CN117734225A - 一种采用相变微通道换热的热等静压机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用相变微通道换热的热等静压机，属于热等静压设备技术领域。该热等静压机采用相变微通道换热装置与隔热屏气体出口连通，隔热屏内部的高温高压气体进入相变微通道换热装置的热介质通道，与冷介质通道内的冷介质进行换热。冷介质通道包括预热区、蒸发区和过热区；蒸发区包括若干交替设置的向上倾斜段和水平段；向上倾斜段的内侧壁上设有疏冷介质材料层，水平段的内侧壁上设有亲冷介质材料层，冷介质在冷介质通道内吸收高温高压气体热量发生相变。本发明通过优化冷介质通道的结构，可以显著提高气液分离速率，降低相变流体在通道内流动阻力，最大化发挥相变换热和微通道换热的优势，显著提高了热等静压机的冷却速率。

Description

一种采用相变微通道换热的热等静压机

技术领域

本发明属于热等静压设备技术领域，具体涉及一种采用相变微通道换热的热等静压机。

背景技术

热等静压机（HIP）是利用高温高压对工件或粉末等材料进行致密化处理的设备，使用时将要加工的材料装入热等静压机加热腔内，通入惰性气体并加热加压，从各个方向压缩工件，可使工件达到最佳密度，消除内部的铸造缺陷或微孔，并提高工件寿命和机械性能。该设备适用于如涡轮叶片、汽车发动机、医用假体等高精度要求的场景。可以处理多种材料，如金属、陶瓷、玻璃等，还可以进行扩散焊接等。

热等静压机工作温度最高可达2000℃，压力最高可达200MPa，不但需要精准控制温度还需要尽快地降温冷却。传统热等静压机采用自然降温，冷却的时间很长，对于企业生产来说增加了大量时间成本，若加入冷却装置可以让冷却时间大幅缩短，效率可以提高数倍，对时间成本和制造工艺都有明显的益处，并可以进一步提升工件的材料性能。

现有技术中一般在传统热等静压机的基础上，在顶部或底部布置热交换元件，并留有复杂通道供压力介质（即热等静压机工作产生的高温高压气体）流通，热交换元件中通入冷却介质，冷却流通的压力介质，并在热等静压机加热腔内设有多个压力介质引导通路，该通路占用了加热腔内有限的空间，增加了加热腔内构造的复杂度。压力介质从热交换元件流出后经过多个通路，再进入加热腔内进行循环冷却，该多个通路一般经过热等静压机外壳，在经过外壳时还需外壳冷却系统辅助散热（热等静压机外壳上为防止外壳温度过高强度降低，一般设水冷夹层或喷水冷却等冷却系统）。

而且现有技术中热交换元件一般采用翅片管式换热器，采用水或冷气作冷却介质，冷却介质冷却能力有限，如果希望具有更快的冷却速率，就需要增加热交换元件的体积或者设计更复杂的结构。现有技术中热交换元件内的换热管道还经常采用弯曲管道以延长换热接触时间，提高换热效率，但是使用弯曲管道会增加加工难度，且介质流动阻力也会增大。

相变换热比如水的汽化相变，汽化潜热（即温度不变时，单位质量的某种液体物质在汽化过程中所吸收的热量；物质发生相变过程中吸收或放出的热量，在这个过程中虽然有热量的变化，但温度一般保持恒定不变，即相变前后的温度是相同的）可以带走大量热量，可比未相变时多吸收数倍甚至数十倍的热量，可以较小的体积实现较大的换热量。

另外，微通道换热器为通道当量直径在10μm~1000μm的换热器，微通道换热器相比常规的翅片管式换热器具有换热效率高、体积小、性能衰减小、耐受高温高压等优点，若将相变技术和微通道换热器技术结合应用于热等静压机换热冷却，将极大提高换热效率，同时也不会使热等静压机的体积显著增大和使其结构显著复杂化。

但是，热等静压机工作产生的气体不仅具有较高的温度，同时具有较高的压力，因此对于热交换元件的性能有较高的要求，制冷剂如水相变从液体转化为气体后，压力也显著增大，如气液不能快速分离，其气泡在表面聚集，不但影响相变速率，同时将带来较大的流动阻力，影响换热效果。

发明内容

本发明的目的就在于为解决现有技术的不足而提供一种采用相变微通道换热的热等静压机，该相变微通道换热具有较高的换热效率，可以简化热等静压机结构，实现降低设备体积和生产成本的目的。

本发明提供了一种采用相变微通道换热的热等静压机，包括压力容器，所述压力容器内设有隔热屏，所述隔热屏内为加热腔，所述隔热屏上设有气体出口和气体进口；

所述热等静压机还包括相变微通道换热装置；

所述相变微通道换热装置包括若干交叉设置的热介质通道、冷介质通道、与若干所述热介质通道连通的热介质进口和热介质出口、以及与若干所述冷介质通道连通的冷介质进口和冷介质出口；所述冷介质通道沿冷介质流通方向包括依次连通的预热区、蒸发区和过热区；

所述蒸发区包括若干交替设置的向上倾斜段和水平段；所述向上倾斜段的内侧壁上设有疏冷介质材料层，所述水平段的内侧壁上设有亲冷介质材料层；

所述热介质进口与所述气体出口连通，所述热介质出口与所述气体进口连通。

优选地，所述气体出口位于所述隔热屏的顶部，所述气体进口位于所述隔热屏的底部；所述相变微通道换热装置位于所述压力容器内且位于所述隔热屏的上方。

优选地，所述预热区和所述过热区均为水平通道。

优选地，若干所述热介质通道和若干所述冷介质通道垂直交叉设置。

优选地，若干所述冷介质通道与所述冷介质进口之间设有冷介质进口集流通道，若干所述冷介质通道与所述冷介质出口之间设有冷介质出口集流通道；

若干所述热介质通道与所述热介质出口之间设有热介质出口集流通道。

优选地，所述相比微通道换热装置还包括左右两侧端盖和上盖；

所述冷介质进口和所述冷介质出口分别位于所述上盖的左右两侧；

所述左右两侧端盖之间，由所述冷介质进口至所述冷介质出口方向，所述冷介质进口集流通道、所述冷介质通道及所述冷介质出口集流通道依次排列设置；

所述热介质出口集流通道设于若干所述热介质通道上方，所述热介质出口为两个，分别连通于所述热介质出口集流通道的左右两侧。

优选地，所述气体出口内设有主控制阀；

所述相变微通道换热装置的底部两侧与所述隔热屏的顶部两侧之间形成第一腔体，所述第一腔体的侧边上设有供气体流通的侧部开口，所述侧部开口内设有侧控制阀；所述第一腔体的上方与所述热介质进口连通；

所述相变微通道换热装置及所述隔热屏位于所述压力容器的中心区域，所述压力容器的外侧区域以及底部区域为外循环通道；所述热介质出口与所述外循环通道连通；

所述加热腔的中心区域设有装料架，所述加热腔的外侧区域为内循环通道；

当所述主控制阀关闭时，所述热等静压机工作产生的高温高压气体在所述加热腔内部循环；

当所述主控制阀开启时，所述热等静压机工作产生的高温高压气体：通过所述主控制阀流经所述相变微通道换热装置进行换热冷却，冷却后的气体从所述外循环通道及所述气体进口进入所述加热腔进行循环冷却；或高温高压气体通过所述主控制阀及所述侧控制阀直接进入所述外循环通道。

优选地，所述第一腔体内设有导流叶片。

优选地，所述压力容器内设有循环风扇。

优选地，所述相变微通道换热装置的上端将所述压力容器的上端封闭。

本发明提供的热等静压机，选用优化了冷介质通道结构的相变微通道换热装置进行冷却，可以显著提高气液分离速率，降低相变流体在通道内流动阻力，最大化发挥相变换热和微通道换热的优势。该换热装置可以承受热等静压工作超高的压力，以较小的体积和重量提高热等静压机的冷却速率，同时无需压力容器外壳辅助散热，可以给外壳降温以维持金属外壳的强度。热等静压机内部也无需设置复杂的气体引流通路，简化了热等静压机内部结构。

附图说明

图1为本发明优选实施例提供的热等静压机的结构示意图；

图2为本发明优选实施例提供的相变微通道换热装置的结构示意图；

图3为图2中冷介质通道的结构示意图。

其中，1-外壳；2-底座；3-隔热屏；4-循环风扇；5-相变微通道换热装置；6-导流叶片；7-主控制阀；8-侧控制阀；9-冷介质进口；10-冷介质出口；11-上盖；12-热介质出口；13-外循环通道；14-预热区；15-蒸发区；16-过热区；17-向上倾斜段；18-水平段；19-冷介质进口集流通道；20-冷介质出口集流通道；21-热介质出口集流通道；22-端盖；23-装料架；24-内循环通道。

具体实施方式

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

本实施例提供了一种采用相变微通道换热的热等静压机，如图1~3所示，包括压力容器，压力容器由外壳1和底座2构成，压力容器内设有隔热屏，隔热屏内为加热腔，物料在加热腔内在限定的高温高压等条件下被致密化。

隔热屏上设有气体出口和气体进口。热等静压机还包括相变微通道换热装置5。优选气体出口位于隔热屏的顶部，气体进口位于隔热屏的底部；相变微通道换热装置位于压力容器内且位于隔热屏的上方，简化了气体流通路径。

相变微通道换热装置5包括若干交叉设置的热介质通道、冷介质通道、与若干热介质通道连通的热介质进口和热介质出口12、以及与若干冷介质通道连通的冷介质进口9和冷介质出口10。

冷介质通道沿冷介质流通方向包括依次连通的预热区14、蒸发区15和过热区16，即预热区靠近冷介质进口，过热区靠近冷介质出口。

蒸发区整体呈阶梯上升结构，包括若干交替设置的向上倾斜段17和水平段18；向上倾斜段的内侧壁上设有疏冷介质材料层，水平段的内侧壁上设有亲冷介质材料层。水是最常规的冷介质，本发明也优选采用水作为冷介质，因此，此处的疏冷介质材料层采用疏水涂层，如锌铝水滑石材料，亲冷介质材料层采用亲水涂层，如聚丙烯酸材料。向上倾斜段17与水平线之间的倾角优选为30°~60°。

相变微通道换热装置的热介质进口与气体出口连通，热介质出口与气体进口连通。隔热屏内部的高温高压气体即热介质通过气体出口流动至相变微通道换热装置，经过热介质进口在热介质通道流动与冷介质换热，液态冷介质如水（该段后续均采用水代替）从冷介质进口进入冷介质通道以后，首先在预热区与热介质换热，预热达到饱和温度，然后进入蒸发区继续吸收热介质热量进行相变，产生气泡，在向上倾斜段内表面设有疏水层，可使液态水尽快脱离管壁，并且倾斜向上的管道，可使未相变的液体通过重力作用向下流动，经过水平段时，内表面设有的亲水层，可以使沸腾产生的气泡迅速脱离管壁，使液态水充分与管壁接触，提高相变换热效率，并使脱离液体的气泡与液体流向下一段管道。蒸发区设置成阶梯上升的结构也可使流体发生转向，改变动能冲击附着管壁的气泡，进一步促进气泡与液体分离，经过交替设置的向上倾斜段和水平段以后，有利于气泡在流动时同时借助浮力作用加速脱离加热表面，加快气泡排出，防止气泡堵塞换热管，强化换热效果。因此，蒸发区可保证流向过热区16的流体均为气态，也可引导气流的气泡迅速前进，蒸发完成的气体在过热区16进一步吸收热介质热量，最后从冷介质出口流出，换热冷却后的热介质从热介质出口流出，经气体进口重新进入隔热屏内部循环冷却。

本发明的微通道换热装置采用相变换热，相变可以带走大量热量，使换热冷却效果显著提高。设置向上倾斜段、水平段以及加入亲水和疏水涂层可促进气液分离，从而可以简化微通道内的通道形状，使其方便加工，也可以减小流动阻力，节省能源。

热等静压机产生的高温高压气体温度、压力分别可达1000℃、100Mpa，对微通道换热装置冷介质通道侧造成的压力约为10Mpa，对应的饱和温度是311℃，因此可以使液态水达到过热状态，从而发生相变。

因此，本发明提供的热等静压机，采用优化了冷介质通道结构的相变微通道换热装置进行冷却，可以显著提高气液分离速率，降低相变流体在通道内流动阻力，最大化发挥相变换热和微通道换热的优势，显著地提高换热效率。该换热装置可以承受热等静压工作超高的压力，还可以较小的体积和重量提高热等静压的冷却速率，同时无需压力容器外壳辅助散热，甚至可以给外壳降温以维持金属外壳的强度。热等静压机内部也无需设置复杂的气体引流通路，简化了热等静压机内部结构。

另外，该换热装置可以模块化使用，可以灵活调整在热等静压机上的位置，方便了应用。优选地，预热区和过热区均为水平通道，方便加工，同时流体流动阻力也较小。与预热区和过热区相邻的蒸发区可为向上倾斜段或水平段，对换热效果的影响基本相当。即蒸发区的两端存在四种情况：（1）两端均为向上倾斜段；（2）两端均为水平段；（3）蒸发区与预热区相邻的端部为向上倾斜段，另一端为水平段；（4）蒸发区与预热区相邻的端部为水平段，另一端为向上倾斜段。

优选地，若干热介质通道和若干冷介质通道垂直交叉设置。如图1所示，热介质通道为上下竖直设置，冷介质通道为左右水平设置，可使热介质和冷介质充分接触换热。

优选地，若干冷介质通道与冷介质进口之间设有冷介质进口集流通道19，若干冷介质通道与冷介质出口之间设有冷介质出口集流通道20；液态冷介质从冷介质进口首先进入冷介质进口集流通道，然后再均匀分流至多个冷介质通道内进行换热，换热后的气态冷介质汇流至冷介质出口集流通道后，最后从冷介质出口流出。若干热介质通道与热介质出口之间设有热介质出口集流通道21，换热后的热介质汇流至热介质出口集流通道后，再从热介质出口流出。设置冷介质进口集流通道可使液态冷介质均匀分流至多个冷介质通道内进行换热，从而提高换热效率。设置冷介质出口集流通道和热介质出口集流通道方便收集换热后的冷介质和热介质，以便于循环利用。当然根据需要也可设置热介质进口集流通道。当未设置热介质进口集流通道时，热介质通道的进口端开口即为热介质进口。

优选地，相变微通道换热装置还包括左右两侧端盖22和上盖11；冷介质进口和冷介质出口分别位于上盖的左右两侧。左右两侧端盖之间，由冷介质进口至冷介质出口方向，冷介质进口集流通道、冷介质通道及冷介质出口集流通道依次排列设置。热介质出口集流通道设于若干热介质通道上方，热介质出口为两个，分别连通于热介质出口集流通道的左右两侧。通过该设置，冷介质在微通道换热装置左右侧方向水平流动，热介质在微通道换热装置内从下至上竖直流动，热介质随着换热后温度的降低密度增大趋于向下流动，将热介质流动方向设置为从下向上以后可以延长热介质流动时间提高换热效率。

如本领域技术人员可以理解地，本发明的相变微通道换热装置未详细公开的技术采用现有技术即可；本发明的相变微通道换热装置还可以包括现有技术中为提高换热效率而采取的其他结构，如在热介质通道上设有散热翅片等。本发明的相变微通道换热装置不仅可以用于热等静压机，还可以用于其他有需求的场景。

优选地，气体出口内设有主控制阀7。相变微通道换热装置的底部两侧与隔热屏的顶部两侧之间形成第一腔体，第一腔体的侧边上设有供气体流通的侧部开口，侧部开口内设有侧控制阀8；第一腔体的上方与热介质进口连通，从图1可以看出，此种情况下微通道换热装置可以不设置热介质进口集流通道，隔热屏内部的高温高压气体同样可以通过第一腔体均匀流向多个热介质通道内。

相变微通道换热装置5及隔热屏3位于压力容器的中心区域，压力容器的外侧区域以及底部区域为外循环通道13，热介质出口与外循环通道连通；加热腔的中心区域设有装料架23，用于承载物料，加热腔的外侧区域为内循环通道24，物料在装料架内被致密化。

进一步优选地，压力容器内设有循环风扇4，以促进气体流动。循环风扇优选位于底座与装料架之间。

通过控制主控制阀、侧控制阀的开度，可以调节高温高压气体的流向，以适应不同的需求。具体的，当热等静压机开始运行时，隔热屏内部是高温高压的惰性气体，关闭主控制阀，打开循环风扇，气体在隔热屏内部经内循环通道循环流动，加热物料。

当加热完成需要快速冷却时，打开主控制阀，关闭侧控制阀，高温高压气体经第一腔体流向相变微通道换热装置进行冷却，换热后降温降压的气体从相变微通道换热装置热介质出口流向外循环通道，在外循环流动过程中，可以给外壳降温，因此外壳不需使用额外的冷却系统，然后从底部通过循环风扇及气体进口重新进入隔热屏进行循环冷却。优选相变微通道换热装置的左右两侧均设置热介质出口，换热后的气体可从两侧均匀流向外循环通道。在循环风扇的作用下，同时在热气流上升、冷气流下降的自然特性下，隔热屏内部的高温高压气体从中心可快速均匀地向上流动，经过上方的相变微通道换热装置换热后，降温后的气体从两侧外循环通道向下快速流动，然后从底部进入隔热屏循环冷却，无需设置其他复杂的气体引流通路。

根据需要，可打开侧控制阀，并调节侧控制阀的开度，使加热腔内的热气流（不经相变微通道换热装置换热直接进入外循环通道）与经过相变微通道换热装置后的冷气流进行掺混，进行辅助散热，用于热等静压机在不同工况下的精准调温。

由于高温高压气流可能会含有一些粉尘，因此优选在第一腔体内设有导流叶片6，气流经过导流叶片6形成旋流，通过离心作用将粉尘分离，避免堵塞相变微通道换热装置5的热介质通道。导流叶片还避免了气流出现流动死角，提高了气体流动速率。

如本领域技术人员可以理解地，相变微通道换热装置可以完全置于压力容器内，压力容器上方另设有封闭盖。或优选地，如图1所示，本发明采用相变微通道换热装置的上端（即相变微通道换热装置的上盖）直接将压力容器的上端封闭，简化了热等静压机结构，进一步减少了相变微通道换热装置占用热等静压机的体积；冷介质进口、冷介质出口设于压力容器的外部，方便了冷介质的输入和流出。

可在热等静压机外侧设制冷设备，连接冷介质出口和冷介质进口，将气态冷介质重新转化为液态循环使用。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种采用相变微通道换热的热等静压机，包括压力容器，所述压力容器内设有隔热屏，所述隔热屏内为加热腔，其特征在于，所述隔热屏上设有气体出口和气体进口；

所述热等静压机还包括相变微通道换热装置；

所述相变微通道换热装置包括若干交叉设置的热介质通道、冷介质通道、与若干所述热介质通道连通的热介质进口和热介质出口、以及与若干所述冷介质通道连通的冷介质进口和冷介质出口；所述冷介质通道沿冷介质流通方向包括依次连通的预热区、蒸发区和过热区；

所述蒸发区包括若干交替设置的向上倾斜段和水平段；所述向上倾斜段的内侧壁上设有疏冷介质材料层，所述水平段的内侧壁上设有亲冷介质材料层；

所述热介质进口与所述气体出口连通，所述热介质出口与所述气体进口连通。

2.如权利要求1所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

所述气体出口位于所述隔热屏的顶部，所述气体进口位于所述隔热屏的底部；

所述相变微通道换热装置位于所述压力容器内且位于所述隔热屏的上方。

3.如权利要求1所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

所述预热区和所述过热区均为水平通道。

4.如权利要求1所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

若干所述热介质通道和若干所述冷介质通道垂直交叉设置。

5.如权利要求2所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

若干所述冷介质通道与所述冷介质进口之间设有冷介质进口集流通道，若干所述冷介质通道与所述冷介质出口之间设有冷介质出口集流通道；

若干所述热介质通道与所述热介质出口之间设有热介质出口集流通道。

6.如权利要求5所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

所述相变微通道换热装置还包括左右两侧端盖和上盖；

所述冷介质进口和所述冷介质出口分别位于所述上盖的左右两侧；

所述左右两侧端盖之间，由所述冷介质进口至所述冷介质出口方向，所述冷介质进口集流通道、所述冷介质通道及所述冷介质出口集流通道依次排列设置；

所述热介质出口集流通道设于若干所述热介质通道上方，所述热介质出口为两个，分别连通于所述热介质出口集流通道的左右两侧。

7.如权利要求2所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

所述气体出口内设有主控制阀；

所述相变微通道换热装置的底部两侧与所述隔热屏的顶部两侧之间形成第一腔体，所述第一腔体的侧边上设有供气体流通的侧部开口，所述侧部开口内设有侧控制阀；所述第一腔体的上方与所述热介质进口连通；

所述相变微通道换热装置及所述隔热屏位于所述压力容器的中心区域，所述压力容器的外侧区域以及底部区域为外循环通道；所述热介质出口与所述外循环通道连通；

所述加热腔的中心区域设有装料架，所述加热腔的外侧区域为内循环通道；

当所述主控制阀关闭时，所述热等静压机工作产生的高温高压气体在所述加热腔内部循环；

当所述主控制阀开启时，所述热等静压机工作产生的高温高压气体通过所述主控制阀流经所述相变微通道换热装置进行换热冷却，冷却后的气体从所述外循环通道及所述气体进口进入所述加热腔进行循环冷却；或高温高压气体通过所述主控制阀及所述侧控制阀直接进入所述外循环通道。

8.如权利要求7所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

所述第一腔体内设有导流叶片。

9.如权利要求7所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

所述压力容器内设有循环风扇。

10.如权利要求7所述的采用相变微通道换热的热等静压机，其特征在于，

所述相变微通道换热装置的上端将所述压力容器的上端封闭。