CN109579570A - 微通道换热器 - Google Patents

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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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Abstract

本发明涉及换热器领域，具体涉及一种微通道换热器，包括：本体，其内部设有多个换热单元，所述换热单元包括同轴套设且相互独立的第一流道和第二流道，所述多个换热单元的所述第一流道的两端连通两第一容积腔，所述多个换热单元的所述第二流道的两端连通两第二容积腔，所述第一容积腔和所述第二容积腔开设在所述本体内且相互独立。本发明提供的微通道换热器易于加工且换热效果更好。

Description

微通道换热器
技术领域
本发明涉及换热器领域，具体涉及一种微通道换热器。
背景技术
随着微型化学机械系统以及微机电系统的高速发展，电子器件的集成度越来越高，同时在单位体积内的功耗和发热量也不断提高，而物理尺寸却越来越小，为了解决微小空间内热量集中引起的高换热需求，现有技术中采用微通道换热器。
现有技术中的微通道换热器均是在金属薄片的基础上加工而成，需采用光刻、定向蚀刻、微型工具等精确切削技术，同时需要分体加工，成型过程复杂，换热器本身结构复杂，加工难度高，导致微型换热器的成本较高，并且板式换热器的换热比表面积低。
发明内容
为解决现有技术中板式微通道换热器加工复杂、换热比表面积低的技术问题，本发明提供了一种易于加工、换热比表面积高的微通道换热器。
本发明提供的一种微通道换热器，包括：
本体，其内部设有多个换热单元，所述换热单元包括同轴套设且相互独立的第一流道和第二流道，所述多个换热单元的所述第一流道的两端连通两第一容积腔，所述多个换热单元的所述第二流道的两端连通两第二容积腔，所述第一容积腔和所述第二容积腔开设在所述本体内且相互独立。
所述第一流道和所述第二流道内流体的流动方向相反。
所述本体为柱体结构，所述多个换热单元平行于所述本体轴向均匀设置，所述两第一容积腔分别、所述两第二容积腔分别设于所述本体的轴向两端位置。
所述第一流道位于所述第二流道内侧，且穿出所述第二流道连通所述两第一容积腔。
所述两第一容积腔的口部位于所述本体的两轴端，所述两第二容积腔的口部位于所述本体轴向两端的侧壁上。
所述两第二容积腔的口部分别位于所述本体径向两侧的侧壁上。
所述两第一容积腔和所述两第二容积腔的所述口部设有法兰。
所述微通道换热器采用增材制造一体成型。
所述第一流道和所述第二流道的横截面为圆形。
所述换热单元的所述第一流道的直径为0.1～1mm；和/或
所述换热单元的所述第二流道和所述第一流道的横截面积比值为1:1～1:3；和/或
所述换热单元的长细比为50～200；和/或
所述相邻换热单元间距为0.5～2mm。
本发明的技术方案，具有如下有益效果：
1)本发明提供的微通道换热器，本体内部设有多个换热单元，换热单元包括同轴套设且相互独立的第一流道和第二流道，多个第一流道两端连通两第一容积腔，多个第二流道的两端连通两第二容积腔，第一容积腔和第二容积腔开设在本体内且相互独立。本发明提供的换热器，采用同轴式换热器原理，相较板式换热器换热比表面积更高，换热效果更好，同时换热结构分设为多个同轴式换热单元，进一步提高换热效果，两个容积腔与换热流道均设置在本体内部，结构紧凑，一体性更高，密封性好。
2)本发明提供的微通道换热器，第一流道和第二流道内流体的流动方向相反，两个流道内的流体采用逆流方式交换热量，其平均温差最大，换热效果更好。
3)本发明提供的微通道换热器，本体为柱体结构，换热单元平行于本体轴向均匀设置，第一容积腔分别、第二容积腔分别设于本体轴向两端位置。换热单元在本体内均布设置为直通结构，流阻小，增材加工易于实现，两个流道内流体换热效果更好。
4)本发明提供的微通道换热器，第一容积腔和第二容积腔的口部设有法兰，便于换热器的连接安装。微通道换热器一体成型，易于加工制造，密封性能高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一种实施方式中微通道换热器的结构示意图；
图2是根据本发明一种实施方式中微通道换热器的竖直截面的剖视图；
图3是根据本发明一种实施方式中微通道换热器的偏移截面的剖视图。
附图标记说明：
1-本体；2-换热单元；21-第一流道；22-第二流道；3-第一容积腔；4-第二容积腔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明提供的微通道换热器，可应用于电子通讯、航空航天、电动汽车、生物医疗、微小卫星、高铁等热流密度较高的领域。图1至图3中示出了本发明微通道换热器的一种实施方式。
如图1至图3所示，本发明提供的微通道换热器包括本体1，本体1大致为圆柱结构，柱体的内部为多个换热单元2组成的换热通道，换热单元2包括同轴套设且相互独立的第一流道21和第二流道22。如图2所示，第一流道21的上下两端分别连通两个第一容积腔3，第二流道22的上下两端分别连通两个第二容积腔4。两个第一容积腔3形成第一流道21内流体的集流和分流的腔体，两个第二容积腔4形成第二流道22内流体的集流和分流的腔体。
如图2、图3所示，多个换热单元2沿本体1的轴向均匀开设在本体1内部，第一流道21和第二流道22的截面为圆形，且第一流道21套设在第二流道22内。如图3所示，第一流道21内部供流体流通，第一流道21与本体1之间的空间形成第二流道22，即第二流道22内的流体周向包裹在第一流道21外侧，从而进行热量交换。如图3所示，换热单元2呈矩阵状均布在本体1内部。
如图2所示，第一流道21连通位于本体1轴向两端的第一容积腔3，两个第二容积腔4位于两个第一容积腔3之间，第一容积腔3和第二容积腔4相互独立，第一流道21的两端穿过第二容积腔4，连通至第一容积腔3，从而两第一容积腔3和第一流道21、两第二容积腔4和第二流道22分别形成两个独立的流体通道。
如图1所示，为便于第一容积腔3和第二容积腔4对流体进行汇流和分流，第一容积腔3和第二容积腔4设置为类似弯管结构，从而扩大腔体容积。第一容积腔3的口部设置在弯管结构的轴向两端，第二容积腔4的口部设置在弯管结构的侧端，且两个第二容积腔4的口部分别位于两侧，从而减小流通阻力，增强换热效率。第一容积腔3和第二容积腔4的口部设有法兰，便于换热器安装及各个出口的连接。换热器在工作时，两个换热通道内的流体采用逆向换热，即第一流道21内的流体流向与第二流道22相反，逆向换热流体平均温差最大，比之顺流换热效果更好。
具体而言，在本实施方式中，换热器的内部包括两条换热通道。如图1、图2所示方向，一方面，流体从入口A进入图示上端的第一容积腔3内，经多个位于第一容积腔3内的气孔分流，流体进入第一流道21内，经位于图示下端的第一容积腔3汇流后，从出口A’流出。第二方面，流体从图示右端的入口B进入位于下端的第二容积腔4内，经多个位于第二容积腔4内的气孔分流，流体进入第二流道22内，第二流道22内流体与第一流道21内流体进行换热后，经位于上端的第二容积腔4汇流后，从出口B’流出，从而实现逆向同轴式换热。需要说明的是，上述流通方向仅用于对本实施方式换热器的工作原理进行说明，并不用于限制本发明。
本实施方式的换热器采用增材制造(3D打印)一体成型，其增材材料可选用不锈钢或铜，在一个示例性实施方式中，采用增材材料选用铜，铜换热效率较高，可达400W/mK。对换热器增材制造过程中，满足流体流道粗糙度低于12.5的要求，如对流道有更高的粗糙度要求可进行喷砂或磨粒流处理。
本发明的微通道换热器，体积为10*10*20mm3～100*100*200mm3，换热单元2的第一流道的直径为0.1～1mm。第二流道22和第一流道21的横截面积比值为1:1～1:3。换热单元2的长细比为50～200。相邻两换热单元2间距为0.5～2mm。
在一个示例性的实施方式中，微通道换热器体积为10*16*25mm3，换热单元2的直径为0.2mm，第二流道22和第一流道21的横截面积比值为1:1，换热单元2的长细比为200，换热器采用铜增材一体成型，换热系数高达10KW/m2K～20KW/m2K，换热器比表面积范围为15000～20000，结构可承受压力范围为0～1MPa。
上述对本实施方式的换热器结构及原理进行了说明，换热器在工作时，第二流道22两端连通热源流体，例如气体、液体等，热源流体经入口B流入第二流道22，经出口B’流出。第一流道21两端连通冷却介质流体，如水、冷空气、液氢、液氮、液氦等冷却介质，冷却介质经入口A流入第一流道21，经出口A’流出，从而实现逆向同轴式换热。
上述对本发明的微通道换热器进行了说明，在上述实施方式的基础上，本发明还可以有其它可替代实施方式。
在一个替代实施方式中，换热单元2设置为弯曲或者空间扭曲形状，其长度及具体几何形状可根据需求及空间布局进行调整改进，且换热器的外部结构可根据配合设备进行适应性改进，换热单元2采用增材制造一体成型。
在另一个替代实施方式中，第一容积腔3和第二容积腔4与换热单元2为分体结构，采用焊接方式连接，第一容积腔3和第二容积腔4可采用弯管弯制或增材制造。
在再一个替代实施方式中，第一流道21和第二流道22内流体可根据需要进行调换，例如第一流道21内流通冷却介质，第二流道22内流通热源流体，本发明对此不作限制。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种微通道换热器，其特征在于，包括：
本体(1)，其内部设有多个换热单元(2)，所述换热单元(2)包括同轴套设且相互独立的第一流道(21)和第二流道(22)，所述多个换热单元(2)的所述第一流道(21)的两端连通两第一容积腔(3)，所述多个换热单元(2)的所述第二流道(22)的两端连通两第二容积腔(4)，所述第一容积腔(3)和所述第二容积腔(4)开设在所述本体(1)内且相互独立。
2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，
所述第一流道(21)和所述第二流道(22)内流体的流动方向相反。
3.根据权利要求1或2所述的微通道换热器，其特征在于，
所述本体(1)为柱体结构，所述多个换热单元(2)平行于所述本体(1)轴向均匀设置，所述两第一容积腔(3)分别、所述两第二容积腔(4)分别设于所述本体(1)的轴向两端位置。
4.根据权利要求3所述的微通道换热器，其特征在于，
所述第一流道(21)位于所述第二流道(22)内侧，且穿出所述第二流道(22)连通至所述两第一容积腔(3)。
5.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于，
所述两第一容积腔(3)的口部位于所述本体(1)的两轴端，所述两第二容积腔(4)的口部位于所述本体(1)轴向两端的侧壁上。
6.根据权利要求5所述的微通道换热器，其特征在于，
所述两第二容积腔(4)的口部分别位于所述本体(1)径向两侧的侧壁上。
7.根据权利要求5或6所述的微通道换热器，其特征在于，
所述两第一容积腔(3)和所述两第二容积腔(4)的所述口部设有法兰。
8.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，
所述微通道换热器采用增材制造一体成型。
9.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于，
所述第一流道(21)和所述第二流道(22)的横截面为圆形。
10.根据权利要求9所述的微通道换热器，其特征在于，
所述换热单元(2)的所述第一流道的直径为0.1～1mm；和/或
所述换热单元(2)的所述第二流道(22)和所述第一流道(21)的横截面积比值为1:1～1:3；和/或
所述换热单元(2)的长细比为50～200；和/或
相邻所述换热单元(2)间距为0.5～2mm。
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