CN107764085A - 一种紧凑式散热片系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及暖通空调领域，具体公开了一种紧凑式散热片系统，包括多孔介质辐射板、传热管、翅片和导流板。本发明避免在散热片内空气自然对流的进出口处布置母管，增强了自然对流，而且采用紧凑设计，分别针对多孔介质辐射板和翅片进行强化传热，减少散热片的外形体积。

Description

一种紧凑式散热片系统

技术领域

本发明涉及暖通空调领域，尤其涉及一种紧凑式散热片系统。

背景技术

暖气片是一种常见的建筑用取暖装置。暖气片由于节能、对室内湿度影响小、安装方便等因素，在冬季制暖方面具有广泛的应用。

目前市场上常见的暖气片有铜铝复合暖气片和钢制柱式暖气片，铜铝复合暖气片的组成包括进出口母管(也叫上下连箱管)、导热管和散热翅片，钢制柱式暖气片结构简单，只有进出口母管和导热管。在这些暖气片设计中，进出口母管都位于暖气片的中间部分，而且位于暖气片的上部和下部，这样设计虽然增加了散热面积，但是阻碍了空气的自然对流，影响了散热效果。

发明专利“一种冷暖两用的散热片系统”(申请号：201710069031.6)提出了一种外表面覆盖多孔介质的散热片系统设计方案，解决了散热片制冷时的冷凝水问题，但是该专利设计有多孔介质散热单元和金属散热单元两个散热元件，增加了散热片的厚度，使得散热片系统外形尺寸大，传热效率较低。

发明内容

为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种紧凑式散热片系统，避免在散热片内空气自然对流的进出口布置母管，以增强自然对流，而且采用紧凑设计，分别针对多孔介质辐射板和翅片进行强化传热，减少散热片的外形体积。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种紧凑式散热片系统，包括多孔介质辐射板、传热管、翅片和导流板，所述传热管位于所述多孔介质辐射板内，所述传热管位于所述翅片的一端，所述导流板位于所述翅片的另一端。

进一步地，所述多孔介质辐射板采用的多孔介质应选择具有高导热性、高吸湿性，并且具有一定的结构强度的材料，可选用的材料包括烧结砖、青砖、模铸砂型、多孔陶瓷、玻璃纤维、活性炭、混凝土、氧化锆陶瓷、硅化物、金属泡沫和岩石类中的一种或多种，以及其他具有上述多孔介质性能的新型材料。

进一步地，所述多孔介质与所述翅片和所述导流板在横向上形成封闭空间，空间内空气不能横向交换，只能从散热片上下方向流动，增强了自然对流，提高了换热效果。

进一步地，所述传热管设置为并联管道和串联管道中的一种。

进一步地，所述翅片设置为与传热管平行或者垂直中的一种，并且与传热管紧密接触。

进一步地，所述翅片和所述导流板材料设置为金属，优选为铜。

进一步地，多孔介质辐射板内设置多孔金属骨架，金属骨架内填充多孔介质材料，以分别利用金属骨架的传热能力和多孔介质材料的吸水能力，提高多孔介质辐射板的综合性能。

进一步地，所述翅片上部设置有疏水区，所述疏水区内设置有至少一个导水体，所述疏水区表面具有疏水性，水的接触角大于90°，一方面利于形成滴状冷凝，另一方面也利于冷凝水从翅片表面滚落，并进一步沿导水体排出。

本发明具有如下有益效果：

本发明散热片系统没有进出口母管，或者母管置于散热片左右两侧，保持了散热片内空气自然对流的流道畅通，传热效果良好。此外，在解决冷凝水问题的同时，降低了散热片系统的体积，散热片很薄，外形美观。

附图说明

图1(a)是本发明的一种紧凑式散热片系统示意图；

图1(b)是本发明的一种紧凑式散热片系统横截面图；

图1(c)是具有两个导流板的系统横截面图；

图2(a)是串联传热管与垂直翅片平面示意图；

图2(b)是串联传热管与垂直翅片示意图；

图3(a)是并联传热管与垂直翅片平面示意图；

图3(b)是并联传热管与垂直翅片示意图；

图4(a)是串联传热管与平行翅片平面示意图；

图4(b)是串联传热管与平行翅片示意图；

图5(a)是带金属骨架的多孔介质辐射板截面图；

图5(b)-(e)为有序二维金属点阵金属骨架示意图；

图5(f)为有序三维金属点阵金属骨架示意图；

图5(g)为无序通孔泡沫金属的金属骨架示意图；

图6是具有局部疏水区的翅片示意图；

图7是分段式翅片示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

附图1(a)-(b)所示为本发明的一种紧凑式散热片系统示意图。如图所示，散热片系统沿重力方向竖向放置，系统包括传热管10、翅片11、导流板12和多孔介质辐射板13。传热管10位于多孔介质辐射板13内部，除预留的进出口外，多孔介质辐射板13将传热管10整体封包起来。翅片11的一端插入多孔介质辐射板13内，另外一端从多孔介质辐射板13延伸出来与环境空气接触。在多孔介质辐射板13内，传热管10穿过翅片11的一端，并通过胀管工艺或者焊接工艺与翅片11紧密接触。翅片11的另一端与导流板12紧密接触，优选的翅片11焊接在导流板12上。

如图1(b)所示，相邻的两个翅片11、多孔介质辐射板13与导流板12形成了多个并列排列其横向上封闭的空间15，空气只能从封闭空间15的上部和下部开口流进流出，相邻的封闭空间15之间空气不能横向流动。当存在温差时，空气密度随之变化,空气就能在封闭空间15内沿重力方向自然流动，即所谓的“烟囱效应”。

传热管10与外部的冷源和热源连接，将冷热流体工质导入散热片系统内，通过导热将冷热能量传递给多孔介质辐射板13，并进一步通过多孔介质辐射板13外表面以辐射和自然对流将冷热能量传递给室内环境。在另一侧，冷热能量由传热管10传入翅片11和导流板12内，封闭空间15内的空气被加热或冷却后，在密度差的驱动下在空间内流动，制冷工况下空气向下流动流出封闭空间15，在制热工况下空气向上流动流出封闭空间15，从而将冷热能量带出散热片进入外部环境。

多孔介质辐射板13由多孔介质材料制成，多孔介质材料包括但不限于烧结砖、青砖、模铸砂型、多孔陶瓷、玻璃纤维、活性炭、水泥、氧化锆陶瓷、硅化物类等中的一种或多种，以及其他具有上述多孔介质性能的新型材料。优选为硅化合物，如沸石、二氧化硅、多孔质玻璃、磷灰石、硅藻土、高岭石、海泡石、水铝英石、伊毛缟石、活性白土、二氧化硅-二氧化钛复合氧化物、二氧化硅-氧化铝复合氧化物、二氧化硅-氧化锆、二氧化硅-氧化铝复合氧化物、二氧化硅-二氧化钛复合氧化物、二氧化硅-氧化镁、二氧化硅-氧化锆、二氧化硅-氧化镧、二氧化硅-氧化钡、二氧化硅-氧化锶等复合金属氧化物等。其中作为硅化合物优选二氧化硅、海泡石、沸石等，也可以采用上述材料的一种或多种的组合。多孔介质内还可以混入金属粉末，如金、银、铜、铝、铁或者合金，以进一步提高换热效率或者防腐。

传热管10的材料为金属，包括铜、铁、铝、钢以及合金，优选为铜。翅片11和导流板12的材料也是金属，优选为铜。传热管10、翅片11和导流板12可以采用同一种金属，也可以采用不同的金属。

在制冷工况下，如果多孔介质辐射板13的表面温度低于空气露点温度，空气中的水蒸汽就会在多孔介质辐射板13表面冷凝，冷凝水随即被多孔介质吸收，根据扩散原理，吸收的冷凝水将在多孔介质辐射板13内扩散。由于翅片11以及导流板12的导热系数相对多孔介质材料导热系数更高，因此在封闭空间15内的空气温度比多孔介质辐射板13外表面附近空气温度更低，封闭空间15内空气将凝结更多的冷凝水，冷凝水将沿着翅片11或者导流板12在重力驱动下向下流出。析出冷凝水后，封闭空间15内的空气也相对比较干燥，可以进一步吸收多孔介质辐射板13内吸附的冷凝水，从而对多孔介质辐射板13进行干燥。

为了提高传热效率，可以进一步提高翅片11的表面积，如图1(c)所示，设计有两个甚至多个导流板12。

图2(a)-(b)所示为图1(a)-(b)中传热管10及翅片11的示意图。图中传热管10采用串联形式，冷热流体从传热管10的入口进入，在管道系统内多次折返流动，将冷热能量传递给多孔介质辐射板13和翅片11，再从出口流出。

以下是本发明的另一实例

如图3(a)-(b)所示，传热管10可以设置成并联形式，即在进出口母管14之间并联传热管10，冷热流体从进口母管14分流进入各个传热管10，然后从另一端的出口母管14中流出。进出口母管14与翅片11在水平方向上平行设置，不影响翅片11间空气的自然对流。

以下是本发明的另一实例

上述实例中，传热管10都是与翅片11垂直且横穿翅片11，传热管10与翅片11的接触面较小。如图4(a)-(b)所示，为了增加传热管10与翅片11的接触面积，提高传热效率，传热管10可以设置成与翅片11平行的方式，翅片11通过焊接固定在传热管10上。同时传热管10沿竖直方向设置，相互之间串联。其它方面与上述实例一致。

以下是本发明的另一实例

如图5所示，为了进一步提高多孔介质辐射板13的传热性能，在多孔介质辐射板13内设置金属骨架20，金属骨架20内填充多孔介质填充物21。金属骨架20形成了多孔介质辐射板13板板体的骨架，传热管10位于金属骨架20内部并与金属骨架20紧密接触，多孔介质填充物21充满金属骨架20内部的孔隙。

传热管10与外部的冷源、热源连接，通过传热工质将冷热能量导入辐射板内部，由于金属骨架20的导热性能远远高于多孔介质填充物21，因此传热管10中的冷热冷量可以借助金属骨架20快速的传导到辐射板的各个区域，特别是靠近辐射板表面的区域,并进一步传递给室内环境。

金属骨架20的结构可以是有序的金属结构点阵，从其结构上分可以是二维的，即所谓金属二维点阵材料，由其代表性胞元在平面两个特征方向拓展而成，常见的二维点阵构型如图5(b)-(e)所示，主要包括图5(b)正方形胞元、图5(c)三角形胞元、图5(d)六边形胞元、图5(e)混合型胞元(米字型胞元)。金属点阵还可以是三维的，即所谓的金属三维点阵，如图5(f)所示的网架结构等。金属骨架20也可是无序的金属结构，即所谓的通孔金属泡沫，或者金属纤维,如图5(g)所示。金属骨架20所用多孔金属或者通孔金属泡沫的孔隙率范围是0.5-99％，孔密度变化的范围是2PPI-130PPI。

金属骨架20还可以根据其在多孔介质辐射板13的位置设置成不同的孔隙度，即在面对室内环境一侧，金属骨架20的孔隙度较低，以增加散热能力，在另外一侧主要是对多孔介质辐射板13进行除湿，金属骨架20孔隙度较高，多孔介质填充物21较多，以便更有效的由多孔介质辐射板13外的干燥空气干燥带走多孔介质填充物21中的水份。此外，多孔介质填充物21中还可以混入金属粉末，如金、银、铜、铝、铁或者合金，以进一步提高换热效率或者防腐。上述材料以粉末或桨状混入金属骨架20内，填充金属骨架20的孔隙并固化。

本实例将金属骨架20的传热功能与多孔介质填充物21的吸湿功能分开，充分利用各自的性能优势，在提高传热效率的同时，增强了散热板的吸湿能力，降低多孔介质辐射板13的外形尺寸。

以下是本发明的另一实例

如图6所示，每个翅片11分为疏水区31和非疏水区32，疏水区31位于非疏水区32的上部。疏水区31的翅片表面涂覆疏水性涂层，水与翅片疏水区31表面的接触角大于90°。在制冷工况下下，空气中的水蒸汽能以滴状冷凝的方式在翅片表面析出，滴状冷凝是所知的效率最高的传热形式；另一方面，由于存在疏水性涂层，冷凝液滴与翅片表面接触角较大，液滴在重力的驱动下容易沿翅片滚动，不会滞留翅片表面形成水膜，阻碍换热。

在翅片11的疏水区31区域下端，在每个翅片11的每一侧都至少设置一个导水体34，导水体34位于疏水区31和非疏水区32的交界处，导水体34在水平方向延伸至翅片11的边缘，导水体34水平设置或倾斜设置。优选地，在疏水区31区域内，还可以设置多个引流体33，引流体33倾斜设置并延伸至翅片11的边缘。可选地，引流体33、导水体34的倾斜方向一致。疏水区31内翅片表面的冷凝水在重力驱动下向下流动，遇到引流体33后沿着引流体33向翅片边缘流动，并进一步流出翅片排走。其余冷凝水滴由导水体34拦截，并流向翅片边缘后排走。引流体33、导水体34能够将疏水区11空气中的冷凝水保持在翅片上部，不会影响非疏水区32表面，保持非疏水区32翅片的干燥，防止翅片11的整个表面都有冷凝水，保证翅片11具有良好的传热性能。

优选的，传热管10的入口端41设置在疏水区31内，出口端42设置在非疏水区32。在制冷工况下，从入端口41进入散热片系统的低温冷媒被空气加热后温度升高，然后从出口端42流出。传热管10内的冷媒从入口端41进入后温度更低，与疏水区31接触的空气温度被迅速降低后，空气中的水蒸汽在疏水区31冷凝后析出，空气湿度降低，有利于更有效的对空气进行除湿。翅片11之间的空气被冷却后，密度升高，在密度差的驱动下从疏水区31流向非疏水区32。冷媒经过疏水区31的换热后，进入非疏水区32的传热管10内,其温度相对升高，而此时在非疏水区32翅片间的空气已经在疏水区31内被除湿，相对干燥，而且空气温度与非疏水区32内传热管10内的冷媒温差较小，因此不会有进一步的冷凝水析出。非疏水区32翅片能够保持干燥。

疏水区31表面改性工艺主要包括改变表面自由能和改变表面微观结构(表面粗糙度)两个途径。涂覆有机硅和氟树脂以及相应的改性树脂可以形成疏水性表面，或者在翅片11上进行喷涂或电镀形成疏水性表面。

为了保证冷凝水滴能够从疏水区31表面滚落，相邻翅片11之间必须保持一定的距离，防止冷凝水滴在相邻翅片11之间形成“水桥”，影响了传热。可选地，相邻两个翅片11之间的间距不小于2mm。

此实例中疏水区31和非疏水区32是连接在一起的，翅片11是一个整体，由相同的材料加工而成。如图7所示，可选地，疏水区31和非疏水区32可以是分段的翅片，疏水区31和非疏水区32可以设置成不同的材料，并沿水平方向错开一定距离。优选的，非疏水区32设置为铜，以利用铜良好的导热性能，疏水区31设置成铝，铝的接触角相对较大，相对铜疏水性较好。可选地，疏水区31和非疏水区32都采用铜作为基础材料，对疏水区31的铜表面进行金属电镀或喷涂，如电镀银或者喷涂铝，或者利用气相化学沉积CVD生长石墨烯层，提高疏水区31表面的疏水性，并节约加工成本，防止对整个翅片11的表面进行电镀或喷涂。

对于本领域的技术人员而言，可根据以上描述的技术方案及构思，进一步如改变翅片形式，调节多孔介质辐射板与传热管的位置关系，以增加换热能力，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种紧凑式散热片系统，包括多孔介质辐射板、传热管、翅片和导流板，其特征在于：所述传热管设置于所述多孔介质辐射板内，所述传热管位于所述翅片的一端，所述导流板位于所述翅片的另一端。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述多孔介质材料为烧结砖、青砖、模铸砂型、多孔陶瓷、玻璃纤维、活性炭、混凝土、氧化锆陶瓷、硅化物、金属泡沫和岩石中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述多孔介质辐射板与所述翅片和所述导流板在横向上排列且形成封闭空间。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述传热管设置为并联管道和串联管道中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述翅片设置为与所述传热管垂直和平行中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述翅片和所述导流板材料设置为金属。

7.根据权利要求1所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述多孔介质辐射板内设置多孔金属骨架，所述多孔金属骨架内填充所述多孔介质材料。

8.根据权利要求1所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述翅片上部设置有疏水区，所述疏水区内设置有至少一个导水体。

9.根据权利要求8所述的一种紧凑式散热片系统，其特征在于：所述疏水区表面与水的接触角不低于90°。