CN104154798A - 一种新型平面微通道换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型平面微通道换热器，包括基板和流体通道，所述流体通道设在所述基板上；所述流体通道由若干个横断面形状相同具有不同或相同曲率半径R的圆周环形通道以角度θ逆向相切串联而成。本发明结构简单，强化了换热器的传热的效果，造成的流体无序混合状态极大地促进层流微流体的混合。而且，因整个流道置于同一空间平面，可极大地方便微加工操作、降低成本。

Description

一种新型平面微通道换热器

技术领域

本发明涉及微通道换热器领域，尤其是涉及一种新型平面微通道换热器。

背景技术

随着微型智能分析仪μ-TAS，芯片基试验系统以及化学微处理技术的发展，微流体器件越来越多地得到研究和应用。微尺度条件下的流体传热强化和混合是微流体器件中的关键问题。与大尺度流体流动(湍流)对流传热或混合不同，微尺度条件下的层流流动因较厚的边界层而传热缓慢，层流条件下的流体混合仅依赖分子扩散，对于液相流体这种分子扩散将异常缓慢。增强对流传热主要通过对流体进行扰动，破坏内部流体边界层的方式完成。通常采用的扰动措施分为主动式和被动式。

主动扰动主要包括内部搅拌、变频率泵扰动、电磁扰动以及超声扰动等等。内部搅拌式的微通道换热器，一般在微流道内部设置微搅拌器件，对流体进行扰动，强化传热效果。如授权公告号为CN1319617C的专利文件中公开的一种主动式微流体混合气，包括基座、盖板及其组成形成的T字形微流体通道，其特征在于，在两微流体进口通道的汇合中心处设置一由外部能源驱动的微型梁，该微型梁两较大的平面与进口通道垂直，其另一端伸出基座外并与电路连通，该微型梁悬臂部分的高度大于微流体通道深度的1/2，小于微流体通道的深度，其余部分的高度与微流体通道的深度一致，该微型梁的悬臂长度等于进口通道的宽度。这种微通道换热器的传热效果好，但是结构复杂，制造难度较大，成本较高，且对流体纯净度要求较高，系统可靠性较低，不宜于微流体器件的大规模应用。

被动式主要包括设置扰流片、优化流道设计等。内置扰流片的微通道换热器，一般在微流道内壁设置不同形状扰流片，通过破坏流体的正常流道对流体进行扰动，强化传热。如授权公告号为CN201917259U的专利文件中公开的一种微通道换热器，由进口管、微通道扁管束、集流管、翅片和出口管组成，所述微通道扁管束由多个扁管并排构成，其特征在于：所述扁管由锯齿管壁和锯齿水力通道构成。这类微通道换热器结构简单，传热增强效果一般，同时制造复杂，可靠性较低。

发明内容

为了提供一种有效的降低微通道换热器尺寸、简化结构设计、提高传热或混合效果，本发明提供了一种被动式新型平面微通道换热器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型平面微通道换热器，包括基板和流体通道，所述流体通道设在所述基板上；所述流体通道为若干个横断面形状相同具有不同或相同曲率半径R的圆周环形通道以角度θ逆向相切串联而成。

这种平面微通道换热器，基板上呈环形的流体通道可以使层流流体在矩形断面上产生二或四个二次流涡旋，而流体在不同旋转方向的曲环通道流动产生的不同方向离心力使二次流涡旋中心在微通道横断面上的位置发生周期性移动，从而对流体边界层进行扰动和破环，强化了微通道内流体与周围环境的对流换热；同时，因对流道内不同流体界面的扭曲和拉伸，使得流体界面面积沿流体流经的曲环数目成指数级数增长，造成无序流体混合状态从而促进层流微流体的混合。

为了节省成本，方便微加工的操作，优选的是，所述流体通道位于同一空间平面；所述基板是由硅、金属、或聚合物制成的基板；所述流体通道的横截面为矩形或梯形。

迪恩数是迪恩涡的强度准则数。随着迪恩数K的增加，在流体通道内形成的二次涡流强度和数量亦会不断增加。为了优化传热及流体混合的效果，优选的是，迪恩数的取值应大于50，其中，u和ν分别为流体流速和运动粘度，d和R分别为圆弧型通道横截面的水力直径和圆弧型通道的半径，Re代表Reynolds数。为了提升传热强化效果，作为进一步改进，迪恩数K大于100，更进一步迪恩数K大于150。

在强化换热时，串接的各圆周环形通道的圆周角不同，产生的离心力也不同，对流道内部所生成的二次涡的大小、位置、震动等影响也不同，串接的各圆周环形通道的圆周角θ越大，强化换热效果越好。为了强化传热和流体混合效果要求，优选的是，串接的各圆周环形通道的圆周角θ相等，所述圆周角的取值范围在内。

当换热器内流动的流体为层流时，雷诺数Re<2300。根据雷诺数的计算公式，Re＝ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为水力直径，根据换热器内流动的流体的流速、密度与黏性系数的不同，换热器的水力直径d可小至微米量级，大至毫米量级。

本发明采用多个曲率半径相同或不同的圆弧型流道逆向连接，利用流体在圆周通道流动产生的离心力对流体进行扰动形成二次流动涡旋，不同旋转方向的圆周流道使的二次涡旋在流道内位置发生周期性震荡。涡流震荡对内部流体的边界层进行扰动，达到强化传热的目的。同时，涡流震荡对流道内不同流体界面进行扭曲和拉伸，使得流体界面面积沿流体流经的曲环数目成指数级数增长，造成无序流体混合状态从而极大地促进层流微流体的混合。而且，因整个流道置于同一空间平面，可极大地方便微加工操作、降低成本。

附图说明

图1是本发明实施例中基板的示意图；

图2是本发明实施例中串接的各圆周环形通道的圆周角时流体通道的示意图；

图3是本发明实施例中串接的各圆周环形通道的圆周角时流体通道的示意图；

图4是本发明实施例中串接的各圆周环形通道的圆周角θ＝π时流体通道的示意图；

图5是本发明实施例中不同大小迪恩数K对流体界面扰动影响的示意图。

附图标记说明：1-基板；2-流体通道；3-入口直通道；4-第一环形通道；5-第二环形通道；6-第三环形通道；7-第四环形通道；8-出口直通道；9-过滤网；21-第一流体入口；22-第二流体入口

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1-2所示，一种新型平面微通道换热器，包括基板1和流体通道2。基板1可以是硅基、聚合物或者金属制成的平板。通过微加工光刻或蚀刻，在基板1加工出若干条半径为R的流体通道2。本实施例中，流体通道2的数量为4条。4条流体通道2的半径相同。

如图2所示，流体通道2的一端设有流体进口。为了能让两种或多种流体同时进入微通道换热器，流体通道2上设有两个流体入口，分别为第一流体入口21和第二流体入口22。第一流体入口21和第二流体入口22与入口直通道3相通。

入口直通道3的一端与第一流体入口21和第二流体入口22相连通，另一端与第一环形通道4相连接，然后第二环形通道5在第一个环境通道角度θ的位置逆向相切连接，然后依次逆向相切连接第三环形通道6和第四环形通道7，在第四环形通道7出口处固定切向连接出口直通道8作为流体出口。图2中，串接的各圆周环形通道的圆周角

为了保证微通道换热器内的流体混合的效果，在入口直通道2内还设置有过滤网9。

流体从第一流体入口21和第二流体入口22进入流体通道2，在不同旋转方向的圆弧通道内流动，产生不同方向的离心力使二次流涡旋中心在微通道横断面上的位置发生周期性移动，从而对流体边界层进行扰动和破环，强化了微通道内流体与周围环境的对流换热；同时，因对流道内不同流体界面的扭曲和拉伸，使得流体界面面积沿流体流经的曲环数目成指数级数增长，造成无序流体混合状态从而促进层流微流体的混合。

在强化换热时，串接的各圆周环形通道的圆周角不同，产生的离心力也不同，对流道内部所生成的二次涡的大小、位置、震动等影响也不同，串接的各圆周环形通道的圆周角θ越大，强化换热效果越好。图3、图4为本实施例中，串接的各圆周环形通道的圆周角θ＝π时流体通道的示意图。

流体流动形成迪恩涡时，迪恩数的取值不同，流体截面的扰动情况亦有所不同。公式中，u和ν分别为流体流速和运动粘度，d和R分别为圆弧型通道横截面的水力直径和圆弧型通道的半径，Re代表Reynolds数。

图5为不同大小的迪恩数K对流体界面扰动影响的示意图。如图5所示，随着迪恩数K的增加，流道内部的二次涡流强度和数量都不断增加。当K＝10时，内部只有一个强度很弱的二次涡流，当K增加到100时，涡流强度增强，涡流中心逐渐靠近流道外壁，当K增加到200时，在流道外壁附近出现了新的二次涡流，更加强化了流动扰动和换热效果。

本发明结构简单，强化了换热器的传热的效果，造成的流体无序混合状态极大地促进层流微流体的混合。而且，因整个流道置于同一空间平面，可极大地方便微加工操作、降低成本。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种新型平面微通道换热器，包括基板和流体通道，其特征是：所述流体通道设在所述基板上；所述流体通道由若干个横断面形状相同具有不同或相同曲率半径R的圆周环形通道以角度θ逆向相切串联而成。

2.根据权利要求1所述的一种新型平面微通道换热器，其特征是：所述流体通道位于同一空间平面；所述基板是由硅、金属、或聚合物制成的基板。

3.根据权利要求1所述的一种新型平面微通道换热器，其特征是：串接的各圆周环形通道的圆周角θ相等，所述圆周角的取值范围在内。

4.根据权利要求1所述的一种新型平面微通道换热器，其特征是：迪恩数大于50，其中，u和ν分别为流体流速和运动粘度，d和R分别为圆弧型通道横截面的水力直径和圆弧型通道的曲率半径，Re代表Reynolds数。

5.根据权利要求1所述的一种新型平面微通道换热器，其特征是：所述流体通道横截面为矩形或梯形。