CN117490455B - 一种印刷电路板散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种印刷电路板散热器，属于热交换技术领域，包括散热芯体，散热芯体包括多个间隔层叠的热侧工质换热单元层和冷侧工质换热单元层；热侧工质换热单元层和冷侧工质换热单元层之间设置有隔板，热侧工质换热单元层、隔板、冷侧工质换热单元层、安装底板的中心位置均具有尺寸结构相同的轴向贯通的集液腔，集液腔通过交叉设置的工质隔板分隔为四个腔室，散热芯体与内置的集液腔一体加工成型；热侧工质换热单元层的热工质、冷侧工质换热单元层内冷工质从进口集液腔流出在流道均布流动，再流入出口集液腔。本发明在满足相同换热需求的同时使散热器占据更小的空间，提高了安装时的空间利用率，降低了工质泄露和串腔的风险。

Description

一种印刷电路板散热器

技术领域

本发明属于热交换技术领域，涉及一种印刷电路板散热器。

背景技术

在航空发动机中，滑油系统能够带走轴承的热量，对轴承进行润滑和冷却，维持滑油的工作温度，通常通过燃滑油散热器用燃油对滑油进行散热冷却。

燃滑油散热器安装在发动机机匣上，机匣上分布有燃油泵、滑油泵、发电机、管路等多种功能部件，这导致了燃滑油散热器可布置的空间有限。同时航空设备对减重需求较大，在散热器满足散热性能要求的同时，对其小体积、轻量化提出更高要求。

现有的燃滑油散热器结构主要有两种：管壳式散热器和PCHE（印刷电路板）散热器。管壳式散热器，如一种航空燃油滑油热交换器（专利公开号：CN 112595160 A）和一种新型燃滑油换热器（专利公开号：CN 206942879 U），该散热器结构的不足之处在于其紧凑度较低，导致其实现相同散热量需要的散热器体积较大，重量较重。

PCHE（印刷电路板）散热器，如一种基于PCHE换热技术的气体加热装置及系统（专利公开号：CN 112539561 A），该散热器相对管壳式换热器紧凑度较高，体积较小，其结构包括散热芯体和转接段，其转接段集成了集液腔、活门套筒和安装底板。其不足之处在于以下几个方面：

1.加工工序较多。加工工序包括：散热芯体扩散焊、转接段加工、散热芯体与转接段钎焊。加工的时间成本和经济成本较高。

2.空间利用率较低。集液腔占据了较大的空间，但并不具有换热热能，使得散热器紧凑度较低。

3.集液腔和散热芯体分体加工，需要引入集液腔和散热芯体钎焊工序，增加了工质泄露、串腔等风险。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种印刷电路板散热器，在满足相同换热需求的同时使散热器占据更小的空间，能够明显提高燃滑油散热器在航空发动机上安装时的空间利用率，一体加工，降低了工质泄露和串腔的风险。

本发明所采用的技术方案是，一种印刷电路板散热器，包括散热芯体，所述散热芯体包括多个间隔层叠的热侧工质换热单元层和冷侧工质换热单元层；

所述散热芯体的底部设有安装底板，所述热侧工质换热单元层和冷侧工质换热单元层之间设置有隔板，通过隔板传递热量；所述热侧工质换热单元层、隔板、冷侧工质换热单元层、安装底板的中心位置均具有尺寸结构相同的轴向贯通的集液腔，所述集液腔通过交叉设置的工质隔板分隔为四个腔室，分别为冷侧工质进口集液腔、冷侧工质出口集液腔、热侧工质进口集液腔和热侧工质出口集液腔，实现冷热工质在集液腔的换热功能；散热芯体与内置的集液腔一体加工成型；散热器的重量减轻、外廓尺寸减小，使得散热器外观规整、美观；

所述散热芯体的顶部设有盖板，用于使热侧工质进口、热侧工质出口与活门套筒连通；

热工质从所述热侧工质换热单元层的热侧工质进口集液腔流出后沿流道均布流动，再流入热侧工质换热单元层的热侧工质出口集液腔；

冷工质从所述冷侧工质换热单元层的冷侧工质进口集液腔流出后沿流道均布流动，再流入冷侧工质换热单元层的冷侧工质出口集液腔；

其中，所述热侧工质换热单元层内流出和流入的热工质在进出口位置被隔开；冷侧工质出口集液腔内流出和流入的冷工质在进出口位置被隔开。

进一步的，所述热侧工质换热单元层和冷侧工质换热单元层均通过周向延伸的流道隔板分隔为多个环形流道；集液腔内同种工质的进、出口之间通过同种工质隔板分隔，集液腔内设有与同种工质隔板平行的支撑肋，支撑肋与流道隔板过渡连接；热侧工质换热单元层的同种工质隔板在热工质的进口、出口集液腔之间向外延伸至热侧工质换热单元层边缘；冷侧工质换热单元层的同种工质隔板在冷工质的进口、出口集液腔之间向外延伸至冷侧工质换热单元层边缘；内置式集液腔中的支撑肋具有平衡两侧工质压差的作用，可使异种工质隔板减薄，具有减重效果。

进一步的，所述安装底板与发动机机匣固定连接。

进一步的，所述集液腔为扇形、圆形或矩形，考虑支撑性能、空间利用率。

进一步的，所述集液腔内异种工质的进、出口之间通过异种工质隔板分隔；异种工质隔板增加了换热面积，可提高散热器紧凑度。

进一步的，所述同种工质隔板两侧压差小于0.1MPa，异种工质隔板两侧压差为8MPa~15 MPa；所述同种工质隔板的厚度为0.3mm~0.6mm，异种工质隔板的厚度为2 mm ~5mm。

进一步的，所述集液腔的边缘高度、工质隔板高度、热侧工质换热单元层厚度和冷侧工质换热单元层厚度保持一致；安装底板、多个热侧工质换热单元层、多个隔板、多个冷侧工质换热单元层、盖板通过扩散焊一体焊接成型。

进一步的，所述环形流道内具有强化换热结构，强化换热结构为交错肋、叉排肋柱、顺排肋柱、丁苞或丁坑中的任意一种或组合。

进一步的，所述交错肋的形状为直线型或弧形，肋宽0.3 mm ~1mm、肋高0.5 mm ~1mm。

进一步的，所述盖板与活门套筒一体机械加工成型，盖板与活门套筒连接处开有两个孔，分别使热侧工质进口、热侧工质出口与活门套筒连通，活门套筒上装有温控或压力活门，用于调节流量，以调节滑油出口温度。

本发明的有益效果是：

1.本发明散热器外部无集液腔，无管路，集液腔内置入散热芯体，使得散热器的重量减轻、外廓尺寸减小，散热器外观更规整、美观。

2.本发明散热器能够通过扩散焊将安装底板、若干热侧工质散热单元、若干隔板、若干冷侧工质散热单元、盖板一体加工成型，无其余焊接工序，减少了大量焊缝，降低了工质泄露和串腔的风险，提高了可靠性；简化了加工工序，节省了时间成本和经济成本。

3.本发明能够实现工质沿环形流道的随形流动设计，增加了设计自由度，更容易获得换热和流阻的最优匹配方案。

4.本发明内置式集液腔布置在芯体中心，通过同种工质隔板和异种工质隔板分隔为四个集液腔，实现了冷热工质在集液腔的换热功能，异种工质隔板增加了换热面积，能够提高散热器紧凑度。

5.本发明内置式集液腔中加入支撑肋，既有平衡两侧工质压差的作用，使异种工质隔板减薄，具有减重效果；又通过调节支撑肋间距，具有分隔流道调节各流道流量分配的作用，实现了换热单元间的均匀流动换热，提高了换热效率；还等效于为换热翅片增加了换热面积，提高了散热器的紧凑度。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明实施例散热器的结构示意图。

图2是图1所示冷侧工质散热单元结构示意图。

图3是图1所示热侧工质散热单元结构示意图。

图4是本发明实施例中交错肋强化换热结构的结构示意图。

其中，1.散热芯体，2.安装孔，3.交错肋，4.温控或压力活门，5.活门套筒，6.安装底板，7.盖板，8.热侧工质换热单元层，9.隔板，10.冷侧工质换热单元层，11.冷侧工质进口集液腔，12.冷侧工质出口集液腔，13.热侧工质进口集液腔，14.热侧工质出口集液腔，15.异种工质隔板，16.同种工质隔板，17.支撑肋，18.流道隔板，19.强化换热结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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。

实施例1：

一种印刷电路板散热器，安装于发动机机匣上，散热芯体1与内置的集液腔一体加工成型，如图1所示，散热芯体1包括多个间隔层叠的热侧工质换热单元层8和冷侧工质换热单元层10，热侧工质换热单元层8和冷侧工质换热单元层10之间设置有隔板9，冷侧工质和热侧工质通过隔板9隔开，并通过隔板9传递热量。

散热芯体1的底部通过安装底板6与发动机机匣固定连接，安装底板6通过机械加工制作，具体连接方式为螺栓固定、焊接或其他方式；采用螺栓固定时，安装底板6的四周具有安装孔2。

安装底板6、热侧工质换热单元层8、隔板9、冷侧工质换热单元层10的中心位置均具有尺寸结构相同的轴向贯通的集液腔，集液腔可以根据结构设计需求采用扇形、圆形、矩形等形状；从支撑性能、空间利用率和减重需求考虑，圆形为综合效果最优。

如图2、3所示，热侧工质换热单元层8和冷侧工质换热单元层10均通过周向平滑延伸的流道隔板18分隔为多个圆环形流道，可通过调整流道的数量和流道宽度调节各圆环形流道的流量分配，实现最佳流阻和换热匹配方案。

安装底板6、热侧工质换热单元层8、隔板9、冷侧工质换热单元层10的集液腔均通过交叉设置的同种工质隔板16和异种工质隔板15分隔为四个腔室，分别为冷侧工质进口集液腔11、冷侧工质出口集液腔12、热侧工质进口集液腔13和热侧工质出口集液腔14。集液腔内设有与同种工质隔板16平行的支撑肋17，支撑肋17与流道隔板18过渡连接；即热侧工质换热单元层8和冷侧工质换热单元层10中的冷侧工质进口集液腔11、冷侧工质出口集液腔12、热侧工质进口集液腔13、热侧工质出口集液腔14分别具有支撑肋17；热工质从热侧工质换热单元层8的热侧工质进口集液腔13流出后沿流道均布流动，再流入热侧工质换热单元层8的热侧工质出口集液腔14；冷工质从所述冷侧工质换热单元层10的冷侧工质进口集液腔11流出后沿流道均布流动，再流入冷侧工质换热单元层10的冷侧工质出口集液腔12；所述热侧工质换热单元层8内流出和流入的热工质在进出口位置被隔开；冷侧工质出口集液腔12内流出和流入的冷工质在进出口位置被隔开。

支撑肋17厚度根据加工边界可选0.3mm~0.6mm。支撑肋17的间距可调，调整支撑肋17间距可对热侧工质换热单元层8和冷侧工质换热单元层10的各散热流道进行流量分配，以提高工质流动的均匀性，达到流阻和换热的最优匹配效果，实现换热单元间的均匀流动换热，提高换热效率。同时，内置式集液腔中的支撑肋17具有平衡两侧工质压差的作用，可使异种工质隔板15减薄，具有减重效果。

在一些实施例中，冷侧工质进口集液腔11和冷侧工质出口集液腔12通过同种工质隔板16进行分隔，同种工质隔板16两侧压差小于0.1MPa，同种工质隔板16的厚度根据加工边界可选0.3 mm ~0.6mm。

热侧工质进口集液腔13和热侧工质出口集液腔14通过同种工质隔板16进行分隔，同种工质隔板16两侧压差小于0.1MPa，其厚度根据加工边界可选0.3 mm ~0.6mm。

冷侧工质进口集液腔11和热侧工质进口集液腔13通过异种工质隔板15进行分隔，异种工质隔板15两侧压差为8 MPa~15 MPa，异种工质隔板15的厚度根据加工边界和承压要求可选2 mm ~5mm。

冷侧工质出口集液腔12和热侧工质出口集液腔14通过异种工质隔板15进行分隔，异种工质隔板15两侧压差为8 MPa~15 MPa，其厚度根据加工边界和承压要求可选2 mm ~5mm。

安装底板6上的冷侧工质进口集液腔11、冷侧工质出口集液腔12、热侧工质进口集液腔13和热侧工质出口集液腔14，分别与机匣上的冷侧工质进口、冷侧工质出口、热侧工质进口、热侧工质出口连通。

在一些实施例中，各圆环形流道内设有强化换热结构19，强化换热结构19为交错肋3、叉排肋柱、顺排肋柱、丁苞或丁坑中的任意一种或组合。交错肋3较优，工质在交错肋3构成的网状结构中翻转流动，可实现同重量体积约束下流阻和换热较优的匹配方案。

如图4所示，根据实际设计需求选交错肋3的肋宽0.3 mm ~1mm、肋高0.5 mm ~1mm，肋形状为直线型或弧形。

盖板7位于散热芯体1的顶部，盖板7与活门套筒5一体机械加工成型，也可采用铸造、3D打印等加工方式。盖板7与活门套筒5连接处开有两个孔，分别使热侧工质进口、热侧工质出口与活门套筒5连通。活门套筒5可装温控或压力活门4，用于调节滑油旁通芯体流量，以实现调节滑油出口温度的作用。

在一些实施例中，集液腔的边缘高度、异种工质隔板15高度、同种工质隔板16高度与热侧工质换热单元层8厚度、冷侧工质换热单元层10厚度保持一致；散热器的加工方式为安装底板6、若干热侧工质换热单元层8、若干隔板9、若干冷侧工质换热单元层10、盖板7通过扩散焊一体焊接成型，集液腔内的热工质径向上只能从热侧工质换热单元层8的热侧工质进口集液腔13流出、热侧工质出口集液腔14流入；集液腔内的冷工质径向上只能从冷侧工质换热单元层10的冷侧工质进口集液腔11流出、冷侧工质出口集液腔12流入。热侧工质换热单元层8厚度、冷侧工质换热单元层10厚度与隔板9厚度可保持一致。热侧工质换热单元层8厚度、冷侧工质换热单元层10厚度根据流动阻力要求可选0.5mm~5mm，隔板9厚度根据耐压要求可选0.1mm~1mm。

集液腔在轴向上是连通的，热侧工质通过热侧工质进口集液腔13同时进入各层热侧工质换热单元层8，各热侧工质换热单元层8是并联关系。冷侧工质也是同样的流动方式，冷侧工质通过冷侧工质进口集液腔11同时进入各层冷侧工质换热单元层10，各冷侧工质换热单元层10是并联关系。

热侧工质的流动：从热侧工质进口流入热侧工质进口集液腔13，热侧工质进口集液腔13内的热侧工质从支撑肋17间流出，沿圆环形流道均匀流动，最后流动至热侧工质出口集液腔14，流动的动力来源为系统内的泵或其他动力。

冷侧工质的流动：从冷侧工质进口流入冷侧工质进口集液腔11，冷侧工质进口集液腔11内的冷侧工质从支撑肋17间流出，沿圆环形流道均匀流动，最后流动至冷侧工质出口集液腔12。

实施例2：

流道隔板18为沿周向延伸的波浪形或锯齿形，均可起到分隔流道的作用；支撑肋17为沿径向延伸的弧形或波浪形，均可起到支撑及增加换热面积的作用。根据流体随流特性及最优支撑能力设计，实施例1中沿周向平滑延伸的流道隔板18、直线型的支撑肋17的形状及设置方式更优。

本发明实施例的集液腔内置于散热芯体1，实现集液腔与散热芯体1的一体化设计，散热器外部无集液腔，无管路；仅需通过扩散焊一道焊接工序即可加工成型，无其余焊接工序，这样简化了加工工序，节省了时间成本和经济成本，同时减少了大量焊缝，降低了工质泄露和串腔的风险，提高了可靠性。同时实现了冷热工质在集液腔的换热功能，内置式集液腔中加入的支撑肋17，增加了换热面积，提高散热器的紧凑度；还具有平衡两侧工质压差的作用，可使异种工质隔板15减薄，具有减重效果。

效果验证：

本发明实施例1与现有PCHE换热器实例的数值模拟对比结果：采用工质为RP-3燃油和4106滑油，在实现相同的燃油流阻120kPa，滑油流阻200kPa，相同的散热量26kW的情况下，现有PCHE换热器实例的外廓尺寸为Φ100mm×300mm，重量为3.60kg；本发明实例1中同种工质隔板16厚度为0.5mm，异种工质隔板15厚度为2mm，支撑肋17厚度为0.5mm，外廓尺寸为Φ90mm×240mm，重量为3.04kg，外廓尺寸所占据的空间减少35%，重量减少15%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种印刷电路板散热器，包括散热芯体（1），其特征在于，所述散热芯体（1）包括多个间隔层叠的热侧工质换热单元层（8）和冷侧工质换热单元层（10）；

所述散热芯体（1）的底部设有安装底板（6），所述热侧工质换热单元层（8）和冷侧工质换热单元层（10）之间设置有隔板（9），所述热侧工质换热单元层（8）、隔板（9）、冷侧工质换热单元层（10）、安装底板（6）的中心位置均具有尺寸结构相同的轴向贯通的集液腔，所述集液腔通过交叉设置的工质隔板分隔为四个腔室，分别为冷侧工质进口集液腔（11）、冷侧工质出口集液腔（12）、热侧工质进口集液腔（13）和热侧工质出口集液腔（14），散热芯体（1）与内置的集液腔一体加工成型；

所述散热芯体（1）的顶部设有盖板（7），用于使热侧工质进口、热侧工质出口与活门套筒（5）连通；

热工质从所述热侧工质换热单元层（8）的热侧工质进口集液腔（13）流出后沿流道均布流动，再流入热侧工质换热单元层（8）的热侧工质出口集液腔（14）；

冷工质从所述冷侧工质换热单元层（10）的冷侧工质进口集液腔（11）流出后沿流道均布流动，再流入冷侧工质换热单元层（10）的冷侧工质出口集液腔（12）；

其中，所述热侧工质换热单元层（8）内流出和流入的热工质在进出口位置被隔开；冷侧工质出口集液腔（12）内流出和流入的冷工质在进出口位置被隔开。

2.根据权利要求1所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述热侧工质换热单元层（8）和冷侧工质换热单元层（10）均通过周向延伸的流道隔板（18）分隔为多个环形流道；集液腔内同种工质的进、出口之间通过同种工质隔板（16）分隔，集液腔内设有与同种工质隔板（16）平行的支撑肋（17），支撑肋（17）与流道隔板（18）过渡连接；热侧工质换热单元层（8）的同种工质隔板（16）在热工质的进口、出口集液腔之间向外延伸至热侧工质换热单元层（8）边缘；冷侧工质换热单元层（10）的同种工质隔板（16）在冷工质的进口、出口集液腔之间向外延伸至冷侧工质换热单元层（10）边缘。

3.根据权利要求1所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述安装底板（6）与发动机机匣固定连接。

4.根据权利要求1所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述集液腔为扇形、圆形或矩形。

5.根据权利要求2所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述集液腔内异种工质的进、出口之间通过异种工质隔板（15）分隔。

6.根据权利要求5所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述同种工质隔板（16）两侧压差小于0.1MPa，异种工质隔板（15）两侧压差为8 MPa~15 MPa；所述同种工质隔板（16）的厚度为0.3mm~0.6mm，异种工质隔板（15）的厚度为2 mm ~5mm。

7.根据权利要求1所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述集液腔的边缘高度、工质隔板高度、热侧工质换热单元层（8）厚度和冷侧工质换热单元层（10）厚度保持一致；安装底板（6）、多个热侧工质换热单元层（8）、多个隔板（9）、多个冷侧工质换热单元层（10）、盖板（7）通过扩散焊一体焊接成型。

8.根据权利要求2所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述环形流道内具有强化换热结构（19），强化换热结构（19）为交错肋（3）、叉排肋柱、顺排肋柱、丁苞或丁坑中的任意一种或组合。

9.根据权利要求8所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述交错肋（3）的形状为直线型或弧形，肋宽0.3 mm ~1mm、肋高0.5 mm ~1mm。

10.根据权利要求1所述一种印刷电路板散热器，其特征在于，所述盖板（7）与活门套筒（5）一体机械加工成型，盖板（7）与活门套筒（5）连接处开有两个孔，分别使热侧工质进口、热侧工质出口与活门套筒（5）连通，活门套筒（5）上装有温控或压力活门（4），用于调节流量。