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CN113328118A - 一种燃料电池车用管带式散热器 - Google Patents

一种燃料电池车用管带式散热器 Download PDF

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Abstract

本发明属于汽车零部件技术领域，提供了一种燃料电池车用管带式散热器，其包括纵向设置的多层扁管，所述扁管横向两端分别设置有进水口和出水口，相邻两层扁管之间设置有纵向截面为波浪形的金属带，所述金属带的波峰处与相邻两层扁管中的一层扁管表面连接，且所述金属带的波谷处与所述相邻两层扁管中的另一层扁管表面连接，所述金属带上横向开设有多个翅片组，每个所述翅片组包括多个翅片，所述翅片弯曲一定角度；工作时，空气流经所述翅片时会纵向偏转至相邻两层扁管相对的两个表面，从而强化所述扁管表面的换热。本发明散热器通过在金属带上设置弯曲一定角度的百叶窗式翅片，强化换热效果，提高换热效率，且结构简单，加工方便。

Description

一种燃料电池车用管带式散热器
技术领域
本发明属于汽车零部件技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池车用管带式散热器。
背景技术
传统燃油汽车60％的热量通过尾气带走，仅有30％的热量通过散热器散失，而对于全功率燃料电池汽车来说，由于其工作温度低，换热温差小，尾气带走小部分热量，将近有70％的热量需要通过散热器散热。
传统燃油汽车散热器一般采用管带式散热器，其具有轻质、换热效果强的效果。但目前的全功率燃料电池汽车热负荷与功率等级庞大，加之其工作温度较传统燃油汽车工作温度低，传统管带式散热器无法满足现在燃料电池汽车的散热需求，这会影响燃料电池电堆各项性能甚至破坏电堆。为了解决这一问题，有的整车厂商会采用多重散热器组合的方案，但这明显会增加汽车冷却系统的重量。
中国专利CN110970639A公开了一种车用燃料电池管带式散热器，包括纵向设置的多层扁管，每两层扁管之间横向交替设置有数个弯管层和金属片层，每个弯管层包括数根以一定角度弯曲的弯管，每个金属片层包括数组金属片，且金属片上开设有翅片。然而，该车用燃料电池管带式散热器结构较复杂，加工过程较繁琐、难度大、耗时长。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种燃料电池车用管带式散热器，通过在金属带上开设弯曲一定角度的翅片，使得空气流经翅片时会上下偏转至扁管上下壁面，从而强化扁管上下壁面的换热，旨在解决现有燃料电池车用管带式散热器结构复杂、加工过程繁琐的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池车用管带式散热器，其包括纵向设置的多层扁管，所述扁管横向两端分别设置有进水口和出水口，相邻两层扁管之间设置有纵向截面为波浪形的金属带，所述金属带的波峰处与相邻两层扁管中的一层扁管表面连接，且所述金属带的波谷处与所述相邻两层扁管中的另一层扁管表面连接，所述金属带上横向开设有多个翅片组，每个所述翅片组包括多个翅片，所述翅片弯曲一定角度；
工作时，空气流经所述翅片时会纵向偏转至相邻两层扁管相对的两个表面，从而强化所述扁管表面的换热。
优选地，所述翅片的弯曲角度为1°-179°。
进一步优选地，所述翅片的弯曲角度为45°。
优选地，所述翅片的开窗角度为10°-40°。
优选地，相邻两个翅片组成镜像对称。
优选地，每个所述翅片组中的多个翅片等间距平行设置，所述间距为0.2mm-5mm。
优选地，每个所述翅片组中的多个翅片开窗方向均相同，或者每个所述翅片组中的一部分翅片与另一部分翅片开窗方向相反。
优选地，所述金属带的相邻两个波峰处或相邻两个波谷处的间距为1mm-15mm。
优选地，所述金属带的宽度为10mm-130mm。
优选地，相邻两层扁管之间的距离为5mm-20mm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明散热器设置了扁管、波浪形金属带及在金属带上开设的弯曲翅片，结构简单，加工方便；并且，通过对传统管带式散热器翅片结构的优化，将翅片弯曲成一定角度，明显增加导向扁管的空气流量，使得更多低温空气向扁管实现“吹扫”，显著增强空气扰流，破坏热边界层从而强化换热；同时，相比于常规车用散热器，本发明提供的散热器换热面积更大，提升散热器整体散热能力，为满足燃料电池汽车的散热要求奠定基础。
(2)翅片弯曲是导致空气发生纵向偏转的原因，合理控制其弯曲角度在1°-179°范围内，使得因翅片扰动发生向扁管偏转的空气较多，同时经计算与实验发现，将翅片弯曲角度设置为45°，空气偏转量最大，换热效果最好。
(3)本发明对扁管间距和金属带宽度、相邻两个波峰处或相邻两个波谷处的间距进行合理优化，使得空气在散热器内部可以顺利流通，并进行充分换热。
附图说明
图1是本发明实施例提供的燃料电池车用管带式散热器的立体结构示意图；
图2是本发明实施例提供的燃料电池车用管带式散热器的主视图；
图3是本发明实施例提供的燃料电池车用管带式散热器的左视图；
图4是本发明对比例提供的燃料电池车用管带式散热器的立体结构示意图；
图5是本发明实施例散热器翅片区域侧视空气流动和热量分布图；
图6是本发明对比例散热器翅片区域侧视空气流动和热量分布图；
图7是本发明实施例散热器翅片区域俯视空气流动和热量分布图；
图8是本发明对比例散热器翅片区域俯视空气流动和热量分布图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-扁管，2-金属带，3-翅片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
本发明实施例提供的一种燃料电池车用管带式散热器，如图1至图3所示，包括纵向(沿z轴方向)设置的多层扁管1，所述扁管1用于通过冷却液，其横向(沿x轴方向)两端分别设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口大小一致；相邻两层扁管1之间设置有纵向截面为波浪形的金属带2，所述金属带2的波峰处与相邻两层扁管1中的一层扁管1表面连接，且所述金属带2的波谷处与所述相邻两层扁管1中的另一层扁管1表面连接，所述金属带2与扁管1焊接一次成型；所述金属带2上沿x轴方向开设有多个翅片组，每个所述翅片组包括沿y轴方向分布多个翅片3，所述翅片3弯曲一定角度，该翅片3破坏热边界层。
传统管带式散热器中，直接在金属带上压制出翅片，翅片为竖直结构，竖直翅片只能加强空气的横向扰动，依旧存在一定的热边界层。而本发明设置经过弯曲的翅片3，根据圆管扰流原理，空气经过翅片3时会上下偏转至上一层扁管1的下表面和下一层扁管1的上表面，可以加强竖直方向(z轴方向)的空气扰动，从而产生横向与纵向的无规则扰动，能够更好地破坏热边界从而加强换热。同时，翅片3弯曲成一定角度，相比于传统散热器，其换热面积更大，在其他相同条件下，换热量会更大。
作为一个优选实施例，参见图3，所述翅片3的弯曲角度α为1°-179°，进一步优选为45°。所述翅片3的开窗角度为10°-40°。
作为一个优选实施例，相邻两个翅片组成镜像对称；每个所述翅片组中的多个翅片3等间距平行设置，所述间距为0.2mm-5mm。
作为一个优选实施例，每个所述翅片组中的多个翅片3开窗方向均相同，或者每个所述翅片组中的一部分翅片3与另一部分翅片3开窗方向相反。多个翅片3开窗方向不同时，可以对沿y轴正轴、负轴两个方向流入的空气均进行扰动，加强换热效果。
作为一个优选实施例，所述金属带2的相邻两个波峰处或相邻两个波谷处的间距为1mm-15mm；所述金属带2的宽度为10mm-130mm。相邻两层扁管1之间的距离为5mm-20mm。由于扁管间距和金属带宽度、其相邻两个波峰处或相邻两个波谷处间距的大小会直接对散热器内部空气流通造成影响，过大会导致空气迅速穿过散热器而来不及换热，过小则会阻止空气流通、增大压降，因此本发明对扁管间距和金属带宽度、其相邻两个波峰处或相邻两个波谷处间距进行了合理优化，以使空气在散热器内部顺利流通的同时进行充分换热。
扁管1、金属带2及翅片3均可以在矩形阵列上设置多个，根据散热器整体尺寸的实际需求，对扁管1、金属带2及翅片3的数量进行设计，再次不再赘述。
本发明燃料电池车用管带式散热器上的翅片3结构具有一定规律，可改进现有传统管带式散热器的加工流水线以满足本发明之加工要求，从而降低加工成本与难度。
上述散热器工作时，高温冷却液从扁管1的进水口一端流入扁管1，同时空气不断沿y轴方向垂直通过所述散热器，流经金属带2上的翅片3时，会带走因冷却液散热而温度上升的翅片3上的热量，另外由于翅片3弯曲一定角度，空气流经翅片3时会上下偏转至相邻两层扁管1相对的两个表面，空气吹扫过扁管1上下表面，带走因冷却液加热的扁管1表面的热量从而实现对扁管1表面的换热，经散热后，温度较低的冷却液从扁管1出水口流出，然后继续进入下一个循环。所述冷却液可以是蒸馏水(DW)、乙二醇(EG)或纳米流等不受限制。
对比例
本对比例提供的中国专利CN110970639A公开的一种车用燃料电池管带式散热器，如图4所示，该散热器包括纵向设置的多层扁管，所述扁管横向两端分别设置有冷却液入口和出口，且每两层扁管之间横向交替设置有数个弯管层和金属片层，每个所述弯管层包括数根以一定角度弯曲的弯管，每个所述金属片层包括数组金属片，且所述金属片上开设有翅片。
本发明对实施例和对比例提供的两种燃料电池车用管带式散热器进行空气流动和热量分布的仿真测试，参见图5至图8。图5和图6分别显示实施例和对比例散热器翅片区域侧视空气流动和热量分布情况，图中箭头方向指示空气流动方向，低温空气流入散热器，经过换热后较高温的空气流出散热器，图5和图6对比看出，本发明实施例散热器中空气流动更加紊乱，导致更大的空气扰动作用，使得其热边界层厚度更小，同时可以看出，图5中的翅片低温区域更大，虽然末端空气温度较高，但是已经排出散热器了，这就意味着更大的换热温差，从而可以获取更大的换热量。
图7和图8分别显示实施例和对比例散热器翅片区域俯视空气流动和热量分布情况，由此看出，实施例翅片结构处的热边界层(即图中翅片周围的深色区域)明显比对比例翅片结构处的热边界层薄，这就意味着实施例设计的翅片结构可以很好地破坏热边界层，从而提升散热效果。
本发明实施例散热器在波浪形金属带上设置弯曲翅片，与对比例中交替设置弯管层和开设有翅片的金属片层相比，可能由于金属带的连续性的波浪形，在散热器内部存在多个不同方向的曲面，同时金属带上阵列分布的多个翅片弯曲一定角度，波浪形金属带与弯曲翅片是一体式结构，使得空气扰动更强，从而提升换热效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：包括纵向设置的多层扁管(1)，所述扁管(1)横向两端分别设置有进水口和出水口，相邻两层扁管(1)之间设置有纵向截面为波浪形的金属带(2)，所述金属带(2)的波峰处与相邻两层扁管(1)中的一层扁管(1)表面连接，且所述金属带(2)的波谷处与所述相邻两层扁管(1)中的另一层扁管(1)表面连接，所述金属带(2)上横向开设有多个翅片组，每个所述翅片组包括多个翅片(3)，所述翅片(3)弯曲一定角度；
工作时，空气流经所述翅片(3)时会纵向偏转至相邻两层扁管(1)相对的两个表面，从而强化所述扁管(1)表面的换热。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：所述翅片(3)的弯曲角度为1°-179°。
3.根据权利要求2所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：所述翅片(3)的弯曲角度为45°。
4.根据权利要求1所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：所述翅片(3)的开窗角度为10°-40°。
5.根据权利要求1所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：相邻两个翅片组成镜像对称。
6.根据权利要求1所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：每个所述翅片组中的多个翅片(3)等间距平行设置，所述间距为0.2mm-5mm。
7.根据权利要求1所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：每个所述翅片组中的多个翅片(3)开窗方向均相同，或者每个所述翅片组中的一部分翅片(3)与另一部分翅片(3)开窗方向相反。
8.根据权利要求1所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：所述金属带(2)的相邻两个波峰处或相邻两个波谷处的间距为1mm-15mm。
9.根据权利要求1所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：所述金属带(2)的宽度为10mm-130mm。
10.根据权利要求1-9任一所述的燃料电池车用管带式散热器，其特征在于：相邻两层扁管(1)之间的距离为5mm-20mm。
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