用于印刷电路式热交换器的热交换器芯体和印刷电路式热交换器的制作方法

本发明涉及热交换器的领域。更具体地说，其涉及用于印刷电路式热交换器的热交换器芯体，并且涉及包括此热交换器芯体的印刷电路式热交换器。热交换器芯体具有沿堆叠方向交替地堆叠到彼此上并且连结到彼此的第一热交换器板和第二热交换器板。每个第一热交换器板具有第一热交换区域，该第一热交换区域具有用于第一介质的通路；并且每个第二热交换器板具有热交换区域，该热交换区域具有用于第二介质的通路。

背景技术：

1、板式热交换器用于诸多应用，其中热从一股流体传递到另一股流体，或反之亦然。典型的板式热交换器包括由堆叠的热交换器板形成的板组或芯体。

2、板式热交换器的一种类型是所谓的印刷电路式热交换器（pche）。pche大体上具有许多第一热交换器板和许多第二热交换器板的芯体。热交换器板典型地以交错方式堆叠并且连结到彼此。每个第一热交换器板大体上具有热交换区域，其包括由凹槽形成的通路，其中凹槽蚀刻到热交换器板的材料中。对应地，每个第二热交换器板大体上具有热交换区域，其包括由凹槽形成的许多通路，其中凹槽蚀刻到热交换器板的材料中。

3、pche的第一热交换器板和第二热交换器板典型地通过扩散结合工艺连结到彼此。以此方式，相应热交换器板之间就建立了强结合。当热交换器板扩散结合到彼此时，可形成具有定制通路的实心热交换器芯体。鉴于热交换器板之间的强结合，pche大体上适用于高压应用，在这些应用中，热交换器芯体承受高工作压力，该压力将有破坏常规板式热交换器的风险，在常规板式热交换器中，热交换器板是通过压制或冲压而形成图案或成型的。

4、pche归因于其坚固和耐压的特性而常用于加氢站中。尽管pche具有优异的抗高压性能，但材料疲劳相关的问题实际上可显著限制pche的寿命。例如，当pche在加氢站中使用时，pche将承受巨大的反复循环温度变化，而同时还承受高压。如此大的反复循环温度变化与高压组合可导致材料过早疲劳，结果导致材料破裂。材料疲劳典型地可发生在温差大的位置处，诸如冷介质或热介质进入pche的区域中。

5、已提出了以减少热致材料应力的方式对pche进行设计。为此，已提出在热差异最大的区域处提供完全地或部分地穿过热交换器芯体竖直延伸的缝隙。尽管该途径可局部地降低热致材料应力，但其典型地使热交换器芯体的整体设计复杂化，并且降低其性能。

6、出于自然原因，热交换器板中存在缝隙将限制设计自由度和热交换区域的扩大。当所涉及的热交换器芯体将包括用于向相应热交换区域提供介质的端口孔时，则设计可甚至受到更大的阻碍。实际上，端口孔和缝隙将与热交换区域争夺热交换器板上可用的宝贵面积。这意味着，由于缝隙将占据原本可用来交换热的区域，故此类缝隙的存在将不可避免地降低热交换器芯体的性能。因此，在热交换器板上引入缝隙可需要的是热交换器板将必须制作成较大，或否则热交换方面的性能可降低。

7、此外，此类缝隙的引入典型地将使热交换器板的制造复杂化，并且因此使热交换器芯体的制造复杂化，并且可需要其它制造步骤。因此，热交换器板将变得成本更高。

8、因此，当涉及降低pche中的热致应力，并且特别是pche的芯体中的热致应力时，还有改进的空间。

技术实现思路

1、鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种用于印刷电路式热交换器的改进的热交换芯体，以及包括热交换芯体的印刷电路式热交换器。

2、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其能够处理大循环温度变化，并且降低破裂或以其它方式失效的风险。

3、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其不易开裂。

4、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其能够处理热交换过程中所用介质之间的较大温差。

5、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其具有延长的寿命。

6、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其改善整体性能。

7、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其允许热交换器区域的更大设计自由度。

8、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其更容易制造。

9、另一个目的在于提供用于印刷电路式热交换器的此热交换芯体，其成本效益更合算。

10、为了实现上述目的中的至少一个以及将从以下描述清楚的其它目的，根据本发明构想，提供了一种具有权利要求1所限定的特征的热交换器芯体。根据权利要求15提供了一种印刷电路式热交换器，其包括用于印刷电路式热交换器的热交换器芯体。

11、更具体地说，根据第一方面，提供了一种用于印刷电路式热交换器的热交换器芯体，其包括：沿堆叠方向交替地堆叠到彼此上并且连结到彼此的第一热交换器板和第二热交换器板，其中每个第一热交换器板和第二热交换器板包括一对第一端口孔和一对第二端口孔，其中每个第一热交换器板包括第一热交换区域，该第一热交换区域包括形成用于第一介质的第一通路的第一凹槽，该第一通路在第一热交换器板的第一端口孔之间延伸，其中每个第二热交换器板包括第二热交换区域，该第二热交换区域包括形成用于第二介质的第二通路的第二凹槽，该第二通路在第二热交换器板的第二端口孔之间延伸，其中第一热交换器板中的一个或多个和/或第二热交换器板中的一个或多个包括一个或多个热屏蔽凹槽，该一个或多个热屏蔽凹槽被提供成邻近相关联的第一端口孔的周边的至少一部分并且沿相关联的第一端口孔的周边的至少一部分延伸，和/或邻近相关联的第二端口孔的周边的至少一部分并且沿相关联的第二端口孔的周边的至少一部分延伸。

12、由此，提供了一种用于印刷电路式热交换器的改进的热交换器芯体。

13、热交换器芯体是针对高压和大温差而设计的，并且因此适合在高压和大温差下使用。此外，热交换器芯体是针对比如在加氢站中使用时的较大反复循环温度变化而设计的。

14、因此，本发明基于这样的认识：通过在使用期间温差大的位置处将一个或多个热屏蔽凹槽提供在热交换器板中，可提供较不易故障的热交换器芯体。这意味着实际上，热交换器芯体可具有延长的寿命。此外，热交换器芯体可在更大设计自由度下设计，潜在地导致在热交换方面具有改善性能的热交换器芯体。

15、应当注意，在本技术的上下文内，用语“热屏蔽凹槽”这里可意指与第一端口孔和第二端口孔断开，并且部分地延伸到其相关联的热交换器板中的任何凹槽。因此，热屏蔽凹槽沿相关联的热交换器板的主要表面延伸。热屏蔽凹槽与热交换器芯体的使用期间在其间进行热交换的第一介质或第二介质未流体连通。因此，热屏蔽凹槽具有的深度对应于其相关联的热交换器板的厚度的一部分。因此，热屏蔽凹槽不延伸穿过其相关联的热交换器板。热屏蔽凹槽与其相关联的热交换器板隔离。换句话说，热屏蔽凹槽沿其相关联的热交换器板的主要表面延伸，而同时不穿过相关联的热交换器板。热屏蔽凹槽可为封闭的，并且在其中具有真空。热屏蔽凹槽内可填充空气。

16、因此，通过在使用期间温差大的位置处提供热屏蔽凹槽，热交换器芯体的热路径可局部地延伸。因此，在热屏蔽凹槽的位置处，热交换器芯体的热路径可局部地延伸。更具体地说，由于在形成热屏蔽凹槽时去除了原本会传导热的材料，故热路径可跨过热屏蔽凹槽局部地延伸。因此，通过在相对来说热的区域和相对来说冷的区域之间的位置处提供热屏蔽凹槽，热区域与冷区域之间可传递较少热。对应地，热可在热区域与冷区域之间更慢地传递。以此方式，可缓解大温差和快速温度变化。通过减轻大温差和快速温度变化，可显著降低热交换器芯体中引起的热应力。

17、热交换器板的一个或多个热屏蔽凹槽被提供成邻近相关联的第一端口孔的周边的至少一部分并且沿相关联的第一端口孔的周边的至少一部分延伸，和/或邻近相关联的第二端口孔的周边的至少一部分并且沿相关联的第二端口孔的周边的至少一部分延伸。这意味着，热交换器板的热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽的至少一部分将相对来说被提供在端口孔附近或在围绕端口孔的区域中。换句话说，热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽将与第一端口孔或第二端口孔中的端口孔相关联。实际上，热交换器板的热屏蔽凹槽中的每个热屏蔽凹槽可与第一端口孔或第二端口孔中的端口孔相关联。

18、此外，热交换器板的热屏蔽凹槽中的每一个将典型地沿热屏蔽凹槽被提供在其附近的端口孔的周边的至少一部分延伸。因此，实际上，热交换器板的热屏蔽凹槽中的每一个的至少一部分将相对来说被提供在接近第一端口孔和第二端口孔中的端口孔，并且同时将沿所涉及的热屏蔽凹槽接近其提供的端口孔的至少一部分延伸。

19、多于一个热屏蔽凹槽可被提供成邻近第一端口孔和第二端口孔中的端口孔的周边的至少一部分，并且沿第一端口孔和第二端口孔中的端口孔的周边的至少一部分延伸。这意味着实际上，不同的热屏蔽凹槽可被提供在距同一个端口孔不同的距离处。为此，两个或更多个热屏蔽凹槽在距同一个端口孔不同距离处至少部分地平行延伸。

20、一个或多个热屏蔽凹槽可被提供成邻近热交换器板的第一端口孔中的一个或多个，并且邻近热交换器板的第二端口孔中的一个或多个。也就是说，例如，一个或多个热屏蔽凹槽可被提供成邻近热交换器板的一个、两个、三个或四个端口孔。

21、应当注意，在本技术的上下文内，用语“沿相关联的端口孔的周边的至少一部分延伸”这里意指所涉及的热屏蔽凹槽在其延伸的一定程度上沿热屏蔽凹槽邻近其定位的端口孔的周边延伸。热屏蔽凹槽可延伸距相关联端口孔不同的距离。这意味着实际上，热屏蔽凹槽可沿相关联的端口孔的周边延伸，而不遵循其轮廓。例如，热屏蔽凹槽可沿直线延伸超过圆形端口孔。然而，热屏蔽凹槽可遵循端口孔的轮廓。例如，热屏蔽凹槽可部分地遵循端口孔的轮廓。例如，热屏蔽凹槽可具有弯曲区段和直区段。

22、任何数目的热屏蔽凹槽可有利地被提供在第一热交换器板和第二热交换器板中的热交换器板中。

23、实际上，热交换器芯体的热交换器板中的一个或多个可包括一个或多个热屏蔽凹槽。实际上，热交换器芯体的第一热交换器板中的一个或多个可包括一个或多个热屏蔽凹槽。实际上，热交换器芯体的第二热交换器板中的一个或多个可包括一个或多个热屏蔽凹槽。

24、一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可被提供成邻近相关联的第一热交换区域的周边的至少一部分并且沿相关联的第一热交换区域的周边的至少一部分延伸；和/或一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可被提供成邻近相关联的第二热交换区域的周边的至少一部分并且沿相关联的第二热交换区域的周边的至少一部分延伸，其优势在于，可减轻在沿热交换器板的第一热交换区域的至少一部分的区域中和/或在沿热交换器板的第二热交换区域的至少一部分的区域中的大温差和快速温度变化。如前所述，通过减轻大温差和快速温度变化，可显著降低热交换器芯体中引起的热应力。

25、一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可环绕相关联的第一端口孔，和/或一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可环绕相关联的第二端口孔，其优势在于，可减轻在环绕热交换器板的第一端口孔的区域中和/或在环绕热交换器板的第二端口孔的区域中的大温差和快速温度变化。以此方式，通过端口孔供给到围绕端口孔的区域的传递至/自介质的热量就可减少。

26、一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可被提供成邻近相关联的第一端口孔的周边的至少一部分并且沿相关联的第一端口孔的周边的至少一部分延伸，并且一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可被提供成邻近相关联的第二端口孔的周边的至少一部分并且沿相关联的第二端口孔的周边的至少一部分延伸，其优势在于可减轻在沿热交换器板的第一端口孔的周边的至少一部分的区域中和在沿热交换器的第二端口孔的周边的至少一部分的区域中的大温差和快速温度变化。

27、一个或多个热屏蔽凹槽中的相应热屏蔽凹槽可被提供成邻近每个相关联的第一端口孔的周边的至少一部分并且沿每个相关联的第一端口孔的周边的至少一部分延伸，和/或一个或多个热屏蔽凹槽中的相应热屏蔽凹槽可被提供成邻近每个相关联的第二端口孔的周边的至少一部分并且沿每个相关联的第二端口孔的周边的至少一部分延伸，其优势在于，可减轻在沿热交换器板的每个第一端口孔的周边的至少一部分的区域中和在沿热交换器板的每个第二端口孔的周边的至少一部分的区域中的大温差和快速温度变化。

28、如沿堆叠方向所见，第一热交换器板的一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽和相邻第二热交换器板的一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可至少部分地彼此重叠，其优势在于，如与两个相邻热交换器板的热屏蔽凹槽不重叠时相比，或如与两个相邻热交换器板中仅一个被提供有一个或多个热屏蔽凹槽时相比，可进一步减少跨过相邻热交换器板的热屏蔽凹槽的热传递。因此，通过以重叠方式提供相邻板的热屏蔽凹槽，可进一步减少从热交换器芯体的第一部分到热交换器芯体的第二部分的热传递，因为重叠的热屏蔽凹槽将除了沿其相关联的热交换器板的相应主要表面之外，还沿堆叠方向提供热屏蔽效果。

29、每个第一热交换器板和第二热交换器板可包括一个或多个热屏蔽凹槽，其优势在于，可减轻整个热交换器芯体中的大温差和快速温度变化。

30、第二端口孔可具有长形形状，并且每个第一热交换器板可包括针对每个第二端口孔的一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽，该热屏蔽凹槽沿相关联的第二端口孔的周边的至少一部分在第二端口孔与第一热交换区域之间延伸，其优势在于，可减轻整个热交换器芯体中第二端口孔与第一热交换区域之间的大温差和快速温度变化。

31、每个第二热交换器板的第一端口孔可具有圆形形状、半圆形形状、椭圆形形状、半椭圆形形状、卵形形状或长方形形状，并且每个第二热交换器板可包括针对每个第一端口孔的热屏蔽凹槽，该热屏蔽凹槽沿相关联的第一端口孔的周边的至少一部分在第一端口孔与第二热交换区域之间延伸，其优势在于，可减轻整个热交换器芯体中第一端口孔与第二热交换区域之间的大温差和快速温度变化。

32、第一热交换器板的一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可通过延伸到第一热交换器板的外周边而通向周围环境，和/或第二热交换器板的一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可通过延伸到第二热交换器板的外周边而通向周围环境，其优势在于，可减轻热屏蔽凹槽中的压力变化。因此，通过让热屏蔽凹槽与周围环境连通，可减轻由于温度升高而在热屏蔽凹槽中积聚压力的风险。以此方式，可进一步降低热交换器芯体中的材料应力。

33、一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽可具有在对应于相关联的第一热交换器板或第二热交换器板的厚度的20%至90%、优选25%至80%、更优选30%至50%的范围内的深度，其优势在于，可提供高效的热屏蔽，同时保持热交换器芯体的强度。此外，一个或多个热屏蔽凹槽可与制造第一凹槽和/或第二凹槽同时制造。因此，可能不需要其它制造步骤来用于形成一个或多个热屏蔽凹槽。

34、如沿相关联的第一热交换器板或第二热交换器板的主要表面所见，一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽之间的最小侧向距离可为相关联的第一热交换器板或第二热交换器板的厚度的至少15%，优选至少40%，其优势在于，可提供高效的热屏蔽，同时保持热交换器芯体的强度。

35、如沿相关联的第一热交换器板或第二热交换器板的主要表面所见，一个或多个热屏蔽凹槽中的热屏蔽凹槽与相关联的第一端口孔或相关联的第二端口孔之间的最小侧向距离可为相关联的第一热交换器板或第二热交换器板的厚度的至少15%，优选至少40%，其优势在于，可提供高效的热屏蔽，同时保持热交换器芯体的强度。因此，可实现高效的热屏蔽，同时在端口孔的区域中保持低材料失效风险。

36、第一热交换器板和第二热交换器板可由含金属的材料形成，并且一个或多个热屏蔽凹槽可通过蚀刻含金属的材料形成。

37、第一热交换器板和第二热交换器板可由金属形成。

38、第一热交换器板和第二热交换器板可由金属合金形成。

39、第一热交换器板和第二热交换器板可由不锈钢形成。

40、第一热交换器板和第二热交换器板可由镍合金形成。

41、第一热交换器板和第二热交换器板可包括钛。

42、可通过使用光刻胶蚀刻掩模进行蚀刻来形成一个或多个热屏蔽凹槽。

43、可通过使用负性光刻胶蚀刻掩模进行蚀刻来形成一个或多个热屏蔽凹槽。

44、在形成第一凹槽和/或第二凹槽的同时，可形成一个或多个热屏蔽凹槽。

45、第一热交换器板和第二热交换器板可通过扩散结合工艺连结。

46、第一热交换器板和第二热交换器板可通过钎焊连结。

47、第一热交换器板和第二热交换器板可通过焊接连结。

48、根据本发明的另一方面，提供了一种印刷电路式热交换器，其包括：根据第一方面的热交换器芯体、如沿堆叠方向所见被提供在热交换器芯体的第一端处的第一端板，以及如沿堆叠方向所见被提供在热交换器芯体的第二端处的第二端板，其中第一端板和第二端板中的一个端板包括与第一端口孔流体连通的第一开口，并且其中第一端板和第二端板中的一个端板包括与第二端口孔流体连通的第二开口。

49、总的来说，该方面的特征提供了与如上文关于第一方面论述的类似优势。因此，为了避免过于重复，所述优点将不再重复。

50、应当注意，在本技术的上下文内，用语“端板”这里意指热交换器的没有热交换器区域的板。因此，端板上没有用于第一介质和用于第二介质的凹槽。此外，端板典型地被提供在热交换器芯体的端部处。实际上，如沿堆叠方向所见，第一端板典型地被提供在热交换器芯体的第一端处，并且如沿堆叠方向所见，第二端板典型地被提供在热交换器芯体的第二相对端处。此外，端板可由堆叠在彼此的顶部上的一系列子板形成。此类子板可为同一类型，或可例如具有不同厚度，或可由不同的材料形成。

51、通过上述设计，第一端板可包括零个或更多个开口。对应地，第二端板可包括零个或更多个开口。

52、印刷电路式热交换器可包括与热交换器芯体的一对第一端口孔中的相应第一端口孔流体连通的一对第一开口。

53、印刷电路式热交换器可包括与热交换器芯体的一对第二端口孔中的相应第二端口孔流体连通的一对第二开口。

54、实际上，印刷电路式热交换器将包括与热交换器芯体的一对第一端口孔中的相应第一端口孔流体连通的一对第一开口，以及与热交换器芯体的一对第二端口孔中的相应第二端口孔流体连通的一对第二开口。在此情况下，第一开口和第二开口可任意分布在第一端板与第二端板之间。也就是说，第一开口和第二开口中零个或更多个可被提供在第一端板处。对应地，第一开口和第二开口中零个或更多个可被提供在第二端板处。因此，四个开口中的四个可被提供在第一端板处或第二端板处。四个开口中的三个可被提供在第一端板处或第二端板处，这意味着一个开口可被提供在第一端板和第二端板的另一者处。四个开口中的两个可被提供在第一端板处或第二端板处，这意味着两个开口可被提供在第一端板和第二端板的另一者处。两个第一开口可被提供在第一端板处，并且两个第二开口可被提供在第二端板处。

55、本发明的进一步适用范围将从下面给出的详细描述变得清楚。然而，应当理解，详细描述和具体示例尽管指示了本发明的优选实施例，但仅以图示的方式给出，因为在本发明的范围内的各种变化和改型将从该详细描述对于本领域中的技术人员而言变得清楚。

56、因此，将理解，本发明不限于所述装置的特定构件部分，因为此类装置可以变化。还将理解，本文中使用的用语仅为了描述特定实施例的目的，并且不旨在为限制性的。必须注意，如在说明书和所附权利要求书中所用，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在要素中的一个或多个，除非上下文另有明确指示。因此，例如，“单元”或“该单元”的提及可包括若干装置，等等。此外，词语“包括”、“包含”、“含有”以及类似的措辞并不排除其它要素或步骤。