相变材料涂布的热交换管的制作方法

[0001]
本发明总体上涉及一种包括相变材料的涂层，该涂层用于涂覆到热交换管上以提高热交换效率。


背景技术：

[0002]
制冷单元通常包括压缩机、冷凝器、蒸发器和制冷室。制冷单元通常通过使制冷剂流经压缩机、冷凝器和蒸发器来冷却制冷室内部的空气而起作用。压缩机和冷凝器通常位于制冷室的外部，而蒸发器则位于制冷室的内部。在典型的制冷单元中，冷凝器将制冷剂转变为其液体状态并散发冷凝热。风扇可用于使空气穿过冷凝器和压缩机，并提高从压缩机和冷凝器的外表面去除热量的效率。蒸发器在制冷室内，使得来自制冷室的热量被吸收到蒸发器内的制冷剂中，并且制冷室被冷却。
[0003]
因此，热量被蒸发器吸收在制冷室内，并被冷凝器抽到制冷室外部。
[0004]
期望在整个制冷循环中在蒸发器和冷凝器中尽可能有效地吸收和释放热量。为此，已经开发了许多不同的制冷设计。一些制冷设计包括用于提高热量排除效率的不同冷凝器设计，诸如电线管、翅状和螺旋形冷凝器。
[0005]
也采用增加的冷凝器管长度来增加热传递效率。然而，增加冷凝器管的长度降低了冷凝器的紧凑性，这增加了制冷单元本身所需的尺寸。而且，增加冷凝器的长度可能引入额外的人工和材料成本，存在潜在泄漏的额外表面积，并负面地影响制冷剂的压降。进一步地，这可能导致不希望的咔嗒声和降低的冷凝器可靠性。还进一步地，许多常规冷凝器系统需要定期维护，诸如清洁盘管的灰尘、污垢和其他碎屑，它们沉积在盘管表面上，降低热传递效率并提高了冷凝器系统的操作温度。
[0006]
作为响应，本技术提出了使用填充液体的袋子来提高冷凝器的热传递效率。填充液体的袋子可通过比周围空气更有效地吸收所散发的热量来提高冷凝器的效率。使用填充液体的袋子时面临的一个问题是与冷凝器盘管没有热接触，因此热传递不会比使用环境空气时显著更有效。
[0007]
因此，尽管其他人试图克服这些问题，但很少成功。
[0008]
因此，期望提供一种在不增加热交换系统(诸如制冷系统)中的部件的尺寸的情况下增加热传递效率的系统。


技术实现要素：

[0009]
一方面，提供了中空管，所述中空管涂覆有可固化组合物。该中空管包括两端，一端适于接收流体且另一端适于排出流体，以及内表面和外表面，其中组合物围绕外表面的至少一部分布置。该组合物包含
[0010]
a.
[0011]
i)可固化组分；
[0012]
ii)导热组分；
[0013]
iii)相变材料；和
[0014]
iv)固化体系，
[0015]
或者
[0016]
b.
[0017]
i)粘合剂组分；
[0018]
ii)导热组分；
[0019]
iii)相变材料；和
[0020]
iv)水。
[0021]
在另一方面，公开了一种制冷单元，所述制冷单元包括压缩机、冷凝器盘管和至少一个蒸发器盘管。上述中空管是制冷单元的冷凝器盘管。
[0022]
在另一方面，本文公开了一种家用制冷器具，其包括上述制冷单元。
附图说明
[0023]
图1示出了制冷单元。
[0024]
图2示出了三种不同涂层组合物的耗散能量对流量的图。
[0025]
图3示出了冷凝器盘管(裸露)。
具体实施方式
[0026]
本文公开了涂覆有可固化组合物以增加通过中空管的热传递效率的中空管。中空管包括适于接收流体的一端和适于排放流体的另一端，并具有内表面和外表面。组合物围绕中空管的外表面的至少一部分布置。该组合物包含
[0027]
a.
[0028]
i)可固化组分；
[0029]
ii)导热组分；
[0030]
iii)相变材料；和
[0031]
iv)固化体系，
[0032]
或
[0033]
b.
[0034]
i)粘合剂组分；
[0035]
ii)导热组分；
[0036]
iii)相变材料；和
[0037]
iv)水。
[0038]
中空管可构造成各种尺寸和直径并且由各种材料制成。例如，中空管可以是金属，并且该金属可以选自铝、钢、铜，或其组合或合金。中空管可以是弯曲的、直的，或者具有弯曲的一些部分和直的其他部分。中空管的尺寸也可以根据中空管的最终用途而变化。例如，如果将中空管用作家用冰箱中的冷凝器盘管，则中空管的外径可以为0.02-0.4英寸，并且全长为1-100英尺，例如25-75英尺，尤其是54英尺。中空管的尺寸和几何形状可以根据应用进行调整而没有限制。
[0039]
可固化组合物围绕中空管的外表面的至少一部分布置。可固化组合物可通过喷
涂、涂抹或适合于施用涂层的任何方法而施用到管上。可固化组合物用于增强整个中空管的热交换。这样，用可固化组合物涂布整个中空管以增强在中空管的整个长度上的热交换是有益的。在特别有用的实施方案中，将中空管的表面积的95％或更多用可固化组合物涂布。
[0040]
可固化组合物是导热的，牢固地围绕中空管布置，能够承受温度变化，并且能够吸收和存储潜热。该可固化组合物在固化之前包含可固化组分、导热组分、相变材料和固化体系。可固化组合物可以进一步任选地包含抗氧化剂、腐蚀抑制剂、uv稳定剂、热稳定剂或阻燃剂。可固化组合物还可包含湿润剂、分散剂、流变改性剂、乳化剂、用以增强乳液稳定性的ph调节剂、聚结溶剂或抗絮凝添加剂。
[0041]
可固化组合物的可固化组分可以是光可固化的，使得可固化组合物可以被光固化到中空管上。可固化组分也可以是湿气或热固化的。可固化组分可以通过一种固化机制(诸如通过暴露于光而触发)或多种固化机制(诸如最初通过暴露于光然后暴露于热和/或湿气而触发)来固化。可固化组分应当选择为使得在固化后其在中空管的操作条件下具有高强度、耐湿性和耐温性。
[0042]
这样，可固化组分可以包含环氧树脂组分、(甲基)丙烯酸酯组分、聚氨酯基质、热熔体或硅组分。
[0043]
环氧树脂组分可以选自一种或多种饱和的、不饱和的、环状的或无环的、脂族的、脂环族的、芳族的或杂环的聚环氧化物化合物。
[0044]
通常，每个分子具有至少约两个1,2-环氧基团的大量聚环氧化物适用于本文。聚环氧化物可以是饱和的、不饱和的、环状的或无环的、脂族的、脂环族的、芳族的或杂环的聚环氧化物化合物。合适的聚环氧化物的实例包括聚缩水甘油醚，其通过在碱存在下的表氯醇或表溴醇与多酚的反应而制备。因此合适的多酚是例如间苯二酚、邻苯二酚、对苯二酚、双酚a(双(4-羟基苯基)-2,2-丙烷)、双酚f(双(4-羟基苯基)甲烷)、双酚s、双酚、双(4-羟基苯基)-1,1-异丁烷、4,4'-二羟基二苯甲酮、双(4-羟基苯基)-1,1-乙烷和1,5-羟基萘。作为聚缩水甘油醚的基础的其他合适的多酚是酚醛清漆树脂类型的苯酚和甲醛或乙醛的已知缩合产物。
[0045]
适用于本文的其他聚环氧化物是多元醇或二胺的聚缩水甘油醚。这样的聚缩水甘油醚衍生自多元醇，诸如乙二醇、二甘醇、三甘醇、1,2-丙二醇、1,4-丁二醇、三甘醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇或三羟甲基丙烷。
[0046]
还有其他的聚环氧化物是多羧酸的聚缩水甘油酯，诸如缩水甘油或表氯醇与脂族或芳族多羧酸(例如草酸、琥珀酸、戊二酸、对苯二甲酸或二聚脂肪酸)的反应产物。
[0047]
并且还有其他环氧化物是衍生自烯属不饱和环脂族化合物的环氧化产物或衍生自天然油和脂肪。
[0048]
特别理想的是由双酚a或双酚f与表氯醇反应得到的液态环氧树脂。在室温下为液态的环氧树脂通常具有150至约480的环氧当量。
[0049]
(甲基)丙烯酸酯组分可以选自一种或多种单官能、多官能、直链脂族、支链脂族、环脂族、芳族、烷氧基化的烷基和芳基基团。可以用于根据本发明的可固化组合物中的(甲基)丙烯酸酯包括以h2c
═
cgco2r表示的多种材料，其中g可以是氢、卤素或具有1至约4个碳原子的烷基，并且r可以选自具有1至约16个碳原子的烷基、环烷基、烯基、环烯基、烷芳基、
芳烷基或芳基基团。
[0050]
特别适用于本发明的更具体的(甲基)丙烯酸酯包括聚乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯、双酚a二(甲基)丙烯酸酯诸如乙氧基化的双酚a(甲基)丙烯酸酯(“ebipma”)以及四氢呋喃(甲基)丙烯酸酯和二(甲基)丙烯酸酯、丙烯酸异冰片酯、(甲基)丙烯酸羟丙酯和己二醇二(甲基)丙烯酸酯。当然，也可以使用这些(甲基)丙烯酸酯的组合。
[0051]
聚氨酯组分可以选自一种或多种二-和三异氰酸酯，诸如甲苯二异氰酸酯和亚甲基二苯基二异氰酸酯、脂族和环脂族异氰酸酯，与多元醇、扩链剂、交联剂、催化剂和表面活性剂一起。
[0052]
可固化组分的量可基于多种因素而变化，包括固化剂是否充当催化剂或直接参与可固化组合物的交联、可固化组合物中其他反应性基团的浓度、所需的固化速率、使用温度等。
[0053]
例如，在较低的操作温度下可以使用较少量的可固化组分，而在较高的操作温度下通常可以使用较大量的可固化组分。基于可固化组合物的总重量，适用于可固化组合物中的可固化组分的量可以在约20-约80重量％，更具体地约40-约60重量％，理想地约45-约55重量％的范围内。
[0054]
导热组分存在于可固化组合物中，并且也可以基于可固化组合物的期望性质进行选择。在一个有用的实施方案中，导热组分可以选自石墨、氧化铝、铝、金、铜、氧化锌、氧化钛、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铍、金刚石、氮化硼、银、铜、碳或其各种组合。
[0055]
导热组分的量也可以基于可固化组合物的期望性质来选择。在一个有用的实施方案中，导热组分的存在量可以基于可固化组合物的总重量为约1-约40重量％，更具体地，基于可固化组合物的总重量为约5-约25重量％，或理想地，基于可固化组合物的总重量为约10重量％。导热组分可以纳米颗粒的形式存在于可固化组合物中。
[0056]
相变材料(“pcm”)应该选择为使得在所需的温度范围内发生从固态或不可流动到液态或可流动的相变。因此，可以基于中空管中的流体、中空管的操作温度以及环境温度来选择pcm。为了为特定应用选择pcm，应考虑设备的操作温度，并且应该选择pcm以进行匹配。
[0057]
多种pcm可用于本发明的可固化组合物中。
[0058]
用于本文的pcm可以被封装或分散在基质内。对于封装的pcm的一般性综述，参见例如p.b.salunkhe等人，“a review on effect of phase change material encapsulation on the thermal performance of a system”,renewable and sustainable energy reviews,16,5603-16(2012)。
[0059]
适用于本文的pcm可以是有机或无机的。例如，理想的pcm包括石蜡、脂肪酸、酯、醇、二醇类、有机低共熔物(organic eutectics)、凡士林、蜂蜡、棕榈蜡、矿物蜡、甘油和/或某些植物油。相变材料还可包含盐水合物(salt hydrates)和/或低熔点金属低共熔物。
[0060]
特别希望用于本文的可固化组合物中的pcm可在聚合物壳内包含约75-约95重量％的石蜡，或更特别地在聚合物壳内包含约85-约90重量％的石蜡。
[0061]
石蜡可以是标准的商品级，并且应包括熔点低于约40℃的石蜡。使用这种石蜡允许基质在低于约37℃的温度下从其固态转变为液态。如上所述，除石蜡外，凡士林、蜂蜡、棕榈蜡、矿物蜡、甘油和/或某些植物油也可用于形成pcm。例如，可以将石蜡和凡士林组分混
(2-羟基苯基)-4,5-二苯基咪唑、二(4,5-二苯基-2-咪唑)-苯-1,4,2-萘基-4,5-二苯基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑、2-对甲氧基苯乙烯基咪唑及其组合。
[0070]
也可以使用改性的咪唑化合物，其包括通过将咪唑化合物加成至环氧化合物而形成的咪唑加合物。
[0071]
胍、取代的胍、取代的脲、三聚氰胺树脂、胍胺衍生物、环状叔胺、芳族胺和/或它们的混合物。硬化剂可以化学计量地参与硬化反应；然而，它们也可以是催化活性的。取代的胍的实例是甲基胍、二甲基胍、三甲基胍、四甲基胍、甲基异双胍、二甲基异双胍、四甲基异双胍、六甲基异双胍、七甲基异双胍和氰基胍(双氰胺)。代表性的胍胺衍生物包括烷基化的苯并胍胺树脂、苯并胍胺树脂和甲氧基甲基乙氧基甲基苯并胍胺。
[0072]
基于可固化组合物的总重量，固化体系在可固化组合物中的存在量为约30-约50重量％。
[0073]
另外，固化体系可以存在于与可固化组分分离的部分中。以这种方式，可以构造两部分的组合物，其中在施加到盘管上之前不久这两部分组合在一起。
[0074]
根据本发明组合物所期望的最终用途，也可以包括其他组分。例如，可以包括阻燃材料和/或抗氧化剂。
[0075]
可固化组合物可具有约0.2-约1.2w/m/k的热导率和约60-约200j/g，更具体地约60-约120j/g的熔化潜热(latent heat of fusion)。
[0076]
使可固化组合物的热导率与熔化潜热之比最佳化，以促进最佳的热传递、存储和耗散。特别地，可固化组合物可以具有约0.06的热导率与熔化潜热之比。
[0077]
上述可固化组合物可通过常规涂布方法涂布在中空管的外表面上。这种可固化组合物可以调节中空管的“表皮”温度，以最小化最终用户在使用中空管时(诸如，当中空管是制冷单元中的冷凝器盘管时)与中空管接触所经历的温度。
[0078]
上述的中空管可被包括在图1所示的制冷单元中。制冷单元可以是家用制冷器具或商用制冷器具。制冷单元包括冷凝器盘管2、蒸发器盘管8和压缩机3。制冷单元可进一步包括制冷室1和流量计4。
[0079]
具体地，本发明的中空管可以是制冷单元1中的冷凝器盘管2。冷凝器盘管2可以是直的、弯曲的，或者具有直的部分和弯曲的部分。或者，本发明的中空管可以是制冷单元的蒸发器盘管8。
[0080]
在封闭系统中，液体移动穿过制冷单元中。该液体可以是水性的，或者其可以包含一种或多种烷烃，诸如支化烷烃和/或被一个或多个卤素原子取代的烷烃。支化烷烃的实例包括异丁烷、四氟乙烷及其组合。液体可以包含一种或多种支化的和/或可以被一个或多个卤素原子取代的烷烃。在特别有用的实施方案中，液体可以是制冷剂。具体地，当制冷剂进入制冷单元时，制冷剂可以呈液体形式。
[0081]
蒸发器盘管8可以布置在制冷室1内。蒸发器盘管8可以是液体流过其中的中空管。蒸发器盘管8从制冷室1内的空气吸收热量以冷却制冷室。由于从制冷室1吸收的热量，蒸发器盘管8内的液体转变成气体形式。
[0082]
气体形式的液体然后从蒸发器盘管8进入压缩机3，该压缩机3增加了气体的压力。流量计4可以在压缩机3的下游以监测和控制液体的流速。压缩机3将压缩气体传送到冷凝器盘管2。然后，冷凝器盘管2从气体中除去热量，从而在将气体再循环到制冷单元之前将其
转换成液体形式。可以测量冷凝器盘管2的入口温度5和出口温度6。在有用的实施方案中，入口温度5为约40℃，出口温度6为约35℃。
[0083]
本文公开的可固化组合物可被施用到冷凝器盘管2和蒸发器盘管8两者上。可固化组合物吸收足够的热量以在冷凝器盘管2中将制冷剂改变为液体，并且从制冷室1吸收热量以更有效地冷却制冷室1。因此，施用到冷凝器盘管2和蒸发器盘管8的包含在可固化组合物中的pcm可以基于每一个的操作温度而变化。进一步地，当将可固化组合物施用到冷凝器盘管2或蒸发器盘管8时，可以减少或消除对风扇(未示出)的需求，从而提高了制冷单元的整体能量效率。参考图3，示出了涂布可固化组合物之前的冷凝器盘管。所示的冷凝器盘管由镀锌钢制成。
[0084]
另外，在制冷单元中，诸如在图1所示的制冷单元中，如果将可固化组合物施加到冷凝器盘管2上，则冷凝器7周围的环境空气足以使可固化组合物中的pcm重新凝固。理想地，可固化组合物可以变化以匹配制冷单元中使用的液体、制冷单元的操作温度以及可固化组合物所施用的制冷单元的哪些部件。
[0085]
实施例
[0086]
根据本发明制备包含可固化组分、导热组分、相变材料和固化体系的组合物。这些组合物列于表a中。loctite品牌的e-30cl是两部分的环氧树脂粘合剂，可从康涅狄格州rocky hill的henkel corporation购得。b部分按原样使用。向a部分中添加epodil 749、mpcm 37d和石墨5095中的一种或多种。epodil 749可从新泽西州parsippany的evonik corporation购得，并且是用于降低环氧树脂体系的粘度的新戊二醇二缩水甘油醚。
[0087]
表a
[0088][0089]
！如制造商所报道的表氯醇-4,4'-异亚丙基二酚树脂(90-100重量％)和4,4'-亚甲基二酚与1-氯-2,3-环氧丙烷(0.1-1重量％)的聚合物。
[0090]
@如制造商所报道的3,3'-氧代双(亚乙基氧基)双(丙胺)(50-60重量％)。
[0091]
#如制造商所报道的二十二烷。
[0092]
将1-3号样品涂布在盘管上(每个盘管具有相同的尺寸并由相同的材料制成)，以达到表1所示的添加水平。分别以不同的添加水平将1和2号样品施加到盘管两次；以不同的添加水平将3号样品施加到盘管三次。
[0093]
潜热测量是使用perkin elmer dsc 8000完成的。根据已知的标准astm f-433在ta instruments dtc-300热导率测试仪上进行热导率测量，该标准是基于用于评估垫圈材料的热导率的标准实践。
[0094]
表1
[0095][0096]
图1示出了在这些实施例中使用的实验设备布置。冷凝器盘管2暴露于25℃+/-0.1℃的恒定环境温度7，并连接到泵3和流量计4。系统中的水在制冷室1中被加热至40℃的恒定温度。然后将水以受控的流速泵送通过冷凝器盘管2，同时将盘管入口温度5在40℃下保持恒定并测量冷凝器盘管出口温度6。在从0.25升/分钟和0.75升/每分钟的五种不同的流速下进行测量。对于每种流速，完成了开启10分钟随后关闭18分钟的流动的五个循环。根据流速、水密度，水热容量以及冷凝器盘管上的温度变化来计算瞬时功耗。然后，通过对每个开/关流动循环随时间的耗散功率进行积分，然后对5个流动循环中的每一个的耗散能量求和，来计算耗散能量。对五个流速中的每一个进行测量和计算。
[0097]
图2示出了从所评估盘管中的每一个耗散的相对能量的结果。从与对照(即未施加这种含相变材料的组合物的冷凝器盘管)相比，由涂布有含相变材料的组合物的冷凝器盘管消耗的能量计算出所耗散的相对能量的输出值。在具有低潜热和高热导率的相变材料的情况下，观察到了与对照相比4.4％的耗散能量提高。在具有中等潜热和中等热导率的相变材料的情况下，观察到比对照提高了7.3％。在具有高潜热和低热导率的相变材料的情况下，获得了相对于对照的10.2％的提高。
[0098]
根据本发明制备了包含粘合剂、导热组分和相变材料的水基组合物。这些组合物列于表b中。eps 2111是一种全丙烯酸类粘合剂，其可用于层压粘合剂，特别是用于与乳胶聚氯丁二烯共混。该聚合物对各种基材具有广泛的粘合性，并具有良好的180
°
剥离和耐热性。它可以从伊利诺伊州marengo的engineering polymer solutions商购获得。向eps 2111中以指定的量添加水、mpcm 37d和石墨2939。4号样品含有7％水；5号样品含有8％水；并且6号样品含有13％水。
[0099]
表b
[0100]
样品编号石墨2939eps 2111mpcm 43d421.247.724.1533.342.516.263.133.150.8
[0101]
尽管将丙烯酸类粘合剂用于4-6号样品，也可以使用其他类型的聚合物乳液或水基聚合物溶液。例如，也可以使用pur分散体、丙烯酸类乳液或溶液，以及醇酸树脂乳液或溶液。

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