CN113091486B - 一种微通道换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通道换热器，包括多个板片，板片上设置了镂空的有的汇流区、分流区、通道区，多个板片重叠实现了冷热流体流动的合理组织，使其各行其道，形成逆流，有利于强化换热，利用多个板片组合堆叠，能够以很短的生产流程一次完成微通道换热器的加工制造，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种微通道换热器
技术领域
本发明涉及扩散焊接技术领域，特别涉及一种微通道换热器。
背景技术
热交换器一直是能源动力系统中起到能量转换作用的关键设备。高效能源动力系统的构建离不开耐受温度压力高、换热效率高、紧凑度高的换热器。随着航空航天、石油化工、动力发电等领域的进一步发展，各种系统运行的温度压力条件越来越高，对换热器的温度压力承受范围提出更高的要求，比如，加氢机用换热器，热冷两侧绝对压差可达70MPa；又如，超临界二氧化碳布雷顿循环中回热器的热侧流体温度压力为500℃、8MPa，冷侧约为100℃、20MPa。
印刷电路板换热器(PCHE)，目前是一种最为高效紧凑的新型热交换器。主要换热元件为金属板片，板片通过蚀刻方法加工有微通道，板片间通过扩散焊接组成单元模块；然后，通过将多个模块焊接到一块形成冷热流体通道，板片两侧分别通入冷热两种流体；最后，将芯体、集箱、接管等部件进行组焊装配，形成新型高效紧凑型焊接式微通道热交换器。PCHE核心元件为热交换板片，其结构特点为：流道截面形状一般为半圆形，截面当量直径一般≤4mm，流道经蚀刻或精密加工而成。PCHE芯体结构特点为：由冷热换热板片交替排列，经真空扩散焊接而成的整体金属块。PCHE的优点是：1.传热效率98％以上，最小温差<1℃；2.承压可以达到90MPa以上、耐温范围-196～800℃；3.紧凑度高达1500m2/m3以上；4.焊缝强度十分接近母材，具有极高安全性和稳定性。
PCHE生产过程不环保，且综合制造成本较高，不利于大规模推广应用。本发明提供一种环保、低成本规模化制造微通道换热器的方法，所得产品的性能经商业用户实际测试与PCHE相差无几。
目前以PCHE为代表的微通道换热器的加工工艺流程过于复杂，制造成本过高，不利于推广应用。它的主要技术缺陷在于：
PCHE板片主要采用刻蚀工艺，有大量金属原料溶解到刻蚀液形成危废，不仅不能利用还需要花成本去处理，且容易受到环保政策的限制，生产成本比较高且难以保障工期；对于钛合金等难以刻蚀的金属，少量可以考虑用机加解决，大量就束手无策。
PCHE芯体焊接完成后还需要焊接集箱，多个集箱通常都要锻造、机加、焊接，对焊工资质和技能有较高的要求，材料、刀具、工时等成本都比较高，并且集箱容积可能达到压力容器的标准而受国家相关部门按特种设备进行监管，那就必须要有相应的质保文件。
PCHE中冷热流体通常都是错流形式的，也有能够实现部分逆流的，只有很少数可以实现完全的逆流换热。错流的流道布局，造成外形不规整，包装尺寸大，增加物流成本；占用安装空间大，影响整体美观。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种微通道换热器，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种微通道换热器，包括：板片A1、板片B2、板片C3、板片D4、顶板30和底板31，板片A1、板片B2、板片C3和板片D4均为厚度为0.3-1.5mm的长方形镜面金属板材。
所述板片A1表面由左至由排列以此为：汇流区A10、分流区A11、通道区A12、分流区B13、汇流区B14，分流区A11与分流区B13位置对称，汇流区A10与汇流区B14位置对称。
汇流区A10由若干条横向的汇流孔道A15纵向等距摆列形成；通道区A12由若干条的横向的通道孔A16纵向等距摆列形成；分流区A11由两个方形孔17纵向摆列形成，其中上端的方形孔17的上沿与最上方一排的汇流孔道A15和通道孔A16平行，两个方形孔17之间为通道孔A16的延伸，下端的方形孔17下方也有通道孔A16的延伸，该延伸的最下方一排与最下方一排的汇流孔道A15和通道孔A16平行。分流区B13的结构与分流区A11旋转180°的结构相同，汇流区B14由若干条横向的汇流孔道A15纵向等距摆列形成，分流区B13中通道孔A16的延伸继续延伸至与汇流区B14的汇流孔道A15连接。
板片B2表面分为：两个汇流区C20、两个分流区C21、通道区C22,由左至右排列顺序依次为：汇流区C20、分流区C21、通道区C22、分流区C21、汇流区C20，两个汇流区C20位置对称、两个分流区C21位置对称。
汇流区C20由若干条纵向的汇流孔道B23横向等距摆列形成；通道区C22若干条纵向的通道孔B24横向等距摆列形成；分流区C21由四个方形孔17纵向等距排列形成，汇流孔道B23、通道孔B24以及四个方形孔17纵向排列的长度相同。
板片C3由两个汇流区10和两个分流区C21构成，排列顺序从左至右依次为汇流区10、分流区C21、分流区C21、汇流区10。板片D4由两个分流区C21构成。
微通道换热器从上至下的叠放顺序是：最上面是顶板30，然后依次向下是板片A1、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件A5，然后是板片A1沿短边翻转180°、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件B6，上述组合件A5和组合件B6的可根据需要重复多组，然后向下是板片D4，
板片D4向下是板片A1旋转180°、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件C7，然后是板片A1沿长边翻转180°、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件D8，上述的组合件C7和组合件D8也可根据需要重复多组，组合数量与组合件A5和组合件B6一致，最后是底板31。
将组合件A5、组合件B6、组合件C7、组合件D8码放整齐，上下压实，从侧面用氩弧焊先进行固定，然后送入真空扩散焊炉进行焊接了，焊接完成后整体外观是长方体实体。
顶板30上开有热侧入口32和冷侧入口33，底板31上开有热侧出口34、冷侧出口35，热侧入口32位置对应板片A1的汇流区B14，冷侧入口33对应板片A1的汇流区A10，热侧出口34和冷侧出口35的位置分别对应板片C3的两个汇流区10。
热侧入口32和冷侧入口33、热侧出口34、冷侧出口35上加工出锥螺纹或者焊接上连接法兰，即完成了微通道换热器的组装。
作为优选，所述通道孔A16、通道孔B24、汇流孔道A15和汇流孔道B23的宽度不超过3mm，间距宽度为1～2mm。
作为优选，如果需要构建两级换热器串联的换热器，可首先按照上述叠放顺序组装出两个微通道换热器，将其中一个作为第一级微通道换热器，另外一个作为第二级微通道换热器。将第二级微通道换热器整体水平旋转180°，将第一级换热器热流体出口与第二级换热器热流体入口用外部管道连通，将第二级换热器冷流体出口与第一级换热器冷流体入口用外部管道连接即可，热流体从第一级换热器的热流体入口进入，从第二级换热器的热流体出口流出，冷流体从第二级换热器的冷流体入口进入，从第一级换热器冷流体出口流出。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
板片为镂空结构，便于采用冲压、激光加工等通用的加工方式，同时通过将通道结构合理划分成汇流、分流和通流等不同的功能区，通过简单几个板片的组合实现冷热流体流动的合理组织，使其各行其道，形成逆流，有利于强化换热，利用多个板片组合堆叠焊接的方法，能够以很短的生产流程一次完成微通道换热器的加工制造，提高生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例板片A结构示意图；
图2是本发明实施例板片B结构示意图；
图3是本发明实施例板片C结构示意图；
图4是本发明实施例板片D结构示意图；
图5是本发明实施例组合件A组合示意图；
图6是本发明实施例微通道换热器组合示意图；
图7是本发明实施例板片A和板片B的水流方向示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
一种微通道换热器，包括：板片A1、板片B2、板片C3、板片D4、顶板30和底板31，板片A1、板片B2、板片C3和板片D4均为厚度为0.3-1.5mm的长方形镜面金属板材。
如图1所示，板片A1表面由左至由排列以此为：汇流区A10、分流区A11、通道区A12、分流区B13、汇流区B14，分流区A11与分流区B13位置对称，汇流区A10与汇流区B14位置对称。
汇流区A10由若干条横向的汇流孔道A15纵向等距摆列形成；通道区A12由若干条的横向的通道孔A16纵向等距摆列形成，通道孔A16为镂空；分流区A11由两个方形孔17纵向摆列形成，其中上端的方形孔17的上沿与最上方一排的汇流孔道A15和通道孔A16平行，两个方形孔17之间为通道孔A16的延伸，下端的方形孔17下方也有通道孔A16的延伸，该延伸的最下方一排与最下方一排的汇流孔道A15和通道孔A16平行。分流区B13的结构与分流区A11旋转180°的结构相同，汇流区B14由若干条横向的汇流孔道A15纵向等距摆列形成，分流区B13中通道孔A16的延伸继续延伸至与汇流区B14的汇流孔道A15连接。
如图2所示，板片B2表面分为：两个汇流区C20、两个分流区C21、通道区C22,由左至右排列顺序依次为：汇流区C20、分流区C21、通道区C22、分流区C21、汇流区C20，两个汇流区C20位置对称、两个分流区C21位置对称。
汇流区C20由若干条纵向的汇流孔道B23横向等距摆列形成；通道区C22若干条纵向的通道孔B24横向等距摆列形成；分流区C21由四个方形孔17纵向等距排列形成，汇流孔道B23、通道孔B24以及四个方形孔17纵向排列的长度相同。
如图3、4所示，板片C3由两个汇流区10和两个分流区C21构成，排列顺序从左至右依次为汇流区10、分流区C21、分流区C21、汇流区10。板片D4由两个分流区C21构成。
所述通道孔A16、通道孔B24、汇流孔道A15和汇流孔道B23的宽度不超过3mm，间距宽度为1～2mm。
如图6所示，微通道换热器从上至下的叠放顺序是：最上面是顶板30，然后依次向下是板片A1、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件A5(图5)，然后是板片A1沿短边翻转180°、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件B6，上述组合件A5和组合件B6的可根据需要重复多组，然后向下是板片D4，
板片D4向下是板片A1旋转180°、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件C7，然后是板片A1沿长边翻转180°、板片B2、板片C3的重叠组合而成的组合件D8，上述的组合件C7和组合件D8也可根据需要重复多组，组合数量与组合件A5和组合件B6一致，最后是底板31。
将组合件A5、组合件B6、组合件C7、组合件D8码放整齐，上下压实，从侧面选几个适当位置用氩弧焊先进行固定，然后就可以送入真空扩散焊炉进行焊接了，焊接完成后整体外观是长方体实体。
顶板30上开有热侧入口32和冷侧入口33，底板31上开有热侧出口34、冷侧出口35，热侧入口32位置对应板片A1的汇流区B14，冷侧入口33对应板片A1的汇流区A10，热侧出口34和冷侧出口35的位置分别对应板片C3的两个汇流区10。
热侧入口32和冷侧入口33、热侧出口34、冷侧出口35上加工出锥螺纹或者焊接上连接法兰，再经过简单的表面打磨、喷砂或抛光等处理，即完成了换热器的加工。
如图7所示，板片A1与板片B2重叠组合，能够让通道区变成一张四通八达的交通网，参照图6，热流体进入热侧入口32后，首先进入组合件A5右侧的汇流区，并通过汇流区进入组合件A5的通道区，最终流动到左侧的分流区，通过分流区通道向下进入到组合件C7这一层，最终汇入组合件C7的左侧汇流区；在热流体进入组合件A5通道区的时候，首先经过右侧的分流区，有一部分热流体会通过分流区的通道向下进入组合件C7这一层，并向组合件C7的通道区流动，最终汇入到组合件C7左侧的汇流区，然后从热流体出口34流出。相应的，冷流体首先通过冷侧入口33进入组合件A5的汇流区，再进入到组合件B6这一层，然后从左向右流经组合件B6的通道区，同样有一部分流体在流经组合件B6左侧的分流区后，会有一部分通过分流区通道进入到组合件D8这一层。组合件B6、组合件D8的冷流体最终都汇集到组合件D8右侧汇流区，从冷侧出口35流出。
如果需要构建两级换热器串联的换热器，可首先按照上述叠放顺序组装出两个微通道换热器，将其中一个作为第一级微通道换热器，另外一个作为第二级微通道换热器。将第二级微通道换热器整体水平旋转180°，将第一级换热器热流体出口与第二级换热器热流体入口用外部管道连通，将第二级换热器冷流体出口与第一级换热器冷流体入口用外部管道连接即可，热流体从第一级换热器的热流体入口进入，从第二级换热器的热流体出口流出，冷流体从第二级换热器的冷流体入口进入，从第一级换热器冷流体出口流出。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种微通道换热器，其特征在于，包括：板片A(1)、板片B(2)、板片C(3)、板片D(4)、顶板(30)和底板(31)，板片A(1)、板片B(2)、板片C(3)和板片D(4)均为厚度为0.3～1.5mm的长方形镜面金属板材；
板片A(1)表面由左至由排列以此为：汇流区A(10)、分流区A(11)、通道区A(12)、分流区B(13)、汇流区B(14)，分流区A(11)与分流区B(13)位置对称，汇流区A(10)与汇流区B(14)位置对称；
汇流区A(10)由若干条横向的汇流孔道A(15)纵向等距摆列形成；通道区A(12)由若干条的横向的通道孔A(16)纵向等距摆列形成，通道孔A(16)为镂空；分流区A(11)由两个方形孔(17)纵向摆列形成，其中上端的方形孔(17)的上沿与最上方一排的汇流孔道A(15)和通道孔A(16)平行，两个方形孔(17)之间为通道孔A(16)的延伸，下端的方形孔(17)下方也有通道孔A(16)的延伸，该延伸的最下方一排与最下方一排的汇流孔道A(15)和通道孔A(16)平行；分流区B(13)的结构与分流区A(11)旋转180°的结构相同，汇流区B(14)由若干条横向的汇流孔道A(15)纵向等距摆列形成，分流区B(13)中通道孔A(16)的延伸继续延伸至与汇流区B(14)的汇流孔道A(15)连接；
板片B(2)表面分为：两个汇流区C(20)、两个分流区C(21)、通道区C(22),由左至右排列顺序依次为：汇流区C(20)、分流区C(21)、通道区C(22)、分流区C(21)、汇流区C(20)，两个汇流区C(20)位置对称、两个分流区C(21)位置对称；
汇流区C(20)由若干条纵向的汇流孔道B(23)横向等距摆列形成；通道区C(22)若干条纵向的通道孔B(24)横向等距摆列形成；分流区C(21)由四个方形孔(17)纵向等距排列形成，汇流孔道B(23)、通道孔B(24)以及四个方形孔(17)纵向排列的长度相同；
板片C(3)由两个汇流区(10)和两个分流区C(21)构成，排列顺序从左至右依次为汇流区(10)、分流区C(21)、分流区C(21)、汇流区(10)；板片D(4)由两个分流区C(21)构成；
微通道换热器从上至下的叠放顺序是：最上面是顶板(30)，然后依次向下是板片A(1)、板片B(2)、板片C(3)的重叠组合而成的组合件A(5)，然后是板片A(1)沿短边翻转180°、板片B(2)、板片C(3)的重叠组合而成的组合件B(6)，上述组合件A(5)和组合件B(6)的可根据需要重复多组，然后向下是板片D(4)；
板片D(4)向下是板片A(1)旋转180°、板片B(2)、板片C(3)的重叠组合而成的组合件C(7)，然后是板片A(1)沿长边翻转180°、板片B(2)、板片C(3)的重叠组合而成的组合件D(8)，上述的组合件C(7)和组合件D(8)也可根据需要重复多组，组合数量与组合件A(5)和组合件B(6)一致，最后是底板(31)；
将组合件A(5)、组合件B(6)、组合件C(7)、组合件D(8)码放整齐，上下压实，从侧面用氩弧焊先进行固定，然后送入真空扩散焊炉进行焊接了，焊接完成后整体外观是长方体实体；
顶板(30)上开有热侧入口(32)和冷侧入口(33)，底板(31)上开有热侧出口(34)、冷侧出口(35)，热侧入口(32)位置对应板片A(1)的汇流区B(14)，冷侧入口(33)对应板片A(1)的汇流区A(10)，热侧出口(34)和冷侧出口(35)的位置分别对应板片C(3)的两个汇流区(10)；
热侧入口(32)和冷侧入口(33)、热侧出口(34)、冷侧出口(35)上加工出锥螺纹或者焊接上连接法兰，即完成了微通道换热器的组装。
2.根据权利要求1所述的微通道换热器，其特征在于：所述通道孔A(16)、通道孔B(24)、汇流孔道A(15)和汇流孔道B(23)的宽度不超过3mm，间距宽度为1～2mm。
3.根据权利要求1或2所述的微通道换热器，其特征在于：装出两个微通道换热器，将其中一个作为第一级微通道换热器，另外一个作为第二级微通道换热器；将第二级微通道换热器整体水平旋转180°，将第一级换热器热流体出口与第二级换热器热流体入口用外部管道连通，将第二级换热器冷流体出口与第一级换热器冷流体入口用外部管道连接即可，热流体从第一级换热器的热流体入口进入，从第二级换热器的热流体出口流出，冷流体从第二级换热器的冷流体入口进入，从第一级换热器冷流体出口流出。
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