CN202599189U - 一种换热器的微通道结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种换热器的微通道结构，所述微通道形成于多层叠置的换热板（1）之间，所述换热板（1）上成型有多个翅片单元（2），所述翅片单元（2）沿垂直于流体流动的方向上均匀排列成翅片单元组（7），所述翅片单元组（7）沿流体流动方向上间隔一段距离交错排列；上游侧的所述翅片单元（2）的后端设置于下游侧的相邻两个所述翅片单元（2）的中间位置；所述翅片单元（2）由至少两段翅片（21）构成，相邻所述翅片（21）之前间隔一段距离；相邻所述翅片单元（2）之间以及相邻所述翅片（21）之间的流体通道形成所述微通道。该换热器的微通道结构可以保持较低流动阻力的情况下提高强制对流传热系数，增强换热器的换热能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种换热器的微通道结构，具体涉及一种流线型的微通道结构。
背景技术
目前的换热器领域里，微通道换热器由于体积小、重量轻，紧凑度高，是当今换热器研究开发应用的新方向。
现有的用于热泵系统的微通道换热器，几乎都是用扁平铝管型材加上制冷工质和工作流体的进出口来实现，其仅限于制冷工质和空气之间的热交换用的岔流型换热器。例如，中国专利文件CN102095285A公开的一种微通道换热器即为上述岔流型换热器。由于换热扁平管为铝管型材，型材的尺寸为定值。对于微通道的水力学直径选择有限制，很难选到适合于热设计优化以后的铝管型材。还有，目前受生产铝管型材技术的限制，微通道之间的壁厚不能做到传热要求的尺寸（要求壁厚很薄），这样，使用扁平管为铝管型材设计的微通道换热器就不能成为微通道换热器技术的发展方向。随着微加工技术的提高，通过平板印刷术、化学或光电蚀刻、钻石切削以及线切割等方式加工的金属微通道结构成为本领域新的技术发展方向。例如，中国专利文献CN101509736A以及CN201973962U中公开的微通道换热器即属于这种换热器。目前的微通道换热器，不论是铝扁平管或紧凑型水与制冷工质微通道换热器，内部通道的形式基本为方形或圆形横截面的直通道。虽然这种换热器的微细通道可强化换热，但是同时带来了流体压力损失的增大，而且这种微通道结构也未考虑扰动对强化换热的影响。
为解决上述问题，日本专利文件 JP2006170549A公开了一种微通道结构，所述微通道结构成型于多层叠置的换热板之间；所述换热板上成型有多个规则排列的流线型翅片；翅片之间形成微通道。与直通道相比，这样的微通道能使强制对流传热系数增加，流体的压力损失减小，但是这样的结构由于缺少催生冷凝或蒸发相变的微细结构，传热性能还有待于提高，流体流动的阻力有待进一步减小。
实用新型内容
为此，本实用新型所要解决的技术问题在于改善和提高现有的微通道结构的传热性能和流动性能，进而提供一种强制对流传热系数高并且流动阻力小的换热器微通道结构。
为解决上述技术问题，本实用新型公开一种换热器的微通道结构，所述微通道形成于多层叠置的换热板之间，所述换热板上成型有多个翅片单元，所述翅片单元沿垂直于流体流动的方向上均匀排列成翅片单元组，若干所述翅片单元组沿流体流动方向间隔一段距离交错排列；上游侧的所述翅片单元的后端设置于下游侧的相邻两个所述翅片单元的中间位置；所述翅片单元由至少两段翅片构成，相邻所述翅片之前间隔一段距离；相邻所述翅片单元之间以及相邻所述翅片之间的流体通道形成所述微通道。
上述换热器的微通道结构中，所述翅片单元的外轮廓为直线形或者曲线形。
上述换热器的微通道结构中，相邻的所述翅片单元组相对流体流动方向的倾斜方向相反；所述翅片单元与流体流动方向之间的夹角45?≤α≤55 ?。
上述换热器的微通道结构中，在流体流动方向上相邻的两个所述翅片单元形成一个翅片单元对，相邻的两个所述翅片单元在流体流动方向上的间距a≤2mm，在垂直于流体流动方向上的间距b≤1mm；相邻的所述翅片单元对之间在流体流动方向上的间距≥2a，相邻的所述翅片单元对在垂直于流体流动方向上的间距≥2b。
上述换热器的微通道结构中，所述翅片单元沿流体流动方向上的长度L≤2.5mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h≤1.5mm，所述翅片的厚度δ≤0.5mm。
上述换热器的微通道结构中，组成所述翅片单元的所述翅片包括：形成所述翅片单元的外轮廓的主流边以及与所述主流边邻接的分流边，相邻所述翅片的所述分流边相互平行且其间距0.05mm≤t≤0.35mm；所述分流边与流体流动方向的夹角0?≤β≤15?
上述换热器的微通道结构中，所述翅片单元的外轮廓呈中间段为直线的“s”型曲线，其由圆冠形的前端翅片、后端翅片以及设置于所述前端翅片和所述后端翅片之间的平行四边形的中间翅片构成。
上述换热器的微通道结构中，所述翅片单元的外轮廓为直线形；其由三个平行四边形的翅片构成，所述翅片在平行四边形的钝角边为圆弧过渡。
上述换热器的微通道结构中，所述微通道沿流体流动方向依次为导流段、换热段和汇流段；所述导流段和所述汇流段的相邻所述翅片单元沿流体流动方向上的间距大于所述换热段的相邻所述翅片单元沿流体流动方向上的间距。
上述换热器的微通道结构中，所述换热板上的所述翅片优选通过光蚀刻的方法成型。
本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
（1）本实用新型的微通道结构，翅片单元由至少两段翅片构成，相同长度和宽度的微通道其换热面积较直通道时增大了约55 %，相比于现有的流线型的微通道换热面积增加4.8%~7.5%；并且多段翅片的结构形式增加了与流体的接触面积，可以形成了更多的汽化核心，这样更加有利于制冷工质的相变传热；并且，断续的翅片结构可以增加流体的扰动，对于低雷诺数的流动条件，这种扰动可以在流体阻力增加较少的前提下增强制冷工质和工作流体之间的换热；因此，采用这种微通道结构的换热器的强制对流传热系数大大提高，换热能力增强。
（2）本实用新型中组成翅片单元的翅片间隔设置，便于流体的分流和混合，避免了现有技术中无间隙的流线型翅片形成的流体微通道由于连续折线的角度引起的涡流，从而降低流体流动的阻力。
（3）本实用新型的翅片单元的外轮廓可以是直线形或曲线形，其均通过光蚀刻的方式加工成型，其可以使相邻的微通道之间的换热壁加工至低于0.12mm，进一步提高了换热器的热通过性能。
（4）为了获得本实用新型的微通道结构和现有技术中无间隙翅片的微通道结构之间在流体压力损失，申请人应用了本实用新型的实施例1、实施例2中微通道结构与现有的无间隙流线型翅片形成的微通道结构进行了对比试验，由图6所可以看出，应用了本实用新型的微通道结构的流体压力损失ΔP降低；其中实施例1中的微通道结构形状较现有技术中的微通道结构压力损失ΔP降低了30.8%，实施例2中的微通道结构较现有技术中的微通道结构压力损失ΔP降低了40%。
附图说明
为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中
图1 是本实用新型的换热器微通道的整体结构图；
图2 是本实用新型实施例1部分翅片单元之间的位置结构图；
图3 是实施例1中单个翅片单元的结构图；
图4 是本实用新型实施例2部分翅片单元之间的位置结构图；
图5 是实施例2中单个翅片单元的结构图；
图6 是本实用新型与现有技术的微通道结构之间性能对比图。
图中附图标记表示为：
1-换热板，2-翅片单元，21-翅片，211-前端翅片，212-中间翅片，213-后端翅片，214-主流边，215-分流边，3-翅片单元对，4-导流段，5-换热段，6-汇流段，7-翅片单元组。
具体实施方式
以下将结合附图，使用以下实施例对本实用新型进行进一步阐述。
实施例1
图1是本实用新型专利的新型微通道结构，其中，所述微通道形成于多层叠置的换热板1之间，所述换热板1上成型有多个翅片单元2，所述翅片单元2沿垂直于流体流动的方向上均匀排列成翅片单元组7，多个所述翅片单元组7沿流体流动方向上间隔一段距离交错排列；上游侧的所述翅片单元2的后端设置于下游侧的相邻两个所述翅片单元2的中间位置。本实用新型所述的中间位置是指下游侧的相邻两个所述翅片单元2之间的任一位置，其不仅包括所述上游侧翅片单元2的后端伸入下游侧的相邻翅片单元2之间的内部，也包括上游侧翅片单元2的后端在下游侧的相邻翅片单元2之间的外部。所述翅片单元2由至少两段翅片21构成，所述翅片21之前间隔一段距离；所述翅片单元2之间以及所述翅片21之间的流体通道形成所述微通道。因此，本实用新型的换热器微通道的换热面积相比现有的微通道换热面大大提高。
本实用新型所述的流体流动方向如图1中的V方向所示，其表示从微通道的入口到出口的直线方向。
所述翅片单元2的外轮廓为曲线形，具体的，本实施例中，所述翅片单元2的外轮廓为中间段为直线的“s”型曲线，如图2和图3所示，其由圆冠形的前端翅片211、后端翅片213以及设置于所述前端翅片211和所述后端翅片213之间的平行四边形的中间翅片212构成。相邻的所述翅片单元组7相对流体流动方向的倾斜方向相反；所述翅片单元2与流体流动方向之间的夹角α为500。
如图2所示，在流体流动方向上，相邻的两个所述翅片单元2形成一个翅片单元对3，其中，两个所述翅片单元2在流体流动方向上的间距a为2mm，在垂直于流体流动方向上的间距b为1mm；相邻的所述翅片单元对3之间在流体流动方向上的间距为4mm，相邻的所述翅片单元对3在垂直于流体流动方向上的间距为2mm。
如图3所示，所述翅片单元2沿流体流动方向上的长度L为2.5mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h为1.5mm，所述翅片的厚度δ为0.35mm。
组成所述翅片单元2的所述翅片21包括：形成所述翅片单元的外轮廓的主流边214以及与所述主流边214邻接的分流边215，相邻所述翅片21的所述分流边214相互平行且其间距t为0.35mm；所述分流边214与流体流动方向的夹角β为150。
所述微通道沿流体流动方向依次由连通入口段的导流段4、换热段5以及连通出口段的汇流段6组成；所述导流段4和所述汇流段6的相邻翅片单元2沿流体流动方向上的间距大于所述换热段5的相邻翅片单元2沿流体流动方向上的间距。流体由入口段流入单层板片，进入导流段分布均匀，在换热段完成热交换进入汇流段进行汇流，再经过出口段流出。
所述换热板1上的所述翅片21通过光蚀刻成型。
实施例2
图4与图5为本实用新型的另一种微通道结构，其与实施例1中的微通道结构的基本一致，区别点在于翅片单元的形状。
所述翅片单元2的外轮廓为直线型，具体的，本实施例中，所示翅片单元2由三个平行四边形的翅片21构成，所述翅片21在平行四边形的钝角边为圆弧过渡。这样结构的微通道避免了连续曲线形成的涡流，从而降低流动的阻力损失。所述翅片单元2与流体流动方向之间的夹角α为450。
其中，如图4所示，两个所述翅片单元2在流体流动方向上的间距a为1mm，在垂直于流体流动方向上的间距b为2mm；相邻的所述翅片单元对3之间在流体流动方向上的间距为3mm，相邻的所述翅片单元对3在垂直于流体流动方向上的间距为5mm。
如图5所示，所述翅片单元2沿流体流动方向上的长度L为2.3mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h为1.3mm，所述翅片的厚度δ为0.5mm。
相邻所述翅片21的所述分流边214的间距t为0.2mm；所述分流边214与流体流动方向的夹角β为10?。
实施例3
本实施例的微通道结构与实施例2基本一致，区别点在于翅片的设置位置以及尺寸参数。
其中，所述翅片单元2与流体流动方向之间的夹角α为550。两个所述翅片单元2在流体流动方向上的间距a为1.5mm，在垂直于流体流动方向上的间距b为1.5mm；相邻的所述翅片单元对3之间在流体流动方向上的间距为3mm，相邻的所述翅片单元对3在垂直于流体流动方向上的间距为4mm。
如图5所示，所述翅片单元2沿流体流动方向上的长度L为2mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h为1mm，所述翅片的厚度δ为0.25mm。
相邻所述翅片21的所述分流边214的间距t为0.05mm；所述分流边214与流体流动方向的夹角β为0?。
根据不同的设计要求，本实用新型所述的翅片单元2还可以由两段、四段或更多段的所述翅片21组成。
另外，所述翅片单元的外轮廓的曲线结构，还可以使sin曲线或者圆形、椭圆形、抛物线曲线的一部分。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实用新型创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种换热器的微通道结构，其特征在于：所述微通道形成于多层叠置的换热板（1）之间，所述换热板（1）上成型有多个翅片单元（2），所述翅片单元（2）沿垂直于流体流动的方向上均匀排列成翅片单元组（7），若干所述翅片单元组（7）沿流体流动方向间隔一段距离交错排列；上游侧的所述翅片单元（2）的后端设置于下游侧的相邻两个所述翅片单元（2）的中间位置；所述翅片单元（2）由至少两段翅片（21）构成，相邻所述翅片（21）之前间隔一段距离；相邻所述翅片单元（2）之间以及相邻所述翅片（21）之间的流体通道形成所述微通道。
2.根据权利要求1所述的微通道结构，其特征在于：所述翅片单元（2）的外轮廓为直线形或者曲线形。
3.根据权利要求1或2所述换热器的微通道结构，其特征在于：相邻的所述翅片单元组（7）相对流体流动方向的倾斜方向相反；所述翅片单元（2）与流体流动方向之间的夹角45?≤α≤55 ?。
4.根据权利要求3所述换热器的微通道结构，其特征在于：在流体流动方向上相邻的两个所述翅片单元（2）形成一个翅片单元对（3），相邻的两个所述翅片单元（2）在流体流动方向上的间距a≤2mm，在垂直于流体流动方向上的间距b≤2mm；相邻的所述翅片单元对（3）之间在流体流动方向上的间距≥2a，相邻的所述翅片单元对（3）在垂直于流体流动方向上的间距≥2b。
5.根据权利要求4所述换热器的微通道结构，其特征在于：所述翅片单元（2）沿流体流动方向上的长度L≤2.5mm，沿垂直于流体流动方向的宽度h≤1.5mm，所述翅片（21）的厚度δ≤0.5mm。
6.根据权利要求5所述换热器的微通道结构，其特征在于：组成所述翅片单元（2）的所述翅片（21）包括：形成所述翅片单元（2）的外轮廓的主流边（214）以及与所述主流边（214）邻接的分流边（215），相邻所述翅片（21）的所述分流边（214）相互平行且其间距0.05mm≤t≤0.35mm；所述分流边（214）与流体流动方向的夹角0?≤β≤15?。
7.根据权利要求6所述换热器的微通道结构，其特征在于：所述翅片单元（2）的外轮廓呈中间段为直线的“s”型曲线，其由圆冠形的前端翅片（211）、后端翅片（213）以及设置于所述前端翅片（211）和所述后端翅片（213）之间的平行四边形的中间翅片（212）构成。
8.根据权利要求6所述换热器的微通道结构，其特征在于：所述翅片单元（2）的外轮廓为直线形；其由三个平行四边形的翅片（21）构成，所述翅片（21）在平行四边形的钝角边为圆弧过渡。
9.根据权利要求8所述换热器的微通道结构，其特征在于：所述微通道沿流体流动方向依次为导流段（4）、换热段（5）和汇流段（6）；所述导流段（4）和所述汇流段（6）的相邻所述翅片单元（2）沿流体流动方向上的间距大于所述换热段（5）的相邻所述翅片单元（2）沿流体流动方向上的间距。
10. 根据权利要求9所述换热器的微通道结构，其特征在于：所述换热板（1）上的所述翅片（21）通过光蚀刻成型。
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