仿生分形相变储能换热器的制作方法

本申请涉及储能，特别是涉及一种仿生分形相变储能换热器。

背景技术：

1、仿生分形相变储能换热器（phase change material heat exchanger，pcm-hx）是利用相变材料在固-液相变过程中吸收或释放大量潜热的特性，实现热能储存与温度调控的热交换装置。传统的相变储能换热器通常采用壳管式或板式结构，换热管以直管或简单蛇形管的形式布置于相变材料之中。

2、在数据中心散热、电力电子冷却、太阳能热利用等领域，系统经常面临短时高热流冲击的工况——即热负荷在短时间内急剧升高，随后恢复正常。这种间歇性热冲击对传统的散热系统提出了严峻挑战：若按峰值热负荷设计散热系统，则设备投资大、运行效率低；若按平均负荷设计，则无法应对峰值冲击，可能导致设备过热损坏。

3、仿生分形相变储能换热器作为“热缓冲垫”的概念应运而生：在热冲击阶段，相变材料吸收多余热量并发生熔化；在非冲击阶段，通过冷介质流过换热管使相变材料凝固再生，完成一个工作循环。然而，现有技术方案在实际应用中存在以下问题。

4、（1）熔化不均匀问题：传统直管式换热管周围形成明显的温度梯度，靠近换热管壁的pcm（phase change material，相变材料）先熔化，远离管壁的pcm熔化滞后，导致pcm体积利用率低，通常仅40%-60%的pcm能够有效参与相变过程。

5、（2）再生时间过长问题：熔化后的液态pcm由于密度差产生自然对流，热介质侧的高温pcm浮升至上方，冷介质侧取热时上方pcm先凝固，下方pcm凝固滞后，造成再生阶段时间分布不均，整体再生周期延长。

6、（3）熔化与再生时间不对等：由于热冲击阶段热流密度高、温差大，熔化过程往往较快；而再生阶段冷介质温度与相变温度差值较小，放热速率低，导致再生时间远大于熔化时间，系统循环频率受限。

7、（4）换热面积受限：传统直管或简单蛇形管布置方式换热面积有限，且难以在有限空间内进一步增加换热面积而不显著增加流动阻力。

技术实现思路

1、本申请提供一种仿生分形相变储能换热器，以解决或至少部分解决相关技术中的缺陷或不足。

2、第一方面，本申请提供一种仿生分形相变储能换热器，所述仿生分形相变储能换热器包括：

3、外壳，所述外壳内设置有相变材料封装腔体，所述相变材料封装腔体内设置有热介质侧换热管束和冷介质侧换热管束，所述相变材料封装腔体内填充有相变材料；

4、其中，所述热介质侧换热管束包括多层第一分形管束，所述冷介质侧换热管束包括多层第二分形管束，每层所述第一分形管束与每层所述第二分形管束交替穿插设置且不直接接触，所述第一分形管束包括仿生分形树状分叉结构的管束，所述第二分形管束包括空间填充分形曲线结构的管束。

5、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：

6、本申请提供了一种仿生分形相变储能换热器，其中，热介质侧换热管束采用仿生分形树状分叉结构可使相变材料封装腔体内任意位置到最近换热管的距离控制在较小距离范围内，热流密度分布均匀，熔化前沿同步推进，从而提高相变材料熔化均匀性；冷介质侧换热管束则采用空间填充分形曲线结构，保证了冷介质均匀流经相变材料封装腔体各处，凝固过程同步进行，避免了传统换热管结构中“上方先凝固、下方滞后”的再生不均匀问题，从而缩短了再生时间；通过分形参数的设计（如分叉角、预设长度比、分形维数等），可以调节热介质侧与冷介质侧的换热强度匹配，从而调控系统循环频率和响应速度；分形结构在有限空间内的比表面积较传统直管较高，在相同相变材料体积下实现了更高的换热功率密度，使得换热面积大幅增加。需要说明的是，上述技术效果并非两类分形结构各自换热强化效果的简单叠加：热介质侧仿生分形树状分叉结构与冷介质侧空间填充分形曲线结构交替穿插、互不接触地耦合于同一相变材料封装腔体内，使吸热熔融与释冷凝固两个过程在空间分布与时序上相互匹配，从而获得熔化均匀性、再生时长与系统循环频率的整体协同优化。

1.一种仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述仿生分形相变储能换热器包括：

2.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述第一分形管束包括沿多层所述第一分形管束的层叠方向上的投影呈镜像对称的第一分形子管束和第二分形子管束，所述第一分形子管束和所述第二分形子管束均包括所述仿生分形树状分叉结构的多级分形分支管和分支末端连接管，同一分形子管束中的所述多级分形分支管中相邻的末端分支管之间通过所述分支末端连接管相连。

3.根据权利要求2所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述第一分形子管束和所述第二分形子管束中的所述多级分形分支管，其长度均按照预设长度比逐级递减，其管径均按照预设直径比逐级递减；所述预设长度比大于等于0.6且小于等于0.8，所述预设直径比大于等于0.7且小于等于0.85。

4.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述热介质侧换热管束还包括第一层间连接管和热介质侧进出口主管，每层所述第一分形管束通过所述第一层间连接管相连，所述第一层间连接管连接所述热介质侧进出口主管；

5.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述第一分形管束的分叉角大于等于30°且小于等于60°，所述第一分形管束的分形维数大于等于1.5且小于等于1.8；其中，所述第一分形管束的分叉角为大于等于36°且小于等于45°。

6.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述第二分形管束的迭代阶数大于等于3且小于等于5，所述第二分形管束中相邻管段之间的间距处处相等，且所述相邻管段之间的间距大于等于7mm且小于等于28mm；所述第二分形管束的管束外壁为光滑无翅片管壁。

7.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述第二分形管束包括希尔伯特曲线或皮亚诺曲线的离散化近似布置结构的管束。

8.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述第一分形管束的管束外壁上设有微翅片结构；所述微翅片结构的微翅片高度大于等于0.5mm且小于等于2mm，所述微翅片结构的微翅片间距大于等于2mm且小于等于5mm；所述微翅片结构包括以下一种或多种微翅片：螺旋翅片、直翅片和针状翅片。

9.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述外壳的角部设置有膨胀缓冲腔，所述膨胀缓冲腔的容积为所述相变材料封装腔体总容积的5%-10%，所述膨胀缓冲腔用于容纳所述相变材料相变过程中的体积膨胀。

10.根据权利要求1所述的仿生分形相变储能换热器，其特征在于，所述热介质侧换热管束和所述冷介质侧换热管束均为一体成型结构，所述相变材料的填充率为所述相变材料封装腔体容积的85%-95%。