CN115654989A - 一种印刷电路板式换热器分流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种印刷电路板式换热器分流装置，包括依次连接的管道转换器、变频均分器、流道延展器；管道转换器为中空管道；变频均分器包括方形软管、方管、往复平动机构、底面镂空的外壳；流道延展器后端与印刷电路板式换热器本体固定连接，其内部均匀分布与换热器本体内部微通道直径相等，且一一对应的流体微通道；流体从管道转换器前端流入，从流道延展器后端流出并流入换热器本体微通道。本发明采用自动控制的往复平动机构精确控制流体流向以及各层微通道的分流时间，从而不仅能够实现各层微通道完全均匀分流，而且提高了能量效率。

Description

一种印刷电路板式换热器分流装置

技术领域

本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种印刷电路板式换热器分流装置。

背景技术

印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)是金属板经过电化学刻蚀工艺加工成具有一定结构的换热板片，叠置在一起扩散焊而成的一种细微通道紧凑型板式换热器；各种板片之间形成微小通道，工作流体在两块板片间形成的微小通道中流过，中间有一隔板将流体分开，并通过此板片进行热量交换。PCHE具有耐高温(700℃)、耐高压(50MPa)、超G效(高达98％)、低压降、高紧促度(传统管壳式换热器1/6～1/4)、耐腐蚀、寿命长等诸多优点，在油气行业、燃料加工、制冷、电力工业、化学工业等领域具有良好的应用潜力。

印刷电路板式换热器的微通道尺寸较小(横截面通常为直径0.5-2.0mm的半圆)，数量较多；换热器工作时，流体通过一个进口流入各流体通道，受重力等因素影响，通常存在各微通道入口流量和流体压力分配不均匀的问题，使得流体进口中心远端的大量微通道无法得到有效利用，大大降低了实际的换热效率，而且流量不均产生的传热偏差也容易形成换热器芯体内部热应力，降低了换热器的安全性和稳定性。

现有技术中，解决入口流体分布不均的方法主要是在流体入口添加导流、整流或者扰流结构。

专利CN 208952771U，公开了一种印刷电路板换热器封头内的导流装置，该装置通过安装在印刷电路板换热器的封头内的导流多孔板和导流侧板，改变封头内的流场结构，把进入封头的流体均匀地分配到换热器芯体的每个微型通道入口，使各个微型通道内流体流量基本相等。专利CN 112097566 A，公开了一种印刷电路板换热器的整流结构，通过卡设在换热器封头通道入口内的叶轮及框架，解决印刷式电路板换热器入口流量分配不均匀的问题。专利CN112361851B，提供一种印刷电路板换热器，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。上述方案，无论是多孔板，还是叶轮，螺旋整流结构，虽然具有分流作用，但都不同程度地增加了流体流动阻力，减小了微通道入口处的流体压力，降低了能量效率；而且上述方案利用分流结构的物理特性自发分流，受分流结构的局限性，在流体进口中心远端和中心近端的微通道入口流量依然具有一定差异，未达到完全均匀流量的效果。

专利CN114166047A，提供一种印刷电路板式换热器，在换热器本体入口封头处设置第一导流结构，第一导流结构能够在控制器的控制下发生弯曲形变，从而维持各种工况下的均流效果。可变形的导流结构实现了对换热器入口流体压力的自主控制，但该结构的解决的主要问题是使各种工况下流体压力相同，并没有解决各个微通道入口流量分布不均的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种印刷电路板式换热器分流装置，该装置提供一种换热器均匀分流的新思路，采用自动控制的往复平动机构精确控制流体流向和各层微通道的分流时间，从而不仅能够实现各层微通道完全均匀分流，而且分流过程能量损失小，管道转换器也起到加压作用，增大了流入微通道的流体压力，降低了进入换热器封头通道入口的流体压力要求，提高了能量效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，包括：依次连接的管道转换器、变频均分器、流道延展器；管道转换器为中空管道；所述管道转换器、变频均分器竖直布置；流体从管道转换器前端流入，从流道延展器后端流出并流入换热器本体微通道；所述变频均分器，包括方形软管、方管、往复平动机构、底面镂空的外壳；所述外壳顶面开设矩形口，所述矩形口上侧与管道转换器出口固定连接，下侧与方形软管前端固定连接；方管前端与方形软管后端固定连接；所述方形软管、方管设置在外壳内；往复平动机构与变频均分器方管固定连接，用于操动变频均分器方管在外壳内匀速往复平动；流道延展器内部均匀分布与换热器本体微通道直径相等，且一一对应的流体微通道，其前端与变频均分器外壳底面固定连接，后端与换热器本体固定连接；变频均分器外壳横截面与流道延展器的横截面相同，且该横截面大于换热器本体垂直于流体流向的横切面；变频均分器方形软管、变频均分器方管、变频均分器外壳矩形口的横截面相同，且该横截面宽度为1-2倍换热器本体微流道直径，该横截面长度等于换热器本体宽度；变频均分器方形软管、变频均分器方管、变频均分器外壳24矩形口长度方向均与流道延展器内微通道横向阵列方向平行；变频均分器方管往复平动方向与流道延展器内微通道纵向阵列方向平行，往复平动行程与换热器本体厚度相等；往复平动过程中，变频均分器方管后端面与流道延展器前端面平行，且间距保持不变，所述间距为0.1-2mm。

优选地，所述管道转换器包括前端入口圆管段、后端出口长方管段，及连接所述圆管段和所述长方管段的过渡段；所述管道转换器长方管段与所述变频均分器外壳矩形口的横截面相同，且该横截面长度方向与流道延展器内微通道横向阵列方向平行。

进一步优选地，所述管道转换器过渡段包括固定连接的圆管-方管过渡段、六面锥管过渡段。

优选地，变频均分器方管内均匀固定若干分流板，所述分流板与流体流向平行布置。

进一步优选地，管道转换器内均匀固定若干分流板，所述分流板与流体流向平行布置；所述管道转换器分流板与变频均分器分流板一一对应。

优选地，变频均分器方管两侧面均固定有滑块，变频均分器外壳内侧面固定有滑轨，所述滑块嵌套安装在滑轨内，用于变频均分器方管在变频均分器外壳内的移动导向。

优选地，所述往复平动机构，包括摆动音圈电机、滚珠丝杠、丝杠螺母、操动杆、螺母导轨；滚珠丝杠两端支撑在轴承座上，且后端与摆动音圈电机输出轴固定连接；螺母导轨与滚珠丝杠同向固定，丝杠螺母上固定有滑块，滑块嵌套在螺母导轨内；操动杆后端固定在丝杠螺母上，其前端穿过变频均分器外壳上的孔，与变频均分器方管固定连接；摆动音圈电机旋转，使丝杠螺母沿螺母导轨前后往复平动，带动操动杆前端的变频均分器方管往复平动。

进一步优选地，所述变频均分器方形软管、变频均分器方管、变频均分器外壳矩形口的横截面为腰型、矩形、倒角矩形中的一种。

优选地，所述流道延展器为圆弧弯管结构。

优选地，管道转换器、流道延展器、变频均分器方管、变频均分器外壳由不锈钢材料制造。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用摆动音圈电机控制的丝杠螺母往复平动机构，精确控制流体流向和各层微通道的分流时间，分流精度高。

2.本发明采用竖直布置的管道转换器、变频均分器，且通过切换管道转换器管道横截面，起到增大流体压力、提高流体动力的作用；管道转换器入口段采用圆管，提高分流装置的适配性，出口段采用方管，提高了分流效率和分流精度。

3.本发明管道转换器、变频均分器竖直布置，将流体重力转化为动能，提到了能量效率，并通过调整流道延展器弯曲角度(如90°圆弧弯管)，转换流体流向，削弱重力对于流体的流动分布均匀性的影响，提高分流精度。

附图说明

图1为本发明实施例的一种印刷电路板式换热器分流装置结构示意图；

图2为本发明实施例的管道转换器和变频均分器内分流板结构示意图；

图3为本发明实施例的流道延展器纵切面示意图；

图4为本发明实施例的变频均分器方形软管结构示意图；

图5为本发明实施例的往复平动机构结构示意图；

图中：1、管道转换器，2、变频均分器，3、流道延展器，11、管道转换器圆管段，12、管道转换器圆管-方管过渡段，13、管道转换器六面锥管过渡段,14、管道转换器长方管段，15、管道转换器分流板，21、变频均分器方形软管，22、变频均分器方管，23、往复平动机构,24、变频均分器外壳，25、变频均分器分流板，26、滑轨，231、摆动音圈电机,232、滚珠丝杠,233、丝杠螺母,234、操动杆,235、螺母导轨，236、轴承座。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，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。当两个元件“固定连接”或“回转连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。固接或固定连接方式可以为螺接或焊接或铆接或插接或通过第三个部件进行连接。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。

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。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

如图1所示，本实施例中的一种印刷电路板式换热器分流装置，用于精确控制流入印刷电路板式换热器本体各层微通道的流体流量，进而起到均匀分流作用(定义微通道分布区为换热器本体)。分流装置包括依次连接的管道转换器1、变频均分器2、流道延展器3。流体从管道转换器1前端入口流入，经变频均分器2均匀分流，又经流道延展器3转换流向(或不转换流向)，使流入换热器本体各微通道的流体流量均匀。管道转换器1、变频均分器2竖直布置，将流体重力转化为动能，同时，管道转换器1通过改变流体入口和出口的面积，也起到增大流体压力，提高流体动力的作用。该分流装置改变传统被动分流的方式，采用往复平动机构主动分流，分流过程能量损失小，分流可靠稳定、流畅，对于提高流体在流动换热过程中的换热效果成效显著。

管道转换器1为中空管道，由依次固定连接的前端入口圆管段11、圆管-方管过渡段12、六面锥管过渡段13、后端出口长方管段14组成；其中，六面锥管过渡段13和长方管段14内均匀固定若干分流板15，如图2所示，分流板15使得流入变频均分器2的流体横向分流更加均匀；前端入口设置为圆管主要目的为适配目前市场上最常用的圆管，提高分流装置的实用性。

流道延展器3横截面为矩形，其内部均匀分布与换热器本体内部微通道直径相等，且一一对应的流体微通道；其前端与变频均分器外壳24固定连接，其后端与印刷电路板式换热器本体连接。当换热器本体水平布置时，设置流道延展器3为90°圆弧弯管结构，其内部微通道分布如图3所示；此时，管道转换器1、变频均分器2竖直布置，则流道延展器3前端竖直，后端水平，将流体流向由竖直转换为水平，流道延展器出口流体流向与换热器本体各层微通道内流体流向一致，能够削弱重力对于流体的流动分布均匀性的影响，提高分流精度。当换热器本体垂直或倾斜布置时，可以调整流道延展器3圆弧角度，以适应换热器本体内部微通道内流体流向。

变频均分器2，包括方形软管21、方管22、往复平动机构23，以及底部镂空的中空长方体外壳24。外壳24顶面上开设矩形口，矩形口上侧与管道转换器矩形出口平行、固定连接，矩形口下侧与方形软管21前端平行、固定连接；外壳24横截面与流道延展器3横截面相等，且该横截面大于换热器本体垂直于流体流向的横切面，以覆盖换热器本体内所有微通道，该横截面可以设置为矩形、倒角矩形中的一种。方管22固定在方形软管21后端，两者均设置在外壳24内。变频均分器方管22内均匀固定若干与管道转换器分流板15一一对应的分流板25，如图2所示，使流体分布更加均匀。

管道转换器长方管段14横截面、变频均分器方形软管21横截面、变频均分器方管22横截面、变频均分器外壳24矩形口的横截面均相同，该横截面可以为腰型、矩形、倒角矩形中的一种；横截面宽度为1-2倍换热器本体微流道直径，横截面长度为换热器本体平面宽度(垂直于流向的流体层宽度)，覆盖的横向阵列微通道。管道转换器长方管段14、方形软管21、外壳24矩形口布置方向均与流道延展器内微通道横向分布方向平行。

变频均分器方管22两侧面均固定有滑块，外壳24内侧面固定有滑轨26，滑块嵌套安装在滑轨26内，用于方管22在外壳24内的移动导向；方形软管21可伸缩、弯曲，用于实现变频均分器方管22在同一平面内的平行运动，其结构如图4所示；往复平动过程中，变频均分器方管22后端面与流道延展器3前端面平行，且间距保持不变，该间距设置为0.1-2mm的小间隙，以保证流体分流精度。

往复平动机构23与变频均分器方管22固定连接，用于操动变频均分器方管22在外壳24内匀速往复平动，变频均分器方管22往复平动方向与流道延展器3内微通道纵向阵列方向平行(垂直于横向阵列方向)。其结构如图5所示，包括摆动音圈电机231(包括变速箱)、滚珠丝杠232、丝杠螺母233、操动杆234、螺母导轨235。滚珠丝杠232两端支撑在轴承座236上，后端与摆动音圈电机231输出轴固定连接；螺母导轨与滚珠丝杠232同向固定，丝杠螺母233上固定有滑块，滑块嵌套在螺母导轨235内；操动杆234固定在丝杠螺母233上，穿过变频均分器的外壳24上的孔，与变频均分器方管22固定连接。摆动音圈电机231旋转，使丝杠螺母233沿螺母导轨235前后往复平动，带动操动杆234前端的变频均分器方管22往复平动。操动杆234往复平动行程，即丝杠螺母运动行程，为换热器本体总厚度(垂直于流向的流体层总厚度)；摆动音圈电机231匀速正转N圈，使操动杆234向前运动一个行程，匀速反转N圈，使操动杆234向后运动一个行程，如此使得变频均分器方管22匀速扫过每一层微通道，流入流道延展器3和换热器本体中每一层和每个微通道的流体量近似相等。

管道转换器1、变频均分器2、流道延展器3中的各壳体、管道、连接件(管道转换器1、流道延展器3、变频均分器方管22、变频均分器外壳24等)，优选不锈钢材料制造，如316L不锈钢，提高其强度和抗腐蚀性能。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，包括：依次连接的管道转换器(1)、变频均分器(2)、流道延展器(3)；流体从管道转换器(1)前端流入，从流道延展器(3)后端流出并流入换热器本体微通道；

其中，管道转换器(1)为中空管道；

所述管道转换器(1)、变频均分器(2)竖直布置；

所述变频均分器(2)，包括方形软管(21)、方管(22)、往复平动机构(23)、底面镂空的外壳(24)；所述外壳(24)顶面开设矩形口，所述矩形口上侧与管道转换器(1)出口固定连接，下侧与方形软管(21)前端固定连接；方管(22)前端与方形软管(21)后端固定连接；所述方形软管(21)、方管(22)设置在外壳(24)内；往复平动机构(23)与变频均分器方管(22)固定连接，用于操动变频均分器方管(22)在外壳(24)内匀速往复平动；

所述流道延展器(3)内部均匀分布与换热器本体微通道直径相等，且一一对应的流体微通道，其前端与变频均分器外壳(24)底面固定连接，后端与换热器本体固定连接；

变频均分器外壳(24)横截面与流道延展器(3)的横截面相同，且该横截面大于换热器本体垂直于流体流向的横切面；

变频均分器方形软管(21)、变频均分器方管(22)、变频均分器外壳(24)矩形口的横截面相同，且该横截面宽度为1-2倍换热器本体微流道直径，该横截面长度等于换热器本体宽度；

变频均分器方形软管(21)、变频均分器方管(22)、变频均分器外壳(24)矩形口长度方向均与流道延展器(3)内微通道横向阵列方向平行；变频均分器方管(22)往复平动方向与流道延展器(3)内微通道纵向阵列方向平行，往复平动行程与换热器本体厚度相等；往复平动过程中，变频均分器方管(22)后端面与流道延展器(3)前端面平行，且间距保持不变，所述间距为0.1-2mm。

2.根据权利要求1所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，所述管道转换器(1)包括前端入口圆管段(11)、后端出口长方管段(14)，及连接所述圆管段(11)和所述长方管段(14)的过渡段；所述管道转换器长方管段(14)与所述变频均分器外壳(24)矩形口的横截面相同，且横截面长度方向与流道延展器(3)内微通道横向阵列方向平行。

3.根据权利要求2所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，所述管道转换器过渡段包括固定连接的圆管-方管过渡段(12)、六面锥管过渡段(13)。

4.根据权利要求1所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，变频均分器方管(22)内均匀固定若干分流板(25)，所述分流板(25)与流体流向平行布置。

5.根据权利要求4所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，管道转换器(1)内均匀固定若干分流板(15)，所述分流板(15)与流体流向平行布置；所述管道转换器分流板(15)与变频均分器分流板(25)一一对应。

6.根据权利要求1所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，所述变频均分器方管(22)两侧面均固定有滑块，变频均分器外壳(24)内侧面固定有滑轨(26)，所述滑块嵌套安装在滑轨(26)内，用于变频均分器方管(22)在变频均分器外壳(24)内的移动导向。

7.根据权利要求1所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，所述往复平动机构(23)，包括摆动音圈电机(231)、滚珠丝杠(232)、丝杠螺母(233)、操动杆(234)、螺母导轨(235)；滚珠丝杠(232)两端支撑在轴承座(236)上，且后端与摆动音圈电机(231)输出轴固定连接；螺母导轨(235)与滚珠丝杠(232)同向固定，丝杠螺母(233)上固定有滑块，滑块嵌套在螺母导轨(235)内；操动杆(234)后端固定在丝杠螺母(233)上，其前端穿过变频均分器外壳(24)上的孔，与变频均分器方管(22)固定连接；摆动音圈电机(231)旋转，使丝杠螺母(233)沿螺母导轨(235)前后往复平动，带动操动杆(234)前端的变频均分器方管(22)往复平动。

8.根据权利要求1所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，所述变频均分器方形软管(21)、变频均分器方管(22)、变频均分器外壳(24)矩形口的横截面为腰型、矩形、倒角矩形中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，所述流道延展器(3)为圆弧弯管结构。

10.根据权利要求1所述的一种印刷电路板式换热器分流装置，其特征在于，管道转换器(1)、流道延展器(3)、变频均分器方管(22)、变频均分器外壳(24)由不锈钢材料制造。

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