CN112146485B - 一种复合导流结构印刷电路板换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合导流结构印刷电路板换热器，包括壳体、多个金属板片、两个进口管道、以及两个出口管道，所述金属板片相互层叠、且相邻金属板片之间通过扩散焊接的方式组成印刷电路板换热器的换热组件，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体通过扩散焊接的方式固定在换热组件的上方，所述下壳体通过扩散焊接的方式固定在换热组件的下方，两个所述进口管道固定在上壳体的上表面上，两个所述出口管道固定在上壳体的上表面上、所述一个进口管道与所述一个出口管道布置于同一侧；本发明采用通道导流和不连续几何凸台导流结合的方式，可以将进口流入的换热工质较为均匀地导流入各个换热微通道内。

Description

一种复合导流结构印刷电路板换热器

技术领域

本发明涉及流动传热技术领域，具体为一种复合导流结构印刷电路板换热器。

背景技术

印刷电路板换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)是一种新型的高效紧凑式换热器，与传统的管壳式换热器不同，印刷电路板换热器的流动通道内径一般在几十微米至几个毫米范围内。印刷电路板换热器通过化学刻蚀技术，在金属板上刻出微小的流动通道，这些微小通道使得印刷电路板换热器具有非常大的比表面积，一般可以达到1000m2/m3以上，在相同体积下，印刷电路板换热器极大地提高了换热面积，换热性能非常好。在同等换热能力下，印刷电路板换热器的体积比管壳式换热其要小得多，大大提升了整个设备以及其所在系统的紧凑度。另外，由于印刷电路板换热器板片之间通过扩散焊接形式结合，焊缝强度高，因此可以使得印刷电路板换热器工作在较高的温度和压力范围。

印刷电路板换热器通常由较多换热板片堆叠焊接而成，每片板片上都有非常多的微通道，换热介质需要经过一定的导流结构分散到各个微通道内进行充分换热。为使换热均匀，达到理想的换热效果，避免出现局部过热超温，热应力集中等问题，分散流入各个微通道内的换热介质流量应尽可能均匀，由于微通道数量较多，难以实现一一对应的槽道导流，这就需要对导流区域进行设计。

针对以上问题，本发明提出一种复合导流结构印刷电路板换热器，具有该结构的印刷电路板换热器，可以使经过导流后流入换热器通道内的流体流量分配更加均匀，且工艺更加简单，强度更加优异。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合导流结构印刷电路板换热器，使得经过导流后流入换热通道内的流体流量分配更加均匀，达到理想的换热效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种复合导流结构印刷电路板换热器，包括壳体、多个金属板片、两个进口管道、以及两个出口管道，多个所述金属板片相互层叠、且相邻金属板片之间通过扩散焊接的方式组成印刷电路板换热器的换热组件，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体通过扩散焊接的方式固定在换热组件的上方，所述下壳体通过扩散焊接的方式固定在换热组件的下方，

扩散焊接是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。

两个所述进口管道固定在上壳体的上表面上，两个所述出口管道固定在上壳体的上表面上、所述一个进口管道与所述一个出口管道布置于同一侧；

所述换热组件的每个金属板片上都开设有两个进口孔，每个所述金属板片层叠后在换热组件上拼接成两个长进口孔，两个所述长进口孔分别与两个进口管道连通，同一所述金属板片上只能有一侧的进口孔处开设进流槽、且该所述金属板片上方或下方的金属板片上只能在另一侧进口孔处开设进流槽，所述进流槽可与上方的金属板片或上壳体组合形成进流腔；

所述进流腔内设置有进流复合导流区，所述进流复合导流区包括两个进端直槽道导流区、进端不连续导流区、以及进端扩散混合区，两个所述进端直槽道导流区与进口孔导通、且位于所述进口孔的两侧、且其末端指向进端扩散混合区的两端，所述进端不连续导流区与进口孔导通、且位于两个所述进端直槽道导流区之间、且其末端指向进端扩散混合区的中部，所述进端扩散混合区与进端直槽道导流区和进端不连续导流区连通，流体经过进流复合导流区的进端扩散混合区流入金属板片上各条换热微通道内；

所述换热组件的每个金属板片上的另一侧都开设有两个出口孔，每个所述金属板片层叠后在换热组件上拼接成两个长出口孔，两个所述长出口孔分别与两个出口管道连通，同一所述金属板片上只能有一侧的出口孔处开设出流槽、且该所述金属板片上方或下方的金属板片上只能在另一侧出口孔处开设出流槽，所述出流槽可与上方的金属板片或上壳体组合形成出流腔；

所述出流腔内设置有出流复合导流区，所述出流复合导流区包括两个出端直槽道导流区、出端不连续导流区、以及出端扩散混合区，两个所述出端直槽道导流区与所述出口孔导通、且位于所述出口孔的两侧、且其末端指向所述出端扩散混合区的两端，所述出端不连续导流区与所述出口孔导通、且位于两个所述出端直槽道导流区之间、且其末端指向所述出端扩散混合区的中部，所述出端扩散混合区与所述出端直槽道导流区和所述出端不连续导流区连通，流体经过金属板片上各条换热微通道流入出流复合导流区的出端扩散混合区，然后分别经过与出端扩散混合区两端连通的出两个出端直槽道导流区、与出端扩散混合区中部连通的出端不连续导流区后从出口孔处流出。

所述复合导流结构区域直接刻蚀在印刷电路板换热器的每一层金属板片上，由进口流入的换热工质被导流到三个区域内，分别为上半部进端直槽道导流区，中部进端不连续导流区和下半部进端直槽道导流区，三个区域导流后全部汇入进端扩散混合区内，再分配流入到每一个换热微通道里，经微通道换热后，流体全部汇入出口测的出端扩散混合区内，再分别由出端直槽道导流区、出端不连续导流区以及出端扩散混合区这三个导流区域汇入出口孔，离开换热板片。

优选的，所述进端直槽道导流区和所述出端直槽道导流区均固定有多个截面为三角形的金属挡板，多个所述形金属挡板将进端直槽道导流区和所述出端直槽道导流区均分隔成多条直线型导流槽道，所述进端扩散混合区的两端与进口孔通过两侧的所述进端直槽道导流区的导流槽道连通，所述出端扩散混合区的两端与所述出口孔通过两侧的所述出端直槽道导流区的所述导流槽道连通。

优选的，所述进端不连续导流区和所述出端不连续导流区内均固定有多排凸台，每排所述凸台均以进口孔或出口孔的圆心为中心呈扇形分布，相邻两排所述凸台之间阵列半径相差1mm，凸台中心线相差7.5°，使得后一排的凸台刚好处于前一排两相邻凸台中间。由于中部的换热微通道相对靠近进口，流程较短，若采用相同的直槽道导流，流质的流动速度较高，射流效应显著，所以将凸台交叉布置，数量可根据实际加工空间灵活设置，经多排几何图形凸台导流后，将降低流质的流速，使其与通过两端直槽道导流区的流质流速大致相同，然后将流质汇入扩散混合区，从而可以将进口孔流入的流质较为均匀地导流入各个换热微通道内。

优选的，所述进端扩散混合区和所述出端扩散混合区均呈矩形分布，所述进端扩散混合区与所述进端直槽道导流区、进端不连续导流区、以及换热微通道区域相连，所述出端扩散混合区与所述出端直槽道导流区、出端不连续导流区、以及换热微通道区域相连。

优选的，所述凸台的下端固定在金属板片上，所述凸台的上端可作为焊接支撑与上方的金属板片或上壳体进行连接。

优选的，所述凸台的截面可以为菱形、长六边形、圆形、水滴形，所述凸台的截面几何形状可根据具体流动换热工质进行设计，如水、空气、超临界二氧化碳等。

优选的，所述金属挡板的三个顶点处采用半径为2mm的倒角工艺，减少金属挡板的边角对流体流动的阻碍作用，流经直槽道导流的换热工质，流动速度上获得明显提高，可以在较长流程情况下充分流动，利于到达两端远离进口孔的换热微通道。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

一、本发明中所述的复合导流结构，即包含直槽道导流和不连续几何凸台导流两种形式的复合结构。两端距离换热微通道流程较远的区域，采用流动阻力损失较小的直线刻蚀槽道导流，中间流程较近的区域，采用不连续的几何形状凸台交叉布置导流，本发明所设计的印刷电路板换热器板片上的复合导流区域，采用通道导流和不连续几何凸台导流结合的方式，使得各个方向的流程和压降损失更加接近，从而可以将进口流入的换热工质较为均匀地导流入各个换热微通道内。具备此复合导流结构的印刷电路板换热器，可以有效提高换热效率，减少流量不均匀带来的传热恶化和局部超温等问题。

二、所述直槽道导流通道间保留一定金属板材料，形成截面为三角形的金属挡板用以分隔槽道，金属挡板的三个顶点处采用半径为2mm的倒角工艺，减少对流体流动的阻碍作用。经直槽道导流的换热工质，流动速度上获得明显提高，可以在较长流程情况下充分流动，利于到达两端远离进口孔的换热微通道。

三、本发明的不连续几何凸台，采用交叉布置的方式，既可以起到导流作用，同时为印刷电路板片之间的焊接提供支撑。相邻两几何凸台间距控制在1.5mm范围内，凸台的截面几何形状可根据具体流动换热工质进行设计，换热工质可以为水、空气、超临界二氧化碳等，凸台的截面几何形状可以为菱形、长六边形、圆形、水滴形等。由于中部的换热微通道相对靠近进口，流程较短，若采用相同的直槽道导流，流动速度较高，射流效应显著。经不连续导流区后，流体被相对均匀地分配到中部的换热微通道内，并且在不引入较大流动阻力损失的前提下，有效地缓解了中部导流的射流效应。

应用本发明采用复合导流结构，流入各条换热微通道内的流体流量与平均流量的差异小于25％。

附图说明

图1是本发明所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器的整体示意图；

图2是本发明所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器的板片示意图；

图3是本发明所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器的板片上进口孔侧的复合导流结构的示意图。

图4是本发明图3中A-A处的截面图；

图5是本发明所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器的左视剖视图；

图6是本发明所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器的板片上出口孔侧的复合导流结构的示意图。

图中：1-金属板片，2-进口管道，3-出口管道，4-上壳体，5-下壳体，6-进口孔，7-进流腔，8-进端扩散混合区，9-换热微通道，10-出口孔，11-金属挡板，12-凸台，13-进端直槽道导流区，14-进端不连续导流区，15-出端直槽道导流区，16-出端不连续导流区，17-以及出端扩散混合区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图6，本发明提供一种技术方案：一种复合导流结构印刷电路板换热器，包括壳体(未图示)、多个金属板片1、两个进口管道2、以及两个出口管道3，多个金属板片1相互层叠、且相邻金属板片1之间通过扩散焊接的方式组成印刷电路板换热器的换热组件，壳体包括上壳体4和下壳体5，上壳体4通过扩散焊接的方式固定在换热组件的上方，下壳体5通过扩散焊接的方式固定在换热组件的下方，扩散焊接是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。

两个进口管道2固定在上壳体4的上表面上，两个出口管道3固定在上壳体4的上表面上、一个进口管道2与一个出口管道3布置于同一侧，另一个进口管道2与另一个出口管道3布置于同一侧。

换热组件的每个金属板片1上都开设有两个进口孔6，每个金属板片1层叠后在换热组件上拼接成两个长进口孔，两个长进口孔分别与两个进口管道2连通，同一金属板片1上只能有一侧的进口孔6处开设进流槽、且该金属板片1上方或下方的金属板片1上只能在另一侧进口孔6处开设进流槽，进流槽可与上方的金属板片1或上壳体4组合形成进流腔7；

进流腔7内设置有进流复合导流区，进流复合导流区包括两个进端直槽道导流区13、进端不连续导流区14、以及进端扩散混合区8，两个进端直槽道导流区13与进口孔6导通、且位于进口孔6的两侧、且其末端指向进端扩散混合区8的两端，进端不连续导流区14与进口孔6导通、且位于两个进端直槽道导流区13之间、且其末端指向进端扩散混合区8的中部，进端扩散混合区8与进端直槽道导流区13和进端不连续导流区14连通，流体经过进流复合导流区的进端扩散混合区8流入金属板片1上各条换热微通道9内；

换热组件的每个金属板片1上的另一侧都开设有两个出口孔10，每个金属板片1层叠后在换热组件上拼接成两个长出口孔，两个长出口孔分别与两个出口管道3连通，同一金属板片1上只能有一侧的出口孔10处开设出流槽、且该金属板片1上方或下方的金属板片1上只能在另一侧出口孔10处开设出流槽，出流槽可与上方的金属板片1或上壳体4组合形成出流腔；

出流腔内设置有出流复合导流区，出流复合导流区包括两个出端直槽道导流区15、出端不连续导流区16、以及出端扩散混合区17，两个出端直槽道导流区15与出口孔10导通、且位于出口孔10的两侧、且其末端指向出端扩散混合区17的两端，出端不连续导流区16与出口孔10导通、且位于两个出端直槽道导流区15之间、且其末端指向出端扩散混合区17的中部，出端扩散混合区17与出端直槽道导流区15和出端不连续导流区16连通，流体经过金属板片1上各条换热微通道9流入出流复合导流区的出端扩散混合区17，然后分别经过与出端扩散混合区17两端连通的出两个出端直槽道导流区15、与出端扩散混合区17中部连通的出端不连续导流区16后从出口孔10处流出。

复合导流结构区域直接刻蚀在印刷电路板换热器的每一层金属板片1上，由进口流入的换热工质被导流到三个区域内，分别为上半部进端直槽道导流区13，中部进端不连续导流区14和下半部进端直槽道导流区13，三个区域导流后全部汇入进端扩散混合区8内，再分配流入到每一个换热微通道9里，经微通道换热后，流体全部汇入出口测的出端扩散混合区17内，再分别由出端直槽道导流区15、出端不连续导流区16以及出端扩散混合区17这三个导流区域汇入出口孔10，离开换热板片。

优选的，进端直槽道导流区13和出端直槽道导流区15均固定有多个截面为三角形的金属挡板11，多个形金属挡板11将直槽道导流区13进端和出端直槽道导流区15分隔成多条直线型导流槽道，进端扩散混合区8的两端与进口孔6通过两侧的进端直槽道导流区13的导流槽道连通，出端扩散混合区17的两端与出口孔10通过两侧的出端直槽道导流区15的导流槽道连通。

优选的，进端不连续导流区14和出端直槽道导流区15内均固定有多排凸台12，每排凸台12均以进口孔6或出口孔10的圆心为中心呈扇形分布，相邻两排凸台12之间阵列半径相差1mm，凸台12中心线相差7.5°，使得后一排的凸台12刚好处于前一排两相邻凸台12中间。由于中部的换热微通道9相对靠近进口，流程较短，若采用相同的直槽道导流，流质的流动速度较高，射流效应显著，所以将凸台12交叉布置，数量可根据实际加工空间灵活设置，经多排几何图形凸台12导流后，将降低流质的流速，使其与通过两端直槽道导流区13的流质流速大致相同，然后将流质汇入扩散混合区8，从而可以将进口孔6流入的流质较为均匀地导流入各个换热微通道9内。

优选的，进端扩散混合区8和出端扩散混合区17均呈矩形分布，进端扩散混合区8与进端直槽道导流区13、进端不连续导流区14、以及换热微通道9区域相连,。

优选的，凸台12的下端固定在金属板片1上，凸台12的上端可作为焊接支撑与上方的金属板片1或上壳体4进行连接。

优选的，凸台12的截面可以为菱形、长六边形、圆形、水滴形，凸台12的截面几何形状可根据具体流动换热工质进行设计，如水、空气、超临界二氧化碳等。

优选的，金属挡板11的三个顶点处采用半径为2mm的倒角工艺，减少金属挡板11的边角对流体流动的阻碍作用，流经直槽道导流的换热工质，流动速度上获得明显提高，可以在较长流程情况下充分流动，利于到达两端远离进口孔6的换热微通道9。

工作原理：

本发明中的复合导流结构，即包含直槽道导流和不连续几何凸台12导流两种形式的复合结构。两端距离换热微通道9流程较远的区域，采用流动阻力损失较小的直线刻蚀槽道导流，中间流程较近的区域，采用不连续的几何形状凸台12交叉布置导流，本发明所设计的印刷电路板换热器板片上的复合导流区域，采用通道导流和不连续几何凸台12导流结合的方式，使得各个方向的流程和压降损失更加接近，从而可以将进口流入的换热工质较为均匀地导流入各个换热微通道9内。具备此复合导流结构的印刷电路板换热器，可以有效提高换热效率，减少流量不均匀带来的传热恶化和局部超温等问题。

直槽道导流通道间保留一定金属板材料，形成截面为三角形的金属挡板11用以分隔槽道，三角形挡块的三个顶点处采用半径为2mm的倒角工艺，减少对流体流动的阻碍作用。经直槽道导流的换热工质，流动速度上获得明显提高，可以在较长流程情况下充分流动，利于到达两端远离进口孔6的换热微通道9。

本发明的不连续几何凸台12，采用交叉布置的方式，既可以起到导流作用，同时为印刷电路板片之间的焊接提供支撑。相邻两几何凸台12间距控制在1.5mm范围内，凸台12的截面几何形状可根据具体流动换热工质进行设计，换热工质可以为水、空气、超临界二氧化碳等，凸台12的截面几何形状可以为菱形、长六边形、圆形、水滴形等。由于中部的换热微通道9相对靠近进口孔6和出口孔10，流程较短，若采用相同的直槽道导流，流动速度较高，射流效应显著。经不连续导流区14后，流体被相对均匀地分配到中部的换热微通道9内，并且在不引入较大流动阻力损失的前提下，有效地缓解了中部导流的射流效应。

应用本发明采用复合导流结构，流入各条换热微通道9内的流体流量与平均流量的差异小于25％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种复合导流结构印刷电路板换热器，包括壳体、多个金属板片（1）、两个进口管道（2）、以及两个出口管道（3），其特征在于：多个所述金属板片（1）相互层叠、且相邻金属板片（1）之间通过扩散焊接的方式组成印刷电路板换热器的换热组件，所述壳体包括上壳体（4）和下壳体（5），所述上壳体（4）通过扩散焊接的方式固定在换热组件的上方，所述下壳体（5）通过扩散焊接的方式固定在换热组件的下方，

两个所述进口管道（2）固定在上壳体（4）的上表面上，两个所述出口管道（3）固定在上壳体（4）的上表面上、所述一个进口管道（2）与所述一个出口管道（3）布置于同一侧；

所述换热组件的每个金属板片（1）上都开设有两个进口孔（6），每个所述金属板片（1）层叠后在换热组件上拼接成两个长进口孔，两个所述长进口孔分别与两个进口管道（2）连通，同一所述金属板片（1）上只能有一侧的进口孔（6）处开设进流槽、且该所述金属板片（1）上方或下方的金属板片（1）上只能在另一侧进口孔（6）处开设进流槽，所述进流槽可与上方的金属板片（1）或上壳体（4）组合形成进流腔（7）；

所述进流腔（7）内设置有进流复合导流区，所述进流复合导流区包括两个进端直槽道导流区（13）、进端不连续导流区（14）、以及进端扩散混合区（8），两个所述进端直槽道导流区（13）与所述进口孔（6）导通、且位于所述进口孔（6）的两侧、且其末端指向所述进端扩散混合区（8）的两端，所述进端不连续导流区（14）与所述进口孔（6）导通、且位于两个所述进端直槽道导流区（13）之间、且其末端指向所述进端扩散混合区（8）的中部，所述进端扩散混合区（8）与所述进端直槽道导流区（13）和所述进端不连续导流区（14）连通，流体经过所述进流复合导流区的所述进端扩散混合区（8）流入所述金属板片（1）上各条换热微通道（9）内；

所述换热组件的每个金属板片（1）上的另一侧都开设有两个出口孔（10），每个所述金属板片（1）层叠后在换热组件上拼接成两个长出口孔，两个所述长出口孔分别与两个出口管道（3）连通，同一所述金属板片（1）上只能有一侧的出口孔（10）处开设出流槽、且该所述金属板片（1）上方或下方的金属板片（1）上只能在另一侧出口孔（10）处开设出流槽，所述出流槽可与上方的金属板片（1）或上壳体（4）组合形成出流腔；

所述出流腔内设置有出流复合导流区，所述出流复合导流区包括两个出端直槽道导流区（15）、出端不连续导流区（16）、以及出端扩散混合区（17），两个所述出端直槽道导流区（15）与所述出口孔（10）导通、且位于所述出口孔（10）的两侧、且其末端指向所述出端扩散混合区（17）的两端，所述出端不连续导流区（16）与所述出口孔（10）导通、且位于两个所述出端直槽道导流区（15）之间、且其末端指向所述出端扩散混合区（17）的中部，所述出端扩散混合区（17）与所述出端直槽道导流区（15）和所述出端不连续导流区（16）连通，流体经过所述金属板片（1）上各条所述换热微通道（9）流入所述出流复合导流区的所述出端扩散混合区（17），然后分别经过与所述出端扩散混合区（17）两端连通的两个所述出端直槽道导流区（15）、与所述出端扩散混合区（17）中部连通的所述出端不连续导流区（16）后从所述出口孔（10）处流出；

所述进端直槽道导流区（13）和所述出端直槽道导流区（15）均固定有多个截面为三角形的金属挡板（11），多个所述金属挡板（11）将进端直槽道导流区（13）和所述出端直槽道导流区（15）均分隔成多条直线型导流槽道，所述进端扩散混合区（8）的两端与所述进口孔（6）通过两侧的所述进端直槽道导流区（13）的所述导流槽道连通，所述出端扩散混合区（17）的两端与所述出口孔（10）通过两侧的所述出端直槽道导流区（15）的所述导流槽道连通；

所述进端不连续导流区（14）和所述出端不连续导流区（16）内均固定有多排凸台（12），每排所述凸台（12）均以进口孔（6）或出口孔（10）的圆心为中心呈扇形分布，相邻两排所述凸台（12）之间阵列半径相差1mm，凸台（12）中心线相差7.5°，使得后一排的凸台（12）刚好处于前一排两相邻凸台（12）中间。

2.根据权利要求1所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器，其特征在于：所述进端扩散混合区（8）和所述出端扩散混合区（17）均呈矩形分布，所述进端扩散混合区（8）与所述进端直槽道导流区（13）、所述进端不连续导流区（14）、以及所述换热微通道（9）区域相连，所述出端扩散混合区（17）与所述出端直槽道导流区（15）、所述出端不连续导流区（16）、以及所述换热微通道（9）区域相连。

3.根据权利要求1所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器，其特征在于：所述凸台（12）的下端固定在金属板片（1）上，所述凸台（12）的上端可作为焊接支撑与上方的金属板片（1）或上壳体（4）进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器，其特征在于：所述凸台（12）的截面为菱形、长六边形、圆形、水滴形。

5.根据权利要求1所述的一种复合导流结构印刷电路板换热器，其特征在于：所述金属挡板（11）的三个顶点处采用半径为2mm的倒角工艺。