(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111454588.4 (22)申请日 2021.12.01 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市碑林区咸宁西 路28号 (72)发明人 李昕泽　张大林　李新宇　田文喜　 秋穗正　苏光辉　 (74)专利代理 机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 何会侠 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) F28D 9/02(2006.01)G06F 111/06(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计 方法 (57)摘要 本发明公开了一种交叉流印刷电路板式换 热器正向设计方法， 该方法设计对象结构包括换 热器芯体、 冷热侧接口腔体， 其中芯体采用一次 侧、 二次侧板交替布置； 该方法基于规则结构采 用标准单元法进行一、 三维耦合数值计算， 形成 一次侧与二次侧任意单元流体温度的数值解， 得 到换热板组温度分布， 并参照温度分布结果对换 热板进行参数设计； 采用有限元对 换热板组最大 热应力进行验证， 并结合多孔介质模 型确定一次 侧与二次侧工质流动分布及各流道均匀性； 由于 整体结构层数叠加方向温度均匀， 采用已知的换 热板组温度分布进行有限元验证； 该专利提供了 完整的印刷电路板式换热器性能设计及安全验 证流程方法， 极大的降低了设计成本， 提升了设 计效率。 权利要求书3页 说明书7页 附图5页 CN 114154262 A 2022.03.08 CN 114154262 A 1.一种交叉流印刷电路板式换热器正向设计方法， 其特征在于： 采用标准单元法对换 热器的温度分布进行数值计算； 采用多孔介质法对换热器流动分布与压降进行计算； 给出 了换热器热应力最大值的具体位置及评估方法； 该方法设计对象换热器结构包括一次侧换热板(1)、 二次侧换热板(2)、 上盖板(3)、 下 盖板(4)、 一次侧入口(5)、 一次侧出口(6)、 二次侧入口(7)及二次侧出口(8)； 其中一次侧换 热板(1)与二次侧换热板(2)交替布置， 流动方向呈90 °夹角， 形成叠加方向周期性变化的温 度分布， 上盖板(3)和下盖板(4)作为边缘承压件， 一次侧入口(5)及一次侧出口(6)结构相 同， 采用对称设计作为热侧压力边界， 二次侧入口(7)及二次侧出口(8)结构相同， 采用对称 设计作为冷侧压力边界； 一次侧换 热板(1)与二次侧换 热板(2)采用半圆形流道； 进行设计时， 已知或能够初步评估以下参数： 换热器所选结构材料， 一 次侧与二次侧流 体工质设计压力P1和P2、 一次侧与二次侧流体工质流量U1和U2、 一次侧与二次侧流体工质 进口温度T10和T20、 一次侧与二次侧流体工质出口温度T1∞和T2∞， 一次侧与二次侧换热板厚 度D1与D2， 换热器所处空间对一次侧换热板长度的限制尺寸L10， 二次侧换热板长度的限制 尺寸L20和高度的限制尺寸h0； 采用设计方法后得到的计算结果包括： 一次侧与二次侧换热板温度分布数值结果， 一 次侧与二次侧工质在各自流道内的分布均匀 性， 一次侧与二次侧的工质压降， 换热器整体 热应力分布， 一次侧与二次侧换热板流道长度L 1和L2， 一次侧与二次侧流道数N 1和N2， 一次 侧与二次侧流道半径r1和r2， 一次侧与二次侧流道间距d1和d2， 上盖板、 下盖板、 一次侧与 二次侧进口和一次侧与二次侧出口作为压力边界所需的结构厚度E； 设计方法在描述过程中使用的英文字母及后方数字编 号具有以下规则： 英文字母与其 表达的定义为一一对应 关系， 对于流量U， 英文字母后的1， 2分别表 示一次侧与二次侧， U1表 示一次侧流量， U2表示二次侧流量； 下角标0表示入口或初始值， 则U10表示一次侧入口流量， 下角标∞表示最终值或出口值， 则U1∞表示一次侧出口流 量； 对于下述步骤中的标准单元， 其命名规则如下： 编号No.ij表示一次侧第i条管道和二 次侧第j条管道形成的标准单元， 与进出口无关的参数： 对流换热系数表示为Hij， 与进出口 有关的参数： 一次侧入口流量表示为U1ij‑1， 一次侧出口流量为U1ij， 二次侧入口流量为 U2i‑1j， 二次侧出口流量为U2ij， 编号U1ij‑1也表示No.i  j‑1单元一次侧出口流量， 但由于标 准单元具备连续性， No.i  j‑1单元一次侧出口与No.ij单元一次侧入口为同一位置， 因此两 者使用同一编号； 所述正向设计方法具体包括以下步骤： 步骤1， 选取标准单元及其尺寸： 标准单元为具有一对交叉流动的一 次侧流道和二次侧 流道上下叠加所形成的单元结构， 单个一次侧热板和二次侧热板形成的换热板组结构为多 个标准单元正交组合而成； 具体尺寸为一次侧流道半径r1＝α 1*D1， 二次侧流道半径r2＝α 2*D2， 取l1＝β 1*r2作为标准单元一次侧流道截取长度， 取l2＝β 2*r1作为单元二次侧流道 截取长度， 纵向高度h＝D1+D2； 其中α 1、 α 2和β 1、 β 2分别为 标准单元尺寸系数， 取值范围为1/2 <α 1， α 2<1， 2<β 1， β 2< 5； 步骤2， 建立标准单元流动换热模型： 取No.11单元， 根据空间限制的一次换热板长度 L10， 二次侧换热板长度L20， 高度h0， 且每个标准单元包括一个一次侧流道， 一个二次侧流 道， 则计算初始一次侧流道数N10＝L10/l1， 初始一次侧 流道数N20＝L20/l2， 初始换热板组权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114154262 A 2层数为C0＝H0/h， 由此得一次侧流量U110＝U1/(N10*C0)， 二次侧流量U201＝U2/(N20*C0)， 并 且对于No.11单元， 一次侧与二次侧入口工质温度、 压力和物性即为换热器的入口工质温 度、 压力和物 性， 以此分别求出一次侧和二次侧入口位置雷诺数Re1和Re2， 由于工质物性在 单个标准单元内变化小， 此处做均匀性假设， 即入口位置雷诺数为标准单元内雷诺数， 对后 续无量纲参数做相同处理； 同理求得一次侧和二次侧的普朗特数Pr1和Pr2， 依据雷诺数与 普朗特数数值范围， 选取合适的对流换热系数公式， 求得一次侧与二次侧的努塞尔数Nu1和 Nu2， 进而依据努塞尔数与对流换热系数公式求得一次侧与二次侧对流换热系数H111与 H211； 总体来看对流换热系数为关于标准单元入口温度Tij、 标准单元流道半径r， 标准单元 流道截取长度l， 入口流量Uij的函数式， 即Hij＝f(Tij， r， l， Uij)； 将对流换热系数带入热阻公 式计算得到一次侧与二次侧热阻R111与R211， 此处同样采用均匀性假设， 并根据 选取结构材 料导热系数计算得到一次侧与二次侧流道间结构热阻Rm11； 根据换热平衡关系得到一次侧 与二次侧的壁面温度Tw111＝T110‑(T110‑T201)*R111/(R111+R211+Rm11),Tw211＝T201‑(T201‑ T110)*R211/(R111+R211+Rm11)； 根据对流换热公式Q＝hS(T ‑Tw)计算得到标准单元内一次侧与 二次侧换热量， 并根据均匀性假设采用入口温度下的定压比热容cp和能量公式Q＝UcpΔT得 到工质流经标准单 元后温度变化 量， 即可得到T111＝T110+ΔT111， T211＝T201+ΔT211； 步骤3， 建立标准单元组成的换热板组平面流动换热模型： 对于No.12单元， 一次侧入口 温度为No.11单元一次侧出口温度， 二次侧入口温度为T201， 也就是说， 对于No.ij单元， 一次 侧入口温度为No.ij ‑1的一次侧出口温度， 即T1ij‑1， 二次侧入口温度为No.i ‑1j的二次侧出 口温度， 即T2i‑1j， 对于整个标准单元组成的换热板组， 任意已知入口温度情况即能求出出 口温度； 由于T110和T201已知， 采用递归法得T1ij和T2ij， 即任意流道数目下整个平面上每个 标准单元一次侧与二次侧的出 口温度， 也就是换热板组完整的温度分布数值结果； 接下来 根据温度分布数值结果计算换热器参数流道长度L， 流道数N， 流道半径r， 流道间距d， 假设 经过i个一次侧流道， j 个二次侧流道后， 两侧出口温度符合设计要求， 那么得到一次侧流道 数N1＝i， 流道尺寸L1＝l1*i， 二次侧流道数目N2＝j， 流道尺寸L2＝l2*j,流道间距d1＝l2， d2＝l1； 由于所有温度都为已知量的数值迭代算式， 因此实时调整 所有已知量， 并根据当前 流量下的温度分布实现对流道数、 流道 尺寸和层数的设计； 步骤4： 芯体热应力迭代优化： 根据已得到的换热板组温度分布， 建立热固耦合模型对 换热板组进行热应力验证， 由于No.11为一次侧与二次侧温差最大处， 因此需计算No.11至 No.ij， 共i*j个标准单元 组成的结构的热应力， 如出现热应力超标， 在不改变标准单元尺 寸 的条件下单独改变一次侧与二次侧流道半径r1和r2， 调整流道间壁厚， 由此带来的流量变 化通过调节换热板组