CN103376021A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热交换器，本发明中，一个实施方式的热交换器具备歧管、热交换部以及多孔体。歧管具有介质的流入口和前述介质的流出口。热交换部具有与前述流出ロ连通，且截面的代表性的长度在规定的常数以下的流路。多孔体被设置在前述流入口和前述流出口之间，且包括平均直径在前述代表性的长度以下的多个空孔。

Description

热交换器

相关申请的引用

本申请以基于在2012年4月12日申请的在先日本国专利申请第2012-091230号的优先权的利益为基础，且要求其利益，其内容全体通过引用被包含在这里。

技术领域

这里说明的实施方式（多个方式）全面地涉及热交换器。

背景技术

近年，为了对应因半导体元件的高集成化造成的发热密度的增大、以移动电话为代表的电子设备的小型化等，要求开发小型且具有高的热交换性能的散热设备。另外，从防止地球变暖的观点来看，还欲从以往作为排热被废弃的低温的热源也能效率良好地回收能量这样的机会提高。因此，通过采用从数十μm到1mm左右的流路径，来实现小型且高效率的热交换的基于“微通道热交换器”的热交换技术的开发有所进展。

但是，在上述的热交换器中，即使对用于热交换的介质进行脱气，尽量去除残存气泡，也难以将气泡完全除去，存在气泡伴随着介质的流动而流入流路，使流路阻塞的情况。该气泡阻塞使得热交换器的热交换性能降低。

发明内容

本发明的实施方式是提供一种能够维持热交换性能的热交换器。

实施方式的热交换器具备第一歧管、热交换部以及第一多孔体。第一歧管具有第一介质的第一流入ロ和前述第一介质的第一流出ロ。热交换部具有与前述第一流出ロ连通，且截面的代表长度H1满足下述算式的第一流路。第一多孔体被设置在前述第一流入ロ和前述第一流出ロ之间，包括平均直径在前述代表性的长度H1以下的多个空孔。

$H_1\≤\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{g({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)}}$

这里，

σ1是前述第一流出口中的前述第一介质的表面张力，

g是重力加速度，

ρ₁是前述第一流出口中的前述第一介质的液相的密度，

ρ₂是前述第一流出ロ中的前述第一介质的气相的密度。

根据上述的结构，能够维持热交换性能。

附图说明

图1是表示有关第一实施方式的热交换器的结构图。

图2是将图1的热交换器的内部放大来表示的剖视图。

图3是沿图1的热交换器的面X-X的截面的放大图。

图4A以及图4B是说明有关第一实施方式的热交换器的微通道和气泡的关系的图。

图5A以及图5B是说明有关第一实施方式的热交换器的作用的图。

图6是表示使用了有关第一实施方式的热交换器的实验结果的特性图。

具体实施方式

下面，一面参照附图，一面说明实施方式。附图中，相同的符号表示相同或类似的部分。

下面，对第一实施方式进行说明。图1是有关第一实施方式的热交换器的结构图，示意性地表示热交换器的外观。图2是表示图1的热交换器的内部的沿与纸面平行的面的剖视图。图3是沿图1的热交换器的X-X面的剖视图。

如图1以及图2所示，本实施方式的热交换器具备热交换部10、第一歧管20、第二歧管30、受热部40、流管50、60、多孔体70、80。热交换部10在第一介质和第二介质之间进行热交换。第一歧管20将第一介质分流。第二歧管30将第二介质分流。受热部40从热源接收热。流管50与受热部40连接，并流动有第一介质。流管60流动有第二介质。如图2所示，多孔体70在第一歧管20内被设置成将第一介质的流动隔断。多孔体80在第二歧管30内被设置成将第二介质的流动隔断。在本实施方式中，作为第一以及第二介质使用水。将第一介质做成高温介质，将第二介质做成低温介质。

热交换器例如可以用于供热水器等，具体地说，是在热源的附近设置受热部40来使用。受热部40将从热源接收的热给予第一介质。热交换部10在第一介质和第二介质之间进行热交换。据此，将热源的热从第一介质向第二介质输送。再有，能够将热从第二介质向供热水器的液体输送，使供热水器的液体的温度上升。在本实施方式中，通过自然对流来输送第一介质或第二介质。

如图3所示，热交换部10是小径的具有包括多个第一流路11以及多个第二流路12的多个流路（下称“微通道”。）的薄板状的部件。多个微通道贯通热交换部10的厚度方向。多个第一流路11和多个第二流路12被设置成在热交换部10的厚度方向并行。在下面的说明中，多个微通道被定义为截面的代表性的长度在室温、大气压条件下的水的拉普拉斯常数（2.5mm左右）以下的微通道。

作为热交换部10，可以使用铝、铜、不锈钢等热传导性优异的材质。如图3所示，在热交换部10，以截面形状为圆状的微通道为例进行了说明，但是，作为微通道的截面形状，除圆状以外，也可以应用椭圆状、半圆状、矩形状等各种各样的形状。

如图3所示，热交换部10的微通道被配置成格子状。在本实施方式中，在x轴方向设置4列，在y轴方向设置4行共16个微通道。下面，为了说明，将1行4列的微通道作为群来处理，将包括第一流路11的多个微通道群定义为A，将包括第二流路12的多个微通道群定义为B。

细节如后所述，在热交换部10中，在流过多个微通道群A的第一介质和流过多个微通道群B的第二介质之间进行热交换。因此，热交换器的热交换性能影响各微通道内的第一介质或第二介质的流动。例如，存在在第一介质或第二介质的循环中产生的气泡等流入分别使之循环的微通道内，妨害第一介质或第二介质的流动的情况。

针对该问题，例如，考虑通过使流过各微通道内的第一介质或第二介质的质量流速为100～200kg/（m²·s）左右的大的值，来抑制气泡阻塞对各微通道内的影响。但是，在像这样质量流速大的情况下，由于各微通道的流入ロ和流出ロ之间的压力损失增大，所以，优选质量流速尽可能为低速。例如，在像本实施方式这样，通过自然对流来输送介质的情况下，介质的质量流速为10kg/（m²·s）左右的级别。

再有，考虑通过增大各微通道的直径，来抑制气泡阻塞对各微通道内的影响。但是，在使热交换部10的尺寸为一定的情况下，热交换部10的每单位体积的微通道的条数减少。其结果为，传热面积减少。因此，为了提高传热性，希望各微通道的直径越小越好。

在本实施方式中，各微通道的代表性的长度，即、各微通道的截面的重力方向的最小长度H由下述算式规定。σ表示介质的表面张力，g表示重力的加速度，ρ_f表示介质的液相的密度，ρ_g表示介质的气相的密度。

在本实施方式中，各微通道的截面的代表性的长度H是各微通道的直径。下述算式的右边表示拉普拉斯常数。作为表面张力，使用事先根据使用热交换器时的设计使用条件（温度、压力等）算出的各微通道的流入ロ中的表面张力。液相的密度ρ_f、气相的密度ρ_g使用各通道的流入ロ中的密度。

$H\≤\sqrt{\frac{\mathrm{\σ}}{g({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_g)}}---\left(1\right)$

一般情况下，拉普拉斯常数表示作用于介质的重力和介质的表面张力相等的比例。因此，在为比拉普拉斯常数大的比例时，作用于介质的重力与介质的表面张力相比，作用得大，反之，在为比拉普拉斯常数小的比例时，介质的表面张力与作用于介质的重力相比，作用得大。

如图4A所示，若各微通道的直径比拉普拉斯常数大，则在气泡90混入到各微通道11或12内的情况下，重力作用于介质更大，在介质的表面张力以上。因此，气泡90容易偏向与各微通道内的重力相反的方向。反之，如图4B所示，若各微通道11或12的直径在拉普拉斯常数以下，则在气泡91混入到各微通道11或12内的情况下，介质的表面张力作用得大，在作用于介质的重力以上。因此，气泡91与其说偏向各微通道内的重力的相反方向，还不如说与重力的方向无关地以妨害第一介质或第二介质的流动的方式而容易存在。

作为上述算式中的下限值，例如为H=20μm。这是因为在H比20μm小的情况下，难以进行各微通道的制作，且压力损失明显增大。各微通道可以具有相同的直径，也可以在上述算式的范围内分别具有不同的直径。

热交换部10例如可以通过将形成有多个微小径的贯通孔的薄型部件叠层来制作，也可以通过将设有多个微小径的槽的薄型部件叠层来制作。在这种情况下，能够通过扩散接合、钎焊等将薄型部件彼此固定。热交换部10也可以通过在一体的部件上设置多个贯通孔来制作。作为贯通孔或槽的形成方法，可以使用蚀刻、电铸、光造型、阳极氧化法那样的化学处理工艺、由钻头进行的切削加工、冲压加工、放电加工、激光加工那样的机械加工工艺。

如图2所示，第一歧管20是能够流动第一介质的具有第一流入ロ21和第一流出ロ22的空心的部件。第一歧管20将流入空心的内部的第一介质分流，使之在第一流出ロ22通过并向热交换部10流出。

第一歧管20沿第一介质的流动方向形成前述第一流入ロ21、腔23、缓冲器24以及前述第一流出ロ22。腔23充满第一介质。缓冲器24将第一介质分流。第一流入ロ21与流管50连通。第一流出ロ22与图3所示的热交换器10的多个微通道群A的多个一端连通。再有，多个微通道群A的多个另一端与流管50连通。

第二歧管30是能够流动第二介质的具有第二流入ロ31和第二流出ロ32的空心的部件。第二歧管30将流入空心的内部的第二介质分流，使之在第二流出ロ32通过，并向热交换部10流出。

第二歧管30沿第二介质的流动方向形成前述第二流入ロ31、腔33、缓冲器34以及前述第二流出ロ32。腔33充满第二介质。缓冲器34将第二介质分流。第二流入ロ31与流管60连通。第二流出ロ32与热交换器10的多个微通道群B的多个一端连通。再有，多个微通道群B的多个另一端与流管60连通。

第一多孔体70是包括多个空孔的部件。第一多孔体70在第一歧管20内被设置成将第一流入ロ21和第一流出ロ22之间隔断。更详细地说，第一多孔体70被设置在腔23和缓冲器24之间。

作为第一多孔体70能够使用以聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）那样的材料为原料的海绵、用粘接剂使纤维束凝固了的部件。另外，第一多孔体70为了使介质透过且妨害气泡的透过，希望是亲液性的部件。该亲液性定义为多孔体和介质的接触角小于90°。

如上所述，在用算式1规定了图3的第一流路11的直径H的情况下，虽然能够将每单位体积的传热面积增加，但是，例如在具有比直径H大的直径的气泡流入到第一流路11内的情况下，存在将流路堵塞的可能性。由此，存在在各微通道流动的介质的流量减少的可能性。

因此，在本实施方式中，使第一多孔体70所含的多个空孔的平均直径在第一流路11的直径H以下。在这种情况下，作为平均直径，能够通过使用由使用了孔隙计（porosimeter）的水银压入法测定的空孔的体积V的分布以及假定空孔为球状时的体积V时的直径D，由下述算式算出。

通过使前述多个空孔的平均直径在第一流路11的直径H以下，能够由第一多孔体70将具有比直径H大的直径的气泡除去，能够防止向第一流路11内的气泡阻塞。因此，能够兼顾因第一流路11的直径H满足算式1带来的传热面积的提高和因防止向第一流路11内的气泡阻塞带来的介质流量的确保。其结果为，即使前述第一以及第二介质为低流速，也能够提高热交换器的热交换性能。

第二多孔体80是包括多个空孔的部件。第二多孔体80在第二歧管30内被设置成将第二流入ロ31和第二流出口32之间隔断。更详细地说，第二多孔体80被设置在腔33和缓冲器34之间。

作为第二多孔体80能够使用以聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）那样的材料为原料的海绵、用粘接剂使纤维束凝固了的部件。另外，第二多孔体80为了使介质透过且妨碍气泡的透过，希望是亲液性的部件。

在本实施方式中，第二多孔体80所含的多个空孔的平均直径在第二流路12的直径H以下。此时，作为平均直径，能够根据算式2算出。

图5A以及图5B是说明本实施例的热交换器的作用的图。图5A是与图2对应的图，图5B是与图3对应的图。

图5A中，第一介质流C＋D流入从热源接收热的受热部40，第一介质接收该热。该第一介质流C＋D在流管50流动，在第一流入ロ21通过，向第一歧管20的腔23流入。在第一介质流C+D透过第一多孔体70时，第一多孔体70例如将在流管50、腔23内产生的气泡中的直径在多个第一流路11的直径H以上的气泡去除。在第一多孔体70透过的第一介质流C＋D在缓冲器24被分流为第一介质流C以及第一介质流D，分别在多个第一流出ロ22通过，如图5B所示，流入热交换部10的包括多个第一流路11的多个微通道群A。

另一方面，第二介质流E＋F在流管60流动，在第二流入ロ31通过，向第二歧管30的腔33流入。而且，在第二介质流E＋F在第二多孔体80透过时，例如将在流管60、腔33内产生的气泡中的直径在第二流路12的直径H以上的气泡去除。在第二多孔体80透过的第二介质流E＋F在缓冲器34被分流为第二介质流E以及第一介质流F，分别在第二流出ロ（多个方式）32通过，流入热交换部10的包括多个第二流路12的多个微通道群B。

此时，在热交换部10中，通过热传导，从在多个微通道群A流动的第一介质向在多个微通道群B流动的第二介质传递热。

从多个微通道群A流出的第一介质流C以及第一介质流D再次在流管50通过，向受热部40循环。再有，从多个微通道群B流出的第二介质流E以及第二介质流F再次在流管60循环。据此，热源的热从第一介质向第二介质输送，例如能够经流管60温暖不同于热源的其它的空间。

图6是表示使用了第一实施方式的热交换器的实验结果的一例，表示质量流速和热阻的关系。作为该实验条件，使用多个微通道的直径为250μm，进而与水的接触角为36°，亲水性且具有平均直径为130μm的空孔（多个方式）的聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）的多孔体。就第一介质而言，使用温度60℃、液相密度983kg/m³、气相密度0.13kg/m³、表面张力0．066N/m的水。就第二介质而言，使用温度15℃、液相密度999kg/m³、气相密度0．014kg/m³、表面张力0．073N/m的水。

如图6所示，可知与没有多孔体70以及多孔体80的情况相比，在具有多孔体70以及多孔体80的本实施方式的热交换器中，与质量流速从100～200kg/（m²·s）大幅减小到10kg/（m²·s）左右无关，热阻变小，得到极其接近设计值的值。

根据本实施方式的热交换器，即使介质的质量流速例如为100kg/（m²·s）以下的低速，也能够防止向多个微通道的气泡阻塞。在为了介质的循环而利用自然对流的情况下，热源的高度越低，能够效率良好地进行热交换的质量流速越小。因此，能够不受热源的高度（即、热交换器的尺寸）等的制约，即使质量流速为低速，也能够防止向多个微通道的气泡阻塞。再有，由于若质量流速为低速，则能够防止压力损失的增大，所以，例如在使用泵，产生介质流的情况下，能够降低向泵的负荷。

根据上面说明的实施方式的热交换器，即使使用多个微通道，也能够维持热交换性能。

对本发明的若干实施方式进行了说明，但是，这些实施方式是作为例子列举出的方式，并没有限定本发明的范围的意图。这些新的实施方式能够以其它的各种各样的方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包括在发明的范围、主旨中，且包括在权利要求书记载的发明和与其均等的范围内。

Claims (10)

1.一种热交换器，其特征在于，

具备：

具有第一介质的第一流入ロ和前述第一介质的第一流出ロ的第一歧管、

具有与前述第一流出ロ连通，且截面的代表性的长度H1满足下述算式的第一流路的热交换部、

被设置在前述第一流入ロ和前述第一流出ロ之间，且包括平均直径在前述代表性的长度H1以下的多个空孔的第一多孔体，

$H_1\≤\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{g({\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2)}}$

这里，

σ₁是前述第一流出口中的前述第一介质的表面张力，

g是重力加速度，

ρ₁是前述第一流出口中的前述第一介质的液相的密度，

ρ₂是前述第一流出口中的前述第一介质的气相的密度。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，前述第一多孔体具有亲液性。

3.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，还具备接收来自热源的热的受热部和将前述受热部与前述第一流入ロ连通的流管。

4.如权利要求2所述的热交换器，其特征在于，还具备接收来自热源的热的受热部和将前述受热部与前述第一流入ロ连通的流管。

5.如权利要求1至4中的任一项所述的热交换器，其特征在于，还具备第二歧管以及第二多孔体，其中，

第二歧管具有第二介质的第二流入ロ和前述第二介质的第二流出ロ，第二多孔体被设置在前述第二流入ロ和前述第二流出ロ之间，包括多个空孔，前述热交换部具有截面的代表性的长度H2满足下述算式，并被设置成与前述第二流出ロ连通，且与前述第一流路并行的第二流路，前述多个空孔的平均直径在前述代表性的长度H2以下，

$H_2\≤\sqrt{\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{g({\mathrm{\ρ}}_3-{\mathrm{\ρ}}_4)}}$

这里，

σ₂是前述第二流出口中的前述第二介质的表面张力，

g是重力加速度，

ρ₃是前述第二流出口中的前述第二介质的液相的密度，

ρ₄是前述第二流出口中的前述第二介质的气相的密度。

6.如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，前述第二多孔体具有亲液性。

7.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，前述第一流路的截面的代表性的长度H1在20μm以上。

8.如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，前述第一以及第二流路的截面的代表性的长度H1、H2在20μm以上。

9.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，前述第一介质是水。

10.如权利要求5所述的热交换器，其特征在于，前述第一以及第二介质是水。

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