带微凸台阵列结构的微层叠平板式液体燃料蒸发器的制作方法

专利名称：带微凸台阵列结构的微层叠平板式液体燃料蒸发器的制作方法
技术领域：
本发明涉及液体燃料蒸发器，尤其是涉及一种带微凸台阵列结构的微层叠平板式 液体燃料蒸发器。
背景技术：
所谓蒸发器，是一种把单相液体或液体和气体的两相混合物转化为单相气体或气 体和液体的两相混合物，或者通过将溶液气化掉部分溶剂而达到浓缩溶液目的的过程设 备，已广泛地应用于化工、食品、制药等行业。随着工业技术的发展，人们对设备的要求越来越高，当前的设备设计制造除了需 要满足工业制造的技术要求和安全准则外，更需要兼具紧凑、高效、节能、绿色环保等附加 条件，这就要求蒸发器尽可能地提高单位体积的传热量以满足蒸发的需求。根据已有文 献，随着换热设备单元尺度的减小，对流换热系数不断提高，使设备的传热得到了不断地强 化(当达到mm级以下时，对流换热系数可达到17200W/m2K，大大高于传统设备的换热系数 (2500W/m2K))。其中微凸台阵列结构的传热性能尤为出色，这是因为一方面，由于微凸台 阵列的存在，流体在蒸发腔的流动较为无序，流体单元间混合加剧，增加了对流传热；另一 方面，因为蒸汽更易在两个微凸台之间的微小空隙中被捕捉而吸收更多的热量，得到更好 的加热。因此，在蒸发器结构设计中引入微凸台阵列结构将在很大程度上增大蒸发器的对 流换热系数，可有效提高蒸发器的传热性能，从而使蒸发器更加紧凑、高效和实用。但是当 前蒸发器的设计重点是以通过减小蒸发器换热管(通道)的结构尺度和改善蒸发器的结构 形式来强化蒸发器的传热从而提高蒸发器的整体性能，已有结构中虽已涉及微通道结构， 但尚未提及微凸台阵列结构。另一方面，随着制造业的发展，机械、化工等设备向着微小化的方向发展。在化工、 化学和制药工业，研究者设计和制造了不同的微化学反应器，满足军事、航空等不同领域的 需要。例如在现场醇类重整制氢系统方面，各国的研究者们设计和制造了不同结构的醇类 重整制氢微反应器。由于催化剂的问题，这些微反应器内进行的反应须为气相反应(反应 物和产物均为气体)，因此，需要对液体反应物(如甲醇)进行蒸发处理。同时，微蒸发器所 需的进口燃料流量较小，这就为微型小流量蒸发器的设计和制造提供了实际的应用背景。中国发明专利(申请号200510130765. 8)曾公开一种催化燃烧蒸发器。它由主体 部分和几个封头焊接而成。主体部分为板翅结构，由10个燃烧腔和9个蒸发腔组成。该催 化燃烧蒸发器通过燃烧流入燃烧腔内的燃料产生大量热，热量大部分通过导热板传递给汽 化腔将液体燃料蒸发，可将燃料过热到200°C -300°C。该蒸发器适用于燃料电池制氢系统， 可广泛地用于强放热和吸热的耦合反应体系。但是，该蒸发器尺度较大，不能应用于微小流 量的化学反应器的燃料蒸发，同时，其传热结构采用板翅结构，属于宏观尺度，传热性能较 微观结构弱，可进行进一步改进。中国发明专利(申请号200480026585. 9)曾公开了一种用于重整型燃料电池系统 的燃料蒸发器。其包括交替的燃料/水流动通道，借助只在邻近燃料/流动通道中的气体
3通道设备传热增进装置，蒸发和过热需处理的燃料/水的混合物。该蒸发器可避免大的热 应力，从而提高蒸发器的寿命。但是，该蒸发器的传热结构尺度也为宏观尺度，可通过引入 微细结构来提升性能。

发明内容
本发明的目的在于提供一种带微凸台阵列结构的微层叠平板式液体燃料蒸发器。本发明采用的技术方案是从上至下依次由上密封连接接头，主体部分，和下密封连接接头连接而成；其中1)上密封连接接头包括矩形结构的上密封连接板和上管路接头；上管路接头与 上密封连接板上表面的流体进口孔相连；2)下密封连接接头包括矩形结构的下密封连接板和下管路接头，下管路接头与 下密封连接板下表面的流体出口孔相连；3)主体部分为矩形体结构，由一次蒸发单元和二次蒸发单元上下叠加而成；一 次蒸发单元从上至下依次由第一集成蒸发腔、内装有电阻加热棒的第一加热平板、第二集 成蒸发腔和内装有电阻加热棒的第二加热平板叠加而成；二次蒸发单元从上至下由第三集 成蒸发腔和内装有电阻加热棒的第三加热平板叠加而成；三块加热平板长边侧面内均分别 插入电阻加热棒；第一集成蒸发腔、第一加热平板和第二集成蒸发腔的一侧开有的流道孔 和上密封连接扳的流体进口孔同轴布置并相通，第一集成蒸发腔、第一加热平板和第二集 成蒸发腔另一侧的流道孔与第二加热平板一侧、第三集成蒸发腔的一侧流道孔同轴布置并 相通，第三集成蒸发腔的另一侧流道孔、第三加热平板一侧的流道孔和下密封连接扳的流 体出口孔同轴布置并相通。所述的三个集成蒸发腔结构相同，从上至下由形状、尺寸相同的盖板、中间辅助平 板、基板、另一块中间辅助平板和另一块基板叠合而成；盖板两斜对角开有用于流体出入的 流道孔，两块中间辅助板中间开有平行四边形孔；两块基板上端面的两斜对角开有流体出 入的流道孔，靠近上密封连接板进口孔的一侧设置有相同结构等距分布的一排矩形凸台， 远离上密封连接板进口孔的一侧设置有相同结构的错列排布的、等距分布的圆形凸台阵 列，矩形凸台和圆形凸台阵列位于中间辅助板的平行四边形孔内。所述的第一加热平板和第三加热平板结构一致，两端分别开有流道孔，第二加热 平板在远离上密封连接板进口孔的一侧开有一个流道孔。本发明具有的有益效果是1)该微蒸发器在传热部分引入微凸台阵列结构，增大了蒸发器的比体积，提高了 微蒸发器的对流传热系数，从而提高了该蒸发器的传热效率。2)通过改善优化蒸发器的结构尺寸，该微蒸发器结构紧凑、小巧，可用于微小流量 液体蒸发的场合。3)该微蒸发器增加集成蒸发腔单元和加热平板数量并通过合理的层叠后即可扩 大规模，从而可应用较大流量液体燃料蒸发的场合。本发明可以广泛地用于需要对燃料液体进行预蒸发的场合，特别适合于微小流量 的现场制氢系统中甲醇、乙醇、汽油等液体燃料的预热、气化和过热；可用于强吸热和放热 的耦合反应体系；通过规模扩大后还可以用于较大流量燃料蒸发的场合。


图1是本发明整体结构示意图。图2是本发明基板的结构示意图。图3是集成蒸发腔的结构剖视图。图4是本发明基板平面俯视图。图5是本发明中间辅助板结构示意图。图6是本发明第一、第三加热平板结构示意图。图7是本发明第二加热平板结构示意图。图8是本发明上、下密封连接板结构示意图。图9是本发明盖板结构示意图。图10是本发明的流体流动路径简图。图中1、主体部分，2、上密封连接接头，3、下密封连接接头，4、电阻加热棒，5、一 次蒸发单元，6、二次蒸发单元，7、集成蒸发腔，8、第一加热平板，9、第二加热平板，10、基板， 11、中间辅助板，12、盖板，13、上密封连接板，14、上管路接头，15、微凸台阵列结构，16、下密 封连接板，17、下管路接头，18、第三加热平板
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1、10所示，从上至下依次由上密封连接接头2，主体部分1，和下密封连接接 头3连接而成；其中1)上密封连接接头2 包括矩形结构的上密封连接板13和上管路接头14 ；上管路 接头14与上密封连接板13上表面的流体进口孔相连；2)下密封连接接头3 包括矩形结构的下密封连接板16和下管路接头17，下管路 接头17与下密封连接板16下表面的流体出口孔相连；3)主体部分1 为矩形体结构，由一次蒸发单元5和二次蒸发单元6上下叠加而 成；一次蒸发单元5从上至下依次由第一集成蒸发腔、内装有电阻加热棒的第一加热平板 8、第二集成蒸发腔和内装有电阻加热棒4的第二加热平板9叠加而成；二次蒸发单元从上 至下由第三集成蒸发腔和内装有电阻加热棒4的第三加热平板18叠加而成；三块加热平板 长边侧面内均分别插入电阻加热棒4 ；第一集成蒸发腔、第一加热平板8和第二集成蒸发腔 的一侧开有的流道孔和上密封连接扳13的流体进口孔同轴布置并相通，第一集成蒸发腔、 第一加热平板8和第二集成蒸发腔另一侧的流道孔与第二加热平板9 一侧、第三集成蒸发 腔的一侧流道孔同轴布置并相通，第三集成蒸发腔的另一侧流道孔、第三加热平板18 —侧 的流道孔和下密封连接扳16的流体出口孔同轴布置并相通。如图3所示，所述的三个集成蒸发腔7结构相同，从上之下由形状、尺寸相同的盖 板12、中间辅助平板11、基板10、另一块中间辅助平板11和另一块基板10叠合而成；如图 9所示，盖板12两斜对角开有用于流体出入的流道孔g、h，如图5所示，两块中间辅助板中 间开有平行四边形孔；如图4所示，两块基板上端面的两斜对角开有流体出入的流道孔a、 b，靠近上密封连接板进口孔的一侧设置有相同结构等距分布的一排矩形凸台，远离上密封 连接板进口孔的一侧设置有相同结构的错列排布的、等距分布的圆形凸台阵列18，矩形凸台和圆形凸台阵列18位于中间辅助板的平行四边形孔内。如图6所示，所述的第一加热平板7和第三加热平板18上结构一致，两端开有两 个流道孔；如图7所示，第二加热平板9在远离上密封连接板13进口孔的一侧开有一个流 道孑L。本发明的具体实施例如下包含主体部分1、上密封连接接头2和下密封连接接头3、电阻加热棒4、密封隔热 材料和一些紧固螺栓(图中未画出)。主体部分1整体为长方体结构，分为一次蒸发单元5 和二次蒸发单元6。一次蒸发单元5由两个形状、尺寸相同的集成蒸发腔7、第一加热平板 8和第二加热平板9构成。每个集成蒸发腔7由两块形状、尺寸相同的基板10，以及两块形 状、尺寸相同的中间辅助板11和一块盖板12层叠而成，五块平板外形结构均为矩形板状结 构，长、宽均一致。基板10高度方向上的尺度为2mm。其结构示意图如图2所示，上端面的两 斜对角加工有用于流体出入的通孔，中间偏右的位置加工有等高度、等直径和等中心间距 的微凸台阵列结构15，排布方式为矩形阵列。其单个微凸台为圆柱体结构，直径为0.8mm， 高度为1mm。在X方向上和Y方向上的微凸台中心间距均为微凸台直径的两倍，为1.6mm， 但在Y方向上的微凸台数比X方向上的微凸台数多3个。上端面左侧在X方向上离微凸台 阵列1个微凸台直径距离的位置加工有在Y方向相间分布的微凸台数量相同的矩形短块， 宽度略大于微凸台直径，间距和微凸台中心间距相同。中间辅助板11结构示意图如图5所 示，高度为1.2mm，略大于微凸台阵列高度(1mm)，中间加工有与薄板同高的平行四边形孔， 可分为三个部分，左、右两端为直角三角形流体分布腔，中间部分为矩形空腔。矩形空腔的 长、宽分别多于基板10上端面凸台部分一个微凸台直径。如图9所示，盖板12在与基板10 对应的位置上加工有相应的用于流体出入的通孔，高度为1mm，用于密封集成蒸发腔7。一 块中间辅助板11与一块基板10通过扩散焊后形成半开放蒸发腔。两个半开放蒸发腔和 盖板12通过扩散焊后形成集成蒸发腔7，用于液体蒸发和过热。两块加热平板的长、宽和 集成蒸发腔7相同，每块加热平板侧面加工有沿长边侧面中心线对称分布的可用于放置电 阻加热棒4的两个盲孔。第一加热平板8的结构示意图如图6所示，两对角加工有与集成 蒸发腔7相对应的通孔c，d。第二加热平板9只在一角加工有相对应通孔e，如图7所示。 两个集成蒸发腔7和第一加热平板8，第二加热平板9相间分布，形成一次蒸发单元5。二 次蒸发单元6由集成蒸发腔7和第三加热平板18层叠而成，外形结构与一次蒸发单元5 — 致。上密封连接接头2由上密封连接板13和上管路接头14组成。上密封连接板13如图 8所示，整体为平板结构，长、宽与主体部分相比稍大，四周布置有可用于紧固密封的六个螺 纹孔。在上密封连接板13上的一角加工有可用于上连接管路接头14的流体入口孔f，与基 板10两角的通孔相对应。下密封连接接头3与上密封连接接头2结构一致，由下密封连接 板16和下管路接头17组成。为了减少对外散热，提高微蒸发器的整体性能，上端面还锪有 一个内凹的矩形槽，槽深为板高的一半。矩形槽偏向右侧，远离螺纹孔约1个孔径的距离， 为了不与板上的螺纹孔发生干涉。该微蒸发器装配的方法采用扩散焊和螺栓密封紧固的方 法。集成蒸发腔7和第一加热平板8，第二加热平板9之间，集成蒸发腔7和上、下密封连接 接头2，3之间采用密封垫片加螺栓紧固的方式密封。叠完后微蒸发器结构从上到下为上密 封连接接头2、一次蒸发单元5、二次蒸发单元6和下密封连接接头3。如图1所示，装配后第一加热平板8的第三加热平板18的电阻加热棒孔出口和第二加热平板9的电阻加热棒孔出口方向相反。所述的微蒸发器在入口和出口处与外部管路连接的上管路接头14为通过常用的 卡套式直通终端管接头，其与上密封连接板13、下密封连接板16连接为螺纹连接，与外部 管路为卡套连接。由于蒸发器是为了蒸发和过热液体燃料，不需要将燃料加热到过高的温 度，因此，运行过程中内部温度一般都较低(通常在300°C以下)，于是，螺纹连接处可涂覆 高温密封胶，进一步提高管接头处的密封性。外部连接管路使用常用的不锈钢材料(如 304)，外径约为4mm，竖直分布。在入口、出口处流体流动方向和集成蒸发腔7内流体的流动 方向相垂直，使入口液体有一定的重力势能，避免因流体逆流而产生的蒸发不稳定现象。所述的微蒸发器的上密封连接板13、下密封连接板16、中间辅助板11、盖板12、 第一加热平板8，第二加热平板9、第三加热平板18均采用常规的机械加工方法制造；基板 10先通过半固态微触变加工方式加工出上端面凸起部分，再经过常规机械加工方式制造而 成，具体的制造过程如下所示首先制造模具。根据所设计的基板10的结构，制造相应的模具(包括上模、下模)。 模具材料为模具钢H13，加热方式采用电阻加热棒，加工方法为机械切削和电火花加工。由 于本发明只有一种结构的基板，所以只需设计制造一套模具即可。再选择用于压制的工件 尺寸。为了易于成形，工件尺寸应略大于为凸台阵列结构尺寸。接着根据工件的大小，通过 实验得到合适的加热方案和上模运动方式，成形制造出基板上端面微凸起部分。最后，通过 机械加工得到基板10。所述的微蒸发器通过螺栓连接使第一加热平板8，第二加热平板9和基板10固定 在一起。热量供应通过第一加热平板8，第二加热平板9、第三加热平板18中安置的电阻加 热棒4。为了使热量传递均勻，对电阻加热棒位置进行了优化，并将层叠装配时供安置电阻 加热棒的盲孔分布在异侧，通过焊接将其固定在微蒸发器上。在第一加热平板8，第二加热 平板9、第三加热平板18和集成蒸发腔7之间涂覆有导热胶，目的是为了减少热阻，提高蒸 发器的传热效率。所述的微蒸发器上密封连接接头2、下密封连接接头3、集成蒸发腔7和第一加热 平板8、第二加热平板9和第三加热平板18之间均采用石墨密封材料进行密封。为了减少 散热，提高微蒸发器热性能，上、下密封连接板外侧布置有一层石棉材料。所述的微蒸发器基板10的材料为半固态铝合金材料，为了用半固态微触变成形 技术进行加工。上密封连接板13、下密封连接板16选用热导率相对较低的常用不锈钢材料 (如304)。其余各部分的材料采用铝合金材料(如A356)，价格低，热传导率高，易于加工。本发明的工作原理如下图10为该微蒸发器的流体流动路径简图。在电阻加热棒通电预热微蒸发器一定 时间后，需蒸发的工质流体(如甲醇制氢中的甲醇水混合溶液)依靠蠕动泵等源动力从微 蒸发器的一端流过管路接头14后，通过上密封连接接头2的密封连接板13的f 口进入一 次蒸发单元5中。工质流体通过盖板12的g 口进入一次蒸发单元5内集成蒸发腔7的半 开放蒸发腔后分为两路，一路通过基板10的a 口流入下方的半开放蒸发腔，一路由半开放 蒸发腔的左端流向右端，并通过基板IOWb 口流入下方的半开放蒸发腔。接着，工质流体 也分为两路，一路通过基板10的a 口、第一加热平板8的d 口及盖板12的g 口流入下方集 成蒸发腔7的半开放蒸发腔中，另一路流向半开放蒸发腔的对角处，通过基板的b 口、加热平板8的c 口及盖板12的h 口流入下方集成蒸发腔7的半开放蒸发腔中。流体在该集成 蒸发腔7内的流动和其上方的集成蒸发腔7 —致，最终通过加热平板9的e 口、盖板12的 h 口流入二次蒸发单元6内集成蒸发腔7的半开放蒸发腔。流体在该集成蒸发腔7中的流 动方式也和其上方的集成蒸发腔7 —致，最终通过基板10的a 口、加热平板9的e 口及下 密封连接接头3内密封连接板13的f 口流出微蒸发器。 工质流体流入一次蒸发单元5后，通过吸收第一加热平板8，第二加热平板9中电 阻加热棒提供的热量，大部分蒸发为气体。已大部分蒸发完全的流体又在流入二次蒸发单 元6后，通过吸收二次蒸发单元6中第二加热平板9提供的热量而继续蒸发，最终产生过热 的单相蒸汽。如图5所示，为了使工质流体蒸发完全并过热到所需的温度，微蒸发器设置有 一次蒸发单元5和二次蒸发单元6，一次蒸发单元5含有两个集成蒸发腔，工质流体在其内 部为并联流动方式，这样可以增加蒸发的流量，提高微蒸发器的合格蒸汽产率。
权利要求
一种带微凸台阵列结构的微层叠平板式液体燃料蒸发器，其特征在于从上至下依次由上密封连接接头(2)，主体部分(1)，和下密封连接接头(3)连接而成；其中1)上密封连接接头(2)包括矩形结构的上密封连接板(13)和上管路接头(14)；上管路接头(14)与上密封连接板(13)上表面的流体进口孔相连；2)下密封连接接头(3)包括矩形结构的下密封连接板(16)和下管路接头(17)，下管路接头(17)与下密封连接板(16)下表面的流体出口孔相连；3)主体部分(1)为矩形体结构，由一次蒸发单元(5)和二次蒸发单元(6)上下叠加而成；一次蒸发单元(5)从上至下依次由第一集成蒸发腔、内装有电阻加热棒的第一加热平板(8)、第二集成蒸发腔和内装有电阻加热棒的第二加热平板(9)叠加而成；二次蒸发单元从上至下由第三集成蒸发腔和内装有电阻加热棒的第三加热平板(18)叠加而成；三块加热平板长边侧面内均分别插入电阻加热棒；第一集成蒸发腔、第一加热平板(8)和第二集成蒸发腔的一侧开有的流道孔和上密封连接扳的流体进口孔同轴布置并相通，第一集成蒸发腔、第一加热平板(8)和第二集成蒸发腔另一侧的流道孔与第二加热平板(9)一侧、第三集成蒸发腔的一侧流道孔同轴布置并相通，第三集成蒸发腔的另一侧流道孔、第三加热平板(18)一侧的流道孔和下密封连接扳(16)的流体出口孔同轴布置并相通。
2.根据权利要求1所述的一种带微凸台阵列结构的微层叠平板式液体燃料蒸发器，其 特征在于所述的三个集成蒸发腔结构相同，从上之下由形状、尺寸相同的盖板(12)、中间 辅助平板、基板、另一块中间辅助平板和另一块基板叠合而成；盖板(12)两斜对角开有用 于流体出入的流道孔，两块中间辅助板中间开有平行四边形孔；两块基板上端面的两斜对 角开有流体出入的流道孔，靠近上密封连接板进口孔的一侧设置有相同结构等距分布的一 排矩形凸台，远离上密封连接板进口孔的一侧设置有相同结构的错列排布的、等距分布的 圆形凸台阵列(18)，矩形凸台和圆形凸台阵列(18)位于中间辅助板的平行四边形孔内。
3.根据权利要求1所述的一种带χ微凸台阵列结构的微层叠平板式液体燃料蒸发器， 其特征在于所述的第一加热平板(8)和第三加热平板(18)结构一致，两端分 开有流道 孔，第二加热平板(9)在远离上密封连接板(13)进口孔的一侧开有一个流道孔。
全文摘要
本发明公开了一种带微凸台阵列结构的微层叠平板式液体燃料蒸发器。由上密封连接接头，由一次蒸发单元和二次蒸发单元上下叠加而成的主体部分和下密封连接接头连接而成。微蒸发器在传热部分引入微凸台阵列结构，增大了蒸发器的比体积，提高了微蒸发器的对流传热系数，从而提高了该蒸发器的传热效率。该微蒸发器增加集成蒸发腔单元和加热平板数量并通过合理的层叠后即可扩大规模，从而可应用较大流量液体燃料蒸发的场合。本发明可广泛地用于需要对燃料液体进行预蒸发的场合，特别适合于微小流量的现场制氢系统中甲醇、乙醇、汽油等液体燃料的预热、气化和过热；可用于强吸热和放热的耦合反应体系；通过规模扩大后还可用于较大流量燃料蒸发的场合。
文档编号B01D1/00GK101979116SQ20101029536
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者梅德庆, 钱淼, 陈子辰 申请人:浙江大学