CN118782820A - 散热器及具有该散热器的燃料电池冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种散热器，包括具有沿X方向堆叠的多个散热单元的散热芯体，其中每个散热单元包括沿X方向间隔布置的第一侧壁和第二侧壁及位于第一侧壁和第二侧壁之间的中间壁，在第一侧壁和中间壁之间设置多个气流通道，在中间壁和第二侧壁之间设置分隔件以限定多个液流通道，在中间壁和第二侧壁之间在散热单元的Y方向的两端侧设置第一封闭壁和第二封闭壁，分隔件与第一封闭壁和第二封闭壁在Y方向上间隔开，使得在液流通道的两端形成分流通道和汇流通道，多个散热单元如此堆叠使得在X方向上液流通道与气流通道交替布置且气流通道的入气口位于同一侧。本发明涉及具有所述散热器的燃料电池冷却系统。

Description

散热器及具有该散热器的燃料电池冷却系统

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，特别地涉及散热器及具有该散热器的燃料电池冷却系统。

背景技术

在燃料电池冷却系统中，冷却液流动通过在燃料电池堆的阴、阳极板之间的冷却液流道，依靠冷却液强制对流换热，将燃料电池工作过程产生的热量带走。冷却液可以是去离子水或者水和乙二醇的混合物。升温后的冷却液在散热器中散热，由此，降低冷却液的温度，接着将经冷却的冷却液送到燃料电池堆，继续对电池堆进行冷却。

在燃料电池冷却系统的散热器设计方面，燃料电池冷却系统较常规柴油系统冷却水系统有着很大的挑战，主要体现在以下两点：1)所需求的换热量增加。传统柴油系统的水箱换热占发动机功率的33％左右，而燃料电池系统的散热器换热量要求高达前者的两倍；2)与环境空气的换热温差减小。传统燃油车水箱水温和环境空气温度的换热温差在55度左右，而燃料电池系统的冷却水温和环境空气温度的换热温差在28度左右。由于这两个因素，燃料电池冷却系统中散热器需要设计得足够庞大，以提供足够的散热面积。而更大的散热器需要更大的布置空间，对于燃料电池车辆的内部空间设计而言困难进一步加大。此外，也会导致系统成本增加。

因此，本发明旨在克服上述问题中的一个或多个。

发明内容

本发明针对上述燃料电池冷却系统使用的散热器的散热问题，提出了一种改进的散热器，其能够解决现有散热器体积庞大、散热效率低、成本高的问题。

根据本发明的一方面，提供一种用于燃料电池冷却系统的散热器，包括散热芯体，该散热芯体包括多个散热单元，每个散热单元大致呈扁平形，散热单元的厚度方向为X方向，宽度方向为Y方向，长度方向为Z方向，所述多个散热单元沿X方向相继堆叠，其特征在于，每个散热单元包括沿X方向间隔布置的第一侧壁和第二侧壁以及位于第一侧壁和第二侧壁之间的中间壁，在第一侧壁和中间壁之间设置翅片以限定多个大致沿Y方向延伸、沿Z方向并排布置的气流通道，在中间壁和第二侧壁之间设置分隔件以限定多个大致沿Y方向延伸、沿Z方向并排布置的液流通道，在中间壁和第二侧壁之间在散热单元的Y方向的两端侧设置大致沿Z方向延伸的第一封闭壁和第二封闭壁，分隔件与第一封闭壁和第二封闭壁在Y方向上间隔开，使得在液流通道的纵向两端分别形成与之流体连通的大致沿Z方向延伸的汇流通道和分流通道，分流通道与散热单元的入流口流体连通，汇流通道与散热单元的出流口流体连通，所述多个散热单元如此堆叠使得在X方向上液流通道与气流通道交替布置并且各散热单元的气流通道的入气口位于所有散热单元的汇流通道所在的同一Y方向端侧。

有利地，所述散热单元包括在中间壁和第二侧壁之间在Z方向的第一端设置的大致沿Y方向延伸的第三封闭壁，用以限定分流通道和汇流通道的封闭端部，所述散热单元包括在中间壁和第二侧壁之间在Z方向的第二端设置的大致沿Y方向延伸的第四封闭壁，第四封闭壁的第一端部与第一封闭壁在Y方向上间隔开以限定散热单元的出流口，第四封闭壁的第二端部与第二封闭壁在Y方向上间隔开以限定散热单元的入流口。

有利地，所述液流通道为微通道。

有利地，所述分隔件为一体形成在中间壁和/或第二侧壁上的凸肋。

有利地，所述散热器包括在散热芯体的Z方向的第二端放置的大致沿X方向延伸的给液分配室和排液汇集室，给液分配室与每个散热单元的入流口流体连通，排液汇集室与每个散热单元的出流口流体连通。

有利地，沿给液分配室的X方向间隔布置有与之流体连通的多个进液管和/或沿排液汇集室的X方向间隔布置有与之流体连通的多个排液管。

根据本发明的另一方面，提供一种燃料电池冷却系统，包括燃料电池和用于冷却燃料电池的散热器，燃料电池和散热器流体连接以形成其中冷却液循环流动的冷却回路，所述散热器为上文所述的散热器。

根据本发明的散热器主要利用空气与冷却液的逆流的结构布局来解决传统交叉流换热器的低效问题，同时在冷却液侧液流通道的设计(例如微通道设计)适配于将冷却液流速降低到合适的程度，由此进一步提升了整体换热器的换热效率，实现了减少系统尺寸的目的并降低了成本。

附图说明

参考下列的详细说明和附图，本发明的一个例子的特点和优势将变得显而易见，其中：

图1示出根据本发明的用于燃料电池冷却系统的散热器的立体示意图；

图2示出根据本发明的用于燃料电池冷却系统的散热器的散热芯体的立体示意图；

图3示出根据本发明的散热器的散热单元的立体示意图；

图4示出根据本发明的散热器的散热单元的局部S1的放大示意图；

图5示出根据本发明的散热器的散热单元的局部S2的放大示意图；

图6示出根据本发明的散热器的散热单元的图5所示局部的角部细节的放大示意图；

图7示出根据本发明的散热器的散热单元的内部流体流动示意图；和

图8示出根据本发明的用于燃料电池冷却系统的示意图。

具体实施方式

下面将具体参照本发明的各实施例，所述实施例的例子在附图中示出。只要可能，在所有附图中都使用相同的附图标记来表示相同的或相似的部件。

在下文中使用了例如“第一”、“第二”等术语来描述本申请的元件，这些术语仅用于区分各个元件，而不是用于限制这些元件的本质、顺序或数目。用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分之外还可存在另外的要素/组成部分。

参见图1所示，根据本发明的用于燃料电池冷却系统的散热器10包括散热芯体100以及布置在散热芯体上端与散热芯体流体连通的给液分配室101和排液汇集室102。给液分配室101构造用于向散热芯体100供给冷却液。排液汇集室102构造用于汇集从散热芯体100流出的冷却液。

参见图2所示，散热芯体100基本呈长方形体，包括多个散热单元1000。多个散热单元沿X方向相继堆叠。进一步结合图3-6所示，每个散热单元1000大致呈扁平形，散热单元的厚度方向与X方向一致，宽度方向与Y方向一致，长度方向与Z方向(即，图中所示的竖直方向或上下方向)一致。每个散热单元1000包括沿X方向间隔布置的第一侧壁w1和第二侧壁w2以及位于第一侧壁和第二侧壁之间的中间壁wm。在图示实施例中，第一侧壁w1、第二侧壁w2和中间壁wm基本在平行于Z方向的平面内延伸。第一侧壁w1和中间壁wm之间的空间由例如沿Z方向间隔排列的翅片f分割出多个气流通道ac。气流通道大致沿Y方向延伸，大致沿Z方向并排布置。中间壁wm和第二侧壁w2之间的空间由例如沿Z方向间隔排列的分隔件d分割出多个液流通道lc。液流通道大致沿Y方向延伸，大致沿Z方向并排布置。由此，位于中间壁wm一侧的气流通道ac和位于中间壁wm另一侧的液流通道lc大致平行延伸。两通道中的流体经由中间壁进行热交换。

具体地参见图4所示，在中间壁wm和第二侧壁w2之间在散热单元的宽度方向(即Y方向上)的第一端侧和第二端侧分别设置有大致沿Z方向延伸的第一封闭壁cw1和第二封闭壁cw2。第一封闭壁和第二封闭壁可分别由焊接在中间壁和第二侧壁之间的第一封条和第二封条来限定。分隔件d与第一封闭壁和第二封闭壁在Y方向间隔开，使得在液流通道lc的纵向两端分别形成与之流体连通的、大致沿Z方向延伸的汇流通道cc和分流通道dc。汇流通道基本由第一封闭壁、中间壁的在Y方向上超出分隔件延伸的靠近第一端侧的部分和第二侧壁的在Y方向上超出分隔件延伸的靠近第一端侧的部分限定。分流通道基本由第二封闭壁、中间壁的在Y方向上超出分隔件延伸的靠近第二端侧的部分和第二侧壁的在Y方向上超出分隔件延伸的靠近第二端侧的部分限定。分流通道dc和汇流通道cc的厚度基本由中间壁和第二侧壁之间在X方向上的间距决定。散热单元呈扁平形，因此，X方向上的厚度可设计得很小，因而使得分流通道、液流通道和汇流通道具有极小的通道厚度。

气流通道ac的入气口ac-i设置在第一侧壁w1和中间壁wm之间位于与汇流通道cc所在端侧相同的端侧。气流通道ac的出气口ac-o设置在第一侧壁w1和中间壁wm之间位于与分流通道dc所在端侧相同的端侧。由此，使得气流流动方向与液流通道lc中的流体流动方向大致平行且完全相反，即形成逆流布局。

散热单元1000包括与分流通道dc流体连通的入流口dc-i和与汇流通道cc流体连通的出流口cc-o。具体参见图3-6所示，散热单元1000的入流口dc-i和出流口cc-o设置在散热单元的Z方向上的同一端。具体地，散热单元包括在中间壁和第二侧壁之间在Z方向的第一端(即图示的“底端”)设置的沿Y方向延伸的第三封闭壁cw3，用以限定分流通道和汇流通道的Z向封闭端部(即底端部)。第三封闭壁和相邻的分隔件一起限定位于Z方向上第一端的液流通道。由此，冷却液流至分流通道的封闭端部时则会转而取道于该液流通道而流至汇流通道，在汇流通道的封闭端部转向而沿Z方向流动。散热单元1000包括在中间壁wm和第二侧壁w2之间在Z方向的第二端(即图示的“顶端”)设置的沿Y方向延伸的第四封闭壁cw4，第四封闭壁cw4的第一端部与第一封闭壁cw1在Y方向上间隔开以限定散热单元的出流口cc-o。第四封闭壁cw4的第二端部与第二封闭壁cw2在Y方向上间隔开以限定散热单元的入流口dc-i。由此，散热单元的入流口和出流口可制成具有较小厚度的扁平的孔口，可有利地降低冷却液侧的流速。第三封闭壁和第四封闭壁可分别由焊接在中间壁和第二侧壁之间的第三封条和第四封条来限定。通过将散热单元的入流口和出流口设置在散热单元的同样的上端部，使得可以经由分流通道、液流通道和汇流通道形成多个并排的U形迂回的冷却液流动通道(参见图7所示)，为增加液流通道流阻、降低液流通道中的冷却液流速提供了更有利的条件。

虽然图中示出的示例中示出散热单元的入流口和出流口位于同一Z向端部，但作为变型，散热单元的入流口和出流口也可设置在不同的Z向端部。在该变型实施例中，从入流口到出流口的流动通道线型基本呈之字形。

液流通道lc形成为微通道，其中液流速度低，其流动状态几乎处于层流状态。而位于中间壁另一侧的气流通道ac中空气流在例如风扇的作用下高速流动。也可例如通过在翅片上设置百叶窗结构来增加气流流速，提高空气流与冷却液流之间的换热系数。有利地，微通道形式的液流通道通过一体形成在中间壁和/或第二侧壁上的凸肋形式的分隔件形成。

回看图1-2，散热单元1000如此堆叠使得在X方向上液流通道lc与气流通道ac交替布置并且各散热单元的气流通道的入气口ac-i位于所有散热单元的汇流通道所在的同一Y方向端侧(即位于散热芯体100的同一侧)。因此，在图2中箭头AA的指示方向上，空气流入散热芯体。沿气流方向，散热芯体100的各散热单元1000的入流口dc-i(如图2中箭头AI所示，来自给液分配室101的冷却液流沿所示方向流入各入流口)布置在各散热单元的出流口cc-o(如图2中箭头AO所示，冷却液流沿所示方向经出流口流出并进入到排液汇集室102)的下游。在图1所示的实施例中，给液分配室101和排液汇集室102在散热芯体的上端(即Z方向的第二端)放置，大体沿X方向延伸。给液分配室和排液汇集室的底部设置有与散热单元的入流口和出流口对齐连通的开孔(未示出)。沿给液分配室101的X方向间隔布置有与之流体连通的多个进液管1011。沿排液汇集室102的X方向间隔布置有与之流体连通的多个排液管1021。由此，可确保进入各散热单元的冷却液流量和流速大致均匀，从各散热单元流出的冷却液流速大致相等。

图中给液分配室101和排液汇集室102实施为彼此独立的两个流体罐。作为变型，给液分配室101和排液汇集室102也可制成为具有用作给液分配室和排液汇集室的两个腔室的单个流体罐，其中腔室之间通过分隔装置分隔开，该单个流体罐如此放置使得入流口与给液分配室流体连通，出流口与排液汇集室流体连通。

上面所描述的实施例中第一侧壁、中间壁和第二侧壁可例如由不同板材来分别提供。也可以理解，中间壁和第二侧壁可例如由一体成型的单个挤出件或冲压件提供。液流通道可例如在挤出或冲压的过程中成形。在变型实施例中，散热单元的第二侧壁与相邻散热单元的第一侧壁可由单个板部的两相对侧限定或提供。

如图7所示，根据本发明的散热器使得位于中间壁一侧的液流通道中的液流和位于中间壁另一侧的气流通道中气流采用对流(逆流)的结构布局，由此确保在垂直于Y方向的截面上各液流通道中液流的温度基本均匀一致，也即从各散热单元的出流口流出的液流的温度基本一致，因此，在Z方向上确保了空气冷却能力的最大化利用，避免了其中冷却液沿Z方向流动且空气与冷却液以交叉流的形式布局的现有散热器中在Z方向上空气冷却能力随冷却液温度降低而下降的低效问题。此外，由于微通道形式的液流通道中冷却液基本以层流流态流动，并且经由分流通道、液流通道和汇流通道限定大致U型迂回构造的冷却液流动通道，各冷却液流动通道的流阻使得冷却液的流速可以确保获得最优化的换热效率。冷却液能够与空气最大程度地进行高效换热，也即，可以提升整体换热器的换热效率，由此减小散热器尺寸并降低系统制造成本。

在本发明散热器的设计方案中，通过将换热介质的流动方向和流速调整到最佳换热效率状态，顺应了燃料电池系统高换热量的特殊需求，解决了现有的用于冷却燃料电池的换热系统庞大的问题。

根据本发明，借助在体积一定的情况下换热效果大大提高的散热器，可以获得一种高效的燃料电池冷却系统1。燃料电池冷却系统1包括燃料电池11和上述的用于冷却燃料电池的散热器10。如图8所示，燃料电池冷却系统1包括冷却液在其中循环的冷却回路20，燃料电池11和散热器10设置在该冷却回路中，冷却回路中循环的冷却液从燃料电池中带走热量，接着经进液管1011流入散热器10的给液分配室101，经各散热单元的入流口流入分流通道，经分流通道分流后流入液流通道，接着来自液流通道的液流流入汇流通道，从汇流通道经各散热单元的出流口流出进入排液汇集室102，最后，从排液管1021流出，进入冷却回路。在冷却液流经液流通道时与中间壁另一侧的气流通道中的空气进行换热。冷却液在液流通道中基本以层流状态流动并且相对于气流通道中气流逆向流动，由此，大大提高两者之间的换热效果，并大幅度降低冷却液温度。经大幅度降温的冷却液从散热器流出，重新流入燃料电池以对其降温。如此循环往复。

在本说明书的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明实施例的限制。

工业适用性

为了便于理解本发明，下面就本发明的散热器的组装方法进行说明：

提供用于构成散热单元的基本要素元件：翅片、中间板以及液流通道外侧板。中间板用于提供中间壁，液流通道外侧板的面向液流通道的一侧用于提供第二侧壁，液流通道外侧板的背向液流通道的一侧(即面向相邻气流通道的一侧)用于提供第一侧壁。最靠外侧的第一侧壁可由端板提供。中间板和液流通道外侧板之间可以预定方式焊接第一封条、第二封条、第三封条和第四封条以及分隔件(如果中间板和/或液流通道侧板上自带有形成液流通道的纹理或凹凸结构，则可省略分隔件安装工序)来分别限定分流通道、汇流通道、入流口、出流口以及液流通道。翅片以预定方式焊接在中间板的背离液流通道的一侧。由此，形成基本堆叠组件。

按照预定的方式，将基本堆叠组件沿X方向堆叠，使得翅片与端板或相邻基本堆叠组件的液流通道外侧板的背向液流通道的一侧抵靠，由此形成气流通道，并且使得气流通道和液流通道交替布置。在散热芯体预组装后，通过焊接固定。接着，将带有进液管的给液分配室和带有排液管的排液汇集室以预定的方式放置在散热芯体的端部，使得入流口与给液分配室流体连通，出流口与排液汇集室流体连通。由此，根据本发明的散热器组装完成并制备就绪。

以上所述仅仅描述的是根据本发明的散热器的示例性实施例。该散热结构不局限于这里描述的特定实施例，相反，各部件可以相对于这里描述的其它部件被独立地和单独地使用。在整个说明书中提到的“一个例子”，“另一个例子”，“例子”等等，意思是描述与例子相关的某个元件/元素(例如特点、结构和/或特征)包括在这里描述的至少一个例子中，可以和/或可以不出现在其它例子中。另外，可以理解的是描述的任何例子的多个元件可在多个不同的例子中以任何合适的方式组合，除非上下文明确说明。

该说明书使用示例来公开本发明，包括最佳实施方案，并且使得本领域任何技术人员都能够实现本发明。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员可以想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非区别于权利要求字面语言的结构元件、或者如果这些其它示例包括非实质性区别于权利要求字面语言的等同的结构元件，则这些其它示例应落在权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种用于燃料电池冷却系统的散热器，包括散热芯体，该散热芯体包括多个散热单元，每个散热单元大致呈扁平形，散热单元的厚度方向为X方向，宽度方向为Y方向，长度方向为Z方向，所述多个散热单元沿X方向相继堆叠，

其特征在于，每个散热单元包括沿X方向间隔布置的第一侧壁和第二侧壁以及位于第一侧壁和第二侧壁之间的中间壁，在第一侧壁和中间壁之间设置翅片以限定多个大致沿Y方向延伸、沿Z方向并排布置的气流通道，在中间壁和第二侧壁之间设置分隔件以限定多个大致沿Y方向延伸、沿Z方向并排布置的液流通道，在中间壁和第二侧壁之间在散热单元的Y方向的两端侧设置大致沿Z方向延伸的第一封闭壁和第二封闭壁，分隔件与第一封闭壁和第二封闭壁在Y方向上间隔开，使得在液流通道的纵向两端分别形成与之流体连通的大致沿Z方向延伸的汇流通道和分流通道，分流通道与散热单元的入流口流体连通，汇流通道与散热单元的出流口流体连通，

所述多个散热单元如此堆叠使得在X方向上液流通道与气流通道交替布置并且各散热单元的气流通道的入气口位于所有散热单元的汇流通道所在的同一Y方向端侧。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述散热单元包括在中间壁和第二侧壁之间在Z方向的第一端设置的大致沿Y方向延伸的第三封闭壁，用以限定分流通道和汇流通道的封闭端部，所述散热单元包括在中间壁和第二侧壁之间在Z方向的第二端设置的大致沿Y方向延伸的第四封闭壁，第四封闭壁的第一端部与第一封闭壁在Y方向上间隔开以限定散热单元的出流口，第四封闭壁的第二端部与第二封闭壁在Y方向上间隔开以限定散热单元的入流口。

3.根据权利要求1或2所述的散热器，其特征在于，所述液流通道为微通道。

4.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于，所述分隔件为一体形成在中间壁和/或第二侧壁上的凸肋。

5.根据权利要求4所述的散热器，其特征在于，所述散热器包括在散热芯体的Z方向的第二端放置的大致沿X方向延伸的给液分配室和排液汇集室，给液分配室与每个散热单元的入流口流体连通，排液汇集室与每个散热单元的出流口流体连通。

6.根据权利要求5所述的散热器，其特征在于，沿给液分配室的X方向间隔布置有与之流体连通的多个进液管和/或沿排液汇集室的X方向间隔布置有与之流体连通的多个排液管。

7.一种燃料电池冷却系统，包括燃料电池和用于冷却燃料电池的散热器，燃料电池和散热器流体连接以形成其中冷却液循环流动的冷却回路，所述散热器为根据权利要求1-6之一所述的散热器。