[發明專利]一種基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置及其應用

有效

• 申請號: 201711088821.5
• 申請日: 2017-11-08
• 公開（公告）號: CN109751903B
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 張勁松;高勇;田沖;楊振明;楊曉丹
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: F28D21/00
• 分類號: F28D21/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發明涉及熱量交換與熱量管理領域，具體為一種基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置及其應用。該微通道換熱裝置的主要功能區含有中空泡沫材料，該材料的結構在宏觀上由三維連通的支撐骨架網絡構建而成，支撐骨架自身為三維連通的具有中空結構的微通道。采用本發明所述的基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置，其主要功能區的宏觀三維連通開孔尺寸、三維連通的中空微通道內腔尺寸、微通道管壁厚度均可調控。該微通道換熱裝置的宏觀三維連通開孔網絡內進行高效的物質對流和熱量傳遞，中空微通道的管壁本體能夠將換熱過程中的冷熱兩相進行有效隔離，熱量跨過中空微通道管壁本體進行傳遞和交換，單位體積的換熱功能區具有較大的換熱面積。

技術領域

本發明涉及熱量交換與熱量管理領域，具體地說是一種基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置及其應用。

背景技術

換熱裝置是一種在不同溫度的兩種或兩種以上流體間實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到流程規定的指標，以滿足工藝條件的需要，同時也是提高能源利用率的主要設備之一。換熱裝置行業涉及暖通、壓力容器、中水處理設備，化工，石油等近30多種產業，相互形成產業鏈條。尤其是微通道換熱裝置，因其具有體積小、換熱系數大、換熱效率高、可節約材料降低成本、可持續發展等諸多優點，已受到國內外學術界和工業界的廣泛關注，在化學工業、石油化工、微電子工業、生物工程、環境工程、食品、發酵和制藥等領域具有重要的研究價值和應用前景。

目前，微通道換熱裝置的發展主要面臨著兩個需要改進的關鍵技術問題：(1)其核心換熱功能區的結構多采用微通道平行流管形式，高溫流體或者低溫流體在熱量交換過程中，流動狀態和換熱效率受到平行流管形式的限制而無法大范圍調控；(2)其核心換熱功能件主要是采用微機械加工方法制備而得，受加工制備方法限制，其構成材質多采用金屬類材料，致使換熱裝置在應用過程中不可避免地面臨金屬材料的化學腐蝕問題。因此，針對微通道換熱裝置的深入研究與推廣應用應主要圍繞如何解決上述兩個技術問題展開。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置及其應用，解決現有技術中有效換熱面積較低、耐腐蝕性差、制備工藝復雜等問題。

本發明的技術方案：

一種基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置，該微通道換熱裝置以具有致密管壁的中空泡沫材料為功能區域構成材料，由一個中空泡沫微換熱單元組件獨立構成，或由兩個以上或兩種以上結構的中空泡沫微換熱單元組件通過并聯或串聯方式進行模塊化組裝集成，每個微換熱單元組件由流體引接口、集流空腔、流體分流密封層、流體密封阻擋層、中空泡沫微換熱功能區構成；作為該微通道換熱裝置的功能區域構成材料的中空泡沫材料，其在宏觀上由支撐骨架(a)三維連通以形成開孔(b)網絡結構；其中，支撐骨架(a)本身具有尺寸可控的、中空的微通道(c)，該微通道(c)的橫斷面為近圓狀或橢圓狀，其中空微通道管壁將熱量交換過程中的高溫流體與低溫流體分隔開。

所述的基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置，采取不同構型的流體引接口、集流空腔、流體分流密封層、流體密封阻擋層、中空泡沫微換熱功能區，形成基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置的微換熱單元組件；微換熱單元組件中設置兩個以上集流空腔、流體分流密封層和流體密封阻擋層，集流空腔通過流體分流密封層和流體密封阻擋層形成，流體引接口分別與集流空腔相連通，相鄰集流空腔之間為中空泡沫微換熱功能區，中空泡沫微換熱功能區設置中空泡沫骨架，中空泡沫骨架之間為宏觀三維連通開孔網孔。

所述的基于中空泡沫材料的微通道換熱裝置，微換熱單元組件采用如下結構之一：

(1)微換熱單元組件為圓柱式的微換熱單元組件的結構設計，微換熱流體引接口采用管狀微換熱流體引接口，微換熱單元組件中設置一個圓底面式集流空腔和一個圓柱外側殼式集流空腔，另設置一個圓柱中心軸向微通道流體分流密封層和一個圓柱外側殼式微通道流體分流密封層，形成微通道流體徑向流動，宏觀網孔內流體軸向流動的圓柱式微換熱單元組件；