CN211953778U

CN211953778U - 换热装置

Info

Publication number: CN211953778U
Application number: CN201922029538.6U
Authority: CN
Inventors: 龙志强; S·乔利; M·辛普金斯
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2029-11-20

Abstract

本实用新型提供了一种换热装置，其包括壳体管道(1)和热交换体(3)。热交换体包括散热体或热源体，管道壳体具有流体入口(21)、流体出口(22)和在流体入口和流体出口之间的流体流动腔室(5)，热交换体包括散热体或热源体，热交换体定位在管道壳体外侧以在目标流体流经流体流动腔室时与目标流体发生热交换。换热装置还包括与管道壳体固定连接的多孔金属。本实用新型的换热装置采用多孔金属来增大热交换面积和/或热辐射面积，多孔金属可以在自然中直接获取或仅需要轻微加工因而成本较低。并且，多孔金属的构造能够提供较大的热交换面积。本实用新型提供的换热装置可同时具有低成本和高肋片效率，满足使用者的多种需求。

Description

换热装置

技术领域

本实用新型涉及一种换热装置。

背景技术

在热能源领域，换热装置的换热效率的提升一直都是研究的热点，尤其是散热器或热源较小的换热装置，以及热交换表面较小的换热装置，对于换热效率更是有着严格的要求。通常，增大换热装置的固体部分的热交换面积能够提升换热装置的换热效率，现有的做法是设置将热交换表面设计为凹槽表面或肋片表面来增大热交换面积，但这种做法成本较高且肋片效率较低。

因此，需要提供一种换热装置，以至少部分地解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种换热装置，该换热装置能够克服现有的技术缺陷，具有高肋片效率。特别是，本实用新型的换热装置采用多孔金属来增大热交换面积和/或热辐射面积，当使用多孔金属作为传热部件时，多孔金属的构造能够提供较大的热交换面积，且金属自身也具有较优的导热性，因而肋片效率高。

另外，由于换热装置采用多孔金属，而多孔金属可以在自然中直接获取或仅需要轻微加工因而成本较低。

本实用新型提供的换热装置包括：

管道壳体，所述管道壳体具有流体入口、流体出口和在所述流体入口和所述流体出口之间的流体流动腔室；

热交换体，所述热交换体包括散热体或热源体，所述热交换体定位在所述管道壳体外侧以在目标流体流经所述流体流动腔室时与所述目标流体发生热交换，

其特征在于，所述换热装置还包括与所述管道壳体固定连接的多孔金属。

根据本方案，采用多孔金属来增大热交换面积和/或热辐射面积，具有低成本和高肋片效率。

在一种实施方式中，所述多孔金属包括第一多孔金属，所述第一多孔金属定位在所述管道壳体内以使所述目标流体能够流经所述第一多孔金属。

在一种实施方式中，所述多孔金属包括第二多孔金属，所述第二多孔金属定位在所述管道壳体外并沿所述管道壳体的周向至少部分地包围所述管道壳体。

根据上述两种方案，第一多孔金属和第二多孔金属能够实现增大热接触面积和增大热辐射面积中的至少一个。

在一种实施方式中，所述多孔金属包括所述第一多孔金属，所述第一多孔金属呈条状、板状、块状、环状中的至少一种。

根据本方案，可根据实际需求选择或加工出所需的多孔金属，并将多孔金属按照需要进行排布，以使其作为传热部件时能够满足使用者的特定需求。

在一种实施方式中，所述第一多孔金属为多个且每一个所述第一多孔金属均呈条状，所述条状第一多孔金属沿所述目标流体的流动方向延伸或垂直于所述目标流体的流动方向延伸。

根据本方案，可根据实际需求选择或加工出所需的第一多孔金属，并将第一多孔金属按照需要进行排布，以使其作为传热部件时能够满足使用者的特定需求。

在一种实施方式中，所述第一多孔金属为多个且每一个所述第一多孔金属均呈板状，其中，

各个所述板状第一多孔金属彼此平行且均平行于所述目标流体的流动方向；或者

部分所述板状第一多孔金属平行于所述目标流体的流动方向，部分所述板状第一多孔金属垂直于所述目标流体的流动方向，部分所述板状第一多孔金属与所述目标流体的流动方向之间的夹角为锐角。

在一种实施方式中，所述第一多孔金属呈块状，所述块状第一多孔金属的形状与所述流体流动腔室的形状相适应。

在一种实施方式中，所述第一多孔金属呈环状，所述环状第一多孔金属的外轮廓的形状与所述流体流动腔室的形状相适应。

在一种实施方式中，所述第一多孔金属在垂直于所述目标流体的流动方向的方向上充满所述流体流动腔室；或者

所述第一多孔金属仅贴靠所述管道壳体的内壁设置，并使得所述第一多孔金属在垂直于所述目标流体的流动方向的方向上未完全充满所述流体流动腔室。

根据本方案，第一多孔金属充满流体流动腔室时能够具有较高的换热效率，但同时会使流体的流动阻力增大；第一多孔金属不充满流体流动腔室时流体流动的阻力减小，但换热效率相对也较低，使用者可以根据特定的使用环境进行选择。

在一种实施方式中，所述第一多孔金属为其基材种类、孔隙度、密度、厚度、填充率被基于所述管道壳体的内表面材质、目标流体种类、所需的传热效率和流体流动阻力而设定的多孔金属块、或多孔金属条、或多孔金属板或多孔金属环。

根据本方案，可根据实际需求选择或加工出所需的第一多孔金属，以使其作为传热部件时能够满足使用者的特定需求。

在一种实施方式中，所述多孔金属包括多孔泡沫金属块、多孔泡沫金属板、多孔泡沫金属条、多孔泡沫金属环、多孔金属网、3D打印成型的多孔金属条、多孔金属板、多孔金属环、多孔金属板中的至少一个。

根据本方案，可根据实际需求选择第一多孔金属，以在成本、传热性能上能够满足使用者的特定需求。

在一种实施方式中，所述多孔金属为通过焊接、锻接、烧结、粘结的方式连接在所述管道壳体上的多孔金属块、多孔金属条、多孔金属板或多孔金属环。

根据本方案，可根据实际需求选择第一多孔金属的固定方式，以在成本、牢固性上能够满足使用者的特定需求。

在一种实施方式中，所述热交换体为流体。

根据本方案，可以将待冷却和待加温的两种流体共同输送进换热装置来完成换热，这样能够节省能源、降低成本。

在本实用新型中，换热装置采用多孔金属来增大热交换面积和/或热辐射面积，多孔金属可以在自然中直接获取或仅需要轻微加工，而无需复杂的机加工，因而这样的方法成本较低。并且，当使用多孔金属作为传热部件时，多孔金属的构造能够提供较大的热交换面积，且金属自身也具有较优的导热性。本实用新型提供的换热装置，同时具有低成本和高肋片效率，以克服现有的技术缺陷。并且，还可以根据特定的使用情况来选择多孔金属的形状、尺寸、来源、固定方式等，以进一步优化换热装置的性能。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。

其中，

图1为根据本实用新型的一个优选实施方式的换热装置的立体透视示意图，不仅示出了换热装置的外轮廓，还示意性地示出了内部结构；

图2为沿图1中的A-A线截取的换热装置的俯视剖视示意图；

图3为沿图2的B-B线截取的整个换热装置的主视剖视示意图；

图4-图7为具有与图1换热装置外轮廓相同但是内部多孔金属形状不同的几种替代方案的类似图2的俯视剖视示意图；

图8为根据本实用新型的另一种优选实施方式的换热装置的主视透视示意图，不仅示出了换热装置的外轮廓，还示意性地示出了内部结构；

图9为沿图8的C-C线截取的剖视示意图；

图10为根据本实用新型的再一种优选实施方式的换热装置的主视透视示意图，不仅示出了换热装置的外轮廓，还示意性地示出了内部结构；

图11为沿图10的D-D线截取的剖视示意图；

图12为根据本实用新型的又一种优选实施方式的换热装置的主视透视示意图，不仅示出了换热装置的外轮廓，还示意性地示出了内部结构，但是省略了热交换体；

图13为沿图12的E-E线截取的剖视示意图。

附图标记：

管道壳体 1

流体入口 21

流体出口 22

热交换体 3

第一多孔金属 4

条状第一多孔金属 41

板状第一多孔金属 421

环状第一多孔金属 44

流体流动腔室 5

第二多孔金属 6

气体 71

液体 72

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型提供了一种换热装置，图1至图13示出了根据本实用新型的几种实施方式。

图1至图3示出了一个换热装置的各个角度的示图，其中图3的换热装置中示出了目标流体，而图1和图2中的换热装置未示出目标流体。从图1至图3中可以看到，换热装置包括管道壳体1和热交换体3，其中，管道壳体1具有流体入口21、流体出口22和连通流体入口21、流体出口22的流体流动腔室5；热交换体3包括散热体或热源体，热交换体3定位在管道壳体1的外侧以在目标流体流经流体流动腔室5时与目标流体发生热交换。为了提升热交换面积，换热装置还包括与管道壳体1固定连接的多孔金属。多孔金属可以为第一多孔金属4和/或第二多孔金属6(见图12-图13)，第一多孔金属4定位在管道壳体1内以使目标流体能够流经第一多孔金属4，第二多孔金属6定位在管道壳体1外并沿管道壳体1的周向至少部分地包围管道壳体1(见图12-图13)。在图1至图10所示出的换热装置中仅设置了第一多孔金属4，图12-图13所示出的换热装置中仅设置了第二多孔金属6，在未示出的实施方式中，第一多孔金属和第二多孔金属可以同时存在。另外，需要说明的是，在本文中“第一多孔金属”和“第二多孔金属”的描述仅为了区分的目的，而并不意味着二者存在特定的关系，存在“第一多孔金属”不代表存在“第二多孔金属”，存在“第二多孔金属”也不代表存在“第一多孔金属”。

图1至图3中所示的换热装置的第一多孔金属4为块状，该块状第一多孔金属的形状与流体流动腔室5的形状相适应。图1至图3中换热装置的作用例如可以为对目标流体降温，那么可以将热交换体3设置为散热器，目标流体例如可以为气体71，当气体71在流体流动腔室5内流动时充分地将热量通过第一多孔金属4传递至散热器。由于多孔金属的多孔构造，使得当该气体71流经第一多孔金属4时能够和第一多孔金属4充分接触，从而与第一多孔金属4之间具有较大的接触面积。而第一多孔金属4则和与热交换体3直接接触的管道壳体1相接触，因而第一多孔金属4的设置提升了气体71和热交换体3之间的热交换面积，从而能够提升换热装置的换热效率，由于换热效率较高，会有一部分气体71快速降温并凝结成液体72而沉积在流体流动腔室5内。

优选地，第一多孔金属4可以具有各种形状和尺寸，其例如可以为条状、板状、块状和环状，使用者可以根据具体需求进行设定。图1至图7示出了几种具体示例。

图4中所示的换热装置中的第一多孔金属为多个，其部分呈条状。条状第一多孔金属41垂直于流体流动方向延伸，各个条状第一多孔金属41在流体流动腔室5内均匀排布，例如在如图所示的俯视视角中各个条状第一多孔金属41在一个圆周上等间隔排布。在其他未示出的实施方式中，条状第一多孔金属还可以沿流体流动方向延伸。

图5中所示的换热装置中的第一多孔金属为多个，其均呈板状。其中，一部分板状第一多孔金属421垂直于目标流体的流动方向，一部分板状第一多孔金属421平行于目标流体的流动方向，还有一部分板状第一多孔金属421与目标流体的流动方向之间的夹角为锐角。在如图所示的俯视视角中，可以看到所有的板状第一多孔金属421具有规律地排布，以使得目标流体从容纳腔内的各个位置通过时都能够和板状第一多孔金属421充分接触。

图6中所示的换热装置中的第一多孔金属为多个，也均呈板状。各个板状第一多孔金属421彼此平行且均平行于目标流体的流动方向。在其他未示出的实施方式中，各个板状第一多孔金属可以彼此平行但不平行于目标流体的流动方向。

图7中所示的换热装置的第一多孔金属4为环状，该环状第一多孔金属44的外轮廓的形状与流体腔室的形状相适应。这样的设置使得目标流体从容纳腔内的各个位置通过时都能够和板状第一多孔金属421充分接触。

另一方面，第一多孔金属4在流体流动腔室5内的填充率也可以具有不同设定，图8至图11给出了两种具体示例。

其中，图8和图10与图3类似，示出了换热装置的大致正视剖视结构，但不同于图3，图8和图10中的热交换体3为在管道壳体1的周向上包围管道壳体1的结构。具体地，

图8中的热交换体的外轮廓为立方体结构，内部形成有圆筒状的通孔，管道壳体1能够配合地贯穿该通孔。

在图8和图9所示的示例中，第一多孔金属4在垂直于目标流体的流动方向(由箭头示出)的方向上充满流体流动腔室5，也就是说，在垂直于流体流动方向的截面内(例如图9)可以看到第一多孔金属4充满了由管道壳体1限定的流体流动腔室5。这样的设置具有较高的换热效率，但同时会提升流体的流动阻力。

在图10和图11所示的示例中，第一多孔金属4贴靠管道壳体1的内壁设置，第一多孔金属4在垂直于目标流体的流动方向的方向上未完全充满流体流动腔室5，也就是说，在垂直于流体流动方向的截面内(例如图11)可以看到第一多孔金属4未充满由管道壳体1限定的流体流动腔室5。部分目标流体可以不流经第一多孔金属4。这样的设置会使得目标流体的流动阻力较低，但是同时换热效率可能也会受到影响。

上述的具有各种形状的第一多孔金属4可以是从自然中直接取材的，也可以是根据需要提前加工而成的。初次之外，第一多孔金属4在其他方面还可以具有其他各种选择。具体地，可以基于管道壳体1管道的内表面材质、目标流体种类、所需的传热效率和所需的流体流动阻力来设定第一多孔金属4的各项参数。第一多孔金属4的各项参数包括但不限于基材种类(即主要的金属类型，例如铜、镍、铝、铁等)、孔隙度、密度、厚度和填充率。

下面转到图12和图13。图12和图13所示的换热装置设置有第二多孔金属6，第二多孔金属6围绕管道壳体1的外侧设置。具体地，管道壳体1形成为圆筒状，第二多孔金属6形成为空心圆筒状，该空心圆筒的内径尺寸与管道壳体1的外径尺寸相一致从而能够配合地套设在管道壳体1外侧。第二多孔金属6的设置能够增大热辐射面积，也能够在具有较低成本的前提下大幅提升换热效率。优选地，在图12和图13所示的实施方式中还可以将热交换体3也设置为流体，热交换体3在壳体管道外流动并和壳体管道内的目标流体发生热交换，而第二多孔金属6的设置和热交换体3的接触面积较大，从而能够进一步增大换热效率。更优选地，热交换体3实际上可以为另一种目标流体，也就是说，在这种情况下，可同时引入待降温的目标流体和待升温的目标流体，将一种置于管道壳体1内，另一种置于管道壳体1外。这样的设置能够提升操作效率，并且还能够节约能源。

上述的第一多孔金属4和第二多孔金属6可以为泡沫金属、金属网或3D打印成型的金属，使用者可以根据特定情况进行选择，以在成本、传热性能上能够满足其特定需求。上述的第一多孔金属4和第二多孔金属6可以通过焊接、锻接、烧结、粘结的方式连接在管道壳体1上使用者可根据实际需求选择第一多孔金属4的固定方式，以在成本、牢固性上能够满足其特定需求，而这里所提到的几种固定方式能够降低或消除多孔金属和管道壳体1之间的接触热阻。

本实用新型的换热装置适于各种换热环境，尤其适用于尺寸较小的紧凑型换热环境，例如，换热装置可以为被设置为紧凑型低温换热装置以用于冷却现有的和未来的各种磁体，例如MRI磁体，将本实用新型的换热装置设置为紧凑型低温换热装置能够满足MRI磁体的高冷却需求。优选地，在冷却诸如此类的磁体时，优选地使用铜作为多孔金属的基材，这样能够具有较好的冷却效果，且具有较低的成本。再例如，换热装置还可以设置为管壳式换热装置或用于沸腾炉中的换热装置，换热装置可以设置多个管道壳体，且管道壳体和流体流动路径可以被设定为非常长。

在本实用新型中，换热装置采用多孔金属来增大热交换面积和/或热辐射面积，多孔金属可以在自然中直接获取或仅需要轻微加工，而无需复杂的机加工，因而这样的方法成本较低。并且，当使用多孔金属作为传热部件时，多孔金属的构造能够提供较大的热交换面积，且金属自身也具有较优的导热性。所以，本实用新型提供的换热装置，可同时具有低成本和高肋片效率，以克服现有的技术缺陷。并且，还可以根据特定的使用情况来选择多孔金属的形状、尺寸、来源、固定方式等，以进一步优化换热装置的性能。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种换热装置，所述换热装置包括：

管道壳体(1)，所述管道壳体具有流体入口(21)、流体出口(22)、以及在所述流体入口和所述流体出口之间的流体流动腔室(5)；

热交换体(3)，所述热交换体包括散热体或热源体，所述热交换体定位在所述管道壳体外侧以在目标流体流经所述流体流动腔室时与所述目标流体发生热交换，

2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述多孔金属包括第一多孔金属，所述第一多孔金属定位在所述管道壳体内以使所述目标流体能够流经所述第一多孔金属(4)。

3.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述多孔金属包括第二多孔金属(6)，所述第二多孔金属定位在所述管道壳体外并沿所述管道壳体的周向至少部分地包围所述管道壳体。

4.根据权利要求2所述的换热装置，其特征在于，所述第一多孔金属为多个且每一个所述第一多孔金属均呈条状，所述条状第一多孔金属(41)沿所述目标流体的流动方向延伸或垂直于所述目标流体的流动方向延伸。

5.根据权利要求2所述的换热装置，其特征在于，所述第一多孔金属为多个且每一个所述第一多孔金属均呈板状，其中，

各个所述板状第一多孔金属(421)彼此平行且均平行于所述目标流体的流动方向；或者

部分所述板状第一多孔金属(421)平行于所述目标流体的流动方向，部分所述板状第一多孔金属垂直于所述目标流体的流动方向，部分所述板状第一多孔金属与所述目标流体的流动方向之间的夹角为锐角。

6.根据权利要求2所述的换热装置，其特征在于，所述第一多孔金属呈块状，所述块状第一多孔金属的形状与所述流体流动腔室的形状相适应。

7.根据权利要求2所述的换热装置，其特征在于，所述第一多孔金属呈环状，所述环状第一多孔金属(44)的外轮廓的形状与所述流体流动腔室的形状相适应。

8.根据权利要求2所述的换热装置，其特征在于，

所述第一多孔金属在垂直于所述目标流体的流动方向的方向上充满所述流体流动腔室；或者

9.根据权利要求2所述的换热装置，其特征在于，所述第一多孔金属为其基材种类、孔隙度、密度、厚度、填充率被基于所述管道壳体的内表面材质、目标流体种类、所需的传热效率和流体流动阻力而设定的多孔金属块、或多孔金属条、或多孔金属板或多孔金属环。

10.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述多孔金属包括多孔泡沫金属块、多孔泡沫金属板、多孔泡沫金属条、多孔泡沫金属环、多孔金属网、3D打印成型的多孔金属条、多孔金属板、多孔金属环、多孔金属板中的至少一个。

11.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述多孔金属为通过焊接、锻接、烧结、粘结的方式连接在所述管道壳体上的多孔金属块、多孔金属条、多孔金属板或多孔金属环。

12.根据权利要求1-8中任意一项所述的换热装置，其特征在于，所述热交换体为流体。