一种钎焊结构的翅片板式换热器的制作方法

本发明涉及一种换热器，尤其是涉及一种钎焊结构的翅片板式换热器。

背景技术：

热交换器的应用范围十分广泛，其结构形式繁多，典型结构如管壳式、套管式、板式（分可拆卸与不可拆卸）及螺旋板式、板翅式（包括汽车空调的管带式、平行流式、层叠式和汽车水箱的管带式）、管片式等等。在要求紧凑高效、空间限制、重量限制、泄漏要求严苛的特殊应用场合，工质介质为气体、高渗漏性介质、腐蚀性流体介质的情况下，以上传统结构的换热器存在局限性或者无法满足约束条件。

板式换热器可拆卸清洗方便、高效、重量轻、成本低、组合方便，较高的平均温差（意味着温度效率高）以及很小的末端温差等优点，但隔板表面面积就是传热面积，没有扩展面积，换热器的紧凑度（或称面积密度）β值一般为200～1660 m²/m³。在工艺方面板片成型技术难度大、无法一次成型，工艺繁琐，成品合格率低，约只有73%～84%，生产成本高。国内一般的板式换热器只能用于0.6MPa和160℃(硅橡胶) 以下的压力和温度，经过加强的板式换热器的最高工作压力为1.6MPa，最高工作温度200℃（聚三氟乙烯,但其与钛合金不相容），板式换热器的局限性是不适用于气体换热、真空状态下的相变以及高粘度流体冷却时传热系数低等。

板翅式换热器传热效率高，结构紧凑，密封性好和耐压适应性强，对于流体的适应范围宽，尤其是气体参与换热时，板翅式具有无可比拟的优势。板翅式换热器工作压力可达10MPa，工作温度可由超低温深冷操作温度（铝合金）到800℃（耐热合金），其芯体在隔板上钎焊翅片，传热面积是隔板面积和翅片扩展面积之和，其紧凑度β达到700～6000m²/m³的水平，由于扩展翅片的强烈湍流，且当量直径只有2～4mm左右，传热系数比一般板式换热器提高30%以上，特别适合于气体换热，更加紧凑高效。能进一步大幅度减少热交换器的体积和重量，节省空间和材料。

一般板翅式换热器都是封条结构，封条主要起支撑和密封作用。封条占换热器芯体重量的25%左右。

技术实现要素：

本发明提供了一种钎焊结构的翅片板式换热器，吸收和继承了板式换热器和板翅式换热器二者高效紧凑的优点，避开二者的缺点，解决了板式换热器的泄漏密封问题，解决了板式换热器不适用于气体换热的问题，解决了板式换热器工作压力低的问题，解决了二者在面临腐蚀性介质换热时的材料的耐用性问题，解决了板翅式换热器封头结构难以兼顾换热器流体进出口的分流或汇流不均的问题等等。

其技术方案如下所述：

一种钎焊结构的翅片板式换热器，包括侧板、翅片板组件，所述换热器两端设置为侧板，侧板上设置有角孔，在两个侧板之间设置有依次层叠布置并且钎焊而成的翅片板组件；翅片板组件采用纯逆流或者叉流的换热结构，包括主隔板和主隔板两侧的翅片，主隔板设置有对应侧板的角孔，在主隔板两侧将冷流体与热流体进行换热，并用于同一种流体强制对流换热；相邻两个翅片板组件之间用副隔板隔开，副隔板设置有对应侧板的角孔。

翅片板组件采用纯逆流换热结构时，侧板上设置有冷流体进出口和热流体进出口，进出接口有四个，分别为冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口；所述翅片板组件上，主隔板设置的角孔包括和冷侧入口对应的冷侧入口角孔，冷侧出口对应的冷侧出口角孔，和热侧入口对应的热侧入口角孔，和热侧出口对应的热侧出口角孔；

翅片板组件采用叉流的换热结构，侧板上设置有冷流体进出口，进出接口有二个，分别为冷侧入口、冷侧出口；所述翅片板组件上，主隔板设置的角孔包括和冷侧入口对应的冷侧入口角孔，冷侧出口对应的冷侧出口角孔；热流体通过翅片直接导流，对应的热侧入口和热侧出口位于翅片板组件的两侧。

副隔板的角孔处采用翻边结构，或在副隔板的角孔两侧设置有和角孔钎焊密封的环形密封条。

所述主隔板两侧的翅片，一侧的翅片通过冷侧入口角孔接入冷流体，并从冷侧出口角孔排出冷流体；另一侧的翅片通过热侧入口或热侧入口角孔接入热流体，并从热侧出口或热侧出口角孔排出热流体。

翅片板组件中，翅片设置有分流翅片和导流翅片，进而钎焊在主隔板上形成分流通道和导流通道，所述导流翅片通过两端的分流翅片与角孔相连接，翅片形状有锯齿形、水波形、直通形。

翅片板组件中的翅片，作为换热元件，主隔板厚度0.3～2.0mm，翅片材料厚度0.10～0.3mm，为冲压成形，翅片高度1.5～12.0mm，翅片形式有锯齿形、水波纹形、百叶窗形、直通形。

所述主隔板和翅片、翅片和副隔板、副隔板和其角孔处的环形密封条都采用钎焊固定。

换热器的钎焊过程分成两步进行，第一步钎焊用于翅片板组件的钎焊，第二步钎焊用于翅片板组件、副隔板和环形密封条形成的换热芯体钎焊，焊接方法有两种：

第一种焊接方法为：直接组焊主隔板、两边翅片和副隔板，组合顺序为：副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板，二次钎焊时焊接环形密封条；

第二种焊接方法为：翅片板组件中只钎焊主隔板和两边翅片，组合顺序为：翅片—主隔板—翅片，翅片板组件、副隔板及环形密封条层叠后由钎焊夹具夹紧，在第二次钎焊时，翅片板组件、副隔板、环形密封条在炉中钎焊形成换热芯体。

相邻两个翅片板组件形成有钎焊密封面，主隔板的密封面为平面，并通过副隔板与环形密封条进行钎焊密封。

本发明的同一侧流道的主、副隔板和翅片材料相同，副隔板厚度一般为为0.3～2.0mm，与流体的相容性决定了主、副隔板和翅片材料选择，但不同侧的主、副隔板和翅片材料则允许不同。由于主、副隔板之间存在的钎焊缝，使得当两侧流体通道的材料不同时仍然可以钎焊在一起构成热交换器。一般情况下构成翅片板换热器的常用材料，例如：翅片板组件之“副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板”分别为：“铝合金—铝合金—铝合金—铝合金—铝合金”、“不锈钢—不锈钢—不锈钢—不锈钢—不锈钢”、“铁白铜—铁白铜—铁白铜—铁白铜—铁白铜”、“钛合金—钛合金—钛合金—钛合金—钛合金”等选项。

所述翅片板组件，一侧翅片用于流动冷流体，另一侧翅片用于流动热流体，相邻两个翅片板组件间的接触部分设置有用于密封翅片的密封面。本发明所述的钎焊结构的翅片板式换热器由主、副隔板和翅片在第一次钎焊后组成翅片板组件，用于冷热流体的翅片板组件交替层叠装配后进行第二次钎焊后形成热交换器，省去了冷热流体封条，节省材料减轻重量至少15%以上。省去了封头结构在芯体钎焊后的封头熔焊工艺。本发明吸收了板翅式换热器和板式换热器二者的优点，避开了二者的确点，拓宽了间壁式热交换器的设计思路。解决较高压力、高温、腐蚀性流体下高效传热的难题，特别是大幅度提高了气体的传热效率，降低了热交换器的体积，降低材料消耗，省去熔焊工艺节约能耗。

本发明所述的钎焊结构的翅片板式换热器由翅片板片成型结构钎焊后形成密封，省去了封条，节省材料减轻重量至少10%以上。省去了封头结构，在芯体钎焊后没有熔焊工艺。

附图说明

图1a是纯逆流钎焊结构的翅片板式换热器（角孔处翻边密封）的结构示意图；

图1b是纯逆流钎焊结构的翅片板式换热器（角孔处环形密封条密封）的结构示意图；

图2是纯逆流钎焊结构的翅片板式换热器的工作原理的示意图；

图3是纯逆流换热器相邻翅片板侧边钎焊示意图的示意图；

图4a是纯逆流换热器相邻翅片板组件角孔处副隔板翻边钎焊密封示意图；

图4b是纯逆流换热器相邻翅片板组件角孔处与环形封条钎焊结构示意图；

图4c是逆流换热器相邻翅片板组件（副隔板包括带翻边、不带翻边）角孔处钎焊密封图；

图5是逆流换热器翅片板组件一次钎焊结构示意图；

图6是纯逆流式换热器相邻两层流动型式示意图；

图7是纯逆流式换热器副隔板结构示意图；

图8是纯逆流式换热器与副隔板和侧板连接一种环形密封条；

图9a是叉流钎焊结构的翅片板式换热器（角孔处翻边与环形密封条同时密封）的结构示意图；

图9b是叉流钎焊结构的翅片板式换热器（角孔处环形密封条密封）的结构示意图；

图10是叉流钎焊结构的翅片板式换热器的工作原理的示意图；

图11是叉流式换热器相邻翅片板侧边钎焊结构示意图；

图12a是叉流换热器相邻翅片板组件角孔处副隔板翻边、环形密封条钎焊密封图；

图12b是叉流换热器相邻翅片板组件角孔处与环形密封条钎焊密封示意图；

图12c是叉流换热器相邻翅片板组件（副隔板包括带翻边、不带翻边）角孔处钎焊密封图；

图13是叉流换热器翅片板组件一次钎焊结构示意图；

图14是叉流式换热器相邻两层流动型式示意图；

图15是叉流式换热器副隔板结构示意图；

图16a是纯逆流、叉流式换热器与副隔板、侧板连接的一种环形密封条；

图16b是叉流式换热器与副隔板、侧板连接的一种环形密封条。

具体实施方式

本发明提供的钎焊结构的翅片板式换热器，属于一种介于板式和板翅式之间的钎焊结构的翅片板式换热器，不可拆卸，包括钎焊的主隔板、副隔板和翅片，以及角孔的环形密封条。通过将多块翅片板组件叠加钎焊形成两个或多个流体通道，实现流体纯逆流强制对流换热。

本发明具有以下特点：（1）翅片与主隔板、副隔板通过真空钎焊，制成副隔板间隔的翅片板组件，（2）角孔周边钎焊密封结构，（3）主隔板两侧预先钎焊分流（汇流）翅片、导流翅片，形成均匀流场，（4）主隔板、翅片（可以加入副隔板）进行第一次钎焊制成翅片板组件，然后再将多块翅片板组件（和副隔板、环形密封条）层叠后二次真空钎焊。两次真空钎焊设计不同的钎料，将第一次钎焊的钎料钎焊温度设计得比第二次钎焊的钎料高出50～80℃左右。

该钎焊结构的翅片板式换热器介于板翅式和板式换热器之间，兼具板翅式换热器高效紧凑和板式换热器的纯逆流流场均匀、节省空间、布置组合方便等优点。

所述钎焊结构的翅片板式换热器包括侧板、翅片板组件，所述换热器两端设置为侧板，侧板上设置有角孔，在两个侧板之间设置有依次层叠布置并且钎焊而成的翅片板组件；翅片板组件采用纯逆流或者叉流的换热结构，包括主隔板和主隔板两侧的翅片，主隔板设置有对应侧板的角孔，在主隔板两侧将冷流体与热流体进行换热，并用于同一种流体强制对流换热；相邻两个翅片板组件之间用副隔板隔开，副隔板设置有对应侧板的角孔。

翅片板组件采用纯逆流换热结构时，侧板上设置有冷流体进出口和热流体进出口，进出接口有四个，分别为冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口；所述翅片板组件上，主隔板设置的角孔包括和冷侧入口对应的冷侧入口角孔，冷侧出口对应的冷侧出口角孔，和热侧入口对应的热侧入口角孔，和热侧出口对应的热侧出口角孔；

翅片板组件采用叉流的换热结构，侧板上设置有冷流体进出口，进出接口有二个，分别为冷侧入口、冷侧出口；所述翅片板组件上，主隔板设置的角孔包括和冷侧入口对应的冷侧入口角孔，冷侧出口对应的冷侧出口角孔；热流体通过翅片直接导流，对应的热侧入口和热侧出口位于翅片板组件的两侧。

副隔板的角孔处采用翻边结构，或在副隔板的角孔两侧设置有和角孔钎焊密封的环形密封条。

所述主隔板两侧的翅片，一侧的翅片通过冷侧入口角孔接入冷流体，并从冷侧出口角孔排出冷流体；另一侧的翅片通过热侧入口或热侧入口角孔接入热流体，并从热侧出口或热侧出口角孔排出热流体。翅片板组件中，翅片设置有分流翅片和导流翅片，进而钎焊在主隔板上形成分流通道和导流通道，所述导流翅片通过两端的分流翅片与角孔相连接，翅片形状有锯齿形、水波形、直通形。

如图1a所示，所述钎焊结构的翅片板式换热器包括两侧的侧板101，在侧板之间的翅片板组件103，翅片板组件103上设置有流体进出口的角孔，侧板101通过钎焊进行固定。

如图1b所示，纯逆流钎焊结构的翅片板式换热器包括两侧的侧板101，与侧板配合的环形密封条102，以及翅片板组件103，在翅片板组件103上设置有流体进出口的角孔，侧板101、环形密封条102通过钎焊进行固定。

如图2所示，所述主隔板的角孔包括冷侧入口对应的冷侧入口角孔Ci，冷侧出口对应的冷侧出口角孔Co，热侧入口对应的热侧入口（或角孔）Hi，和热侧出口对应的热侧出口（或角孔）Ho。

流体进出口有四个进出接口，分别为热侧入口、热侧出口，冷侧入口、冷侧出口，为提高换热效率，增大导热对数温差，两侧工质流动方向相反，整体为逆流型式。

如图3所示，相邻的翅片板组件内部工质流动方向不同。

如图5所示某一实施例中，并结合图4a、图4b、图4c，图4a所示翅片板组件中主隔板201两侧的副隔板203均带翻边密封结构；图4b所示翅片板组件中主隔板201两侧的副隔板203不带翻边结构；图4c所示翅片板组件中主隔板201两侧的副隔板203，一侧副隔板带翻边密封、另一侧副隔板不带翻边结构。

通过第一种焊接方法制成的密封结构由主隔板201和设置在其两侧的翅片202以及翅片两侧的副隔板203形成，主隔板201与翅片202和副隔板203通过第一次钎焊焊接而成，形成钎焊密封结构204；翅片板组件（主隔板201与翅片202）和副隔板203、环形密封条206通过二次钎焊焊接起来，形成钎焊密封层205。

综上所述，由主、副隔板及翅片依次排列顺序最终形成传热芯体分两种，一种是：外侧板—（和环形密封条）—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板）—（和环形密封条）—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板）—（和环形密封条）—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板）—（和环形密封条—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板)……..（和环形密封条）—外侧板。

另一种：外侧板—环形密封条—（翅片—主隔板—翅片）—副隔板—（和环形密封条）—副隔板—（翅片—主隔板—翅片）—环形密封条—（翅片—主隔板—翅片）—副隔板—（和环形密封条）—副隔板—（翅片—主隔板—翅片）……..环形密封条—外侧板。

结合图6，翅片分为分流翅片401，换热翅片402，另一侧为汇流（分流）翅片403，所述分流翅片401与角孔相连接，用于均匀进入的流体，经过换热翅片402，最后通过汇流翅片403合流流出。所述换热翅片402位于翅片中间位置，且布置于主隔板两侧，两侧的冷热流体通过换热翅片402提高换热面积，加强换热效果，而后通过主隔板导热，由此两侧进行热量交换，实现工作目的。

这样，冷侧工质（冷流体）由冷侧入口角孔进入换热器内部，而后通过导流翅片401分流，进入换热翅片402内与相邻的热侧工质（热流体）的换热翅片进行换热，同样的，热侧工质（热流体）由热侧入口进入换热器内部。

翅片设置有分流（或汇流）翅片和导流翅片，进而钎焊在主隔板上形成分流（汇流）通道和导流通道。如图6所示，所述翅片包括的导流翅片，通过角孔处的分流（汇流）翅片通道连接到角孔。

如图7所示副隔板上设置有冲压而成的槽道501，用于放置翅片，槽道501的形状和翅片相匹配，形成空间流道，图7结构的副隔板通过翻边结构形成密封。

如图8所示，该形式的环形封条用于纯逆流钎焊结构的翅片板式换热器。工质从环形封条缺口处进入分流及换热翅片区域，或由汇流翅片区域通过缺口进入环形封条内，封条端面与副隔板通过二次钎焊密封。

如图9a、图9b所示，叉流钎焊结构的翅片板式换热器包括两侧的侧板101，与侧板配合的环形密封条102，以及翅片板组件103，在翅片板组件103上设置有流体进出口的角孔，侧板101、环形密封条102通过钎焊进行固定。

如图10所示，所述主隔板的角孔包括冷侧入口对应的冷侧入口角孔Ci，冷侧出口对应的冷侧出口角孔Co，热侧入口对应的热侧入口（或角孔）Hi，和热侧出口对应的热侧出口（或角孔）Ho。

流体进出口有四个进出接口，分别为热侧入口、热侧出口，冷侧入口、冷侧出口，为提高换热效率，增大导热对数温差，两侧工质流动方向相反，整体为逆流型式。

如图11所示，相邻的翅片板组件内部工质流动方向不同。

如图13所示另一实施例中，并结合图12a、12b、12c，图12a所示翅片板组件中的副隔板203带翻边密封结构；图12b所示翅片板组件中的副隔板203不带翻边结构；图12c所示翅片板组件中的副隔板203，可采用带翻边和不带翻边的副隔板交替装配的型式。

通过第一种焊接方法制成的密封结构由主隔板301和设置在其两侧的翅片302（和翅片一侧的副隔板303），主隔板301与翅片302(和副隔板303）通过第一次钎焊焊接而成，形成钎焊密封结构304；翅片板组件间（和副隔板303、环形密封条306）通过二次钎焊焊接起来，形成钎焊密封层305。

综上所述，由主、副隔板及翅片依次排列顺序最终形成传热芯体分两种，一种是：外侧板—（和环形密封条）—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板）—（和环形密封条）—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板）—（和环形密封条）—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板）—（和环形密封条—（副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板)……..（和环形密封条）—外侧板。

另一种：外侧板—环形密封条—（翅片—主隔板—翅片）—副隔板—（和环形密封条）—副隔板—（翅片—主隔板—翅片）—环形密封条—（翅片—主隔板—翅片）—副隔板—（和环形密封条）—副隔板—（翅片—主隔板—翅片）……..环形密封条—外侧板。

如图14所示，这样，冷侧工质（冷流体）由冷侧入口角孔进入换热器内部，而后通过导流翅片分流，进入换热翅片内与相邻的热侧工质（热流体）的换热翅片进行换热。翅片设置有分流（或汇流）翅片和导流翅片，进而钎焊在主隔板上形成分流（汇流）通道和导流通道。所述翅片包括的导流翅片，通过角孔处的分流（汇流）翅片通道连接到角孔。

结合图6，区别在于图6中的热侧有换热翅片，无分流（或汇流）翅片和导流翅片，热流体由一侧向另一侧流动，与冷侧构成叉流换热结构，两侧进行热量交换。

如图15所示副隔板上设置有冲压而成的槽道501，用于放置翅片，槽道501的形状和翅片相匹配，形成空间流道，图15结构的副隔板与环形密封条配合，通过封条密封面进行密封。

如图16a所示，该形式的环形封条既可用于纯逆流钎焊结构的翅片板式换热器，也可用于叉流钎焊结构的翅片板式换热器。工质从环形封条的一端流向另一端，两个端面与侧板、副隔板或主隔板接触，通过工装压紧，由二次钎焊焊接密封。

如图16b所示，该形式的环形封条用于叉流钎焊结构的翅片板式换热器。工质从环形封条缺口处进入分流及换热翅片区域，或由汇流翅片区域通过缺口进入环形封条内，封条端面与副隔板通过二次钎焊密封。

在主隔板两面钎焊有翅片构成的翅片板组件，作为换热元件，主隔板厚度0.5～2.0mm，翅片材料厚度0.10～0.3mm冲压成形，翅片高度1.5～12mm，翅片形式有锯齿形、水波纹形、百叶窗形、直通形等。

本发明的同一侧流道的主、副隔板和翅片材料相同，副隔板厚度一般为为0.4～2.0mm，与流体的相容性决定了主、副隔板和翅片材料选择，但不同侧的主、副隔板和翅片材料则允许不同。由于副隔板之间存在的钎焊缝，使得当两侧流体通道的材料不同时仍然可以钎焊在一起构成热交换器。一般情况下构成翅片板换热器的常用材料，允许使用不同的组合，例如：翅片板组件之“副隔板—翅片—主隔板—翅片—副隔板”分别为：“铝合金—铝合金—铝合金—铝合金—铝合金”、“不锈钢—不锈钢—不锈钢—不锈钢—不锈钢”、“铁白铜—铁白铜—铁白铜—铁白铜—铁白铜”、“钛合金—钛合金—钛合金—钛合金—钛合金”等选项。

本发明中，工艺方面由于只对板片四周密封槽和角孔成型，大大简化了原来板式换热器复杂形状板片的流道成型工艺，大幅度降低了工艺难度和压力机吨位，成型合格率几乎可达100%，大幅度降低成本。

本发明吸收了板翅式换热器的优点，除隔板主传热面外，在隔板两侧面钎焊了波纹翅片形成扩展的传热面，大幅度提高了流体传热系数和传热面积；分流（汇流）和导流靠放置的翅片实现，大幅度强化传热。

本发明的钎焊结构的换热器，密封性能可以达到泄漏率10^-7m³.Pa/s，工作压力可达4.0MPa，一般工作温度可达－196～600℃，极限可达800℃。

一般钎焊板式换热器的最高工作温度为550℃，工作压力2.0MPa；而可拆卸式板式换热器的最高工作温度受橡胶密封材料的制约一般只有200℃（橡胶密封圈）和250℃（石棉密封垫片，国际已经禁用），受结构的制约最高工作压力不超过1.6MPa。

本发明设置分流（或汇流）翅片、导流翅片、副隔板和主隔板通过一次钎焊焊接起来，形成翅片板组件，副隔板具备凹槽。翅片板组件与环形密封条通过二次钎焊形成密封焊缝，将隔板组件联结起来、形成流体通道与翅片板组件间的分流或汇流通道以及密闭承压结构，流体进入翅片板组件后流经分流（或汇流）翅片、导流翅片，主动进行流场干预，使得流场更加均匀，很方便地对流体流量弱的区域进行调整，设置偏流抑制导流翅片，使内部流场均匀，有效地解决流场不均的难题；且分流（汇流）段以及导流段均已处于强烈的对流换热状态，巧妙地解决了分流（汇流）、导流、流场均匀性、流阻匹配、传热和支撑的问题。

本发明将板翅式换热器和板式换热器的优点结合起来，集中了板式换热器和板翅式换热器的优点：高效、紧凑、重量轻、体积小、高耐压和高密封性，解决了板式换热器在气体换热时换热系数低的问题，克服了板翅式换热器封头结构分流（或汇流）场不均匀的缺点，更方便实现纯逆流、高平均温差，纯逆流布置时两种流体的出口温度甚至达到仅1℃之差，实现比板翅式换热器或板式换热器更大的传热能力NTU（NTU=K.F/Wmin）值，简化封头结构和工艺，节省材料，减少重量和占用空间。