技术领域
[0001] 本公开主要涉及
热交换器，更具体地，涉及用于与流体进行热交换的紧凑型热交换器。
背景技术
[0002] 热交换器用于在热源和流体之间传递热量。例如，热源可以是另一种流体或者电气或机械装置。流体(特别是气态流体)的相对差的导热性需要具有横向于流动方向的大表面积和小通道尺寸的热交换结构。如果每单位体积的热传递面积大于约400m2/m3，则热交换器被归类为紧凑型热交换器，如果每单位体积的热传递面积大于约10000m2/m3，则热交换器被归类为超紧凑型热交换器。交换器内的热交换也受到耗散损失，例如振荡气流的粘性耗散和弛豫损失，这在选择热交换器几何形状时需要考虑。
[0003] 紧凑和超紧凑型热交换器对于许多应用仍然需要。特别是，仍然需要适用于热声或
斯特林循环(Stirling cycle)换能器的热交换器。
发明内容
[0004] 根据一个公开的方面，提供了一种用于与流体进行热交换的装置。该装置包括具有相对的第一和第二表面的热交换器，和多个流动通道，所述流动通道允许流体在基本轴向方向上在第一和第二表面之间流动，轴向方向垂直于第一和第二表面。该装置还包括
歧管，该歧管具有与热交换器的第一表面热
接触的界面表面。所述歧管包括导热体，该导热体可操作以在界面表面和位于远侧的热传递表面之间沿与轴向方向大致对齐的热流方向传导热量，热传递表面是流体不可渗透的。该装置还包括多个馈送通道，所述馈送通道相对于轴向方向在大致横向方向上延伸穿过导热体，每个馈送通道具有用于接收或排出流体的入口。该装置还包括多个分配通道，每个分配通道具有与所述多个馈送通道的至少一个流体连通的一端并且在所述界面表面处具有开口，所述多个分配通道的各自的开口分布在所述界面表面上，所述分配通道可配置为使得流体流动方向在所述馈送通道中的横向流和所述分配通道的所述开口处轴向流之间变化。
[0005] 所述热交换器可以包括超紧凑型热交换器材料。
[0006] 所述热交换器可以具有大于约10000m2/m3的每单位体积的热传递面积。
[0007] 所述热交换器材料可以包括高导热率流体可渗透材料，包括
烧结粉末、金属线毡、金属
泡沫、陶瓷泡沫、编织筛网以及贴合的多个
图案化的箔片中的至少一种。
[0008] 所述热交换器材料可以包括多个植绒
纤维。
[0009] 所述多个植绒纤维可以被定向在与所述轴向方向大致对齐的方向。
[0010] 所述纤维可以包括
碳纤维和
铜纤维中的至少一种。
[0011] 所述热交换器可以包括被选择用于提供柔性的第二表面的热交换器材料，所述柔性的第二表面可操作以促进第二表面和外部的流体流动元件之间进行耦合的热接触。
[0012] 所述热交换器的相对的第一和第二表面可以间隔开小于约2mm。
[0013] 所述馈送通道的每个可以具有沿着所述馈送通道的横向长度不同的横截面积以使得大致均匀馈送到所述分配通道并且大致均匀流动通过所述界面表面处的所述开口。
[0014] 在所述多个馈送通道中馈送通道的横截面面积在馈送通道之间可以不同以使得大致均匀馈送到所述分配通道并且大致均匀流动通过所述界面表面处的所述开口。
[0015] 每个馈送通道沿着所述馈送通道的横向长度可以具有流体连通的多个分配通道。
[0016] 所述多个分配通道在相对于所述馈送通道的侧向方向上可以延伸进入所述导热体。
[0017] 所述多个分配通道的侧向宽度可以在所述馈送通道上方增加，并且相邻
定位的所述分配通道可以在所述界面表面下方合并，使得各开口形成跨越所述界面表面的格栅图案。
[0018] 所述分配通道可以沿着所述馈送通道在所述侧向方向上比横向方向上具有更大的宽度。
[0019] 所述歧管可以还包括外围地设置在所述歧管的一侧用于接收或排出来自所述歧管的流体的端口，并且至少一些所述馈送通道的入口可以是喇叭状朝向所述端口，以在所述端口和所述馈送通道之间平稳地引导流体。
[0020] 所述歧管还包括外围地设置在所述歧管的一侧用于接收或排出来自所述歧管的流体的端口，并且所述馈送通道的相应入口各自具有尺寸设定为使得流体在所述多个馈送通道之间均匀分布的入口横截面积。
[0021] 所述多个馈送通道的相应入口可以围绕所述歧管的周边的至少一部分而设置，并且可以还包括与所述相应入口流体流通的一个或多个端口，所述一个或多个端口可操作以接收或排出来自所述歧管的流体。
[0022] 所述热交换器的第二表面可以用作接收或者排出来自所述热交换器的流体的其他端口。
[0023] 所述分配通道可以配置为通过下述中的至少一个在所述界面表面处传递大致均匀分布的流体流：在所述界面上提供足够多数量的分配通道和设定相应分配通道的尺寸以使得大致均匀的流动通过所述多个分配通道中的每一个。
[0024] 所述开口可以在所述界面上规则地间隔开。
[0025] 包括所述多个分配通道的所述歧管的至少一部分可以由多个堆叠并贴合的导热材料层制造，所述多个层中的每个层被图案化以限定相应通道的各部分。
[0026] 可以通过使用3D
打印机沉积导热材料来制造所述歧管的至少一部分，所述歧管包括多个分配通道。
[0027] 所述导热体可以由主体的未被所述多个馈送通道和所述多个分配通道占据的部分来限定，并且所述导热体占所述歧管的横截面面积的至少30％。
[0028] 所述导热体可以被配置成承受由于跨越不可渗透的热传递表面的操作压
力差引起的力。
[0029] 所述流体流可以经历方向的周期性改变。
[0030] 与所述方向的周期性改变相关联的
频率可以大于约250Hz。
[0031] 所述装置可用于斯特林循环换能器、热
声换能器、用于冷却机械装置的冷却器以及用于冷却
电路元件的冷却器中的一个。
[0032] 根据本公开的另一方面，一种用于在第一流体和第二流体之间传递热的系统包括如上文所限定的第一装置，其配置为与所述第一流体交换热量，以及如上文所限定的第二装置，其配置为与所述第二流体交换热量，并且所述第一装置的热传递表面可设置成与所述第二装置的热传递表面热接触。
[0033] 根据本公开的另一方面，提供了一种系统，其包括如上所述的第一热交换器；以及热再生器，其设置成与所述第一热交换器的第二表面热接触。
[0034] 所述热再生器可以包括第一和第二界面，所述第一界面与所述第一热交换器的第二表面热接触，并且所述系统可还包括如上所述的第二热交换器，所述第二热交换器具有被设置成与所述热再生器的第二界面热接触的相应第二表面。
[0035] 通过结合
附图阅读具体公开的
实施例的以下描述，其他方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
[0036] 在说明所公开实施例的附图中，
[0037] 图1是根据第一公开的实施例的与流体进行热交换的装置的立体图；
[0038] 图2是图1中示出的装置的横截面图；
[0039] 图3是图1中示出的装置的馈送部分的局部剖切立体图；
[0040] 图4是沿着图1和图3示出的弯曲的横截面线4-4截取的图1的装置的横截面图；
[0041] 图5是图1中示出的装置的另一实施例的横截面图；
[0042] 图6是制造1中示出的装置的馈送部分所用箔层的平面图
[0043] 图7是与流体进行热交换的装置的另一实施例的立体图。
具体实施方式
[0044] 参照图1，总体上以100示出根据第一公开的实施例的用于与流体进行热交换的装置。流体可以是气体或液体。装置100包括具有相对的第一和第二表面104和106的热交换器102。热交换器102包括允许流体在在第一和第二表面104和106之间在基本轴向方向上流动的多个流动通道。轴向方向由垂直于第一和第二表面104和106的轴线108表示。装置100还包括歧管110，歧管110具有与热交换器的第一表面104热接触的界面表面112。在图1中，热交换器102局部剖切而示出以露出第一表面104下方的界面表面112。
[0045] 歧管110包括导热体114，导热体114可操作以在界面表面112和位于远侧的热传递表面116之间沿与轴向方向108大致对齐的热流方向传导热量。热传递表面116位于歧管110的下侧上并且是流体不可渗透的。歧管110还包括多个馈送通道118，所述馈送通道118在相对于轴向方向108的大致横向方向上延伸穿过导热体114。每个馈送通道118包括用于接收或排出流体的相应入口120。
[0046] 歧管110还包括多个分配通道122。每个分配通道122具有与至少一个馈送通道118进行流体连通的一端。多个分配通道122具有分布在界面表面112上的相应开口124。歧管110在图2中以横截面示出，其中热交换器102的一部分被移除以露出界面表面112。参考图
2，在所示的实施例中，歧管具有馈送部分140和分配部分142。分配通道122具有横向延伸通过馈送部分140进入馈送通道118的部分130和向上延伸通过馈送通道118和相应开口124之间的分配部分142的部分132。馈送通道118和多个分配通道122可操作以引导流体经由表面
112上的开口124流入热交换器102或从热交换器102流出。在操作中，分配通道122配置成使得流体流动方向在馈送通道118中的横向流动和分配通道122的开口124处的轴向流动之间发生变化。流体在流过装置100时可以经历周期性的方向变化，并且在一个实施例中，关于周期性方向变化的频率可以大于约250Hz。在其他实施例中，流过装置100的流体可以在馈送通道118的入口120处被接收并且从热交换器102的第二表面106排出，或者可以在所述第二表面处被接收并且通过所述馈送通道的入口排出。
[0047] 热交换器
[0048] 热交换器102由具有高导热率的可渗透材料制成。在图2所示的实施例中，热交换器材料包括多个纤维134，这些纤维134沿与轴线108大致对齐的方向定向。纤维134可以是铜纤维或
碳纤维。
[0049] 在一个实施例中，多个初始离散纤维134可以电植绒到(electro-flocked onto)界面表面112上。在电植绒中，界面表面112涂有导电膏，并且歧管110放置在植绒室中并电接地。托盘中的离散纤维134通过与轴线108对齐的
电场而带电，使得纤维134飞过腔室并嵌入界面表面112上的导电膏中。然后将歧管110在烘箱中加热以完成纤维和导电膏之间的粘合。电植绒在界面表面112上产生
密度大致均匀但是随机的纤维分布，其中纤维相对于轴线108具有变化的
角度，同时在轴线的方向上大致是对齐的。碳纤维或铜纤维的电植绒可用于生产超紧凑型热交换器102，其每单位体积的热传递面积大于约10000m2/m3。在植绒纤维材料的纤维之间产生的间隙空间提供了多个流动通道，从而允许流体在第一和第二表面104和106之间在轴线108的方向上流动。
[0050] 特别是气态流体具有相对较差的
导电性，因此在热交换器102内需要大的热交换表面积和小的流体通道。通
过热交换器102的通道的流动和热交换特性可以用液压半径rh来表征：
[0051]
[0052] 其中：
[0053] A是通道的横截面流动面积；以及
[0054] P是通道的湿周长。
[0055] 较小的液压半径rh与改善的热交换相关联，然而真实气体也具有非零
粘度并因此遭受粘性耗散，该粘性耗散随着rh的减小而增加。此外，振荡流体流还具有与相当的
温度振荡相关联的压力振荡，从而引起热弛豫损失，这可能也是
能量耗散的来源。
[0056] 对于振荡气体流，热交换器102的通道中的气体与限定通道的热交换表面之间的热相互作用取决于气体与热交换表面之间相对于热特征长度δk的距离，热特征长度δk由下式给出：
[0057]
[0058] 其中，k是气体导热率，ρ是气体密度，cp是气体
热容量。因此特征长度δk随着操作频率(ω)的增加和密度的增加而减小。
[0059]
比热特征长度δk更接近热交换表面的气体部分可以容易地与所述表面热交换，并因此保持等温。比热特征长度δk更远离热交换表面的气体部分不与所述表面热交换，并因此经历绝热温度振荡。这些等温和绝热的气体部分不具有任何相关的热弛豫损失，因为对于等温气体部分，气体和热交换表面之间的温差为零，而对于绝热气体部分，热流为零。然而，对于远离热交换表面大约δk并且δk厚的剩余气体层，存在部分热交换。由于对于该剩余气体部分，热流和温度均不为零，因此有熵产生并因此产生损耗，更具体地说是热弛豫损失。
[0060] 对于热声换能器或斯特林循环换能器，
发明人已经发现，当通过热交换器102的流体流动通道的液压半径rh近似等于气体热特征长度δk时，可以获得最佳性能，即：
[0061] rh≈δk， 等式3
[0062] 考虑到将热量传导到工作气体中或从工作气体中传导出需要大的表面积，如果通道的液压半径rh远大于δk，则弛豫损失将是令人望而却步的。然而，如果交换器液压半径rh远小于δk，则粘性损失将是令人望而却步的。对于具有氦工作气体并且在500Hz频率、120巴的工作气体压力、300°K冷侧温度、1000°K热侧温度下操作的热声换能器，对于冷式热交换器而言热特征长度δk约为30μm，对于热式热交换器而言热特征长度δk约为85μm。已发现使用23μm直径的铜纤维或10μm直径的碳纤维的植绒纤维14的热交换器产生具有在该δk值范围内的液压半径的热交换器102。在一个实施例中，纤维134可以具有约0.5mm至2mm之间的长度，并且热交换器102的相对的第一和第二表面104和106然后将间隔开大约相同的尺寸。
[0063] 在一些实施例中，可能希望第二表面106是柔性的，以便促进在第二表面和外部流体流动元件(未示出)之间进行耦合的热接触。例如，在热声换能器中，第二表面106可以放置成与热再生器接触，并且当与再生器堆叠在一起时，纤维134
变形的能力在某种程度上显著简化了组装并确保了足够的热接触。因此，纤维134具有在需要时提供柔性的第二表面106的优点。
[0064] 在其他实施例中，诸如烧结粉末、金属线毡、
金属泡沫、陶瓷泡沫、编织筛网或贴合的多个图案化箔片等高导热率流体可渗透材料可用于制造热交换器102。例如，具有9.6％填充的20μm直径金属线的烧结铜毡可商购获得并提供可接受的液压半径rh。烧结铜毡不是非常柔性并且金属线通常不与轴线对齐，但是这种材料可以用在某些应用中。或者，可以化学蚀刻多个薄铜箔片以在每个箔片中产生开口。然后可以堆叠和贴合箔片，使得这些开口对齐以提供穿过堆叠的箔片的通道。目前对化学蚀刻的限制将要求箔的厚度处于与通道尺寸相同的范围内(例如，50μm)，因此需要堆叠和贴合相对大量的薄箔片以构成热交换器102。
[0065] 有利地，装置100中的热流通过该装置的较短(即轴向)尺寸，其利用在该方向上的较大的横截面积和较短距离以最小化由于热通量和材料的有限导热性引起的温度下降。
[0066] 馈送通道
[0067] 在图3中示出的歧管110中，分配通道122(图1中示出)的部分132被
切除以露出多个馈送通道118。馈送通道118的入口120位于歧管110的一侧，并且馈送通道延伸到导热体114中并且朝向它们各自的端部在宽度上减小，以提供均匀流体分布和使流体以均匀流速流至多个分配通道122并因此通过界面表面112处的开口124。因此，在该实施例中，馈送通道118具有沿馈送通道的横向方向长度变化的横截面积。在一些实施例中，馈送通道118的横截面积也可以在相邻的馈送通道之间变化，以使得大致均匀的进料到分配通道122和大致均匀的流经在界面表面112处的开口124。每个馈送通道118具有沿馈送通道横向方向长度的流体连通的多个分配通道122，并且分配通道在相对于馈送通道的横向方向上延伸到歧管110的导热体114中。
[0068] 导热体114由歧管的剩余部分限定，所述剩余部分为未被馈送通道118和分配通道122占据的部分(即图2中所示的横截面中的斜线区域(hatched areas))。在一个实施例中，导热体的导热部分可包括歧管110的横截面积的至少约30％。导热体114还可以配置成承受由于不可渗透的热传递表面116上的操作压力差引起的力。当流体处于高压时，装置100具有另外的优点，所述优点在于，歧管110具有在大致横向方向上延伸到导热体114中的馈送通道118，留下显著的用于传递热量和用于结构
支撑的部分。
[0069] 所示出的歧管110的实施例配置成由流体端口150馈送。流体端口150周向地设置在歧管110的一侧的
外壳152上，并接收流体流153，流体流153被引导到相应的馈送通道118的入口120。流体端口150可以是喇叭形以确保流体大致均匀地馈送到多个馈送通道118。馈送通道的入口120包括喇叭形区域154，用于在端口150和馈送通道118之间平稳地引导流体流153。沿着每个馈送通道118的流体流分离而进入分配通道122并且从大致横向定向的流改变方向成为多个轴向定向的流，如图3所示。馈送通道的每个入口120具有尺寸设计成使得流体在多个馈送通道118之间大致均匀分布的入口横截面积。
[0070] 在图3所示的实施例中，馈送通道118的入口120围绕歧管110的周边的一部分而设置，而歧管的另一周边部分156不具有任何开口。因此，歧管110配置成接收或排出来自远离周边部分156的一侧而设置的流体端口150的流体。热交换器的第二表面106用作另外的端口，用于接收或排出来自热交换器的流体。在其他实施例中，装置100可以包括另外的外壳和流体端口(未示出)，用于引导流体流入或流出热交换器102的第二表面106。
[0071] 在其他实施例中，流过装置100的流体可以在馈送通道118的入口120处被接收并且从热交换器102的第二表面106排出，或者可以在第二表面处被接收并且通过馈送通道的入口排出。
[0072] 参考图4，多个分配通道122的一部分以沿图3中的弯曲截面线4-4截取的横截面示出。在该实施例中，分配通道122具有邻近于馈送通道118的部分180和与多个分配通道部分180流体连通的合并部分182。因此，分配通道122的横向宽度在馈送通道118上方增加，并且界面表面112下方的分配通道部分180合并到公共部分182中，该公共部分182在界面表面
112处提供开口124中的一个。如图1中最好地示出的，与多个分配通道122相关联的开口124形成横跨界面表面112延伸的格栅图案。在该实施例中，由于馈送通道118在歧管110上向内定向，开口124和其下面的分配通道122是弯曲的，如图所示。足够大量的开口124分布在界面表面112上，以提供到达或来自界面表面112的大致均匀的流体通量。多个分配通道122的尺寸也可以设计成使得通过分配通道的流体大致均匀。分配通道122沿着馈送通道在侧向方向上的宽度也大于横向方向上的宽度，因此开口124是窄的。对于纤维热交换器102，分配通道122需要足够窄，使得纤维可以用纤维冠层(canopy of fibers)
覆盖开口124。还希望保持界面表面112的面积尽可能大以用于纤维附着，以便不降低纤维密度，这是使用窄分布通道122的另一个优点。
[0073] 参照图5，在一个替代实施例中，分配通道122可具有壁200和202，壁200和202从馈送通道118的下端向外到开口逐渐变细。在所示的实施例中，邻近馈送通道118的分配通道的一部分204的壁200在朝向开口124延伸的部分206处具有比壁202更平缓的锥度。
[0074] 有利地，歧管内的馈送通道118和分配通道122的配置表示热传递和流体流之间的实际折衷，该配置将流体流分配到热交换器的第二表面104的基本整个区域，从而提供均匀的通过热交换器的流体流。其他流体流布置，诸如横向馈送流体流经热交换器102，导致均匀性大大降低的流体分布。
[0075] 歧管110具有复杂结构的馈送通道118和分配通道122，并且可能难以使用传统的机械技术制造。参照图6，在一个实施例中，可以化学蚀刻薄箔层260以图案化箔层从而限定多个分配通道122和多个馈送通道118。箔层260可以是诸如铜的导热材料，并且在一个实施例中，可以是约250μm厚。然后可以堆叠并扩散贴合多个薄箔层260以构建歧管110的馈送部分140(如图2所示)。在实践中，多个箔层260可以在薄铜片上制造，然后分离和堆叠以形成馈送部分140的期望的总厚度。歧管110的分配部分142可以以与馈送部分140类似的方式制造。在其他实施例中，可以使用
3D打印机通过沉积导热材料(例如铜粉)来制造歧管。
[0076] 在热交换器102包括植绒的多个纤维134的情况下，可以在界面表面112上施加导电膏涂层而不填充开口124。然后可以在将装置100在
真空炉中烧制之前将纤维134直接电植绒到导电膏中以将纤维的根部固定到界面表面112。该操作产生纤维根部到界面表面112的强且热阻低的贴合。
[0077] 在一个实施例中，装置100可以配置为用在斯特林循环换能器或热声换能器中，诸如在共同拥有的国际
专利申请公开文本WO2014/043790、题为“具有传输管道的热声转换器装置(THERMOACOUSTIC TRANSDUCER APPARATUS INCLUDING A TRANSMISSION DUCT)”中所描述的，该专利申请在此以其整体通过引用并入本文。装置100可用于实现WO2014/043790中公开的第一和第二热交换器中的任一个或两者。相应地，装置100可以设置成使热交换器102的表面106与热再生器热接触，诸如在WO2014/043790中所公开的。再生器通常包括第一和第二界面，并且第一界面可以与第一装置100的表面106热接触并且第二装置100可以使其相应的热交换器表面106设置成与再生器的第二界面热接触，如上面所宽泛公开的。
[0078] 在一个实施例中，两种流体之间的热交换可以通过将两个装置100以背对背构造进行放置来实现，其中每个装置的热传递表面116彼此接触。装置100中的一个可以接收第一流体(例如，待冷却或待加热的气体)，而另一个装置可以接收第二流体(例如流体冷却剂)。热量通过热传递表面116从较高温度的流体传递到较低温度的流体。
[0079] 该装置还可用于需要的紧凑或超紧凑型热交换器的其他应用中，诸如电气部件和/或机械部件的冷却。参考图7，以300示出了用于与流体进行热交换的装置的替代实施例。装置300包括歧管302，歧管302具有多个横向方向延伸到歧管的主体306中的馈送通道304，每个馈送通道304具有入口318。歧管302具有热传递表面308，用于从正冷却的部件接收热量。歧管302还包括界面表面310，界面表面310具有电植绒到该界面表面的热交换纤维
312。图7中仅示出了纤维312的一部分，并且界面表面310通常由纤维覆盖。每个馈送通道
304与分配通道314连通(图7中最右侧馈送通道以虚线示出)。每个分配通道314在界面表面
310处具有开口316。歧管302的主体306在大致垂直于热传递表面308的方向上将热量从热传递表面308传导到界面表面310。热交换纤维312热耦合到界面表面310并沿纤维轴向地传导热量。流体流在入口318处被接收并且在横向方向上被引导通过馈送通道304。流体流动方向在分配通道314处改变为大致垂直的流动方向，并且通过热交换纤维312由开口316排出。流体流与多个纤维312相互作用，所述多个纤维312具有大的热传递表面积。
[0080] 许多传统的紧凑型热交换器具有与正被冷却的部件的表面直接接触或贴合的热交换层以及在热交换器的远侧的流体分配结构。通常，流体分配结构具有交错的横向通道，其中一些横向通道用作引导流体流过热交换层的馈送通道，而另一些横向通道用作从热交换层收集和排出流体的排出通道。因此，在主要横向于热流方向的方向上，流体流通过在馈送通道和排出通道之间的热交换层。
[0081] 装置300中的馈送通道304和分配通道314的构造，与典型的交错流体分配结构相比，具有减少流体流动距离的优点，并从而减少流动摩擦损失。如上所述，图1中所示的歧管110的结构完整性也具有优于交错的流体分配结构的优点，所述交错的流体分配结构必须在单个层中容纳馈送和排出通道，并且相应地由于交错或交叉的流体流动通道而通常较弱。当歧管110必须承受对装置升高的工作压力时，这是特别有用的。
[0082] 装置300可用于冷却
半导体器件，例如
微处理器或其他集成电路。热传递表面308可以放置成与半导体器件的热表面接触，并且略微加压的冷却空气可以被传递到馈送通道304的入口318。冷却空气将流过热交换纤维312并且将在热交换器的暴露表面320处排出。
或者，冷却流体可以是液体，在这种情况下，液体将通过封闭热交换纤维312并提供用于收集排出的
冷却液体的
导管来收集。
[0083] 虽然已经描述和说明了特定实施例，但是这些实施例应该仅被认为是对本发明的说明，而不是根据所附
权利要求所解释的限制本发明。
