CN112361851A - 一种印刷电路板换热器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及换热器技术领域，提供一种印刷电路板换热器。该印刷电路板换热器包括螺旋结构件和堆叠设置的多层换热板片，所述换热板片设有通孔，多层所述换热板片的通孔连通形成进口通道，多层所述换热板片之间的流体通道的入口与所述进口通道连通，所述螺旋结构件设置于所述进口通道内。通过在进口通道内设置螺旋结构件，将进口通道内流体的垂直流动转换为螺旋流动，使流体的流动速度方向与换热板片的夹角减小，并产生离心力。在离心力作用下进入各层流体通道中，减小了流体进入流体通道的进口阻力，改善了进入到每层流体通道的流体流量不均匀的问题，提高了印刷电路板换热器的换热性能。

Description

一种印刷电路板换热器

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种印刷电路板换热器。

背景技术

印刷电路板换热器是采用扩散焊接技术将刻有微细通道的换热板片进行堆叠焊接而成，其具有结构紧凑，承压能力强的特点，在液化天然气及超临界二氧化碳换热系统具有广阔的应用前景。

印刷电路板换热器的每一层换热板片对应位置设有两个通孔，多个换热板片堆叠起来后，形成了板式换热器的两个进口通道。热流体和冷流体分别通入不同的进口通道后，从进口通道进入各层换热板片之间的流体通道内。然而，由于进口通道的入口端流体的速度方向与换热板片垂直，使进口通道内的热流体或冷流体进入到每层流体通道内的流量不一致，引起严重的流动不均匀性，从而影响板式换热器的换热性能。

发明内容

本发明实施例提供一种印刷电路板换热器，用以解决现有的印刷电路板换热器中，流体从进口通道进入每层流体通道内的流量不一致，而影响其换热性能的问题。

本发明实施例提供一种印刷电路板换热器，包括螺旋结构件和堆叠设置的多层换热板片，所述换热板片设有通孔，多层所述换热板片的通孔连通形成进口通道，所述换热板片之间的流体通道的入口与所述进口通道连通，所述螺旋结构件设置于所述进口通道内。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，所述螺旋结构件的螺距从所述进口通道的入口端到相对端逐渐减小。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，所述螺旋结构件的螺旋半径从所述进口通道的入口端到相对端逐渐减小。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，所述螺旋结构件向靠近所述流体通道的入口的一侧偏心。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，所述螺旋结构件的螺旋偏心距从所述进口通道的入口端到相对端逐渐减小。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，所述螺旋结构件为一体成型式结构。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，所述螺旋结构件与所述进口通道的侧壁固定连接。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，还包括中心柱，所述螺旋结构件安装于所述中心柱。

根据本发明一个实施例的印刷电路板换热器，所述螺旋结构件包括导流板，多个所述导流板螺旋盘绕于所述中心柱。

本发明实施例提供的印刷电路板换热器，通过在进口通道内设置螺旋结构件，将进口通道内流体的垂直流动转换为螺旋流动，使流体的流动速度方向与换热板片的夹角减小，并产生离心力。在离心力作用下进入各层流体通道中，减小了流体进入流体通道的进口阻力，改善了进入到每层流体通道的流体流量不均匀的问题，提高了印刷电路板换热器的换热性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是现有技术中印刷电路板换热器的结构示意图；

图2是现有技术中印刷电路板换热器的侧视图；

图3是本发明实施例中安装有等螺距螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图；

图4是本发明实施例中安装有变螺距螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图；

图5是本发明实施例中安装有变螺旋半径的螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图；

图6是本发明实施例中安装有偏心螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图；

图7是本发明实施例中安装有等螺距螺旋结构件和未安装螺旋结构件的印刷电路板换热器流体流量不均匀率对比图；

图8是本发明实施例中安装有梯度螺距螺旋结构件和未安装螺旋结构件的印刷电路板换热器流体流量不均匀率对比图；

图9是本发明实施例中安装有融合设计的偏心螺旋结构件和未安装螺旋结构件的印刷电路板换热器流体不均匀率对比图；

图10是本发明实施例中变螺距螺旋结构件的结构示意图；

图11是本发明实施例中变螺旋半径螺旋结构件的结构示意图；

图12是本发明实施例中的偏心螺旋结构件示意图。

附图标记：

1、换热板片；11、进口通道；12、冷流体进口；13、冷流体出口；14、热流体进口；15、热流体出口；2、螺旋结构件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定。“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合图1-图10描述本发明实施例的印刷电路板换热器。

如图1所示为现有技术中印刷电路板换热器的结构示意图。印刷电路板换热器包括堆叠设置的多层换热板片1，每层换热板片1上对应设有冷流体进口12、冷流体出口13、热流体进口14、热流体出口15，堆叠之后由冷流体进口12形成冷流体的进口通道，由热流体进口14形成热流体的进口通道，本发明实施例将其统称为流体的进口通道11，如图2所示为现有技术中印刷电路板换热器的侧视图，该图简要示意了冷流体或者热流体的进出通道。

流体在进口通道11内呈垂直于换热板片1的方向流动，在靠近进口通道11入口端的区域，由于流体流速较大，流动阻力较大，使靠近入口端的流体通道内的流体流量较少；而沿流体沿进口通道方向进入各层流体通道的流体流量逐渐增多，大部分流体都通向进口通道11的相对端，使得流体不能够均匀流向各层换热板片1之间的流体通道内，则相应的沿流体流动方向上的各层换热板的换热量不均匀，影响了印刷电路板换热器的换热性能。

针对以上问题，本发明提供一种印刷电路板换热器，该印刷电路板换热器包括堆叠设置的多层换热板片1和螺旋结构件2，换热板片1设有通孔，多层换热板片1的通孔连通而形成进口通道11，多层换热板片1之间的流体通道的入口与进口通道11连通，螺旋结构件设置于进口通道11内。其中，螺旋结构件2的长度方向与进口通道11的长度方向相同，将螺旋结构件2置于进口通道11内，使流体在进口通道11内呈螺旋流动。如图3-图6所示为本发明实施例中安装有螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图。

其中，通孔包括第一通孔和第二通孔，进口通道11包括冷流体进口通道和热流体进口通道。多个第一通孔连通而形成冷流体进口通道，冷流体的流体通道与冷流体进口通道连通；多个第二通孔连通而形成热流体进口通道，热流体的流体通道入口与热流体进口通道连通。冷流体进口通道和热流体进口通道内分别设置有螺旋结构件2。

本发明提供的印刷电路板换热器，通过在进口通道11内设置螺旋结构件，将进口通道11内流体的垂直流动转换为螺旋流动，使流体的流动速度方向与换热板片的夹角减小，并产生离心力。冷热流体在离心力作用下进入对应各层的流体通道中，减小了流体进入流体通道的进口阻力，改善了进入到每层流体通道的流体流量不均匀的问题，提高了印刷电路板换热器的换热性能。当螺旋结构件的螺旋密度足够大时，可使流体以近似于与换热板片平行的方向进入流体通道中。

本发明实施例对含有31层流体通道的板式换热器实验样件进行模拟试验对比。如图7所示为本发明实施例安装有等螺距螺旋结构件和未安装螺旋结构件的流体流量不均匀率对比图。进口通道11内未安装螺旋结构件2时，从进口通道11入口端第1层到相对端第31层，进入各层换热板片1之间的流体通道的流体流量呈现非常高的不均匀性。流体垂直于换热板片进入进口通道内并沿进口通道流动，由于进口阻力的影响，靠近进口通道入口端的几层流体通道的流体流量较少，而沿流体在进口通道方向进入各层流体通道的流体流量越来越多，且较大部分流体直接贯通到进口通道的相对端。

因此，本发明一个实施例中，螺旋结构件2的一端位于进口通道11的入口端，另一端位于进口通道11相对端。如图7所示，从入口端第1层到第13层的流体通道内流体流量的不均匀性低于-15％，从第23层到相对端第31层的流体通道内流体流量的不均匀性高于﹢15％，且整体呈上升的趋势。

本发明一个实施例中，螺旋结构件2为等螺距螺旋结构。如图3所示为本发明实施例中安装有等螺距螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图。从图7中可见，在进口通道11内安装等螺距的螺旋结构件后，从进口通道11的入口端到相对端，各层流体通道内的流体流量不均匀性得到明显改善。

根据伯努利定理可知，对于不可以压缩流体，流体在螺旋流道内流动时，在通道的任意截面都存在以下定理：

ρ₁v₁A₁＝ρ₂v₂A₂

其中，ρ₁和ρ₂分别为螺旋流道的两个不同位置的流体的密度，v₁和v₂分别为螺旋流道的两个不同位置的流体的流速，A₁和A₂分别为螺旋流道的两个不同位置的横截面积。

本实施例中的热流体和冷流体在印刷电路板换热器内处于流动过程中，其密度变化可以忽略不计，即ρ₁＝ρ₂，视为不可压缩流体，且螺旋流道横截面积会随螺距的增大而增大，则可推知，通过改变螺旋结构件的螺距，可以改变螺旋流道内的流体的流速，且螺距越大，流体的流速越小。

又根据离心力作用公式：

其中，R为螺旋流道内流体旋转运动的半径，m螺旋流道内流体的流量，v为螺旋流道内流体的流速。可以看出，在螺旋结构件的螺旋半径一定时，螺旋流道内流体的旋转运动半径也一定，则当流体流速减小时，其所受到的离心力也相应减小，从而使得进入流体通道内的流量降低。

从图7中可以看出，在等螺距螺旋结构件作用下，进口通道靠近入口端的流体流速明显增大，靠近相对端的流体流速明显减小，且靠近入口端和相对端的流体流速均高于平均值，而中间区域的流体流速低于平均值。因此，为了进一步改善进入各层流体通道内的流体流量的均匀性。本发明实施例基于上述原理，通过调节螺旋结构件2的螺间距来调节进入各层流体通道的流体流量。如图10所示为本发明实施例中变螺距螺旋结构件的结构示意图。本发明实施例中，螺旋结构件2的螺距进口通道11的入口端到相对端逐渐减小。由于进口通道的相对端是封闭的，通过减小靠近进口通道相对端的螺旋结构件的螺距，可以增加螺旋流道后段的流动阻力，迫使流体更多的进入中间区域的流体通道。同时减小螺旋结构件的螺距，还可以弥补流量减小带来的流速降低的不利影响，使得进入所有流体通道的流速趋于均匀。例如，螺旋结构件2的螺距沿进口通道11的流体流通方向呈由大到小的梯度变化。当然，螺旋结构件2从进口通道11入口端到相对端的螺距可均匀连续的从大变小，也可以间断的从大变小，具体可根据实际进口通道11内的流体动力学特性调整，本发明实施例不做具体限定。

如图4所示为本发明实施例中安装有变螺距的螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图，如图8所示为安装有梯度螺距螺旋结构件和未安装螺旋结构件的印刷电路板换热器流体流量不均匀率对比图。比较图7和图8可见，安装有梯度螺距螺旋结构件的印刷电路板换热器相比于安装有等螺距螺旋结构件的印刷电路板换热器，各层流体通道内的流体流量均匀性得到进一步提高,相比于没有安装螺旋结构件的印刷电路板换热器，各层流体流道内的流体流量均匀性提高了80％。

根据上述伯努利定理和离心力公式可知，当螺距一定时，即螺旋流道的横截面积一定时，可以保证流体的流速一致，则螺旋半径越大流体受到的离心力越小。因此，本发明实施例中，通过调节螺旋结构件的螺旋半径来调节螺旋流道内流体的离心力，从而调节进入流体通道内的流体流量。

具体的，螺旋结构件2的螺旋半径从进口通道11的入口端到相对端逐渐减小。通过减小螺旋半径，增大靠近进口通道11入口端的流体的离心力，从而增大进入靠近进口通道11的入口端的流体通道的流体流量，使沿整个进口通道11长度方向上各层流体通道内的流体量趋于均匀。

如图11所示为本发明实施例中变螺旋半径螺旋结构件的结构示意图，如图5所示为本发明实施例中安装有变螺旋半径螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图。当然，也可以在变螺距的情况下，结合变螺旋半径来综合调节进入各层流体通道的流体流量。螺旋结构件2从进口通道11入口端到相对端的螺旋半径可均匀连续的从大变小，也可以间断的从大变小，具体可根据实际进口通道11内的流体动力学特性调整，本发明实施例不做具体限定。

上述实施例中，通过调节螺旋结构件2的螺距和螺旋半径调节进入每一层流体通道的流体流量，起到对各层流体通道分流的作用，使流体均匀的进入各层流体通道，从而提高印刷电路板换热器的换热性能。

进一步的，考虑到流体通道入口位于进口通道11的一侧，本发明实施例中，螺旋结构件2向靠近流体通道的入口的一侧偏心。通过偏心螺旋结构件使流体向流体通道入口的一侧偏移，可减小流体在进口通道内的流体通道入口处速度方向与流体通道入口内速度方向的夹角，减小流体的速度损失，从而减小流体的压降，有利于流体进入流体通道内。

进一步的，还可以通过调节沿螺旋结构件长度方向上的螺旋偏心距来调节进口通道11不同位置的流体速度方向。具体的，螺旋结构件2的螺旋偏心距从进口通道11的入口端到相对端逐渐减小。如图12所示为本发明实施例中的偏心螺旋结构件示意图，如图6所示为本发明实施例中安装有偏心螺旋结构件的印刷电路板换热器的结构示意图。需要说明的是，螺旋结构件2从进口通道11入口端到相对端的偏心距可均匀连续的从大变小，也可以间断的从大变小，具体可根据实际进口通道11内的流体动力学特性调整，本发明实施例不做具体限定。

本发明实施例中，螺旋结构件2可以为一体成型式结构，如螺旋片。螺旋结构件2可与进口通道11的侧壁固定连接，如螺旋结构件2外侧边缘的部分或全部与进口通道11侧壁固定连接；螺旋结构件2也可活动放置于进口通道11内，以方便其拆卸。其中，由于印刷电路板换热器是通过若干换热板堆叠焊接而成，可通过调整每块换热板的通孔大小，使得进口通道11的内侧壁与螺旋结构件2的外形相适配，即螺旋结构件2整个外侧边缘与进口通道11的侧壁相接触或连接，形成螺旋结构件2与进口通道11的融合设计，这样可以在进口通道11内形成完全的螺旋流道。从而进一步提高印刷电路板换热器中各层换热板片1之间的流体通道内流体流量的均匀性，减小压降。如图6所示，偏心螺旋结构件2与进口通道11进行了融合设计。如图9所示为本发明实施例中安装有融合设计的偏心螺旋结构件和未安装螺旋结构件的印刷电路板换热器流体不均匀率对比图。可见，融合设计的螺旋结构件具有更加显著的均匀分流效果。

本发明实施例提供的印刷电路板换热器还包括中心柱，螺旋结构件2安装于中心柱。中心柱可方便螺旋结构件2的安装和拆卸时的拿取操作。还可以在印刷电路板换热器进口通道相对端的侧壁上设置用于定位中心柱的定位部如与中心柱端部配合的定位槽。当螺旋结构件2为变半径螺旋结构时，为了使螺旋结构件能够稳定安装于进口通道内，可以将螺旋结构件2最大的螺旋半径设置为与进口通道半径一致，最小螺旋半径所对应的相对端与定位槽装配定位，从而实现螺旋结构件2的定位安装。其中，当螺旋结构件2为变半径螺旋结构时，为保证螺旋结构件2在半径小的位置具有足够的流道空间，半径小的螺旋段处，中心柱的直径可适当调小。螺旋结构件2与中心柱一体成型或焊接固定或者可拆卸连接。

其中，螺旋结构件2可以为一体成型的螺旋片，也可为包括多个导流板的结构，多个导流板螺旋盘绕于中心柱，以便于螺旋结构件的加工生产。导流板与中心柱可通过焊接固定；也可以可拆卸连接，如通过卡扣连接，这样可通过调节导流板沿中心柱轴线方向的排布密度来调节螺距，或者通过更换导流板的尺寸来调节螺旋的半径，或者通过调节导流板的形状来调节螺旋的偏心距。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种印刷电路板换热器，包括堆叠设置的多层换热板片，其特征在于，还包括螺旋结构件，所述换热板片设有通孔，多层所述换热板片的通孔连通形成进口通道，多层所述换热板片之间的流体通道的入口与所述进口通道连通，所述螺旋结构件设置于所述进口通道内。

2.根据权利要求1所述的印刷电路板换热器，其特征在于，所述螺旋结构件的螺距从所述进口通道的入口端到相对端逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的印刷电路板换热器，其特征在于，所述螺旋结构件的螺旋半径从所述进口通道的入口端到相对端逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的印刷电路板换热器，其特征在于，所述螺旋结构件向靠近所述流体通道的入口的一侧偏心。

5.根据权利要求4所述的印刷电路板换热器，其特征在于，所述螺旋结构件的螺旋偏心距从所述进口通道的入口端到相对端逐渐减小。

6.根据权利要求1～5任一项所述的印刷电路板换热器，其特征在于，所述螺旋结构件为一体成型式结构。

7.根据权利要求1～5任一项所述的印刷电路板换热器，其特征在于，所述螺旋结构件与所述进口通道的侧壁固定连接。

8.根据权利要求1～5任一项所述的印刷电路板换热器，其特征在于，还包括中心柱，所述螺旋结构件安装于所述中心柱。

9.根据权利要求8所述的印刷电路板换热器，其特征在于，所述螺旋结构件包括导流板，多个所述导流板螺旋盘绕于所述中心柱。

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