一种铝制钎焊板式换热器的制作方法

1.本实用新型属于换热器技术领域，具体涉及一种铝制钎焊板式换热器的装配结构和钎焊结构。


背景技术：

2.板式换热器是一种高效紧凑型换热器，由于其换热效率高，体积小、质量轻等优点，被广泛应用于石油、化工、机械、能源等领域。
3.板式换热器型式主要有可拆卸式和钎焊式两类，通常材料为不锈钢、钛合金、镍合金等，这些材料重量较重，价格较高，而铝合金材料价格相对较低、塑性好、密度小、导热系数大并且具有一定强度，可以替代较为昂贵的材料。
4.铝合金材质的板式换热器较少，目前仅在汽车行业有少量的应用，但换热器尺寸较小。在工程机械、风电、特种设备等领域的应用中要求更大的换热量，需要体积更大的板式换热器。
5.若采用目前板式换热器结构来生产铝制钎焊板式换热器，在生产过程中容易出现板片边缘焊接不上、焊缝质量差等问题，且强度不高，无法承受较大的工作压力。
6.申请人于2022年1月5日提交了名称为一种铝制钎焊板式换热器的中国实用新型专利申请，申请号为202220019954.7，该申请中，铝制钎焊板式换热器采用了中间腔设计，即在相连的热边介质流道和冷边介质流道之间设计了作为安全腔体的中间腔，并且在热边介质流道或冷边介质流道中采用非对角流动的方式 (即单边流动)，该铝制钎焊板式换热器适用于冷热介质串腔泄漏时损失较大或十分危险的场合，优势是安全性高，但缺点是模具成本高(需要多套模具组合加工)，体积较大，承压能力较低，相同体积情况下由于中间腔不参与换热导致其换热性能降低。
7.然而，对于发生泄漏串腔危害相对较低的场合，若继续采用上述带有中间腔的铝制钎焊板式换热器就无法满足实际需求，特别是对于换热性能、体积和承压能力有较高要求但泄漏串腔危害相对较低的应用场合，另一方面，中间腔结构的存在会导致加工模具数量增加，加工复杂程度提高。基于上述原因，有必要设计一种不带中间腔且换热性能、体积和承压能力均优于传统板式换热器的新型铝制钎焊板式换热器结构。


技术实现要素：

8.本实用新型旨在于克服上述不足，提供一种耐高压、换热效率高的铝制钎焊板式换热器，以解决传统板式换热器结构采用铝或铝合金材料生产时存在的板片边缘焊接不上、焊缝质量差、强度不高、无法承受较大的工作压力等问题。
9.为了实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：
10.一种铝制钎焊板式换热器，包括从上到下依次堆叠并钎焊成一体的上端板、芯体和下端板，
11.所述芯体包括多块从上到下依次堆叠的换热板，沿着每一块换热板的周向边缘有
一圈翻边，换热板的板面上开有四个介质流通孔，四个介质流通孔分别位于平面四边形的四个顶点处，其中：
12.所述翻边包括平行但不在同一个平面的第一翻边平面和第二翻边平面，第一翻边平面和第二翻边平面平行于换热板的板面且分居在换热板的板面两侧，翻边上还开有防错切口；
13.所述介质流通孔内有一个环形凸台，环形凸台的边缘与介质流通孔的边缘相连，环形凸台的端面上开有通孔；
14.同一块换热板上四个所述介质流通孔对应的四个环形凸台中，两个环形凸台的端面与第一翻边平面共面，另外两个环形凸台的端面与第二翻边平面共面，且位于平面四边形对角线两端的两个介质流通孔内的环形凸台的端面在同一个平面内，位于平面四边形任意一条边两端的两个介质流通孔内的环形凸台的端面在不同平面内；
15.同一块换热板上且端面在同一个平面内的两个环形凸台的连线形成芯体安装线，多块换热板的相同芯体安装线在同一个平面内，且平面内任意相邻的三条芯体安装线按照重合、间隔或者间隔、重合的规则交替排列，且该平面垂直于换热板的板面，此时，多块换热板上的防错切口位于芯体同一个侧表面并在一条直线上；需要说明的是，一块换热板上有两条芯体安装线，多块换热板的“相同芯体安装线”是指多块换热板装配时，统一选择其中一条芯体安装线，例如要么统一选择换热板上与第一翻边平面共面的两个环形凸台的连线形成的芯体安装线，要么统一选择换热板上与第二翻边平面共面的两个环形凸台的连线形成的芯体安装线，不允许混合使用不同的芯体安装线；
16.所述芯体中多块换热板的第一翻边平面、第二翻边平面和端面中的任意一个、任意两个或者全部为钎焊面。
17.进一步，所述上端板上设置有热介质入口、冷介质入口、热介质出口和冷介质出口。
18.进一步，所述下端板上且与芯体接触的端面上设置有凸台，凸台的数量和位置与芯体中换热板上环形凸台一致，且凸台端面的外径大于等于换热板上环形凸台的端面上的通孔孔径。
19.进一步，所述换热板的板面上设置有波纹结构，且波纹结构的高度小于等于第一翻边平面和第二翻边平面之间的距离。
20.进一步，所述换热板的板面为光滑平面。
21.进一步，当换热板的板面为光滑平面时，铝制钎焊板式换热器还包括翅片，所述翅片位于相邻堆叠的两块换热板之间，翅片上开有数量和位置均与换热板上介质流通孔相同的孔或缺口。
22.采用带有波纹结构的换热板或者是放置有翅片的光滑平面换热板作为两种独立设计方案，两种类型的换热板不会同时存在于同一个换热器芯体中，只有采用光滑平面的换热板时才配合放置翅片，采用带波纹结构的换热板时不放置翅片。
23.作为一种选择，所述翅片为锯齿形翅片。
24.作为一种选择，所述热介质入口、冷介质入口、热介质出口和冷介质出口处连接有管嘴或法兰接头。
25.作为一种选择，所述上端板与换热板装配的表面覆盖有钎料层；所述下端板与换
热板装配的表面覆盖有钎料层；所述换热板的双面覆有钎料层。
26.作为一种选择，所述上端板的下端面与芯体的上端面之间为一层冷介质流道，下端板的上端面与芯体的下端面之间为一层冷介质流道。
27.与现有技术相比，本实用新型的铝制钎焊板式换热器具备以下优势：
28.第一，采板式换热器用铝或铝合金材料，能有效减轻换热器的重量、降低材料成本、提高换热效率；
29.第二，换热板片的翻边结构和环形凸台结构有利于钎焊工艺，特别是增大了装配面积和钎焊面积，能有效提高边缘焊缝质量，也能提高钎焊板式换热器的强度；
30.第三，换热板片堆叠而成的芯体、上端板和下端板通过钎焊成为一个整体，能得到密封性良好的钎焊板式换热器；
31.第四，相比于传统的波纹板片，引入放置翅片的光滑换热板片能有效提高板式换热器的换热效率和承压能力；
32.第五，冷介质腔和热介质腔中采用对角流动的方式进行热交换，形成汊流，换热性能更好；
33.第六，相比存在中间腔(安全腔)的铝制钎焊板式换热器，当使用场合对冷热介质串腔泄漏的要求不高时，可以大幅提高换热器的性能，减小换热器体积，提高换热器承压能力，节省模具成本(模具数量减少)和加工复杂程度。
34.本实用新型的铝制钎焊板式换热器结构特点和换热性能可以满足工程机械、风电、特种设备等领域的需求。
附图说明
35.图1是本实用新型的铝制钎焊板式换热器结构示意图；
36.图2是本实用新型的铝制钎焊板式换热器爆炸图；
37.图3是本实用新型采用波纹板片作为换热板的芯体结构示意图；
38.图4是本实用新型采用放置有翅片的光滑板片作为换热板的芯体结构示意图；
39.图5是本实用新型中作为换热板的单块波纹板片的正面示意图；
40.图6是本实用新型中作为换热板的单块光滑板片的正面示意图；
41.图7是本实用新型单块翅片的正面示意图；
42.图8是本实用新型的芯体中相邻两块波纹板片作为换热板的装配结构示意图；
43.图9是本实用新型芯体内部的热介质腔和冷介质腔分布示意图；
44.图10是本实用新型芯体上的防错切口示意图；
45.图中：1-热介质入口，2-冷介质入口，3-冷介质出口，4-热介质出口，5-芯体， 6-上端板，7-下端板，8-冷介质腔，9-热介质腔，10-波纹板片，11-光滑板片， 12-翅片，13-第二翻边平面，14-端面，15-第一翻边平面，16-防错切口。
具体实施方式
46.下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明，但该实施例是示例性的，旨在进一步解释本实用新型的技术方案，对本实用新型不做任何形式的限定。
47.本实用新型中的铝制钎焊板式换热器包括上端板6、芯体5和下端板7，其中：
48.上端板6上设置有四个介质流通孔，分别连通热介质入口1、热介质出口4、冷介质入口2和冷介质出口3，上端板6与芯体5之间形成一层冷介质流道；
49.下端板7与芯体5之间形成一层冷介质流道，下端板7上不设置介质流通孔；
50.芯体5由多块换热板堆叠组装而成，换热板可以为波纹板片10，也可以为放置翅片12的光滑板片11。换热板包括四个位于换热板板面上且分布在平面四边形四个顶点位置处的介质流通孔结构；介质流通孔内有一个环形凸台结构，环形凸台的边缘与换热板上介质流通孔的边缘相连，位于平面四边形对角线两端的两个环形凸台的凸起方向一致(都是向上凸或向下凸)，位于平面四边形侧边两端的两个环形凸台的凸起方向相反，环形凸台的端面14为相邻换热板片堆叠贴合的表面，也可以作为钎焊面，端面14上开有通孔，通孔作为介质流通孔。相邻两块换热板的环形凸台结构特征以贴合的表面为对称面相互对称。沿着换热板的周向边缘轮廓有一圈翻边，翻边上有两个不在同一平面内且分别位于换热板板面两侧面的翻边平面，翻边平面为相邻的两块换热板堆叠贴合的表面，也可以作为钎焊面，翻边上还开有防错切口16，防错切口16不能位于翻边的中间位置，以确保装配正确。换热板上的环形凸起的四个端面14中，位于其中一条对角线两端的两个端面 14在同一平面，且与两个不同高度的翻边平面中的一个共面，位于另一条对角线两端的两个端面14也在同一平面，且与两个不同高度的翻边平面中的另一个共面，这样，一块换热板就形成了上(环形凸台端面和翻边平面)、中(换热板的板面)、下(另一处环形凸台端面和翻边平面)三个平面，用于装配或钎焊。图8中展示了上述情况,翻边呈z字形，包括第一翻边平面15和第二翻边平面13，第一翻边平面15和第二翻边平面13平行且都平行于换热板的板面，环形凸台为四个完全相同的圆台，圆台的端面14上开有通孔，通孔的孔径相等，用于介质流动，同一块换热板上的四个端面14中，有两个端面14与第二翻边平面13共面(图8中右端画出了该种情况)，另外两个端面14与第一翻边平面15共面(图8中未画出)。
51.同一块换热板上且端面14在同一个平面内的两个环形凸台的连线形成芯体安装线，如图6中所示的对角连线ab和cd就是同一块换热板上两条不同位置的芯体安装线，当多块换热板堆叠形成芯体5时，多块换热板的相同芯体安装线在同一个平面内(例如该平面内要么都是ab，要么都是cd，但不能同时包含ab和cd)，且平面内任意相邻的三条芯体安装线按照重合、间隔或者间隔、重合的规则交替排列(例如平面内都是ab时，任意连续相邻的三条ab中，从上到下按照第一条ab 与第二条ab重合，第二条ab与第三条ab间隔或者第一条ab与第二条ab间隔，第二条ab与第三条ab重合的方式交替排料)，且该平面垂直于换热板的板面，且该平面垂直于换热板的板面，此时，多块换热板上的防错切口16位于芯体5同一个侧表面并在一条直线上；当满足上述装配要求时，换热板上的环形凸台和翻边组成空间上交替分布的冷介质腔8和热介质腔9，其原理是利用换热板上环形凸台的端面14、翻边上不同的翻边平面之间的高度差使得多块换热板在堆叠时通过端面14 的贴合或分离、翻边平面的贴合或分离形成彼此连通或隔离的腔体，进而通过介质流通孔通入不同温度的介质，形成在芯体5中交替分布的冷介质腔8和热介质腔 9，换热板的芯体安装对角线在同一个平面内能够确保所有换热板都按照要求装配，最终实现换热，但是这种方式并不直观，所有本实用新型在换热板的翻边上开了一个防错切口16，当防错切口16都在芯体5的同一个侧面且位于一条竖直直线上时，说明换热板的装配方向没错，能够直接通过肉眼快速判断。
52.换热板可以为波纹板片10或光滑板片11，波纹板片10和光滑板片11上都具备环形
凸台、翻边、介质流通孔和防错切口16；相邻两块光滑板片11之间放置翅片 12，提高换热效率和强度。
53.多个热介质腔9连通后形成了热介质流道，多个冷介质腔8连通后形成了冷介质流道。
54.作为一种优选技术方案，芯体5中的换热板数量选用偶数，上端板6和下端板 7皆参与换热，冷介质腔8的数量比热介质腔9的数量多一层。
55.作为一种优选技术方案，热介质进口1、热介质出口4、冷介质进口2和冷介质出口3上可连接管嘴或法兰接头。
56.作为一种优选技术方案，上端板6与下端板7的结构相似，下端板7对应芯体5 中换热板上四个介质流通孔位置的结构为凸台结构，能对冷介质腔8和热介质腔9 进行密封。上端板6和下端板7的材料厚度比换热板的材料厚度稍厚。
57.作为一种优选技术方案，翅片12选择锯齿形翅片。
58.作为一种优选技术方案，波纹板片10的内部波纹为“w”型，分布于板片的上、下表面，波纹的深度与板片总体厚度相同，相邻两块波纹板片10的波纹方向相反。
59.作为一种优选技术方案，换热板的上、下表面覆盖有钎料层。
60.作为一种优选技术方案，上端板6和下端板7对着芯体5的表面上覆盖有钎料层。
61.请参照说明书附图1～10，为本实施例中的铝制钎焊板式换热器，具体包括上端板6、芯体5、下端板7、管嘴和法兰接头等，芯体5由多块换热板堆叠组装而成，换热板可以为波纹板片10，也可以为放置翅片12的光滑板片11。
62.在本实施例中，如图2所示，上端板6布置于板式换热器最顶层，下端板7 布置于板式换热器最下层，上端板6与下端板7之间为芯体5。
63.如图2～图4，上端板6上的介质流通孔分布在矩形的四个顶点处，换热板上四个环形凸台分布在与前述矩形相同的的四个顶点处，四个环形凸台尺寸完全相同，其端面14上的通孔孔径相同，最终形成图2和图3所示的四条垂直于换热板板面的冷热介质流道，冷介质和热介质在换热板的两侧面腔体中通过换热板进行换热，然后汇入或流出各自的流道中。
64.在本实施例中，如图9所示，换热板通过堆叠使得芯体5在空间上构成交替分布的冷介质腔8和热介质腔9，此时，可以看到多块换热板的相同芯体安装线在同一个平面内(图9中统一选择换热板上与第一翻边平面15共面的端面14 的连线作为芯体安装线，对应图9中左侧的环形凸台的端面14，任意三条相邻的芯体安装线在平面内按照重合、间隔或者间隔、重合的规则交替排列，图9 中右侧的环形凸台的端面14与第二翻边平面13共面，是另一条芯体安装线，本实施例中不采用该芯体安装线)，且该平面垂直于换热板的板面。换热板的数量取决于实际换热量和换热器体积的要求，换热板与上端板6、下端板7通过钎焊构成一个整体，最后在上端板6上表面的四个介质入口处焊接管嘴和法兰接头，作为换热器的冷、热介质进出口。
65.作为说明，图4中展示了换热板的堆叠方式，其中m1n1、m2n2和m3n3是三块连续相邻堆叠的换热板上的相同芯体安装线，m1n1、m2n2和m3n3在同一个竖直平面内，且m1n1和m2n2重合(此时两块换热板上对应的环形凸台的端面14 贴合)，热介质从芯体安装线两端的环形凸台的通孔处流走，不进入两块换热板之间的腔体，而冷介质从芯体安装线之外的
环形凸台的通孔处流入两块换热板之间的腔体，且呈对角流动状态。而m2n2和m3n3间隔(此时两块换热板上对应的环形凸台的端面14不贴合，有一个间隔，形成腔体的一部分)，热介质从芯体安装线两端的环形凸台的通孔处流入，进入两块换热板之间的腔体，且呈对角流动状态，而冷介质从芯体安装线之外的环形凸台的通孔处直接流出，不进入两块换热板之间的腔体。
66.在本实施例中，所有部件的材料均为铝或铝合金，各部件通过钎焊成为整体。
67.在本实施例中，如图8所示，环形凸台的端面14和第二翻边平面13能有效增大边缘的焊接面积，解决边缘容易焊接不上的问题，两个换热板上的第一翻边平面15之间参与冷介质腔8或热介质腔9的形成。
68.在本实施例中，如图5和图6所示，换热板的翻边上设置了防错切口16，防错切口6不能加工在翻边的中间位置，要么位于左侧，要么位于右侧。当装配芯体5时，相邻两块换热板的防错切口16在同一位置时确保装配无误。若装配过程中发现某块换热板的防错切口16在另一侧或在同侧的另一边，则需将该换热板翻转或水平旋转180
°
，使得构成芯体5的全部换热板的防错切口16在竖直方向排列为一条竖线，如图10所示。
69.在本实施例中，当换热器工作压力要求不高时，换热板可选用波纹板片10；当工作压力较大时可选用带翅片12的光滑板片11，该结构能有效提高换热器的承压强度和换热效果。光滑板片11与波纹板片10的结构相似，不同之处在于内部是否存在波纹结构。相邻两块换热板以贴合表面为对称面相互对称，无论是采用波纹板片10还是光滑板片11，所需换热板的的模具数量都为两种。
70.在本实施例中，上端板6和下端板7的结构相似，不同之处为在板片四个接近转角的位置，上端板6在此处的结构为带有介质流通孔的凸台，而下端板7 在此处为无介质流通孔的圆形凸台(起到封堵换热板上介质流通的作用)，然而上端板6和下端板7的不同之处并不影响模具的制作，上端板6和下端板7的结构可共用一种模具。
71.在本实施例中，为了保证换热器的强度，上端板6和下端板7的材料厚度应大于换热板的材料厚度，以保证能在上端板6和下端板7上焊接不同的安装结构。换热板通常选用材料厚度为0.6～1.2mm且双面自带钎料层的铝合金板片，上端板6和下端板7通常选用材料厚度为2～3mm单面带钎料的铝合金板片，全部板片的尺寸规格可选为200
×
600mm。
72.上述实施例并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的构思前提和技术方案基础上所做出的变形、修饰或等同替换等，都落入本实用新型的保护范围。