[发明专利]一种间壁式换热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种流动换热装置，具体涉及的是一种为提高换热性能而设计的具有构形树状结构流动通道网络所构成的结构紧凑的间壁式换热器。

背景技术

间壁式换热器是工程技术领域应用最广的换热器类型。在这类换热器中，冷、热两种流体由壁面间隔开来而分别位于壁面的两侧。提高间壁式换热器的结构紧凑程度是强化该型换热器的流动换热性能的一种主要途径。目前，缩小流动通道直径和采用螺纹、波纹等肋化表面是实现结构紧凑的常用方法。缩小流动通道直径可以使得在有限空间内布置更多的换热通道，也就是说，可以使得换热面积得到大幅度提搞，并且流体流动的传热系数也随着通道直径的减少而增加；通道采用螺纹、波纹等肋化表面设计是通过在流动换热区域内产生持续的局部扰动，提高了流体湍动能强度，实现了传热边界层的重新生成并增强了通道内冷热流体传热系数，提高了板翅式换热器的传热性能。但是这些方法，在提高流体流动换热性能的同时也带来了流动压降(即泵功消耗)的急剧增加。

随着换热器应用领域的不断拓宽，尤其是在航空、航天和微电子等领域，迫切需要对间壁式换热器结构进行优化设计，以达到结构紧凑、提高热有效性(换热量/泵功)和缩小占用空间的目的。受构形理论成功应用于解决流传递结构体内优化设计问题的思想启迪，本发明将间壁式换热器内的换热通道布置成构形树状特征的流动通道网络，以实现间壁式换热器的结构紧凑和高效换热。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有的间壁式换热器结构设计上存在的泵功消耗和传热能力不匹配、结构不紧凑和占用空间大问题，本发明提供了一种具有构形树状结构流动通道网络所构成的结构紧凑的间壁式换热器，该换热器能大大提高换热器的热有效性，实现高效换热和结构紧凑。

技术方案

为解决间壁式换热器设计上存在的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种结构紧凑的间壁式换热器，由高效导热基板加工制造而成，在所述的基板上表面内侧设置有上层流道，在所述的基板下表面内侧设置有下层流道，在所述的上层流道和下层流道之间设置有管束流道层，在所述的管束流道层内设置有连通所述的上层流道和下层流道的呈阵列布置的连通通道，其特征在于：所述的上/下层流道均采用构形树状结构的流动通道网络，所述的流道网络以平面方式铺展开来，流道网络至少含有2级，每级通道连接着分叉数N＝2的下一级通道，上下级流道之间的交叉角α为180度，且不同级流道的长度、直径大小按照一定比例关系生成。

所述的上/下层流道和呈阵列布置的连通通道内流动着同一种流体工质，该流体工质由所述的上/下层流道经过所述的连通通道到达所述的下/上层流道。所述的管束流道层内流动着与之进行热量交换的另一种流体工质，在所述的管束流道层内流体垂直冲刷呈阵列布置的连通通道。冷、热两种流体通过所述的管束流道层上下表面和呈阵列布置的连通通道壁进行热量交换。

所述的上/下层流道所采用构形树状结构的流动通道网络，以平面方式铺展开来。所述构形树状结构的流动通道网络至少含有2级，可根据需要选择3、4、5、6、7、8、9、10等等，每级流道连接着分叉数N＝2的下一级流道，上下级分叉连接流道之间的分叉角α为180度。所述的构形树状结构的流动通道网络的第0级流道为流体出/入口，所述的流动通道网络的末级流道由所述的呈阵列布置的连通通道贯通。所述的上下级分支流道的直径之比为N^-1/Δ，其中Δ为直径维数。已有的研究表明，对于管道内为层流流动，Δ＝3时流动阻力最少，而对于湍流流动Δ＝7/3时流动阻力最少。所述的上下级分支流道的长度之比为N^-1/d(d长度维数取大于1且小于等于2的实数)。

所述的管束流道层的上下表面可设置有肋片、螺纹和波纹等肋化表面，充分利用了所述高效导热基板上层的空间布置更多的换热面积，并且，该肋化换热表面也能有效提高流体流动换热的传热系数。