本发明涉及换热器领域，尤其涉及一种带有流线形肋结构的换热板及包含该换热板的印刷电路板式换热器。
背景技术：
印刷电路板式换热器是一种耐高温高压、高效紧凑式换热器，在换热板通道上通过蚀刻或机加工的方式加工出微小流体通道，最后将换热板片通过扩散焊接方式组合在一起，形成换热芯体。目前印刷电路板式换热器中，常用的换热板通道结构形式包括直通道、波纹通道等，相对于直通道，波纹通道换热性能提高但压降也大幅增加。为了改善换热通道的压降，很多新型结构被设计出来，例如图1所示的翼型通道等。如图2所示，现有的翼型通道中，翼型肋结构通常采用常规的对称翼型，如naca系列航空翼型，通过对翼型肋的长度lc、宽度lt，相邻翼型肋之间的前后节距ls、左右节距lv等通道关键设计参数的优化，可以改善换热通道的换热性能及压降。但是目前常规的翼型通道仍然存在换热性能和压降损失不能满足实际需求的问题。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺点和不足，本发明旨在提供一种流线形肋结构换热板及包含该换热板的印刷电路板换热器，通过对翼型肋自身结构的重新设计和优化，使得换热流体在流经各翼型肋时，在翼型肋最大宽度前后变化更加剧烈，从而提高翼型通道的换热性能，通过对翼型前缘及后缘的结构设计，从而能够更好引导换热流体流动，继而降低了翼型通道的压降损失。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种带有流线形肋结构的换热板，包括基板以及设置在所述基板表面呈行列布置的多个流线形肋，所述流线形肋的横截面大致呈对称翼型结构，包括前缘、后缘、上弧线和下弧线，翼型前缘和后缘之间的连线形成为所述翼形的中弧线，所述上弧线和下弧线关于所述中弧线上下对称，所述翼型的最大厚度形成在所述上、下弧线的最大内切圆位置处，所述最大内切圆的圆心位置位于所述中弧线上，其特征在于，
所述上、下弧线均包括第一区段和第二区段，其中，
所述第一区段从所述翼形的前缘延伸至最大内切圆位置处，所述第一区段为外凸形光滑曲线，所述外凸形光滑曲线的后端与所述最大内切圆相切，
所述第二区段从所述最大内切圆延伸至翼形的后缘处，所述第二区段为内凹形光滑曲线，并且所述内凹形光滑曲线的前端与所述最大内切圆相切，
并且
所述第一区段与第二区段在所述最大内切圆处形成光滑连续曲线。
优选地，所述最大内切圆的直径为所述中弧线长度的15％～30％。
优选地，所述翼型在其前缘处形成为光滑前端。进一步地，所述外凸形光滑曲线的前端与前缘圆角相切。
进一步地，所述最大内切圆的圆心与前缘之间的距离为所述中弧线长度的25％～35％，且所述内凹形光滑曲线的后端在所述后缘处与所述中弧线相切，所述翼型在后缘处形成为尖角。进一步地，所述内凹形光滑曲线为内凹的圆弧形曲线，所述圆弧形曲线的圆心与后缘点的连线垂直于所述中弧线。
进一步地，所述最大内切圆的圆心与前缘之间的距离为所述中弧线长度的50％以上，所述翼型在其后缘处形成为具有一定弧度的光滑圆角，所述内凹形光滑曲线的后端与所述后缘圆角相切。进一步地，所述外凸形光滑曲线为外凸的圆弧形曲线，其圆心与所述最大内切圆圆心的连线垂直于所述中弧线；所述内凹形光滑曲线为内凹的圆弧形曲线，所述圆弧形曲线的圆心与后缘点的连线垂直于所述中弧线。
优选地，所述流线形肋采用化学蚀刻、激光蚀刻或机加工的方式形成在所述基板上。
优选地，所述基板为厚度不小于0.2mm的金属板，优选地，所述金属板为316、304、316l、ta1、tc4等材质的金属板片。
根据本发明的另一方面，还提供了一种印刷电路板换热器，包括若干个本发明的上述带有流线形肋结构的换热板，其中，所述带有流线形肋结构的换热板相互叠放，并通过扩散焊接的方式形成为整体。
本发明的印刷电路板换热器，将加工出流线形肋结构的金属基板叠放起来，通过扩散焊接方式最终结合为整体，最后两端增加封头组成完整的pche换热器。制作成功后，肋上端面与上面板的下端面通过扩散焊接连接到一起，从而使一块换热板肋之间空隙部分构成流道。可以是一层板通过热流体，一层板通过冷流体，也可以多块板通过一种流体，另一些板通过另一种流体，从而达到热交换的目的。
同现有技术相比，本发明提供的带有流线形肋结构的换热板及包含印刷电路板换热器，通过对翼型肋自身结构的重新设计和优化，使得换热流体在流经各翼型肋时，在翼型肋最大宽度前后变化更加剧烈，从而提高翼型通道的换热性能，通过对翼型前缘及后缘的结构设计，从而能够更好引导换热流体流动，继而降低了翼型通道的压降损失。
附图说明
图1为翼型通道结构换热板结构示意图。
图2为翼型通道结构的横截面示意图。
图3为翼型结构示意图，其中，(a)为现有翼型结构示意图，(b)为本发明的适用于小流量的翼型结构示意图，(c)为本发明的适用于大流量的翼型结构示意图。
图4为翼型结构定位方式示意图，其中，(a)为现有翼型结构示意图，(b)为本发明的适用于小流量的翼型结构示意图，(c)为本发明的适用于大流量的翼型结构示意图。
图5为在三种肋结构在长度和宽度相同条件下进行传热和流动数值仿真示意图，其中，(a)为传热因子示意图，(b)为压降因子示意图。
图6为三种肋结构的通道结构综合性能比较示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图3、4所示，本发明的带有流线形肋结构的换热板，包括基板以及设置在基板表面呈行列布置的多个流线形肋，流线形肋的横截面大致呈对称翼型结构，包括前缘10、后缘20、上弧线31,32和下弧线41，42，翼型前缘10和后缘20之间的连线形成为翼形的中弧线，上弧线和下弧线关于中弧线上下对称，翼型的最大厚度形成在上、下弧线的最大内切圆位置处，最大内切圆的圆心位置位于中弧线上，最大内切圆的直径2r1为中弧线长度l1的15％～30％。翼型在其前缘10处形成为光滑前端。
上、下弧线均包括第一区段31,41和第二区段32，42。第一区段31,41从翼形的前缘10延伸至最大内切圆位置处，第一区段31,41为外凸形光滑曲线，外凸形光滑曲线的前端与前缘圆角相切，后端与最大内切圆相切；第二区段32，42从最大内切圆延伸至翼形的后缘20处，第二区段为内凹形光滑曲线，并且内凹形光滑曲线的前端与最大内切圆相切。第一区段31,41与第二区段32，42在最大内切圆处形成光滑连续曲线。
本发明提供了两种针对不同流量大小的翼型结构。对于适用于小流量的翼型结构(下称fin-ii)，如图3(b)、图4(b)中所示，最大内切圆的圆心与前缘10之间的距离为中弧线长度l1的25％～35％，例如29.7％，且内凹形光滑曲线32，42的后端在后缘20处与中弧线相切，翼型在后缘20处形成为尖角。内凹形光滑曲线32，42为内凹的圆弧形曲线，圆弧形曲线的圆心与后缘点的连线垂直于中弧线。相比于现有技术中所采用的naca系列对称翼型(如图3(a)、图4(a)中所示，下称fin-i)，本发明的翼型结构fin-ii，将现有翼型从其最宽点之后的尾部上下缘外凸曲线形式改为与最大内切圆和翼型中弧线相切的内凹曲线形式，相对于已有结构形式，新结构在翼型的最大宽度前后变化更加剧烈，且后缘处切线方向与翅片中弧线方向平行，能够更好引导流体流动。
对于适用于大流量的翼型结构(下称fin-iii)，如图3(c)、图4(c)中所示，最大内切圆的圆心与前缘10之间的距离为中弧线长度l1的50％以上，翼型在其后缘20处形成为具有一定弧度的光滑圆角，内凹形光滑曲线32，42的后端与后缘圆角相切。外凸形光滑曲线31,41为外凸的圆弧形曲线，其圆心与最大内切圆圆心的连线垂直于中弧线；内凹形光滑曲线32，42为内凹的圆弧形曲线，圆弧形曲线的圆心与后缘点的连线垂直于中弧线。相比于现有技术中所采用的naca系列对称翼型(如图3(a)、图4(a)中所示)，本发明的翼型结构fin-iii，将最大内切圆圆心右移至翼形周向中间位置，从而翼型头部表现得更为类锐，并将尾部两侧内凹弦相接点由尖角改为一定弧度的圆角，以适应工程实际。
制作过程建议采用化学蚀刻或电化学蚀刻的方法在一块金属板(包括：316、304、316l、ta1、tc4等材质金属板片，厚度不小于0.2mm)制作出图3所示的肋型结构，金属板上肋分布如图1所示。将加工出肋结构的金属板叠放起来，通过扩散焊接方式最终结合为整体，最后两端增加封头组成完整的pche换热器。制作成功后，肋上端面与上面板的下端面通过扩散焊接连接到一起，从而使一块换热板肋之间空隙部分构成流道。可以是一层板通过热流体，一层板通过冷流体，也可以多块板通过一种流体，另一些板通过另一种流体，从而达到热交换的目的。
在三种类型翼型肋结构在长度和宽度相同条件下进行传热和流动数值仿真，仿真结果如图5所示。本发明提出的适用于小流量的翼型通道结构fin-ii，其传热因子大于现有翼型结构fin-i，而压降因子小于现有翼型结构。本发明提出的适用于大流量的翼型通道结构fin-iii，虽然传热因子最少，但压降因子也远小于其它两个。图4表明，本发明提出的适用于小流量的翼型结构fin-ii形式无论传热和压降方面相对于现有结构形式都具有很大的优势。
三种翼型肋考虑传热和阻力的综合性能对比如图6所示。以现有翼型肋fin-i为参考基准，评价指标为jf因子(jf＝(j/jfin-i)/(f/ffin-i)1/3)，jf因子的意义是相对于参考基准结构，增加单位功耗条件下传热性能的增加量。图6表明，作为参考基准的现有翼型肋，其jf因子为1。适用于小流量的翼型肋fin-ii和适用于大流量的翼型肋fin-iii的jf因子大于1，说明本发明提出的两种翼型肋结构fin-ii、fin-iii综合性能优于现有翼型肋结构fin-i。图6也表明，随着流体速度的增加，适用于小流量的翼型肋fin-ii综合性能先是减小后趋于稳定，适用于大流量的翼型肋fin-iii综合性能先是增加后趋于稳定，最终本发明提出的两种翼型肋结构综合性能相似，而适用于大流量的翼型肋fin-iii综合性能稍优于适用于小流量的翼型肋fin-ii。由图6可知，在小流量条件下，建议选择作适用于小流量的翼型肋fin-ii为主要肋型；大流量条件下，建议选择适用于大流量的翼型肋fin-iii为作主要肋型。
适用于小流量的翼型肋fin-ii相对于现有翼型肋fin-i，尾部更快速收敛，从而使头部来流分开挤压的流体在尾部更快速地向中弧线收敛，从而形成向肋的射流。一方面增加了流体的扰流度，改善了温度和速度场间的协同性；另一方面，减薄了尾部的换热边界层，从而达到传热强化的目的。
适用于大流量的翼型fin-iii肋相对于现有肋型fin-i，头部较为类锐，使头部来流流体的扰动开始并不强烈，从而使流体压降大为减小。但尾部快速收敛的设计，使被强行分开而压强较大的流体迅速流向对称线，从而增加了扰动改善了温度和速度分布的协同性，了传热强化的目的。而相对于现有肋型fin-i，本发明提出的两种翼型肋结构fin-ii、fin-iii使流体流通截面积有所增加，从而减小了流动过程的相对压降；而扰流度也有所增加，从而使传热得到强化，从而使本发明提出的两种翼型结构fin-ii、fin-iii传热流动综合性能相对于已有结构大为增加。本发明的提出对于高效紧凑型印刷电路板式换热器综合性能的改善具有重要和理论意义和实际应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。