一种基于碳导热管的管带式换热器及其应用制造技术

本发明专利技术涉及基于碳导热管的管带式散热器，具体地说是管带式散热器及其在直接醇类燃料电池系统中的应用。本发明专利技术所述换热器由碳导热管带和折叠金属翅片层叠堆压而成的核心散热部件以及第一密封端板和第二密封端板构成。本发明专利技术与现有技术相比，有利于在环境湿度变化条件下维持燃料电池系统的水热平衡，换热器件换热效率高，体积小，重量轻，耐腐蚀，适用于需求高能量的应急电源、电子产品电源及动力电源。

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳导热管的管带式换热器及其应用
本专利技术涉及管带式换热器，具体地说是基于碳导热管的管带式换热器及其在直接 醇类燃料电池系统中的应用，其主要是用于冷凝直接醇类燃料电池系统排出物中的水蒸 汽，回收并循环使用冷凝下来的液态水，排出系统的多余热量，维持系统的水热平衡。
技术介绍
直接醇类燃料电池是将醇类燃料中的化学能直接转化为电能的一种化学反应装 置。由于醇类燃料的比能量高，燃料电池系统结构简单等优点，该类电池在便携式移动电源 领域具有广阔的应用前景。在直接醇类燃料电池系统运行过程中，一方面，由于电极反应产生大量的热，所以 需要对系统进行排热处理以避免因系统过热导致的电池性能降低；另一方面，为维持系统 的水平衡，需要对电堆阴极的排出物进行冷凝并回收其中的液态水。因此，在直接醇类燃料 电池的系统中，常常使用换热器来解决上述问题以维持整个燃料电池系统的水热平衡。然 而，作为便携式移动电源，直接醇类燃料电池系统应具有体积小、重量轻等特点，这就对直 接醇类燃料电池系统用换热器提出了高效、轻质的要求。目前，应用于直接醇类燃料电池系统的换热器通常有板式换热器和管式换热器及 管带式换热器三种。板式换热器通常是由不锈钢钢片层叠堆积而成，当其应用在直接醇类 燃料电池系统中时，阴极流出物和冷却空气分别通过不锈钢钢片的两侧，通过不锈钢钢片 交换热量。该种换热器不易于与冷却风扇集成为一体，需要额外的流量整形空间，从而导致 体积增大。管式换热器通常是将不锈钢管弯曲成蛇形，但是由于易产生压力降，所以钢管的 长度受限，换热器换热效率较低。管带式换热器以其重量轻、体积小、传热性能好和装配方 便等优点，在国内外汽车内燃机、特别是汽车空调器等领域应用广泛。然而，从目前的应用 情况来看，管带式换热器中管的材质通常为铝或铜或铝合金或铜合金，然而上述材料长期 应用于醇类燃料电池系统换热器中时，会因腐蚀而导致传质传热能力下降。中国专利技术专利200710037491.7公开了一种管束带式换热器，包括翅片、管束带和 带孔套片，其中管束带由一根圆管或者数根并排圆管构成，管束带的两头伸入带孔套片中， 管束带弯成蛇形，在蛇形管带之间放入翅片，翅片通过焊接与管束带固定。其中，管束带由 金属制成，仍不能满足直接醇类燃料电池换热器抗腐蚀及质量轻的要求，同时，管束带弯成 蛇形也使得换热器体积增大，从而无法满足直接醇类燃料电池换热器体积小的需求。中国技术专利201020216063.8公开了一种箱体式多管层换热器，尽管该换 热器解决了常规换热器结构复杂的问题，同时也避免了换热器常规采用的U型弯管结构， 但该换热器由于体积大、散热面积不足等问题仍不能满足直接醇类燃料电池系统的需求。美国专利US005704415披露了一种采用铝合金管的管带式换热器，尽管该换热器 避免了 U管的连接方式，且换热效果较好，但其重量体积仍无法达到直接醇类燃料电池系 统的需求。综合来看，目前针对燃料电池系统水热平衡问题而采用的换热器换热效率不高，体积较大，重量较重，难于与辅助冷却部件集成等问题仍然是阻碍直接醇类燃料电池系统 能量密度提高的主要障碍之一。
技术实现思路
本专利技术针对以上现有技术的不足，提供一种用于燃料电池系统，特别是直接醇类 (甲醇、乙醇、乙二醇等)燃料电池系统的管带式换热器。为实现上述目的，本专利技术提供一种管带式换热器。一种基于碳导热管的管带式散热器，包括核心散热单元、第一密封端板和第二密 封端板；所述核心散热单元由于水平面上投影大小、形状相同的n+1个碳导热管带和n个 金属散热片依次交叉层叠堆压而成，使不同的碳导热管带间均由金属散热片间隔，其中n 为> I的正整数；碳导热管带由二个以上的碳导热管于同一平面内平行排列而成；碳导热管带水平放置，第一密封端板和第二密封端板均垂直设置，于密封端板的 内侧壁面上设置有供流体流过的水平的凹槽；当n为奇数时，所述第一密封端板的外侧壁面上设置有供外部流体流入的流体入 口和供散热器内部流体向外部流出的流体出口，其内侧壁面上从上至下开设有(n+3)/2个相互间隔的水平的凹槽，第一个凹槽与 流体入口相连、且与最上面一块碳导热管带的一端相连通，最后一个凹槽与流体出口相连、 且与最下面一块碳导热管带的一端相连通，第一个凹槽和最后一个凹槽间的凹槽依次分别 与从上至下计的偶数碳导热管带及比此偶数碳导热管带大I的奇数碳导热管带的一端相 连通；所述第二密封端板的内侧壁面上开设有(n+l)/2个相互间隔的水平的凹槽，从上至 下计，凹槽依次分别与奇数碳导热管带及比此奇数碳导热管带大I的偶数碳导热管带的一 端相连通；当n为偶数时，所述第一密封端板的外侧壁面上设置有供外部流体流入的流体入 口，内侧壁面上开设有(n+2)/2个水平的凹槽，第一个凹槽与流体入口相连、且与最上面 一块碳导热管带的一端相连通，从上至下计，第二个凹槽至最后一个凹槽依次分别与偶数 碳导热管带及比此偶数碳导热管带大I的奇数碳导热管带的一端相连通；所述第二密封 端板的外侧壁面上设置有供散热器内部流体向外部流出的流体出口，内侧壁面上开设有 (n+2)/2个水平的凹槽，从上至下计，第一个凹槽至倒数第二个凹槽依次分别与奇数碳导热 管带及比此奇数碳导热管带大I的偶数碳导热管带的一端相连通，最后一个凹槽与流体出 口相连、且与最下面一块碳导热管带的一端相连通；所述水平凹槽的水平方向的长度与碳导热管带的宽度相同，即与垂直碳导热管的 碳导热管带的宽度相同；所述第一密封端板和第二密封端板其内侧分别通过密封胶与核心散热单元的两 端紧密接合，即所述n+1个碳导热管带通过第一和第二密封端板中的凹槽构成了一个可供 流体传输的完整的通道。所述金属散热片为沿碳导热管方向上下依次凸凹起伏，形成垂直于碳导热管的气 体通道，形成凹凸状的波浪结构、锯齿结构或异形凹凸结构。所述碳导热管带，或者由m根完全相同的碳导热管于同一水平面内依次并行排列而成，或者由两片完全相同的具有对应凹槽结构的碳板相对压合而成，或者由碳板材料一 次性模压成型。所述两片完全相同的具有凹槽碳板相对压合时，带凹槽碳板的脊部，即压合部位 刷涂有胶黏剂。所述胶黏剂为有机硅胶或环氧树脂。所述碳导热管带上碳导热管的孔的直径为0.5-10mm ;或所述碳导热管带上碳导 热管的孔的宽度和高度均为0.5-10mm。所述金属散热片的材料为不锈钢、铜、铝、钛、镍、或铜、铝、钛、镍中二者或二者以 上的合金；所述金属散热片的厚度为0.1-lmm。所述第一密封端板和第二密封端板的材料为聚碳酸酯(PC)、聚乙烯亚胺(PEI)、 或聚丙烯(PP)。所述的基于碳导热管的管带式换热器用于直接醇类燃料电池系统中，以改善系统 的水热平衡。由于碳材料构成的导热管带导热系数高、传质阻力低、质量轻、耐腐蚀；而折叠金 属散热翅片可以采用很薄的金属片冲压成型，散热面积大、机械强度高、易于批量生产。因 此，由碳导热管带和折叠金属散热翅片层叠堆压构成的核心散热部件可以满足直接醇类燃 料电池用换热器换热效率高、质量轻、制造容易等特点。同时，本专利技术所述换热器端部采用 塑料加工的端部密封板密封连接，构成完整的“蛇形”流体流动通道，避免了管带间的弯头 连接，减小了散热器体积。本专利技术应用在燃料电池系统中时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于碳导热管的管带式散热器，其特征在于：包括核心散热单元、第一密封端板和第二密封端板；所述核心散热单元由于水平面上投影大小、形状相同的n+1个碳导热管带和n个金属散热片依次交叉层叠堆压而成，使不同的碳导热管带间均由金属散热片间隔，其中n为≥1的正整数；碳导热管带由二个以上的碳导热管道于同一平面内平行排列而成；碳导热管带水平放置，第一密封端板和第二密封端板均垂直设置，于密封端板的内侧壁面上设置有供流体流过的水平的凹槽；当n为奇数时，所述第一密封端板的外侧壁面上设置有供外部流体流入的流体入口和供散热器内部流体向外部流出的流体出口，其内侧壁面上从上至下开设有(n+3)/2个相互间隔的水平的凹槽，第一个凹槽与流体入口相连、且与最上面一块碳导热管带的一端相连通，最后一个凹槽与流体出口相连、且与最下面一块碳导热管带的一端相连通，第一个凹槽和最后一个凹槽间的凹槽依次分别与从上至下计的偶数碳导热管带及比此偶数碳导热管带大1的奇数碳导热管带的一端相连通；所述第二密封端板的内侧壁面上开设有(n+1)/2个相互间隔的水平的凹槽，从上至下计，凹槽依次分别与奇数碳导热管带及比此奇数碳导热管带大1的偶数碳导热管带的一端相连通；当n为偶数时，所述第一密封端板的外侧壁面上设置有供外部流体流入的流体入口，内侧壁面上开设有(n+2)/2个水平的凹槽，第一个凹槽与流体入口相连、且与最上面一块碳导热管带的一端相连通，从上至下计，第二个凹槽至最后一个凹槽依次分别与偶数碳导热管带及比此偶数碳导热管带大1的奇数碳导热管带的一端相连通；所述第二密封端板的外侧壁面上设置有供散热器内部流体向外部流出的流体出口，内侧壁面上开设有(n+2)/2个水平的凹槽，从上至下计，第一个凹槽至倒数第二个凹槽依次分别与奇数碳导热管带及比此奇数碳导热管带大1的偶数碳导热管带的一端相连通，最后一个凹槽与流体出口相连、且与最下面一块碳导热管带的一端相连通；所述水平凹槽的水平方向的长度与碳导热管带的宽度相同，即与垂直碳导热管的碳导热管带的宽度相同；所述第一密封端板和第二密封端板其内侧分别通过密封胶与核心散热单元的两端紧密接合，即所述n+1个碳导热管带通过第一和第二密封端板中的凹槽构成了一个可供流体传输的完整的通道。...

【技术特征摘要】
1.一种基于碳导热管的管带式散热器，其特征在于:包括核心散热单元、第一密封端板和第二密封端板；所述核心散热单元由于水平面上投影大小、形状相同的n+1个碳导热管带和n个金属散热片依次交叉层叠堆压而成，使不同的碳导热管带间均由金属散热片间隔，其中n为≥ 1 的正整数；碳导热管带由二个以上的碳导热管道于同一平面内平行排列而成；碳导热管带水平放置，第一密封端板和第二密封端板均垂直设置，于密封端板的内侧壁面上设置有供流体流过的水平的凹槽；当n为奇数时，所述第一密封端板的外侧壁面上设置有供外部流体流入的流体入口和供散热器内部流体向外部流出的流体出口，其内侧壁面上从上至下开设有(n+3)/2个相互间隔的水平的凹槽，第一个凹槽与流体入口相连、且与最上面一块碳导热管带的一端相连通，最后一个凹槽与流体出口相连、且与最下面一块碳导热管带的一端相连通，第一个凹槽和最后一个凹槽间的凹槽依次分别与从上至下计的偶数碳导热管带及比此偶数碳导热管带大I的奇数碳导热管带的一端相连通； 所述第二密封端板的内侧壁面上开设有(n+l)/2个相互间隔的水平的凹槽，从上至下计， 凹槽依次分别与奇数碳导热管带及比此奇数碳导热管带大I的偶数碳导热管带的一端相连通；当n为偶数时，所述第一密封端板的外侧壁面上设置有供外部流体流入的流体入口， 内侧壁面上开设有(n+2)/2个水平的凹槽，第一个凹槽与流体入口相连、且与最上面一块碳导热管带的一端相连通，从上至下计，第二个凹槽至最后一个凹槽依次分别与偶数碳导热管带及比此偶数碳导热管带大I的奇数碳导热管带的一端相连通；所述第二密封端板的外侧壁面上设置有供散热器内部流体向外部流出的流体出口，内侧壁面上开设有(n+2)/2 个水平的凹槽，从上至下计，第一个凹槽至倒数第二个凹槽依次分别与奇数碳导热管带及比此奇数碳导热管带大I的偶数碳导热管带的一端相连通，最后一个凹槽与流体出口相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙公权，陈利康，孙海，秦兵，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：