CN102313401B - 微通道换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微通道换热器，包括流体通道，所述流体通道的一端成型有工作流体入口和制冷工质出口；另一端成型有工作流体流出口和制冷工质入口，所述流体通道内设有换热段，所述换热段由多个相互平行的制冷工质通道与工作流体通道交替设置实现换热，所述制冷工质通道与工作流体通道成型于叠置结合连接的金属板之间，相邻金属板至少一个侧面上交替成型有制冷工质凹槽以及工作流体凹槽，所述金属板叠置结合连接后，冷工质凹槽以及工作流体凹槽分别形成所述制冷工质通道与工作流体通道。该微通道换热器通过多个同样结构的金属板相互叠置结合连接而成，相比于现有微通道换热器，本发明的换热器更适于批量生产，成本大大降低。
Description
技术领域
本发明涉及两种流体之间以热交换为目的的换热部件；具体可以作为水和制冷工质之间进行热能的传递的微通道换热器。
背景技术
目前，换热器领域里，微通道换热器由于体积、重量相对较小，能够满足紧凑式换热器的要求，是当今换热器研究开发的新方向。
但是现存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，仅限于制冷工质和空气之间的热交换用的岔流型换热器。如专利申请号200510012007.6，200810115272.0以及200510079932.0中阐述的用于热泵的微通道换热器，均在扁平铝管型材的基础上加上发明人的想法或者构成实物的发明。但上述三个发明存在着以下几个问题：1.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，很难选到结构优化设计以后的铝管型材。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（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方向。2.制冷工质通过的微通道和空气通过的翅片之间由于采用的是钎焊，由此产生的热阻问题没有解决。3.上述三个申请仅限于制冷工质和空气之间热交换用的岔流型换热器。空气和其它工作流体（比如水，不冻液，纳米流体等），由于强制对流换热系数的不同，所需要的传热面积就不同，换热器的结构就完全不一样。空气的强制对流换热系数比制冷工质要小2个数量级，所以制冷工质和空气之间的热交换用的岔流型换热器需要把空气侧的传热面积设计得很大，因而换热器的体积也就比较大。而水的强制对流换热系数和制冷工质相比小一个数量级左右，所以换热器就可以设计得紧凑，提高换热效率，节省材料。
为解决上述问题，中国专利申请CN102116545A公开了一种微通道换热器，其可以用于制冷工质和工作流体（比如水，不冻液，纳米流体等）之间的热交换，可以用于热泵热水器，热泵锅炉（ATW（Air to Water）），地源·水源热泵等热泵系统以及废热热源热泵系统。同时，其制冷工质通道与流体通道以及两者之间的隔层通过原子扩散的方法结合，其没有焊接产生的热阻，单位体积中的传热面积大于七百。但是，该申请中，工作流体和制冷工质微通道的结构需要3层光蚀刻的金属板片构成，由于生产过程中的加工零件数增加，不利于低成本大批量进行微通道换热器的生产。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有微通道换热器生产成本高的问题，提供一种实现低成本的微通道换热器。
为解决上述技术问题，本发明的微通道换热器，包括流体通道，所述流体通道的一端成型有工作流体入口和制冷工质出口；另一端成型有工作流体流出口和制冷工质入口，所述流体通道内设有换热段，所述换热段由多个相互平行的制冷工质通道与工作流体通道交替设置实现换热，所述制冷工质通道与工作流体通道成型于叠置结合连接的金属板之间，相邻金属板的一个侧面交替成型有制冷工质凹槽以及工作流体凹槽，另一个侧面上成型有制冷工质凹槽，所述金属板具有工作流体凹槽的侧面叠置结合连接形成换热单元，多个换热单元叠置结合连接形成所述换热段。
所述制冷工质通道与工作流体通道的水力学直径之比为1：0.25-15。
所述制冷工质通道的水力学直径为0.0675-0.5mm；所述工作流体微通道的水力学直径为0.125-1mm。
所述制冷工质通道与工作流体通道的截面为根据加工条件可以为任意几何形状；优选的，截面形状为矩形，所述金属板的厚度Δ为所述制冷工质通道与工作流体通道之间的分隔壁厚度δ的0.5-2.5倍。
所述金属板厚度Δ为0.19-0.7mm。
所述制冷工质通道与工作流体通道之间的分隔壁厚度δ为0.125-0.5mm。
所述金属板的材质相同，并通过固体原子扩散方法将多层金属板结合为整体。
所述金属板的材质为不锈钢、铜和铝中的一种。
图4为微通道之间分隔壁厚度δ的变化和耐压安全倍率之间的关系，根据图4可以看出，当金属片的厚度Δ为δ最小取值的2倍时，按面A和面B固定计算得到对于所有的分隔隔壁厚度的取值范围其耐压安全倍率均在25倍以上，按面A固定面B自由计算得到对于所有的分隔隔壁厚度的取值范围其耐压的安全倍率在5倍以上。δ大于0.3以后,其耐压的安全倍率的增加趋于平缓。因此，选取分隔壁厚度δ为0.125-0.5mm的金属板耐压强度能够满足。
图5表示了微通道之间分隔壁的厚度δ的变化和热抵抗增加率之间的关系。根据图5中表示的结果，当金属片的厚度Δ为δ最小取值的2倍时，微通道之间分隔壁的厚度δ的变化与热抵抗增加率的增加呈线性关系，在分隔隔壁厚度δ为0.125-0.5mm的取值范围内，热抵抗增加率最大为3.3%。该热抵抗增加率为传热设计中可以忽略不计的程度。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明通过多个同样结构的金属板相互叠置结合连接构成微通道换热器，相比于现有通过三种不同结构形式的金属板叠置形成的微通道换热器，本发明的换热器更适于批量生产，成本大大降低。
优选的，本发明的制冷工质通道的水力学直径为0.0675-0.5mm；所述工作流体微通道的水力学直径为0.125-1mm。所述金属板厚度Δ为0.1125-0.7mm。所述制冷工质通道与工作流体通道之间的分隔壁厚度δ为0.125-0.5mm。经过对该金属板的耐压安全倍率以及热抵抗增加率的数值模拟可以看出，上述取值范围内的金属板既能满足强度以及刚度的要求，同时只具有极小的热阻，并且上述尺寸经过生产工艺验证，相比现有技术的换热器微通道，其加工成本较低。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明的微通道换热器结构示意图；
图2是形成微通道的换热段截面图；
图3是金属板横截面图；
图4是微通道之间分隔壁厚度δ的变化和耐压安全倍率之间的关系；
图5是微通道之间分隔壁厚度δ的变化和热抵抗增加率之间的关系。
图中附图标记表示为：
1-工作流体入口 2-工作流体出口 3-制冷工质出口 4-制冷工质入口 5-换热段 6-金属板
11-制冷工质通道 12-工作流体通道 61-制冷工质凹槽 62-工作流体凹槽
具体实施方式
以下将结合附图，使用以下实施例对本发明进行进一步阐述。
实施例1
图1为本发明的微通道换热器，包括流体通道，所述流体通道的一端成型有工作流体入口1和制冷工质出口3；另一端成型有工作流体出口2和制冷工质入口4，所述流体通道内设有换热段5，所述换热段5包括多个相互平行交替设置的制冷工质通道11与工作流体通道12。低温水从工作流体入口1进入换热器，与从制冷工质入口4进入的高温高压制冷工质气体在换热段5处相变换热以后，从工作流体流出口2以中高温水流出，而制冷工质从制冷工质出口3以液体的状态流出，实现该换热器的换热。
如图2所示，所述制冷工质通道11与工作流体通道12成型于叠置结合连接的金属板6之间，所述金属板6的一个侧面交替成型有制冷工质凹槽61以及工作流体凹槽62，另一个侧面上成型有制冷工质凹槽61，所述金属板6的具有工作流体凹槽62的侧面叠置结合连接形成换热单元，所述金属板6经过叠置结合连接后，对置的两个冷工质凹槽61以及工作流体凹槽62分别形成所述制冷工质通道11与工作流体通道12。多个所述换热单元叠置结合连接形成所述换热段5。
本实施例中，所述微通道的截面为矩形，所述制冷工质通道11与工作流体通道12的水力学直径之比为1：2。作为另外的实施方式，所述微通道的截面还可以为圆形、椭圆形等任何一种可成型形状。
本实施例的所述制冷工质通道11的水力学直径为0.5mm；所述工作流体微通道12的水力学直径为1mm。
成型所述制冷工质通道11以及工作流体微通道12的金属板6厚度以及制冷工质通道11与工作流体微通道12之间的分隔壁厚度应该是在能够保证强度以及加工难度的条件下，厚度越小换热效率越高。为了满足上述条件，申请人经过多次试验，得到本发明的金属板厚度Δ以及微通道的分隔壁厚度δ范围值，如图3所示。本实施例中，所述金属板的厚度Δ为所述制冷工质通道与工作流体通道之间的分隔壁厚度δ的2倍。所述金属板6厚度Δ为0.7mm。所述制冷工质通道11与工作流体通道12之间的分隔壁厚度δ为0.35mm。
所述金属板6的材质相同，并通过固体原子扩散方法将多层金属板结合为整体。本实施例中所述金属板6的材质为不锈钢。
实施例2
本实施例中的微通道换热器与实施例1中的基本一致，其区别点在于：
本实施例中的所述制冷工质通道11的水力学直径为0.25mm；所述工作流体微通道12的水力学直径为0.5mm。
成型所述制冷工质通道11以及所述工作流体微通道12的金属板6厚度Δ为0.25mm。所述制冷工质通道11与工作流体通道12之间的分隔壁厚度δ为0.13mm。
本实施例中所述金属板6的材质为铜。
实施例3
本实施例中的微通道换热器与实施例1中的基本一致，其区别点在于：
本实施例中的所述制冷工质通道11的水力学直径为0.0625mm；所述工作流体微通道12的水力学直径为0.125mm。
成型所述制冷工质通道11以及所述工作流体微通道12的金属板6厚度Δ为0.19mm。所述制冷工质通道11与工作流体通道12之间的分隔壁厚度δ为0.38mm。
本实施例中所述金属板6的材质为铝。
实施例4
本实施例中的微通道换热器与实施例1中的基本一致，其区别点在于：
本实施例中的所述制冷工质通道11的水力学直径为0.125mm；所述工作流体微通道12的水力学直径为0.3mm。
成型所述制冷工质通道11以及所述工作流体微通道12的金属板6厚度Δ为0.4mm。所述制冷工质通道11与工作流体通道12之间的分隔壁厚度δ为0.16mm。
本实施例中所述金属板6的材质为铜。
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发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种微通道换热器，包括流体通道，所述流体通道的一端成型有工作流体入口（1）和制冷工质出口（3）；另一端成型有工作流体流出口（2）和制冷工质入口（4），所述流体通道内设有换热段（5），所述换热段（5）由多个相互平行的制冷工质通道（11）与工作流体通道（12）交替设置实现换热，其特征在于：
所述制冷工质通道（11）与工作流体通道（12）成型于叠置结合连接的金属板（6）之间，相邻所述金属板（6）的一个侧面交替成型有制冷工质凹槽（61）以及工作流体凹槽（62），另一个侧面上成型有制冷工质凹槽（61），所述金属板（6）具有工作流体凹槽（62）的侧面对置叠置结合连形成接换热单元，多个换热单元叠置结合连接形成所述换热段（5）。
2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
所述制冷工质通道（11）与工作流体通道（12）的水力学直径之比为1：0.25-15。
3.根据权利要求2所述的微通道换热器，其特征在于：
所述制冷工质通道（11）的水力学直径为0.0675-0.5mm；所述工作流体微通道（12）的水力学直径为0.125-1mm。
4.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
所述制冷工质通道（11）与工作流体通道（12）的截面为矩形，所述金属板（6）的厚度Δ为所述制冷工质通道（11）与工作流体通道（12）之间的分隔壁厚度δ的0.5-2.5倍。
5.根据权利要求1-4任一所述的微通道换热器，其特征在于：
所述金属板（6）厚度Δ为0.19-0.7mm。
6.根据权利要求4所述的微通道换热器，其特征在于：
所述制冷工质通道（11）与工作流体通道（12）之间的分隔壁厚度δ为0.125-0.5mm。
7.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：
所述金属板（6）的材质相同，并通过固体原子扩散方法将多层金属板结合为整体。
8.根据权利要求7所述的微通道换热器，其特征在于：
所述金属板（6）的材质为不锈钢、铜和铝中的一种。
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