CN108232237B - 一种带有气液分离功能的散热器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带有气液分离功能的散热器及其应用，所述散热器包括一二端开口的圆管，圆管按一圆心于同一水平面内从内向外呈圆环状盘绕，或圆管沿一轴线从左至右呈螺旋状盘绕；于远离圆心或轴线的盘绕圆管的侧壁上沿切线方向设有2个以上的液体出口管，液体出口流出的液体流动方向为液体出口盘绕圆管的切线方向；圆管的一端为气液混合物料进口，另一端为气液混合物料出口。在螺旋管中，液态水由于离心力的作用在管路的外径区域流动，冷凝水经过了最外环液体出口，部分冷凝水沿此口流出，其余冷凝水随气态水蒸汽向下游流动。在下游的水量大幅减小，减小螺旋管剩余气液混合流体的平均比热容，有益于进一步降低剩余气液混合流体的温度，提高冷凝效率。

Description

一种带有气液分离功能的散热器及其应用
技术领域
本发明属于燃料电池部件的创新技术。确切的说，属于质子交换膜燃料电池的气液分离器和散热器的创新技术。
背景技术
目前，质子交换膜燃料电池以其能量转换效率高、无污染、低噪音等诸多优点成为新型能源研究热点。其中低功率质子交换膜燃料电池因其可对笔记本、手机等移动电器充电的便携式电源更是市场前景相当可观。
缩小体积始终是便携式燃料电池系统优化的目标，除有效利用空间外，系统内部部件的小型化是便携式燃料电池“瘦身”的根本解决途径。目前，燃料电池散热器一般采用金属管带式或者碳板板式等形式，因其散热效果好、质量轻而被广泛应用，但其体积的优化潜力有限，阻碍了便携式燃料电池系统进一步压缩体积的可能性。本发明不仅体积小，而且同时具备气液分离器和散热器两种功能，净减少一个部件的空间，大幅度缩小系统体积。
本发明的分离技术没有采用在燃料电池上已普遍应用的重力分离原理，因为该技术对方向敏感度要求较高，不适用于便携式燃料电池，而离心式分离技术是无方向敏感性的分离技术且分离效果较好，更适用于便携式燃料电池。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池用微型散热器，该散热器体积小，却同时具备气液分离器和散热器两种功能；气液分离效果较好，散热能力较强。
本发明是通过下述方案加以实现的。
一种带有气液分离功能的散热器，包括一二端开口的圆管，圆管按一圆心于同一水平面内从内向外呈圆环状盘绕，或圆管沿一轴线从左至右呈螺旋状盘绕；圆管的一端为气液混合物料进口，另一端为气液混合物料出口；于远离轴线的盘绕圆管的侧壁上沿切线向下的方向设有2个以上的液体出口，液体出口流出的液体流动方向为液体出口盘绕圆管的切线方向；
一根以上的热管插入所述呈圆环状盘绕或螺旋状盘绕的圆管外部和/或中间，所述热管蒸发端与圆管的外管壁贴接；所述热管的冷凝端置于所述呈圆环状盘绕或螺旋状盘绕的圆管上方。
于所述圆管和热管外壁上设置有散热片，所述散热片与圆管外壁和/或热管外壁相贴接。
圆管直径为1-10mm；液体出口的直径为1-5mm。
呈螺旋状盘绕时，所述圆管从气液混合物料进口一端至气液混合物料出口一端的盘绕时圆管与轴线的距离逐渐缩小。
所述插入至圆管构成的空腔中的热管从气液混合物料进口一端至气液混合物料出口一端的插入热管数量逐渐减少。
所述呈螺旋状盘绕时，圆管与轴线的距离为20mm～200mm；所述热管的高度为圆管与轴线距离的1-10倍。
所述呈螺旋状盘绕的圆管的盘绕周数为2-20周。
所述散热器的燃料电池系统，包括燃料电池电堆、燃料罐或燃料源、空气或氧气气源、散热系统；
所述散热系统由1个或2以上的权利要求1-8任一所述散热器并联连接后以矩阵式排列方式构成；
所述燃料罐出口与燃料电池电堆阳极进口管路连接；所述空气或氧气气源与燃料电池电堆阴极进口管路连接；所述燃料电池电堆阴极出口与所述散热器圆管的气液混合物料进口相连通，圆管的气液混合物料进口与大气相连通；所述散热器的液体出口经管路与所述燃料罐或燃料源相连通。
所述圆管以不锈钢或者其他传热系数高的耐腐材料为原料，应用盘管和焊接技术或3D打印技术实现。本发明结构包括螺旋管、液体出口管、热管和散热片，如图1所示，管道以螺旋管形式从右至左盘旋；液体出口管沿螺旋管每道切线方向插接盘管外壁，贯通于每层管道，液体出口管向外延伸疏导冷凝水；热管蒸发端贴接于螺旋管的外管壁；散热片与圆管外壁和/或热管外壁相贴接，避开螺旋管进出口和液体出口管。
本发明所述散热器有益效果如下：
1.在螺旋管中，液态水由于离心力的作用在管路的外径区域流动，冷凝水经过了最外环液体出口，部分冷凝水沿此口流出，其余冷凝水随气态水蒸汽向下游流动。在下游的水量大幅减小，减小螺旋管剩余气液混合流体的平均比热容，有益于进一步降低剩余气液混合流体的温度，提高冷凝效率。
2.冷却气体经过螺旋管和散热片，与螺旋管与散热片外壁接触换热。散热片在保证风扇风阻上限的限制下，设置多层散热片，增加散热面积，充分换热。
3.热管的设置将强化螺旋管热源与热管内介质的传热过程，将螺旋管的热量迅速的传导出去，且气化潜热的吸热量远大于仅依靠风冷方式的吸热量。
附图说明
图1为带有引流管和散热片的螺旋管散热器示意图。
具体实施方式
散热器的螺旋管、液体出口管和散热片均为不锈钢为原料，通过3D打印技术成型，热管焊接于螺旋管。螺旋管管道以螺旋管从左至右盘旋，管壁厚0.1mm，管外径3mm，螺旋管设置环绕10周，环绕圆周外径可设置30mm；液体出口管切线方向插接盘管外壁，贯通于螺旋管通道，每周设置1个，液体出口管管壁0.1mm，液体出口管管外径1mm；设置两排热管，每排9根，贴接于螺旋壁，并垂直向上延伸；18个垂直交错散热片贴接于螺旋管、热管和液体出口管，间距2mm，厚度为0.5mm，长度为40mm；螺旋管通道进口通燃料电池电堆阴极，出口通排气口，液体出口管通燃料源。
本发明采用空气冷却方式散热，螺旋管内部通道连通燃料电池阴极的高温蒸汽，风扇产生较大空气风量，冷空气通过螺旋管道和散热片外部带走热量；液体出口管回收螺旋管内蒸汽冷凝后离心分离的液态流体。
圆管以不锈钢或者其他传热系数高的耐腐材料为原料，传热系数越高散热效果越好；一体化加工技术如3D打印技术可以进一步提高散热器的换热效果。管壁越薄换热效果越好。
螺旋管的管壁越薄，冷热介质的换热效果越好；螺旋管的管径根据燃料电池阴极流体的流量和散热器的设计功率设置；螺旋管环绕层数越多散热面接越大，但受限于系统留给散热器的设计空间，且螺旋管节距不宜过小，否则影响冷热介质的换热效果。
热管内低沸点介质在被螺旋管的热端加热，毛细管中液体蒸发，蒸气在热扩散的动力下流向顶端，在上升过程中由于风冷的作用冷却凝结，并释放热量，液体再沿多孔材料考毛细作用流回蒸发端，如此循环不止。螺旋管的热量源源不断的传导出去，该种方法传热速度快，气化潜热的吸热量远大于风冷方式的吸热量。
液体出口管沿盘管切线方向插接盘管外壁，贯通于盘管，液体出口管内壁中轴线与盘管切线方向平行且不影响盘管内壁的平滑度，引导出离心分离的液体，排入系统的燃料源。根据冷凝水量，按旋转周期设置液体出口管的位置，需避开散热片；液体出口管管径不宜过大，否则会影响盘管内壁的平滑度。
液体出口管将比热容较大的冷凝液体周期性排出，减小螺旋管剩余气液混合流体的平均比热容，有益于进一步降低剩余气液混合流体的温度，提高冷凝效率；对于甲醇燃料电池，被排出的冷凝液体依然保持较高的温度，排入贮液腔室后提高甲醇溶液的温度，因此可以为阳极提供高温预热的燃料，提高电堆的性能。
散热片贴接于螺旋管，增大了螺旋管的散热面积，增强换热效果；散热片间距和高度取决于散热器的设计功率和燃料电池系统风扇的流量；位置应避开盘管进出口和液体出口管。
对于燃料电池系统，本发明具备气液分离器和散热器两种功能，净减少一个部件的空间，大幅度缩小系统体积。

Claims (9)

1.一种带有气液分离功能的散热器，其特征在于：
包括一二端开口的圆管，圆管按一圆心于同一水平面内从内向外呈圆环状盘绕，或圆管沿一轴线从左至右呈螺旋状盘绕；于远离圆心或轴线的盘绕圆管的侧壁上沿切线方向设有2个以上的液体出口管，液体出口流出的液体流动方向为液体出口盘绕圆管的切线方向；圆管的一端为气液混合物料进口，另一端为气液混合物料出口；一根以上的热管插入所述呈圆环状盘绕或螺旋状盘绕的圆管外部和/或中间，所述热管蒸发端与圆管的外管壁贴接；所述热管的冷凝端置于所述呈圆环状盘绕或螺旋状盘绕的圆管上方。
2.按照权利要求1所述带有气液分离功能的散热器，其特征在于：
于所述圆管和热管外壁上设置有散热片，所述散热片与圆管外壁和/或热管外壁相贴接。
3.按照权利要求2所述带有气液分离功能的散热器，其特征在于：2个以上的散热片相互交错排布。
4.按照权利要求1所述带有气液分离功能的散热器，其特征在于：圆管直径为1-10mm；液体出口的直径为0.5-5mm。
5.按照权利要求1所述带有气液分离功能的散热器，其特征在于：呈螺旋状盘绕时，所述圆管从气液混合物料进口一端至气液混合物料出口一端的盘绕时圆管与轴线的距离逐渐缩小。
6.按照权利要求1所述带有气液分离功能的散热器，其特征在于：从气液混合物料进口一端至气液混合物料出口一端的插入的热管数量逐渐减少。
7.按照权利要求1所述带有气液分离功能的散热器，其特征在于：所述呈螺旋状盘绕时，圆管与轴线的距离为20mm～200mm；所述热管的高度为圆管与轴线距离的1-10倍。
8.按照权利要求1所述带有气液分离功能的散热器，其特征在于：所述呈螺旋状盘绕的圆管的盘绕周数为2-20周。
9.一种采用权利要求1-8任一所述散热器的燃料电池系统，其特征在于：包括燃料电池电堆、燃料罐或燃料源、空气或氧气气源、散热系统；
所述散热系统由1个或2个以上的权利要求1-8任一所述散热器并联连接后以矩阵式排列方式构成；
所述燃料罐出口与燃料电池电堆阳极进口管路连接；所述空气或氧气气源与燃料电池电堆阴极进口管路连接；所述燃料电池电堆阴极出口与所述散热器圆管的气液混合物料进口相连通，圆管的气液混合物料进口与大气相连通；所述散热器的液体出口经管路与所述燃料罐或燃料源相连通。
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