[发明专利]分形通道印刷电路板换热器

说明书

本发明涉及一种分形通道印刷电路板换热器。本发明PCHE通过进、出口封头内布置的分布器和收集器具有三维逐层扩散型分形树状通道网络的换热流体通道，与构成换热器芯体的各个换热板上分形树状换热流体通道进出口匹配连接，冷、热流体在换热器芯体内经历大尺寸主干通道到微尺度分支末端通道多尺度流动、与换热板对流换热和换热板内热量传递等仿生的复杂流动和热量传递过程，不仅通过产生协同的均衡稳定速度分布、温度分布和换热板内均匀温度分布，实现换热介质流通阻力小、换热效率高和换热板内无热应力的特性；而且，分叉结构可以有效地消除驱动力产生的流动压力脉动振动和抑制液体的流通空化现象。

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，涉及印刷电路板式换热器，具体涉及一种分形通道印刷电路板换热器。

背景技术

仿生学经常能为新设备的开发和结构优化提供有益启示。人体呼吸系统就是一个高效传热传质系统，它由宏观尺度气管和支气管开始不断分叉到细胞尺度终末细支气管管网结构构成。类似的还有自然界中广泛存在的植物躯干、叶片脉络、哺乳动物血液循环系统和河流流道等网络体系结构，都构成了流阻、传热和传质最优的流体输运空间网络结构，这种从高到低逐层分叉的相似网络结构在分形(Fractal)理论中被称作分形树状通道结构。应用分形树状通道结构理论指导新型换热设备设计，可以开发研制出结构紧凑、换热板温度分布均匀、低流通阻力、消除流体压力脉动、抑制液体流体空化生成和高换热效率新型换热装置。

印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)是采用光电化学刻蚀工艺在金属换热板上形成流体通道，换热板之间通过叠置扩散焊接黏合组装成整体换热器芯体新型换热器，具有换热板通道布置灵活、结构紧凑、体积小、换热效率高和高温高压适应性强等优点。另外，PCHE换热介质流通通道嵌入到换热板内，换热板之间应用扩散焊接黏合组装成整体换热芯体，内部流动和换热不会生成传统换热设备的旋涡脱落、湍流抖振、流体弹性不稳定和声振荡等流体诱导振动生成机理，有效地降低蒸汽动力系统运行噪音。所以，PCHE在舰船蒸汽动力系统、核电、太阳能光热发电和燃料电池等领域具有潜在的应用前景。

目前，PCHE通道截面尺寸小，容易产生通道阻塞、流体压力脉动振动、进出口封头流体冲击换热板产生流阻和振动、流体在各通道内分配不均、换热板出现热斑产生热应力等技术问题，这些技术问题直接影响了PCHE在舰船蒸汽动力系统及其他工业领域中的推广应用。本发明针对目前PCHE在舰船蒸汽动力系统应用推广过程中存在的技术问题，拟将仿生分形理论应用于PCHE中，在换热板上构建分形树状网络通道，在进、出口封头内布置分形树状结构的分布器和收集器，力图开发研制具有分形树状流通管网的新型PCHE。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种分形通道印刷电路板换热器。本发明基于仿生分形理论，利用构建树状网络通道，设计出具有分形树状通道网络结构分布器、收集器和换热板的低流通阻力、低噪声和高换热效率的新型PCHE，同时本发明PCHE在保证低流通阻力和高换热效率的前提下，通过分形树状分叉结构，还可以消除输运泵引发的通道内流体脉动噪音,通过抑制通道内空化生成来控制汽蚀噪音。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

分形通道印刷电路板换热器，包括进口封头、换热器芯体和出口封头，进口封头和出口风头出分别与换热器芯体紧固连接，进口封头内布置流体分布器，出口封头内布置流体收集器，进口封头采用分布器与换热器芯体换热板的换热流体进口通道连接，出口封头采用收集器与换热器芯体换热板的换热流体通道出口连接，分布器和收集器内换热流体通道呈三维分形树状结构的通道网络，与换热器芯体内换热流体通道的进、出口匹配，用于均匀分配和收集换热器芯体上微通道束进出的换热流体。