立交式微通道高效紧凑型换热器的制作方法

本发明涉及属于热交换技术领域，具体来说是立交式微通道高效紧凑型换热器。

背景技术：

能源动力是人类科技发展的重要支柱之一，其中换热器是该领域必不可少的关键核心设备。随着换热技术的进步，人们已经发明制造了种类繁多样式各异的换热器，诸如管壳式换热器、管板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器、板式换热器等，每种换热器也多大致经历了光滑表面、二维涡发生设计、三维涡发生设计三个阶段的发展。近一个世纪以来，板式换热器一直在高换热效率方面居于垄断地位。然而，受垫片密封方式以及其它传统技术限制，板式换热器很难在高温（500℃以上）高压（20MPa以上）领域取得突破，也因此板式换热器很难在超临界流体能量转换系统中（高温高压工况）得到应用。

基于流动和传热机理的深入研究以及结构制造技术的不断创新发展，近些年换热器的换热性能及结构形式都有了较大发展。从加工工艺技术演进来看，从传统减料加工工艺到3D打印技术和晶粒生长技术，后两种先进技术还在发展阶段，从传统加工工艺向3D打印技术过渡的扩散焊加工工艺配合蚀刻成型技术可以使加工过程变得更加灵活，工业应用条件也最成熟。以该技术为基本特征的印刷电路板式换热器以其结构紧凑、承压能力强、换热效率高等特点而越来越受到人们的重视。印刷电路板式换热器的发展也必将进一步加速超临界流体能量转换系统的工程应用和技术升级。

目前印刷电路板式换热器是由冷流体板层和热流体板层的交替叠加而成的二维流体分布结构，即单个流体板层上仅有冷流体或热流体流动。该结构的印刷电路板式换热器横截面如图1所示，由交替叠加的冷流体板层和热流体板层经扩散焊加工而成。冷流体板层和热流体板层上分别是经蚀刻技术加工成型的冷流体流道和热流体流道。该结构布置下冷热流体至多为二维流动分布，热流体仅有上下面与冷流体接触冷却，热流体左右面仍与热流体接触。

技术实现要素：

本发明的目的是开发一种换热器冷热流道布置改进方法，以实现换热器中冷热流体的三维布置，从而大幅增加冷热流体的有效接触面积，最终进一步提高印刷电路板式换热器换的换热效率和换热单元数。

本发明通过下述技术方案实现：

立交式微通道高效紧凑型换热器，包括至少2个叠在一起的流板，相邻2个流板分别为上流板和下流板，还包括至少2个流体通道，上流板和下流板内均设置有换热流道，上流板的换热流道包括至少1个第一类流道，第一类流道包括第一类流道进口段、第一类流道中间段、第一类流道出口段，下流板的换热流道包括至少1个第二类流道，第二类流道包括第二类流道进口段、第二类流道中间段、第二类流道出口段，第一类流道进口段通过第二类流道中间段与第一类流道出口段连通，第二类流道进口段通过第一类流道中间段与第二类流道出口段连通。

本发明的设计原理为：根据场协同原理，将二维冷热流体流动分布改进为三维冷热流体流动分布，其中，上流板和下流板仍然交替叠加经扩散焊加工而成，通过将第一类流道设计成三段，第二类流道也设计成三段，使得上流板的流体经过第一类流道进口段进入第二类流道中间段、再从第一类流道出口段流出，也使得下流板的流体经过第二类流道进口段进入第一类流道中间段、再从第二类流道出口段流出，使得每个流板上都有冷热流体交错逆向流动，相邻上下板层间同样冷热流体交错逆向流动，换热器换热效率以及换热单元数会因冷热流体有效接触面积增大而大大提高。本发明联想道路交通系统，从平面交通到立体交通，自由度的增加可有效提高交通系统的运输能力和灵活性。因此，本发明的设计思路是通过换热器进出口流道设计打通上下两层板的部分流道以达到实现印刷电路板中冷热流道立体流体布置的目的。本发明提出了一种立交式微通道高效紧凑型换热器。该类换热器采用立交式流道布置方法，提高了有效换热面积，进而提高了换热效率和换热单元数。相同换热面积下，换热器换热功率更大；同样换热功率下，换热器体积可以更小。另外，该类换热器还具有承压能力好，工艺流程简单的特点。作为能量传递过程中的核心设备之一，当今工业体系包括能源、电力、化工等领域以及人们的日常生活对换热器的需求巨大。本发明具有换热效率高、结构紧凑、承压能力高、耐高温能力好等特点，实用性强，市场推广潜力巨大。

优选的，上流板的换热流道包括至少1个第三类流道，第三类流道包括依次连通的第三类流道进口段、第三类流道中间段、第三类流道出口段。

优选的，所述第一类流道与第三类流道相邻设置。

优选的，当第一类流道的数量为2时，第三类流道位于2个第一类流道之间。

优选的，下流板的换热流道包括至少1个第四类流道，第四类流道包括依次连通的第四类流道进口段、第四类流道中间段、第四类流道出口段。

优选的，所述第二类流道与第四类流道相邻设置。

优选的，所述第二类流道的数量为2时，第四类流道位于2个第二类流道之间。

优选的，上流板和下流板的换热流道为流直线形、折线形、流线形流道结构。

优选的，上流板和下流板的换热流道内不带涡发生器或带一维涡发生器或带二维涡发生器或带三维涡发生器。

优选的，上流板和下流板的换热流道的水力直径小于或等于10mm。

上述方案在基础实施方案的基础上，使得上流板具备多个第一类流道、第三类流道，也使得下流板具备多个第二类流道、第四类流道，最终使得相邻流板间冷热流体通过流板上通孔交错有序地实现热流体上下左右四面同时被冷流体冷却，同样冷流体上下左右四面同时被热流体加热。也因此本发明提出的微通道高效紧凑型换热器设计更符合场协同原理，有效换热面积和换热单元数得到显著提高，与只有两面被冷却或加热的二维流道布置相比，相同投入下可使换热功率提高10%左右。另外，具有加工工艺简单、结构紧凑、承压能力好、耐高温性能强、经济性好等特点，市场推广尤其在极端工业领域有良好应用前景。

优选的，本发明的上流板和下流板的材料包括各类不锈钢、钛合金、复合材料等所有可用于换热器制造的材料，通过扩散焊加工工艺或其它加工工艺加工而成，最终形成印刷电路板式换热器。

本发明装置优点：相同换热面积下，换热器换热功率更大；同样换热功率下，换热器体积可以更小。另外，该类换热器还具有承压能力好，工艺流程简单的特点。作为能量传递过程中的核心设备之一，当今工业体系包括能源、电力、化工等领域以及人们的日常生活对换热器的需求巨大。本发明具有换热效率高、结构紧凑、承压能力高、耐高温能力好等特点，实用性强，市场推广潜力巨大。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有印刷电路板冷热流体分布横截面示意图。

图2为本发明实施例公开的一种实现冷热流体立体式布置的换热器结构示意图

图3为本发明实施例公开的印刷电路板冷热流体分布横截面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1、上流板；2、下流板；11、第一类流道进口段；12、第一类流道中间段；13、第一类流道出口段；14、第三类流道；21、第二类流道进口段；22、第二类流道中间段；23、第二类流道出口段；24、第四类流道；3、冷流体流道；4、热流体流道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1-图3所示：立交式微通道高效紧凑型换热器，包括至少2个叠在一起的流板，相邻2个流板分别为上流板1和下流板2，还包括至少2个流体通道，上流板1和下流板2内均设置有换热流道，上流板1的换热流道包括至少1个第一类流道，第一类流道包括第一类流道进口段11、第一类流道中间段12、第一类流道出口段13，下流板2的换热流道包括至少1个第二类流道，第二类流道包括第二类流道进口段21、第二类流道中间段22、第二类流道出口段23，第一类流道进口段11通过第二类流道中间段22与第一类流道出口段13连通，第二类流道进口段21通过第一类流道中间段12与第二类流道出口段23连通。

为了使得热流体流道4和冷流体流道3形成，第一类流道进口段11与第二类流道中间段22在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通，二类流道中间段22与第一类流道出口段13也在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通，同理，第二类流道进口段21与第一类流道中间段12在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通，第一类流道中间段12与第二类流道出口段23也在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通。第一类流道进口段11、第二类流道中间段22、第一类流道出口段13依次连通形成冷流体流道3，第二类流道进口段21、第一类流道中间段12、第二类流道出口段23依次连通形成热流体流道4。

本发明的设计原理为：根据场协同原理，将二维冷热流体流动分布改进为三维冷热流体流动分布，其中，上流板和下流板仍然交替叠加经扩散焊加工而成，通过将第一类流道设计成三段，第二类流道也设计成三段，使得上流板的流体经过第一类流道进口段进入第二类流道中间段、再从第一类流道出口段流出，也使得下流板的流体经过第二类流道进口段进入第一类流道中间段、再从第二类流道出口段流出，使得每个流板上都有冷热流体交错逆向流动，相邻上下板层间同样冷热流体交错逆向流动，换热器换热效率以及换热单元数会因冷热流体有效接触面积增大而大大提高。本发明联想道路交通系统，从平面交通到立体交通，自由度的增加可有效提高交通系统的运输能力和灵活性。因此，本发明的设计思路是通过换热器进出口流道设计打通上下两层板的部分流道以达到实现印刷电路板中冷热流道立体流体布置的目的。本发明提出了一种立交式微通道高效紧凑型换热器。该类换热器采用立交式流道布置方法，提高了有效换热面积，进而提高了换热效率和换热单元数。相同换热面积下，换热器换热功率更大；同样换热功率下，换热器体积可以更小。另外，该类换热器还具有承压能力好，工艺流程简单的特点。作为能量传递过程中的核心设备之一，当今工业体系包括能源、电力、化工等领域以及人们的日常生活对换热器的需求巨大。本发明具有换热效率高、结构紧凑、承压能力高、耐高温能力好等特点，实用性强，市场推广潜力巨大。

实施例2

如图2、图3所示：

上流板1的换热流道包括2个第一类流道、1个第三类流道14，下流板1的换热流道包括2个第二类流道、1个第四类流道24。第一类流道包括第一类流道进口段11、第一类流道中间段12、第一类流道出口段13，第二类流道包括第二类流道进口段21、第二类流道中间段22、第二类流道出口段23，第一类流道进口段11通过第二类流道中间段22与第一类流道出口段13连通，第二类流道进口段21通过第一类流道中间段12与第二类流道出口段23连通。第一类流道进口段11、第二类流道中间段22、第一类流道出口段13依次连通形成冷流体流道3，第二类流道进口段21、第一类流道中间段12、第二类流道出口段23依次连通形成热流体流道4。

为了使得热流体流道4和冷流体流道3形成，第一类流道进口段11与第二类流道中间段22在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通，二类流道中间段22与第一类流道出口段13也在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通，同理，第二类流道进口段21与第一类流道中间段12在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通，第一类流道中间段12与第二类流道出口段23也在上流板与下流板的交界面处形成连通孔连通。

第三类流道14包括依次连通的第三类流道进口段、第三类流道中间段、第三类流道出口段。所述第一类流道与第三类流道14相邻设置。第三类流道14位于2个第一类流道之间。第三类流道14形成冷流体流道3，

第四类流道24包括依次连通的第四类流道进口段、第四类流道中间段、第四类流道出口段。所述第二类流道与第四类流道24相邻设置。第四类流道24位于2个第二类流道之间。第四类流道24形成热流体流道4。

第四类流道24与上方的冷流体流道3热交换，热流体流道4还与两侧的冷流体流道3热交换，达到三个方向都热交换，若本发明在下流板下方再次叠加一个流板，则可以使得第四类流道24下方也进行热交换，达到四个方向都进行热交换。

上述方案在实施例1方案的基础上，使得上流板具备多个第一类流道、第三类流道，也使得下流板具备多个第二类流道、第四类流道，最终使得相邻流板间冷热流体通过流板上通孔交错有序地实现热流体上下左右四面同时被冷流体冷却，同样冷流体上下左右四面同时被热流体加热。也因此本发明提出的微通道高效紧凑型换热器设计更符合场协同原理，有效换热面积和换热单元数得到显著提高，与只有两面被冷却或加热的二维流道布置相比，相同投入下可使换热功率提高10%左右。另外，具有加工工艺简单、结构紧凑、承压能力好、耐高温性能强、经济性好等特点，市场推广尤其在极端工业领域有良好应用前景。

优选的，上流板1和下流板2的换热流道为流直线形、折线形、流线形流道结构。 优选的，上流板1和下流板2的换热流道内不带涡发生器或带一维涡发生器或带二维涡发生器或带三维涡发生器。优选的，上流板1和下流板2的换热流道的水力直径小于或等于10mm。

优选的，本发明的上流板和下流板的材料包括各类不锈钢、钛合金、复合材料等所有可用于换热器制造的材料，通过扩散焊加工工艺或其它加工工艺加工而成，最终形成印刷电路板式换热器。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。