CN102095284B

CN102095284B - 一种换热器的微通道换热体的制造方法

Info

Publication number: CN102095284B
Application number: CN 201110032820
Authority: CN
Inventors: 王凱建
Original assignee: HANGZHOU SHENSHI HEAT EXCHANGER CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU SHENSHI ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2011-01-30
Filing date: 2011-01-30
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-01-30
Also published as: CN102095284A

Abstract

本发明公开了一种换热器的微通道换热体的制造方法，属于传热、换热技术领域。本发明根据热泵系统的使用条件，经传热学和流体力学计算分析得出了一组优化以后的制冷工质和工作流体微通道的水力学直径值后将制冷工质和工作流体微通道以及隔板层分别加工成型，并进行表面预处理，再将制冷工质层和工作流体层通过隔板层隔离叠加后形成若干个微通道单元；将叠加后的微通道单元放入真空状态的腔体内加温加压，制冷工质层、工作流体层和隔板层的表面产生原子扩散，相互结合为均质结构的整体。应用这种制造方法的换热器其传热效率高于现在在用产品。

Description

一种换热器的微通道换热体的制造方法

技术领域

本发明属于传热、换热技术领域，尤其涉及一种换热器的微通道换热体的制造方法。

背景技术

空气源热泵，热泵热水器，热泵锅炉以及地源热泵等热泵系统的使用都离不开换热器。目前，换热器有管式换热器、板式换热器、微通道换热器等几大类。其中管式换热器存在着体积大，耗材多，换热效率低等缺点；板式换热器在同样换热能力下，与管式换热器比较，重量体积大约可以减少一半以上，但板式换热器还存在着强制对流换热系数小，通道中增强传热用翅片引起流动阻力增大，各个通道中流体分配不均匀等问题。作为板式换热器的发展，微通道换热器的体积、重量相对于板式换热器可以再减少一半以上，能够满足紧凑式换热器的要求。是当今换热器研究开发的新方向。

但是现存的微通道换热器，如专利申请号200510012007.6，200810115272.0以及200510079932.0中阐述的用于热泵的微通道换热器，均在扁平铝管型材的基础上加上发明人的想法或者构成实物的发明，都是仅限于制冷工质和空气之间的热交换用的岔流型换热器，不适合用于如热泵热水器，热泵锅炉以及地热热泵中使用的制冷工质和工作流体之间的换热。岔流型换热器和平行流换热器相比，微通道的设计前者为直角配置，后者为同轴配置，对于微通道的长度和直径比前者为相同数量级；后者相差几百数量级。这些微通道配置和尺寸特征的差别而带来的微通道的制造、加工工艺完全不同；整体结构在热泵系统中能承受的工作压力也完全不一样。因此，岔流型换热器的微通道制造方法对于平行流换热器微通道换热器没有借鉴性。

专利申请号为200510011254.4的发明，陈述了一种微通道板翘式换热器，其主体采用了板翘式换热器的板束体结构，各层开有水力学直径小于3mm沟槽的沟槽板分开加工好后再焊接成一个整体。板束体采用真空钎焊。这一发明对于微米级水力学直径的换热器微通道能否适用未提及；此外，明显存在板束体之间由于钎焊产生的热阻。

US4516632公开了一种岔流型微通道换热器，由复数个层相互叠加而成的微通道，每个单元层依次为第一薄板，第二薄板、第三薄板，第一薄板上和第三薄板上分别均匀分布有若干凹槽，其中一种流体流经第一薄板上的第一凹槽，另一种流体流经第三薄板上的第三凹槽。该岔流型微通道换热器的第一凹槽和第三凹槽的液体流向为垂直方向，即直角配置。其换热器的换热机理如图3所示，其换热效率低。

中国专利申请200910025811.6公开了一种紧凑型换热器用微通道及其制造方法，其为平行流换热器，可以用于制冷工质和工作液体之间的热交换。同时，其制冷工质通道与流体通道以及两者之间的隔层通过原子扩散的方法结合，但是，由于没有说明其具体结构尺寸特征，也没有明确性能指标；没有针对性其具体结构的工艺过程和制造参数，不具备换热器的微通道换热体制造方法的实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具体的换热器的微通道换热体的制造方法。

为实现上述目的，本发明提供的换热器的微通道换热体的制造方法，包括以下步骤：

a、将制冷工质层、工作流体层以及隔板层分别成型，使所述制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15；

b、将所述制冷工质层、工作流体层及隔板层进行表面预处理，使其表面氧化皮膜消失，尽快发生固体原子扩散；

c、制冷工质层与工作流体层交替叠置，所述制冷工质层与所述工作流体层通过隔板层隔离；

d、将叠加后的微通道换热体放入真空度为6.7×10^-2Pa的腔体内加温加压，其加热温度为组成所述制冷工质层、工作流体层及隔板层的材料的熔点的0.5～0.8倍，加压应力设定为材料弹性变形的0.8～0.95倍，制冷工质层、工作流体层和隔板层的表面产生原子扩散，相互结合为均质结构的整体。

所述换热体由制冷工质层与工作流体层交替叠置，所述制冷工质层与所述工作流体层通过隔板层隔离，所述制冷工质层、隔板层、工作流体层之间均质结合；所述制冷工质层和工作流体层上分别设有多个平行的微通道；所述制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15。

步骤a所述的成型步骤包括原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查工序。

步骤b所述的表面预处理方法为离子冲击或加压摩擦方法。

步骤d所述的微通道单元在真空状态的腔体内温度设置为所述制冷工质层、工作流体层及隔板层的材料的熔点的0.6倍，加压应力设定为材料弹性变形的0.9倍。

所述制冷工质层的微通道的水力学直径为0.0675-0.5mm；

所述工作流体层的微通道的水力学直径为0.125-1mm。

所述制冷工质层的微通道的水力学直径为0.25mm；

所述工作流体层的微通道的水力学直径为0.5mm。

所述制冷工质层、隔板层和工作流体层所采用的材质为不锈钢、铜和铝中的一种。

本发明具有如下优点：

本发明通过固体原子扩散结合的方式将制冷工质层、隔板层、工作流体层相互结合为和母材金属结晶结构一样的整体。这种方式可以消除现有换热器焊接产生的热阻，提高了换热器的传热性能。由于制冷工质层、隔板层、工作流体层之间的间隔在保证强度条件下，一般在微米级范围，在其通过固体原子扩散结合前，需要对其进行离子冲击或加压摩擦等方式的表面预处理，以保证固体原子扩散在结合界面金属结晶体的形成。

另外，本发明换热器的微通道的水力学直径是通过对制冷工质侧微通道与工作流体侧微通道的水力学直径进行设计计算得到的，根据图2-1和图2-2可以看出，制冷工质层的微通道的水力学直径与所述工作流体层的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15，工作流体侧的水力学直径为0.125mm-1mm，制冷工质层的微通道的水力学直径为0.0675-0.5mm时，其工作流体的强制对流换热系数对于套管式换热器的强制对流换热系数提高了约1.0-6.5倍，而这时压力损失在可以承受的范围，因此这一范围是一个可选的设计值。而工作流体侧微通道的水力学直径为0.5mm，制冷工质侧微通道的水力学直径为0.25mm时，在制造选材时又是一个容易实现的数值，作为本发明的一个优选方案。

同时，叠加后的微通道单元放入真空度为6.7×10^-2Pa的腔体内加温加压，其加热温度为组成所述制冷工质层、工作流体层及隔板的材料的熔点的0.5～0.8倍，加压应力设定为材料弹性变形的0.8～0.95倍，在保证了微通道强度的条件下，均质化最优，保证了该换热器良好的换热效果。

应用了本发明的制造方法，且制冷工质侧微通道的水力学直径为0.25mm工作流体侧微通道的水力学直径为0.5mm的换热器，相比于现在使用的同轴套管式换热器，在同样换热能力和能效比的条件下，其性能对比如表1所示，通过表1的结果表明，应用本发明微通道换热件的换热器的传热面密度高于同类产品，与目前在用的其它换热器相比传热面密度得到两位数的提高，即传热效果好。

优选的，本发明选用强度、刚度以及导热性良好的不锈钢材料作为制冷工质层、隔板层、工作流体层的成型材料，其不仅能满足固体原子扩散结合的加工工艺要求，也具备良好的热传导率，同时具有可靠的耐蚀性，保证了换热器长期使用的可靠性。

附图说明

图1为本换热器的微通道换热体的结构示意图；

图2-1为水侧的微通道水力学直径与强制对流换热系数变化曲线；

图2-2为水侧的微通道水力学直径与压力损失的变化曲线；

图3为US4516632公开的换热器的换热机理图。

图中附图标记表示为：

11-制冷工质层 12-隔板层13-工作流体层

具体实施方式

以下将结合附图，使用以下实施例对本发明进行进一步阐述。

实施例1

本发明的换热器的微通道换热体的结构如图1所示，包括若干个微通道单元，所述微通道单元包括制冷工质层11微通道、工作流体层13微通道和隔板层12，所述制冷工质层11微通道和工作流体层13微通道通过隔板层12相隔离呈间隔排列，所述制冷工质层11的微通道的水力学直径与所述工作流体层13的微通道的水力学直径之比为1：2。

所述制冷工质层11的微通道的水力学直径为0.25mm。

所述工作流体层11的微通道的水力学直径为0.5mm。

当工作流体侧微通道的水力学直径为0.5mm时，其强制对流换热系数对于套管式换热器的强制对流换热系数提高了约2倍，而这时压力损失并没有急速上升，因此这一个设计值是一个可选的设计值。而0.5这一数值在制造选材时又是一个容易实现的数值。制冷工质侧微通道的水力学直径以水侧的水力学直径为一个代表尺度，经过反复试验，为水侧的水力学直径的一半时能兼顾到传热，流动特性以及制造选材的合理性。

所述制冷工质层11、隔板层12、工作流体层13的材质为不锈钢。

制造该换热器的微通道换热体的方法，包括以下步骤，

a、将制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12通过原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查等工序成型为横截面为矩形的微通道；

b、经检验合格后，将所述制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12进行加压摩擦表面预处理，使其表面氧化皮膜消失，使结合面接触同时相对移动，破坏接合面上的氧化皮膜，尽快发生固体原子扩散，其中加压为5.6kg/mm²，移动距离为2mm；

c、将所述制冷工质层11微通道和工作流体层13微通道通过隔板层12隔离叠加后形成若干个微通道单元；

d、将叠加后的微通道单元放入真空状态的腔体内加温至1050^oC，加压至30Mpa，制冷工质层11、工作流体层13和隔板层12的表面产生原子扩散，相互结合为和金属细微结构一样的整体。

实施例2

本实施例的换热器的微通道换热体的结构与实施例1所述的大致相同，区别在于：每个所述微通道的横截面为圆形，所述制冷工质层11的微通道的水力学直径为0.0675mm。所述工作流体层11的微通道的水力学直径为1.0125mm。所述制冷工质层11、隔板层12、工作流体层13的材质为铜。

制造该换热器的微通道换热体的方法，包括以下步骤，

a、将制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12通过原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查等工序成型为横截面为圆形的微通道；

b、经检验合格后，将所述制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12使用氩气作为离子源对金属表面进行照射，对氩气印加的电压从低到高（1-5kV）使氩离子带有的能量上升，对金属表面产生微小的磨削，使其露出新生面使其表面氧化皮膜消失，尽快发生固体原子扩散；

d、将叠加后的微通道单元放入真空状态的腔体内加温至630^oC，加压至20Mpa，制冷工质层11、工作流体层13和隔板层12的表面产生原子扩散，相互结合为和金属细微结构一样的整体。

实施例3

本实施例的换热器的微通道换热体的结构与实施例1所述的大致相同，区别在于：每个所述微通道的横截面为椭圆形，所述制冷工质层11的微通道的水力学直径为0.5mm。所述工作流体层11的微通道的水力学直径为0.125mm。所述制冷工质层11、隔板层12、工作流体层13的材质为铝。

制造该换热器的微通道换热体的方法，包括以下步骤，

a、将制冷工质层11、工作流体层13、隔板层12通过原版制作，材料洗净，切合保护层，露光，现象，腐刻，剥离保护层，检查等工序成型为横截面为椭圆形的微通道，；

d、将叠加后的微通道单元放入真空状态的腔体内加温至500^oC，加压至15Mpa，制冷工质层11、工作流体层13和隔板层12的表面产生原子扩散，相互结合为和金属细微结构一样的整体。

虽然本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。

Claims

1.一种换热器的微通道换热体的制造方法，其特征在于：包括以下步骤，

a、将制冷工质层（11）、工作流体层（13）以及隔板层（12）分别成型，使所述制冷工质层（11）的微通道的水力学直径与所述工作流体层（13）的微通道的水力学直径之比为1：0.25-15；

b、将所述制冷工质层（11）、工作流体层（13）及隔板层（12）进行表面预处理，使其表面氧化皮膜消失，尽快发生固体原子扩散；

c、制冷工质层（11）与工作流体层（13）交替叠置，所述制冷工质层（11）与所述工作流体层（13）通过隔板层（12）隔离；

d、将叠加后的微通道换热体放入真空度为6.7×10^-2Pa的腔体内加温加压，其加热温度为组成所述制冷工质层（11）、工作流体层（13）及隔板层（12）的材料的熔点的0.5～0.8倍，加压应力设定为材料弹性变形的0.8～0.95倍，制冷工质层（11）、工作流体层（13）和隔板层（12）的表面产生原子扩散，相互结合为均质结构的整体。

2.根据权利要求1所述的换热器的微通道换热体的制造方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的换热器的微通道换热体的制造方法，其特征在于：

步骤b所述的表面预处理方法为离子冲击或加压摩擦方法。

4.根据权利要求1所述的换热器的微通道换热体的制造方法，其特征在于：

步骤d所述的微通道单元在真空状态的腔体内温度设置为所述制冷工质层（11）、工作流体层（13）及隔板层（12）的材料的熔点的0.6倍，加压应力设定为材料弹性变形的0.9倍。

5.根据权利要求1或2所述的换热器的微通道换热体，其特征在于：

所述制冷工质层（11）的微通道的水力学直径为0.0675-0.5mm；

所述工作流体层（13）的微通道的水力学直径为0.125-1mm。

6.根据权利要求3所述的换热器的微通道换热体，其特征在于：

所述制冷工质层（11）的微通道的水力学直径为0.25mm；

所述工作流体层（13）的微通道的水力学直径为0.5mm。

7.根据权利要求1-4任一所述的换热器的微通道换热体，其特征在于：

所述制冷工质层（11）、隔板层（12）和工作流体层（13）所采用的材质为不锈钢、铜和铝中的一种。