CN112272444A - 一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体 - Google Patents

Abstract

一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，包括若干带有热流体通道的热板片和冷流体通道的冷板片；所述热板片和冷板片的上下两面分别为具有带有半圆弧的面A和平面B，带有半圆弧的面A和带有半圆弧的面A对称连接，形成圆截面通道；所述平面B与平面B连接，构成冷热流体通道间的壁面。本发明能大幅度减小芯体所受的应力，也能减小芯体体积，使得换热器结构更加紧凑，能承受更大压力和更高温度。

Description

一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体

技术领域

本发明涉及换热装置技术领域，特别涉及一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体。

背景技术

印刷电路板换热器(printed circuit heat exchanger,PCHE)因结构紧凑，耐高温高压，单位体积换热量大等特点被广泛应用在化工、航空航天、石油、电力、制冷等诸多领域。作为印刷电路板换热器的核心部件，芯体提供了冷热(低温、高温)流体流动换热的场所，承受着换热流体的高温与高压。工业中通常采用光化学蚀刻的方法在金属板片上蚀刻出当量直径1mm左右的半圆形微通道，构成冷热板片，再通过扩散焊接技术将冷热板片依次连接形成芯体。

由于长时间工作在高温或高压环境，芯体长期承受高压工质带来的机械应力和温度场中金属材料不能自由热胀冷缩引起的热应力。尤其是在下一层板片半圆通道和上一层板片底部的连接处，半圆的圆弧和直径构成了两个导致应力集中的尖角，如图1所示，尽管扩散焊接时尖角会有微小的圆弧过渡，但尖角处的机械应力和热应力还是远大于其余位置，极易引起局部的过度塑性变形，导致材料失效芯体报废。通常情况下温度越高，金属材料的许用应力越低，对于一些高温条件下(如高温气冷堆，高温工质的温度在1100K以上)工作的印刷电路板换热器，如何降低芯体所受应力，保证芯体材料不失效，构成了一项新的技术挑战。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，能大幅度减小芯体所受的应力，也能减小芯体体积，使得换热器结构更加紧凑，能承受更大压力和更高温度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，包括若干带有热流体(高温流体)通道1′的热板片3′和冷流体(低温流体)通道2′的冷板片4′；

所述热板片3′和冷板片4′的上下两面分别为具有带有半圆弧的面A和平面B，带有半圆弧的面A和带有半圆弧的面A对称连接，形成圆截面通道；

所述平面B与平面B连接，构成冷热流体通道间的壁面。

进一步地，所述热板片3′和冷板片4′为金属板片。

进一步地，所述热流体(高温流体)通道1′和冷流体(低温流体)通道2′采用光化学蚀刻方法在金属板片上蚀刻出半圆截面的微通道，沿流动方向通道的形状可以是直线、正(余)弦、Z(之)字形或其他组合形式，蚀刻完的金属板片构成热板片3′和冷板片4′。

进一步地，所述热板片3′和冷板片4′在扩散焊接时两片热板片3′或冷板片4′的A面和A面对称连接。

进一步地，所述热板片3′和冷板片4′在扩散焊接时热板片3′的B面和冷板片4′的B面连接。

进一步地，所述热板片3′和冷板片4′依次周期性连接形成完整芯体且去除了盖板5。

本发明的有益效果：

本发明所述的一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，在传统半圆截面通道板片蚀刻工艺的基础上，将扩散焊接的表面进行调整，从而使原有的半圆截面通道变为新的圆形截面通道，消除了半圆截面圆弧与平面连接处的尖角，大幅度减小了冷热流体通道的热应力与机械应力，使芯体在材料不变的基础上能承受更高的温度和压力，工艺简单。

另一方面，新型芯体调整了扩散焊接的表面，因此不再需要传统芯体最顶层的盖板5；相同当量直径下，圆形的半径小于半圆，因此可以在更薄的金属板上蚀刻更多的微通道，一定程度上减小了芯体的体积，使得换热器结构更加紧凑。

附图说明

图1为应力集中位置示意图。

图2a为传统芯体示意图。

图2b为本发明的芯体结构示意图。

图3为本发明的扩散焊接过程示意图。

图4a为传统芯体热应力分布图。

图4b为本发明芯体热应力分布图。

图5a为传统芯体机械应力分布图。

图5b为本发明芯体机械应力分布图。

其中，1和2为传统半圆截面通道、3和4为传统芯体热板片或冷板片、5为盖板、1′为新型芯体热流体通道、2′为新型芯体冷流体通道、3′为新型芯体热板片、4′为新型芯体冷板片。

其中，A为板片上带有半圆弧的面、B为板片上的平面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2a和图2b所示，本发明提供了一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，所述芯体包含若干带有热流体(高温流体)通道1′的热板片3′和冷流体(低温流体)通道2′的冷板片4′。所述热流体(高温流体)通道1′和冷流体(低温流体)通道2′采用光化学蚀刻方法在金属板片上蚀刻出半圆截面的微通道，沿流动方向通道的形状可以是直线、正(余)弦、Z(之)字形或其他组合形式，蚀刻完的金属板片构成热板片3′和冷板片4′。

如图3所示，所述热板片3′和冷板片4′都具有带有半圆弧的面A和平面B，所述热板片3′和冷板片4′在扩散焊接时两片热板片3′或冷板片4′的A面和A面对称连接，两个对称面A形成圆截面通道；所述热板片3′和冷板片4′在扩散焊接时热板片3′的B面和冷板片4′的B面连接，构成冷热流体通道间的壁面。所述热板片3′和冷板片4′依次周期性连接形成完整芯体，去除了顶层盖板5。最后在换热器芯体两端加装封头和接管得到完整的印刷电路板换热器。

在热流体通道(热通道)和冷流体通道(冷通道)温度分别为810.25K、760.75K，压力分别为8.4MPa、21.3MPa，金属材料为SUS316且换热通道当量直径和通道总数不变的前提下，采用有限元方法计算对比了传统半圆截面通道芯体和新型芯体应力大小和分布，重点分析了沿冷热通道路径的应力大小与分布，如图4和图5所示。

图4(a)和(b)分别为传统半圆截面通道芯体和新型芯体沿冷热通道路径的热应力大小与分布，可知，新型芯体热应力明显小于传统芯体热应力，且最大热应力和最小热应力之比也明显小于前者，这表明新型芯体热应力分布较传统芯体更均匀，且热应力大幅度减小。

图5(a)和(b)分别为传统半圆截面通道芯体和新型芯体沿冷热通道路径的机械应力大小与分布，可知，新型芯体机械应力明显小于传统芯体机械应力，尤其是冷通道，新型芯体最大机械应力仅为传统芯体最大机械应力的1/10，且应力分布非常均匀，未出现图5(a)中两处尖角位置应力急剧增大的现象。

图4、5的结果表明在芯体材料不变的基础上，新型芯体能大幅减小所受热应力和机械应力，可以工作在更高压和更高温的条件下而不超过其规定的许用应力。另一方面，相同当量直径下，圆形的半径小于半圆，可以在更薄的金属板上蚀刻更多的微通道，且由于去除了顶层盖板，一定程度上减小了芯体的体积，使得换热器结构更加紧凑。

需要注意的是，以上描述只是本发明的优选示例而已，本发明并不仅限于此，任何在本发明的精神和原则之内的修改、同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，包括若干带有热流体通道(1′)的热板片(3′)和冷流体通道(2′)的冷板片(4′)；

所述热板片(3′)和冷板片(4′)的上下两面分别为具有带有半圆弧的面A和平面B，带有半圆弧的面A和带有半圆弧的面A对称连接，形成圆截面通道；

所述平面B与平面B连接，构成冷热流体通道间的壁面。

2.根据权利要求1所述的一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述热板片(3′)和冷板片(4′)为金属板片。

3.根据权利要求1所述的一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述热流体通道(1′)和冷流体通道(2′)采用光化学蚀刻方法在金属板片上蚀刻出半圆截面的微通道，沿流动方向通道的形状为直线、正(余)弦、Z(之)字形或其他组合形式，蚀刻完的金属板片构成热板片(3′)和冷板片(4′)。

4.根据权利要求1所述的一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述热板片(3′)和冷板片(4′)在扩散焊接时两片热板片(3′)或冷板片(4′)的A面和A面对称连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述热板片(3′)和冷板片(4′)在扩散焊接时热板片(3′)的B面和冷板片(4′)的B面连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于减小应力的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述热板片(3′)和冷板片(4′)依次周期性连接形成完整芯体且去除了盖板(5)。

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