CN117268146B - 一种扩散焊换热器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种扩散焊换热器及其设计方法，包括若干相互堆叠的换热板，各换热板上均设置有换热流道；换热板上还设置有咬合腔，相邻两换热板上的咬合腔相互拼接成咬合槽，咬合槽内设置有咬合板，沿各换热板的堆叠方向，咬合槽内壁与咬合板外壁相互贴合抵靠；本申请还公开了相应的设计方法，首先根据各换热流道的尺寸参数计算两相邻换热板的固有焊接面积；再确定总焊接面积比和总焊接面积，根据总焊接面积和固有焊接面积计算扩展焊接面积，最后根据扩展焊接面积设计咬合板的外型和尺寸参数；本申请通过咬合槽扩大换热板之间的接触面积，从而增大扩散焊的焊接面积，提高焊接强度，便于缩小相邻换热流道之间的间距，提高整个换热器的紧凑度。

Description

一种扩散焊换热器及其设计方法

技术领域

本申请涉及锻造加工技术领域，具体涉及一种扩散焊换热器及其设计方法。

背景技术

目前在常规工业领域在用的换热器主要包括管壳式换热器、套管式换热器、板式换热器、板翅式换热器等，它们不能同时满足换热比表面积大、焊接强度高、体积小的要求。近年来，随着工业制造水平的提升，以高精度化学蚀刻和真空扩散焊为工艺核心的微通道换热器逐渐走向应用阶段，其微通道尺寸小、紧凑程度高，焊接方式无焊渣、连接处强度接近母材强度，具有明显优势。

然而，此类换热器焊接过程中，为了保证焊接质量和换热器强度，换热板之间的接触面积不能太小，这就限制了换热板上流道的布置紧凑度，换热器的紧凑程度无法进一步提高。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种扩散焊换热器及其设计方法，旨在解决现有技术中存在的紧凑度低的缺陷。

本申请通过以下技术方案实现上述目的：

一种扩散焊换热器，包括若干换热板，各所述换热板上均设置有换热流道，各所述换热板相互堆叠设置；

咬合槽，所述咬合槽包括两个相互连通的咬合腔，两所述咬合腔分别设置于两相邻的所述换热板上；

咬合板，所述咬合板插入所述咬合槽内，沿各所述换热板的堆叠方向，所述咬合槽内壁与所述咬合板外壁相互贴合抵靠。

可选的，两所述咬合腔同时设置于所述换热板的顶面或底面。

可选的，两所述咬合腔分别设置于所述换热板的顶面和底面。

可选的，咬合槽呈U型、S型或Z型结构。

可选的，换热流道包括若干第一换热流道和/或若干第二换热流道，所述第一换热流道与所述第二换热流道的通流面积不同。

可选的，沿咬合板的长度方向，在所述咬合板上还设置有测温孔，所述测温孔内设置有温度传感器。

相应的，本申请还公开了上述扩散焊换热器的设计方法，包括以下步骤：

确定各所述换热流道的尺寸参数，根据所述尺寸参数计算两相邻换热板之间的固有焊接面积；

确定总焊接面积比，根据所述总焊接面积比计算总焊接面积；

根据所述总焊接面积和所述固有焊接面积计算扩展焊接面积；

根据所述扩展焊接面积获取所述咬合板的外形结构和尺寸参数集合；

从所述尺寸参数集合中择一作为所述咬合板的尺寸参数。

可选的，固有焊接面积满足以下计算公式：S₀=A-amL；其中A表示所述换热板的表面积；a表示所述换热流道的断面宽度；L表示换热流道的长度，m表示所述换热流道的数量。

可选的，总焊接面积比满足关系式n＞n₀，所述总焊接面积的计算公式为S=n*A；其中n表示总焊接面积比，n₀表示总焊接面积比安全阈值；扩展焊接面积的计算公式为ΔS=S-S₀。

可选的，根据所述扩展焊接面积获取所述咬合板的外形结构和尺寸参数集合，包括以下步骤：

确定所述咬合板的外形结构；

根据所述扩展焊接面积和外形结构确定第一约束条件；

根据所述咬合板的外形结构和强度要求确定第二约束条件；

根据所述换热板和所述换热流道的尺寸参数确定第三约束条件；

根据所述第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件确定所述尺寸参数集合。

与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：

本申请包括若干换热板，各所述换热板上均设置有换热流道，各所述换热板相互堆叠设置；所述换热板上还设置有咬合腔，相邻两所述换热板上的咬合腔相互拼接成咬合槽；所述换热器还包括咬合板，所述咬合板插入到所述咬合槽内，同时沿各所述换热板的堆叠方向，所述咬合槽内壁与所述咬合板外壁相互贴合抵靠；

相应的本申请还公开了上述换热器的设计方法，首先确定各所述换热流道的尺寸参数，根据所述尺寸参数计算两相邻换热板之间的固有焊接面积，再确定总焊接面积比，根据总焊接面积比计算总焊接面积；再根据总焊接面积和固有焊接面积计算扩展焊接面积，最后根据扩展焊接面积设计咬合板的外型和尺寸参数；

与现有技术相比，咬合槽与咬合板的设置一方面能够有效提高相邻两换热板之间的连接紧密度，进而提高连接强度；

其次，通过咬合槽与咬合板的配合，在堆叠方向上，相邻两换热板之间的接触面积得到有效提高，因此在扩散焊焊接过程中，相邻两换热板之间的接触面积更大，从而在换热板尺寸结构有限的前提下，提高相邻换热板之间的焊接强度；

而焊接强度的提高保证能够进一步缩小同一换热板上任意两相邻换热流道之间的间隔，从而提高整个换热板的紧凑度。

由于换热板上换热流道紧凑度的提高，换热流道的数量得到提高，因此换热介质的接触面积得到了有效提高，有利于进一步提高整个换热器的换热效率。

最后，与现有技术相比，本申请通过咬合板即可实现上述目的，整个设备的结构简单，同时在扩散焊焊接完成后，咬合板将与相邻两换热板形成整体结构，有效保证了整个换热器的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本申请实施方式1提供的一种扩散焊换热器的结构示意图；

图2为本申请实施方式1提供的一种扩散焊换热器的侧视图；

图3为本申请提供的扩散焊换热器的另一可选实施方式的结构示意图；

图4为本申请提供的扩散焊换热器的又一可选实施方式的结构示意图；

图5为扩散焊换热器与焊接工装装配示意图；

图6为本申请实施方式2提供的一种扩散焊换热器的设计方法的流程图；

图7为设计方法中U形咬合板设计的各面积的标识图；

图8为扩展焊接面积计算原理图；

图9为设计方法中Z形咬合板设计的各面积的标识图；

附图标记：1-换热板，2-换热流道，3-咬合槽，4-咬合板，5-测温孔，6-温度传感器，7-压紧板，8-压紧螺杆，9-压紧孔，10-压紧螺母，201-第一换热流道，202-第二换热流道，301-咬合腔。

本申请目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。

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的一部分实施例，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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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中的具体含义。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施方式1

参照图1到图2，本实施方式作为本申请一可选的实施方式，其公开了一种扩散焊换热器，包括若干换热板1，沿高度方向，各所述换热板1相互堆叠设置；

在所述换热板1上设置有换热流道2，其中所述换热流道2包括若干第一换热流道201和/或若干第二换热流道202，所述第一换热流道201的通流面积可以大于第二换热流道202的通流面积，也可以小于第二换热流道202的通流面积，且所述第一换热流道201的通流面积与所述第二换热流道202的通流面积之比根据实际情况确定；

如果有两种换热流道2，则两种不同的换热流道2可设置于两个换热板1上，也可以设置于同一换热板1的上下两侧，在堆叠过程中，不同的换热流道2相互交替堆叠设置；

如果只有一种换热流道2，则即可以在一个换热板1上设置有完整的换热流道2，也可以将换热流道2对分，并将其分置于两相邻的换热板1上，堆叠过程中再相互拼接成完整的换热流道2；具体如图3-5所示；

需要指出的是，换热流道2的设置还有多种样式，无论何种形式其均在本申请的保护范围内；

所述扩散焊换热器还包括咬合槽3，所述咬合槽3包括两个咬合腔301，在所述换热板1堆叠完成后，相邻两换热板1上的咬合腔301相互拼接并连通；

为实现对换热板1的对称固定，在所述换热板1的两侧均设置咬合腔301，两所述咬合腔301之间为换热流道2的布置区；

如图1所示，位于所述换热板1两侧的咬合腔301既可以同时设置于所述换热板1的顶面或底面，此工况下，在各换热板1堆叠后，相互拼接的两个咬合槽3将位于同一平面内；

如图3所示，位于所述换热板1两侧的咬合腔301也可以分别设置于换热板1的顶面和底面，此工况下，在各换热板1堆叠后，相互拼接的两个咬合槽3将分别换热板1的上下两侧，整个换热器上，咬合槽3将沿S形轨迹分布；

所述扩散焊换热器还包括咬合板4，所述咬合板4插入到所述咬合槽3内，所述咬合板4与所述咬合槽3为过盈配合，从而保证在所述咬合板4插入咬合槽3后，沿各所述换热板1的堆叠方向，所述咬合槽3内壁与所述咬合板4外壁相互贴合抵靠，以确保在堆叠方向上，咬合板4与两所述换热板1紧密贴合相连；

根据需要，所述咬合槽3的横截面为U型、S型或Z型结构，同时需要指出的是，咬合槽3的横截面也可以是其他任何可以提高咬合板4与咬合槽3接触面积的结构。

同时需要指出的是，如图3和图4，相邻层的咬合板4之间的夹角可以为0°，即所有咬合板4均沿一个方向布置，其夹角也可以为90°，即相互交叉设置；

在所述咬合板4上还设置有测温孔5，所述测温孔5沿所述咬合板4的长度方向设置，在所述测温孔5内插入热电偶或其他温度传感器6；通过温度传感器6能够实时检测两个换热板1之间的温度，进而提高在扩散焊焊接过程中对温度的控制力，有利于提高焊接质量。

本申请还公开了一种用于上述扩散焊换热器的焊接工装，包括两个压紧板7和若干压紧螺杆8，两所述压紧板7上均设置有若干压紧孔9，如图5所示，在使用时，两所述压紧板7分别置于所述咬合板4的前后两侧，各所述压紧螺杆8穿过所述压紧孔9将两侧的压紧板7串联，同时在所述压紧螺杆8的两端均丝扣连接有压紧螺母10，通过压紧螺母10调节量压紧板7之间的夹持力；

上述焊接工装不但能够快速实现各个换热板1的对齐，提高换热板1的堆叠效率；同时还能够辅助实现所有咬合板4的一次性插接，尽可能提高整个换热器的组装效率；同时两所述压紧板7的夹持力还能够使各个换热板1贴合更加紧密，有利于提高扩散焊的焊接质量。

与现有技术相比，本申请在两换热板之间设置咬合槽与咬合板，一方面能够有效提高相邻两换热板之间的连接紧密度，进而提高连接强度；另一方面，通过咬合槽与咬合板的配合，在堆叠方向上，相邻两换热板之间的接触面积得到有效提高，因此在扩散焊焊接过程中，相邻两换热板之间的接触面积更大，从而在换热板尺寸结构有限的前提下，提高相邻换热板之间的焊接强度；

而焊接强度的提高保证本领域技术人员能够进一步缩小同一换热板上任意两相邻换热流道之间的间隔，从而提高整个换热板的紧凑度。

同时由于换热板上换热流道紧凑度的提高，换热流道的数量得到提高，因此换热介质的接触面积得到了有效提高，有利于进一步提高整个换热器的换热效率。

最后，与现有技术相比，本申请通过咬合板即可实现上述目的，整个设备的结构简单，同时在扩散焊焊接完成后，咬合板将与相邻两换热板形成整体结构，有效保证了整个换热器的稳定性和可靠性。

实施方式2

参照图6到图9，本实施方式作为本申请的又一可选的实施方式，其公开了一种扩散焊换热器的设计方法，包括以下步骤：

S1、确定各所述换热流道的尺寸参数，根据所述尺寸参数计算两相邻换热板之间的固有焊接面积；

首先根据换热器的换热流体确定换热流道的尺寸参数，包括换热流道的种类数量，横截面形状和换热流道的断面宽度a，其中如果换热流道的横截面为半圆形或圆形，则断面宽度为直径，如果横截面为方形，则断面宽度为截面宽度；

随后在所述换热板的两侧预留两个用于设置咬合腔的区域，上述两区域之间用于布设换热流道；

结合焊接紧密度和换热流体压力确定相邻两换热流道之间的间距，进而确定在所述换热板上能够布设的换热流道的数量m；

随后根据需要设计换热流道沿换热流体流动方向的形状，如S形、直线型或其他任意形状，在计算出所述换热流道的长度L；

上述参数取得后即可根据公式S₀=A-amL计算固有焊接面积，其中A表示所述换热板的表面积；

S2、确定总焊接面积比，根据所述总焊接面积比计算总焊接面积；

扩散焊的总焊接面积比具有一定的安全阈值n₀；总焊接面积比n应满足n＞n₀；

根据换热器承受的压力等实际情况确定总焊接面积比，随后根据计算公式S=n*A计算总焊接面积；

S3、根据所述总焊接面积和所述固有焊接面积计算扩展焊接面积；

获取步骤S1计算得到的固有焊接面积S₀和步骤S2中获取的总焊接面积，根据公式ΔS=S-S₀计算扩展焊接面积；

S4、根据所述扩展焊接面积获取所述咬合板的外形结构和尺寸参数集合；

S41、确定所述咬合板的外形结构；

需要指出的是，本步骤将以U形和Z形结构的咬合板进行详细的分析说明；

S42、根据所述扩展焊接面积和外形结构确定第一约束条件；

如选定咬合板的外型为U形，则结合图7可知，需要指出的是，扩散焊只需要考虑竖直方向上增加的接触面积，如图8所示，在设置有一个咬合板后，图中表示的a、b、c和d区域均为新增接触区域，则相邻两换热板因为插入咬合板而新增的接触区域面积为2*（S₃+S₂），其中如图7所示S₂表示咬合板悬伸端内侧面面积，S₃表示咬合板悬伸端外表面面积；但是在设置咬合腔后，咬合腔将在换热板表面形成缺口，上述缺口的面积需要扣除，缺口区域面积为S₁，则设置一个咬合板后，在竖直方向上，新增的接触区域的面积为2*（S₃+S₂）-S₁，即如图8所示，由于咬合板上侧的悬伸端插入到上侧的换热板内，咬合板下侧的悬伸端插入到下侧的换热板内，两悬伸端的内侧面和外表面均会在堆叠方向上与咬合腔内壁贴合，但是在不设置咬合板的技术方案中，上下两咬合腔拼接缺口处计入焊接面积（即图中S₁），因此与不设置咬合板的技术方案相比，需要对上述区域进行扣除，则新增的接触区域的面积为2*（S₃+S₂）-S₁；

同时由于设置了两个咬合板，则相邻两换热板之间的扩展焊接面积为：ΔS=2*2*（S₃+S₂）-2*S₁；同时从咬合板的结构上看还存在以下关系：S₃=S₂+S₁；

结合n＞n₀，则可以得到第一约束条件的表达式为：

根据步骤S3可以得到：

ΔS=S-S₀₌n*A-（A-amL）=n*A-A+amL

同时由于n＞n₀，因此ΔS＞n₀*A-A+amL；

由于ΔS=2*2*（S₃+S₂）-2*S₁，S₃=S₂+S₁；

因此2*2*（S₃+S₂）-2*S₁＞n₀*A-A+amL；

整理可得第一约束条件的表达式为：8S₂+2S₁＞（n₀-1）A+amL；

如果选用横截面为Z型的咬合板，则其扩展焊接面积满足相同的计算关系；

S43、根据所述咬合板的外形结构和强度要求确定第二约束条件；

由于咬合板包括一竖直设置的连接件，上述区域的结构强度较弱，因此为了满足咬合板整体结构的强度要求，结合咬合板的材质，确定所述第二约束条件为：S₁≥S₂/3；

选择Z形结构的咬合板也需要满足上述约束条件；

S44、根据所述换热板和所述换热流道的尺寸参数确定第三约束条件；

根据步骤S1可知，在换热板的两侧设置有用于放置咬合腔的区域，则咬合腔的宽度不能大于上述区域的宽度，由于上述区域的长度与咬合腔的长度相同，因此第三约束条件的表达式为：S₄≥S₂+S₁；

如果选用Z形结构的咬合板，则基于相同的原理，第三约束条件的表达式为：S₄≥2S₂+S₁；

S45、根据所述第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件确定所述尺寸参数集合。

结合所述第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件，所有满足上述约束条件的（s₁, s₂）均为符合要求的尺寸参数，将上述参数归集得到尺寸参数集合；

S5、从所述尺寸参数集合中择一作为所述咬合板的尺寸参数。

以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种扩散焊换热器，其特征在于，包括若干换热板(1)，各所述换热板(1)上均设置有换热流道(2)，各所述换热板(1)相互堆叠设置；

咬合槽(3)，所述咬合槽(3)包括两个相互连通的咬合腔(301)，两所述咬合腔(301)分别设置于两相邻的所述换热板(1)上；

咬合板(4)，所述咬合板(4)插入所述咬合槽(3)内，沿各所述换热板(1)的堆叠方向，所述咬合槽(3)内壁与所述咬合板(4)外壁相互贴合抵靠；

沿所述咬合板(4)的长度方向，在所述咬合板(4)上还设置有测温孔(5)，所述测温孔(5)内设置有温度传感器(6)。

2.根据权利要求1所述的一种扩散焊换热器，其特征在于，两所述咬合腔(301)同时设置于所述换热板(1)的顶面或底面。

3.根据权利要求1所述的一种扩散焊换热器，其特征在于，两所述咬合腔(301)分别设置于所述换热板(1)的顶面和底面。

4.根据权利要求2所述的一种扩散焊换热器，其特征在于，所述咬合槽(3)呈U型、S型或Z型结构。

5.根据权利要求1所述的一种扩散焊换热器，其特征在于，所述换热流道(2)包括若干第一换热流道(201)和/或若干第二换热流道(202)，所述第一换热流道(201)与所述第二换热流道(202)的通流面积不同。

6.基于权利要求1-5中任意一项所述的一种扩散焊换热器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定各所述换热流道的尺寸参数，根据所述尺寸参数计算两相邻换热板之间的固有焊接面积；

确定总焊接面积比，根据所述总焊接面积比计算总焊接面积；

根据所述总焊接面积和所述固有焊接面积计算扩展焊接面积；

根据所述扩展焊接面积获取所述咬合板的外形结构和尺寸参数集合；

从所述尺寸参数集合中择一作为所述咬合板的尺寸参数。

7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述固有焊接面积满足以下计算公式：S₀=A-amL；其中A表示所述换热板的表面积；a表示所述换热流道的断面宽度；L表示换热流道的长度，m表示所述换热流道的数量。

8.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述总焊接面积比满足关系式n＞n₀，所述总焊接面积的计算公式为S=n*A；其中n表示总焊接面积比，A表示所述换热板的表面积，S₀表示固有焊接面积，n₀表示总焊接面积比安全阈值；所述扩展焊接面积的计算公式为：ΔS=S-S₀。

9.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述根据所述扩展焊接面积获取所述咬合板的外形结构和尺寸参数集合，包括以下步骤：

确定所述咬合板的外形结构；

根据所述扩展焊接面积和外形结构确定第一约束条件；

根据所述咬合板的外形结构和强度要求确定第二约束条件；

根据所述换热板和所述换热流道的尺寸参数确定第三约束条件；

根据所述第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件确定所述尺寸参数集合。