揭秘 BPHE 核心：銅箔在釬焊板式換熱器中的關鍵作用

精華摘要

• 關鍵材料： 銅箔在 BPHE 中作為主要的釬焊材料，負責將不鏽鋼板片牢固結合，形成密封且耐壓的整體結構。
• 性能提升： 銅的卓越導熱性（約 400 W/m·K）極大提高了 BPHE 的熱交換效率，而其熔點特性適合真空釬焊工藝。
• 設計優勢： 使用銅箔釬焊使得 BPHE 無需密封墊片，結構更緊湊、重量更輕，適用於高溫高壓及空間受限的應用。

了解 BPHE：簡要概述

釬焊板式換熱器（Brazed Plate Heat Exchanger, BPHE）是一種高效、緊湊的熱能交換設備。它由多層經過特殊設計的波紋狀不鏽鋼板片堆疊而成。這些板片之間形成通道，讓兩種不同的流體（例如水和冷媒）在各自的通道內流動，通過薄薄的板片進行熱量交換，但流體本身並不混合。

上圖展示了板式換熱器的一般結構，BPHE 是其中一種重要的類型。

與需要橡膠墊片來密封的可拆卸式板式換熱器不同，BPHE 的板片是通過金屬（通常是銅）在真空環境下進行高溫釬焊連接起來的，形成一個永久性的整體單元。這種設計使其能夠承受更高的溫度和壓力。

銅箔在 BPHE 製造中不可或缺的角色

銅箔在 BPHE 的製造過程中扮演著至關重要的角色，它不僅是結構的黏合劑，更是性能的保證。

釬焊工藝：融合強度與效率

BPHE 的製造核心是真空釬焊工藝。在此過程中，極薄的銅箔（通常純度高達 99.9% 以上，厚度約為 0.05 毫米至 0.07 毫米）被精確地放置在每一對不鏽鋼板片之間。隨後，整個板片疊層被送入真空釬焊爐中。

上圖示意了 BPHE 內部緊密排列的波紋板片結構，銅箔在這些板片之間形成接合。

在真空環境下，爐內溫度升高至銅的熔點（約 1083°C）附近。高溫使銅箔熔化，依靠毛細作用力流入並填滿板片之間的微小間隙。真空環境防止了金屬在高溫下氧化，確保了接合處的純淨度和強度。冷卻後，熔化的銅凝固，將所有不鏽鋼板片牢固地焊接成一個堅固、密封的整體單元。這個過程無需使用任何傳統的密封墊片，從而避免了墊片老化、洩漏等問題，並賦予 BPHE 優異的耐高壓和耐高溫性能。

為何選擇銅？材料的優勢

選擇銅作為 BPHE 的主要釬焊材料並非偶然，而是基於其獨特的物理和化學特性：

• 適中的熔點： 銅約 1083°C 的熔點相對較高，足以形成強固的冶金結合，但又低於不鏽鋼的熔點，確保在釬焊過程中不會損壞板片本身。
• 良好的流動性： 熔融狀態下的銅具有良好的流動性（潤濕性），能夠充分滲透並填滿板片間的複雜間隙，形成無缺陷的接合。
• 優異的導熱性： 銅是熱的良導體，這一點對於換熱器至關重要（詳見下文）。
• 延展性與強度： 銅具有良好的延展性，同時形成的銅焊縫也提供了足夠的機械強度，支撐板片結構，抵抗壓力。

銅箔賦予 BPHE 的關鍵特性與優勢

銅箔的使用直接決定了 BPHE 的許多卓越性能。

卓越的導熱性：效率引擎

銅是自然界中導熱性最好的金屬之一，其熱導率約為 400 W/(m·K)，遠高於不鏽鋼（約 15-20 W/(m·K)）和其他潛在的釬焊材料。在 BPHE 中，熱量需要穿過不鏽鋼板片以及板片之間的連接處（即銅焊縫）。銅的高導熱性確保了熱量能夠以極小的阻力快速通過這些接合點，顯著提高了整體的熱交換效率。這意味著在相同的體積下，銅釬焊的 BPHE 能傳遞更多的熱量，或者在達到相同換熱效果時，可以使用更小的換熱器，從而節省空間和成本。研究表明，銅箔的使用有助於提升熱交換效率達 20-30% 或更高。

結構完整性與密封能力

通過真空釬焊形成的銅焊縫不僅僅是簡單的「膠水」，而是形成了連續的金屬接合。這種冶金結合非常牢固，使得 BPHE 能夠承受極高的工作壓力（例如，某些型號可達 30 bar 甚至更高）和溫度。同時，這種連續的金屬密封徹底取代了傳統的橡膠或聚合物墊片，避免了墊片材料老化、硬化、或被某些流體腐蝕而導致的洩漏風險。這使得銅釬焊 BPHE 在可靠性和使用壽命方面具有顯著優勢，特別是在嚴苛的工業應用或製冷循環中。

耐腐蝕性考量

銅本身對許多常見流體（如水、乙二醇、大多數冷媒和潤滑油）具有良好的耐腐蝕性。因此，在標準的 HVAC（暖通空調）、製冷和一般工業應用中，銅釬焊 BPHE 表現穩定可靠。然而，銅對於某些特定化學物質較為敏感，例如含硫化合物（如硫化氫，可能存在於沼氣中）、氨以及某些酸性或鹼性較強的溶液。此外，在水質較差（如氯離子含量高或硬度過高）且溫度較高（例如超過 70°C）的情況下，銅也可能面臨腐蝕或結垢的風險。在這些特定的腐蝕性較強的工況下，可能需要考慮使用其他釬焊材料（如鎳）或採用全不鏽鋼設計的換熱器。

緊湊與輕量化設計

釬焊結構使得 BPHE 的板片可以非常緊密地堆疊在一起，無需為墊片及其壓緊結構預留額外空間。相比傳統的殼管式換熱器或其他類型的板式換熱器，BPHE 在相同的換熱能力下，體積可以縮小很多，重量也顯著減輕。這對於安裝空間有限的場合（如緊湊型冷水機組、家用熱水系統）或對重量有要求的應用（如運輸工具上的空調）來說，是一個巨大的優勢。

視覺化比較：BPHE 釬焊材料特性（銅 vs. 鎳）

雖然銅是 BPHE 最常用的釬焊材料，但在特定應用中，鎳也是一種選擇。下方的雷達圖比較了這兩種材料在幾個關鍵性能維度上的相對表現，有助於理解它們各自的優勢與適用場景。請注意，這些評分是基於一般工程認知的相對比較，而非精確的實驗數據。

從圖中可以看出，銅在導熱性和成本方面具有明顯優勢，而鎳則在特定的耐腐蝕性（如抗硫化物）和接合強度方面略勝一籌。選擇哪種材料取決於具體的應用需求和工作環境。

BPHE 中銅箔的關鍵規格

為了確保 BPHE 的性能和可靠性，所使用的銅箔需要滿足一定的規格要求。下表總結了幾個關鍵的參數及其意義：

製造商（如 Alfa Laval, SWEP, Danfoss, Kaori 等）會嚴格控制所用銅箔的質量，以確保其生產的 BPHE 產品達到設計性能和壽命要求。

釬焊板式換熱器如何運作

了解銅箔的作用後，觀看以下影片可以更直觀地理解整個 BPHE 的工作原理。這段影片來自知名的 BPHE 製造商 SWEP，清晰地展示了流體如何在板片間流動並進行熱量交換。

影片中可以看到，冷熱兩種流體在相鄰的通道中以逆流（或並流）方式流動，波紋狀的板片不僅增加了換熱面積，也產生了湍流，進一步強化了熱傳遞效果。銅釬焊點確保了板片間的結構穩定和流體密封。

銅箔在 BPHE 中重要性的思維導圖

為了更系統地理解銅箔在 BPHE 中的多方面角色與影響，以下的思維導圖總結了核心概念：

這個思維導圖清晰地展示了銅箔如何從材料特性出發，通過特定的製造工藝，最終賦予 BPHE 一系列優異的性能，並廣泛應用於不同領域，同時也指出了其潛在的限制。

實際應用與注意事項

銅釬焊 BPHE 的常見用途

基於其高效、緊湊和可靠的特點，銅釬焊 BPHE 被廣泛應用於：

• 暖通空調 (HVAC)： 作為冷水機組、熱泵系統中的蒸發器和冷凝器。
• 製冷系統： 用於商業冷凍、工業製冷設備。
• 區域供暖與生活熱水： 在換熱站、家用燃氣壁掛爐中提供熱水。
• 工業過程： 用於油冷卻、液壓系統冷卻、化工過程熱回收等。
• 太陽能系統： 作為太陽能集熱系統的熱量交換媒介。

上圖展示了一個典型的銅釬焊板式換熱器成品。

何時應考慮替代方案（如鎳釬焊）

雖然銅釬焊 BPHE 適用於大多數場合，但在以下情況下，可能需要考慮使用鎳作為釬焊材料或選擇其他類型的換熱器：

• 處理含硫介質： 如沼氣、某些原油或地熱流體，硫化物會嚴重腐蝕銅。
• 氨製冷系統： 氨對銅具有強腐蝕性，通常需要全不鏽鋼或鎳釬焊的換熱器。
• 高氯離子水質： 在海水或含氯離子濃度非常高的水中長期使用，銅可能發生點蝕。
• 極端 pH 值環境： 在強酸或強鹼性流體中，鎳通常具有更好的耐腐蝕性。
• 超高溫應用： 在接近或超過銅正常適用範圍的溫度下，鎳基釬料可能提供更高的強度。

製造商通常會提供不同釬焊材料選項的 BPHE，並提供選型指南，幫助用戶根據具體的流體性質、溫度和壓力來選擇最合適的產品。

常見問題解答 (FAQ)

參考資料

• The Application of Copper Foil in Plate Heat Exchangers - Civen Inc.
• Brazed plate heat exchangers - Alfa Laval US
• Brazed heat exchangers - Danfoss
• 8.1 Brazed plate heat exchanger construction and denomination - SWEP Refrigerant Handbook
• Brazed Plate Heat Exchanger - Kaori Heat Treatment Co., Ltd.
• Brazed plate heat exchangers Product leaflet - Alfa Laval

推薦進一步探索

• 比較銅釬焊與鎳釬焊板式換熱器的差異。
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