Ein gedruckter Leiterplatten-Wärmetauscher wird hergestellt, indem Kanäle in Metallplatten eingebracht und ein kontrollierter Plattenstapel zu einem drucktragenden Kern verbunden wird. Die Fluidkanäle werden durch fotochemisches Ätzen definiert; die Platten werden mittels Diffusionsschweißen fest miteinander verbunden. Das so entstandene Gerät muss dennoch für seinen spezifischen thermischen und mechanischen Einsatzbereich ausgelegt und qualifiziert werden.
Die Bezeichnung „gedruckte Schaltung“ bezieht sich auf die strukturierten Kanäle, nicht auf eine elektronische Leiterplatte im fertigen Wärmetauscher. Heiße und kalte Ströme durchströmen separate Kanalschichten und tauschen dabei Wärme über das dazwischenliegende Metall aus.
Ein PCHE ist eine Art kompakter Kanalwärmetauscher. Er unterscheidet sich von einem herausnehmbaren Dichtungspaket, einem gelöteten Plattenwärmetauscher und einer fusionsgeschweißten Platten- und Mantelbauweise sowohl in seiner Verbindungsmethode als auch in seinem Wartungsweg.
Die thermische Auslegung legt die erforderliche Leistung, das Temperaturprofil und den zulässigen Druckverlust fest. Kanalform, -länge und -führung beeinflussen Wärmeübertragung und Wärmewiderstand. Das verbleibende Metall zwischen den Kanälen und an den Kernrändern ist ebenfalls Teil der drucktragenden Struktur.
Die Konstruktion muss daher die Kanalgeometrie mit dem Material, dem Auslegungsdruck, dem Differenzdruck und den transienten Lasten in Einklang bringen. Eine nominelle Kanalbreite oder eine hohe Flächendichte allein begründen nicht die Druckfestigkeit des Kerns.
Bei einem photochemischen Verfahren steuert ein strukturierter Fotolack die Abtragung des Metalls. Prozesskontrolle und Maßprüfung sind erforderlich, um die gewünschte Kanalform und -tiefe zu erreichen, während durch Reinigung Rückstände vor dem Stapeln entfernt werden.
Kanalabmessungen, ungeätzte Stege, Plattenausrichtung und Einlassverteilung spielen eine wichtige Rolle. Das Ätzen ermöglicht zwar mehr Gestaltungsfreiheit, die vorgeschlagene Geometrie muss aber dennoch fertigungsgerecht sein und Prüfkriterien erfüllen.
Die vorbereiteten Platten werden in der erforderlichen Reihenfolge übereinandergestapelt und unter kontrollierter Temperatur, kontrolliertem Druck und kontrollierter Atmosphäre verbunden. Diffusionsschweißen ist ein Festkörperfügeverfahren: Es wird kein geschmolzenes Lötmittel verwendet, um die Plattenoberflächen zu verbinden.
Die Prozessparameter hängen von der Legierung und dem qualifizierten Herstellungsverfahren ab. Reinheit, Oberflächenbeschaffenheit, Ausrichtung und Prozesskontrolle beeinflussen die Verbindungsqualität. Es ist falsch, allein aus der Bezeichnung „diffusionsgeschweißt“ auf unbegrenzte Festigkeit oder eine garantierte Dichtheit zu schließen.
| Bereich | Nachweise, die im Projekt definiert werden sollen |
|---|---|
| Material- und Bindungsqualifizierung | Rückverfolgbarkeit, qualifiziertes Verfahren und vereinbarter Verifizierungsansatz |
| Kanal- und Kerngeometrie | Abmessungen, Ausrichtung und Fertigungsabnahmekriterien |
| Header und Verbindungen | Verteilung, Schweißanforderungen und mechanische Schnittstellen |
| Integritätsprüfung | Druck- und Leckageprüfverfahren mit genehmigten Akzeptanzkriterien |
| Thermische und hydraulische Überprüfung | Vereinbarte Berechnungs- oder Testnachweise für die relevanten Betriebsfälle |
Unterschiedliche Prüfverfahren zielen auf unterschiedliche Ausfallarten ab. Eine Druckprüfung ersetzt nicht die Beurteilung der thermischen Ermüdung, und eine Dichtheitsprüfung belegt nicht die erreichte Betriebssicherheit unter allen Strömungsbedingungen.
SHPHEsgedruckter Leiterplatten-Wärmetauscher (PCHE)Die Literatur nennt Kanalspalte von 0,4–4 mm, einen Auslegungstemperaturbereich von −196 bis 850 °C und einen maximalen Auslegungsdruck von bis zu 1000 bar. Diese Werte dienen der Vorauswahl für die jeweilige Produktfamilie. Legierung, Steggeometrie, Normen und Betriebszyklen bestimmen die tatsächlich für ein bestimmtes Gerät zugelassene Kombination.
Ein Druckmaximum und ein Temperaturmaximum sollten nicht zu einem einzigen angenommenen Betriebspunkt zusammengefasst werden. Ebenso wenig sollte ein kryogener Bereich ab −196 °C als Nachweis der Eignung für Flüssigwasserstoffbedingungen angesehen werden.
Der verbundene Kern lässt sich nicht in einzelne Platten aufspalten. Daher sind die Reinheit des vorgelagerten Fluids und ein kompatibles, validiertes Reinigungsverfahren wichtige Auswahlkriterien. Bei Anwendungen mit großen Feststoffen, anhaltender Kristallisation oder dem Bedarf an uneingeschränkter mechanischer Bürstenreinigung kann eine andere Wärmetauscherkonstruktion sinnvoll sein.
Geben Sie Zusammensetzung und Phasenverhalten, Druck- und Temperaturbereiche, Wärmeleistung, zulässige Druckverluste und die zu erwartenden Betriebszyklen an. Berücksichtigen Sie Reinheits-, Abschalt-, Inspektions- und Wartungsanforderungen. Dies ermöglicht die Bewertung der Kanal- und Fertigungsoptionen als vollständiges technisches Design.
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