CN203572287U - 板翅式相变换热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于换热器领域，具体涉及一种板翅式相变换热器。目的是为了克服现有普通板翅式换热器不能对能量进行“移峰填谷”的缺点。该换热器包括多个换热单元，每个换热单元依次包括热流体层（7）、多孔介质和相变材料复合结构层（8）、冷流体层（9）、多孔介质和相变材料复合结构层（8），各层之间采用隔板（6）隔开。该换热器能够应用于大功率间歇工作电子设备的散热，通过固/液相变材料的高潜热和等温相变的特点，先将冷量储存起来，在电子设备工作时将冷量释放，从而达到为电子设备散热的目的。

Description

板翅式相变换热器

技术领域

本实用新型属于换热器领域，具体涉及一种板翅式相变换热器，应用于需要短时、大功率散热或传热的场合，尤其是适用于大功率间歇性工作电子设备的散热。

背景技术

目前，公知的板翅式换热器构成为将波形翅片夹在两层隔板之间，两侧用封条密封，其中波形翅片可以是矩形、三角形或波纹形等形式。将许多这样的单元重叠起来就构成了板翅式换热器。相邻单元（即隔板两侧）流过不同温度的流体，通过两侧带有翅片的隔板传递热量。但是，由于现代电子设备的发热功率比较大，而且很大一部分都是间歇性工作，若按照其峰值功率设计换热器，则换热器体积重量会非常庞大；若按其平均功率设计换热器，则不能满足峰值发热的散热要求。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有普通板翅式换热器不能对能量进行“移峰填谷”的缺点，提出一种板翅式相变换热器。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种板翅式相变换热器，包括多个换热单元，每个换热单元依次包括热流体层、多孔介质和相变材料复合结构层、冷流体层、多孔介质和相变材料复合结构层，各层之间采用隔板隔开。

如上所述的一种板翅式相变换热器，其中：所述热流体层与冷流体层相互垂直放置，在不同流程之间置有封条。

如上所述的一种板翅式相变换热器，其中：所述多孔介质和相变材料复合结构层为密封结构。

如上所述的一种板翅式相变换热器，其中：所述多孔介质和相变材料复合结构层中的多孔介质为泡沫金属或翅片。

如上所述的一种板翅式相变换热器，其中：所述翅片为矩形、三角形或波纹形。

本实用新型的有益效果是：

1.能够实现能量的移峰填谷：由于相变材料具有一定的热存储能力，因此可以将冷量暂时存储，待需要时再释放出来，实现了能量在时间上的转移，能够很好地解决大功率间歇性电子元件的散热问题；

2.多孔介质的加入显著提高了相变层的导热系数：大部分的有机相变材料都存在导热系数低的缺点，若单纯采用纯相变材料，导热过程十分缓慢，大大限制了其自身的工程应用。本实用新型提出将多孔介质与相变材料结合作为复合储能结构，有效地提高了复合结构的导热系数。在冷却过程中，热流体的热量能够首先沿多孔介质内的金属纤维传递，进而在多孔介质分割而成的小单元中进行传递，有效地保证了冷量传递的快速性和高效性；

3.换热器的相变层温度恒定，提高了换热效率：由于相变材料在相变过程中温度基本保持恒定，因此不论在凝固（充冷）或是熔化（放冷）过程中，都与冷流体或热流体保持了一定的温差，保证了凝固（充冷）或是熔化（放冷）过程快速高效地进行；

4.提高了换热器的效率/重量（体积）比：由于相变材料具有较高的潜热，因此相变换热器单位体积的储冷量较高，不仅解决了瞬时大功率现代电子元件的散热问题，而且大大减小了同换热量换热器的重量和体积；

5.可根据换热要求来选择适合相变温度的相变材料：由于不同的相变材料具有不同的相变温度，因此可以根据不同的冷、热流体温度对相变材料进行选择匹配。通过改变相变材料的配方，可以改变复合相变材料的温度；通过选择不同规格的多孔材料，可以改变复合储能结构的吸、放热速度。

6.该换热器能够应用于大功率间歇工作电子设备的散热。通过固/液相变材料的高潜热和等温相变的特点，先将冷量储存起来，在电子设备工作时将冷量释放，从而达到为电子设备散热的目的。

附图说明

图1（a）为泡沫金属/相变材料复合结构宏观剖视图；

图1（b）为泡沫金属-相变材料复合结构传热机理；

图2（a）为矩形翅片和相变材料复合结构宏观剖视图；

图2（b）为传热单元示意图；

图3为相变板翅式换热器热流体方向剖视图；

其中：1.相变材料，2.金属纤维，3.铝翅片，4.封条，5.换热器外壁，6.隔板，7.热流体层，8.多孔介质和相变材料复合结构层，9.冷流体层；图2（a）中虚线部分表示传热单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型提供的一种板翅式相变换热器进行介绍：

如图3所示，一种板翅式相变换热器，包括多个换热单元，每个换热单元依次包括热流体层7、多孔介质和相变材料复合结构层8、冷流体层9、多孔介质和相变材料复合结构层8，各层之间采用隔板6隔开。

热流体层7与冷流体层9相互垂直放置，在不同流程之间置有封条4；多孔介质和相变材料复合结构层8为密封结构，与外界无物质交换，只有热能交换。

多孔介质可以是泡沫金属或翅片，翅片可以是矩形、三角形或波纹形等形式。

对于热流体层7与冷流体层9中加入的多孔介质/相变材料复合结构8，其中相变材料用于储能放能，而多孔介质（如泡沫金属或翅片等）能够大大提高复合结构的导热系数。这样，当上游电子元件不工作时，相变材料可被冷边流体冷却并且储存冷量；而当上游电子元件工作时，依靠多孔介质对有效导热系数的提高，热量能够迅速沿多孔介质的金属纤维传递至相变材料内部，保证了换热的快速和高效。

当上游电子元件处于非工作状态时，冷流体层9内通冷流体，则冷流体对其相邻的两层相变材料进行冷却；当上游电子元件处于工作状态时，热流体层7内通热流体，此时热量能够通过多孔介质和相变材料复合结构层8内的多孔介质结构迅速传导给相变材料，使相变材料快速和充分地熔化，从而将热流体迅速冷却。

实施例1：

多孔介质为泡沫金属。图1(a)中为泡沫金属/相变材料复合结构宏观剖视图，由图可知相变材料1被分成若干小传热单元。在图1(a)中，当有热流作用在受热表面时，由于金属具有良好的导热性能，因此热流首先沿着金属纤维2传导至泡沫金属的骨架中，进而传热在小单元内进行，如图1(b)所示，保证了相变的快速和充分。由于泡沫金属具有连通的孔隙，因此可将相变材料1在熔化状态下填充满整个泡沫骨架，又因为泡沫金属具有较高的比表面积，因此传热效率得到了显著提高。

实施例2：

多孔介质为翅片，即翅片/相变材料复合结构，由于翅片可以有多种形式，这里仅以矩形翅片作为示例说明翅片对于复合结构导热系数的提高。图2(a)所示为矩形翅片和相变材料复合结构宏观剖视图，图2(b)为传热单元示意图，可以看出在每个传热单元，铝翅片3与相变材料1是并联。在此假设下，可得到复合结构的有效导热系数为

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{l_f}{l_f+l_p}\·{\mathrm{\λ}}_f+\frac{l_p}{l_f+l_p}\·{\mathrm{\λ}}_p---\left(1\right)$

其中下标f代表翅片；p代表相变材料；λ_eff代表复合结构的件有效导热系数。若铝翅片的高度为5.5mm，翅间距为l_p=3mm，翅厚为l_f=0.15mm，金属铝的导热系数为175W/(m·K)，相变材料选用正二十烷，其导热系数为0.27W/(m·K)，则根据式(1)，得到翅片/相变材料复合结构在沿翅片高度方向上的有效导热系数λ_eff为

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{0.15}{3+0.15}\×175+\frac{3}{3+0.15}\×0.27=8.59W/(m\·K)$

由计算结果可知，沿翅片高度方向上的导热系数提高了约32倍，保证了此方向上快速而有效的热传导。

实施例1与实施例2的不同之处是，泡沫金属对导热系数的显著提高是各向同性的，而翅片对导热系数的显著提高仅仅是在沿翅片高度方向上。

Claims (5)

1.一种板翅式相变换热器，其特征在于：包括多个换热单元，每个换热单元依次包括热流体层（7）、多孔介质和相变材料复合结构层（8）、冷流体层（9）、多孔介质和相变材料复合结构层（8），各层之间采用隔板（6）隔开。

2.根据权利要求1所述的一种板翅式相变换热器，其特征在于：所述热流体层（7）与冷流体层（9）相互垂直放置，在不同流程之间置有封条（4）。

3.根据权利要求1所述的一种板翅式相变换热器，其特征在于：所述多孔介质和相变材料复合结构层（8）为密封结构。

4.根据权利要求1所述的一种板翅式相变换热器，其特征在于：所述多孔介质和相变材料复合结构层（8）中的多孔介质为泡沫金属或翅片。

5.根据权利要求4所述的一种板翅式相变换热器，其特征在于：所述翅片为矩形、三角形或波纹形。

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