CN112361854A - 一种微通道换热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微通道换热器，采用3D打印技术实现，包括：芯体，由一些相互独立且交叉排布平行流道组构成，平行流道组包括第一通道组和第二通道组，第一通道组两端分别连通第一分流腔和第一集流腔，第二通道组两端分别连通第一分流腔和第二集流腔；第一分、集流腔与第二分、集流腔开设在芯体四周且相互独立；第一分、集流腔内部嵌入三片彼此平行排布的第一分流板，分流板之间由多个支撑柱连接，第二分、集流腔内部嵌入一片平行于芯体的第二分流板，第二分流板与芯体之间由多个支撑柱连接。本发明经过激光选区熔化增材制造技术一体成型，水密性好，微通道换热器换热效率高，承载能力强。

Description

一种微通道换热器

技术领域

本发明涉及一种微通道换热器，属于强化换热领域。

背景技术

工业级高通量微流道换热器，是一种通道当量直径在1-2mm的新型换热器，最初是为了满足电子工业发展的需要而设计的一类结构紧凑、轻巧、高效的换热器。现今已在发动机冷却系统、滑油燃油热交换系统、家用及商用空调等领域有着广泛应用。与常规换热器相比，微流道换热器具有体积小、换热系数大、换热效率高、节能等优点，可满足更高的能效标准，同时符合环保要求，已引起国内外学术界和工业界的广泛关注。

微通道换热器芯体结构复杂，内部置有大量细长的平行流管且通道截面几何形状不规则，加工难度较大，目前普遍采用电化学腐蚀刻槽和扩散焊接工艺制造。然而对于现阶段化学腐蚀刻槽工艺，只能制备矩形或半圆形截面通道，换热更高效和承载更强的复杂截面通道无法制备；腐蚀液废料处理不当易污染环境；工艺繁琐、生产周期长。与此同时，国内的扩散焊接工艺无法实现多板束的无缺陷焊接，存在板束内部焊接不完全的问题，影响了冷却介质流向和流速，甚至是泄露。限制了产品的工作压力，严重降低了换热器的热交换效率及产品的工作安全与可靠性。

3D打印技术是利用CAD等软件设计出三维立体模型，通过计算机控制在打印平台上打印出一定的厚度，相当于完成了立体实物的一个剖面，打印完一层，再打印下一层，从而实现通过逐层的堆积获得三维立体实物。在整个制造过程中，3D打印技术不需要像传统技术那样去除大量的原材料，而是逐层增加原材料而获得立体实物，因此又被称为增材制造技术。

激光增材制造技术的出现，为实现工业级高通量微流道换热器的精密制造提供了可能。采用3D打印技术制造微流道换热器具有以下优点：首先，金属板片可以根据工况使用钛合金、不锈钢以及镍合金等金属粉末打印，不再局限于铝及其合金，整个制造过程是在全封闭式清粉回收系统中进行，粉末利用率高，没有粉末暴露于空气当中，无环境污染，无材料氧化和爆炸的危险；其次，通过专业数据处理软件可打印圆形截面和树形分叉流道。由于电化学腐蚀刻槽工艺只能制备矩形截面、z字型和直型流道，而3D打印技术能实现换热性能更为优越的圆形截面和树形分叉微流道的成型制造，为进一步提高能源利用率提供了有力的技术支持。

316L不锈钢不仅拥有优良的高温强度，由于含有Mo，兼备了较好的耐腐蚀性、耐点蚀性，可在高温苛刻条件下工作，同时还具有很高的力学性能，故被广泛应用于换热器的生产制造。

中国专利CN111140361A发明公开了一种可用于燃气轮机系统的微通道换热器核芯，该换热器核芯板片呈圆环状，两片为一个换热单元，解决了传统燃气轮机的单位推力随压气机压比的提高而增大，而在高负荷条件下提高压气机压比会导致进气系统过热，甚至出现系统温度超过现有燃气轮机材料限制的技术问题。然而该流道由刻蚀和机加工等工艺成型，板束采用扩散焊接工艺连接，该工艺繁琐，现有的技术容易出现焊接不完全等缺陷，易发生泄露。

中国专利CN109579570发明公开了一种采用同轴套设且相互独立的不同直径的两个流道，该换热器易于加工，换热比表面积高。然而该换热器容积腔内没有设计分流器或分流结构，流道内易出现气体空隙，同时传热梯度方向发生改变，削弱了换热能力。并且该换热器还存在第一、二容积腔内部空间较大，3D打印过程中易出现塌陷，支撑在内部不容易去除等问题；相较于316L不锈钢，铜粉成型难度更大，更容易产生翘曲和塌陷等打印缺陷。

发明内容

本发明技术解决问题：为解决传统微通道换热器换热效率低、承载能力差的问题，提供一种微通道换热器，兼备高换热效率与高承载能力，同时采用激光选区熔化技术一体成型，解决了传统微通道制造工艺的技术难题。

本发明提供的一种微通道换热器，包括：

芯体，由相互独立且交叉排布的平行流道组构成，所述平行流道组包括平行于芯体轴向的第一通道组和径向的第二通道组，所述平行流道组的所述第一通道组两端连通第一分流腔和第一集流腔，所述平行流道组的所述第二通道组两端连通第二分流腔和第二集流腔，所述第一分流腔、第一集流腔与第二分流腔、第二集流腔开设在芯体四周且相互独立。所述第一分流腔与第一集流腔内部嵌入三片彼此平行排布的第一分流板，所述分流板之间由多个支撑柱连接，所述第二分流腔与第二分流腔内部嵌入一片平行于芯体的第二分流板，所述第二分流板与芯体之间由所述支撑柱连接。

所述第一通道组和所述第二通道组内流体流动方向互相垂直。现有技术中通常设计为逆流结构，然而这样设计的结果是热流体入口与冷流体出口在一端，即热量容易在一端聚集，易发生不安全事故。

所述芯体为立方体结构，所述第一通道组与所述第二通道相互独立平行交叉排布，所述第一分流腔、第一集流腔与第二分流腔、第二集流腔开设在芯体四周。分别将冷、热流体混合流转化为非混合流，促进冷热流体的接触。现有的换热器结构如管壳式换热器，只将高温或低温一侧流体设计成非混合流，接触不够充分。

所述第一分流腔、第一集流腔内部分别嵌入三片第一分流板，第一分流板开孔中心半径最小，呈辐射状扩散到第一分流板边缘，其中孔直径为0.5-1.5mm，第一分流板之间采用直径为0.5-1.0mm的支撑柱连接，支撑柱位置位于分流板开孔之间且不与孔发生干涉。所述第二分流腔第二集流腔内部嵌入一片第二分流板，第二分流板开孔尺寸均为1-2mm，孔位中心与平行流管中轴线重合且与平行流道一一对应。这样的设计使流量分配更均匀，进一步增强换热，避免因无分流结构或流量分配不均匀造成的空隙，阻碍热量的传递。

所述第一分流腔、第一集流腔进出口管位于芯体两轴端，其中心线与芯体中轴线重合。所述第二分流腔、第二集流腔进出口管位于所述芯体径向侧壁两端处。

所述第一分流腔、第一集流腔和第二分流腔、第二集流腔进出口管口部设有国标对应尺寸的普通螺纹。

所述微通道换热器采用激光选区熔化增材制造技术成型。能够实现类似于本发明的复杂结构的高性能的微通道换热器结构的制备，相对于扩散焊接和化学刻槽模式下的传统制备方法，给微通道换热器的设计提供了更广阔的发展空间。

所述第一通道组和所述第二通道组流道截面形状为长短轴比值为1.6的椭圆形，相较于圆形截面有更高的换热系数。这样设计充分利用了非圆形截面通道的径向导热效应，同时光滑的截面轮廓避免了常见的矩形截面通道的应力集中，有效减小流动阻力。

单个平行流道当量直径为0.75-2mm，所述第一平行流道组流道长度为49-240mm，所述第二流道组流道长度为24-100mm相邻流道最小间距为1-1.5mm，微通道厚度根据热负载进行适应性设计。这样设计，灵活性强，可根据实际的工业需求，通过传热设计性计算进行调整。

所述微通道换热器采用3D打印技术实现。

本发明采用的3D打印工艺流程如下：

(1)将设计好的CAD模型导出为STL通用格式，并导入Magics进行修复，优化摆放角，添加必要的支撑，最后进行切片处理，与BP中包含的工艺参数一起导入设备中，BP中工艺参数如下：

激光功率	330W
		扫描速度	1000mm/s
铺粉厚度	60μm
		扫描间距	0.11mm
光斑直径	0.1mm

(2)安装并调平基板并填装金属粉末，安装并调试刮刀，通入循环保护气，基板预热完毕后，开始打印。

(3)将打印完毕的样件随炉冷却至室温，将件取出并清理多余粉末，最后拆除基板。

(4)通过线切割将样件从基板上切下，去支撑，外表面采用喷砂处理，微通道内孔采用磨粒流抛光工艺处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明的换热器出入口处设置分流和集流结构，解决现有技术中因分流不均匀或不设置分，集流结构引起的流道内气体空隙，温度梯度方向改变等影响，进一步提高换热性能。

(2)本发明换热器采用3D打印一体成型，成型质量好，水密性好，解决因现有的扩散焊接与化学腐蚀刻槽工艺模式容易出现的工作介质泄露问题。

(3)本发明所述第一分、集流腔与所述第二分、集流腔内部填充的所述第一、二分流板与所述支撑柱连接结构在换热器工作时有均化分流、增大承载能力的功能性，同时在3D打印成型过程中起到内部支撑、防止塌陷的双重作用。现有技术中内部大体积空腔设置的支撑结构不容易去除，且无法起到功能性与结构工艺性双重作用。

(4)根据本发明设计的微通道换热器的换热器传热系数高、承载能力强。总传热系数达到5042-5811W/m²·K，换热器样件承载能力达到5.6-6.3MPa。相对于传统结构追求换热性能的单一性，本发明能够实现高换热，高承载能力一体化设计。

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进行简单介绍：

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；

图4、图5是根据本发明一种实施方式中第一、第二分流板结构示意图；

图6是本发明一种实施方式中，飞机燃油滑油热交换系统示意图；

图7是本发明的一种实施方式中，蒸馏水制备器工作原理示意图；

图8是本发明的一种实施方式中，蒸馏水制备器中的第二分流板结构图；

图9是本发明的一种实施方式中，微通道热沉结构示意图；

图10是本发明的一种实施方式中，微通道热沉工作原理图；

图11是本发明的一种实施方式中，微通道热沉分流板结构图。

附图标记说明：

1-芯体；A-热介质入口；A'-热介质出口；B-冷介质入口；B'-冷介质出口；21-第一通道组；22-第二通道组；31-第一分流腔；32-第一集流腔；41-第二分流腔；42-第二集流腔；51-第一分流板；52-第二分流板；6-支撑柱。

具体实施方式

本发明提供的微通道换热器，可应用在航空发动机滑油燃油热交换系统中，也可用作蒸发器或冷凝器应用在蒸馏水制备器或热沉等领域。

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。

以飞机燃油滑油热交换系统为实施例1。

如图1至图6所示，本发明提供的一种微通道换热器，包括芯体1，芯体1为立方体结构，芯体内部为多层垂直交叉排布的平行流道，截面形状为当量直径为0.75mm，长短轴之比为1.6的椭圆，最小流道间距为1mm。平行流道包括通入热介质的第一通道组21和第二通道组22。

如图2所示，第一通道组21前后两端分别连通第一分流腔31和第一集流腔32，第二通道组22前后两端分别连通第一分流腔41和第二集流腔42。第一分流腔31与第一集流腔32形成第一通道组21内流体的分流和集流的腔体，第二分流腔41与第二集流腔42形成第一通道组22内流体的分流和集流的腔体。

如图2所示，为实现第一分流腔31与第一集流腔32对热流体的分流和集流，第一分流腔31与第一集流腔32设置三层第一分流板51，其中第一分流板51中心来流流量较大，孔径较小，因此板与板之间用直径0.5mm的支撑柱6固定，增大分流板承载能力，如图4所示，第一分流板51中心孔径为0.5mm，最大孔径为1.3mm，分流板和支撑柱结构可同时作为激光增材制造成型过程中的支撑。三片分流板对应孔位中心在径向互相错开1mm，达到进一步均匀化流速场的目的。第一流腔31与第一集流腔32出入口处均采用椭圆弧状腔结构与进出口管连通，扩大容积。

如图2所示，为实现第二分流腔41与第二集流腔42对冷流体的集流和分流，第二分流腔41与第二集流腔42设置一片第二分流板52，分流板孔直径均为1mm，第二分流腔41与第二集流腔42关于换热器几何中心呈旋转对称布置。

上述对本发明实施方式的结构和原理进行了说明，在此项实施例中，换热器在工作时，经过机翼停留并且被风冷却的燃油从A入口进入，经过第一分流腔31入口，经过3层第一分流板51的流量均匀分配后进入第一通道组21进行热交换，并通过第一集流腔32，从出口A'流出，实现燃油的升温，以使温度接近点火温度。较高温度的滑油从B'口进入，经过第二分流腔41入口流入，经过一层孔位均匀分布的第二分流板52进入第二通道组22进行热交换，并通过第二集流腔42，从出口B流出，使滑油温度降低、粘度提高，足以润滑和冷却系统。

上述对本发明的微通道换热器实施例1的工作原理进行了说明。

本发明实施例的换热器采用激光选区熔化增材制造技术成型，金属粉末选用316L不锈钢或铜。在本实施例中，采用316L不锈钢金属粉末,总传热系数超过5188W/m²·K，极限承载能力达到6MPa。

本发明的实施例的微通道换热器总体积为153×72×50mm,第一通道组21与第二通道组22单个通道体积表面积比为1:2.64，横截面积比为1:1。

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，本发明还有其他可替代的实施方式。

以蒸馏水冷凝器为实施例2，如图7所示，蒸馏水制备器底部电热丝将蒸发室自来水加热，并使之沸腾，高压蒸汽从A'进入，A流出，冷水从B口进入，B'口流出，从A口排出的高温蒸汽遇壁面和冷水液化成蒸馏水排出。受热的冷水可经过溢流槽回收到蒸发室进行再利用，减少水资源的消耗。

本实施例的换热器体积为240×100×100mm，通道当量直径为1.5mm，支撑柱直径为1mm，最小流道间距为1.5mm，A与B口及其对应的出口直径为60mm，第一分流板孔位分布规律同实施例1，孔数量根据板尺寸进行适应性设计，中心孔径为0.5mm，最大孔径为1.5mm，如图8所示，第二分流板孔位在进口处进行加密。其余孔位孔径分布同实施例1，孔数量根据板尺寸进行适应性设计，经过验证，本发明的该实施例总传热系数为5811W/m²·K，最大承载载荷为6.3MPa。

以芯片风冷散热器为实施例3，如图9所示，本实施例换热器尺寸为49×24×3.25mm，本发明实施例中的分流板同样采用变孔径分流板结构，最小孔径为1.25mm，最大孔径为1.5mm。支撑柱直径为0.5mm，通道当量直径为1mm，最小流道间距为1mm。经过验证，该发明实施例总传热系数为5042W/m²·K，最大承载载荷为5.6MPa。

工作原理图如图10所示，冷风从A口进入，经过如图11所示的第一分流板，流量均匀分配后进入芯体与镶嵌在底部的发热芯体进行热交换，并从A'口排出热风。

总之，本发明提供的换热器样件经过激光选区熔化增材制造技术一体成型，水密性好，避免因为腐蚀刻槽和扩散焊接缺陷导致的液体泄露问题。本发明提供的微通道换热器换热效率高，承载能力强。经过测试，换热器样件总传热系数达到5042-5811W/m²·K，换热器承载能力达到5.6-6.3MPa。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种微通道换热器，其特征在于，包括：

芯体(1)，由相互独立且交叉排布的平行流道组(2)构成；所述平行流道组(2)包括平行于芯体(1)轴向的第一通道组(21)和径向的第二通道组(22)，所述平行流道组(2)的所述第一通道组(21)两端连通第一分流腔(31)和第一集流腔(32)，所述平行流道组(2)的所述第二通道组(22)两端连通第二分流腔(41)和第二集流腔(42)，所述第一分流腔(31)、第一集流腔(32)与第二分流腔(41)、第二集流腔(42)开设在芯体(1)四周且相互独立。所述第一分流腔(31)与第一集流腔(32)内部嵌入三片彼此平行排布的第一分流板(51)，所述分流板(5)之间由多个支撑柱(6)连接，所述第二分流腔(41)与第二分流腔(42)内部嵌入一片平行于芯体(1)的第二分流板(52)，所述第二分流板(52)与芯体(1)之间由所述支撑柱(6)连接。

2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：所述第一通道组(21)和所述第二通道组(22)内流体流动方向互相垂直。

3.根据权利要求1或2所述的微通道换热器，其特征在于：所述芯体(1)为立方体结构，所述第一通道组(21)与所述第二通道(22)相互独立平行交叉排布，所述第一分流腔(31)、第一集流腔(32)与第二分流腔(41)、第二集流腔(42)开设在芯体(1)四周。

4.根据权利要求3所述的微通道换热器，其特征在于：所述第一分流腔(31)、第一集流腔(32)内部分别嵌入三片第一分流板(51)，第一分流板(51)开孔中心半径最小，呈辐射状扩散到第一分流板(51)边缘，其中孔直径为0.5-1.3mm，第一分流板(51)之间采用直径为0.5-1.0mm的支撑柱(6)连接，支撑柱(6)位置位于分流板开孔之间且不与孔发生干涉；所述第二分流腔(41)第二集流腔(42)内部嵌入一片第二分流板(52)，第二分流板(52)开孔尺寸为1-2mm，孔位中心与平行流管中轴线重合且与平行流道组一一对应。

5.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于：所述第一分流腔(31)、第一集流腔(32)进出口管位于芯体(1)两轴端，进、出口管中心线与芯体中轴线重合；所述第二分流腔(41)、第二集流腔(42)进出口管位于所述芯体(1)径向侧壁两端处。

6.根据权利要求5所述的微通道换热器，其特征在于：所述第一分流腔(31)、第一集流腔(32)和第二分流腔(41)、第二集流腔(42)进出口管口部根据国标设有对应设计尺寸的普通螺纹。

7.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：所述第一通道组(21)和所述第二通道组(22)中的单个流道截面形状为长短轴比值为1.6的椭圆形，当量直径为0.75-2mm。

8.根据权利要求7所述的微通道换热器，其特征在于：单个流道的当量直径为0.75-2mm，所述第一平行流道组(21)的流道长度为40-240mm，所述第二流道组(22)的流道长度为20-100mm相邻流道间距为1-1.5mm。

9.根据权利要求1-8任意之一所述的微通道换热器，其特征在于：所述微通道换热器，既可应用在航空发动机滑油燃油热交换系统中，也可用作蒸发器或冷凝器应用在蒸馏水制备器或热沉领域。

10.根据权利要求1-8任意之一所述的微通道换热器，其特征在于：所述微通道换热器采用3D打印技术实现。

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