导航：X技术最新专利供热;炉灶;通风;干燥设备的制造及其应用技术
1.本发明属于换热器领域，涉及一种印刷电路板式换热器，具体涉及一种非常适合于s-co2动力循环系统的印刷电路板式换热器。
2.在全球低碳背景下，s-co2动力循环系统技术重新成为研究焦点，引起了国、内外广泛关注。以s-co2为工质的动力循环系统具有高效低碳和集约灵活的特点，在水上航行器、航空航天、发电、工业余热回收等领域有着广阔的应用前景。印刷电路板式换热器(pche)作为一种新型的高效紧凑式热交换器，加之在制作的步骤中采用了扩散焊技术，使换热器的强度与母材几乎相同，这些特点使其成为s-co2动力循环系统换热器最佳选择之一。然而，在实际应用中，pche的封头和壳体通常很厚，这不仅使材料温度随流体气温变化相对滞后，也使材料对气温变化的抵抗力变差，较大的热惯性极大削弱了系统启停或变负荷响应能力。
3.一般而言，为了减小换热器的热惯性，减小换热器材料用量是关键，强化换热是有效手段之一。为了更好的提高印刷电路板式换热器的换热性能，芯体换热通道先后经历了平直通道、z字形通道、s形通道、翼型通道的发展过程，其中s形通道和翼型通道等流道形式在实验室阶段呈现出良好的特性，但是其结构参数复杂，制造设计的成本比较高。目前，平直通道和z字形通道是商用较多的方案。相比平直通道，z字形通道能够明显提高换热性能，但以较大的流动压降为代价。此外，z字形通道可能使原本微通道换热器易堵塞的缺点变得更加严重。
5.针对现存技术的上述缺陷和不足，本发明提出了一种印刷电路板式换热器，非常适合于s-co2动力循环系统，本发明改变了现有pche的封头和芯体组合形式，通过取消封头结构，从结构上直接减少换热器的用材；芯体板片通过采用仿生人体肺支气管的逐级分流、汇流结构和扩张、收缩交替的变截面通道结构，在不显著增加通道流动压降的前提下，改善了流动均匀性，增强了换热性能，并拥有非常良好的阻垢性能，大大降低了pche微通道中有可能会出现的堵塞。
8.一种印刷电路板式换热器，包括芯体，所述芯体包括多个热流体板片和多个冷流体板片，所述多个热流体板片与多个冷流体板片通过扩散焊以逐一交错层叠的方式固定连接，其特征在于，
9.每一所述热流体板片、冷流体板片均包括沿其长度方向依次布置的一进口板片段、一主换热板片段以及一出口板片段，其中，
10.所述进口板片段上设有一进口分流区和一非流动区ⅰ，所述非流动区ⅰ上设有一贯穿板片的第一通孔，所述进口分流区上设有一贯穿板片且与所述第一通孔在板片宽度方向上相对布置的第二通孔，所述进口分流区上还设有多个以所述第二通孔为起点并向下游延伸的分级且呈辐射状分布的分流通道，且越靠近下游的分流通道，其数量越多；
11.所述出口板片段上设有一出口汇流区和一非流动区ⅱ，所述非流动区ⅱ上设有一贯穿板片的第三通孔，所述出口汇流区上设有一贯穿板片且与所述第三通孔在板片宽度方向上相对布置的第四通孔，且所述第三通孔与第一通孔之间在整个板片上呈对角线布置，所述第四通孔与第二通孔之间在整个板片上呈对角线布置，所述出口汇流区上还设有多个以所述第四通孔为起点并向上游延伸的分级且呈辐射状分布的汇流通道，且越靠近上游的汇流通道，其数量越多；
12.所述主换热板片段上设有多个沿其长度方向延伸的换热通道，各所述换热通道呈相对流线型的变截面结构，且各所述换热通道的进口端与所述进口分流区中各末级分流通道的出口端连通，各所述换热通道的出口端与所述出口汇流区中各首级汇流通道的进口端连通；
13.所述热流体板片与冷流体板片交错层叠焊接时，各所述热流体板片上的第一通孔与各所述冷流体板片上的第四通孔一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的冷流体出口管腔，各所述热流体板片上的第二通孔与各所述冷流体板片上的第三通孔一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的热流体进口管腔，各所述热流体板片上的第三通孔与各所述冷流体板片上的第二通孔一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的冷流体进口管腔，各所述热流体板片上的第四通孔与各所述冷流体板片上的第一通孔一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的热流体出口管腔。
14.优选地，所述芯体一端设有第一承压板，另一端设有第二承压板，所述第一承压板的外侧设有热流体进口接头、冷流体进口接头，且所述第一承压板上设有与所述热流体进口接头、冷流体进口接头对应连通的通孔，所述热流体进口接头、冷流体进口接头分别与所述热流体进口管腔、冷流体进口管腔对应连通；所述第二承压板的外侧设有热流体出口接头、冷流体出口接头，且所述第二承压板上设有与所述热流体出口接头、冷流体出口接头对应连通的通孔，所述热流体出口接头、冷流体出口接头分别与所述热流体出口管腔、冷流体出口管腔对应连通。
15.进一步地，所述第一承压板上的两个通孔与所述第二承压板上的两个通孔呈对角布置，且所述第一承压板、第二承压板分别与所述芯体两端的板片焊接在一起，以保证换热器的结构强度。
17.本发明的印刷电路板式换热器，取消了封头结构，冷、热流体直接通过各自管腔流入芯体的冷、热流体板片，每个板片分为进口板片段、主换热板片段及出口板片段三个区域，其中进口板片段和出口板片段上的流体通道仿生人体肺支气管结构，主换热板片段上的通道采用具有相对流线型特征的变截面结构。
18.本发明的印刷电路板式换热器没有封头结构，主要由进口流体管腔、芯体、承压板和出口流体管腔等构成，流体通过进口管腔流入芯体板片，从芯体流出再进入出口管腔，然后流出换热器。
19.进一步，所述进口分流区上的分流通道采用仿生人体肺支气管的逐级分流结构，级数为1～15，沿流动方向，每一级的分流通道采用渐扩结构，逐级流入下一级分流通道。
20.进一步，所述换热通道为扩张段和收缩段交替的流道结构，收缩与扩张交替进行的结构及形式为直线型结构或曲线型结构通道内的大部分流体流动接近流线型。所述换热器芯体冷、热侧变截面换热通道与流体变物性对边界层发展影响相互耦合，从而有效解决冷、热侧因物性导致热量不匹配的问题。
21.进一步，所述出口汇流上的汇流通道采用仿生人体肺支气管的逐级汇流结构，级数为1～15，沿流动方向，每一级汇流通道采用渐缩结构，逐级进入下一级汇流通道。
24.(1)本发明充分的发挥了增材制造的优势，取消了pche的封头结构，降低了壳体厚度，直接减少了换热器整体用材，很大程度上消减了热惯性。
25.(2)本发明pche的进口分流板片和出口汇流板片的流道采用仿生技术，分别为逐级分流结构和逐级汇流结构，当流体进入芯体的进口分流板片时，每一级的流道采用渐扩结构，当流体进入芯体的出口汇流板片时，每一级的流道采用渐缩结构。这类似于人类肺吸气与呼气过程，胸廓有节律的扩大和缩小，可以有明显效果地和均匀的通过各级支气管将气体输送到肺泡和排出体外。基于仿生学的分流设计使流体流动更加均匀，进而改善了温度场不均匀性，实现减小阻力、增强换热的目的，有助于减小热惯性。如果采用封头结构，流体进入封头会直接冲刷与封头的进口相对的通道，导致这部分通道的流量大于其他通道，使流动均匀性变差，不利于传热。
26.(3)本发明pche芯体主换热流道采用扩张和收缩交替的结构，利用变物性流体流过扩张或收缩结构破坏边界层，实现强化传热，减小换热器材料，进而消减了热惯性。由于pche内的流体流动通道接近直流线型，与横流通道相比，流动阻力较小。此外，由于通道采用了扩张和收缩依次交替的结构，拥有非常良好的阻垢性能。
34.热流体进口接头1，冷流体进口接头2，热流体出口接头3，冷流体出口接头4，上侧承压板5，下侧承压板6，第二承压板7，第一承压板8，热流体进口管腔9，冷流体进口管腔10，热流体出口管腔11，冷流体出口管腔12，芯体13，进口板片段14，主换热板片段15，出口板片段16，热流体板片17，冷流体板片18，第一通孔19，第二通孔20，第三通孔21，第四通孔22，一级分流通道23，二级分流通道24，换热通道25，一级汇流通道26，二级汇流通道27，直线，曲线.为越来越好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。
36.以发电领域为例，在国内，未来的可再次生产的能源发电比重将会逐渐增加，而传统火电机组在深度调峰中的重要性一天比一天突出，大幅度变负荷会是运行常态。本实施例中的印刷电路板式换热器的一种应用场景是作为s-co2循环发电系统中的回热器，最大的目的是在s-co2循环发电系统的启停或变负荷过程中消减回热器的热惯性，充分的发挥s-co2循环发电技术的调峰灵活性优势。
37.如图1～3所示，本发明的印刷电路板式换热器(pche)，包括芯体13，芯体13包括多个热流体板片17和多个冷流体板片18，多个热流体板片17与多个冷流体板片18通过扩散焊以逐一交错层叠的方式固定连接。
38.每一热流体板片17、冷流体板片18均包括沿其长度方向依次布置的一进口板片段14、一主换热板片段15以及一出口板片段16，其中，进口板片段14上设有一进口分流区和一非流动区ⅰ，非流动区ⅰ上设有一贯穿板片的第一通孔19，进口分流区上设有一贯穿板片且与第一通孔19在板片宽度方向上相对布置的第二通孔20，进口分流区上还设有多个以第二通孔20为起点并向下游延伸的分级且呈辐射状分布的分流通道，且越靠近下游的分流通道，其数量越多；出口板片段16上设有一出口汇流区和一非流动区ⅱ，非流动区ⅱ上设有一贯穿板片的第三通孔21，出口汇流区上设有一贯穿板片且与第三通孔21在板片宽度方向上相对布置的第四通孔22，且第三通孔21与第一通孔19之间在整个板片上呈对角线之间在整个板片上呈对角线布置，出口汇流区上还设有多个以第四通孔22为起点并向上游延伸的分级且呈辐射状分布的汇流通道，且越靠近上游的汇流通道，其数量越多；主换热板片段15上设有多个沿其长度方向延伸的换热通道，且各换热通道的进口端与进口分流区中各末级分流通道的出口端连通，各换热通道的出口端与出口汇流区中各首级汇流通道的进口端连通。
39.热流体板片17与冷流体板片18交错层叠焊接时，各热流体板片17上的第一通孔19与各冷流体板片18上的第四通孔22一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的冷流体出口管腔12，各热流体板片17上的第二通孔20与各冷流体板片18上的第三通孔21一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的热流体进口管腔9，各热流体板片17上的第三通孔21与各冷流体板片18上的第二通孔20一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的冷流体进口管腔10，各热流体板片17上的第四通孔22与各冷流体板片18上的第一通孔19一一对应连通并形成为整体呈直线状延伸的热流体出口管腔11。
40.更加具体地，如图1所示，本发明的印刷电路板式换热器(pche)，由热流体进口接头1、冷流体进口接头2、热流体出口接头3、冷流体出口接头4、上侧承压板5、下侧承压板6、第二侧承压板7、第一侧承压板8、热流体进口管腔9、冷流体进口管腔10、热流体出口管腔
11、冷流体出口管腔12和芯体13构成。热流体由热流体进口接头1进入pche的热流体进口管腔9，冷流体由冷流体进口接头2进入pche的冷流体进口管腔10，冷、热流体通过芯体板片13换热后，热流体进入pche的热流体出口管腔11，冷流体进入pche的冷流体出口管腔12，然后热流体由热流体出口接头3排出，冷流体由冷流体出口接头4排出。本发明取消了封头结构，通过管腔实现pche进、出口流体的分配和汇集，不仅避免了因焊接工艺增加额外承压板厚度，而且提高了流体在流道内的流动均匀性。
41.本发明例中，第一承压板8和第二承压板7相对较厚，厚度随着冷、热流体的压力增大而变大，是pche的主要承压元件。在第一承压板8上开有两个通孔，一个通孔连接了热流体进口接头1和热流体进口管腔9，另一个通孔连接了冷流体进口接头2和冷流体进口管腔10。在第二承压板7上同样开有两个通孔，一个通孔连接了热流体出口接头3和热流体出口管腔11，另一个通孔连接了冷流体出口接头4和冷流体出口管腔12。右侧承压板8上的两个通孔和第二承压板7上的两个通孔呈对角布置，且第一承压板8和第二承压板7与芯体13焊接在一起，保证了pche的强度。
42.本发明中，芯体板片结构示意图如图2所示，热流体板片17上的对角分别开有四个通孔，热流体从第二通孔20进入板片，从第四通孔22流出，冷流体板片18上的对角同样分别开有四个通孔，冷流体从第二通孔20进入板片，从第四通孔22流出。为了更好的提高pche的换热效率，减小换热面积，本发明采用冷热流体逆流方式换热，对于热流体侧，流体依次流过在进口板片段14、主换热板片段15及出口板片段16上，对于冷流体侧，流体依次流过在进口板片段14、主换热板片段15及出口板片段16上。相邻的热流体板片17、冷流体板片18通过扩散焊连接到一起，每块板片上的四个孔形成各自管腔，构成了本发明中pche的芯体。
43.本发明中，冷、热流体的进口板片段14、出口板片段16及主换热板片段15上的流道示意图分别如图3、图4和图5所示，进口板片段上的分流通道采用分级结构，流体在进口板片段14上逐级流入下一级通道，最终进入主换热板片段15，每一级的分流通道采用渐扩形式，如图4所示。类似地，出口板片段上的汇流通道同样也采用分级结构，不同之处在于出口板片段的每一级汇流通道采用渐缩形式，如图5所示。这种分级的渐扩和渐缩通道可以有明显效果地和均匀使流体流入和流出芯体的换热板，这类似于人类肺吸气与呼气过程，胸廓有节律的扩大和缩小，可以有明显效果地和均匀的通过各级支气管将气体输送到肺泡和排出体外，有助于强化换热。如图6所示，本发明中，芯体主换热板片段的流道25为收缩和扩张交替的直线，也可以再一次进行选择收缩和扩张交替的曲线。与直通道相比，这种收缩和扩张结构不仅扰动了流体流动换热边界层，增强了换热系数，增大了换热面积，而且不易结垢。此外，由于通道结构相对保持了流线型，流动压降比横流流道结构要小。
44.本发明实例中冷、热流体侧的板片流道示意图，如图3所示，冷、热流体侧的板片17、18进、出口板片段采用2级分流和汇流结构。当热流体流入热流体板片17时，先进入1级分流通道23，然后在进入2级分流结构24，最后流入芯体换热板片段的通道25，从芯体换热板片端流出的流体先进入1级汇流通道26，再进入2级汇流结构27，最后流出芯体13。
45.通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发