CN104896977A - 一体化一次表面微通道紧凑式换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化一次表面微通道紧凑式换热器，包括热流体进口、热流体出口、微通道紧凑式波纹板热交换芯体、冷流体进口和冷流体出口；热流体进口连接在微通道紧凑式波纹板热交换芯体的一侧，冷流体出口连接在微通道紧凑式波纹板热交换芯体的另一侧；冷流体进口连接微通道紧凑式波纹板热交换芯体的一端和冷流体出口连接微通道紧凑式波纹板热交换芯体的另一端；微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括多个相互叠加的冷流体通道和热流体通道；热流体进口通过热流体通道连接热流体出口；冷流体进口通过冷流体通道连接冷流体出口。本发明中冷流体通道和热流体通道之间为实接触，相互之间不会有变形与滑动，保证了换热器的整体换热效率和使用安全。

Description

一体化一次表面微通道紧凑式换热器

技术领域

本发明涉及换热器，具体地，涉及一体化一次表面微通道紧凑式换热器。

背景技术

航空、航天以及汽车等领域中需要高效紧凑换热器的应用场合。在航空、航天产品的空气冷却系统、燃料冷却系统以及滑油冷却系统都需要大量的高效紧凑换热器，汽车行业所需要的滑油冷却器、中间冷却器换热器、EGR系统的气气换热器都需要高效紧凑的换热器。

经过对现有技术的检索，发现申请号为2014200443516.X，名称为换热器的发明公开了一种换热器，包括第一集流管；第二集流管，所述第一集流管和第二集流管间隔开预定距离，多根扁管间隔地设置在所述第一集流管和第二集流管之间且连通所述第一集流管和第二集流管。所述第一集流管和/或第二集流管包括相互配合且形成第一腔体和第二腔体的第一分片和第二分片，所述第一和第二分片沿着所述第一集流管和/或第二集流管的长度方向延伸，所述第一分片和第二分片分别位于所述第一集流管和/或第二集流管的各自集流管的外侧和内侧，其中所述第二分片为在其相对的两侧设置有供所述扁管穿过的多个槽的管道。但是该实用新型体积较大，没有冷流体流道，换热效果较差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种一体化一次表面微通道紧凑式换热器，可以提供气气、气液的高效低阻流动换热能力，适用于对空间尺寸要求比较高的各种高效紧凑换热器应用场合。

根据本发明提供的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，包括热流体进口、热流体出口、微通道紧凑式波纹板热交换芯体、冷流体进口和冷流体出口；

所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体，包括若干第一通道、若干第二通道；

所述热流体进口连接在所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第一通道的一端，所述热流体出口连接在所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第一通道的另一端；所述冷流体进口连接所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第二通道的一端，所述冷流体出口连接所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第二通道的另一端。

优选地，所述热流体进口和所述热流体出口呈喇叭状，所述热流体进口和所述热流体出口一端呈圆管状，另一端呈方形管状。

优选地，所述热流体进口、热流体出口、微通道紧凑式波纹板热交换芯体、冷流体进口和冷流体出口一体成型。

优选地，所述冷流体通道和所述热流体通道的直径在0.3mm-1.5mm之间。

优选地，所述冷流体通道和所述热流体通道的壁面粗糙度Ra为5至10微米。

优选地，所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括波纹板；

多个波纹板依次层叠设置，相邻波纹板之间的间隙构成所述第一通道或第二通道。

优选地，所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括翅片；

第一通道和/或第二通道的两端部分别为由所述翅片构成的流出通道和流入通道。

优选地，第一通道、第二通道依次交替设置。

优选地，所述第一通道包括多个平行并排分布的热流体通道；第二通道包括多个平行并排分布的冷流体通道；热流体通道的横截面为椭圆形；冷流体通道的横截面为椭圆形。

优选地，第一通道包括设置在一侧的多个平行并排分布的第一热流体通道和设置在另一侧的多个平行并排分布第二热流体通道，相邻的第一热流体通道的相邻侧面之间相连通；相邻的第二热流体通道的相邻侧面之间相连通；

第二通道包括设置在一侧的多个平行并排分布的第一冷流体通道和设置在另一侧的多个平行并排分布的第二冷流体通道，相邻的第一冷流体通道的相邻侧面之间相连通；相邻的第二冷流体通道的相邻侧面之间相连通；

第一热流体通道平行第一冷流体通道；第二热流体通道平行第二冷流体通道；第一热流体通道不平行第二热流体通道；第一冷流体通道不平行第二冷流体通道。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中冷流体微通道和热流体微通道采用圆形和椭圆形线型设计，充分提高冷热流体换热面积的同时减小流动阻力，使得所涉及的一次表面换热器更加适合表面流动换热系数较低的气-气换热系统；

2、本发明中冷流体微通道和热流体微通道之间为实接触，即波纹通道接触位置连成一体，相互之间不会有变形与滑动，保证了换热器的整体换热效率和使用安全；

3、本发明中冷流体微通道和热流体微通道的内壁面表面粗糙度增加，即单位体积材料的表面积大大增加，表面积的增加会提高换热器结构表面与流体的换热效率，从而提高换热器的整体换热效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中冷流体和热流体流向示意图；

图3为本发明中冷热流体多层逆向流动示意图；

图4为本发明的立体图、俯视图、侧视图及中冷流体和热流体流向示意图；

图5为本发明中热流体流向示意图；

图6为本发明中图5中A-A局部放大示意图；

图7为本发明中热流体进口的俯视图、仰视图、侧视图及立体图；

图8为本发明中内部结构剖面示意图；

图9为本发明中单层逆流换热器剖面结构示意图；

图10为本发明中单层叉流换热器剖面结构示意图。

图中：

1  为冷热流体隔层；

2  为热流体进口；

3  为热流体出口；

4  为顶板；

5  为翅片；

6  为冷流体通道；

7  为侧板；

8  为层板；

9  为冷热流体隔板；

10 为热流体通道；

11 为椭圆型部；

12 为曲线形部；

13 为冷流体进口；

14 为冷流体出口；

15 为通道入口；

16 为通道出口；

17 为波纹板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，包括热流体进口2、热流体出口3、微通道紧凑式波纹板热交换芯体、冷流体进口13和冷流体出口14；所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体，包括若干第一通道、若干第二通道。

所述热流体进口2连接在所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第一通道的一端，所述热流体出口3连接在所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第一通道的另一端；所述冷流体进口13连接所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第二通道的一端和所述冷流体出口14连接所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第二通道的另一端；所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括多个相互叠加的冷流体通道6和热流体通道10；所述热流体进口2通过所述热流体通道10连接所述热流体出口3；所述冷流体进口13通过所述冷流体通道6连接所述冷流体出口14。

所述热流体进口2和所述热流体出口3呈喇叭状，所述热流体进口2和所述热流体出口3一端呈圆管状，另一端呈方形管状。所述热流体进口2、热流体出口3、微通道紧凑式波纹板热交换芯体、冷流体进口13和冷流体出口14一体成型。改进了传统设计中芯体和集气(液)腔，即所述热流体进口2和所述热流体出口，分开设计与加工所带来的后期加工泄露及加工困难的问题，集气(液)腔的进口收缩口为喇叭状，一端为圆管状，一端为方形管状，圆管端用于连接外部管路接头，方管端一体化打印在散热器本体的出入口，覆盖了散热器的出入口。收缩口的主要作用有：一是收缩口加工有内螺纹，方便管路接头的连接与安装；一是有利于换热器出入口流体的收集与分流。所述冷流体通道6和所述热流体通道10的直径在0.3mm-1.5mm之间，有效提高本发明的紧凑度。所述冷流体通道6和所述热流体通道10的壁面粗糙度Ra为5至10微米。

所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括波纹板17、侧板7和翅片5；多个波纹板17依次层叠设置，相邻波纹板17之间的间隙构成所述第一通道或第二通道。所述波纹板17包括顺次相连的曲线形部和椭圆型部，相邻波纹板17的曲线形部对应相连且相邻波纹板17的椭曲线形部11对应相连，从而相邻波纹板17的曲线形部形成冷流体通道或热流体通道；相邻波纹板的椭圆型部11形成冷流体通道或热流体通道；所述翅片5连接所述波纹板17的两端，相邻翅片5构成流出通道和流入通道；所述流入通道通过所述冷流体通道连通所述流出通道；所述侧板7的两端设置有通道入口15和通道出口16；所述通道入口15通过热流体通道10连通所述通道出口16。多个波纹板17、侧板7和翅片5之间一体成型。翅片5设置在冷热流体隔板9上；冷热流体隔板9的一端连接所述波纹板17，另一端连接层板。侧板7、顶板和底板围成所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的外壳。热流体通道10的横截面为椭圆形；冷流体通道6的横截面为椭圆形。

在变形例中，所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括第一波纹板、第二波纹板、侧板7和翅片5；所述第一波纹板的一侧面设置有水平的第一热流体通道，另一侧面设置有水平的第一冷流体通道；所述第二波纹板的一侧面设置有倾斜的第二热流体通道，另一侧面设置有倾斜的第二冷流体通道；所述第一热流体通道和所述第二热流体通道构成热流体通道10；所述第一冷流体通道和所述第二冷流体通道构成冷流体通道6；所述流入通道通过所述冷流体通道或所述热流体通道连通所述流出通道；所述侧板7的两端设置有通道入口15和通道出口16；所述通道入口15通过所述冷流体通道6或热流体通道10连通所述通道出口16。第一波纹板、第二波纹板、侧板和翅片之间一体成形。

在变形例中，第一通道包括设置在一侧的多个平行并排分布的第一热流体通道和设置在另一侧的多个平行并排分布第二热流体通道，相邻的第一热流体通道的相邻侧面之间相连通；相邻的第二热流体通道的相邻侧面之间相连通；

第二通道包括设置在一侧的多个平行并排分布的第一冷流体通道和设置在另一侧的多个平行并排分布的第二冷流体通道，相邻的第一冷流体通道的相邻侧面之间相连通；相邻的第二冷流体通道的相邻侧面之间相连通；

第一热流体通道平行第一冷流体通道；第二热流体通道平行第二冷流体通道；第一热流体通道不平行第二热流体通道；第一冷流体通道不平行第二冷流体通道。

所述第一热流体通道的轴线与所述第二热流体通道的轴线的角度在0至90度之间；所述第一冷流体通道的轴线与所述第二冷流体通道的轴线的角度在0至90度之间。在本实施例中，所述第一热流体通道的轴线与所述第二热流体通道的轴线的角度为45度；所述第一冷流体通道的轴线与所述第二冷流体通道的轴线的角度为45度。

本发明提供的一次表面微通道紧凑式换热器的工作原理为：换热器的一体化整体制造，换热器由采用抛物线和双曲线型曲线构建的冷热流体微小通道相互叠加形成隔离的流通通道组成，通道中冷流体和热流体两种交错在不同的通道中逆向或交叉流动，通过冷流体和热流体的逆向或交叉流动来实现流体的热量交换。本发明提供的一次表面紧凑式换热器采用一体化设计进行冷流体和热流体的间隔与密封，将冷流体和热流体两侧封条与一次表面板一体化设计，解决了微小通道紧凑换热器的传统焊接难且容易泄露的问题。

传统一次表面换热器中波纹板之间为虚接触，即波纹板之间有缝隙，在冷热流体压差较大的情况下会发生变形与相互滑动，从而会影响换热器的整体换热效率，传统加工工艺一般对此不加处理，或者在冷热通道接触处采用钎焊焊接使其避免滑动，加工困难且成本大。本发明中一体化一次表面换热器中，冷流体通道和热冷流体通道之间为实接触，即波纹通道接触位置连成一体，相互之间不会有变形与滑动，保证了换热器的整体换热效率和使用安全；传统加工工艺制造的换热器波纹板必须保证一定的厚度，无法制造更薄的波纹板，特别是一些伸展性比较小的金属材料，传统的压轧加工方式很容易使得薄板出现加工缺陷，进而引起换热器的内部泄露，因此传统加工工艺使得换热器的体积无法进一步的缩小。本发明增加了换热器结构的紧凑性，而且在保证换热器结构强度的前提下能够使得换热器的波纹隔层尽量的薄，从而可以进一步缩小换热器的体积。相对传统加工工艺，本设计可以更加有效设计冷热流体通道，所设计的一次表面换热器的冷热流体微通道采用圆形和椭圆形线型设计，充分提高冷热流体换热面积的同时减小流动阻力，使得所涉及的一次表面换热器更加适合表面流动换热系数较低的气-气换热系统；传统加工的薄板采用压轧技术，表面光滑，若需增加表面粗糙度需要腐蚀、喷砂打磨等工艺，大大增加加工成本。本发明中金属表面粗糙度的轮廓算术平均偏差Ra的值约为7.36微米，微观不平度十点高度Rz的值约为40.01微米)，比普通机加工金属表面的粗糙度(半光面金属表面的粗糙度Ra的值约为3.2微米)大很多，即单位体积材料的表面积大大增加，表面积的增加会提高换热器结构表面与流体的换热效率，从而提高换热器的整体换热效率。

本发明的创新点具体为：

1、本发明提供的一次表面换热器的冷热流体微通道采用了优化的抛物线和双曲线型设计，充分提高冷热流体换热面积的同时又能够有效减小流动阻力；

2、本发明一体化成型设计，所设计的一次表面紧凑换热器将冷热流体的密封封条与一次表面流通结构一体化设计，集气(液)腔与换热芯体一体化设计，进出流体接口与换热器一体化设计，增加了换热器的紧凑性、密封性，提高了换热器的安全性，减少了加工工序，同时能够进一步缩小换热器的体积；

3、本发明中一次表面换热器冷热流体通道表面粗糙度有所增加，增加了单位体积内的有效换热面积和换热强度，从而提高了换热器的换热效率和紧凑度；

4、本发明所设计的一体化一次表面换热器，设计中使得所制造的换热器中冷热波纹通道之间为实接触，即波纹通道接触位置连成一体，相互之间不会有变形与滑动，保证了换热器的整体换热效率和使用安全；

5、本发明冷热通道为微小通道设计，包括微通道紧凑式波纹板热交换芯体和冷流体通道、热流体通道在内，冷热流体换热表面都为一次表面，相比一些紧凑换热器的二次换热表面大大提高了换热效率和紧凑度；

6、集气(液)腔收缩口一体化设计有利于流体的收集与分流，以及管路接头的连接。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，包括热流体进口、热流体出口、微通道紧凑式波纹板热交换芯体、冷流体进口和冷流体出口；

所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体，包括若干第一通道、若干第二通道；

所述热流体进口连接在所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第一通道的一端，所述热流体出口连接在所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第一通道的另一端；所述冷流体进口连接所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第二通道的一端，所述冷流体出口连接所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体的第二通道的另一端。

2.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，所述热流体进口和所述热流体出口呈喇叭状，所述热流体进口和所述热流体出口一端呈圆管状，另一端呈方形管状。

3.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，所述热流体进口、热流体出口、微通道紧凑式波纹板热交换芯体、冷流体进口和冷流体出口一体成型。

4.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，所述冷流体通道和所述热流体通道的直径在0.3mm-1.5mm之间。

5.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，所述冷流体通道和所述热流体通道的壁面粗糙度Ra为5至10微米。

6.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括波纹板；

多个波纹板依次层叠设置，相邻波纹板之间的间隙构成所述第一通道或第二通道。

7.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，所述微通道紧凑式波纹板热交换芯体包括翅片；

第一通道和/或第二通道的两端部分别为由所述翅片构成的流出通道和流入通道。

8.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，第一通道、第二通道依次交替设置。

9.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，所述第一通道包括多个平行并排分布的热流体通道；第二通道包括多个平行并排分布的冷流体通道；热流体通道的横截面为椭圆形；冷流体通道的横截面为椭圆形。

10.根据权利要求1所述的一体化一次表面微通道紧凑式换热器，其特征在于，第一通道包括设置在一侧的多个平行并排分布的第一热流体通道和设置在另一侧的多个平行并排分布第二热流体通道，相邻的第一热流体通道的相邻侧面之间相连通；相邻的第二热流体通道的相邻侧面之间相连通；

第二通道包括设置在一侧的多个平行并排分布的第一冷流体通道和设置在另一侧的多个平行并排分布的第二冷流体通道，相邻的第一冷流体通道的相邻侧面之间相连通；相邻的第二冷流体通道的相邻侧面之间相连通；

第一热流体通道平行第一冷流体通道；第二热流体通道平行第二冷流体通道；第一热流体通道不平行第二热流体通道；第一冷流体通道不平行第二冷流体通道。