一种换热器及空调的制作方法

专利检索2022-05-10  7



1.本发明涉及换热技术领域,尤其涉及一种换热器及空调。


背景技术:

2.目前,数据中心的单位面积的热负荷要求越来越高,针对部分高热密度的数据中心应用,现有的空调换热器已经不能较好地满足其对数据中心服务器的散热需求,在保证换热量的前提下,只能将换热器的面积加大,这样既浪费了空间,亦增加了成本,综合效率较低;另外,现有常用的铜材或铝片(抛光)的辐射系数仅约0.05,在无对流的情况下,铜材或铝片很难通过辐射方式将热量散出。
3.因此,现有技术还有待于进一步的提升。


技术实现要素:

4.鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种换热器及空调,用于解决现有的换热器换热效率低的问题。
5.第一方面,本发明提供一种换热器,包括换热器本体,其中,所述换热器本体的外表面涂覆有散热层,所述散热层含有石墨烯材料。
6.可选地,所述的换热器,其中,所述散热层的厚度为10

20um。
7.可选地,所述的换热器,其中,所述所述散热层的厚度为15um。
8.可选地,所述的换热器,其中,所述散热层的制备包括如下步骤:
9.提供石墨烯浆料;
10.将所述石墨烯浆料沉积在所述换热器本体表面,得到预制件;
11.将所述预制件放入烘烤设备中烘烤,得到所述换热器。
12.可选地,所述的换热器,其中,按重量份数计,所述石墨烯浆料包括:
[0013][0014]
可选地,所述的换热器,其中,所述石墨烯为单层片状结构;所述石墨烯包括碳元素和非碳元素,所述非碳元素选自氟、氮、氧、硫、氯中的一种或多种。
[0015]
可选地,所述的换热器,其中,所述导热填料选自氮化硼、硫酸钡、氧化铍中的一种或多种。
[0016]
可选地,所述的换热器,其中,所述将所述预制件放入烘烤设备中烘烤,得到所述换热器的步骤,具体包括:
[0017]
将所述预制件放入烘烤设备中,在第一温度条件下烘烤5

30min;接着将所述烘烤设备升温至第二温度,在所述第二温度条件下烘烤5

10min;接着将所述烘烤设备升温至第三温度,在所述第三温度条件下烘烤5

10min;接着将所述烘烤设备升温至第四温度,在所述第四温度条件下烘烤10

30min,得到所述换热器。
[0018]
可选地,所述的换热器,其中,所述第一温度为30

60℃,所述第二温度为70

80℃,所述第三温度为100

120℃,所述第四温度为130

160℃。
[0019]
第二方面,一种空调,其中,包括如上所述的换热器。
[0020]
有益效果:本发明实施例提供一种换热器,在换热器的外表上涂装一层含有石墨烯的散热层,将换热器表面的热量传入散热层中,并以红外线的方式向外界快速辐射热量,高效提升换热器与外部环境的热交换,降低换热器表面和换热器内部的制冷剂温度。
附图说明
[0021]
图1为标准铜管换热过程示意图;
[0022]
图2为表面涂覆有石墨烯散热层的铜管换热过程示意图;
[0023]
图3为石墨烯换热原理图;
[0024]
图4为表面涂覆有散热层的换热器制备工艺流程图。
具体实施方式
[0025]
本发明提供一种换热器及空调,为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确,以下对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0026]
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。
[0027]
空调的换热器分为蒸发器与冷凝器,蒸发器做为制冷系统的重要组成部件,其作用为:环境中的高温空气通过风机带动循环,经过蒸发器表面,与蒸发器内部的低温低压的制冷剂进行热交换,空气中的热量被蒸发器内部循环的制冷剂吸收后,温度下降;而蒸发器内的制冷剂吸收了循环空气中的热量,产生相变,形成气态制冷剂,再循环至压缩机,被压缩机压缩后,变成高温高压气态制冷剂,进入冷凝器;高温高压的气态制冷剂进入冷凝器后,通过空调室外机的风机带动室外环境的气流循环,制冷剂中的热量被外部环境空气带走,高温高压的气态制冷剂将冷凝成中温高压的液态制冷剂。
[0028]
金属材料的散热效果主要取决于两个重要因素即导热能力和散热能力,辐射系数越高,辐射能力越强,散热效果则越好;导热系数越高,则热交换效果越好。以上蒸发器与冷凝器的换热过程,均涉及到换热器与空气的热交换,其中,热交换效率越高,则空调的能效比也将越高,因此如何有效提升空调换热器与空气的热交换效率,成为目前困扰诸多空调厂商的问题。
[0029]
为了改善换热器的散热效果,目前已知有部分厂商采用石墨烯的技术进行强化换热,例如cn207180103u专利“一种石墨烯冷凝器散热片”,涉及到的包括基底材料层和石墨烯散热曾,所述的石墨烯散热层喷涂或刷涂在基底材料层表面,所述基底材料层为石墨烯
高导塑料层,其高导热塑料层是添加了一定量的石墨烯一次性注塑形成的。
[0030]
众所周知,目前空调制冷系统所采用的制冷剂大部分为高压制冷剂,如r410a环保冷媒,其高压压力可能达到40bar以上;如co2制冷剂,其高压压力可能达到60bar,针对如此高压的运行环境,cn207180103u专利涉及的基底材料层采用高导热塑料层,其耐压性是远远无法满足现有常用制冷剂的使用要求的。
[0031]
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供了一种换热器,包括表面涂覆有散热层的换热器本体,其中,所述换热器可以是现有的用于空调的换热器,如蒸发器和/或冷凝器。所述换热器的材质为金属铜或金属铝,所述散热层含有石墨烯材料。
[0032]
在本实施例中,通过强化换热材料的导热能力与辐射能力,两方面同时进行提升;常见金属材料的导热系数与辐射系数如下表所示:
[0033]
表1常见物质导热系数、辐射系数
[0034][0035]
从表1可知,由于石墨烯的导热系数和辐射系数分别达到5300w/m.k和0.95,远高于铜或铝的导热系数与辐射系数,在本实施例中通过在铜或铝换热器上涂装一层散热层,所述散热层含有石墨烯材料,将高温铜材或铝板器件表面的热量传入散热层中,并以红外线的方式向外界快速辐射热量,高效提升换热器与外部环境的热交换,降低换热器表面和换热器内部的制冷剂温度,从蒸发器端,可提升外部环境空气与蒸发器内部循环制冷剂的热交换量q,从而提高制冷量输出;从冷凝器端,可降低系统管路内部的制冷剂温度,即降低了高压压力,从而实现压缩机耗功w的有效减小;空调能效比cop=制冷量q/功耗w,当q增大,同时w减小室,其cop将有效提升。
[0036]
具体来说,如图1至图3所示,标准铜管换热型式,如下三个过程,
[0037]
过程1:管内制冷剂与铜管内壁的对流换热,q=h1*a1*δt1=h1*a1*(t1

t2),h1为内部对流换热系数,a1为铜管内壁面积,t1为管内制冷剂温度,t2为铜管内壁温度;其中,研究对象确定后,a1,t1,h1为常数;
[0038]
过程2:铜管内壁与铜管外壁的单层圆筒壁导热过程,其中λ1为铜管的导热系数,t2为铜管内壁温度,t3为铜管外壁温度,d2为铜管外壁直径,d1为铜管内壁直径;以上5个参数均为常量。
[0039]
过程3:铜管外壁与外部空气的对流换热,q=h2*a2*δt2=h2*a2*(t3

t4),h2为外部对流换热系数,a2为铜管外壁面积,t3为铜管外壁温度,t4为外部气流温度;其中,以上
4个参数均为常量。
[0040]
以上3个过程可整合为:
[0041]
在本实施例中,采用喷涂的工艺型式,在铜管的外壁上喷涂石墨烯浆料,形成石墨烯表面涂层,在增加石墨烯表面涂层(散热层)后,相当于由原来的单层铜管散热变成了双层铜管换热,可抽象为双层圆筒壁的稳态导热,同时,铜管外壁与外部空气对流换热的介质替换成了石墨烯涂层,如下3个过程:
[0042]
过程a:管内制冷剂与铜管内壁的对流换热,q=h1*a1*δt1=h1*a1*(t1

t2),h1为内部对流换热系数,a1为铜管内壁面积,t1为管内制冷剂温度,t2为铜管内壁温度;其中,a1,t1,h1为常数。
[0043]
过程b:铜管内壁与铜管外壁,以及铜管外壁与石墨烯涂层的双层圆筒壁导热过程,其中λ1为铜管的热导率,t2为铜管内壁温度,t5为石墨烯涂层外壁温度,d2为铜管外壁直径,d1为铜管内壁直径,d3为石墨烯涂层外壁直径;以上6个参数均为常量。
[0044]
过程c:石墨烯涂层外壁外壁与外部空气的对流换热,q=h2*a3*δt3=h2*a3*(t5

t4),h2为外部对流换热系数,a3为石墨烯涂层外壁面积,t5为石墨烯涂层外壁温度,t4为外部气流温度;其中,以上4个参数均为常量。
[0045]
以上四个过程可整合为:
[0046]
对比公式一与公式二,对比公式一与公式二,增加涂层后,a3较a2会增大,因此q1的分母项将减小,但由于q1的分母项增加了就可能存在三种情形:
[0047]
情形1:则q>q1,体现为增加石墨烯涂层为负向关系,会减小总体的换热量,无益效果;
[0048]
情形2:则q=q1,体现为增加石墨烯涂层为无关关系,总体的换热量不变,无益效果;
[0049]
情形3:则q<q1,体现为增加石墨烯涂层为正向关系,总体的换热量将提升,有益效果。
[0050]
由此可以得出,为了达到情形3的有益效果,需要对石墨烯涂层的厚度进行合理的设置,所述石墨烯涂层的厚度可以是10um至12um,12um至15um,15um至17um,17um至20um。经过多次的实验验证,结合制造成本等多方面进行综合评估确定,优选涂层厚度δd=(d3

d2)/2=15um,可满足情形3的换热量正向提升效果。
[0051]
在本实施例的一种实现方式中,所述散热层是经石墨烯浆料涂覆干燥而成。示例性地,其中,石墨烯浆料按重量份计包括:石墨烯0.5份,无机树脂55份,分散剂0.3份,导热填料5份,去离子水适量,即去离子的加入量与施工时的粘度相适配,可以根据实际的使用情况来进行选择。
[0052]
在本实施例中,所述的石墨烯为单层片状石墨烯,该石墨烯包含氟、氮、氧、硫、氯中的一种或多种。所述无机树脂可以是硅溶胶钠水玻璃或钾钠水玻璃。所述分散剂可以是聚乙烯蜡。
[0053]
请参阅图4,按照上述配方比例,称取一定量的石墨烯粉体,分散剂及无机树脂(2001树脂)以及氮化硼,加入到乳化机中预先分散10min,乳化机转速控制在5000rpm/min;将乳化后的溶液置于球磨机中,球磨分散过程控制时间约30min,球料比控制为2:1,优选球磨锆珠为2mm;乳化后的溶液,经过球磨机充分分散之后,得到石墨烯浆液。
[0054]
示例性地,取一定量的分散好的石墨烯浆液喷涂铜制基材表面(针对上文提及的被测空调机组,蒸发器优选喷涂浆液重量为200g;冷凝器优选喷涂浆液的重量为500g),放入温箱中,调节温度为50℃,预烘烤20min;将温箱温度升温至80℃,再烘烤10min后,再次升温至120℃,烘烤10min;将温箱升高温度至150℃后,使石墨烯浆液固化在换热器表面上,持续时间为30min;墨烯换热器散热涂层制备完成。其中,通过分段烘烤,可以使石墨烯涂层能够更好的成膜,提升了石墨烯涂层的附着力,耐候性。
[0055]
基于相同的发明构思,本发明还提供一种空调,所述空调采用如上述所述的换热器。其中,换热器为铜制换热器,换热器的外表面的散热层厚度为15um。
[0056]
下面通过具体的实施例,对本发明所提供的一种换热器做进一步的解释说明。
[0057]
实施例1
[0058]
称取0.1份的石墨烯,20份的钾钠水玻璃,0.1份的聚乙烯蜡,2份的氮化硼,适量的去离子水。将上述原料加入到乳化机中预先分散10min,乳化机转速控制在5500rpm/min;将乳化后的溶液置于球磨机中,球磨分散过程控制时间约30min,球料比控制为2:1,球磨锆珠为2mm;乳化后的溶液,经过球磨机充分分散之后,得到石墨烯浆液。
[0059]
采用喷涂的方式,将上述石墨烯浆液喷涂在蒸发器及冷凝器的外表面,控制喷涂膜厚,将喷涂后的蒸发器及冷凝器放入烤箱中烘烤,烘烤温度设置为第一温度为30℃,时间5min,第二温度为70℃,时间5min,第三温度为100℃,时间5min,第四温度为130℃,时间10min。经检测膜厚在11

13um。得到表面涂覆有散热层的蒸发器和冷凝器。
[0060]
将上述蒸发器和冷凝器安装在空调内,根据国家认可焓差实验室的实测数据显示,使用r410a环保制冷剂,额定制冷量3250w,额定功率1000w,能效比cop为3.25w/w的空调设备;在相同回风温湿度工况,相同的制冷剂充注量条件下,对比测试采用标准工艺的换热
器与采用本发明的石墨烯换热器的制冷量、功耗与能效比,测试结果表明:其制冷量q变为3445w,提升比例为6%,整机功耗w变为950w,下降比例为5%;采用本发明的石墨烯换热器的空调系统能效比cop变为3.85w/w,提升比例为18.5%。另外,采用本发明的石墨烯换热器,被测空调机组的高压压力由27.5bar下降为25.1bar,下降比例约8.5%。
[0061]
实施例2
[0062]
称取1.5份的石墨烯,55份的钾钠水玻璃,0.3份的聚乙烯蜡,6份的氮化硼,适量的去离子水。将上述原料加入到乳化机中预先分散10min,乳化机转速控制在5500rpm/min;将乳化后的溶液置于球磨机中,球磨分散过程控制时间约35min,球料比控制为2:1,球磨锆珠为2mm;乳化后的溶液,经过球磨机充分分散之后,得到石墨烯浆液。
[0063]
采用喷涂的方式,将上述石墨烯浆液喷涂在蒸发器及冷凝器的外表面,控制喷涂膜厚,将喷涂后的蒸发器及冷凝器放入烤箱中烘烤,烘烤温度设置为第一温度为55℃,时间25min,第二温度为75℃,时间8min,第三温度为110℃,时间8min,第四温度为150℃,时间20min。经检测膜厚在13

17um。得到表面涂覆有散热层的蒸发器和冷凝器。
[0064]
将上述蒸发器和冷凝器安装在空调内,根据国家认可焓差实验室的实测数据显示,使用r410a环保制冷剂,额定制冷量3250w,额定功率1000w,能效比cop为3.25w/w的空调设备;在相同回风温湿度工况,相同的制冷剂充注量条件下,对比测试采用标准工艺的换热器与采用本发明的石墨烯换热器的制冷量、功耗与能效比,测试结果表明:其制冷量q变为3575w,提升比例为10%,整机功耗w变为910w,下降比例为9%;采用本发明的石墨烯换热器的空调系统能效比cop变为3.93w/w,提升比例为20.9%。另外,采用本发明的石墨烯换热器,被测空调机组的高压压力由27.5bar下降为24.5bar,下降比例约10.9%,有效提升了空调系统的耐高压能力,通过石墨烯涂层工艺,压缩机耗功减小,系统高压压力降低,使空调系统在夏季室外高温环境以及室外机脏堵等恶劣条件下的耐受性更强,空调系统高压停机的故障风险大幅降低。
[0065]
实施例3
[0066]
称取2份的石墨烯,65份的钾钠水玻璃,0.5份的聚乙烯蜡,10份的氮化硼,适量的去离子水。将上述原料加入到乳化机中预先分散10min,乳化机转速控制在5500rpm/min;将乳化后的溶液置于球磨机中,球磨分散过程控制时间约30min,球料比控制为2:1,球磨锆珠为2mm;乳化后的溶液,经过球磨机充分分散之后,得到石墨烯浆液。
[0067]
采用喷涂的方式,将上述石墨烯浆液喷涂在蒸发器及冷凝器的外表面,控制喷涂膜厚,将喷涂后的蒸发器及冷凝器放入烤箱中烘烤,烘烤温度设置为第一温度为60℃,时间30min,第二温度为80℃,时间10min,第三温度为120℃,时间10min,第四温度为160℃,时间30min。经检测膜厚在15

20um。得到表面涂覆有散热层的蒸发器和冷凝器。
[0068]
将上述蒸发器和冷凝器安装在空调内,根据国家认可焓差实验室的实测数据显示,使用r410a环保制冷剂,额定制冷量3250w,额定功率1000w,能效比cop为3.25w/w的空调设备;在相同回风温湿度工况,相同的制冷剂充注量条件下,对比测试采用标准工艺的换热器与采用本发明的石墨烯换热器的制冷量、功耗与能效比,测试结果表明:其制冷量q变为3562w,提升比例为9.6%,整机功耗w变为915w,下降比例为8.5%;采用本发明的石墨烯换热器的空调系统能效比cop变为3.89w/w,提升比例为19.9%。另外,采用本发明的石墨烯换热器,被测空调机组的高压压力由27.5bar下降为24.8bar,下降比例约9.9%,有效提升了
空调系统的耐高压能力。
[0069]
综上所述,本发明提供了一种换热器及空调,通过理论分析计算与实际测试相结合,得到优选涂层(散热层)厚度为15um,可满足换热器热交换效果的正向提升作用;通过空调系统实测数据显示,在相同回风温湿度工况,相同制冷剂充注量等条件下,采用本发明的石墨烯换热器,按照优选涂层厚度15um开展喷涂工艺,其制冷量q提升10%,整机功耗下降9%,空调能效比提升20.9%。同时,采用本发明的石墨烯换热器,被测空调高压压力下降10.9%,可有效提升空调系统的耐高压能力,在夏季室外高温环境或室外机脏堵等恶劣条件下的耐高压能力更优,空调系统高压停机的故障风险大幅降低。
[0070]
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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