一种包含组合流道的新型印刷电路板式换热器芯体的制作方法

本发明涉及印刷电路板式换热技术领域，具体涉及一种包含组合流道的新型印刷电路板式换热器芯体。

背景技术：

换热器是进行热量交换的通用设备，广泛应用于石油化工、船舶、海洋工程、航空航天、核电、光热发电和余热回收等领域。常规的管壳式换热器存在换热效率低、体积重量大等问题，传统的板式换热器和板翅式换热器存在耐温耐压能力低等问题。

随着海洋油气勘探和生产向深海发展，海洋平台的技术装备水平不断提高，对海洋平台的空间利用提出了更高的要求，亟需发展紧凑高效的换热设备。随着节能减排需求的增长，提高能源利用效率成为发展趋势，超临界二氧化碳布雷顿循环和氦气循环等新型动力系统对换热器的紧凑性、密封性及耐温耐压能力提出了更高的要求。

20世纪80年代，英国heatric公司提出一种印刷电路板式换热器，该换热器采用光化学刻蚀方法在换热板片上制备微型流体通道，具有不同流道的换热板片相互叠加，通过扩散焊接方法构成换热器芯体。该换热器具有传热效率高、耐温耐压能力强、体积小重量轻等优点，但由于换热板片上流体通道尺寸非常小，通常为0.5~2.5mm，对工质的清洁度要求非常高，仅适用于二氧化碳、氦气、lng等干净介质的换热，而海水、烟气等清洁度低的工质容易造成流体通道堵塞影响换热并带来安全隐患，限制了印刷电路板式换热器的应用范围。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提出一种包含组合流道的新型印刷电路板式换热器芯体，通过拼接方法获得具有较大截面积的组合流道，还可与具有较小流道截面积的单流道金属板片混合，不易堵塞，设计巧妙，减少成本，适用于清洁度低的工质及不同清洁度工质间的换热，大大拓宽了印刷电路板式换热器的使用场景和应用领域。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种包含组合流道的新型印刷电路板式换热器芯体，所述芯体包含多层叠放并连为一体的具有流道的金属板片，其特征在于：所述金属板片包括组合流道金属板片，所述组合流道金属板片由表面加工有多条单流道的第一金属板片和第二金属板片以肋与肋相接触的形式拼接而成，第一金属板片和第二金属板片上的单流道的截面开口宽度和流动方向均关于拼接面对称设置，拼接后相对应的两个单流道构成一个组合流道。

进一步地，所述芯体由多层组合流道金属板片组成，不同层组合流道金属板片的组合流道截面形状相同或不同；或，所述金属板片还包括单流道金属板片，所述单流道金属板片上加工有多条单流道，所述芯体由所述组合流道金属板片和所述单流道金属板片混合组成。

进一步地，当所述芯体由所述组合流道金属板片和所述单流道金属板片混合组成时，所述组合流道金属板片与单流道金属板片按照n层组合流道金属板片和m层单流道金属板片的方式排布为一个换热单元，一个或多个换热单元组成换热器芯体，其中n≥1，m≥1，n和m均为整数。

进一步地，所述单流道的流道截面形状为“d”形、“v”形、矩形或梯形，所述组合流道由两个“d”形、两个“v”形、两个矩形、或两个梯形单流道拼接而成，或由“d”形、“v”形、矩形和梯形单流道中的任意两者拼接而成。

进一步地，所述组合流道的截面形状为“o”形、菱形、“口”形、五边形、六边形、不规则四边形、或异形截面。

进一步地，所述金属板片上的流道的流动方向为直通形、“z”形或“s”形。

进一步地，所述金属板片上的流道的流动方向为周期性曲线结构。

进一步地，所述流道通过光化学蚀刻或机械加工或压力加工得到，金属板片之间通过扩散焊接或钎焊连接到一起。

进一步地，所述金属板片采用不锈钢、钛合金、铜合金或镍基合金材料制成。

有益效果：本发明的提供的换热器芯体，利用两张具有相同或不同截面形状流道的金属板片肋与肋相互拼接的方式构成组合流道，拼接后的组合流道相比拼接前的单流道，具有更大的截面积，并且提供了更多类型的流道截面，使得印刷板式换热器能够具有较大的“o”形、“口”形、菱形、五边形、六边形、不规则四边形、异形流道等截面的流道，相比现有技术，本发明可适用于海水、烟气等清洁度低的工质，不易堵塞流道，且本发明提供的组合流道形成方法，无需增加加工难度，在不增加成本的情况下有效扩大了流道的截面积，扩展了印刷电路板式换热器的使用范围。

本发明还提供具有组合流道和单流道混合的换热器芯体，通过将组合流道金属板片和单流道金属板片交替设置，使得换热器芯体同时具有较大的组合流道与较小的单流道，可同时适用于于二氧化碳、氦气、lng等干净介质的换热和海水、烟气等清洁度低的工质的换热，拓宽了印刷电路板式换热器的应用领域。

附图说明

图1为具有“o”形流道的组合流道金属板片的截面示意图；

图2为具有“口”形流道的组合流道金属板片的截面示意图；

图3为具有菱形流道的组合流道金属板片的截面示意图；

图4为具有六边形流道的组合流道金属板片的截面示意图；

图5为异形流道的组合流道金属板片的截面示意图；

图6为本发明实施例1的第一或第二金属板片的立体结构示意图；

图7为本发明实施例1的换热单元的截面示意图；

图8为本发明实施例1的换热单元的立体爆炸结构示意图；

图9为本发明实施例1的换热器芯体立体结构示意图；

图10为本发明实施例2的换热单元截面示意图；

附图标记：1、第一金属板片，2、第二金属板片，3、肋，4、拼接面，5、“d”形流道，6、矩形流道，7、“v”形流道，8梯形流道、9、“o”形流道，10、“口”形流道，11、菱形流道，12六边形流道、13、组合流道金属板片、14、单流道金属板片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明主要提供一种印刷电路板式换热器芯体的新的设计结构，采用两块单流道金属板片14拼接的方法形成组合流道，在不增加加工难度和成本的情况下，增大了流道截面积，有效扩展了印刷电路板式换热器的使用范围，具有较大流道截面积的组合流道能够适用于清洁度较低的工质，有效拓宽了印刷电路板式换热器的适用范围。

参见附图1-10，本发明提供一种包含组合流道的新型印刷电路板式换热器芯体，所述芯体包含多层叠放并连为一体的具有流道的金属板片，所述金属板片包括组合流道金属板片13，所述组合流道金属板片13由表面加工有单流道的第一金属板片1和第二金属板片2以肋3与肋3相接触的形式拼接而成，第一金属板片1和第二金属板片2上的单流道的截面开口宽度和流动方向均关于拼接面4对称设置，拼接后相对应的两个单流道构成一个组合流道，用于构成组合流道的相对应的两个单流道截面形状相同或不同。

具体地，所述芯体由多层组合流道金属板片13组成，不同层组合流道金属板片13的组合流道截面形状相同或不同，多层具有相同或不同流道截面形状的组合流道金属板片13叠放并连接在一起形成换热器芯体，或，所述金属板片还包括单流道金属板片14，所述单流道金属板片14上加工有多条单流道，所述芯体由所述组合流道金属板片13和所述单流道金属板片14混合组成。

当所述芯体由所述组合流道金属板片13和所述单流道金属板片14混合组成时，所述组合流道金属板片13与单流道金属板片14按照n层组合流道金属板片13和m层单流道金属板片14的方式排布为一个换热单元，一个或多个换热单元组成换热器芯体，其中n≥1，m≥1，n和m均为整数，具体地，例如：可以按照一层组合流道金属板片13一层单流道金属板片14的形式交替重叠放置，或按照一层组合流道金属板片13两层单流道金属板片14的形式交替重叠放置，或按照一层单流道金属板片14多层组合流道金属板片13，或者两层组合流道金属板片13一层单流道金属板片14的形式交替重叠放置；本发明只是例举了常用的几种组合方式，但不是穷举，实际使用时可根据具体工质的需要将组合流道金属板片13和单流道金属板片14进行任何形式的组合，或者全部采用组合流道金属板片13。

本发明所述单流道的流道截面形状为“d”形、“v”形、矩形或梯形，或其他常见形状，用于构成组合流道的相对应的两个单流道截面形状相同或不同，截面深度相同或不同，但必须保证截面开口宽度相同（即同一截面上的两个流道在金属板片表面上的开口宽度相同，也相当于截面开口宽度关于拼接面对称）且流道的流动方向关于拼接面4对称，符合上述要求的两个单流道任意组合形成的组合流道均在本发明保护范围内，所述组合流道由截面开口宽度相同的任意两个“d”形流道5、或两个“v”形流道7、或两个矩形流道6、或两个梯形流道8拼接而成，或“d”形流道5、“v”形流道7、矩形流道6和梯形流道8其中任意两者拼接而成。

具体地，所述组合流道金属板片13的组合流道的截面形状为两个相同形状的单流道组合而成，例如，图1-4所示为由表面加工有多条单流道的第一金属板片1和第二金属板片2拼接形成的组合流道金属板片13，相对应的两条单流道拼接形成组合流道，图1所示为两个相同的“d”形流道5组成“o”形流道9、图2所示为两个相同的矩形流道6组成“口”形流道10、图3所示为两个相同的“v”形流道7组成菱形流道11、图4所示为两个相同的梯形流道8组成六边形流道12。

附图1-4示意的为两个金属板片上的单流道截面形状相同时的拼接情形，实际使用中，还包括两个用于拼接的“d”形、“v”形、矩形或梯形流道的截面深度或形状不同的情形，如两个不同的“d”形、两个不同的“v”形、两个不同的矩形以及两个不同的梯形进行拼接，如半圆和半椭圆的拼接，浅“v”形和深“v”形的拼接，不同深度的矩形流道、不同形状的梯形流道的拼接等等，此时，形成的截面形状分别属于“o”形，不规则四边形或“口”形、五边形（两个直角梯形拼接而成）、六边形等，仍然在本发明保护范围内。

组合流道还可以由不同形状的单流道两两组合而成，即用于拼接组成组合流道金属板片13的第一金属板片1和第二金属板片2上的单流道的截面形状不同，例如，组合流道的截面是由“d”形、“v”形、矩形和梯形其中任意两者组合而成的异形截面，图5中例举了六种具有异形流道的组合流道金属板片，图5（a）显示了由“d”形流道5和矩形流道6拼接而成的异形流道，图5（b）显示了由“v”形流道7和矩形流道6拼接而成的异形流道，图5（c）显示了由“v”形流道7和“d”形流道5拼接而成的异形流道，图5（d）显示了由梯形流道8和“d”形流道5拼接而成的异形流道，图5（e）显示了由梯形流道8和矩形流道6拼接而成的异形流道，图5（f）显示了由“v”形流道7和梯形流道8拼接而成的异形流道。

需要说明的是，本发明所述“d”形流道是指流道截面为“d”形或近似“d”形，换句话说，是指流道截面由一条直线和一条弧线组成的封闭图形，包括但不限于半圆、半椭圆、以及一条直线和一条劣弧组成的封闭形状，所述“o”形流道包括所有由两个“d”形流道拼接而成的形状，包括但不限于圆形、椭圆形、梭形、半圆和半椭圆组成的形状等等，宽泛地说，任意两条相对的弧线组合而成的形状在本发明中均认为是“o”形；本发明所述“v”形流道包含所有流道截面为三角形的流道，本发明中“口”形是指任意两个开口宽度相同的矩形拼接而成的形状，实质上也为矩形。

本发明所述金属板片（包括单流道金属板片14和组合流道金属板片13）上的流道的流动方向为直通形、“z”形或“s”形，或其他任意周期性曲线结构，例如锯齿波浪形、正弦形、余弦形、s形等，本发明的附图中仅示意了直通形的流道。

拼接后的组合流道拥有比拼接前的单流道更大的截面积，因而更适用于清洁度较低的介质，流道不易堵塞。

本发明中的流道通过光化学蚀刻、机械加工、压力加工或其他现有技术的方法得到，用于组成换热器芯体的金属板片之间通过扩散焊接或钎焊连接或其他现有技术的方法链接到一起。

所述金属板片采用不锈钢、钛合金、铜合金或镍基合金等材料制成。

实施例1

如图6-9所示，一种包含组合流道的印刷电路板式换热器芯体，所述芯体包含多层重叠放置并连接到一起的具有流体流道的金属板片，具体地，所述金属板片包括多个具有“o”形流道9的组合流道金属板片13和多个具有“d”形流道5的单流道金属板片14，所述组合流道金属板片13由表面加工有“d”形流道的第一金属板片1和第二金属板片2以肋3与肋3相接触的形式拼接而成，第一金属板片1和第二金属板片2上的“d”形流道的流动方向关于拼接面4对称设置，截面开口宽度相同，拼接后相对应的两个“d”形流道构成一个“o”形流道9；所述组合流道金属板片13和单流道金属板片14按照“d”形—“o”形—“d”形的方式排列，即一层单流道金属板片14一层组合流道金属板片13一层单流道金属板片14的方式排列形成一个换热单元，然后由一个或多个换热单元组成换热器芯体，图6所示为本发明实施例1中第一金属板片1或第二金属板片2的立体结构示意图，图7显示了按照“d”形—“o”形—“d”形的方式排列形成的一个换热单元的截面示意图，图8显示了按照“d”形—“o”形—“d”形的方式排列形成的一个换热单元的立体爆炸示意图，图9显示了按照“d”形—“o”形—“d”形的方式排列形成的多个换热单元组成的换热器芯体的立体示意图。

第一金属板片1和第二金属板片2的“d”形流道的截面形状可以相同或不相同，只要在拼接面4上的流道开口宽度相等，符合前述条件的“d”形流道拼接而成的形状均可认为是“o”形，例如，可以是两个半圆形流道的拼接，或半圆和半椭圆的拼接，或两个半椭圆的拼接等等。

“o”形组合流道金属板片13与“d”形单流道金属板片14的排布方式不限于上述方式，可以根据换热工质的具体情况进行自由组合。

“d”形流道或“o”形流道的流动方向为直通形、“z”形或“s”形，或其他任何周期性曲线结构，例如锯齿波浪形、正弦形、余弦形、s形等。

在设计时，流道截面积较大的“o”流道适用于清洁度低的工质，流道截面积较小的“d”形流道适用于清洁度较高的工质，具有混合流道的换热器芯体使用范围更广；通常，“o”形流道的截面直径范围为2-7mm，“d”形流道的截面直径范围为1.5-5mm。

“d”形的单流道金属板片14可以替换为具有其他形状流道截面的单流道金属板片14，如“v”形、矩形或梯形，“o”形组合流道金属板片13可以替换为具有其他形状流道截面的组合流道金属板片13，如菱形、“口”形、六边形或异形，包括但不限于“v”形—菱形—“v”形、矩形—“口”形—矩形、梯形—六边形—梯形、“v”形—“o”形—“v”形、矩形—“o”形—矩形、“v”形—“口”形—“v”形等等排列方式，此处不再一一列举，只要属于单流道金属板片-组合流道金属板片-单流道金属板片的组合形式，均视为在实施例1的保护范围内。

流道可通过光化学蚀刻、机械加工、压力加工或其他现有技术的方法形成，各层金属板片通过扩散焊接、钎焊或其他现有技术所知的方法连接为一体。

金属板片采用不锈钢、钛合金、铜合金或镍基合金材料制成，但不限于此。

实施例2

参考实施例1，本实施例的换热器芯体仅由单一类型的组合流道金属板片13构成，图10所示由两个“o”形组合流道金属板片构成换热单元或换热器芯体，但不限于此种方式，所述组合流道金属板片13上的组合流道为“o”形、菱形、“口”形、五边形、不规则四边形、六边形以及异形中的一种，该芯体使用若干层组合流道金属板片13按照层叠的方式构成换热器芯体，金属板片之间使用扩散焊接或钎焊的方式进行连接，适用于冷、热侧流道均为海水、烟气等非洁净介质或液态金属等易堵塞介质的工况，其他之处类同实施例1。

实施例3

参考实施例1，本实施例的换热器芯体仅由两种类型的组合流道金属板片13交替叠放构成，所述组合流道金属板片13上的组合流道选自“o”形、菱形、“口”形、五边形、不规则四边形、六边形以及异形中的两种，该两种类型的组合流道金属板片13叠放构成换热单元，若干个换热单元构成换热器芯体，金属板片之间使用扩散焊接或钎焊的方式进行连接，适用于冷、热侧流道均为海水、烟气等非洁净介质或液态金属等易堵塞介质的工况，其他之处类同实施例1。

实施例4

参考实施例1，本实施例的换热器芯体由一层单流道金属板片14和一层组合流道金属板片13交替叠放组合而成，所述单流道金属板片14的流道为“d”形、“v”形、矩形或梯形，所述组合流道金属板片13上的组合流道为“o”形、菱形、“口”形、五边形、不规则四边形、六边形或异形，按照一层单流道金属板片一层组合流道金属板片的方式组成换热单元，若干个换热单元组成换热器芯体，金属板片之间使用扩散焊接或钎焊的方式进行连接，可同时适用于洁净介质以及海水、烟气等非洁净介质或液态金属等易堵塞介质的工况，其他之处类同实施例1。

实施例5

参考实施例1，本实施例的换热器芯体由两层单流道金属板片14和一层组合流道金属板片13交替叠放组合而成，所述单流道金属板片14的流道为“d”形、“v”形、矩形或梯形，所述组合流道金属板片13上的组合流道为“o”形、菱形、“口”形、五边形、不规则四边形、六边形或异形，按照两层单流道金属板片一层组合流道金属板片的方式组成换热单元，若干个换热单元组成换热器芯体，金属板片之间使用扩散焊接或钎焊的方式进行连接，可同时适用于洁净介质以及海水、烟气等非洁净介质或液态金属等易堵塞介质的工况，其他之处类同实施例1。

本发明主要的发明构思为采用两个单流道金属板片14拼接形成组合流道金属板片13，在不增加加工难度和成本的情况下扩大流道的截面，使印刷版式换热器的使用范围更大，实际使用时，仅采用组合流道金属板片13构成换热器芯体，或采用组合流道金属板片13和单流道金属板片14混合组成换热器芯体，流道的形状和具体的层叠方式多种多样，本发明实施例不可能一一列举，上述实施例仅例举了几种常见的方式，并未穷举，任何满足本发明构思的组合方式均在本发明的保护范围内。

本发明设计巧妙，不增加加工难度和成本，使得换热器芯体具有较大的组合流道，还可以将组合流道金属板片和单流道金属板片交替设置，使得换热器芯体同时具有较大的组合流道与较小的单流道，可同时适用于于二氧化碳、氦气、lng等干净介质的换热和海水、烟气等清洁度低的工质的换热，拓宽了印刷电路板式换热器的应用领域。