另一边用两个门搭扣13连接，以便于在压缩成型后打开型腔1将储热单元取出。
如图4～图8所示，上板2与下板3均由两块完全相同的带半圆型缺口的板组成，两块带半圆型缺口的板组合后得到圆形的型孔8，型孔8数量与铜管6或柱塞5数相等。上板2的型孔8直径比柱塞5直径大0.5mm，保证插入柱塞5后可沿柱塞5方向自由移动，下板3的型孔8直径比铜管6外径径大0.5mm，下板3及柱塞5均起到定位作用。
如图9所示，柱塞5为一体式铝棒，由上段的圆柱形粗铝棒51与下段的圆柱形细铝棒52构成，圆柱形细铝棒52在使用时插入铜管6内，且圆柱形细铝棒52直径比铜管6内径小0.5mm。圆柱形粗铝棒51长度(L/mm)依据铜管6长度(Lc/mm)与模具型腔1高度(H/mm)而定，满足关系：L>Lc+H+8mm，以确保压缩前能较容易地将柱塞5插入对应的上板2圆孔中。
实施例2
通过实施例1描述的成型模具制造储热单元，包括以下步骤：
(1)将型腔与下板组装后，将铜管竖直设置在型腔内，且铜管下端位于下板的型孔中，再将柱塞下段插入铜管中；
(2)填料：将调配好的复合相变材料按量填充到型腔中；
(3)加压：将上板对应地夹住柱塞，并合并上板，将上板压入型腔中，然后使用液压机对承压杆施压，当储热单元被压至设定的尺寸时加压结束，此时，上板已经完全穿过柱塞；
(4)开模及脱模：将模具从液压机工作台取下，水平放置，再取下柱塞，拨开门搭扣以打开模具型腔，然后取下上板、下板，即可得到储热单元。
由于上板、下板均由两块带半圆型缺口的板组成，非常容易分离，步骤(4)中不会出现因压缩过程中水平方向上受力不均匀而可能发生铜管与上板、下板卡死的情况。
本实施例中，复合相变材料为85wt％硬脂酸与15wt％膨胀石墨混合而成，铜管为硬质紫铜管。
本实施例得到的高效储热单元，由储热单元本体组合而成，储热单元本体由复合相变材料及固定在复合相变材料内的铜管构成，铜管均匀分布在复合相变材料中，且在沿垂直于铜管方向的截面上。
储热单元外形为方块状立体六面体结构，尺寸为300mm×30mm×260mm，铜管数量为10根，均匀分布，铜管两端各留出10mm的余量在复合材料外部以便于焊接铜管弯头，复合相变材料的密度为1500kg/m3。
由于铜管与复合相变材料是压缩成型的，铜管与复合相变材料结合紧密，具有较小的接触热阻，并且可以通过压缩行程控制储热单元的密度，以及铜管与复合相变材料结合的紧实度，制造高效模块化储热单元，以满足使用要求。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。