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用于恶劣环境的扩散键合印刷电路热交换器 ,合亚嗒资讯网
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用于恶劣环境的扩散键合印刷电路热交换器
2022年06月07日    阅读量:4511    新闻来源:合亚嗒资讯网  |  投稿

用于恶劣环境的扩散键合印刷电路热交换器  合亚嗒资讯网

传统的板式或管壳式换热器长期以来一直用于加工行业。然而,如今,随着许多涉及高压、高温和暴露于腐蚀性环境的新应用,越来越多的制造商开始转向紧凑型印刷电路热交换器 (PCHE)。


PCHE 是一种多层换热器,由薄而平坦的金属板组成,其中流体流动微通道在每一层中被化学蚀刻以形成复杂的流动模式中国机械网okmao.com。然后将这些层扩散粘合在一起以形成具有出色气流和传热性能的密集热交换器。


以这种方式设计时,热交换器可以比传统的板式或管壳式设计小 85%,重量轻。此外,PCHE 不需要过多的管道、框架或其他相关结构元件,进一步降低了成本。


“高质量的扩散粘合 PCHE 可以承受数百巴的高压和超过 800°C 的极端温度。因此,PCHE 非常适合各种要求苛刻的应用,包括石油和天然气、氢燃料汽车加油站和航空航天,”德国 Wettenberg 的 PVA 工业真空系统有限公司董事总经理 Udo Broich 博士说。Broich 博士撰写了关于连接技术的博士学位论文,25 年来一直专注于真空钎焊和扩散接合。PVA TePla AG 是工业炉和 PulsPlasma 氮化系统的全球制造商。


扩散结合与钎焊

多年来,扩散键合一直被用于连接高强度和难熔金属,而这些金属通过其他方式很难或不可能。该过程包括在高真空热压机中对粘合部分施加高温和压力,例如 PVA TePla 提供的热压机;这导致固体金属表面上的原子散布和连接。如果材料相似,最后一块将很少或没有界面线或条纹;一种材料的界面融合到另一种材料中,反之亦然。使用正确的设备、材料制备和工艺,使用不同的材料也可以获得相同的结果。


该工艺的关键是利用扩散结合将各层连接到其他替代方法上,例如真空钎焊。虽然钎焊在正常条件下广泛用于连接金属,但在高温、高压或腐蚀情况下可能不够用。钎焊是一种连接过程,其中两个或多个金属部件通过熔化填充金属并将其流入接头中来连接在一起。填充金属通过毛细作用流入层之间的间隙。


有了适当的填充材料和过程参数,钎焊还可以产生高强度和热耐热接头。然而,根据 Broich 博士的说法,由于填充金属的化学成分总是与接合部件材料不同,因此钎焊部件的性能通常无法达到实体部件的性能。


“在钎焊 PCHE 的情况下,工程师必须考虑另一个问题:在钎焊过程中,熔融填充金属会穿透微通道并凝固,从而阻塞气流所需的通道。这会使 PCHE 非常无效,”Broich 博士说。“由于扩散键合不需要填充金属并且是一种固态连接工艺,因此微通道保持完整。”


“当 PCHE 的层被扩散粘合时,最终产品保留了母材的机械、化学和热性能。鉴于材料的高强度和完整性,PCHE 可以承受非常恶劣的操作条件,”Broich 博士解释说。


扩散粘合 PCHE 的一个显着优势是它显着减小了热交换器的尺寸。


“与传统热交换器相比,PCHE 的质量和体积减少了约 85%,而微通道为热交换提供了很大的表面积,”Broich 博士说。“使用标准 [板式或管壳式] 热交换器] 设计实现相同的传热率需要更多的质量和体积。”


扩散键合 PCHE 市场不断增长

由于扩散结合 PCHE 的固有优势,许多行业正在采用这种不断发展的技术来改善各种应用中的热传递。


油和气

PCHE 紧凑、高效的传热能力是许多石油和天然气应用的理想选择,包括预热器、过热器、气体压缩冷却器、高温换热器和液化天然气 (LNG) 交换器。


例如,在海上液化天然气生产中,当管道不可用时,天然气被转化为液体以进行安全运输或储存。液化天然气仅以液态形式占据一小部分空间,但作为过程的一部分,天然气必须冷却至大约 -260°F,从而产生热量。PCHE 是一种实用、紧凑的解决方案,适用于船上等占地面积小的区域。


加氢站

PCHE 是氢燃料汽车加油站的一项要求。储存的氢气必须先预冷至大约 -40°C,然后才能转移到车辆的油箱中。这种冷却过程可防止在灌装过程中可能损坏储罐的过高温度造成的潜在损坏。


“为了填充一个罐子,加压氢气以大约 1,000 巴的压力分配;这个过程会产生过多的热量,”Broich 博士说。“因为温度不超过罐的临界极限是至关重要的,所以氢气被预冷到约-40°C。加油站冷却回路中的 PCHE 必须承受 1,000 巴或更多巴的压力和低至 -50°C 的温度。PCHE 的紧凑设计还便于与氢气分配器外壳集成。”


铝散热器应用:电动汽车和航空航天

铝制散热器在许多以重量为重要因素的关键设备(包括汽车和航空航天)的热管理中很受欢迎。铝制散热器也常用于电池。


散热器和交换器中最常用的铝合金是 6000 系列合金。然而,镁和硅是主要的合金元素,很难用钎焊等方法连接。


“在许多散热器应用中,通常禁止使用钎焊剂。因此,真空钎焊仍然是一种使用基于铝硅共晶合金的填充金属的连接技术。然而,这些合金的熔点为 580°C,非常接近基材的熔点,因此仅提供了一个微小的工艺窗口来实现高质量的粘合,”Broich 博士说。


他指出,多年来,PVA TePla 已开发出一种扩散接合工艺,成功地连接了 6061 等高合金铝材料。


优化扩散键合炉设计

有多种方法可用于 PCHE 扩散键合的熔炉设计和工艺实施。高真空炉热压机的进步可实现卓越的压力控制和快速冷却系统,从而改善粘合、提高产量并显着缩短循环时间。


PVA TePla 等制造商提供的多缸系统带有可容纳各种零件的大型压板。该公司最大的 MOV 843 HP 可以处理大至 950 毫米(37.4 英寸)x 1300 毫米(51.18 英寸)的基板,这是一个相当大的扩散键合区域。压力为 8,000 kN。正在进行研究以增加这种几何限制。


集成压力机通过控制和同步每个气缸,在整个表面上提供非常一致的压力。MOV 还带有沿压板底部的内置压力传感器。可以在软件中调整各个液压缸,以根据传感器反馈在大面积上实现均匀性。


Broich 博士指出,高粘合强度对于在极端环境中涉及 PCHE 的应用至关重要。


“需要高强度设计 [当需要高真空热压机时] 压制单元 [压制柱塞和压板] 以在 1,000°C 甚至更高的温度下转移 800 或 1000 吨,”Broich 博士说。


此外,根据 Broich 博士的说法,压制单元的设计应使热区内的质量最小化,同时在整个工作空间和压制板上实现均匀的力分布。


“扩散键合机的设计应尽可能缩短循环时间,同时通过减少热质量来节省能源;这对生产力和成本效益非常重要,”他指出。


为了生产高质量的扩散粘合 PCHE,与像 PVA TePla 这样的专家合作伙伴合作对于需要工艺和技术支持的制造商来说是必不可少的。


“我们的大多数客户都不熟悉这项技术。我们为他们提供基本的工艺技术知识支持,以便他们能够正确使用机器来生产高质量的扩散粘合 PCHE,”Broich 博士说。


由于美国对这种精密技术的需求迅速扩大,PVA TePla 正在加利福尼亚州科罗纳开设扩散键合技术中心。今年夏天,将提供与德国提供的能力相匹配的全尺寸工业炉。PVA TePla 将能够展示机器的粘合能力、运行研发样品并提供加工服务。


“在美国和德国,我们都可以在客户决定投资机器之前展示债券的质量。我们处理工艺开发的大部分要素,以证明技术并协助扩大生产规模。或者,如果客户外包生产,我们可以为他们提供全面的合同处理,”Broich 博士说。


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