CN1011862B - 制造高效率的中空填充体的坯料和方法 - Google Patents

Abstract

一种用以生产高效能大体对称的中空填充体之制造坯料及方法，其步骤包括，由薄板材料制成坯料，此坯料包含有数个通常完全相同的板片，以细长片连接板片成线状串而且形成一中间带，将板片做成有凹槽状，使其纵向轴线的方向垂直于中间带，而且将中间带弯曲使其纵向轴线相互靠近，做成一个具有由对齐的孔所形成的中央核心的中空的填充体。

Description

本发明广泛的说是关于填充塔的化学反应操作中所用的填充体的制造方法。更具体的说，本发明是指生产高效率，高性能，而且大体对称的、中空的填充体的制造坯料和方法。

用于化学反应操作中比如吸附、脱附、萃取、涤气、热交换及其他相似的操作中的填充体，是现有技术所熟知的。典型的做法是将大量实际上相同的填充体以随机倾倒的方式填入反应塔中。在反应塔中填充以包含有序排列实际相同的填充体的结构填充料也是已知的。在这两种应用中，填充体的功用是加强填充塔中逆向液流间的接触和相互作用以提高有关的化学反应程序的效能及速率。填充体完成此功能是通过提供大量的可润湿面积且使塔内的液流分裂形成许多个别的液滴和细流因而促进不同反应流体间的混合。

最近发展出高效率、高性能的填充体，它在其内部体积和外部表面积上整齐地分布着开放的蜂巢状单元体。这些高效率的填充体提供了最大的可润湿面积而对流体的流动限制最小，而且对于在填充塔内的方位比较不敏感。因此可将此填充体倾倒入反应塔中而不必害怕其阻挡流体的流动，而且较大量的流体可以较高的速率通过体积较小的反应塔，从而实际上提高反应的效率和降低成本。

但非常可惜的是，这些改良的，高效率的，几何形状相同的填充体很难用经济的方法制造出来。现有技术的制造方法包括浇铸、喷射注塑和挤压成型这些过程。所有这些技术都存在这样一个缺点，就是填充体能够由模具中挤出或脱出而在一定程度上降低理想填充体的均一的径向 对称性。虽然可用失腊法或类似技术来浇铸复杂的结构，但这是非常昂贵而且费时的方法。还可以用多件式喷射成型法来生产实际均一的填充体，但是这些方法同样是非常昂贵的。

更重要的是，许多高温的或化学反应强烈的系统要求在反应塔中应用金属的填充体。然而到目前为止，还不能用金属来制造高效率、高性能、大致对称的，中空的填充体。多数现有技术的金属填充体是由轧制的金属坯料制成，这些坯料在轧制前先将其冲孔或冲压。轧制的填充体通过是球形或圆管状而且包括有内部的突起以提高效率。但是其效能远在理想的高效率填充体之下。

因此本发明的主要目的是提供一种可用各种材料包括金属、塑料和陶瓷来制造高效率、高效能、实际上均一而对称的中空填充体的方法和相应的坯料。

本发明的进一步目的是提供一种不用昂贵的浇铸、注塑或挤压成型方法而能便宜地大量生产高效率、高性能、实际上均一而对称的中空填充体的方法及坯料。

这些目的和其目的的达到，是由于本发明提供了一种可由多种材料制造出高效能的、对称的、具有均一几何形状的中空填充体的制造方法。本发明的方法适合制造多种形状及几何构造的物体，包括非常复杂及高效率的填充体，而只需使用简单及经济的薄板材料和制造技术。

根据本发明，可由薄板材料坯料生产出实际上对称的中空管柱填充体。这种薄板平坯料通常做成由一个或多个细长片连接成线状串的多个相同平板。此相互连接板片的线状串可由一整片的薄板材料切割或冲压出所要的部分而得到，也可以将各个独立的板片以一或多个细长片来连接相邻板片的外缘而将其依次绑在一起。任何一种构造都是可取的，而且在两种构造中此细长片定出一个将板片连接成一线状串的中间带。

当坯料制造时或做成以后，各个板片通过成形做成有一个凹槽的形 状而使其纵向轴线的方向垂直于中间带。成形通过将各个板片在沿纵轴的同一方向上用冲压、摺叠或弯曲的方法实现，这样使所有如此形成的纵轴通常在同一个平面上而且平行。

凹槽的形状其截面可以是弧形的或三角形或此两种形状的组合。三角形的凹槽可以是锐角也可以是钝角，视坯料中板片的数目及所要生产的填充体的最终构造而定。此外各个板片的表面可以使其呈指状或弓形突出以及钝锯齿状和附加的折摺，以增加可润湿的表面积及液滴形成的数目。为了容易制造，这些附加的表面要素最好安排成平行于各板片的纵轴，但其他的排列方式也是包含在本发明的范围内。

实际上相同的，由细长片的中间带相互连接的有凹槽板片的坯料做好以后，对中间带的细长片进行弯曲使有凹槽的板片之纵轴相互接近，呈实际上是平行的排列。此结构最后使填充体有一中空的内部结构，带有一个由板片对中轴线确定的中央纵向核心以及一个由弯曲的细长片确定的大致平伏的外部中间带。填充体的外部形状通常是决定于板片最初的形状。例如，圆形的板片则做成圆球状的填充体而多角形的板片则做成多面的填充体。

熟悉此技术的人知道，不同数目的板片串联可以做成有不同密度的填充体。同样地，利用本发明的方法，通过将初始坯料设计成适当的形状，可以得到几乎是无限多的不同形状的填充体。

不将坯料的制作及成型分开成两步骤，而将开始的坯料即做成线状串的相互连接有凹槽状的板片也同样是包括在本发明范围内。这种方法对于整体单块的坯料或多块的用平的细长片连接起来的坯料两者皆适用。但是，对于有指状或弧形凸出部分的板片，则以将制作及成型两步骤分开的方法较恰当。

此制造用坯料可以用任何适合的材料或组合材料包括金属及塑料做成。例如单块线状串板片可以由金属或塑料板冲出。相同的，单个的金 属板片则可以用一个或多个平的金属细长片连接起来。而独立的金属板片也可以用塑料细长片连接，或反之亦可。

在本发明的一个较佳实施例中，制造用坯料的各个板片由同心的弧状部分用辐射状延伸的支柱连接成中间均匀分布着蜂巢状的洞。另外，各个板片亦可以用有洞的网状材料比如金属网做成。对于各板片为实心及没有穿孔的亦都包括在本发明范围内。

由下面的详细描述及先作简要说明的附图将使熟悉此技术者对本发明有进一步的了解。

图1    为典型的制造用坯料的正视图，用以说明本发明;

图2    为图1制造用坯料的侧视图;

图3    为图1及图2坯料所做成的一完整填充体的俯视图;

图4    为图3之填充体的侧视图;

图5    为另外一种板片构造的部分坯料的正视图;

图6    为另一种板片构造的部分坯料的正视图;

图7    为另一种板片构造的部分坯料的正视图;

图8    为另一种板片构造及坯料结构的多片式坯料的部分坯料正视图;

图9    为具有指状及弧形部分凸出的另一种板片构造的制造用坯料的部分坯料正视图;而

图10为图9实施例的侧视图。

详细参照附图，图1至4为依照本发明精神所做成的制造用坯料及高效能，实际上对称，中空的填充体的一个实施例。坯料10包括数个以细长片30及32连接成线状串大致相同的板片12，14及16。坯料10由薄板材料使用任何已知的薄板制造程序包括冲压，打孔及切割等方法制成。这些坯料制造技术是可取的，但对那些不适合用此类制造技术的坯料10的材料而将坯料10铸成薄板状的情况，亦包括在本发明范围内。例如， 虽然用金属或塑料做坯料10较佳，但某些化学程序的应用可能需要独特的陶瓷材料或强化塑料，而这些材料就不适合用打孔或冲压的制造方法。

应注意到，虽然坯料12、14及16各有数个洞28，在本发明中洞的存在并非是必需的。同样的，在本发明的坯料10中，并非必须使所有的板片完全相同。因此可以使某些板片有洞28而其他的则为实心的。同样的，坯料中不同的板片洞的数目可以不一样，或某些板片的尺寸或形状和其他的板片可以稍有不同。但通常以坯料10中有相同的板片12、14及16较佳，这是由于其制造较简单，而且依照本发明它可以制成具有所要求对称程度之中空填充体。

细长片30及32使相邻板片连接成线状串，形成坯料10且形成一中间带连接线状串的板片。假如需要的话，则图1及2中的板片16可另外有一细长片34。同样的，板片12亦可另外有一相同于细长片34的细件（并未画出）。在本发明的实际应用中，此附加的细长片并非是必须的，但是由于它们可以组成中间带，最后用来做成中空的填充体，所以是希望有的。

参照图2，该图为坯料10的侧面图，表示板片12、14及16沿着其纵轴36、38及40，即通常垂直于由细长片30、32及34形成的中间带之轴线，而做成凹槽状。此板片12、14及16的成形可在原来的制造步骤中将坯料10弯曲或摺叠而成形，或在坯料制成后再成形。比如，在最初将薄板材料冲压成坯料10，可以使制出的坯料为具有适当凹槽的板片12、14及16。两种方法皆可。于图2中，板片12、14及16的凹槽其截面为三角形。凹槽为弧形或曲线状或是这两种形状的组合也都包括在本发明范围内。例如，只要保留着纵轴36、38及40，则可以增加各板片的摺叠或表面的钝锯齿状以同时提高强度、硬度及表面积。

本发明制造高效率填充体的方法，是将做好且成形的坯料10及将中 间带的细长片30、32及34弯曲使得纵轴36、38及40如图3及4中实质上平行排列相互接近。虽然图3及4中细长片30、32及34是呈弧状弯曲，但在本发明操作中并非是必需的。熟悉此技术的人知道，只要细长片的尺寸适当，有足够的材料使板片12、14及16间隔开的距离达到最后的摺叠或弯曲形状，则细长片30、32及34可以有许多种不同的弯曲形状。这些形状包括三角或多角形和钝锯齿状以及直条状。这些形状并没有画于图3及4中。

因此，制成有数个板片12、14及16以细长片30、32及34相互连接的坯料10，再将板片12、14及16依其轴线36、38及40做成凹槽状，则可将由细长片30、32及34形成的中间带弯曲生产出如图4所示的实际上对称的中空填充体。此填充体的外部形状决定于板片12、14及16的形状，而内部的核心由其轴线36、38及40决定。洞28均匀地分布于由坯料10制成的填充体内部，使得填充体对于填充塔内的流体流动的方向相当不敏感。

本发明中坯料的板片的数目可根据填充体所需密度大小而改变。例如，两完全相同的板片做成的填充体其内部的密度最小。相反的，实际上可将数目不限的板片相互连接成坯料做成密度很高的填充体。因此改变板片的数目和改变各个板片中洞的数目，可以制造出具复杂几何形状的高效率、高效能填充体，这是使用以往所知的技术所无法制造出来的。此外，本发明的方法使得可由金属及其他材料制造出如此复杂的结构却不会伤害到最后填充体的对称性。因此，本发明可以使用传统薄板材料的制造技术比如冲压、冲孔及弯曲等经济的方法制造出高效率的金属填充体。使用不需要维持最后形状的系结物的单一制造坯料，则可实现更经济的结构。结果，本发明的方法特别适合于具有最少的步骤的自动生产技术。

依照本发明的精神所造出的填充体的最后外部结构取决于做成制造 坯料的板片的原来形状。图5至10指出本发明的另外一些典型具有不同特征的实施例。例如，图5中板片18是由同心的弧形组件42及44及数条辐射状的延伸支柱46相互连接形成许多均匀分布的中空蜂巢单元48。细长片50及52由板片18部分区域延伸出，形成中间带连接相邻板片（并未画出）使成线状串。此较佳的典型板片形状使得其具有十分高的内部对称性，此填充体对填充塔中的流体流动的方向特别不敏感。此外中空的蜂巢状构造提供了最大的可润湿表面积及在弧形组件及支柱交叉的地方提供了最多的液滴形成点。熟悉此技术的人知道，可以用任何数目的弧形组件及支柱使得板片构造具有实际上数目不限，的中空蜂巢单元。此外，虽然在这些实施例中所讨论到的是圆形板片，但也可以用三角或多角形的板片来制造出不同形状的填充体。

根据这些说明，图6表示出本发明的另一实施例，其中板片20是一矩形板片，数个洞54均匀的分布于其平面上。细长片组件56及58由板片20的部分区域延伸出，形成中间带连接相邻板片（并未画出）使其形成线状串。

相同的，图7表示出坯料10的另一实施例，其中板片22是三角形。图7同时表示出本发明的又一修改，其中具有多条细长片60、62、64及66由板片22的部分区域延伸出来。细长片60至66形成一理论上的中间带，使此实施例中的板片（并未画出）相互连接成线状串。由包含有数个相同的板片22的制造坯料所做成的填充体其外部的构造通常是角锥状。附加的细长片64及66的功用是提供另外的可润湿表面积及液滴形成点，以及对于如此做成填充体的外部边缘可做为一外部稳定的中间带。

熟悉此技术者可以知道，在实行本发明方法中可以使细长片另外具有洞、指状或弧形凸起（并未画出）或凹槽（并未画出）以增加其表面积。此外，如图7所示，还可以使用多条的细长片来连接制造坯料的相邻板片使其成线状串，它可以另外提高填充体的效能。

现在轮到图8，本发明的另一实施例表示于其中，此制造坯料并非完整一片式的，是将各个独立的板片以连续不断的细长片系在一起。因此，代表的板片24如图所示经由沟洞70及72以细长片68系住连接在一起。板片24如图所示是网状的多角形板片。此网状板片24可以用金属、玻璃纤维、塑料或其他适合的材料做，且其可提供较多的可润湿表面积及液滴形成点。此外，此非单一件式结构可减少由传统的冲压及切断技术所产生的废料，它可以选择当尺寸的原料很容易的制作出实际上完全相同的板片坯料而废料最少。通过应用大量生产的细长片68，将其切成适当的长度，连接适当数目的板片形成坯料具有所需的形状和最终密度的坯料，也可以取得相同的经济性。

为了提高依本发明方法所生产出的填充体之效率，也可以使制造坯料具有许多指状凸起或弧形凸起带以增加液滴形成点的数目。图9及10表示另一种板片26，它具有延伸的细长片74及76以形成理论上的中间带，和冲出的弧形带78及80和指状凸出82及84。熟悉此技术者知道，可以在本发明的最初成形步骤将薄板材料压断或冲出弧形凸出78及80和指状凸出82及84。具有弧形或指状凸出的板片的本发明的实施例最好在将板片压成为凹槽状前即将薄板材料冲出弧形及指状凸出。但这样做本发明方法的中并非是必须的，因为也可以做出有弧形及指状凸出且具有适当凹槽状的坯料。应当了解，在所有这些讨论过的实施例中，还可以依需要做出多种不同形状和位置的洞。

熟悉此技术者可以知道，依本发明精神所制成具有摺叠构造的填充体必须具有某种程度的结构刚度以承受在填入填充塔操作时十分严苛的压力。通过增加摺叠的次数或细长片可增加其强度，还可以选择具有适当强度或厚度的初始材料以提供所需的刚性。通常金属坯料具有约0.5毫米的厚度即可适合于大多数金属填充体的应用。此材料已十分坚硬可以方便地用传统薄板金属成形技术实行本发明的方法。

当将填充体填入填充塔中时，估计到填充体间会有某种程度的相互连结和形成网状。但由于在填充体内完全没有杯状或封闭的表面，而且由于填充体内部的结构实际上是对称的，所以对填充塔性能，此相互连结并没有显著的影响。此外，通过用附加的细长片连接制造坯料中的板片可以减少填充体相互的连结。如图4所示，细长片30、32及34形成一通常是平伏的中间带以避免板片12、14及16间的相互连结。如图7所示的附加中间带可以防止相互连结同时可以增加结构的刚度。

图2所示的填充体三角形凹槽的截面形状将由锐角复成钝角，这取决于坯料中板片的数目以及所制造出填充体结构的最终密度。具有板片数较少的填充体其板片可做成钝角状的凹槽，而若填充体包含有许多相互连接的板片，则可使其凹槽成锐角状。对于弧形结构的凹槽此原则亦相同。

本发明的制造坯料及方法经过对一些有代表性实施例的详细说明，对于熟悉此技术者可以很容易的以相同的构造及步骤对其做不同的修饰及改良，但它仍然包括在本发明精神及范围内。例如，可用不同的成型技术来生产制造坯料，以及用各种不同的凸起来取代弧形及指状凸起。因此，本发明的范围只受下面权利要求书所限定。

Claims (7)

1、一种制造用于填充塔的高效率，高性能，大体对称的中空填充体的方法，该方法包括以下步骤：

做出薄板材料的坯料，该坯料包括多个板片，该板片由至少一个细长片连接成线状串，该细长片连接相邻的板片并定出一个连接该板片的该线状串的中间带；

将每个该板片压出凹槽，使凹槽的纵向轴线一般垂直于该中间带；以及

弯曲该中间带，将每一个该成形的板片的该纵向轴线大致平行地互相紧靠，从而形成一个具有由该轴线决定的中央核心的中空填充体。

2、一种如权利要求1的方法，其特征在于，每一个该板片做成带有多个一般为均一分布的蜂巢状单元体。

3、一种如权利要求1的方法，其特征在于，该板片做成大致为多边形。

4、一种如权利要求1的方法，其特征在于，该板片做成带有多个指状凸出部分。

5、一种如权利要求1的方法，其特征在于，该板片做成带有多个弧形凸出部分。

6、一种制造用于填充塔的高效率，高性能，大体对称的中空填充体的方法，该方法包括以下步骤：

做出薄板材料的坯料，该坯料包括由至少一个细长片整体连接成线状串的多个板片，该细长片连接相邻的板片并定出一个连接该板片的该线状串的中间带，每一个该板片带有多个均一分布的蜂巢状单元体;

将每个该板片压出凹槽，使凹槽的纵向轴线一般垂直于该中间带;以及

弯曲该中间带将每一个该成形的板片的该纵向轴线大致平行地互相紧靠，从而形成一个具有由该轴线决定的中央核心的中空填充体。

7、一种制造用于填充塔的高效率，高性能，大体对称的中空填充体的方法，该方法包括以下步骤：

做出薄板材料的坯料，该坯料包括多个带凹槽的板片，每个该板片有一个纵向轴线，该板片由至少一个细长片连接成线状串，该细长片连接相邻板片并定出一个其方向大致垂直于每一个该板片的该纵向轴线的中间带;以及

弯曲该细长带，将每个该带凹槽的板片的纵向轴线大致平行地互相紧靠，从而形成一个具有由该轴线决定的中央核心的中空填充体。

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