一種基於碳導熱管的管帶式換熱器及其應用的製作方法

2023-10-17 23:15:24

一種基於碳導熱管的管帶式換熱器及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及基於碳導熱管的管帶式散熱器，具體地說是管帶式散熱器及其在直接醇類燃料電池系統中的應用。本發明所述換熱器由碳導熱管帶和摺疊金屬翅片層疊堆壓而成的核心散熱部件以及第一密封端板和第二密封端板構成。本發明與現有技術相比，有利於在環境溼度變化條件下維持燃料電池系統的水熱平衡，換熱器件換熱效率高，體積小，重量輕，耐腐蝕，適用於需求高能量的應急電源、電子產品電源及動力電源。
【專利說明】一種基於碳導熱管的管帶式換熱器及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及管帶式換熱器，具體地說是基於碳導熱管的管帶式換熱器及其在直接 醇類燃料電池系統中的應用，其主要是用於冷凝直接醇類燃料電池系統排出物中的水蒸 汽，回收並循環使用冷凝下來的液態水，排出系統的多餘熱量，維持系統的水熱平衡。
【背景技術】
[0002]直接醇類燃料電池是將醇類燃料中的化學能直接轉化為電能的一種化學反應裝 置。由於醇類燃料的比能量高，燃料電池系統結構簡單等優點，該類電池在可攜式移動電源 領域具有廣闊的應用前景。
[0003]在直接醇類燃料電池系統運行過程中，一方面，由於電極反應產生大量的熱，所以 需要對系統進行排熱處理以避免因系統過熱導致的電池性能降低；另一方面，為維持系統 的水平衡，需要對電堆陰極的排出物進行冷凝並回收其中的液態水。因此，在直接醇類燃料 電池的系統中，常常使用換熱器來解決上述問題以維持整個燃料電池系統的水熱平衡。然 而，作為可攜式移動電源，直接醇類燃料電池系統應具有體積小、重量輕等特點，這就對直 接醇類燃料電池系統用換熱器提出了高效、輕質的要求。
[0004]目前，應用於直接醇類燃料電池系統的換熱器通常有板式換熱器和管式換熱器及 管帶式換熱器三種。板式換熱器通常是由不鏽鋼鋼片層疊堆積而成，當其應用在直接醇類 燃料電池系統中時，陰極流出物和冷卻空氣分別通過不鏽鋼鋼片的兩側，通過不鏽鋼鋼片 交換熱量。該種換熱器不易於與冷卻風扇集成為一體，需要額外的流量整形空間，從而導致 體積增大。管式換熱器通常是將不鏽鋼管彎曲成蛇形，但是由於易產生壓力降，所以鋼管的 長度受限，換熱器換熱效率較低。管帶式換熱器以其重量輕、體積小、傳熱性能好和裝配方 便等優點，在國內外汽車內燃機、特別是汽車空調器等領域應用廣泛。然而，從目前的應用 情況來看，管帶式換熱器中管的材質通常為鋁或銅或鋁合金或銅合金，然而上述材料長期 應用於醇類燃料電池系統換熱器中時，會因腐蝕而導致傳質傳熱能力下降。
[0005]中國發明專利200710037491.7公開了一種管束帶式換熱器，包括翅片、管束帶和 帶孔套片，其中管束帶由一根圓管或者數根並排圓管構成，管束帶的兩頭伸入帶孔套片中， 管束帶彎成蛇形，在蛇形管帶之間放入翅片，翅片通過焊接與管束帶固定。其中，管束帶由 金屬製成，仍不能滿足直接醇類燃料電池換熱器抗腐蝕及質量輕的要求，同時，管束帶彎成 蛇形也使得換熱器體積增大，從而無法滿足直接醇類燃料電池換熱器體積小的需求。
[0006]中國實用新型專利201020216063.8公開了一種箱體式多管層換熱器，儘管該換 熱器解決了常規換熱器結構複雜的問題，同時也避免了換熱器常規採用的U型彎管結構， 但該換熱器由於體積大、散熱面積不足等問題仍不能滿足直接醇類燃料電池系統的需求。
[0007]美國專利US005704415披露了一種採用鋁合金管的管帶式換熱器，儘管該換熱器 避免了 U管的連接方式，且換熱效果較好，但其重量體積仍無法達到直接醇類燃料電池系 統的需求。
[0008]綜合來看，目前針對燃料電池系統水熱平衡問題而採用的換熱器換熱效率不高，體積較大，重量較重，難於與輔助冷卻部件集成等問題仍然是阻礙直接醇類燃料電池系統 能量密度提高的主要障礙之一。

【發明內容】

[0009]本發明針對以上現有技術的不足，提供一種用於燃料電池系統，特別是直接醇類 (甲醇、乙醇、乙二醇等)燃料電池系統的管帶式換熱器。
[0010]為實現上述目的，本發明提供一種管帶式換熱器。
[0011]一種基於碳導熱管的管帶式散熱器，包括核心散熱單元、第一密封端板和第二密 封端板；
[0012]所述核心散熱單元由於水平面上投影大小、形狀相同的n+1個碳導熱管帶和n個 金屬散熱片依次交叉層疊堆壓而成，使不同的碳導熱管帶間均由金屬散熱片間隔，其中n 為> I的正整數；碳導熱管帶由二個以上的碳導熱管於同一平面內平行排列而成；
[0013]碳導熱管帶水平放置，第一密封端板和第二密封端板均垂直設置，於密封端板的 內側壁面上設置有供流體流過的水平的凹槽；
[0014]當n為奇數時，所述第一密封端板的外側壁面上設置有供外部流體流入的流體入 口和供散熱器內部流體向外部流出的流體出口，
[0015]其內側壁面上從上至下開設有(n+3)/2個相互間隔的水平的凹槽，第一個凹槽與 流體入口相連、且與最上面一塊碳導熱管帶的一端相連通，最後一個凹槽與流體出口相連、 且與最下面一塊碳導熱管帶的一端相連通，第一個凹槽和最後一個凹槽間的凹槽依次分別 與從上至下計的偶數碳導熱管帶及比此偶數碳導熱管帶大I的奇數碳導熱管帶的一端相 連通；所述第二密封端板的內側壁面上開設有(n+l)/2個相互間隔的水平的凹槽，從上至 下計，凹槽依次分別與奇數碳導熱管帶及比此奇數碳導熱管帶大I的偶數碳導熱管帶的一 端相連通；
[0016]當n為偶數時，所述第一密封端板的外側壁面上設置有供外部流體流入的流體入 口，內側壁面上開設有(n+2)/2個水平的凹槽，第一個凹槽與流體入口相連、且與最上面 一塊碳導熱管帶的一端相連通，從上至下計，第二個凹槽至最後一個凹槽依次分別與偶數 碳導熱管帶及比此偶數碳導熱管帶大I的奇數碳導熱管帶的一端相連通；所述第二密封 端板的外側壁面上設置有供散熱器內部流體向外部流出的流體出口，內側壁面上開設有 (n+2)/2個水平的凹槽，從上至下計，第一個凹槽至倒數第二個凹槽依次分別與奇數碳導熱 管帶及比此奇數碳導熱管帶大I的偶數碳導熱管帶的一端相連通，最後一個凹槽與流體出 口相連、且與最下面一塊碳導熱管帶的一端相連通；
[0017]所述水平凹槽的水平方向的長度與碳導熱管帶的寬度相同，即與垂直碳導熱管的 碳導熱管帶的寬度相同；
[0018]所述第一密封端板和第二密封端板其內側分別通過密封膠與核心散熱單元的兩 端緊密接合，即所述n+1個碳導熱管帶通過第一和第二密封端板中的凹槽構成了一個可供 流體傳輸的完整的通道。
[0019]所述金屬散熱片為沿碳導熱管方向上下依次凸凹起伏，形成垂直於碳導熱管的氣 體通道，形成凹凸狀的波浪結構、鋸齒結構或異形凹凸結構。
[0020]所述碳導熱管帶，或者由m根完全相同的碳導熱管於同一水平面內依次並行排列而成，或者由兩片完全相同的具有對應凹槽結構的碳板相對壓合而成，或者由碳板材料一 次性模壓成型。
[0021]所述兩片完全相同的具有凹槽碳板相對壓合時，帶凹槽碳板的脊部，即壓合部位 刷塗有膠黏劑。
[0022]所述膠黏劑為有機矽膠或環氧樹脂。
[0023]所述碳導熱管帶上碳導熱管的孔的直徑為0.5-10mm ;或所述碳導熱管帶上碳導 熱管的孔的寬度和高度均為0.5-10mm。
[0024]所述金屬散熱片的材料為不鏽鋼、銅、鋁、鈦、鎳、或銅、鋁、鈦、鎳中二者或二者以 上的合金；所述金屬散熱片的厚度為0.1-lmm。
[0025]所述第一密封端板和第二密封端板的材料為聚碳酸酯(PC)、聚乙烯亞胺(PEI)、 或聚丙烯(PP)。
[0026]所述的基於碳導熱管的管帶式換熱器用於直接醇類燃料電池系統中，以改善系統 的水熱平衡。
[0027]由於碳材料構成的導熱管帶導熱係數高、傳質阻力低、質量輕、耐腐蝕；而摺疊金 屬散熱翅片可以採用很薄的金屬片衝壓成型，散熱面積大、機械強度高、易於批量生產。因 此，由碳導熱管帶和摺疊金屬散熱翅片層疊堆壓構成的核心散熱部件可以滿足直接醇類燃 料電池用換熱器換熱效率高、質量輕、製造容易等特點。同時，本發明所述換熱器端部採用 塑料加工的端部密封板密封連接，構成完整的「蛇形」流體流動通道，避免了管帶間的彎頭 連接，減小了散熱器體積。
[0028]本發明應用在燃料電池系統中時具有顯著的優點和積極的效果。由於燃料電池用 換熱器，其主要目的是排出燃料電池系統中的多餘熱量，將陰極排出物中的水蒸汽冷凝回 收，改善系統的水熱平衡。因此，其急需解決的問題是在保證換熱器的換熱效率足夠高，即 可以滿足系統水熱平衡要求的同時，儘量降低換熱器的重量和體積以提高整個燃料電池系 統的體積能量密度和重量能量密度。碳材料具有導熱係數高、質量輕、耐腐蝕、傳質阻力低 等特點，是適宜於換熱器用較好的換熱材料。然而，碳材料機械強度不足，不能單獨製成換 熱器。因此採用薄片金屬衝壓形成的翅片與碳導熱管帶層疊堆壓構成的換熱器不僅可以增 強其機械強度，同時可以增大其換熱面積，在保證換熱器換熱效率足夠高、質量足夠輕、耐 腐蝕性足夠強的同時增強了其機械強度。同時，本發明所述換熱器避免了管帶間的彎頭連 接，而直接採用塑料加工的端部密封板密封連接，構成完整的「蛇形」流體流動通道，減小了 換熱器的體積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1本發明所述管帶式散熱器整體結構圖；
[0030]圖2本發明所述管帶式散熱器分解結構圖；
[0031]圖3本發明所述管帶式散熱器正面剖面圖；
[0032]圖4本發明所述由兩片完全相同的具有對應凹槽結構的碳板相對壓合而成的碳 導熱管帶示意圖；
[0033]圖5本發明所述管帶式散熱器金屬翅片結構示意圖；
[0034]圖6本發明所述管帶式散熱器在直接液體燃料電池用的應用示意圖。[0035]圖中:1為核心散熱單元；2為第一密封端板；3為第二密封端板；4為流體入口；5 為流體出口 ；6為碳導熱管帶；7為金屬散熱翅片；8為第一密封端板中的凹槽；9為第二密 封端板中的凹槽；10為燃料電池電堆陽極；11為燃料電池電堆陰極；12為燃料電池系統氣 液分離器；13為燃料電池系統換熱器；14為風扇；15為燃料電池系統氣液分離器的純甲醇 入口 ；16為氧化劑空氣入口 ；17為碳導熱管中的用於流體流通的通道。
[0036]下面結合附圖對本發明的實施例做詳細的說明。
【具體實施方式】
[0037]傳統的管式換熱器一般由換熱管、增強換熱原件和輔助換熱裝置組成，其中增強 換熱元件包括換管外的鋁箔、翅片，換熱管內的螺紋結構、擾流芯子等，作用都是增強換熱。
[0038]本發明所述換熱器主要用作燃料電池系統中，以達到改善系統的水熱平衡的目 的。其實現方式是通過排出系統中的多餘熱量，將陰極排出物中的水蒸汽冷凝成液態水並 回收利用。通常情況下，陰極排出物中的水量並不是很多，但其中含有一定量的具有腐蝕性 的有機物質，如果採用傳統換熱器中的金屬管用於流通散熱流體，長期使用可能會因腐蝕 作用而導致水流不暢或者管道堵塞。因此，改變換熱管的材質是解決上述問題的有效途徑 之一。碳材料具有導熱係數高、質量輕、耐腐蝕、傳質阻力低等特點，是適宜於換熱器用較好 的換熱材料。然而，碳材料機械強度不足，不能單獨製成換熱器。因此採用薄片金屬衝壓形 成的翅片與碳導熱管帶層疊堆壓構成的換熱器不僅可以增強其機械強度，同時可以增大其 換熱面積，在保證換熱器換熱效率足夠高、質量足夠輕、耐腐蝕性足夠強的同時增強了其機 械強度，可以滿足燃料電池用換熱器核心散熱部件的要求。
[0039]圖1為本發明所述管帶式散熱器整體結構圖。從圖中可以看到，該基於碳導熱管 的管帶式散熱器，包括核心散熱單元1、第一密封端板2和第二密封端板3。其中，核心散熱 單元I由大小、形狀相同的10個碳導熱管帶6和9個不鏽鋼散熱片7依次交叉層疊堆壓而 成，使相鄰的碳導熱管帶6間均由厚度為0.3mm的不鏽鋼散熱片7間隔(圖3)。碳導熱管帶 6由兩片完全相同的具有10個大小相同凹槽結構的碳板相對壓合而成，壓合部位刷塗有有 機矽膠，形成19個平行的流體流通通道17 (圖4)，該流通通道17具有的孔的寬度和高度 均為0.8mm ;不鏽鋼散熱片7沿碳導熱管方向上下依次凸凹起伏,形成異形凹凸結構(圖5)。
[0040]如圖3所示核心散熱單元I水平放置，第一密封端板2和第二密封端板3均垂直 設置，於第一和第二密封端板2和3的內側壁面上設置有供流體流過的水平的凹槽8和9 ; 第一密封端板2的外側壁面上設置有供外部流體流入的流體入口 4和供散熱器內部流體向 外部流出的流體出口 5，其內側壁面上從上至下開設有6個相互間隔的水平的凹槽8，第一 個凹槽與流體入口 4相連、且與最上面一塊碳導熱管帶的一端相連通，最後一個凹槽與流 體出口 5相連、且與最下面一塊碳導熱管帶的一端相連通,第一個凹槽和最後一個凹槽間 的凹槽依次分別與從上至下計的偶數碳導熱管帶及比此偶數碳導熱管帶大I的奇數碳導 熱管帶的一端相連通；所述第二密封端板3的內側壁面上開設有5個相互間隔的水平的凹 槽9，從上至下計，凹槽依次分別與奇數碳導熱管帶及比此奇數碳導熱管帶大I的偶數碳導 熱管帶的一端相連通；水平凹槽的水平方向的長度與碳導熱管帶的寬度相同，即與垂直碳 導熱管的碳導熱管帶的寬度相同；
[0041]第一密封端板2和第二密封端板3其內側分別通過密封膠與核心散熱單元I的兩端緊密接合，即第I個至第10個碳導熱管帶依次通過第一和第二密封端板2和3中的凹槽 8和9構成了一個可供流體傳輸的完整的通道。
[0042]第一密封端板2和第二密封端板3的材料為聚碳酸酯。
[0043]如圖6所示該基於碳導熱管的管帶式換熱器用於直接醇類燃料電池系統中，以改 善系統的水熱平衡。上述換熱器用在燃料電池系統中時，將換熱器13第一密封端板的外側 壁面上的供外部流體流入的流體入口 4與燃料電池電堆的陰極16相連接。當燃料電池系 統運行時，燃料電池電堆陰極16的排出物通過系統中的連接管路進入換熱器13，同時在換 熱器外部設置有風扇14，碳導熱管帶6中的水蒸汽在風扇14的作用下冷凝為液態水，從第 一密封端板的外側壁面上的供換熱器內部流體向外部流出的流體出口 5流出換熱器13，進 入燃料電池集成系統中的下一個組成部件氣液分離器12。
[0044]以上所述的實施例只是為更好地闡明本發明而給出的較優選的【具體實施方式】，本 領域的技術人員在本方案範圍內進行的細節、步驟、材料、部件的變化和替換都應包含在本 發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種基於碳導熱管的管帶式散熱器，其特徵在於:包括核心散熱單元、第一密封端板和第二密封端板；所述核心散熱單元由於水平面上投影大小、形狀相同的n+1個碳導熱管帶和n個金屬散熱片依次交叉層疊堆壓而成，使不同的碳導熱管帶間均由金屬散熱片間隔，其中n為≥ 1 的正整數；碳導熱管帶由二個以上的碳導熱管道於同一平面內平行排列而成；碳導熱管帶水平放置，第一密封端板和第二密封端板均垂直設置，於密封端板的內側壁面上設置有供流體流過的水平的凹槽；當n為奇數時，所述第一密封端板的外側壁面上設置有供外部流體流入的流體入口和供散熱器內部流體向外部流出的流體出口，其內側壁面上從上至下開設有(n+3)/2個相互間隔的水平的凹槽，第一個凹槽與流體入口相連、且與最上面一塊碳導熱管帶的一端相連通，最後一個凹槽與流體出口相連、且與最下面一塊碳導熱管帶的一端相連通，第一個凹槽和最後一個凹槽間的凹槽依次分別與從上至下計的偶數碳導熱管帶及比此偶數碳導熱管帶大I的奇數碳導熱管帶的一端相連通； 所述第二密封端板的內側壁面上開設有(n+l)/2個相互間隔的水平的凹槽，從上至下計， 凹槽依次分別與奇數碳導熱管帶及比此奇數碳導熱管帶大I的偶數碳導熱管帶的一端相連通；當n為偶數時，所述第一密封端板的外側壁面上設置有供外部流體流入的流體入口， 內側壁面上開設有(n+2)/2個水平的凹槽，第一個凹槽與流體入口相連、且與最上面一塊碳導熱管帶的一端相連通，從上至下計，第二個凹槽至最後一個凹槽依次分別與偶數碳導熱管帶及比此偶數碳導熱管帶大I的奇數碳導熱管帶的一端相連通；所述第二密封端板的外側壁面上設置有供散熱器內部流體向外部流出的流體出口，內側壁面上開設有(n+2)/2 個水平的凹槽，從上至下計，第一個凹槽至倒數第二個凹槽依次分別與奇數碳導熱管帶及比此奇數碳導熱管帶大I的偶數碳導熱管帶的一端相連通，最後一個凹槽與流體出口相連、且與最下面一塊碳導熱管帶的一端相連通；所述水平凹槽的水平方向的長度與碳導熱管帶的寬度相同，即與垂直碳導熱管的碳導熱管帶的寬度相同；所述第一密封端板和第二密封端板其內側分別通過密封膠與核心散熱單元的兩端緊密接合，即所述n+1個碳導熱管帶通過第一和第二密封端板中的凹槽構成了一個可供流體傳輸的完整的通道。
2.如權利要求1所述的基於碳導熱管的管帶式散熱器，其特徵在於:所述金屬散熱片為沿碳導熱管方向上下依次凸凹起伏，形成垂直於碳導熱管的氣體通道，形成凹凸狀的波浪結構、鋸齒結構或異形凹凸結構。
3.如權利要求1所述基於碳導熱管的管帶式散熱器，其特徵在於:所述碳導熱管帶，或者由m根完全相同的碳導熱管於同一水平面內依次並行排列而成，其中m為>2的正整數， 或者由兩片完全相同的具有對應凹槽結構的碳板相對壓合而成，或者由碳板材料一次性模壓成型。
4.如權利要求3所述基於碳導熱管的管帶式散熱器，其特徵在於:所述兩片完全相同的具有凹槽碳板相對壓合時，帶凹槽碳板的脊部，即壓合部位刷塗有膠黏劑。
5.如權利要求4所述基於碳導熱管的管帶式散熱器，其特徵在於:所述膠黏劑為有機矽膠或環氧樹脂。
6.如權利要求2所述碳導熱管帶，其特徵在於:所述碳導熱管帶上碳導熱管的孔的直徑為0.5-10mm ;或所述碳導熱管帶上碳導熱管的孔的寬度和高度均為0.5_10mm。
7.如權利要求1或2所述的基於碳導熱管的管帶式散熱器，其特徵在於:所述金屬散熱片的材料為不鏽鋼、銅、鋁、鈦、鎳、或銅、鋁、鈦、鎳中二者或二者以上的合金；所述金屬散熱片的厚度為0.1-lmm。
8.如權利要求1所述的基於碳導熱管的管帶式散熱器，其特徵在於:所述第一密封端板和第二密封端板的材料為聚碳酸酯(PC)、聚乙烯亞胺(PEI)、或聚丙烯(PP)。
9.一種權利要求1 所述的基於碳導熱管的管帶式換熱器用於直接醇類燃料電池系統中，以改善系統的水熱平衡。
【文檔編號】F28F21/08GK103575125SQ201210261792
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年7月26日 優先權日:2012年7月26日
【發明者】孫公權, 陳利康, 孫海, 秦兵 申請人:中國科學院大連化學物理研究所