一種雙側(cè)蝕刻高溫高壓印刷電路板換熱器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在石油化工、能源、冶金、制冷、核能等工業(yè)中使用的高溫高壓板式換熱器，特別涉及一種雙側(cè)蝕刻板組成的高溫高壓印刷電路板換熱器，可以采用光化學(xué)蝕刻、激光腐蝕和機(jī)加工及擴(kuò)散焊工藝制備。
【背景技術(shù)】
[0002]板式換熱器是在石油化工、能源、冶金、制冷、核能等工業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用的一種重要的換熱設(shè)備。由于制造工藝成熟、緊湊度高、傳熱效率高等特點，在換熱設(shè)備占有較大比例。在高溫高壓板式換熱器中，冷熱兩種流體通過換熱板壁面進(jìn)行熱量交換。為滿足高壓環(huán)境下改善換熱的目的，通常在不同形式的換熱通道以改變流體流動方向，同時增加流體擾流度。
[0003]傳統(tǒng)板翅式換熱器由基板和翅片通過釬焊方式組合在一起，主要應(yīng)用于600°C以下的溫度區(qū)域，當(dāng)其應(yīng)用在高溫高壓條件下時存在很多問題，如：①釬焊處為異種材料焊接，高溫條件下的熱膨脹應(yīng)力易導(dǎo)致?lián)Q熱器內(nèi)部變形至失效；②釬焊連接位置的填充釬料容易被腐蝕，導(dǎo)致?lián)Q熱器泄露；③較薄的翅片在高溫高壓條件下易發(fā)生蠕變，進(jìn)而堵塞部分通道，降低換熱效率和安全性。
[0004]20世紀(jì)80年代，Heatric公司提出了一種印刷電路板換熱器，該換熱器換熱板采用蝕刻方式一體成型，多塊換熱板采用擴(kuò)散焊接構(gòu)成芯體，該方法制造的換熱器始終為一種材料，不會產(chǎn)生因不同材料熱膨脹系數(shù)關(guān)系引起的殘余應(yīng)力，承壓能力很好。依據(jù)流道形式，現(xiàn)有的印刷電路板換熱器主要分為兩類，一類芯體采用連續(xù)通道結(jié)構(gòu)，如直通道結(jié)構(gòu)、之字形結(jié)構(gòu)（US20060090887);另一類芯體采用分離式翅片結(jié)構(gòu)，如S型翅片結(jié)構(gòu)、翼型翅片結(jié)構(gòu)（US20090294113)等。另一方面，對于印刷電路板換熱器進(jìn)出口結(jié)構(gòu)的設(shè)計目前還沒有公開的研究，采用蝕刻方法一體成型的結(jié)構(gòu)目前也沒有公開發(fā)表。
[0005]然而，上述連續(xù)通道印刷電路板換熱器的換熱板均為單側(cè)蝕刻加工，流道截面為半圓形，換熱器在高溫高壓條件下運行時，半圓形尖角處會產(chǎn)生相當(dāng)大的熱應(yīng)力集中，使材料長期處于熱疲勞狀態(tài)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致材料塑性變形，影響換熱效率，也嚴(yán)重影響使用安全；同時，對于進(jìn)口流道的不合理布置，會使換熱器內(nèi)流體分布不均勻，導(dǎo)致?lián)Q熱器阻力增大，局部溫度升高，從而影響換熱器的運行安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述不足之處，本發(fā)明的目的是提供一種雙側(cè)蝕刻高溫高壓印刷電路板換熱器結(jié)構(gòu)形式，換熱板雙側(cè)均采用化學(xué)蝕刻方法蝕刻出不同流道，這種方式能改善流道中尖角處的熱應(yīng)力集中，能增大流通截面，提升有效換熱面積，提高換熱效率。在整個芯體上布置有不同的冷、熱流體進(jìn)出口，使流體呈逆流換熱布置；同時，采用融合式通道在進(jìn)口處進(jìn)行流體分配，使各通道流體分布均勻，可以有效減小換熱器阻力，提高換熱效率，保證換熱器整體換熱性能。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
[0008]包括第一換熱板，第二換熱板，熱側(cè)進(jìn)口、熱側(cè)出口，冷側(cè)進(jìn)口、冷側(cè)出口，均流段，其上置有熱側(cè)融合式進(jìn)口分配流道和冷側(cè)融合式進(jìn)口分配流道，第一換熱板與第二換熱板的上側(cè)加工通道截面為半圓形，下側(cè)加工通道截面為半橢圓形，半圓形通道直徑與半橢圓形通道長軸長度相等；第一換熱板、第二換熱板進(jìn)口分配段、出口段的上側(cè)蝕刻通道與下側(cè)蝕刻通道分別布置于流動方向中心線對稱的兩側(cè)，換熱器整體呈逆流換熱，在第一換熱板與第二換熱板入口段采用融合式流體分配結(jié)構(gòu)，第一換熱板與第二換熱板交替布置，在進(jìn)出口位置分別連接擴(kuò)流段，擴(kuò)流段外進(jìn)出口管為法蘭連接。
[0009]所述的第一換熱板和第二換熱板上的雙側(cè)蝕刻通道，其中心在相同軸線上或交替布置。
[0010]第一換熱板和第二換熱板進(jìn)口段位置采用融合式流道布置進(jìn)行流體分配，芯體前段導(dǎo)流通道呈放射式結(jié)構(gòu)，流體分為多股流并行進(jìn)入芯體中段，且兩側(cè)流體進(jìn)、出口位置關(guān)于流動方向中心線對稱，使芯體形成逆流結(jié)構(gòu)。
[0011]所述擴(kuò)流段為方圓過度結(jié)構(gòu)，與換熱器芯體進(jìn)出口焊接。
[0012]在換熱器的芯體中段為流體核心換熱區(qū)，考慮到蝕刻方法對換熱板雙側(cè)進(jìn)行蝕刻方便性，此區(qū)域可加工成直通道或之字形通道結(jié)構(gòu)。
[0013]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點與效果是：
[0014]①減小熱應(yīng)力：雙側(cè)蝕刻結(jié)構(gòu)使流道兩尖端的直角實現(xiàn)平滑過渡，有效減小了熱應(yīng)力，避免了由此可能產(chǎn)生的塑性變形。
[0015]②提高流動均勻性：換熱器前段與后段的融合式進(jìn)口通道布置，有效改善了流動均勻性分布。
[0016]③降低通道阻力：雙側(cè)蝕刻板使流體通過換熱器的橫截面積增大，使得在相同流量下的流體工質(zhì)流速減小，有助于降低阻力，節(jié)省功耗。
[0017]④增大有效傳熱面積：雙側(cè)蝕刻板增大了兩側(cè)流體與固體的接觸面積，提高換熱器緊湊度。
[0018]綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0019]①本發(fā)明可以減少尖角處熱應(yīng)力；
[0020]②本發(fā)明可以提升換熱效率及降低阻力；
[0021]③本發(fā)明可以使換熱器內(nèi)流體分布更加均勻；
[0022]④本發(fā)明可以提高換熱器的緊湊度，增加有效換熱面積利用率。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明換熱器整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2 (a)是本發(fā)明中單板雙側(cè)同軸蝕刻結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2(b)是本發(fā)明中單板雙側(cè)交錯蝕刻結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3是本發(fā)明中兩側(cè)流體芯體流道與進(jìn)口布置示意圖。
[0027]圖4(a)是本發(fā)明中熱側(cè)流體進(jìn)口結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖4(b)是本發(fā)明中冷側(cè)流體進(jìn)口結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖5(a)是本發(fā)明中換熱器芯體中段同軸之字形流道示意圖。
[0030]圖5(b)是本發(fā)明中換熱器芯體中段交錯之字形流道示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0032]參照圖1所示，一種雙側(cè)蝕刻高溫高壓換熱器包括：一個芯體1，按蝕刻流道布置將其劃分為三部分，芯體前段2為進(jìn)口導(dǎo)流段，芯體中段3，芯體后段4為出口導(dǎo)流段，熱側(cè)進(jìn)口管6與冷側(cè)出口管8通過擴(kuò)流段5連接在芯體前段2，熱側(cè)出口管7與冷側(cè)進(jìn)口管9通過擴(kuò)流段5連接到芯體后段4，從而保證在芯體中段3的核心換熱區(qū)呈逆流換熱。
[0033]參照圖2(a)所示，第一換熱板11與第二換熱板12兩側(cè)蝕刻通道在同一軸線上。
[0034]參照圖2(b)所示，第一換熱板11與第二換熱板12兩側(cè)蝕刻通道呈交錯式布置。
[0035]參照圖3所示，熱流體與冷流體呈逆流換熱，第一換熱板11下側(cè)流道與第二換熱板12上側(cè)流道拼接形成熱側(cè)流體通道，第一換熱板11上側(cè)與第二換熱板11下側(cè)拼接形成冷側(cè)流體通道。
[0036]參照圖4 (a)所示，第一換熱板11前段為融合式進(jìn)口，上側(cè)蝕刻為半圓形截面熱側(cè)融合式進(jìn)口分配通道15 ;下側(cè)蝕刻為半橢圓截面冷側(cè)融合式進(jìn)口分配通道16。兩側(cè)通道的放射方向關(guān)于豎直平面對稱。
[0037]參照圖4(b)所示，第二換熱板12前段為進(jìn)口放射形結(jié)構(gòu)，上側(cè)蝕刻為冷側(cè)融合式進(jìn)口分配通道16 ;下側(cè)蝕刻為熱側(cè)融合式進(jìn)口分配通道15。兩側(cè)通道的放射方向關(guān)于豎直平面對稱，同時第二換熱板12與第一換熱板11呈鏡面對稱的結(jié)構(gòu)。
[0038]參照圖5(a)所示，在芯體中段3，第一換熱板11與第二換熱板12可蝕刻為同軸之字形通道。
[0039]參照圖5(b)所示，在芯體中段3，第一換熱板11與第二換熱板12蝕刻為交錯之字形通道，或連續(xù)通道的其他結(jié)構(gòu)。
[0040]換熱器工作的過程為：流體由入口管進(jìn)入換熱器各層換熱板，流經(jīng)入口前段的導(dǎo)流通道，流體分配流入各通道內(nèi)與兩側(cè)換熱板間隔的另一側(cè)流體進(jìn)行充分換熱，最后經(jīng)出口管流出換熱器。
【主權(quán)項】
1.一種雙側(cè)蝕刻高溫高壓印刷電路板換熱器，包括第一換熱板(11)，第二換熱板(12)，熱側(cè)進(jìn)口(6)、熱側(cè)出口(7)，冷側(cè)進(jìn)口(8)、冷側(cè)出口(9)，均流段(10)，其上置有熱側(cè)融合式進(jìn)口分配流道(15)和冷側(cè)融合式進(jìn)口分配流道(16)，其特征在于，第一換熱板(11)與第二換熱板(12)的上側(cè)加工通道截面為半圓形，下側(cè)加工通道截面為半橢圓形，半圓形通道直徑與半橢圓形通道長軸長度相等；第一換熱板(11)、第二換熱板(12)進(jìn)口分配段、出口段的上側(cè)蝕刻通道與下側(cè)蝕刻通道分別布置于流動方向中心線對稱的兩側(cè)，換熱器整體呈逆流換熱，在第一換熱板(11)與第二換熱板(12)入口段采用融合式流體分配結(jié)構(gòu)，第一換熱板(11)與第二換熱板(12)交替布置，在進(jìn)出口位置分別連接擴(kuò)流段，擴(kuò)流段外進(jìn)出口管為法蘭連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙側(cè)蝕刻高溫高壓印刷電路板換熱器，其特征在于:所述的第一換熱板(11)和第二換熱板(12)上的雙側(cè)蝕刻通道，其中心在相同軸線上或交替布置。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙側(cè)蝕刻高溫高壓印刷電路板換熱器，其特征在于:第一換熱板(11)和第二換熱板(12)進(jìn)口段位置采用融合式流道布置進(jìn)行流體分配，芯體前段(2)導(dǎo)流通道呈放射式結(jié)構(gòu)，流體分為多股流并行進(jìn)入芯體中段(3)，且兩側(cè)流體進(jìn)、出口位置關(guān)于流動方向中心線對稱，使芯體形成逆流結(jié)構(gòu)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述雙側(cè)蝕刻高溫高壓印刷電路板換熱器，其特征在于:所述擴(kuò)流段為方圓過度結(jié)構(gòu)，與換熱器芯體進(jìn)出口焊接。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙側(cè)蝕刻通道高溫高壓板式換熱器，由換熱芯體，芯體區(qū)分為入口段、核心換熱段及出口段三部分，均流段，熱流體進(jìn)口與出口，冷流體進(jìn)口與出口構(gòu)成。該換熱器利用光化學(xué)蝕刻、激光刻蝕和機(jī)加工等方式對一定厚度的換熱板雙側(cè)加工流道，第一換熱板與第二換熱板間隔布置，進(jìn)口分配段采用融合式通道的新型結(jié)構(gòu)，有利于使換熱器內(nèi)流體分布更加均勻。本發(fā)明可以提高換熱器的換熱效率，有效避免現(xiàn)有通道尖角處熱應(yīng)力損害，增大換熱器流通截面積，提高換熱器的緊湊度，改善尖角處熱應(yīng)力分布避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的塑性變形，提高換熱器內(nèi)流體均勻性分布，改進(jìn)換熱器的安全性能，延長其使用壽命。
【IPC分類】F28F3/04, F28D9/00
【公開號】CN105043144
【申請?zhí)枴緾N201510324622
【發(fā)明人】王秋旺, 褚雯霄, 馬挺, 曾敏
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年6月12日