CN117479420B - 一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体 - Google Patents

Abstract

本发明属于换热设备技术领域，涉及一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，包括自上而下依次交错堆叠焊接的若干个第一板层和第二板层；所述第一板层与所述第二板层相对的两面结构互相配合，所述第一板层与第二板层上设置有交替平行布置的冷流道与热流道。本发明通过冷热单流道同层交替布置的设计，且同板层的冷流道换热段在芯体高度方向上与相邻板层热流道换热段对齐，热流道换热段在芯体高度方向上与相邻板层冷流道换热段对齐，增大了换热芯体内部的局部换热温差，解决了传统印刷电路板换热器中的冷热流体无法在同一水平方向上高效换热的问题，能够有效提高换热器的换热效率及紧凑度。

Description

一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体

技术领域

本发明涉及换热设备技术领域，具体地说，涉及一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体。

背景技术

随着航空航天、石油化工、能源动力等行业的蓬勃发展，各行业中使用的换热设备的热负荷越来越高，同时要求换热设备更加紧凑，因此，世界各国也不断加大投入来研发新型高效紧凑的换热设备。其中，印刷电路板换热器(Printed Circuit Heat Exchanger, 简称PCHE)受到了广泛关注，印刷电路板换热器作为一种换热性能优良的紧凑式微细通道换热器，采用化学蚀刻工艺在换热板上加工出流道，再将多层换热板通过扩散焊工艺焊接成换热芯体，最后用封头封装流道进出口而组成换热器。由于其特殊的加工方式，印刷电路板换热器的紧凑度可达2500m²/m³以上，且能承受90MPa以上的工作压力及900℃以上的工作温度。

然而，在现有的印刷电路板换热器中，换热芯体由冷侧板与热侧板交替堆叠焊接而成，冷侧板和热侧板上分别蚀刻有冷流道和热流道，冷热流体主要通过冷侧板和热侧板的中间壁面进行换热，该结构会造成冷热流体无法在同一板层的水平方向上进行换热，导热热阻较大。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，能够克服传统设计中冷热流体无法在同层换热板的水平方向上换热的问题，提高换热效率，并且结构简单，易于加工制造。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，包括：

自上而下依次交错堆叠焊接的若干个第一板层和第二板层；

所述第一板层与所述第二板层相对的两面结构互相配合，所述第一板层上设置有交替平行布置的第一冷流道与第一热流道，所述第二板层上设置有交替平行布置的第二冷流道与第二热流道。

进一步的，所述第一冷流道与第一热流道均设置有若干条。

进一步的，所述第一冷流道包括第一冷流入口、第一冷流出口、第一冷流换热段及第一冷流过渡段，所述第一冷流换热段一端为第一冷流入口，另一端与第一冷流过渡段一端连通，所述第一冷流过渡段另一端为第一冷流出口。

进一步的，所述第一热流道包括第一热流入口、第一热流出口、第一热流换热段和第一热流过渡段，所述第一热流换热段一端为第一热流入口，另一端与所述第一热流过渡段一端连通，所述第一热流过渡段另一端为第一热流出口。

进一步的，所述第二板层上有交替平行布置的若干条第二冷流道与第二热流道。

进一步的，所述第二冷流道包括第二冷流入口、第二冷流过渡段、第二冷流换热段以及第二冷流出口，所述第二冷流换热段一端与第二冷流过渡段连通，另一端为第二冷流出口，所述第二冷流过渡段一端为第二冷流入口。

进一步的，所述第二热流道包括第二热流入口、第二热流出口、第二热流换热段和第二热流过渡段，所述第二热流换热段一端与第二热流过渡段一端连通，所述第二热流换热段另一端为第二热流出口，所述第二热流过渡段另一端为第二热流入口。

进一步的，所述第一冷流换热段在芯体高度方向上与第二热流换热段对齐，第一热流换热段在芯体高度方向上与第二冷流换热段对齐。

进一步的，所述第二冷流过渡段和第二热流过渡段为折线形流道，所述第二冷流换热段与第二热流换热段为平直流道。

进一步的，所述第一冷流道与第二冷流道以及第一热流道与第二热流道的截面形状至少为矩形、半圆形、圆形、椭圆形、多边形的一种。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

通过冷热单流道同层交替布置的设计，且同板层的冷流道换热段在芯体高度方向上与相邻板层热流道换热段对齐，热流道换热段在芯体高度方向上与相邻板层冷流道换热段对齐，增大了换热芯体内部的局部温度梯度，解决了传统印刷电路板换热器中的冷热流体无法在同一水平方向上高效换热的问题，能够有效提高换热器的换热效率和紧凑度。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分，本领域技术人员应该理解的是，这些附图未必是按比例绘制的，在附图中：

图1为换热器芯体的结构示意图；

图2为第一板层的结构示意图；

图3为第二板层的结构示意图；

图4为盖板的结构示意图；

图5为传统印刷电路板换热器热量传递示意图；

图6为本发明提供的印刷电路板换热器热量传递示意图；

图7为数值模拟得到的本发明相对传统印刷电路板换热器能够提高的换热量对比图。

图中标记：1、盖板；2、第一板层；3、第二板层；4、底板；11、芯体热流体入口；12、芯体冷流体入口；13、芯体热流体出口；14、芯体冷流体出口；21、第一冷流道；22、第一热流道；31、第二冷流道；32、第二热流道；211、第一冷流入口；212、第一冷流出口；213、第一冷流换热段；214、第一冷流过渡段；221、第一热流入口；222、第一热流出口；223、第一热流换热段；224、第一热流过渡段；311、第二冷流入口；312、第二冷流出口；313、第二冷流换热段；314、第二冷流过渡段；321、第二热流入口；322、第二热流出口；323、第二热流换热段；324、第二热流过渡段；51、热流体流道；52、冷流体流道。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念，附图中的元素是示意性的，没有按比例绘制。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请下述实施例以冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体为例进行详细说明本申请的方案，但是此实施例并不能限制本申请保护范围。

如图1至图7所示，本发明提供了一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，包括：

自上而下依次交错堆叠焊接的若干个第一板层2和第二板层3；

所述第二板层3与所述第一板层2相对的两面结构互相配合，所述第一板层2上设置有交替平行布置的第一冷流道21与第一热流道22。

在本发明实施例中，通过冷热单流道同层交替布置的设计，且同板层的冷流道换热段在芯体高度方向上与相邻板层热流道换热段对齐，热流道换热段在芯体高度方向上与相邻板层冷流道换热段对齐，增大了换热芯体内部的局部换热温差，解决了传统印刷电路板换热器中的冷热流体无法在同一水平方向上高效换热的问题，能够有效提高换热器的换热效率及紧凑度。

如图1至图7所示，所述第一冷流道21与第一热流道22均设置有若干条，所述第一冷流道21包括第一冷流入口211、第一冷流出口212、第一冷流换热段213及第一冷流过渡段214，所述第一冷流换热段213一端为第一冷流入口211，另一端与第一冷流过渡段214一端连通，所述第一冷流过渡段214另一端为第一冷流出口212。

在本发明实施例中，冷热流道采用同层交替排布，可以增大换热芯体内部的局部温度梯度，提高换热效率，同一板层的冷流道换热段与相邻板层的热流道换热段对齐，可以实现冷热流体在垂直方向上的有效换热，设置冷流道的流道入口、出口、换热段和过渡段，可以合理规划冷流道的流体流动方向，确保冷流体可以有效地通过换热段与热流体进行充分的热交换，这种结构设计可以克服传统结构的缺点，提高横截面的换热效果，是一种有效的优化设计。

如图1至图7所示，所述第一热流道22包括第一热流入口221、第一热流出口222、第一热流换热段223和第一热流过渡段224，所述第一热流换热段223一端为第一热流入口221，另一端与所述第一热流过渡段224一端连通，所述第一热流过渡段224另一端为第一热流出口222。

在本发明实施例中，设置热流道的入口和出口，可以合理地引导热流体进入和离开换热芯体，热流道换热段与相邻板层的冷流道换热段对齐，可以实现冷热流体之间的有效热交换，过渡段的设置可以平滑热流道的形状，避免流道转折处产生较大的局部压力损失，热流道的这种结构设计与冷流道的设计相呼应，可以实现冷热流道的合理匹配，保证冷热流体在垂直方向上进行有效的热交换，提高换热效率，采用化学蚀刻工艺、增材制造工艺等先进制造工艺可以实现这种结构的加工，整体来说，这种热流道与冷流道相配合的设计，可以提升换热器整体换热效果与紧凑度。

如图1至图7所示，所述第一冷流换热段213在芯体高度方向上与第二热流换热段323对齐，第一热流换热段223在芯体高度方向上与第二冷流换热段313对齐，所述第二板层3上有交替平行布置的若干条第二冷流道31与第二热流道32。

在本发明实施例中，第一冷流换热段213与第二热流换热段323对齐，第一热流换热段223与第二冷流换热段313对齐，实现了冷热流体在垂直方向上的有效热交换，不同板层之间的流道采用错位对齐的结构设计，可以进一步提高换热效率，第二板层3也采用了交替平行的冷热流道设计，与第一板层2的设计互相配合，扩大了冷热流体的热交换面积，可以实现更紧凑的换热结构，提高单位体积的换热量，有利于换热器的小型化。整体来说，这种不同板层之间流道错位对齐的结构设计，可以进一步优化横截面的热交换效果，提高换热器整体换热效果和紧凑度。

如图1至图7所示，所述第二冷流道31包括第二冷流入口311、第二冷流过渡段314、第二冷流换热段313以及第二冷流出口312，所述第二冷流换热段313一端与第二冷流过渡段314连通，另一端为第二冷流出口312，所述第二冷流过渡段314一端为第二冷流入口311。

在本发明实施例中，设置了第二冷流入口311、第二冷流过渡段314、第二冷流换热段313以及第二冷流出口312，与第一冷流道21的设计相呼应，第二冷流换热段313与第一热流换热段223垂直对齐，可以实现垂直方向的有效热交换，这种第二冷流道31与第一热流道22相配合的设计，可以实现多层板之间的协同换热，多层结构可以实现更为紧凑的换热芯体，有利于提高单位体积的换热量，进一步提高换热器的紧凑度。

如图1至图7所示，所述第二热流道32包括第二热流入口321、第二热流出口322、第二热流换热段323和第二热流过渡段324，所述第二热流换热段323一端与第二热流过渡段324一端连通，所述第二热流换热段323另一端为第二热流出口322，所述第二热流过渡段324另一端为第二热流入口321，所述第二冷流过渡段314和第二热流过渡段324为折线形流道，所述第二冷流换热段313与第二热流换热段323为平直流道。

在本发明实施例中，热流道也设置了第二热流入口321、第二热流出口322、第二热流换热段323和第二热流过渡段324，与冷流道的设计相呼应，可以实现热流体的有效流动，第二热流换热段323与第一冷流换热段213垂直对齐，实现垂直方向的热交换，换热段采用平直流道，有利于降低流动阻力，提高换热器综合性能，第二热流道32的设计与第一冷流道21设计相配合，实现多层之间的协同换热，多层结构使换热芯体更加紧凑，可以提高单位体积的换热量，进一步提升紧凑度。

如图1至图7所示，所述第一冷流道21与第二冷流道31以及第一热流道22与第二热流道32的截面形状至少为矩形、半圆形、圆形、椭圆形、多边形的一种。

在本发明实施例中，提供了多种可选的流道截面形状，包括矩形、半圆形、圆形、椭圆形和多边形，不同的截面形状对流体流动和换热性能有不同的影响，可以根据实际需求选择最优的流道截面形状，矩形截面具有较大的流道横截面面积，换热面积更大，圆形或半圆形截面有利于减小流体的阻力损失，椭圆形和多边形截面在矩形和圆形之间可获得折中的效果。通过优化流道截面形状，可以降低流体流动阻力，提高换热效率，利用化学蚀刻工艺、增材制造工艺等先进制造工艺可以制造这些不同形状的流道截面，整体来说，提供多种流道截面形状的可选性，可以根据实际需求设计出最优的流道结构，以提高横截面的热交换效果。

为实现以上技术方案，以下为一个具体的实施案例：

如图1至图4所示，为本发明提供的印刷电路板换热器芯体的一个实施例，由盖板1、若干交替堆叠的第一板层2和第二板层3以及底板4堆叠焊接而成。盖板1上设置有芯体热流体入口11以及芯体冷流体入口12，在第一板层2的同样位置设置有第一热流入口221和第一冷流入口211，第二板层3的同样位置设置有第二热流入口321和第二冷流入口311。

如图2所示，第一板层2上有交替平行布置的若干条第一冷流道21与第一热流道22，所述第一冷流道21从头到尾分别由第一冷流入口211、第一冷流换热段213、第一冷流过渡段214以及第一冷流出口212四个部分组成，第一热流道22由对应的四个部分组成。第一冷流过渡段214和第一热流过渡段224为折线形流道，可以改变流道方向，第一冷流换热段213与第一热流换热段223为平直流道。

如图3所示，第二板层3上有交替平行布置的若干条第二冷流道31与第二热流道32，所述第二冷流道31从头到尾分别由第二冷流入口311、第二冷流过渡段314、第二冷流换热段313、以及第二冷流出口312四个部分组成，第二热流道32由对应的四个部分组成。第二冷流过渡段314和第二热流过渡段324为折线形流道，可以改变流道方向，第二冷流换热段313与第二热流换热段323为平直流道。

如图4所示，盖板1上布置有芯体热流体入口11、芯体冷流体入口12、芯体热流体出口13以及芯体冷流体出口14，其位置与第一板层2和第二板层3中的流道出入口位置一一对应。底板4焊接于最后一个板层下，其主要作用是密封。

作为可替代的实施方案，芯体热流体入口11、芯体冷流体入口12以及芯体热流体出口13、芯体冷流体出口14均可根据场地需求部分或全部布置于底板4上。术语“盖板”与“底板”仅表示附图中的位置关系，并不表示两者实际情况下必须具有特定的位置关系。

换热器工作过程为：热流体和冷流体分别由芯体热流体入口11和芯体冷流体入口12进入，通过贯通的第一热流入口221，第二热流入口321和第一冷流入口211，第二冷流入口311进入流道。在流道中完成热量交换后，由贯通的第一热流出口222，第二热流出口322和第一冷流出口212，第二冷流出口312流动至芯体热流体出口13和芯体冷流体出口14完成整个换热过程。

如图5和图6所示，图中Q₁、Q₂、Q₃、Q₄均为热流体向冷流体传递的热量，对于传统印刷电路板换热器，冷流体流道52中流体只能与上下板层的热流体流道51进行热量交换，而本发明提供的冷热流通道同层排布的印刷电路板换热器芯体具有冷热单流道同层交替布置的设计，冷流体流道52中的流体能够直接与上下左右相邻热流体流道51中的流体进行热量交换，解决了传统印刷电路板换热器中的冷热流体无法在同一水平方向上高效换热的问题，能够有效提高换热器的换热效率和紧凑度。

如图7所示，用数值模拟方法对比了传统印刷电路板换热器与本发明提供的冷热流通道同层排布的印刷电路板换热器，模拟工质为超临界二氧化碳，工况为逆流，热侧进口1200K，冷侧进口400K，模拟结果表明，相比于传统印刷电路板换热器，本发明提供的冷热流通道同层排布的印刷电路板换热器换热量明显更高，在雷诺数接近20000的情况下，换热通道横截面形状为半圆形时，能够提高换热量0.8kW；换热通道横截面形状为矩形时，能够提高总换热量9.8kW。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，包括：

自上而下依次交错堆叠焊接的若干个第一板层（2）和第二板层（3）；

所述第一板层（2）与所述第二板层（3）相对的两面结构互相配合，所述第一板层（2）上设置有交替平行布置的第一冷流道（21）与第一热流道（22），所述第二板层（3）上设置有交替平行布置的第二冷流道（31）与第二热流道（32）；盖板，盖板上设置有芯体热流体入口（11）、芯体冷流体入口（12）、芯体热流体出口（13）和芯体冷流体出口（14）；

所述第一冷流道（21）包括第一冷流入口（211）、第一冷流出口（212）、第一冷流换热段（213）及第一冷流过渡段（214），所述第一冷流换热段（213）一端为第一冷流入口（211），另一端与第一冷流过渡段（214）一端连通，所述第一冷流过渡段（214）另一端为第一冷流出口（212）；

所述第一热流道（22）包括第一热流入口（221）、第一热流出口（222）、第一热流换热段（223）和第一热流过渡段（224），所述第一热流换热段（223）一端为第一热流入口（221），另一端与所述第一热流过渡段（224）一端连通，所述第一热流过渡段（224）另一端为第一热流出口（222）；

所述第二冷流道（31）包括第二冷流入口（311）、第二冷流过渡段（314）、第二冷流换热段（313）以及第二冷流出口（312），所述第二冷流换热段（313）一端与第二冷流过渡段（314）连通，另一端为第二冷流出口（312），所述第二冷流过渡段（314）一端为第二冷流入口（311）；

所述第二热流道（32）包括第二热流入口（321）、第二热流出口（322）、第二热流换热段（323）和第二热流过渡段（324），所述第二热流换热段（323）一端与第二热流过渡段（324）一端连通，所述第二热流换热段（323）另一端为第二热流出口（322），所述第二热流过渡段（324）另一端为第二热流入口（321）；

所述第一冷流换热段（213）在芯体高度方向上与第二热流换热段（323）对齐，第一热流换热段（223）在芯体高度方向上与第二冷流换热段（313）对齐；

所述第二冷流过渡段（314）和第二热流过渡段（324）为折线形流道，所述第二冷流换热段（313）与第二热流换热段（323）为平直流道，第一冷流过渡段（214）和第一热流过渡段（224）为折线形流道，第一冷流换热段（213）与第一热流换热段（223）为平直流道；在第一板层（2）的同样位置设置有第一热流入口（221）、第一冷流入口（211）、第一热流出口（222）和第一冷流出口（212），第二板层（3）的同样位置设置有第二热流入口（321）、第二冷流入口（311）、第二热流出口（322）和第二冷流出口（312），且一一对应。

2.根据权利要求1所述的冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述第一冷流道（21）与第一热流道（22）均设置有若干条。

3.根据权利要求1所述的冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述第二冷流道（31）和第二热流道（32）均设置有若干条。

4.根据权利要求1所述的冷热流道同层排布的印刷电路板换热器芯体，其特征在于，所述第一冷流道（21）与第二冷流道（31）以及第一热流道（22）与第二热流道（32）的截面形状至少为矩形、半圆形、圆形、椭圆形、多边形的一种。