CN102706187A - 一种集成式微通道换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成式微通道换热器，包括多层叠置并成型多个翅片单元的换热板，翅片单元沿垂直于流体流动的方向上按一定规则均匀排列成翅片单元组，翅片单元组沿流体流动方向间隔交错排列；上游的翅片单元的后端设置于下游的相邻两个翅片单元的中间位置；翅片单元由至少两段间隔的翅片组成；相邻翅片单元以及相邻翅片之间形成微通道；垂直于换热板方向上交替设置有工作流体和制冷工质微通道实现换热，其中换热微通道的流体流动的上游设置有分流段以及连通流体流入管道的入口；换热微通道的流体流动的下游设置有汇流段以及连通流体流出管道的出口；多层所述工作流体微通道的所述入口以及所述出口各自连通设置；多层所述制冷工质微通道的所述入口和所述出口各自连通设置。该换热器解决了现有换热器流体阻力大，换热能力弱的问题。

Description

一种集成式微通道换热器

技术领域

本发明涉及两种流体之间以热交换为目的的换热部件；特别涉及一种可以作为水和制冷工质之间进行热能的传递的集成式微通道换热器。

背景技术

目前的换热器领域里，微通道换热器由于体积、重量相对较小，能够满足紧凑式换热器的要求，是当今换热器研究开发的新方向。

现有的用于热泵系统的微通道换热器，几乎都是用扁平铝管型材加上制冷工质和工作流体的进出口来实现，其仅限于制冷工质和空气之间的热交换用的岔流型换热器。例如，中国专利文件CN102095285A公开的一种微通道换热器即为上述岔流型换热器。由于换热扁平管为铝管型材，型材的尺寸为定值。对于微通道的水力学直径选择有限制，很难选到结构优化设计以后的铝管型材。还有，目前受生产铝管型材技术的限制，微通道之间的壁厚不能做到传热要求的尺寸（要求壁厚很薄），这样，使用扁平管为铝管型材设计的微通道换热器就不能成为微通道换热器技术的发展方向。

随着微加工技术的提高，通过平板印刷术、化学或光电蚀刻、钻石切削以及线切割等方式加工的金属微通道换热器成为了本领域新的技术发展方向。例如，中国专利文献CN101509736A以及CN201973962U中公开的微通道换热器即属于这种换热器。但是，由于加工及成型工艺的限制，这种换热器存在热交换壁厚厚、装配不便、出入口的连接方式单一等缺点。其中, CN101509736A公开的微通道换热器由制冷工质通道层、隔板层、工作流体层三层组成换热单元叠置而成，其需要加工三种不同形状的流体通道层再通过原子扩散的方式结合为整体，装配方式复杂，加工成本较高。CN201973962U公开的微通道换热器中制冷工质通道与工作流体通道成型于叠置结合连接的金属板之间，相邻金属板至少一个侧面上交替成型有制冷工质凹槽以及工作流体凹槽，金属板叠置结合连接后，制冷工质凹槽以及工作流体凹槽分别形成制冷工质通道与工作流体通道。由于多层金属板通过原子扩散的方式结合连接，为了保证换热器整体的连接强度，金属板的结合面的宽度不能低于0.4mm，这就导致换热器的热交换的壁厚较厚，换热能力不能满足需求。

为解决上述问题，美国专利文件 US7334631B2公开了一种微通道换热器，该换热器的微通道结构交替地成型于多层叠置的换热板之间；其只要通过加工两种不同结构的换热板既可以叠置起来形成换热器。但是，该换热器的换热板上成型有多个规则排列的流线型翅片；翅片之间形成微通道；与直通道的换热器相比，这种换热器强制对流传热系数增加，压力损失减小，但是这样的结构由于缺少催生冷凝或蒸发相变的微细结构，传热性能还有待于提高，流体流动的阻力有待进一步减小。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有换热器的微通道结构设计不合理导致流体流动的阻力较大、换热能力较差的问题，进而提供一种强制对流传热系数高并且流动阻力小的集成式微通道换热器。

为解决上述技术问题，本发明公开一种集成式微通道换热器，包括多层叠置的换热板，所述换热板上成型有多个翅片单元，所述翅片单元沿垂直于流体流动的方向上均匀排列成翅片单元组，若干所述翅片单元组沿流体流动方向间隔一段距离交错排列；上游侧的所述翅片单元的后端设置于下游侧的相邻两个所述翅片单元的中间位置；所述翅片单元由至少两段翅片构成，相邻所述翅片之前间隔一段距离；相邻所述翅片单元之间以及相邻所述翅片之间的流体通道形成所述微通道；垂直于所述换热板板面方向上交替设置有工作流体微通道和制冷工质微通道实现换热，其中所述换热微通道流体流动的上游设置有分流段以及连通流体流入管道的入口；所述换热微通道流体流动的下游设置有汇流段以及连通流体流出管道的出口；多层所述工作流体微通道的所述入口以及所述出口各自连通设置；多层所述制冷工质微通道的所述入口以及所述出口各自连通设置。

上述集成式微通道换热器中，所述换热板的一侧成型有所述翅片；所述换热板的翅片侧与相邻层的换热板的平面侧结合形成所述微通道。

上述集成式微通道换热器中，所述换热板的一侧成型有所述翅片；相邻所述换热板的所述翅片侧相互结合形成所述微通道。

上述集成式微通道换热器中，所述换热板的两侧分别成型有所述翅片；其中一侧的翅片之间形成所述工作流体微通道，另一侧的翅片之间形成所述制冷工质微通道。

上述集成式微通道换热器中，所述翅片单元的外轮廓为直线形或者曲线形，所述翅片单元与流体流动方向之间的夹角45⁰≤α≤55 ⁰。

上述集成式微通道换热器中，所述翅片单元的外轮廓呈中间段为直线的“s”型曲线，其由两个所述翅片构成，所述翅片之间的间距0.05mm≤t≤0.35mm；所述翅片间隔边与流线方向的夹角0⁰≤β≤15⁰。

上述集成式微通道换热器中，所述翅片单元的外轮廓为直线形；其由三个平行四边形的翅片构成，所述翅片在平行四边形的钝角边为圆弧过渡。

上述集成式微通道换热器中，所述入口分别设置于所述分流段的相对两侧，所述出口分别设置于所述汇流段的相对两侧。

上述集成式微通道换热器中，所述换热板上的所述翅片通过光蚀刻成型。

上述集成式微通道换热器中，所述换热板之间通过原子扩散的方法结合成一体。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明的微通道结构，翅片单元由至少两段翅片构成，相同长度和宽度的微通道其换热面积较直通道时增大了约55 %，相比于现有的流线型的微通道换热面积增加4.8%~7.5%；并且多段翅片的结构形式增加了与流体的接触面积，可以形成了更多的汽化核心，这样更加有利于制冷工质的相变传热；并且，断续的翅片结构可以增加流体的扰动，对于低雷诺数的流动条件，这种扰动可以在流体阻力增加较少的前提下增强制冷工质和工作流体之间的换热；因此，采用这种微通道结构的换热器的强制对流传热系数大大提高，换热能力增强；本发明中组成翅片单元的翅片间隔设置，便于流体的分流和混合，避免了现有技术中无间隙的流线型翅片形成的流体微通道由于连续折线的角度引起的涡流，从而降低流体流动的阻力。

（2）本发明的翅片单元的外轮廓可以是直线形或曲线形；其均通过光蚀刻的方式加工成型，其可以使相邻的微通道之间的换热壁加工至低于0.12mm，并且相邻两层的换热板之间的平面侧与翅片侧或者翅片侧相互结合，其可以在保证换热器整体的强度的条件下换热壁厚大大降低，换热器的换热能力进一步地提高。

（3）为了获得本发明的微通道结构和现有技术中无间隙翅片的微通道结构之间在流体压力损失上的差别，申请人应用了本发明的实施例1、实施例2中微通道结构与现有的无间隙流线型翅片形成的微通道结构进行了对比试验，由图8所可以看出，应用了本发明的微通道结构的流体压力损失ΔP降低，强制对流传热系数α提高；其中实施例1中的微通道结构形状较现有技术中的微通道结构压力损失ΔP降低了30.8%，实施例2中的微通道结构较现有技术中的微通道结构压力损失ΔP降低了40%。

（4）本发明的集成式微通道换热器由具有工作流体通道的换热板和具有制冷工质流体通道的换热板构成，只需两种结构的换热板，相对于三层板片构成换热单元的结构，由于板片数量少，装配简单，加工成本降低。

（5）本发明的集成式微通道换热器分别在分流段和汇流段的相对两侧设置两个入口和两个出口，这种设置方式，便于用户根据不同的安装位置选择连接管路。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1 是本发明的集成式微通道换热器立体图；

图2 是实施例1的制冷工质层的换热板结构图；

图3 是实施例1的工作流体层的换热板结构图；

图4 是本发明实施例1的部分翅片单元之间的位置结构图；

图5 是实施例1中单个翅片单元的结构图；

图6 是本发明实施例2的部分翅片单元之间的位置结构图；

图7 是实施例2中单个翅片单元的结构图；

图8 是本发明与现有技术的微通道结构之间性能对比图。

图中附图标记表示为：

1-换热板，2-翅片单元，21-翅片，3-翅片单元对，4-分流段，5-汇流段，7-入口，8出口，9-翅片单元组。

具体实施方式

以下将结合附图，使用以下实施例对本发明进行进一步阐述。

实施例 1

图1为本发明的集成式微通道换热器，其包括：多层叠置的换热板1，所述换热板1上成型有多个翅片单元2，所述翅片单元2沿垂直于流体流动的方向上均匀排列成翅片单元组9，若干所述翅片单元组9沿流体流动方向间隔一段距离交错排列；上游侧的所述翅片单元2的后端设置于下游侧的相邻两个所述翅片单元2的中间位置；本发明所述的中间位置是指下游侧的相邻两个所述翅片单元2的任一位置，其不仅包括所述上游侧翅片单元2的后端伸入下游侧的相邻翅片单元2的之间的内部，也包括上游侧翅片单元2的后端在下游侧的相邻翅片单元2的之间的外部；所述翅片单元2由至少两段翅片21构成，相邻所述翅片21之前间隔一段距离；相邻所述翅片单元2之间以及相邻所述翅片21之间的流体通道形成所述微通道；因此，本发明的换热器微通道的换热面积相比现有的微通道换热面大大提高。垂直于所述换热板1板面方向上交替设置有工作流体（图1中B流体）微通道和制冷工质（图1中A流体）微通道实现换热，其中所述换热微通道流体流动的上游设置有分流段4以及连通流体流入管道的入口7；所述换热微通道流体流动的下游设置有汇流段5以及连通流体流出管道的出口8；多层所述工作流体微通道的所述入口7以及所述出口8各自连通设置；多层所述制冷工质微通道的所述入口7和所述出口8各自连通设置。

本发明所述的流体流动方向如图2中的V方向所示，其表示从微通道的入口到出口的直线方向。

本实施例中，所述换热板1的一侧成型有所述翅片21；所述换热板1的翅片侧与相邻层的换热板1的平面侧结合形成所述微通道。所述换热板1通过光蚀刻的方式成型，相邻的所述换热板1之间通过原子扩散的方法结合成一体。如图2所示为其中制冷工质层的所述换热板1结构；如图3所示为其中工作流体层的所述换热板1结构。其中，所述工作流体侧的所述入口7分别设置于所述分流段4的相对两侧，所述出口8分别设置于所述汇流段5的相对两侧，以适应不同管路的安装位置要求。

所述翅片单元2的外轮廓为曲线形，具体的，本实施例中，所述翅片单元2的外轮廓为中间段为直线的“s”型曲线，如图4、图5所示，其由两个所述翅片21构成，所述翅片21之间的间距t为0.35mm；所述翅片21间隔边与流线方向的夹角β为15⁰。

相邻的所述翅片单元组7相对流体流动方向的倾斜方向相反；所述翅片单元2与流体流动方向之间的夹角α为55 ⁰。

如图4所示，在流体流动方向上，相邻的两个所述翅片单元2形成一个翅片单元对3，其中，两个所述翅片单元2在流体流动方向上的间距a为2mm，在垂直于流体流动方向上的间距b为1mm；相邻的所述翅片单元对3之间在流体流动方向上的间距为4mm，相邻的所述翅片单元对3在垂直于流体流动方向上的间距为2mm。

如图5所示，所述翅片单元2沿流体流动方向上的长度l为2.5mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h为1.5mm，所述翅片的厚度δ为0.5mm。

所述集成式微通道换热器的两股流体在出入口的流动方向与换热段流动方向垂直布置。制冷工质流体由其入口7进入，经过其分流段4的分流后，分布到具有制冷工质流体通道的所述换热板1的板面内，工作流体由其入口7进入，经过其分流段4的分流后，分布到具有工作流体通道的所述换热板1板面内，两股流体通过换热段进行热交换，然后分别经过各自流体的汇流段5的汇流后，分别由制冷工质流体的出口8、工作流体的出口8流出。工作流体另一侧的的入口和出口备用，以便不同连接方式的使用。

实施例 2

其与实施例1中的微通道结构的基本一致，区别点在于翅片单元的形状。

本实施例的所述翅片单元2的外轮廓为直线型，所述翅片单元2与流体流动方向之间的夹角α为45 ⁰。具体的，本实施例中，所示翅片单元2由三个平行四边形的翅片21构成，所述翅片21在平行四边形的钝角边为圆弧过渡。这样结构的微通道避免了连续曲线形成的涡流，从而降低流动的阻力损失。

其中，如图6所示，两个所述翅片单元2在流体流动方向上的间距a为1mm，在垂直于流体流动方向上的间距b为0.5mm；相邻的所述翅片单元对3之间在流体流动方向上的间距为3mm，相邻的所述翅片单元对3在垂直于流体流动方向上的间距为2mm。

如图7所示，所述翅片单元2沿流体流动方向上的长度l为2.3mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h为1.3mm，所述翅片的厚度δ为0.5mm。

相邻所述翅片21的间隔边的间距t为0.2mm；所述间隔边与流体流动方向的夹角β为10⁰。

实施例 3

本实施例的微通道结构与实施例2基本一致，区别点在于翅片的设置位置以及尺寸参数。

其中，所述翅片单元2与流体流动方向之间的夹角α为55⁰。两个所述翅片单元2在流体流动方向上的间距a为1.5mm，在垂直于流体流动方向上的间距b为1.5mm；相邻的所述翅片单元对3之间在流体流动方向上的间距为3mm，相邻的所述翅片单元对3在垂直于流体流动方向上的间距为4mm。

如图5所示，所述翅片单元2沿流体流动方向上的长度L为2mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h为1mm，所述翅片的厚度δ为0.25mm。

相邻所述翅片21的所述分流边214的间距t为0.05mm；所述分流边214与流体流动方向的夹角β为0⁰。

在其他实施方式中，根据不同的设计要求，本发明所述的翅片单元2还可以由四段或更多段的所述翅片21组成。另外，所述翅片单元的外轮廓的曲线结构，还可以使sin曲线或者圆形、椭圆形、抛物线曲线的一部分。

在其他实施方式中，所述换热板1还可以在其中一侧成型有所述翅片21；相邻所述换热板1的所述翅片侧相互结合形成其中一种流体的微通道，另一种流体微通道同样形成于上述翅片侧结合的换热板上；两种流体通道互相交错排列后形成所述换热器。

所述换热板1还可以在两侧分别成型有所述翅片21；其中一侧的翅片21之间形成所述工作流体微通道，另一侧的翅片21之间形成所述制冷工质微通道。多层所述换热板1层叠后形成所述换热器。

在其他实施方式中，为了方便不同连接方式的使用，所述制冷工质侧的所述入口7分别设置于所述分流段4的相对两侧，所述出口8分别设置于所述汇流段5的相对两侧。

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。而由此所引伸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。

Claims (10)

1.一种集成式微通道换热器，其特征在于：包括多层叠置的换热板（1），所述换热板（1）上成型有多个翅片单元（2），所述翅片单元（2）沿垂直于流体流动的方向上均匀排列成翅片单元组（9），若干所述翅片单元组（9）沿流体流动方向间隔一段距离交错排列；上游侧的所述翅片单元（2）的后端设置于下游侧的相邻两个所述翅片单元（2）的中间位置；所述翅片单元（2）由至少两段翅片（21）构成，相邻所述翅片（21）之前间隔一段距离；相邻所述翅片单元（2）之间以及相邻所述翅片（21）之间的流体通道形成所述微通道；垂直于所述换热板（1）板面方向上交替设置有工作流体微通道和制冷工质微通道实现换热，其中所述换热微通道流体流动的上游设置有分流段（4）以及连通流体流入管道的入口（7）；所述换热微通道流体流动的下游设置有汇流段（5）以及连通流体流出管道的出口（8）；多层所述工作流体微通道的所述入口（7）以及所述出口（8）各自连通设置；多层所述制冷工质微通道的所述入口（7）和所述出口（8）各自连通设置。

2.根据权利要求1所述的集成式微通道换热器，其特征在于：

所述换热板（1）的一侧成型有所述翅片（21）；所述换热板（1）的翅片侧与相邻层的换热板（1）的平面侧结合形成所述微通道。

3.根据权利要求1所述的集成式微通道换热器，其特征在于：

所述换热板（1）的一侧成型有所述翅片（21）；相邻所述换热板（1）的所述翅片侧相互结合形成所述微通道。

4.根据权利要求1所述的集成式微通道换热器，其特征在于：

所述换热板（1）的两侧分别成型有所述翅片（21）；其中一侧的翅片（21）之间形成所述工作流体微通道，另一侧的翅片（21）之间形成所述制冷工质微通道。

5.根据权利要求1-4任一所述的集成式微通道换热器，其特征在于：

所述翅片单元（2）的外轮廓为直线形或者曲线形，所述翅片单元（2）与流体流动方向之间的夹角45⁰≤α≤55 ⁰。

6.根据权利要求1-5任一所述的集成式微通道换热器，其特征在于：

所述翅片单元（2）的外轮廓呈中间段为直线的“s”型曲线，其由两个所述翅片（21）构成，所述翅片（21）之间的间距0.05mm≤t≤0.35mm；所述翅片（21）间隔边与流线方向的夹角0⁰≤β≤15⁰。

7.根据权利要求1-5任一所述的集成式微通道换热器，其特征在于：

所述翅片单元（2）的外轮廓为直线形；其由三个平行四边形的翅片（21）构成，所述翅片（21）在平行四边形的钝角边为圆弧过渡。

8.根据权利要求1-7任一所述的集成式微通道换热器，其特征在于：

所述入口（7）分别设置于所述分流段（4）的相对两侧，所述出口（8）分别设置于所述汇流段（5）的相对两侧。

9.根据权利要求1-8任一所述的换热器的微通道结构，其特征在于：所述换热板（1）上的所述翅片（21）通过光蚀刻成型。

10.根据权利要求1-9任一所述的集成式微通道换热器，其特征在于：所述换热板（1）之间通过原子扩散的方法结合成一体。

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