毛细通道换热器及其制备方法与流程

本发明涉及换热器技术领域，具体涉及一种毛细通道换热器及其制备方法，主要利用扩散焊接方式制造能够承受高温高压的毛细通道换热器，用于航空航天、石油化工、能源动力等高温高压等条件苛刻的热交换场所。

背景技术：

热交换器一直是能源动力系统中起到能量转换作用的关键设备。高效能源动力系统的构建离不开耐受条件高、换热效率高、紧凑度高的换热器。随着航空航天、石油化工、动力发电等领域的进一步发展，各种系统运行的温度压力条件越来越高，对换热器的温度压力承受范围提出更高的要求，比如超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统中回热器的运行温度和压力分别达到550℃、22MPa，同时要求换热器的紧凑度达到1300m²/m³。传统的管壳式换热器及板式换热器存在耐压等级低、体积笨重等缺点，因此需要开发新型高温高压紧凑式换热器。近年来，通道尺寸为毫米级的毛细通道换热器得到了越来越多的关注，一方面，较小的通道能够有效的强化传热，另一方面，小通道具有较高的承压能力，同时，毛细通道换热器具有较高的紧凑度，其面积与体积比可以达到1500m²/m³，满足当前大多数能源动力系统对紧凑度的要求。毛细通道换热器的加工方法成为当前研究的热点之一，开发高效低廉的毛细通道换热器制造方法能够有效降低构建能源动力系统的成本，提高经济性。

目前有通过将管壳式换热器的管程缩小至毛细管尺寸的方式来制造毛细管换热器，然而，由于管程直径小，管束排列较密，管束两端同管板的焊接存在较大的困难。当前一种主要的焊接方法是采用真空钎焊工艺将管束两头与管板焊接到一起，但是真空钎焊焊接强度及耐受温度都有相应限制范围，难以达到超临界二氧化碳回热器550℃、20MPa的要求，管程和壳程之间容易发生互相泄漏。并且，毛细管换热器壳程由于直径较大，需要较大壁厚来达到耐压要求，材料成本较高。因此，亟需发明新式方法制造毛细管换热器。

技术实现要素：

本发明在印刷电路板换热器的基础上，设计了具有独特形状的板片。新型板片的加工方法摒弃了印刷电路板换热器中板片复杂的蚀刻流程，带来了工艺上的简化及成本上的降低，通过扩散焊接方法将板片焊接到一起，从而形成能够承受高温高压的紧凑式毛细通道换热器。

具体的技术方案为：

毛细通道换热器，包括多个层叠的堆叠单元组成的主体，主体的两端有高压流体的流通通道，两侧有另一流体的流通通道，所有的流通通道分别焊接封头；

所述的堆叠单元，包括三种尺寸一致、不同形式的板片，分别为：

板片A，板片A为长方形，其上横竖均匀分布多个长度为6-8mm、宽度为1-2mm的第一镂空段，板片A沿着长度方向上的第一镂空段组成一行，沿宽度方向进行编号，分别为1行、2行、3行……n行；

板片B，板片B为长方形，板片B上均匀的开设有多个平行的第一毛细通道，所述的第一毛细通道沿长度方向开设，第一毛细通道宽度为1-2mm，在相邻的第一毛细通道之间有第二镂空段，同一行的第二镂空段同时对应板片A相邻的两行第一镂空段；第一行的第二镂空段与1行第一镂空段对应，第二行的第二镂空段与2行和3行第一镂空段对应，第三行第二镂空段与4行和5行第一镂空段对应，以此类推；在板片A和板片B上流体可以采用上下折流的方式沿宽度方向流动；

板片C，板片C为长方形，板片C上均匀的开设有多个平行的第二毛细通道，所述的第二毛细通道沿长度方向开设，第二毛细通道宽度为1-2mm，第二毛细通道的位置与第一毛细通道错开，在相邻的第二毛细通道之间有第三镂空段，同一行的第三镂空段同时对应板片A相邻的两行第一镂空段；第一行的第三镂空段与1行和2行第一镂空段对应，第二行的第三镂空段与3行和4行第一镂空段对应，第三行第三镂空段与5行和6行第一镂空段对应，以此类推；在板片A和板片C上流体可以采用上下折流的方式沿宽度方向流动；

板片A上叠放板片B，板片B上第一毛细通道形成高压流体的流通通道，板片A上第一镂空段和板片B第二镂空段连通形成另一流体的流通通道；

在板片B上再依次加一层板片A、一层板片C，板片C板片第二毛细通道也形成形成高压流体的流通通道，板片C上第三镂空段与板片A上第一镂空段连通，形成另一流体的流通通道；

板片依次按照板片A、板片B、板片A、板片C的叠放顺序形成一个堆叠单元。

毛细通道换热器制备方法，包括以下步骤：

步骤1：加工板片

设计三种尺寸一致、不同形式的板片，分别为：

板片A，板片A为长方形，其上横竖均匀分布多个长度为6-8mm、宽度为1-2mm的第一镂空段，板片A沿着长度方向上的第一镂空段组成一行，沿宽度方向进行编号，分别为1行、2行、3行……n行；

板片B，板片B为长方形，板片B上均匀的开设有多个平行的第一毛细通道，所述的第一毛细通道沿长度方向开设，第一毛细通道宽度为1-2mm，在相邻的第一毛细通道之间有第二镂空段，同一行的第二镂空段同时对应板片A相邻的两行第一镂空段；第一行的第二镂空段与1行第一镂空段对应，第二行的第二镂空段与2行和3行第一镂空段对应，第三行第二镂空段与4行和5行第一镂空段对应，以此类推；在板片A和板片B上流体可以采用上下折流的方式沿宽度方向流动；

板片C，板片C为长方形，板片C上均匀的开设有多个平行的第二毛细通道，所述的第二毛细通道沿长度方向开设，第二毛细通道宽度为1-2mm，第二毛细通道的位置与第一毛细通道错开，在相邻的第二毛细通道之间有第三镂空段，同一行的第三镂空段同时对应板片A相邻的两行第一镂空段；第一行的第三镂空段与1行和2行第一镂空段对应，第二行的第三镂空段与3行和4行第一镂空段对应，第三行第三镂空段与5行和6行第一镂空段对应，以此类推；在板片A和板片C上流体可以采用上下折流的方式沿宽度方向流动；

三种板片在长度方向上设置有分隔筋；

步骤2：按顺序堆叠板片

将板片A上叠放板片B，板片B上第一毛细通道形成高压流体的流通通道，板片A上第一镂空段和板片B第二镂空段连通形成另一流体的流通通道；

在板片B上再加一层板片A，再加一层板片C，板片C上第三镂空段与板片A上第一镂空段连通，形成另一流体的流通通道；

板片依次按照板片A、板片B、板片A、板片C的叠放顺序形成一个堆叠单元；

步骤3：扩散焊接多个堆叠单元

将多个堆叠单元放置到一起，利用扩散焊接的方式，使各板片之间紧密连接；

步骤4：切除边缘多余的材料，露出各侧面上流体的流通通端口道作为进出口；

步骤5：在两侧流体的进出口分别焊接封头，形成毛细通道换热器的最终产品。

本发明需要提前根据换热器的具体尺寸设计相应的冲压模具，该模具一经定型，可多次重复利用；

板片上必须留有适当的分隔筋，用于增强通道的承压能力。

为了保证板片叠放后能使两侧流体流通，对板片尺寸的加工精度及叠放时的对齐有较高的要求。

本发明与现有技术相比，通过合理设计多个板片的形状，利用多个板片堆叠焊接的方法，形成高温高压紧凑式换热器中的毛细通道，这种加工方法创新性的转换了毛细管换热器的加工思路，将管束与管板之间的焊接转化为板片与板片之间的扩散焊接，在保证换热器性能的基础上，极大的降低了焊接难度，大幅降低了毛细管换热器的制造成本。

本发明通过调整不同板片之间镂空部位的位置，达到同样地使流体能够上下折流流通的效果，均可以实现功能。

本发明具有的有益效果：

A.利用冲压方式形成扩散焊换热器所需的板片，模具可重复利用，极大提高了生产效率，对环境无污染，是一种环保低廉高效的方法；

B.流体在换热器中进行上下的折流，有效提高流动湍流程度，强化换热效果；

C.板片尺寸、流体通道尺寸和堆叠单元数量可以灵活控制，能够根据实际使用情况进行不同的设计，适用性强。

附图说明

图1为板片A的结构示意图；

图2为板片B的结构示意图；

图3为板片C的结构示意图；

图4为板片A+板片B堆叠的结构示意图；

图5为板片A+板片B+板片A堆叠的结构示意图；

图6为板片A+板片B+板片A+板片C堆叠的结构示意图；

图7为堆叠单元的结构示意图；

图8为扩散焊接多个堆叠单元的结构示意图；

图9为主体的结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

本方法主要包括板片加工、顺序堆叠、扩散连接、边缘切除、封头焊接等步骤。下面将每一步结合具体附图，对本方法进行详细介绍。

毛细通道换热器制备方法，包括以下步骤：

步骤1：加工板片。如图1、2、3所示，本方法为了形成毛细通道换热器，设计了三种不同形式的板片，其中剖面线部分代表实体部分，白色区域部分代表镂空部分。需要提前根据镂空部分加工好三种模具，然后利用冲压的方式，在厚度为0.5-2mm的不锈钢板的基础之上通过冲压方式形成。图1为板片A10，其上均匀分布长度为6-8mm、宽度为1-2mm的第一镂空段11，第一镂空段11具体尺寸可根据换热流体实际流量进行适当调整，板片A10沿着长度方向上的第一镂空段11组成一行，沿宽度方向进行编号，分别为1行、2行、3行……n行。

图2为板片B20，板片B20是形成毛细通道的部分，板片B20，板片B20为长方形，板片B20上均匀的开设有多个平行的第一毛细通道21，所述的第一毛细通道21沿长度方向开设，第一毛细通道21宽度为1-2mm，在相邻的第一毛细通道21之间有第二镂空段22，同一行的第二镂空段22同时对应板片A10相邻的两行第一镂空段11；第一行的第二镂空段22与1行第一镂空段11对应，第二行的第二镂空段22与2行和3行第一镂空段11对应，第三行第二镂空段22与4行和5行第一镂空段11对应，以此类推；在板片B20上流体可以采用上下折流的方式沿板片B20宽度方向流动。

图3为板片C30，板片C30同板片B20结构类似，板片C30上均匀的开设有多个平行的第二毛细通道31，所述的第二毛细通道31沿长度方向开设，第二毛细通道31宽度为1-2mm，第二毛细通道31的位置与第一毛细通道21错开，在相邻的第二毛细通道31之间有第三镂空段32，同一行的第三镂空段32同时对应板片A10相邻的两行第一镂空段11；第一行的第三镂空段32与1行和2行第一镂空段11对应，第二行的第三镂空段32与3行和4行第一镂空段11对应，第三行第三镂空段32与5行和6行第一镂空段11对应，以此类推；在板片C30上流体可以采用上下折流的方式沿板片C30宽度方向流动；

三种板片在长度方向上设置有分隔筋，能够有效增强毛细通道的承压能力。

步骤2：按顺序堆叠板片。本发明需要将上述板片按照特定顺序堆叠，才能形成换热器中的毛细通道。

如图4所示。将板片A10上叠放板片B20，板片B20上第一毛细通道21形成高压流体流通通道1，板片A10上第一镂空段11和板片B20第二镂空段22连通形成另一流体流通通道2；

在板片B20上再加一层板片A10，如图5所示；再加一层板片C30，如图6所示，板片C30板片第二毛细通道31也形成形成高压流体流通通道1，板片C30上第三镂空段32与板片A10上第一镂空段11连通，形成另一流体流通通道2；

如图7所示，板片依次按照板片A10、板片B20、板片A10、板片C30的叠放顺序形成一个堆叠单元。

步骤3：扩散焊接多个堆叠单元。将多个堆叠单元放置到一起，利用扩散焊接的方式，使各板片之间紧密连接，焊接后形成的产品如图8所示，由于各板片四周都有边缘，因此从外表看是一个实体。

步骤4：切除边缘多余的材料，形成主体3，主体3露出两侧流体的进出口通道，分别为主体3的两端有高压流体流通通道1，两侧有另一流体流通通道2。在第一步板片冲压过程中，为了保证在冲压时能够保存通道形状，确保板片具有足够的强度，同时也为了保证第二步堆叠过程中板片堆叠的整齐度，在板片四周必须留有相应宽度的材料，焊接完成之后，四周材料不再起到保存形状、提高强度的作用，需要将四周多余宽度的材料切掉，以露出通道进出口，如图9所示。

步骤5：在两侧流体的进出口分别焊接封头，形成毛细通道换热器的最终产品。