國產(chǎn)印刷電路板式換熱器的首次工業(yè)應(yīng)用研究*

尤學(xué)剛 劉新宇 曾冬 李秋龍 潛江偉 歐菲

(1.中海石油(中國)有限公司海南分公司 2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所(洛陽船舶材料研究所))

0 引 言

印刷電路板式換熱器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)是由悉尼大學(xué)于1980年開發(fā)出來的一種新型換熱器，由于它的核心部件——換熱芯體板片的成型是在厚度為毫米級的金屬板上采用光化學(xué)蝕刻的方法蝕刻出的微細(xì)通道，所以其工藝過程類似于電路板的制作而得名。PCHE屬于微通道換熱器[1]中最為重要的一種形式，具有構(gòu)造緊湊、傳熱效率高、可承受高溫和高壓、無管束振動、排放容積小以及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在軍工艦船、航空航天、海洋油氣開采、石油精細(xì)化工及核工程等領(lǐng)域具有常規(guī)換熱器難以比擬的優(yōu)勢。本文首先介紹了PCHE的優(yōu)點(diǎn)，之后對其國產(chǎn)化研制背景進(jìn)行了介紹，分析了PCHE研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)，旨在推動我國PCHE的國產(chǎn)化進(jìn)程。

1 印刷電路板式換熱器的優(yōu)點(diǎn)

在海洋油氣開采領(lǐng)域，目前應(yīng)用最多的就是傳統(tǒng)的管殼式換熱器和板式換熱器，雖然管殼式換熱器能承受高溫和高壓，但在換熱負(fù)荷需求較大時(shí)，其質(zhì)量和體積就成了很明顯的缺點(diǎn)，且換熱效率不高；板式換熱器雖然在體積、質(zhì)量和換熱效率等方面較管殼式換熱器有優(yōu)勢，但不能承受高溫和高壓，所以對于高溫、高壓和高換熱負(fù)荷需求的應(yīng)用場景，印刷電路板式換熱器相比傳統(tǒng)的兩種換熱器具有明顯的優(yōu)勢。印刷電路板式換熱器具有以下性能特點(diǎn)。

1.1 結(jié)構(gòu)緊湊，能節(jié)省空間，減輕質(zhì)量

與傳統(tǒng)管殼式換熱器相比，PCHE最多可節(jié)約85%的空間。在滿足同等熱負(fù)荷和壓降的條件下，印刷電路板式換熱器的體積和質(zhì)量僅為傳統(tǒng)管殼式換熱器的～。設(shè)備體積小則極大地節(jié)約了平臺甲板面積，質(zhì)量輕則直接簡化了平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)約了鋼材用量，間接也實(shí)現(xiàn)了設(shè)備單點(diǎn)吊裝就位的可能和吊機(jī)作業(yè)范圍的節(jié)約；同時(shí)也對浮式平臺的上部設(shè)備的質(zhì)量控制極為有利。

1.2 性能優(yōu)越

PCHE具有較高的換熱效率[2]，且能適應(yīng)極值溫度和超高的壓力等級。單個(gè)換熱單元的換熱效率可以達(dá)到98%，且具有極強(qiáng)的耐低溫、耐高溫(-270～900 ℃)和耐高壓(70 MPa)能力，PCHE能適應(yīng)的溫度和壓力范圍非常大。

1.3 安全性高

相比管殼式換熱器，PCHE不需要考慮管爆裂這種災(zāi)難性的失效模式，也不用考慮墊圈失效，沒有振動和泄放問題，而且PCHE 連續(xù)的流體通道能夠有效減小壓降，降低堵塞帶來的影響，損壞的風(fēng)險(xiǎn)很低。從制造原材料上講，PCHE的換熱芯體一般由不銹鋼或高合金材料制成，沒有低熔點(diǎn)材料，也不含鋁，材料耐火，基本無腐蝕問題，而且換熱芯體板片之間通過固相擴(kuò)散的方式焊接，沒有熔化和變形，不需要添加額外的釬料、助熔劑和填料等，結(jié)構(gòu)可靠度非常高。

1.4 量身定制

PCHE可實(shí)現(xiàn)1臺換熱器中采用2種及以上的多種工質(zhì)同時(shí)進(jìn)行換熱，也就是說可以將多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的換熱過程集成在同一個(gè)換熱器中完成，每一臺PCHE都可以根據(jù)實(shí)際需求量身定制。這相比常規(guī)的換熱器極大地減少了管道和閥門的數(shù)量，以及泄壓和廢氣處理系統(tǒng)的配置，能有效地節(jié)省空間，也極大地提高了設(shè)備的安全性和操作效率。此外，PCHE的換熱芯體單位面積上微通道的通流面積較小，同流量下工質(zhì)流速較高，對流換熱系數(shù)大，換熱能力更強(qiáng)，且換熱溫差可以小到2 ℃，從而使其具有更高的換熱效率。

2 國產(chǎn)化研制背景及進(jìn)程

印刷電路板式換熱器的諸多性能優(yōu)點(diǎn)，為其贏來了廣闊的應(yīng)用市場，然而由于其設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的尖端性，PCHE的研制技術(shù)一直被英國Heatric公司壟斷。由Heatric公司設(shè)計(jì)和制造的PCHE全世界約有2 500臺，幾乎占據(jù)了全部市場份額。2016年，國內(nèi)一家軍工企業(yè)試圖通過民用渠道從英國進(jìn)口一臺PCHE，最終也未能獲得許可，Heatric公司對我國采取了嚴(yán)格的銷售限制。

近年來，隨著能源動力系統(tǒng)效率不斷提升的需求，軍用艦船上以超臨界CO2作為換熱介質(zhì)的布雷頓循環(huán)動力系統(tǒng)[3]，以其能量的轉(zhuǎn)化效率高、體積緊湊、是常規(guī)水蒸氣工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的1/20～1/30的特點(diǎn)而備受青睞，而印刷電路板式換熱器也是該系統(tǒng)最理想的選擇。以此為契機(jī)，2014年以中國船舶重工集團(tuán)公司為代表的企業(yè)，率先借力海軍科研項(xiàng)目開展了國產(chǎn)印刷板式換熱器研制，并于2016年成功研制出國內(nèi)首臺樣機(jī)。雖然該樣機(jī)的尺寸與性能與國外產(chǎn)品尚有差距，但通過樣機(jī)的研制及與專業(yè)金屬板片蝕刻廠家和真空擴(kuò)散焊廠家的合作，國內(nèi)多個(gè)企業(yè)對PCHE的設(shè)計(jì)和制造關(guān)鍵技術(shù)都有了突破。因此，2017年和2018年相繼有應(yīng)用于軍用艦船上的布雷頓循環(huán)動力系統(tǒng)的印刷板式換熱器[4]，及應(yīng)用于航天科工領(lǐng)域的微型印刷板式換熱裝置。

3 技術(shù)分析

3.1 結(jié)構(gòu)

印刷電路板式換熱器結(jié)構(gòu)相對簡單，主要包括換熱芯體、箱體(封頭)、接管法蘭和吊耳支撐件等，如圖1所示。

3.2 工作原理

PCHE主要通過冷/熱側(cè)的介質(zhì)在芯體微通道內(nèi)部同時(shí)對流又互不干涉，通過薄薄的芯體板片的傳熱物理特性來達(dá)到高效熱量交換的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對熱側(cè)高溫介質(zhì)的冷卻，如圖2所示。

圖2 印刷板式換熱器換熱原理

3.3 首次工業(yè)應(yīng)用

從2018年開始，國內(nèi)已經(jīng)有幾家單位陸續(xù)研制出國產(chǎn)印刷板式換熱器的樣機(jī)：航天海鷹(哈爾濱)鈦業(yè)有限公司為北京動力研究所開發(fā)了3臺氦氙混合氣體換熱器(見圖3)，換熱負(fù)荷僅為800 kW，應(yīng)用于航天科工領(lǐng)域；上海益焓能源科技有限公司為中船重工719研究所開發(fā)了1臺以CO2氣體為換熱工質(zhì)的小型換熱器，換熱負(fù)荷為1 400 kW，應(yīng)用于軍用艦船的布雷頓體系。以上提及的研制案例均為技術(shù)開發(fā)性質(zhì)，且研發(fā)出來的樣機(jī)均應(yīng)用于試驗(yàn)平臺。

圖3 國產(chǎn)印刷板式換熱器出廠交付

除了航天和艦船領(lǐng)域，印刷板式換熱器更多地應(yīng)用在油氣開采和石油煉化等領(lǐng)域。在2018年之前，進(jìn)口印刷板式換熱器已經(jīng)在中海油崖城13-1和荔灣3-1等氣田平臺上應(yīng)用。而陵水17-2氣田開發(fā)工程項(xiàng)目是中海石油(中國)公司海南分公司正在實(shí)施的一個(gè)萬億立方米南海天然氣開發(fā)項(xiàng)目，其平臺上的干氣外輸系統(tǒng)需要3臺干氣壓縮機(jī)后冷卻器，其中一臺TS-WC-2701C為國產(chǎn)印刷板式換熱器(見圖4)，于2020年出廠，其換熱負(fù)荷達(dá)4 600 kW，設(shè)計(jì)溫度為-19～150 ℃，設(shè)計(jì)壓力為18.75 MPa，設(shè)備尺寸為1.58 m×1.43 m×1.46 m，質(zhì)量為3.24 t。而國外同參數(shù)的2臺換熱器尺寸為1.31 m×1.37 m×1.42 m，質(zhì)量為1.64 t。相比而言，國產(chǎn)設(shè)備的尺寸和質(zhì)量略大，尚有優(yōu)化和改進(jìn)的空間。但這是國產(chǎn)印刷電路板式換熱器首次在海洋油氣開采領(lǐng)域的應(yīng)用，它的應(yīng)用為國產(chǎn)PCHE提供了一個(gè)優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用平臺終端，能助力國內(nèi)企業(yè)打破國外技術(shù)壟斷，促進(jìn)國產(chǎn)PCHE的研制成熟和工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用，在未來也將進(jìn)一步降低氣田開發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 國產(chǎn)印刷板式換熱器應(yīng)用于海洋平臺

4 PCHE研制過程中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 PCHE熱力與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)

PCHE的核心部件是換熱芯體，而芯體的熱力學(xué)設(shè)計(jì)主要由微型通道內(nèi)流體的傳熱與流動特性決定，影響這些特性的物理量除了流體介質(zhì)的工藝參數(shù)和熱物理性質(zhì)外，主要取決于流體通道的設(shè)計(jì)，包括通道的形狀、界面尺寸及幾何角度[5]等。由于低溫的LNG在臨界點(diǎn)和擬臨界點(diǎn)附近物性變化劇烈，假設(shè)物性為定值的設(shè)計(jì)方法不再適用，需要采用分段設(shè)計(jì)方法來精確捕捉物性變化特性。將換熱器劃分成多個(gè)串聯(lián)的子換熱器，子換熱器內(nèi)假設(shè)物性為定值進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，直至最后一個(gè)子換熱器計(jì)算完畢[6]。

為了提高電路板式換熱器的換熱效果，設(shè)計(jì)熱流體和冷流體在充分發(fā)展區(qū)域?yàn)槟媪鲹Q熱。設(shè)計(jì)過程中綜合考慮溫差和壓降，在滿足總換熱功率要求的同時(shí)盡可能降低壓降。分段設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。圖5中：HXk指第k個(gè)子換熱器，T是溫度，下標(biāo)h、c、j分別指熱流體、冷流體和局部值, 下標(biāo)i和o指入口和出口。當(dāng)考慮縱向?qū)釙r(shí)，qz,j為局部縱向?qū)崃俊?/p>

圖5 分段設(shè)計(jì)示意圖

由于該型換熱器比表面積大，緊湊度高，一般以犧牲部分總體積的方法來減小換熱器阻力，因而換熱芯體板的微型流道大多采用平直通道。具體設(shè)計(jì)思路為：首先對換熱器換熱功率等參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，初選幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)；其次采用分段熱力設(shè)計(jì)方法，計(jì)算每段換熱單元的對數(shù)平均溫差，校核換熱量進(jìn)行疊加，直至滿足換熱功率；最后對總體結(jié)構(gòu)的阻力損失進(jìn)行校核，若滿足條件則得到設(shè)計(jì)結(jié)果，若不滿足條件則需調(diào)整單板通道數(shù)、換熱板層數(shù)以及流體通道流速等參數(shù)，重新進(jìn)行迭代，直至得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。為保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，熱力設(shè)計(jì)過程中所有經(jīng)驗(yàn)公式采用的數(shù)據(jù)均來自數(shù)值模擬與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果[7]，以保證設(shè)計(jì)方案的可靠性。

芯體板的流道設(shè)計(jì)方案在熱力學(xué)校核通過以后，芯體的結(jié)構(gòu)也就確定了，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行封頭結(jié)構(gòu)和支耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。之后，芯體和封頭殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都需要核算，包括內(nèi)壓計(jì)算、接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算、接管局部應(yīng)力計(jì)算、非標(biāo)準(zhǔn)件的強(qiáng)度計(jì)算、局部應(yīng)力計(jì)算(如支耳等)、支座計(jì)算、接地端子設(shè)計(jì)、地腳螺栓設(shè)計(jì)、安全附件設(shè)計(jì)及吊裝計(jì)算等。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核應(yīng)考慮各種載荷的組合，完全符合標(biāo)準(zhǔn)使用條件的零部件其強(qiáng)度及應(yīng)力可以免于計(jì)算。

由此可見，一臺適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用需求的PCHE，其熱力學(xué)設(shè)計(jì)必須與設(shè)備的結(jié)構(gòu)協(xié)同進(jìn)行，并進(jìn)行熱流固耦合分析[8]，這樣才能使換熱芯體滿足傳熱需求。芯體及外部封頭或殼體滿足高溫、高壓條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，也是PCHE實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化關(guān)鍵的一步。

4.2 芯體板片的光化學(xué)蝕刻技術(shù)

印刷電路板式換熱器結(jié)構(gòu)緊湊，整體強(qiáng)度高，處理能力強(qiáng)，得益于其換熱芯體獨(dú)特的制造方式。其制造工序的第一步就是使用光化學(xué)蝕刻技術(shù)將分別為冷熱介質(zhì)設(shè)計(jì)的流體微通道蝕刻于厚度為毫米級的不銹鋼芯體板表面。

目前，在薄金屬板片上加工出這些流道的方法有：蝕刻、沖壓、激光、CNC、線切割及電脈沖等。光化學(xué)蝕刻(Photo Chemical Machining，PCM)是指利用攝影技術(shù)生成的掩膜,通過選擇性化學(xué)侵蝕生產(chǎn)無毛刺、無應(yīng)力的平整金屬元件的工程生產(chǎn)技術(shù)。蝕刻[9]與其他金屬加工手段相比有很多優(yōu)點(diǎn)，比如加工精度高，可加工異常復(fù)雜的形狀，無毛刺、無加工應(yīng)力產(chǎn)生，且不影響被加工材料的主要性能等。

光化學(xué)蝕刻的主要工藝流程包括：CAD設(shè)計(jì)、切料、預(yù)處理、滾涂感光膠、曝光、顯影、蝕刻、去膜和檢驗(yàn)等。整個(gè)工藝流程中最核心的是蝕刻工序。蝕刻過程中存在著3個(gè)主要的可變因素，即蝕刻深度、蝕刻速度和蝕刻時(shí)間。這三者之間的關(guān)系式如下：

v=h/t

(1)

式中：v為金屬的蝕刻速度，mm/min；h為蝕刻深度，mm；t為蝕刻時(shí)間，min。

3個(gè)可變因素中，最值得關(guān)注的是蝕刻速度。蝕刻速度又通常與化學(xué)蝕刻劑的類型、質(zhì)量濃度、溫度及時(shí)間等主要的工藝因素相關(guān)。

對于印刷板式換熱器中常用的不銹鋼基材，通常采用的蝕刻劑包括FeCl3、堿/酸性CuCl2、過硫酸銨、HCl/HNO3、H2SO4/H2O2及王水等。根據(jù)基礎(chǔ)研究和蝕刻經(jīng)驗(yàn)，316L不銹鋼蝕刻選用FeCl3或王水效果最佳。由于FeCl3蝕刻液工藝穩(wěn)定、價(jià)格便宜、對人體和環(huán)境危害性低等優(yōu)點(diǎn)，在印刷板式換熱器的芯體制造中，常被用來蝕刻板片換熱通道。能否獲得理想的蝕刻速度和蝕刻質(zhì)量，F(xiàn)e3+質(zhì)量濃度是決定性因素，所以在正式加工板片的微通道以前，應(yīng)保持蝕刻劑中酸的質(zhì)量濃度不變，反復(fù)探索FeCl3的質(zhì)量濃度。

此外，金屬蝕刻的過程實(shí)質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)的過程，因此蝕刻液的溫度直接影響化學(xué)反應(yīng)的速率和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響蝕刻速度和穩(wěn)定性，決定了蝕刻控制的難易程度和蝕刻精度的高低。溫度對蝕刻過程的影響較復(fù)雜，因?yàn)樵谖g刻過程中，化學(xué)反應(yīng)多伴隨著放熱過程，使得蝕刻液溫度隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸升高，進(jìn)而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制蝕刻液溫度。

蝕刻時(shí)間是蝕刻過程中的重要因素，直接決定了蝕刻效率的高低、生產(chǎn)制造周期和經(jīng)濟(jì)成本等。在板片通道尺寸一定的條件下，影響蝕刻時(shí)間的主要因素為蝕刻液成分、質(zhì)量濃度和溫度等。為此，對蝕刻時(shí)間的控制主要通過兩種手段：①對蝕刻液成分、質(zhì)量濃度進(jìn)行優(yōu)化控制；②對蝕刻過程中蝕刻液溫度進(jìn)行控制。對于316L不銹鋼材料，根據(jù)蝕刻量大小，蝕刻時(shí)間通常為3～30 min。

綜上所述，蝕刻劑的類型、質(zhì)量濃度、蝕刻溫度和蝕刻時(shí)間等工藝因素并不是獨(dú)立的因素，各因素相互影響和制約。因此，要想獲得理想的板片蝕刻精度和質(zhì)量，需要以上述4種參數(shù)作為主要工藝因素，針對特定的板片金屬材料，通過單因素法和正交試驗(yàn)法開展蝕刻工藝試驗(yàn)，優(yōu)化工藝參數(shù)范圍，獲得穩(wěn)定蝕刻工藝規(guī)范，再實(shí)施換熱器芯體板片的蝕刻加工，并獲得理想精度的流體微通道換熱芯體板片。

4.3 芯體的真空擴(kuò)散焊成型技術(shù)

換熱器的核心是由已加工了流體微通道的冷熱板片交替放置，并通過真空擴(kuò)散焊工藝連在一起的封裝整體。擴(kuò)散焊的工藝將流道密封在內(nèi)，單個(gè)換熱器可通過并聯(lián)多個(gè)換熱核芯來滿足不同的換熱需求。與傳統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)相比，該內(nèi)核設(shè)計(jì)的靈活性不僅提高了固有安全性，也極大地提高了效率。

真空擴(kuò)散焊[10]是一種精密的固相焊接技術(shù)，它是指相互接觸的表面在高溫和物理壓頭壓力的作用下，在近乎真空的環(huán)境下，局部發(fā)生塑性變形并經(jīng)一定時(shí)間保溫，界面原子間相互擴(kuò)散而形成冶金結(jié)合的過程。真空擴(kuò)散焊大致可以分為3個(gè)階段：第1階段為物理接觸階段，高溫下微觀不平的表面在外加壓力的作用下，接觸面積逐漸擴(kuò)大，最終達(dá)到整個(gè)面的可靠接觸；第2階段是接觸界面原子間的相互擴(kuò)散，形成牢固的結(jié)合層；第3階段是在接觸部分形成結(jié)合層，逐漸向體積方向發(fā)展，形成可靠的連接接頭，如圖6所示。

圖6 真空擴(kuò)散焊接過程

真空擴(kuò)散焊3個(gè)階段相互交叉進(jìn)行，最終在接頭處由擴(kuò)散和再結(jié)晶等過程而形成固態(tài)冶金結(jié)合。它可以生成固溶體及共晶體，有時(shí)也生成金屬間化合物，形成可靠的連接。影響和控制擴(kuò)散焊成型的主要因素有3個(gè)，具體如下。

4.3.1 焊接溫度

爐內(nèi)溫度是擴(kuò)散焊接重要的工藝參數(shù)之一，它的微小變化會使擴(kuò)散速度產(chǎn)生較大變化，直接影響焊接結(jié)合率。在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)越大，擴(kuò)散過程越快，結(jié)合率越高，所獲得接頭的結(jié)合強(qiáng)度越高；但當(dāng)溫度高于某一值后，溫度再升高時(shí)，擴(kuò)散焊接頭質(zhì)量并不提高，反而有所下降。多數(shù)金屬和合金擴(kuò)散焊合適的加熱溫度為0.6Tm～0.8Tm(Tm為母材熔點(diǎn))。

4.3.2 焊接壓力

施加物理壓頭作用力的主要目的是使結(jié)合面微觀凸起的部分產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到緊密接觸，同時(shí)促進(jìn)界面區(qū)的擴(kuò)散，加速再結(jié)晶過程。當(dāng)壓力過小時(shí)，表層塑性變形不足，表面形成物理接觸的過程進(jìn)行不徹底，界面上殘留的孔洞過大且過多；當(dāng)壓力增大時(shí)，能促進(jìn)界面孔洞閉合，提高焊接結(jié)合率，獲得結(jié)合強(qiáng)度較高的接頭，但過大的壓力會導(dǎo)致工件發(fā)生一定變形，且高壓力需要成本較高的設(shè)備和精確的控制。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)選擇適宜的物理壓頭壓力。

4.3.3 焊接時(shí)間

焊接時(shí)間是指被焊工件在焊接溫度下保持的時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)必須保證擴(kuò)散過程全部完成，并達(dá)到所需的結(jié)合強(qiáng)度。但焊接時(shí)間不是一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，它的選取依賴于焊接溫度和焊接壓力。在擴(kuò)散焊接過程中，延長保溫時(shí)間可以使界面擴(kuò)散充分進(jìn)行，有利于接頭組織與成分的均勻化，提高接頭性能，但時(shí)間過長會使母材晶粒粗化，尤其對于性能差別較大的異種材料連接時(shí)，還會在界面上形成脆性金屬間化合物，降低接頭性能，時(shí)間過短，會導(dǎo)致焊縫中殘留許多孔洞，影響接頭性能。

綜合來看，焊接溫度、焊接壓力、焊接時(shí)間、環(huán)境(是否真空及真空度)及表面狀態(tài)等都是影響擴(kuò)散焊接的主要工藝因素，要獲得理想的真空焊接芯體，在前期摸索穩(wěn)定的真空擴(kuò)散焊接工藝非常必要。

4.4 PCHE的集成建造與檢測評價(jià)技術(shù)

芯體的擴(kuò)散焊成型使得印刷電路板式換熱器的集成建造成功了一半，之后再將芯體與管箱、管口、法蘭和支耳進(jìn)行焊接，就形成完整的印刷電路板式換熱器。在PCHE建造的各個(gè)工序都要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，之后方能進(jìn)入下一道工序。

縱觀PCHE的整個(gè)建造工序，需要建立以下檢測標(biāo)準(zhǔn)或評價(jià)體系：

(1)芯體板光化學(xué)蝕刻前，需要將不銹鋼板兩面拋光至鏡面，針對這個(gè)拋光質(zhì)量(鏡面度)的檢測有必要建立一套檢測標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)閽伖赓|(zhì)量是否達(dá)標(biāo)直接影響后續(xù)板片真空擴(kuò)散焊接的成敗。

(2)芯體板片在光化學(xué)蝕刻以后，微通道的凹槽深度、凹槽之間的脊寬精度以及凹槽內(nèi)表面的平滑度是否能滿足要求，也需要建立檢測標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)榘疾哿黧w通道的蝕刻精度和質(zhì)量直接影響換熱芯體的傳熱性能和換熱效率。

(3)芯體板片在真空擴(kuò)散焊爐里成型，如何檢測焊接質(zhì)量和可靠度，目前主要通過摸索穩(wěn)定的擴(kuò)散焊接工藝和先焊接試驗(yàn)工件來進(jìn)行驗(yàn)證，后續(xù)很有必要再建立一套檢測和評價(jià)體系。

(4)印刷電路板式換熱器本身就是為適用高溫高壓條件而生，因而在芯體成型之后，需要將厚度很大的封頭(箱體)與芯體進(jìn)行焊接封裝，對大厚度焊接殘余應(yīng)力與焊縫質(zhì)量的檢測也值得持續(xù)探索。

國產(chǎn)PCHE的制造過程在以上每一個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的檢測，但都不夠系統(tǒng)，目前主要的手段還是在設(shè)備建造完畢后、出廠交貨前按照技術(shù)文件要求和規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，包括壓力試驗(yàn)和氦檢漏試驗(yàn)[11]，以驗(yàn)證芯體的擴(kuò)散焊接和芯體與形體、接管和法蘭的焊接質(zhì)量及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其中壓力試驗(yàn)又包括水壓和氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力按照GB 150—2011 的要求進(jìn)行；對于氦檢漏試驗(yàn)，則需要按EJ/T 388—1989的要求進(jìn)行。

5 結(jié)束語

印刷電路板式換熱器以其獨(dú)特的性能優(yōu)勢，特別是耐高溫、耐高壓、換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小及質(zhì)量輕等特點(diǎn)贏得了航天航空、軍用艦船和海洋油氣開采等領(lǐng)域的青睞。當(dāng)前這些領(lǐng)域也對PCHE提出了明確的技術(shù)需求。而在民用領(lǐng)域可以預(yù)見的是，隨著海洋石油天然氣開采、碳排放控制、分布式能源系統(tǒng)推廣等工程項(xiàng)目的實(shí)施，PCHE在我國民用領(lǐng)域的應(yīng)用需求將會迅速擴(kuò)大。

雖然國內(nèi)目前還沒有一個(gè)廠家能把PCHE獨(dú)立完整地研制出來，但是國內(nèi)在該設(shè)備的上游(換熱芯體設(shè)計(jì)和傳熱計(jì)算)領(lǐng)域、中游(板片光化學(xué)蝕刻、真空擴(kuò)散焊接)領(lǐng)域以及下游的集成建造與檢測評價(jià)方面，都有相應(yīng)的公司擁有比較成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累。相信在各專業(yè)公司的通力合作下，印刷電路板式換熱器一定會迎來全面的國產(chǎn)化。