CN104006578A - 微通道换热器及换热设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微通道换热器及换热设备，该换热器包括两集流管以及设置在两集流管之间的扁管，扁管上设有翅片，集流管由外部实心管壁和内部多孔微通道结构组成；和/或，扁管由外部实心管壁和内部多孔微通道结构组成。本发明可提高制冷剂分配到每根扁管中的均匀性，扁管强制换热作用增强，提高换热效率，此外，还可以提升换热器的耐电化学腐蚀性。

Description

微通道换热器及换热设备

技术领域

本发明涉及换热技术领域，尤其涉及一种微通道换热器及换热设备。

背景技术

微通道换热器是一种采用铝扁管、铝翅片制作的新型高效换热器，具有换热效率高、成本低、抗电化学腐蚀能力强等优点，目前已大量应用于汽车空调、散热器以及热水器行业，在家用空调上也有了初步的应用。

传统的微通道换热器主要由微通道扁管、设置于微通道扁管上的翅片、放置于微通道扁管两端的集流管、用来分流密封的集流管隔片、端盖以及输入/输出管组件组成。换热器经装配、钎焊后完成。

目前，微通道换热器使用的微通道扁管主要如图1a及图1b所示，此类微通道扁管一般采用模具挤压法成型，扁管内的微通道数量可以相对较多，扁管材料采用耐蚀性较高的3系铝合金，扁管表面一般采用喷锌处理，以提高换热器的耐腐蚀性。

如图2a及图2b所示，目前也有一种复合折叠扁管，该类型扁管采用铝板折叠成型，铝板一般由芯层、防腐层及钎焊层组成，该类型扁管成型方法整体上分为两类：一种是采用铝板直接折叠成型，另一种方法为将扁管内部的扁管孔隔板折叠成型后包覆于扁管外壁铝板后成型。此类型扁管可以做得更薄，同时由于防腐层材料及成型工艺具有更好的可控性，复合折叠扁管具有更好的耐腐蚀性。虽然理论上该类型扁管可成型的微通道数量更多，但目前由于设备及模具的原因，该类型的扁管微通道数量较挤压扁管少。

微通道换热器一般采用挤压扁管和带钎料翅片进行钎焊，钎焊后换热器翅片上很难避免钎料残留问题，这会导致微通道换热器翅片表面相对经过表面处理的铜管铝翅片换热器粗糙度较大，一方面为换热器壁面湿空气凝结时提供了凝结核心，另一方面也增加了凝结水排除的难度，堆积在换热器表面的凝结水形成了很大的传热热阻，制约着换热器传热性能的发挥；另外，由于微通道换热器排水不畅及表面相对粗糙，表面残留的膜状或珠状水滴在粗糙的表面上更容易形核，从而加速微通道换热器结霜。

此外，影响微通道换热器换热效率的另外一个重要因素是微通道换热器作为蒸发器使用时，制冷剂分配很不均匀，存在“干蒸”与“供液过多”现象。微通道换热器一般通过在集流管上开设的隔板及输入/输出管来进行制冷剂分配，但由于换热集流管为竖直放置空管，在重力作用下，液相制冷剂会聚集于靠隔板下端的扁管，很难保证制冷剂均匀分配，从而不能充分发挥微通道换热器的换热能力。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种结构简单、制冷剂分布均匀、换热效果好的微通道换热器及换热设备。

为了达到上述目的，本发明提出一种微通道换热器，包括两集流管以及设置在所述两集流管之间的扁管，所述扁管上设有翅片，所述集流管由外部实心管壁和内部多孔微通道结构组成；和/或，所述扁管由外部实心管壁和内部多孔微通道结构组成。

优选地，所述集流管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿集流管长度和圆周方向均匀分布；或者，所述集流管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿集流管长度和圆周方向非均匀分布。

优选地，所述集流管的外部实心管壁和内部多孔微通道结构分体设置或一体成型。

优选地，所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿扁管长度和宽度方向均匀分布；或者，所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿扁管长度和宽度方向非均匀分布。

优选地，当所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小非均匀分布且微通道换热器作为蒸发器时，所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿制冷剂流动方向由小到大；微通道换热器作为冷凝器时则相反。

优选地，所述扁管的外部实心管壁和内部多孔微通道结构分体设置或一体成型。

优选地，所述扁管的外部实心管壁和内部多孔微通道结构焊接或辊压成型。

优选地，所述扁管的内部多孔微通道结构采用有序多孔材料制成；或者，所述扁管的内部多孔微通道结构采用无序多孔材料制成。

优选地，所述扁管的外部实心管壁由内至外包括：芯层、阳极牺牲保护层和钎料层；所述钎料层与所述翅片焊接。

本发明还提出一种换热设备，包括如上所述的微通道换热器。

本发明提出的一种微通道换热器及换热设备，一方面，换热器中的集流管内设有多孔微通道，制冷剂在微通道中流动方向具有无序性，可减轻重力作用引起的气液分离现象，提高制冷剂分配到每根扁管中的均匀性，提高换热效率；另一方面，扁管中设有多孔材料组成的更为细小的多孔微通道，可提高扁管的内表面积，改变微通道内气液两相流动与相变传热规律，起到强化换热作用，换热器换热效率更高；此外，作为蒸发器时，沿制冷剂流动方向，扁管的多孔材料孔隙率及孔隙大小逐渐增大，液态制冷剂在经过扁管蒸发逐渐转变成气态制冷剂时，比容及流速增大，阻力增大，此时扁管多孔微通道体积增大，可降低流速，从而减小流动阻力，降低节流效应，提高系统换热效率；而作为冷凝器时，制冷剂由气态逐渐变为液态，体积减小，孔隙率及孔隙大小由大变小，可以很好的控制制冷剂流速和流阻，增强换热效率。进一步地，由于扁管带钎料，钎焊后换热器翅片表面较翅片带钎料的翅片表面更为光滑，有利于排冷凝水，同时光滑表面较粗糙表面的异质形核点更少，可以抑制换热器低温结霜，提升换热器低温换热性能；更进一步地，由于扁管的实心管壁材料有阳极牺牲合金材料成分及材料厚度可精确控制，可以提升换热器的耐电化学腐蚀性。

附图说明

图1a是现有的挤压微通道扁管的立体结构示意图；

图1b是现有的挤压微通道扁管的截面示意图；

图2a是现有的复合折叠扁管的立体结构示意图；

图2b是现有的复合折叠扁管的截面示意图；

图3是本发明微通道换热器实施例的主视图；

图4是本发明微通道换热器实施例的立体结构示意图；

图5是本发明微通道换热器第一实施例中集流管的主视图；

图6是本发明微通道换热器第一实施例中集流管的截面示意图；

图7是本发明微通道换热器第一实施例中扁管的立体结构示意图；

图8是本发明微通道换热器第一实施例中扁管的截面示意图；

图9是本发明微通道换热器第一实施例中扁管的孔隙均匀分布的图8所示的A-A方向局部剖视图；

图10是本发明微通道换热器第一实施例中扁管的孔隙不均匀分布的图8所示的A-A方向局部剖视图；

图11是本发明微通道换热器第一实施例中扁管的外部实心管壁的局部放大剖视图；

图12是本发明微通道换热器第二实施例中扁管的孔隙均匀分布示意图；

图13是本发明微通道换热器第二实施例中扁管的孔隙不均匀分布示意图。

图14是本发明微通道换热器第三实施例中集流管的主视图；

图15是本发明微通道换热器第三实施例中集流管的截面示意图；

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3-图8所示，本发明第一实施例提出一种微通道换热器，包括分别位于换热器两端的两集流管(第一集流管2和第二集流管8)以及设置在所述两集流管之间的扁管11，所述扁管11上设有翅片3，集流管上设有管接座4、端盖1、分流三通阀7，管接座4上连接输入/输出管5，集流管内设有用来分流密封的隔片6。换热器经装配、钎焊后完成。

本实施例中，集流管由外部实心管壁19和内部多孔微通道结构20组成的多孔微通道集流管18，如图5及图6所示，由于本实施例微通道换热器中的集流管内设有多孔材料微通道，制冷剂在集流管内经多孔材料分配到各个扁管11，而多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，制冷剂在微通道中流动方向具有无序性，可减轻重力作用引起的气液分离现象，从而提高制冷剂分配到每根扁管11中的均匀性，提高了换热器的换热效率。

所述集流管内部多孔微通道结构20的孔隙率和孔隙大小可调，比如，孔隙率和孔隙大小沿集流管长度和圆周方向均匀分布，当然，在其他实施例中，集流管内部多孔微通道结构20的孔隙率和孔隙大小沿集流管长度和圆周方向还可以按一定的规律非均匀分布。

本实施例中集流管的外部实心管壁19和内部多孔微通道结构20可以分体设置，也可以一体成型。具体可以采用如下两种方法制作集流管：

第一种方案为集流管外部实心管壁19材料与内部多孔材料是分离的，存在装配关系，在制作时，将成型好的集流管按照分流隔片位置，逐步将多孔材料放入不同区域。

第二种方案为集流管外部实心管壁19材料与内部多孔材料一体成型，然后再加工集流管上的孔位。

本实施例中，所述扁管11由外部实心管壁12和内部多孔微通道结构13组成，如图7及图8所示。

制冷剂在扁管11内经多孔材料的孔隙流通，由于通常情况下多孔材料的孔隙较为细小，可增大制冷剂与扁管11的内接触面积，同时微通道内气液两相流动与相变传热规律将不同于常规较大尺寸，微通道越小，这种尺寸效应越明显，从而使得强化传热作用越明显。

其中，所述扁管11内部多孔微通道结构13的孔隙率和孔隙大小沿扁管11长度和宽度方向可以均匀分布，如图9所示；此外，所述扁管11内部多孔微通道结构13的孔隙率和孔隙大小沿扁管11长度和宽度方向还可以按一定的规律非均匀分布。

具体地，在本实施例中，作为扁管内部多孔微通道结构13的孔隙率和孔隙大小非均匀分布的情形，当所述微通道换热器作为蒸发器时，所述扁管11内部多孔微通道结构13的孔隙率和孔隙大小沿制冷剂流动方向(如图10中箭头所示)由小到大，当所述微通道换热器作为冷凝器时，所述扁管11内部多孔微通道结构13的孔隙率和孔隙大小沿制冷剂流动方向由大到小。

采用上述结构特征的扁管11内部多孔微通道结构13，是考虑到：作为蒸发器时，沿制冷剂流动方向(如图10中箭头所示)，扁管11多孔材料孔隙率及孔隙大小增大，液态制冷剂在经过扁管11蒸发逐渐转变成气态制冷剂，比容及流速增大，阻力增大，此时扁管11多孔内通道体积增大，可降低流速，从而减小流动阻力，降低节流效应，提高系统换热效率；而作为冷凝器时，制冷剂由气态逐渐变为液态，体积减小，孔隙率及孔隙大小由大变小，可以很好的控制制冷剂流速和流阻，增强换热效率。

本实施例中，扁管11的外部实心管壁12和内部多孔微通道结构13可以分体设置，也可以一体成型。

具体可以采用如下两种方法制作扁管11：

第一种方案为将扁管11内部的多孔材料包裹于扁管11外部的实心管壁材料，然后采用高频焊管或者辊压成型。

第二种方案为将多孔材料在一定的模具里采用高频焊的方法，使得多孔材料表层融化并在模具作用下形成一定厚度和形状的管壁材料。

作为一种实施方式，本实施例的扁管11的外部实心管壁12结构如图11所示。

所述扁管11的外部实心管壁12由内至外包括：芯层14、阳极牺牲保护层15和钎料层16，其中：内层芯层14材料由耐腐蚀性较高的3系铝合金组成，中层阳极牺牲保护层15为由点位相对较低的铝合金组成的包覆在芯层材料上的牺牲阳极材料，外层钎料层16为由Al-Si系合金组成的包覆在中间层的钎料，三层材料厚度所占比例可调。

所述钎料层16与扁管11上的翅片3焊接，由于扁管11已带钎料，设置于扁管11上的翅片3不带钎料。

由于扁管11带钎料，钎焊后换热器翅片3表面较翅片3带钎料的翅片3表面更为光滑，有利于排冷凝水，同时光滑表面较粗糙表面的异质形核点更少，可以抑制换热器低温结霜，提升换热器低温换热性能。

此外，由于扁管11的实心管壁材料有阳极牺牲合金材料成分及材料厚度可精确控制，可以提升换热器的耐电化学腐蚀性。

还需要说明的是，本实施例中扁管11的内部多孔微通道结构12采用无序多孔材料制成。当然，所述扁管11的内部多孔微通道结构12还可以采用有序多孔材料制成，如图12及图13所示，图12是本发明微通道换热器第二实施例中扁管11的孔隙均匀分布示意图；图13是本发明微通道换热器第二实施例中扁管11的孔隙不均匀分布示意图。

相比现有技术，上述实施例微通道换热器具有如下优点：

第一，换热器中的集流管内设有多孔材料微通道，制冷剂在微通道中流动方向具有无序性，使得制冷剂混合及流动更均匀，可减轻重力作用引起的气液分离现象，提高制冷剂分配到每根扁管11中的均匀性，提高换热效率。

第二，扁管11中设有多孔材料组成的更为细小的微通道，可提高扁管11的内表面积，改变微通道内气液两相流动与相变传热规律，起到强化换热作用，换热器换热效率更高；在制热状态，微通道换热器作为蒸发器，沿制冷剂流动方向扁管11多孔材料孔隙率及孔隙大小增大，液态制冷剂在经过扁管11蒸发逐渐转变成气态制冷剂，比容及流速增大，阻力增大，此时多孔扁管11内通道体积增大，可降低流速，从而减小流动阻力，降低节流效应，提高系统换热效率；制冷状态时，微通道换热器作为冷凝器，制冷剂由气态逐渐变为液态，体积减小，此时扁管11内部多孔微通道的孔隙率及孔隙大小由大变小，可以很好的控制制冷剂流速和流阻，增强换热效率。

第三，由于扁管11带钎料，钎焊后换热器翅片3表面较翅片3带钎料的翅片3表面更为光滑，有利于排冷凝水，同时光滑表面较粗糙表面的异质形核点更少，可以抑制换热器低温结霜，提升换热器低温换热性能。最后，由于扁管11的实心管壁材料有阳极牺牲合金材料成分及材料厚度可精确控制，可以提升换热器的耐电化学腐蚀性。

如图14及图15所示，本发明第三实施例提出一种微通道换热器，与上述第一实施例的区别在于，本实施例中，微通道换热器的两集流管为普通集流管17，及集流管内部不具有多孔微通道结构，其他与第一实施例相同。

当然，本发明对于不同组合方式，还可以列出多种实施例，这里不一一枚举。

此外，本发明还提出一种换热设备，该换热设备可以是空调器、散热器或热水器等需要使用换热器的设备，该换热设备可以采用上述实施例所述的微通道换热器，其结构特点及基本原理请参照上述实施例，在此不再赘述。

本发明实施例微通道换热器及换热设备，一方面，换热器中的集流管内设有多孔微通道，制冷剂在微通道中流动方向具有无序性，可减轻重力作用引起的气液分离现象，提高制冷剂分配到每根扁管11中的均匀性，提高换热效率；另一方面，扁管11中设有多孔材料组成的更为细小的多孔微通道，可提高扁管11的内表面积，改变微通道内气液两相流动与相变传热规律，起到强化换热作用，换热器换热效率更高；此外，作为蒸发器时，沿制冷剂流动方向，扁管11的多孔材料孔隙率及孔隙大小逐渐增大，液态制冷剂在经过扁管11蒸发逐渐转变成气态制冷剂时，比容及流速增大，阻力增大，此时扁管11多孔微通道体积增大，可降低流速，从而减小流动阻力，降低节流效应，提高系统换热效率；而作为冷凝器时，制冷剂由气态逐渐变为液态，体积减小，孔隙率及孔隙大小由大变小，可以很好的控制制冷剂流速和流阻，增强换热效率。进一步地，由于扁管11带钎料，钎焊后换热器翅片3表面较翅片3带钎料的翅片3表面更为光滑，有利于排冷凝水，同时光滑表面较粗糙表面的异质形核点更少，可以抑制换热器低温结霜，提升换热器低温换热性能；更进一步地，由于扁管11的实心管壁材料有阳极牺牲合金材料成分及材料厚度可精确控制，可以提升换热器的耐电化学腐蚀性。

上述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种微通道换热器，包括两集流管以及设置在所述两集流管之间的扁管，所述扁管上设有翅片，其特征在于，所述集流管由外部实心管壁和内部多孔微通道结构组成；和/或，所述扁管由外部实心管壁和内部多孔微通道结构组成。

2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，所述集流管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿集流管长度和圆周方向均匀分布；或者，所述集流管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿集流管长度和圆周方向非均匀分布。

3.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，所述集流管的外部实心管壁和内部多孔微通道结构分体设置或一体成型。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的微通道换热器，其特征在于，所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿扁管长度和宽度方向均匀分布；或者，所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿扁管长度和宽度方向非均匀分布。

5.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于，当所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小非均匀分布且微通道换热器作为蒸发器时，所述扁管内部多孔微通道结构的孔隙率和孔隙大小沿制冷剂流动方向由小到大；微通道换热器作为冷凝器时则相反。

6.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于，所述扁管的外部实心管壁和内部多孔微通道结构分体设置或一体成型。

7.根据权利要求6所述的微通道换热器，其特征在于，所述扁管的外部实心管壁和内部多孔微通道结构焊接或辊压成型。

8.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于，所述扁管的内部多孔微通道结构采用有序多孔材料制成；或者，所述扁管的内部多孔微通道结构采用无序多孔材料制成。

9.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于，所述扁管的外部实心管壁由内至外包括：芯层、阳极牺牲保护层和钎料层；所述钎料层与所述翅片焊接。

10.一种换热设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的微通道换热器。