專利名稱：蓄熱設(shè)備所用的熱交換構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄熱設(shè)備，尤其是在蓄熱設(shè)備中用來儲冷并隨后釋冷的熱交換構(gòu)件。
在非峰值電能期間形成冰且隨后用冰的冷來冷卻傳熱流體的這種蓄熱設(shè)備，已為人所知，例如從美國專利第4831831號可知。通常，在冰的生產(chǎn)周期期間，傳熱流體是通過機(jī)械制冷裝置向一入口集流管提供的，且它隨后穿過浸入一槽通常為水的液態(tài)變相材料中的單獨(dú)管形通道。傳熱流體的溫度，通常低于水的冰點(diǎn)溫度。冰點(diǎn)以下的傳熱流體的這種流動，起到使槽中的水結(jié)冰的作用，且冰形成一些環(huán)繞著單獨(dú)管形通道的環(huán)形物。此種蓄熱設(shè)備，通常是內(nèi)融型或外融型的設(shè)備。在內(nèi)融型設(shè)備中，在融化周期期間，當(dāng)傳熱流體通常是穿過空調(diào)系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng)中的熱交換器而已變暖之后，傳熱流體就穿過單獨(dú)管形通道而環(huán)流以便冷卻該流體。然后，傳熱流體又返回?zé)峤粨Q器。傳熱流體在融化周期期間通常也可行經(jīng)一個冷卻器，且蓄熱設(shè)備可用來把傳熱流體進(jìn)一步冷卻得低于冷卻器所產(chǎn)生的溫度。當(dāng)傳熱流體在蓄熱設(shè)備中被冷卻時，環(huán)繞著通道的冰的環(huán)狀物就融化。冷卻了的傳熱流體又向熱交換設(shè)備或冷卻器或同時向這兩者環(huán)流。在外融型設(shè)備中，已冷卻的變相材料被抽出槽子而用于蓄熱設(shè)備外面。傳熱流體可依設(shè)備的類型而變化，對于內(nèi)融型設(shè)備，可用甘醇或丙二醇作傳熱流體；對于外融型設(shè)備，則可用氨或用R22。
在此類設(shè)備中，已采用不同系統(tǒng)的槽及管形通道?，F(xiàn)有的這種蓄熱系統(tǒng)的一個問題，是融化周期的效率降低得時間太長。當(dāng)冰環(huán)形物融化時，在管子與環(huán)狀冰膜之間形成水環(huán)形物，太長時間地降低熱交換器的效率，以致冷卻劑的溫度逐漸升高，或使得傳熱流體長時間地離開蓄熱設(shè)備。
現(xiàn)有技術(shù)的蓄熱系統(tǒng)還存在其他一些問題。例如，在使用置于圓形槽中的塑料螺旋管的系統(tǒng)中，螺旋管與圓形槽通常都大，且要安裝在現(xiàn)有建筑的地下室中就成問題。在一些使用塑料管路的系統(tǒng)中，槽子中的可用空間并未充分發(fā)揮效率地被利用。采用鋼螺旋管的系統(tǒng)，則并未使這些系統(tǒng)易于拆卸地好安裝，也就是說好在現(xiàn)場拆開與重新組裝，且它們又笨重，因此不便搬進(jìn)現(xiàn)有建筑的地下室里。鋼制的用冰冷卻的蓄熱設(shè)備通常也沉重，且移動起來很麻煩。
本發(fā)明的目的，是提供一種蓄熱設(shè)備，它便于制造與組裝，且它可更有效地使用所儲存的冷。
在各張圖紙的各附圖中，同樣的標(biāo)號代表同樣的部件，且

圖1是符合本發(fā)明各項(xiàng)原理的蓄熱設(shè)備的頂視平面圖；圖1A是沿著圖1中線段1A-1A截取繪制的圖1所示蓄熱設(shè)備的部分剖視圖；圖2是沿著圖1中線段2-2截取繪制的圖1所示蓄熱設(shè)備的剖視圖；圖3是沿著圖2中線段3-3截取繪制的圖1與圖2所示設(shè)備中一個熱交換構(gòu)件的剖視圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)的熱交換管中一條單獨(dú)管形通道的剖視圖，所示者為制冰周期結(jié)束時的狀況；圖4A是現(xiàn)有技術(shù)的熱交換管中一條單獨(dú)管形通道的剖視圖，所示者為融化周期期間的狀況；圖5是沿著圖2中線段5-5截取繪制的圖2所示熱交換構(gòu)件的一部分的剖視圖，所示者為制冰周期結(jié)束時的狀況；圖5A是沿著圖2中線段5-5截取繪制的圖2所示熱交換構(gòu)件的一部分的剖視圖，所示者為融化周期期間的狀況；圖6是兩個熱交換構(gòu)件的簡略透視圖，顯示連接著該兩個構(gòu)件的入口導(dǎo)管與出口導(dǎo)管，以及可能與冷卻器或空調(diào)設(shè)備的連接處；圖7是兩個并排聯(lián)用的熱交換構(gòu)件的部分透視圖，顯示形成于圖9所示實(shí)施例的熱交換構(gòu)件之間的固態(tài)變相材料；圖7A是兩個并排聯(lián)用的熱交換構(gòu)件的部分透視圖，顯示形成于圖1與圖2所示實(shí)施例的熱交換構(gòu)件之間的固態(tài)變相材料；圖7B是兩個并排聯(lián)用的熱交換構(gòu)件的又一部分透視圖，顯示形成于圖10至13所示實(shí)施例的熱交換構(gòu)件之間的固態(tài)變相材料；圖8是一可替換實(shí)施例的熱交換構(gòu)件透視圖，顯示兩個并排聯(lián)用的熱交換構(gòu)件；圖9是一可替換實(shí)施例的熱交換構(gòu)件透視圖，顯示兩個并排聯(lián)用的熱交換構(gòu)件；圖10是符合本發(fā)明的蓄熱設(shè)備又一實(shí)施例的頂視平面圖；圖11是沿著圖10中線段11-11截取繪制的圖10所示蓄熱設(shè)備的剖視圖；圖12是沿著圖10中線段12-12截取繪制的圖10所示蓄熱設(shè)備的剖視圖；圖13是沿著圖12中線段13-13截取繪制的圖12所示蓄熱設(shè)備中一個熱交換構(gòu)件的一部分的剖視圖；圖14是可替換用于本發(fā)明中的一種熱交換構(gòu)件的部分透視圖；圖15是沿著圖14中線段15-15截取繪制的圖14所示熱交換構(gòu)件的剖視圖；圖16是沿著圖14中線段16-16截取繪制的圖14與圖15所示熱交換構(gòu)件的一部分的剖視圖，所示者為制冰周期結(jié)束時的狀況；圖16A是沿圖14中線16-16截取的圖14-15的熱交換構(gòu)件的一部分的剖視圖；圖17是顯示第五實(shí)施例的熱交換構(gòu)件的蓄熱設(shè)備剖視圖；以及圖18是顯示第六實(shí)施例的熱交換構(gòu)件的蓄熱設(shè)備剖視圖。
體現(xiàn)本發(fā)明各項(xiàng)原理的第一實(shí)施例蓄熱設(shè)備10，顯示于圖1與圖2中。如圖所示，蓄熱設(shè)備10包括裝有變相材料或介質(zhì)14的槽12。一組熱交換構(gòu)件16浸于槽12的變相材料14中。所示的蓄熱設(shè)備是內(nèi)融型的，盡管應(yīng)當(dāng)明白本發(fā)明的學(xué)說并不局限于內(nèi)融型蓄熱設(shè)備，也是如此。
在以下說明中，本發(fā)明的多個不同實(shí)施例均參照附圖加以說明。盡管在每個實(shí)施例中各個部件可能像下述那樣有一些不同的特性，但在不同的實(shí)施例中，同樣的標(biāo)號卻用于表述同樣的部件。
槽12可如圖1與圖10所示那樣是矩形的。此種矩形的形狀，是優(yōu)化地利用空間來蓄熱的一種有效率的形狀。所示槽12具有豎直的側(cè)壁18、底19以及中央豎直平面20，且它可用標(biāo)準(zhǔn)材料例如鋼或任何結(jié)構(gòu)上可接受的替代物例如鋁，或強(qiáng)化纖維材料例如玻璃纖維制成，而且它可以是雙層壁結(jié)構(gòu)的，兩層壁之間具有標(biāo)準(zhǔn)的隔離，專業(yè)人員都會明白這一點(diǎn)。槽可有一個隔離蓋(未顯示)，且可有空間供變相材料14在凍結(jié)時膨脹所用。槽12可由一些可在現(xiàn)場組裝的單獨(dú)的部件構(gòu)成。
變相材料14可以是在標(biāo)準(zhǔn)的蓄熱系統(tǒng)中用于此目的的任何標(biāo)準(zhǔn)材料，例如Merryfull在美國專利第5109920號(1992年)及MacCracken在美國專利第4294078號中公開的那種。適于用在所示蓄熱設(shè)備中的典型變相材料是水。
那組熱交換構(gòu)件16，浸在槽12中的變相材料14里。在第一個所示實(shí)施例中，熱交換構(gòu)件16包括一些長條板，且槽中具有在圖1中標(biāo)示為16a-16r的18個熱交換構(gòu)件16。然而應(yīng)當(dāng)明白，熱交換構(gòu)件的數(shù)量、形狀與排列，以及槽的大小與形狀，均可根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)和空間要求而變化。例如，在圖10至12所示實(shí)施例中，有標(biāo)示為16a-16b的數(shù)量較少的熱交換構(gòu)件16，以及一個較小的槽12。
第一個所示實(shí)施例中所有的熱交換構(gòu)件16a-16r，均配置得與圖1、圖2中所示為20處的槽的一個中央豎直平面垂直。在第一個所示實(shí)施例中，每個熱交換構(gòu)件16均有一條豎直的中央軸線22與槽的中央豎直平面20標(biāo)齊，使得每個熱交換構(gòu)件均垂直于矩形槽較長的壁而運(yùn)行。然而應(yīng)當(dāng)明白，這些熱交換構(gòu)件可如圖10至12所示實(shí)施例中那樣被配置得與矩形槽較長的壁平行。
下面詳細(xì)說明一個熱交換構(gòu)件16。應(yīng)當(dāng)明白，以下說明也可應(yīng)用于蓄熱設(shè)備中其余的熱交換構(gòu)件，盡管變換的熱交換構(gòu)件轉(zhuǎn)動了180°。
每個熱交換構(gòu)件16均有一個入口24與一個出口26，且有一條連接著每個熱交換構(gòu)件的入口24與出口26的流路以便使傳熱流體29行經(jīng)熱交換構(gòu)件。每個熱交換構(gòu)件16的入口24經(jīng)由一條入口管道28而連接著傳熱流體29的源30，且每個熱交換構(gòu)件16的出口26經(jīng)由一條出口管道32連接著熱交換設(shè)備34，不過該出口管道也可以如圖6與圖10所示那樣連接著傳熱流體的源30。
傳熱流體的源30通常是一個較冷的設(shè)備。在正常操作過程中，冷卻器30會把傳熱流體29冷卻得溫度低于變相材料14在非峰值電能值使用期間所達(dá)到的冰點(diǎn)。被冷卻的傳熱流體然后就行經(jīng)熱交換構(gòu)件16而環(huán)流。當(dāng)傳熱流體29行經(jīng)每個熱交換構(gòu)件16而環(huán)流時，變相材料14就冷卻并凍結(jié)成固態(tài)形式例如冰。在此制冰周期期間，經(jīng)出口管道32退出的傳熱流體29可返回冷卻器30而冷卻與再環(huán)流，以便繼續(xù)進(jìn)行制冰過程。當(dāng)要求使用蓄熱設(shè)備10儲存的冷時，例如在峰值電能使用期間，在傳熱流體29行經(jīng)熱交換設(shè)備34例如空調(diào)系統(tǒng)環(huán)流之前，可首先經(jīng)由蓄熱設(shè)備10使冷環(huán)流以便冷卻空調(diào)中所用的傳熱流體29。在此種使用周期期間，所儲存的固態(tài)變相材料例如冰就融化，且傳熱流體29由于所儲存的冰而冷卻該流體，其溫度就下降。蓄熱設(shè)備所儲存的冷，可用來增補(bǔ)冷卻器30對于傳熱流體29的效果，或在有些或所用峰值電能使用期間替代冷卻器30。用于此種操作的管道35及閥門37的線路，其例子如圖6與圖10所示。
在第一個所示實(shí)施例中，在每個熱交換構(gòu)件16中，入口24包括一根具有中央縱向軸線42的入口集流管40。每個熱交換構(gòu)件16的出口，則包括一根具有中央縱向軸線46的出口集流管44，此軸線與入口集流管40的中央縱向軸線42平行。所示入口集流管與出口集流管40、44，具有共同縱延的軸線42、46，且集流管形狀為筒形的。入口集流管與出口集流管40、44，可由分別的兩根例如沿著一個流體堵頭51而首尾相連地安置為端部封閉的空心管筒構(gòu)成，或由單獨(dú)一根長的空心管筒構(gòu)成，在此單獨(dú)管筒兩端之間的中部置有一個密封盤，以便形成一個流體堵頭，阻擋入口集流管部分與出口集流管部分之間的流體流動，且這兩個部分的末端均被密封。也可采取其他結(jié)構(gòu)，例如一根集流管可以豎直地或水平地與另一根集流管偏位。集流管40、44可用任何適合的材料制成。盡管可用金屬來制成集流管，但最好是用塑料，例如聚氯乙烯、聚丙烯或聚乙烯，來把集流管制得輕便。集流管最好硬得足以支承熱交換構(gòu)件的重量而不彎曲。
第一個所示實(shí)施例中的每個熱交換構(gòu)件16，均包括一根具有中央縱向軸線50的下部連接集流管48。下部連接集流管48與入口集流管40及出口集流管44有間隔，且它的中央縱向軸線50與入口集流管及出口集流管40、44的中央縱向軸線42、46平行。它可用入口集流管和出口集流管所用的同樣材料制成，且形狀可以是筒形的，兩端被密封。下部連接集流管48是傳熱流體29流路的一部分。
在第一個所示實(shí)施例中，所有的集流管40、44、48，都連接著一塊熱交換分隔板52。所示連續(xù)的熱交換分隔板52，具有與槽12中的變相材料14相接觸的連續(xù)的相反的表面54、56。熱交換分隔板52的上端58，連接著入口集流管40和出口集流管44；而下端60則連接著下部連接集流管48。若干管形流體通道62，處于基本上是連續(xù)的相反的表面54、56之間的連續(xù)的熱交換分隔板52內(nèi)，且這些管形流體通道62至少限定著基本上是連續(xù)的相反的表面54、56那些部分。在此實(shí)施例中，管形流體通道62是線性的，且具有與入口集流管40、出口集流管44及下部連接集流管48的中央縱向軸線42、46及50處于同一平面的中央縱向軸線64。第一實(shí)施例中的管形流體通道62，包括若干線性管形入口通道65和若干相鄰的線性管形出口通道66，所有這些通道，都位于熱交換板52的連續(xù)表面54、56之間。如圖2與3所示，相鄰的管形通道62沿著它們的整個長度彼此一個個橫向連接，而一個管形入口通道65則沿著其整個長度橫向連接著一個相鄰的管形出口通道66，這樣就限定著熱交換構(gòu)件連續(xù)的相反的表面54、56。管形通道可如圖示以任何常規(guī)方式而橫向連接，例如可用粘合材料把各根管子粘附在一起，或把一組管子模壓在一起，或用真空成形法連接。如果分隔板52或熱交換構(gòu)件16的通道62是用聚丙烯制成，各根長管子可通過熱熔而橫向連接；如果是用聚氯乙烯制成，則各根長管子可膠粘在一起。適當(dāng)輕便的塑料預(yù)制板也可真空成形，然后粘合在一起，如圖9所示在下文中要論述的那樣。如果集流管40、44和板52是用金屬制成，則可采用標(biāo)準(zhǔn)的連接方法。因此，可采用任何連接方式，這要依各根管子所用材料而定。被橫向連成板的通道的數(shù)量可以變化例如，可以有20根、50根、100根或更多的管子，每根管子又橫向連接著相鄰的管子。
應(yīng)當(dāng)明白，不必使管形通道如圖示那樣剖面都是圓形的。還應(yīng)當(dāng)明白，分隔板52的相反的表面54、56可以是基本連續(xù)而非完全連續(xù)的；在相鄰的管形通道62之間，或在分隔板52的其他位置上，可以有一些斷口，但各個相鄰的管形通道最好是沿著它們大多數(shù)的長度均橫向連接。
此外，不必使整個熱交換構(gòu)件16都浸在變相材料14中。例如，入口集流管與出口集流管40、44，可位于變相材料那個層面之上。在一些用途中，僅有通道62的那些部分會浸在變相材料14中，在這種情況下，各相鄰?fù)ǖ乐g的橫向連接，最好是沿著浸在變相材料中的那些通道長度的至少基本部分而連接。
每條管形入口通道65，與入口集流管40及下部連接集流管48連接得使流體通聯(lián)，而每條管形出口通道66則與出口集流管44及下部連接集流管48連接得使流體通聯(lián)。因此，就為傳熱流體29提供了一條在圖2中均標(biāo)示為67的流路。流路67從入口集流管40通往入口通道65，它包括穿過入口通道65通往下部連接集流管48的下行流路69、穿過下部連接集流管的連接流路71，以及穿過出口通道66通往出口集流管44的上行流路73。因此，傳熱流體在入口通道與出口通道65、66中就順著相反方向流動。
通道62與集流管40、44、48之間的連接，可通過形成于集流管40、44、48中用以接納熱交換分隔板52的末端58、60的適配孔或適配縫來進(jìn)行，用適當(dāng)?shù)拿芊獠牧闲纬闪黧w密封連接。密封的材料與方法，要根據(jù)各根集流管與熱交換構(gòu)件16所用材料進(jìn)行選擇；如果所用材料是聚丙烯，則采用熱熔法進(jìn)行密封；如果是用聚氯乙烯，則用膠粘法密封。熱交換分隔板，可以是福特(Ford)與其他人公開的美國專利第4098331號(1978年)中的太陽能采集板，且可如該專利所公開的那樣制造與組裝，所用材料也是該專利公開的那些，該公開專利在此一并作為參考。
第一個所示熱交換構(gòu)件16的入口通道與出口通道65、66，均有剖面為環(huán)形的內(nèi)壁，并包括長管筒。如圖3所示，第一個所示熱交換構(gòu)件16的相反的表面54、56，具有一些通過入口集流管、出口集流管40、44與下部連接集流管48之間長度的平行的凹陷70與圓脊72。圓脊72與管形通道62的形狀對應(yīng)，而凹陷72則與各相鄰管形通道之間的橫向連接處對應(yīng)。因此，第一個所示實(shí)施例中熱交換構(gòu)件16的熱交換分隔板52部分的相反的表面54、56，具有波狀起伏的外形。然而應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明不限于此種分隔板。例如圖14至16所示，熱交換構(gòu)件16的相反的表面54、56，可以是平坦的，其內(nèi)部的管形通道62為圓形剖面的或其他形狀的。
在第一個所示實(shí)施例中，管形入口通道與出口通道65、66的外徑約為1/4英寸，壁厚約為1/32英寸，內(nèi)徑約為3/16英寸；在圖3、13與15中標(biāo)為68的各相鄰?fù)ǖ?2的中央縱向軸線64之間的距離，約為管子外徑或大小的95％至100％。應(yīng)當(dāng)明白，可以采用其他大小與厚度。例如，管形通道的外徑可為0.15英寸，而壁厚可為10至14密耳。盡管考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最好采用圓筒形管形通道，但也可采用其他形狀的管形通道。
蓄熱設(shè)備所用第二個實(shí)施例的熱交換構(gòu)件16，如圖8所示。應(yīng)當(dāng)明白，對于與上述第一實(shí)施例相似的部件，使用了同樣的標(biāo)號。在圖8中，顯示了標(biāo)示為16a與16b的兩個相同熱交換構(gòu)件，盡管應(yīng)當(dāng)明白該蓄熱設(shè)備可包括如圖1所示實(shí)施例中的其他部件。下面要說明一個熱交換構(gòu)件16，且應(yīng)當(dāng)明白下述說明也適用于該蓄熱設(shè)備中的其他熱交換構(gòu)件。如圖8所示，每個熱交換構(gòu)件16，均具有一個包括入口集流管40與入口導(dǎo)管28的入口24，以及一個包括出口集流管44與出口導(dǎo)管32的出口26。圖8的實(shí)施例，具有相反的基本上連續(xù)的表面54、56，還有若干線性通道62。入口集流管40位于中央豎直軸線22的一側(cè)，而出口集流管44則位于該豎直軸線22的反向一側(cè)。通道62包括線性入口通道65與線性出口通道66。在此實(shí)施例中，流路67包括與入口集流管40有間隔的第一下部連接集流管147、位于入口集流管40與出口集流管44之間的上部連接集流管149、與入口集流管40及出口集流管44有間隔的第二下部連接集流管151以及上部連接集流管149，且通道62包括連接通道152。入口集流管40與出口集流管44的縱向軸線42、46是共同縱延的，且上部連接集流管149也用這些軸線。各條入口通道65彼此鄰接，并連接入口集流管40與第一下部連接集流管147。第一下部連接集流管147與第一組相鄰的連接通道152流體通聯(lián)，這些連接通道連接第一下部連接集流管147與上部連接集流管149。第二組連接通道152彼此鄰接，并連接上部連接集流管149與第二下部連接集流管151。出口通道165把第二下部連接集流管151與出口集流管44連接。
在圖8的實(shí)施例中，第一與第二連接集流管147、151被流體密封堵頭153、密封盤或相似物體隔開，入口集流管40與上部連接集流管149，以及上部連接集流管149與出口集流管44，也是如此。圖8的實(shí)施例為傳熱流體提供了更加回旋的通路，且流路可通過進(jìn)一步分隔上部與下部的連接集流管而再做改動。所示流路67包括傳熱流體29所用的下行流路69、連接流路71及上行流路73。在入口通道65中的流動方向，與出口通道66中的流動方向相反。圖8所示實(shí)施例中的熱交換構(gòu)件16，可以基本上相似于第一個實(shí)施例中所述的方式用適合的塑料制成，且各根集流管可如圖1的實(shí)施例那樣制成。各條通道也可具有相似于圖3所示那樣的剖面；可替換的是，可采用如圖14至16所示那樣的平坦板，從而使基本上連續(xù)的表面54、56可基本上是平的。
用于蓄熱設(shè)備的熱交換構(gòu)件16又一可用實(shí)施例，如圖9所示。應(yīng)當(dāng)明白，對于與上述第一及第二實(shí)施例相似的部件，使用了同樣的標(biāo)號。在圖9中，提供了標(biāo)示為16a與16b的兩個相同熱交換構(gòu)件，盡管應(yīng)當(dāng)明白該蓄熱設(shè)備包括如圖1的實(shí)施例中的其他構(gòu)件。下面詳細(xì)說明一個熱交換構(gòu)件16，但應(yīng)當(dāng)明白，下述說明也適用于該蓄熱設(shè)備中的其他熱交換構(gòu)件，盡管這些可換用的熱交換構(gòu)件如在第一與第二實(shí)施例中那樣在槽中轉(zhuǎn)了180°。如圖9所示，每個熱交換構(gòu)件16，均具有一個包括入口導(dǎo)管28的入口24、一個包括出口導(dǎo)管32的出口26、相反的基本上連續(xù)的表面54與56，以及若干限定著從入口24通往出口26的流路67的管形通道62。在此實(shí)施例中，管形通道62在入口導(dǎo)管28與出口導(dǎo)管32之間被首尾相連地連接，以便提供單一的連續(xù)流路。在所示實(shí)施例中，單一的連續(xù)流路具有帶一個盤旋區(qū)段的迂回型式。流路67包括傳熱流體29所用的下行流路69、連接流路71及上行流路73。在入口通道65中流動的下行方向，與在出口通道66中流動的上行方向相反。在流路67的各部分通道62之間，延伸著一塊塑料材料板200。各條通道62與板200一起包括分隔板52，且入口導(dǎo)管28與出口導(dǎo)管形成為每塊板的一部分。
在圖9的實(shí)施例中，管形通道62預(yù)制在固定位置上，且管形通道的各個相互連接區(qū)段被安置得順著不同的方向。圖9的實(shí)施例可由任何適合的材料例如聚氯乙烯制成，或用真空成形的及粘合以便生產(chǎn)每塊熱交換構(gòu)件板的塑料制成。
蓄熱設(shè)備10中的第四個實(shí)施例熱交換構(gòu)件16，如圖10至12所示。應(yīng)當(dāng)明白，對于與上述第一、第二及第三實(shí)施例相似的部件，使用了相同的標(biāo)號。在圖10與11中，提供了標(biāo)示為16a與16b的兩個相同的熱交換構(gòu)件，盡管應(yīng)當(dāng)明白，該蓄熱設(shè)備可包括如圖1所示實(shí)施例中的其他熱交換構(gòu)件。下面詳細(xì)說明一個熱交換構(gòu)件16，但應(yīng)當(dāng)明白，下述說明也適用于該蓄熱設(shè)備中的所有熱交換構(gòu)件。在第四實(shí)施例中，每個熱交換構(gòu)件16，也具有一個包括入口集流管40的入口24與一個包括出口集流管44的出口26。熱交換構(gòu)件還具有若干管形通道62，這些通道限定著基本上連續(xù)的相反的表面54、56，并限定著從入口24通往出口26的流路67。通道62包括一些線性入口通道65及線性出口通道66。如圖11所示，入口通道65與入口集流管40，具有位于共用豎直平面300上的中央縱向軸線64、42，且出口通道66與出口集流管44，具有位于一個與入口通道的平面300有間隔而又平行的共用豎直平面302上的中央縱向軸線64、46。在入口通道65與出口通道66之間，延伸著一些非線性的連接流體通道304。在圖11的端視圖中，非線性的連接流體通道304均為U形的，盡管其他形狀也可用于這些連接通道。入口通道與出口通道65、66沿著至少基本上是它們的長度部分而被橫向連接，形成被連接通道相連的一塊入口分隔板52i及一塊與其有間隔的出口分隔板52o。在所示實(shí)施例中，一根連續(xù)的管子306形成每一條入口通道、連接通道及出口通道65、304、66，且一些相鄰的連續(xù)管子306被沿著它們的整個長度而橫向連接。若干橫向連接的管子306就形成每塊分隔板52。
如在第一實(shí)施例中一樣，圖13中各相鄰入口通道65的中央縱向軸線64之間及各相鄰出口通道66的中央縱向軸線64之間的距離68，約為這些管子外徑或大小的95％至100％。此外，如在第一實(shí)施例中一樣，第四個所示熱交換構(gòu)件16的相反的表面54、56，具有通過入口集流管與出口集流管40、44之間長度的一些凹陷70和圓脊72。圓脊72對應(yīng)于管形入口通道與出口通道65、66的形狀，且凹陷70對應(yīng)于各相鄰管形通道之間的橫向連接處。因此，所示第四實(shí)施例熱交換構(gòu)件16的熱交換分隔板52部分的相反的表面54、56，就具有波狀起伏的外形。
圖10至12所示熱交換構(gòu)件16的橫向連接管子306，用柔軟的材料制成。這些管子306，可按第一實(shí)施例所述的同樣方式，頂部連接著入口集流管40，底部連接著出口集流管44。入口集流管與出口集流管可用第一實(shí)施例所述的同樣材料制成，且最好其剛性足以支承熱交換構(gòu)件的整個重量。每個熱交換構(gòu)件16，可以是福特(Ford)與其他人在美國專利第4098331號(1978年)中所公開的那種太陽能采集板，且可如該專利所公開的那樣制造與組裝，所用材料也如該專利公開的那樣。柔軟的板可基本上對半折疊，使出口集流管44往上折得對著入口集流管40，因此當(dāng)板被折疊時就形成U形連接通道304。為了確保入口通道與出口通道正確定位，就配備若干間隔板308。間隔板308以離開熱交換構(gòu)件16a或與其相鄰的熱交換構(gòu)件16b的管形出口通道66的合乎要求的距離，支承著管形入口通道65。也可使間隔板308的大小與形狀定得保持一個在管形通道62與槽12的側(cè)壁18之間的合乎要求的間隔。間隔板308可用金屬例如鍍鋅鋼材或不銹鋼材制成，或用其他任何適合的材料制成。
帶有兩個熱交換構(gòu)件16a、16b的熱交換設(shè)備第五可用實(shí)施例，如圖17所示。圖17實(shí)施例中的每個熱交換構(gòu)件16a、16b，除了管形入口通道65與管形出口通道66不是直的之外，與圖11至13中第四實(shí)施例所示熱交換構(gòu)件相似，不過，它們包括成角度地首尾相連的若干直的片段400。帶有兩個熱交換構(gòu)件16a、16b的熱交換設(shè)備第六可用實(shí)施例，如圖18所示。圖18實(shí)施例中的每個熱交換構(gòu)件16a、16b，除了管形入口通道65與管形出口通道66包括彎曲部分450以便使入口通道及出口通道的中央線段之間的距離不均勻之外，均相似于圖11至13中第四實(shí)施例的熱交換構(gòu)件。
在所有的圖示實(shí)施例中，每個所示熱交換構(gòu)件16，均有與槽的豎壁18有間隔的側(cè)緣74，以及與槽的底部19有間隔的底部75。液態(tài)變相材料14可圍著熱交換構(gòu)件的側(cè)緣74及底部75流動。在圖1與圖8的實(shí)施例中，底部75被下部連接集流管48及下部連接集流管147、151的底部限定。在圖9的實(shí)施例中，底部75由板200的一個邊緣部分構(gòu)成。在圖11至12以及圖17至18的實(shí)施例中，底部75由非線性連接通道304的最底下部分構(gòu)成。
本發(fā)明的蓄熱設(shè)備10的每個實(shí)施例，均有被熱交換構(gòu)件16a、16b的側(cè)緣74、底部75及連續(xù)的表面54、56定界的槽中的容積77。對于第一與第四實(shí)施例，這些容積分別顯示于圖7A與7B中；對于第三實(shí)施例，該容積顯示于圖7中；對于第二實(shí)施例，容積77會與圖7中對于第一實(shí)施例所示者相似。在每種情況下，這些容積77都容納變相材料14，且變相材料的這些容積77被熱交換構(gòu)件的連續(xù)表面54、56彼此分開。此外，沿著第一熱交換構(gòu)件16a一塊連續(xù)表面54的變相材料容積77，也被相鄰的熱交換構(gòu)件16b的側(cè)緣74、底部75及一塊連續(xù)表面54定界；因此，如圖7與圖7A所示，沿著一個熱交換構(gòu)件16a的一塊表面54的一個容積77，與沿著相鄰的熱交換構(gòu)件16b的所面對表面56的容積77吻合；如圖7B所示，沿著一個熱交換構(gòu)件16a的容積77，與沿著下一個相鄰的熱交換構(gòu)件16b的容積77相吻合。在圖10至12的實(shí)施例中，也有一個由每個單獨(dú)的熱交換構(gòu)件的側(cè)緣74、U形管子及連續(xù)表面54、56所定界的槽中的變相材料14的容積79，如圖7B與圖11所示。對于圖17、18的第五與第六實(shí)施例，就會有與圖7B中所示者相似的變相材料的容積77、79，盡管這些容積的形狀定得與這兩個實(shí)施例的通道65、66的形狀相一致。
如圖5、圖7、圖7A、圖7B與圖16所示，當(dāng)這些容積77、79中的變相材料14變?yōu)楣虘B(tài)時，固態(tài)變相材料就形成一個沿著第一熱交換構(gòu)件16a的一個表面54的固態(tài)層或固態(tài)容積，此固態(tài)層或固態(tài)容積與沿著該交換構(gòu)件16a的相反的另一表面56的那個固態(tài)變相材料層或容積基本上是分離或隔絕的。因此，在所有的所示實(shí)施例中，熱交換構(gòu)件16就防止變相材料14形成圍繞管形通道62的固態(tài)環(huán)形物。在所示的這些實(shí)施例中，這種隔絕，是通過各個通道之間的橫向連接，并連同使這些通道形成熱交換構(gòu)件16基本上連續(xù)的相反的表面54、56一起而實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)當(dāng)明白，4個所示實(shí)施例的不同部件可以結(jié)合，例如將一些通道彼此直接連接并在其他某些區(qū)域提供連接片而結(jié)合。
本發(fā)明有益地防止固態(tài)變相材料環(huán)形物圍著管形通道62而形成。這種優(yōu)點(diǎn)，從圖4、圖4A與圖5、圖5A、圖16及16A的比較中可以看出。在圖4所示采用不連續(xù)管子80的蓄熱設(shè)備中，是用水作為變相材料的，當(dāng)處于制冰周期時，水凍結(jié)為冰，形成圍繞著熱交換器各根單獨(dú)管子的固態(tài)環(huán)形物82。當(dāng)環(huán)形物82融點(diǎn)以上的傳熱流體在融化周期開始時被引入熱交換管80時，最靠近管子80的冰首先融化，且融化是徑向地往外延續(xù)，從而使液態(tài)變相材料環(huán)形物84在冰82的環(huán)形物與管子80之間形成，使傳熱流體與冰隔離，如圖4A所示。在使用水的情況下，液態(tài)水的熱阻約比冰的熱阻大4倍。因此，水環(huán)狀物84的熱阻，就降低管子80中的傳熱流體與被隔離的冰容積82之間的熱交換效能。圖4A現(xiàn)象的熱阻，可由下列等式確定R＝[ro/12k]1n[ro/ri]在此式中，k＝水的導(dǎo)熱系數(shù)，英國熱量單位(Btu)/(hr)(ft2)(f/ft)，ro＝水環(huán)形物84的外半徑(圖4A中所示Do的一半)，以及ri＝熱交換管80的外半徑(圖4A中所示Di的一半)。對于1/4英寸的管子直徑且假設(shè)原為5/8英寸厚的冰已有1/4英寸融化了，那么，Di的值為0.250英寸，且Do的值為0.75英寸。因此，熱阻R1就是R1＝
ln
R1＝0.03433/k拿圖5與圖16所示那種帶有本發(fā)明的熱交換分隔件52來對比，在熱交換構(gòu)件16的連續(xù)表面54、56上，形成冰的或固態(tài)變相材料的層或容積86、87，而不是形成冰環(huán)形物，這種層或容積如圖5所示僅沿著熱交換構(gòu)件的側(cè)緣74之一連接，或沿著熱交換構(gòu)件的底部連接(未顯示)。當(dāng)冰層86、87融點(diǎn)以上的傳熱流體29在融化周期開始時被引入熱交換構(gòu)件16中時，最靠近管子表面54、56的表面的冰首先融化，且融化向外持續(xù)，從而液態(tài)變相材料層88、89如圖5A與16A所示不是形成環(huán)形物。冰層或冰容積86、87與液態(tài)層88、89，被熱交換構(gòu)件16基本上連續(xù)的相反的表面54、56彼此分隔。為了計算簡便，圖16A的實(shí)施例用于下列熱阻計算，盡管應(yīng)當(dāng)明白圖5A實(shí)施例的熱阻可大致上以同樣方式計算。對于圖6A實(shí)施例，其熱阻可由下列等式確定R2＝t/12k在此式中，t＝水層的厚度(見圖16A)，而k＝水的導(dǎo)熱系數(shù)。假設(shè)原為5/8英寸厚的冰已有1/4英寸融化了，則R2＝0.25/12k＝0.0208/k以及R2/R1＝0.605
因此，本發(fā)明的熱阻，在融化周期中的各個等值點(diǎn)上，低于已有技術(shù)的熱阻。由于本發(fā)明基本上較低的熱阻R2，通道62中的傳熱流體29與鄰接的容積77、79中的固態(tài)變相材料即冰之間的熱交換，就會改進(jìn)，且這種熱交換可望在較長部分的融化周期中均有效。由于傳熱流體與冰之間改進(jìn)了的熱交換，傳熱流體就可在較長部分的融化周期中被冷卻到優(yōu)選溫度，如果不是在整個融化周期中，那么，即使當(dāng)一層水把冰與通道62中的傳熱流體分隔開之后也會達(dá)到優(yōu)選溫度。因此，本發(fā)明可改進(jìn)蓄熱設(shè)備的蓄能性能，并可防止存在于出口中的傳熱流體的溫度在較長部分的融化周期中升高。
限制冰與傳熱流體之間熱阻的這種優(yōu)點(diǎn)，也可通過進(jìn)一步在融化周期中限制管子與冰之間那層隔絕用水的厚度而加強(qiáng)。為了在融化周期中利用冰在液態(tài)變相材料中往上漂浮的趨勢，可將熱交換構(gòu)件的形狀定得使往上漂浮的冰接近或接觸熱交換構(gòu)件16相反的表面54、56中的一個表面。例如，不是豎直設(shè)定流體通道62的縱向軸線64，而是通過使熱交換構(gòu)件熱成形，或采用間隔件或支承件，可將這些縱向軸線設(shè)定為圖17所示那樣鋸齒形或波浪形的型式。還可將入口及出口管形通道的一些部分，按不同的間隔而非平行地設(shè)定，如圖18所示那樣。
本發(fā)明還通過優(yōu)化在本發(fā)明制冰周期中形成的固態(tài)變相材料即冰的形狀，來有效地利用空間，并防止在融化周期中存在于出口中的傳熱流體的溫度升高而接近出口。在各個所示實(shí)施例中，在制冰周期中形成輔助冰層以便用冰基本上填補(bǔ)可用空間。
如圖1A及圖10、11所示，至少熱交換構(gòu)件16a或16b之一的入口通道65，位置定得鄰接至少一組出口通道66，且在第一實(shí)施例中，入口通道位于兩組出口通道66之間；對于第一實(shí)施例來說，入口通道65位置定于另兩個熱交換構(gòu)件的出口通道之間；對于圖10至13及圖17、18所示第四、第五與第六實(shí)施例，一個熱交換構(gòu)件的入口通道65，位于它自己的出口通道66與鄰接的熱交換構(gòu)件的出口通道之間。由于這樣安排入口及出口通道65、66，傳熱流體在第二熱交換構(gòu)件16b的入口通道中就順一個方向例如向下流動，而在最靠近的第一熱交換構(gòu)件16a的出口通道中則順另一個方向例如向上流動，且在各鄰接的熱交換構(gòu)件的連接流路71中的流動方向，均在一個設(shè)定的豎直層面上順著彼此反向的方向。在每個熱交換構(gòu)件之內(nèi)，在入口通道中的流動方向與在出口通道中的流動方向相反。因此，在熱交換構(gòu)件16a、16b有間隔的相反的表面54、56之間容積77中的變相材料14，就暴露得在入口通道65一側(cè)而達(dá)到最冷的傳熱流體的效果，且在出口通道66這另一側(cè)達(dá)到最熱的傳熱流體的效果。在制冰周期中，固態(tài)變相材料即冰的較厚層或容積會沿著最冷的傳熱流體形成，而較薄層或容積會沿著最熱的傳熱流體形成。因此，如圖7、7A及7B所示，輔助冰層或冰容積86、87會在制冰周期中形成。
在各鄰接的板52、52i、52o的入口及出口通道中的傳熱流體29的相對溫度如下沿著穿過第一熱交換構(gòu)件16a的流體通道62之一的中央縱向軸線64和穿過第二熱交換構(gòu)件16b的流體通道62之一的中央縱向軸線64而垂直延伸的一個平面，例如圖1A、圖8、圖9、圖11和圖17、18所示的平面100，在熱交換構(gòu)件16a或16b之一的至少一條流體通道62中的該平面100中的傳熱流體的平均溫度，低于最靠近的熱交換構(gòu)件16a或16b中流體通道62之一中該平面中的傳熱流體的平均溫度。因此，在圖1A中，在制冰周期中，在熱交換構(gòu)件16r的入口通道65中在平面100中的傳熱流體的平均溫度，低于鄰接的熱交換構(gòu)件16q的出口通道66中的傳熱流體的平均溫度。在圖8中，在制冰周期中，在熱交換構(gòu)件16a的入口通道65中在平面100中的傳熱流體的平均溫度，低于第二熱交換構(gòu)件16b中最靠近的出口通道66中該平面中的傳熱流體的平均溫度。在圖9的實(shí)施例中，平面100是豎直的，且穿過第一熱交換構(gòu)件的連續(xù)通道的豎直部分及第二熱交換構(gòu)件16b的彎曲通道而延伸；在制冰周期中，在第一熱交換構(gòu)件16a的豎直部分中的傳熱流體的平均溫度，會低于第二熱交換構(gòu)件16b的彎曲部分中的傳熱流體的平均溫度。在圖11及圖17、18的實(shí)施例中，在制冰周期中，在第二熱交換構(gòu)件16b的下行入口通道65中平面100中的傳熱流體的平均溫度，會低于在該熱交換構(gòu)件16b的出口通道66中及鄰接的熱交換構(gòu)件16a中平面100中的傳熱流體的平均溫度。
在第一、第二、第四及第六個所示實(shí)施例中，至少有兩條入口通道及至少兩條出口通道。在兩條入口通道65的一個豎直層面例如圖1A、圖8、圖11、圖17與18的實(shí)施例中的平面100層面上的傳熱流體的平均溫度，在制冰周期中，低于該豎直平面下游的例如圖1A、圖11、圖17與18所示層面101上的傳熱流體的平均溫度。在制冰周期中，在兩條出口通道66的一個豎直層面例如圖1A、圖8、圖17與18的實(shí)施例中的平面100層面上的傳熱流體的平均溫度，高于該豎直層面上游的例如圖1A、圖8、圖17與18所示層面101上的傳熱流體的平均溫度。在制冰周期中，在入口通道65的層面100或?qū)用?01上的傳熱流體的平均溫度，低于出口通道66的同一層面上的傳熱流體的平均溫度。在融化周期中，在兩條入口通道65的一個豎直層面例如圖1A、圖8、圖17與18的實(shí)施例中的平面100層面上的傳熱流體的平均溫度，高于該豎直層面下游例如圖1A、圖8、圖17與18所示層面101上的傳熱流體的平均溫度。而且在融化周期中，在兩條出口通道66的一個豎直層面例如圖1A、圖11、圖17與18的實(shí)施例中的平面100層面上的傳熱流體的平均溫度，低于該層面上游例如圖1A、圖11、圖17與18所示層面101上的傳熱流體的平均溫度。在融化周期中，在入口通道65的層面100或?qū)用?01上的傳熱流體的平均溫度，高于出口通道66的同一層面上的傳熱流體的平均溫度。
在各鄰接的板52、52i、52o的入口及出口通道中的傳熱流體的相對流動方向可以如下沿著穿過第一熱交換構(gòu)件16a的流體通道62之一的中央縱向軸線64和穿過第二熱交換構(gòu)件16b的流體通道62之一的中央縱向軸線64而垂直延伸的一個平面，例如圖1A、圖8、圖9、圖11、圖17與18所示的平面100，在熱交換構(gòu)件16a或16b之一的至少一條流體通道62中穿過該平面100的傳熱流體的流動方向，不同于在最靠近的熱交換構(gòu)件16a或16b的至少一條流體通道62中穿過該平面的傳熱流體的流動方向。因此，在圖1A中，在熱交換構(gòu)件16r的入口通道65中平面100中的傳熱流體的流動方向，與鄰接的熱交換構(gòu)件16q的出口通道66中的傳熱流體的流動方向相反。在圖8中，在熱交換構(gòu)件16a的入口通道65中平面100中的傳熱流體的流動方向，與第二熱交換構(gòu)件16b中最靠近的出口通道66中穿過平面100的傳熱流體的流動方向相反。在圖9的實(shí)施例中，在第一熱交換構(gòu)件16a的豎直部分中的傳熱流體的流動方向，是往下的，而在第二熱交換構(gòu)件16b的彎曲部分中的傳熱流體的流動方向卻是彎曲的且通常是順著往上的方向。在圖11、圖17與18的實(shí)施例中，在第二熱交換構(gòu)件16b的下行入口通道65中平面100中的傳熱流體的流動方向，會與該熱交換構(gòu)件16b及穿過該平面的鄰接的熱交換構(gòu)件16a的出口通道66中的傳熱流體的流動方向相反。
這些溫度及流動方向的關(guān)系，致使在制冰周期中，形成一些如圖7、圖7A與7B所示的鄰接的輔助形狀的固態(tài)變相材料層即冰層86、87。隨著在融化周期中輔助冰層或固態(tài)變相材料層86、87形成靠近入口24及出口26的大塊的冰，出口通道66中的傳熱流體就持續(xù)被暴露成冷的變相材料。因此，在融化周期中，傳熱流體可在整個行經(jīng)流體通道62的過程中被暴露成冷的變相材料。各塊板之間的冰塊總厚度，顯示為圖7、圖7A與7B中的90，且這個冰塊從每個熱交換構(gòu)件的一個側(cè)緣74延伸到反向的側(cè)緣74，跨越91處所示的維度。這個冰塊還如圖7、圖7A與7B中維度93所示那樣，延伸于每個熱交換構(gòu)件的頂部與底部之間。冰塊可具有如圖7與圖7A實(shí)施例中那樣跨越所有這些維度90、91、93的均勻厚度。冰塊可具有如圖7B實(shí)施例那樣跨越維度90與91并跨越另一維度93基本部分的均勻厚度?；蛘撸趫D18的實(shí)施例情況下，冰塊可具有厚度均勻的區(qū)域與厚度不均勻的區(qū)域。如在圖7、圖7A與7B的實(shí)施例中那樣，冰塊可以是在兩個熱交換構(gòu)件16a、16b的表面54、56之間中間的中央平面92周圍對稱的。容積77中的全部冰塊，顯示為圖7、圖7A與7B中的96，且該冰塊等于合起來的冰層即冰形成物86、87。在圖7B與圖10至12的實(shí)施例中，形成于入口平面與出口平面300、302之間的容積79中的全部冰塊，也是在這些平面300、302之間的中央平面94周圍對稱的，如圖7B所示。容積79中的該全部冰塊顯示為圖7B中的98，且該冰塊等于此容積79中合起來的冰形成物層或冰形成物塊86與87。
應(yīng)當(dāng)明白，冰的厚度不必是均勻的，且冰塊也不必是在單一個平面周圍對稱的。例如，就圖17的實(shí)施例來說，可望形成于板16a、16b之間及各個單獨(dú)板的入口及出口通道65、66之間的一些冰的厚度基本上是均勻的，且許多部分可以是在各個非豎直平面周圍對稱的。對于圖18的實(shí)施例來說，可望有形成于入口及出口通道的彎曲部分處的較薄冰塊或較厚冰塊的一些區(qū)域。然而，在所有的所示實(shí)施例中，輔助冰層應(yīng)當(dāng)形成得精確地防止靠近出口26的傳熱流體變暖，并形成得有效利用可用空間。
在圖17至18的實(shí)施例中，管形通道62的形狀，被安排得便于在融化周期中利用冰形成物的移動。因此，就圖17來說，當(dāng)入口通道與出口通道65、66之間的冰融化并向上漂浮在液態(tài)變相材料上時，冰會移動得比較靠近出口通道66。當(dāng)冰移動得比較靠近出口通道時，在冰與出口通道中的傳熱流體之間會有較小的一層液態(tài)變相材料。由于有較小一層液態(tài)變相材料，熱阻就降低，便于傳熱流體與固態(tài)變相材料之間改進(jìn)了的熱交換所用。相似的效果會發(fā)生于圖18的實(shí)施例中。
合乎要求的溫度關(guān)系與流動方向關(guān)系，以及合乎要求的冰形成物，在圖1至7A與圖8至9的第一、第二及第三實(shí)施例中，是靠把各個鄰接的熱交換構(gòu)件圍著它們的中央豎直軸線22彼此轉(zhuǎn)動180°而達(dá)到的。因此，在第一、第二及第三實(shí)施例中，各相鄰熱交換構(gòu)件16a、16b的各個部件的位置就被反轉(zhuǎn)了各相鄰熱交換構(gòu)件16a、16b的入口集流管40及出口集流管44的位置被反轉(zhuǎn)，使各相鄰熱交換構(gòu)件的入口集流管40及入口通道65處于槽的中央平面20的反向兩側(cè)上，且各相鄰熱交換構(gòu)件的出口集流管44及出口通道66處于中央平面20的反向兩側(cè)上。因此，在中央平面的每一個側(cè)邊上，入口集流管40及入口通道65與出口集流管44及出口通道66交替。在第一與第二實(shí)施例中，傳熱流體進(jìn)入中央平面20一側(cè)上的一個熱交換構(gòu)件中，且進(jìn)入中央平面反向一側(cè)上的鄰接的那個熱交換構(gòu)件中。傳熱流體順著平行的、反向的方向穿過兩個熱交換構(gòu)件流動，而不是連續(xù)地即順著同一個方向流動。
在圖10至13及圖17至18的第四、第五及第六實(shí)施例中，溫度關(guān)系與流動方向關(guān)系，以及冰形成物的型式，由于熱交換構(gòu)件16a或16b之一的入口通道65被定位于此兩個第一與第二熱交換構(gòu)件16a與16b的各條出口通道66之間而產(chǎn)生。入口集流管40及入口通道65與出口集流管44及出口通道66交替，跨越槽的一個維度。在槽中的多個豎直層面上，在熱交換構(gòu)件之一的各入口通道65中的傳熱流體向下流動，而在相鄰那個熱交換構(gòu)件的各出口通道66中的傳熱流體則向上流動，且在每個熱交換構(gòu)件中的傳熱流體的溫度，在該層面上是不同的在制冰周期中，在該層面上，入口通道65中的傳熱流體，比出口通道66中的傳熱流體冷一些；在融化周期中，在該層面上，入口通道65中的傳熱流體比出口通道66中的傳熱流體熱一些。
本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是，每個熱交換構(gòu)件16均有較大的表面面積用于熱交換。雖然每條單獨(dú)的通道62用于熱交換的暴露區(qū)域，還不是大得仿佛使各條通道彼此分離及隔絕，但通道的數(shù)量及通道的集中度卻增加了，從而用于熱交換的整個暴露表面的面積也加大了。
所示任何實(shí)施例中的熱交換構(gòu)件16，在槽12中可由適當(dāng)?shù)臋C(jī)械裝置支承。對于圖1、圖2及圖8所示第一與第二實(shí)施例，最好是讓各個熱交換構(gòu)件16處于豎直的位置，各相鄰熱交換構(gòu)件的通道62的中央軸線64處于平行的豎直平面上，入口集流管與出口集流管40、44處于頂部，下部連接集流管48浸于槽12中，且整個熱交換分隔件52浸入變相材料14中。熱交換構(gòu)件16各下部末端的位置，可通過在槽中設(shè)置一些機(jī)械支承裝置例如一對會可松開地夾住每個熱交換構(gòu)件16的下部連接集流管48的彈簧夾，來保持在各個熱交換構(gòu)件之間的一個預(yù)定間隔處。有了這樣一個連接件，就可確保每個熱交換構(gòu)件的正確定位，同時也便于為了替換、維修或修理的緣故使每個單獨(dú)的熱交換構(gòu)件從槽中卸出，而不干擾該設(shè)備的其余部件。各個熱交換構(gòu)件的頂部，可為了豎向與橫向的穩(wěn)定性而相似地可松開地支承?？商鎿Q的是，第一與第二熱交換構(gòu)件的頂部與底部二者，或第四實(shí)施例的頂部，可通過在集流管40、44的兩端采用有孔板例如圖1A與圖11所示的板314，來支承在它們的正確位置上。有孔板314可有一些與每個集流管40、44的大小及所要求位置對應(yīng)的小孔316，且集流管40、44的各個末端可接納于小孔316中以確保集流管40、44處于所要求位置。槽壁18可帶有一些支座318，有孔板314的底部可支承在這些支座上，且可采用任何適當(dāng)?shù)囊种蒲b置反作用于有孔板314以防止它們向上漂浮。有孔板支承件的例子如圖1至2及圖10至12所示，但應(yīng)當(dāng)明白，可采用各種不同的支承件，且本發(fā)明不限于任何特定的支承系統(tǒng)。各相鄰熱交換構(gòu)件16槽向地間隔開，為形成于各相鄰熱交換構(gòu)件的表面54、56上的冰層留下充足的空間，以便于冰膨脹之用。
應(yīng)當(dāng)明白，盡管第一、第二及第四實(shí)施例均顯示了向上與向下的流動，但各個熱交換構(gòu)件可做不同的安置，例如以90°角安置成所示位置，使得順相反方向作水平流動。
在使用本發(fā)明的蓄熱設(shè)備時，各個熱交換構(gòu)件16可如圖1、圖6及圖10例中所示那樣，或以其他任何適當(dāng)方式，與冷卻器30及熱交換設(shè)備34連接。那么，該蓄熱設(shè)備就可以標(biāo)準(zhǔn)方式使用。
因此，應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明提供了一種便于制造與組裝的蓄熱設(shè)備。各個熱交換構(gòu)件可為了儲存及運(yùn)到工作現(xiàn)場而方便地堆放。如果熱交換構(gòu)件是用塑料制成，它們就比較輕便。這些熱交換構(gòu)件為在制冰周期及融化周期中便于熱交換而提供了大的表面面積，且防止冰環(huán)形物形成，從而在融化周期中減小了熱阻。這些熱交換構(gòu)件被安排得在融化周期中使傳熱流體不會獲得各出口附近的熱。另外，各個塑料熱交換構(gòu)件可在現(xiàn)場安裝在槽中，便于將各個部件移進(jìn)現(xiàn)有構(gòu)造例如建筑物的地下室中。還有，一個系統(tǒng)的能力可按需要改裝，例如把槽的尺寸加大，或根據(jù)要求安裝多個并列的槽，以及添加或減少熱交換構(gòu)件。由于構(gòu)件是預(yù)制的，各條通道之間有預(yù)定并預(yù)制的間隔，且每個熱交換構(gòu)件上一些可預(yù)制的間隔用以設(shè)置各個熱交換構(gòu)件之間的最好距離，所以就可有效利用槽中的可用空間。
應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明的熱交換構(gòu)件，用于內(nèi)融型的及外融型的蓄熱設(shè)備均可。
雖然僅說明并顯示了本發(fā)明的幾個特定實(shí)施例，但專業(yè)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明可作各種修改及替換。此外，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明具有除所示環(huán)境之外的用途。所以，在隨附權(quán)利要求書中力圖包括所有的此種修改與替換，以及可納入本發(fā)明實(shí)際范圍內(nèi)的一些用途。
權(quán)利要求
1.一種蓄熱設(shè)備，包括一個槽；一種在槽中的變相材料；一個熱交換構(gòu)件，它有一個入口、一個出口、與變相材料接觸的基本上連續(xù)的相反表面，以及與入口及出口流體通聯(lián)的多條流體通道，至少流體通道的一些部分浸在槽中的變相材料中且至少所浸流體通道的基本部分被橫向相互連接以便限定至少基本上連續(xù)的相反的表面的一些部分，至少基本上連續(xù)的相反的表面的一些部分與槽中的變相材料接觸；以及一種在流體通道中的傳熱流體，上述流體通道限定傳熱流體從入口到出口的流路；其中，與上述基本上連續(xù)的相反的表面之一鄰接的上述變相材料的一個基本部分，被熱交換構(gòu)件將其與鄰接另一上述基本上連續(xù)的相反的表面的上述變相材料的一個基本部分分開，從而該變相材料不圍繞用于熱交換構(gòu)件的入口與出口之間的熱交換流路至少一個基本部分的流體通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于上述入口包括一根入口集流管，且若干上述流體通道是線性的，彼此相鄰且平行，并與該入口集流管相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于至少兩條相鄰的入口流體通道與上述入口集流管連接，且傳熱流體順著同一方向通過兩條流體通道而流動，從而在兩條流體通道中一個豎直層面上的傳熱流體的平均溫度，不同于該豎直層面下游的傳熱流體的平均溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于出口包括一根與入口集流管有間隔的出口集流管，且流體通道包括至少兩條與該出口集流管連接的相鄰出口流體通道，上述熱交換構(gòu)件還包括介于上述入口流體通道與出口流體通道之間的連接流體通道，特征還在于穿過入口集流管及入口流體通道的一個平面與穿過出口集流管及出口流體通道的一個平面有間隔，以及在一個豎直層面上，入口流體通道中傳熱流體的溫度，不同于在同一豎直層面上的出口流體通道中傳熱流體的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于每條通道有一外尺寸，且各相鄰流體通道的中央縱向軸線之間的距離最多是各相鄰?fù)ǖ劳獬叽绲?00％。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于每條入口流體通道、連接流體通道及出口流體通道，均包括一根從入口集流管到出口集流管延伸的連續(xù)管子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于上述入口包括一根入口導(dǎo)管且上述出口包括一根出口導(dǎo)管，上述流體通道在該入口導(dǎo)管與該出口導(dǎo)管之間首尾相連地連接以便提供一條連續(xù)流路，且熱交換構(gòu)件包括沿著流路長度的一個基本部分而連接流體通道的一塊板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于熱交換構(gòu)件包括一塊分隔板，且各條流體通道基本上沿著它們的整個長度橫向連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于入口包括一根入口集流管且出口包括一根出口集流管，熱交換構(gòu)件還包括一根與入口集流管及出口集流管有間隔的下部連接集流管，特征還在于各條流體通道包括在入口集流管與連接集流管之間延伸的若干基本上是線性的入口流體通道，以及在連接集流管與出口集流管之間延伸的若干基本上是線性的出口流體通道。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于入口包括一根入口集流管，出口包括一根出口集流管，該設(shè)備還包括與入口集流管及出口集流管有間隔的第一下部連接集流管、介于入口集流管與出口集流管之間的上部連接集流管以及與入口集流管、出口集流管及上部連接集流管有間隔的第二下部連接集流管，特征還在于上述各流體通道包括若干連接著入口集流管與第一下部連接集流管的相鄰的入口通道、若干連接著下部連接集流管與上部連接集流管的相鄰的連接通道、若干連接著上部連接集流管與第二下部連接集流管的相鄰的連接通道，以及若干連接著下部連接集流管與出口集流管的相鄰的出口通道，以便為上述傳熱流體從上述入口集流管經(jīng)過上述入口通道到上述第一下部連接集流管，從上述第一下部連接集流管經(jīng)過上述連接通道到上述上部連接集流管，經(jīng)過上述連接通道從上述上部連接集流管到上述第二下部連接集流管，以及經(jīng)過上述出口通道從上述第二下部連接集流管到上述出口集流管，提供一條流路。
11.一種蓄熱設(shè)備包括一個槽；一種在槽中的變相材料；一個第一熱交換構(gòu)件，它包括一個入口、一個出口，以及與入口及出口流體通聯(lián)的一條流體通道，至少該流體通道的一部分浸在槽中的變相材料中；一個第二熱交換構(gòu)件，它包括一個入口、一個出口，以及與入口及出口流體通聯(lián)的一條流體通道，至少該流體通道的一部分浸在槽中的變相材料中，第二熱交換構(gòu)件與第一熱交換構(gòu)件有間隔而使變相材料介于第一與第二熱交換構(gòu)件之間；一種在這兩個熱交換構(gòu)件的流體通道中的從上述入口經(jīng)過上述流體通道流往上述出口的傳熱流體；其中，沿著一個穿過第一熱交換構(gòu)件流體通道及穿過第二熱交換構(gòu)件流體通道的一個平面，在該平面中一條流體通道中的傳熱流體的平均溫度，低于在該平面中另一個熱交換構(gòu)件流體通道中的傳熱流體的平均溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于各條流體通道有一些中央縱向軸線，第一熱交換構(gòu)件的中央縱向軸線位于一個與第二熱交換構(gòu)件的中央縱向軸線所在平面不同的平面上。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于槽有一個中央豎直平面，且第一熱交換構(gòu)件的入口位于槽的中央豎直平面一側(cè)上而第二熱交換構(gòu)件的入口位于槽的中央豎直平面反向那一側(cè)上，且特征在于第二熱交換構(gòu)件的出口位于第一熱交換構(gòu)件入口所在的槽的中央豎直軸線相同的一側(cè)上，而第一熱交換構(gòu)件的出口位于第二熱交換構(gòu)件入口所在的槽的中央豎直軸線相同的一側(cè)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于第二熱交換構(gòu)件具有基本上等同于第一熱交換構(gòu)件結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，且其在槽中的位置定得比起第一熱交換構(gòu)件來轉(zhuǎn)了180°。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于第一與第二熱交換構(gòu)件均包括一塊板，此板包括若干首尾相連的流體通道以便限定單一條介于入口與出口之間的連續(xù)流路，特征還在于每個熱交換構(gòu)件均包括一塊延伸于若干上述流體通道之間的板。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于第一熱交換構(gòu)件的入口包括一根入口集流管，第一熱交換構(gòu)件的出口包括一根出口集流管，且流體通道包括若干條通道，這些通道的每一條均具有入口通道、出口通道以及介于入口通道與出口通道之間的非線性連接通道；第二熱交換構(gòu)件的入口包括一根入口集流管，第二熱交換構(gòu)件的出口包括一根出口集流管，且流體通道包括若干條通道，這些通道的每一條均具有基本上線性的入口通道、基本上線性的出口通道，以及介于入口通道與出口通道之間的非線性的連接通道；第二熱交換構(gòu)件的那些入口通道位于第一與第二熱交換構(gòu)件的出口通道之間，上述變相材料位于第二熱交換構(gòu)件的入口通道與第一及第二熱交換構(gòu)件的出口通道之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于第一熱交換構(gòu)件的各條通道沿著浸在變相材料中的它們長度的基本部分而橫向連接，且第二熱交換構(gòu)件的各條通道沿著浸在變相材料中的它們長度的基本部分而橫向連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于每個熱交換構(gòu)件的入口包括一根入口集流管，每個熱交換構(gòu)件的出口包括一根出口集流管，每個熱交換構(gòu)件還包括一根與入口集流管及出口集流管有間隔的下部連接集流管，且特征還在于每個熱交換構(gòu)件的流體通道包括若干從入口集流管延伸到下部連接集流管的相鄰的入口通道，以及若干從下部連接集流管延伸到出口集流管的相鄰的出口通道。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于第一與第二熱交換構(gòu)件被安置得使變相材料的一個容積位于第一熱交換構(gòu)件的入口通道與第二熱交換構(gòu)件的出口通道之間，且變相材料的一個容積位于第二熱交換構(gòu)件的入口通道與第一熱交換構(gòu)件的出口通道之間。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的蓄熱設(shè)備，其特征在于每個熱交換構(gòu)件的入口包括一根入口集流管，每個熱交換構(gòu)件的出口包括一根出口集流管，且每個熱交換構(gòu)件還包括與入口集流管有間隔的第一下部連接集流管、與第一下部連接集流管有間隔的上部連接集流管、與上部連接集流管及出口集流管均有間隔的第二下部連接集流管，且特征還在于每條流體通道均包括若干連接著入口集流管與第一下部連接集流管的相鄰的入口通道、若干連接著第一下部連接集流管與上部連接集流管的相鄰的連接通道、多個連接著上部連接集流管與第二下部連接集流管的相鄰的連接通道，以及多個連接著第二下部連接集流管與出口集流管的出口通道。
全文摘要
公開一種蓄熱設(shè)備。該設(shè)備使用一組浸于變相介質(zhì)中的熱交換構(gòu)件,以便通過冷凍熱交換介質(zhì)而儲冷。這些熱交換構(gòu)件每個均包括一些管形通道以通過該設(shè)備而運(yùn)送傳熱流體,以便在制冰周期中凍結(jié)變相材料并在融化周期中用固態(tài)變相材料使傳熱流體冷卻。這些熱交換構(gòu)件每個均具有基本上連續(xù)的相反的表面,以防止固態(tài)變相材料形成圍繞管形通道的環(huán)形物。在制冰周期中,固態(tài)變相材料形成為輔助層或輔助容積,從而在融化周期中使傳熱流體不會獲取靠近各出口的熱。這些熱交換構(gòu)件可用輕便材料例如塑料制成。
文檔編號F25D16/00GK1253261SQ99120368
公開日2000年5月17日 申請日期1999年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月4日
發(fā)明者弗拉基米爾·卡普蘭, 羅伯特·P·米勒 申請人:巴爾的摩汽圈公司