CN101553336B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

热交换器由贯通其中的花式导管(4)形成。花式导管具有多种横向横截面形状，所述形状共同基本完全地覆盖所述热交换器(2)的横向平面。所述花式导管可以是导管对内的外导管(18)，该导管对由外导管(18)和内导管(22)形成。所述外导管可以具有正六边形的横截面，并且所述内导管可以具有圆形的横截面。可以通过使用能量束来选择性地重熔材料从而有利地形成所述热交换器。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及热交换器的领域。
背景技术
公布的PCT专利申请WO-A-2006/064202描述了一种小型热交换器和反应器(CHXR)，其可以用能量束方法(例如选择性激光重熔(SLR))来制造。以这种方式形成的小型热交换器能够以产生大的热交换表面积-体积比的方式为大量精密导管提供相关的复杂歧管构造。然而，这种热交换器的一个问题是，制造过程会非常不利地缓慢且昂贵。重熔材料以形成导管花费了大量的时间，因而在热交换器设计中需要重熔的壁材料越多，则制造该热交换器所需的时间就越长。另一个问题是，虽然理想的是具有薄的导管壁从而促进高水平的热传递，然而在壁的不同侧面之间存在的显著的压力差导致必须提供更大的壁厚从而承受由这种压力差产生的力。这种加厚的导管壁再次需要更长时间来制造并且降低了热传递的水平。
发明内容
从一个方面看，本发明提供了一种热交换器，其包括：
主体，该主体的一部分具有从其中穿过的多个基本平行的运送流体的花式(tessellating)导管，其中
所述花式导管的横向横截面具有一种或多种形状，通过重复地使用所述一种或多种形状使所述形状基本完全覆盖通过所述主体的所述部分且横于所述花式导管的平面。
本发明考虑到，花式导管的横截面所具有的形状配合在一起从而基本完全地覆盖横于那些导管的平面，使得热交换器的壁材料的量减小。这使得制造更快捷且更经济，同时也具有其它优点。花式形状提供如下构造，即：至少一些相邻导管可以具有相同的内部流体压力并且因而减小了施加在导管壁上的力，从而使得这种导管壁可以有利地变薄。
虽然可以理解存在许多具有覆盖平面的花式特性的形状和形状的组合，不过当花式导管具有一种规则地拼花(tessellate)以覆盖平面的形状时可以有利地简化热交换器的设计。
虽然可以通过各种形状来实现规则的花式拼装，不过特别优选的形状是正六边形。正六边形具有不是特别尖锐的内角(即，减小了潜在的应力集中)并且趋近于圆形横截面，这能够提供高强度以抵抗内部和外部压力。
每个花式导管可以形成导管对的外导管，该导管对的内导管沿外导管的至少一部分被置于外导管内。这样的管中管(pipe-in-pipe)构造能够提供高水平的热传递面积-体积比。花式外导管以如下方式基本完全填充热交换器主体的横向横截面的平面：即，避免了多余的“死区(dead space)”，而该死区会减小热传递表面积-体积比并且也会降低表面孔隙度。如果这些“死区”需要用材料来填充，则该材料需要重熔并且会增加制造时间。同时，容纳在外导管内的流体以提供高度热传递的方式围绕内导管。
内导管可以具有各种不同形状，不过对于使用相同量的材料而言，圆形横截面提供高强度。
内导管可以由臂保持就位，所述臂从内导管延伸到外导管。这种构造能够使热交换器主体内具有高强度。
回来考虑花式导管本身，花式导管可以设置成同心环，其中相邻的环被连接成接收不同流体。因此，花式导管的环可以共同产生与管中管构造等同的集合体，即使是不使用导管对时也是如此。也可以使用与这种同心环构造相结合的导管对。
本发明实施例减少形成热交换器主体所需材料量的效果使得被相邻花式导管完全围绕的花式导管将与相应的花式导管共用其所有的壁。这些共用的壁是整体式的(由单块材料形成)。
可以理解，在热交换器主体的边缘处，花式导管不被相邻花式导管围绕。这些边缘导管可以具有与热交换器主体内部的那些导管不同的形状并且也可以具有加厚的外壁从而更好地抵抗压力差。
可以通过在接近导管顶点处具有加厚的壁并且具有弯曲顶点而不是尖角，从而进一步增强导管。
虽然具有上述结构形式的热交换器是有利于制造的，不过它们特别适合由重熔材料制造，该重熔材料即：使用能量束重熔从而在添加待重熔的连续材料层之前形成主体的一部分的材料层。
可以理解，需要歧管来连接在热交换器主体内形成的导管，并且这些歧管将具有由热交换器主体的细致且复杂的形式所决定的复杂形式。使用重熔材料层来制造这样的歧管是高度便利的。
虽然与常规热交换器相比，根据本发明技术形成的热交换器可以具有大的表面积-体积比，不过在本发明的一些实施例中其可以制成超过5000m2/m3，或者在更优选实施例中超过10000m2/m3，或者在更优选实施例中超过15000m2/m3。相关联的热交换器的压降的增加会抵消上述增加中的一部分，不过可以通过使用大量的更短导管来解决这个问题。
从另一个方面看，本发明提供了一种制造热交换器的至少一部分的方法，所述部分具有穿过其中的多个花式导管，所述方法包括如下步骤：
提供待重熔的多个连续材料层；以及
能量束根据预定设计重熔每层的预定区域，在添加连续层之前执行所述能量束对每层的重熔；
其中每层接受能量束重熔的所述预定区域在所述层内形成固体结构并且重熔每层的所述能量束将每层的所述预定区域熔融成前一层的重熔区域；以及
所述花式导管具有一种或多种形状的横向横截面，通过重复使用所述一种或多种形状使所述形状基本完全覆盖横于所述花式导管且通过所述主体的所述部分的平面。
附图说明
现在参考附图仅通过示例的方式描述本发明的示例性实施例，其中：
图1示意性地示出了通过由多个花式导管形成的热交换器主体的横向截面；
图2和图3示出了可以完全覆盖横向平面的导管的形状的其它示例；
图4是示意性地示出了热交换器的制造过程的视图；
图5是通过少量导管对的截面；
图6是通过由导管对形成的热交换器的横截面，其中每对的外导管是花式导管；
图7是通过图6的热交换器主体的纵向截面；以及
图8示意性地示出了在一面附连有歧管的热交换器主体。
具体实施方式
图1示意性示出了通过热交换器主体2的横向截面。这个热交换器主体2由正六边形形式的多个花式导管4形成。这些花式导管4从热交换器主体2的中心开始被设置成同心环。交替同心环中的流动方向是相反的。因此，最中心的导管具有相应于图中的向上指出的流动方向，相邻的六个花式导管具有朝向图内向下的流动方向，并且以此类推。在花式导管4之间的共用壁是整体式的(由固体材料一体形成)。
在热交换器的主体2内，花式导管4被相邻花式导管完全围绕。形成这种花式导管的每个壁与其相邻花式导管4中的一个花式导管共用。所述壁朝向横截面的顶点被加厚从而更好地抵抗应力。此外，所述顶点是弯曲的而不具有尖角，从而减少应力集中。
在热交换器主体2的边缘处，花式导管4不完全被相邻花式导管围绕。因此，这些边缘花式导管5的形状可以不同于在热交换器主体2内的那些导管的形状。此外，相对于在热交换器主体内的壁，可以加厚这些边缘导管的最外壁，从而这些边缘导管5可以更好地抵抗最外壁上的更大压力差。
如上所述，通过适当的歧管(未示出)连接交替同心环从而使流体以不同的方向流动。这些流体可以是不同流体，例如在一组环中是可燃空气气体混合物而在另一组环内是待加热的水。含有可燃空气气体混合物的花式导管4的内表面可以涂覆有适当的催化剂从而促进燃烧。
图2示出了花式形状集合体的另一个示例形式，其可以被设置成形成热交换器内的花式导管4。可以理解，图2的视图是通过使用这种导管形状的热交换器的一部分的横向横截面。
图3示出了花式导管4的另一示例，在这个例子中，重复使用两个不同形状(即正方形和三角形)从而完全地填充平面。
可以理解，许多其它形式的花式形状和图案是可能的，并且使用这样的图案减少了所需的壁材料的量，因为在需要填充有过量壁材料的导管之间将不存在“死区”。
图4示意性地示出了用于制造根据本发明技术的热交换器的装置。该制造技术可以与WO-A-2006/064202(包括制造技术和优选导管形式及特征的具体描述在内的全部内容通过引用的方式并入本文)中所描述的技术相同。具体地，粉末材料的漏斗6被用于连续地分配该粉末材料从而通过辊8来分布在形成区域10的目标主体的上表面上。部分形成的热交换器主体12被示出。这个部分形成的热交换器主体12具有通过辊8而遍及其上表面分散开的粉末材料薄层。由例如激光器14和扫描镜16产生的扫描能量束被用于在所述部分形成的热交换器主体12上的所需点处选择性地重熔该粉末材料的部分，从而为下一层形成固体壁部分。这样，以导管之间的壁是固体整体式结构的方式逐层地构建了热交换器主体12的三维形状。这种制造技术允许在所生成形状的三维形式中实现很大程度的灵活性，并且因此允许实现这里描述的复杂且细致以及精密形成的热交换器形状。
图5示出了通过根据一个示例性实施例的热交换器主体的横向截面的小部分。在这个示例性实施例中，花式导管具有正六边形18、20形式的横向横截面。在这些花式导管的每个导管内放置有具有基本圆形横向横截面的内导管22、24。臂26在外导管18、20(花式导管)与内导管22、24之间延伸。外导管18、20和内导管22、24形成导管对，每个导管对均具有一个外导管18和一个内导管22。
在所示示例中，外导管18、20朝一个方向(例如从附图平面向上)运送流体，而内导管22、24朝相反方向(例如，向下朝附图平面中)运送流体。由于外导管18、20与朝相同方向运送相同流体的其它外导管相邻，因此它们将趋向于在形成这些外导管18、20之间的边界的壁的任一侧上具有相同的内部压力。这会减小在这些壁上的应力，并且能使它们更薄从而需要使用更少的材料。可以理解，由于通过壁和臂26的热传导以及直接来自在导管内越过内导管22、24的壁的流体的热传导，从而也会发生热传递。
内导管22、24平行于外导管的至少一部分并且沿外导管的所述至少一部分延伸，从而形成管中管构造。
图5给出的尺寸用于一个示例性实施例并且以毫米为单位。从中可以看出，这个示例性实施例的热交换主体提供具有0.2mm壁厚的精密导管。这种类型的结构非常适用于用图4的选择性激光重熔技术来制造。
图6示出了通过热交换器主体28的横向截面，该热交换器主体28由大量图5所示的导管对18、22形成。在热交换器主体28的外边缘处的导管对可以具有不同形状(横截面)，或者在这个示例性实施例中具有相当厚的壁。这样的热交换器28可以实现热交换表面积与热交换器容积之间的高比值。本技术可以被用于获得大于5000平方米/立方米的所述比值。更优选的实施例可以将所述比值增大到大于10000平方米/立方米或者甚至大于15000平方米/立方米，但是压降可能会有相应的增加。
图7是通过热交换器28的纵向截面，其示出了在一个示例性导管对中的外导管22和内导管18。
图8示出了带有歧管30、32的热交换器主体28，所述歧管30、32分别与外导管22和内导管18连接。这些歧管30、32具有复杂的形式并且非常适用于使用选择性激光束重熔技术来制造，因为歧管通路(包括许多收集器)必须穿过彼此之间并且汇聚并合并成主入口和出口。应该理解，虽然未在图8中示出，但是在热交换器主体28的相对面上可以提供相应的歧管。

Claims (16)

1.一种热交换器，包括：
主体，该主体的一部分具有从其中穿过的多个基本平行的运送流体的花式导管，其中
所述花式导管具有一种或多种形状的横向横截面，通过重复使用所述一种或多种形状使所述形状基本完全覆盖横于所述花式导管且通过所述主体的所述部分的平面，以及
其中所述花式导管是各自导管对的外导管，每个导管对是外导管和置于所述外导管内覆盖所述外导管的至少一部分的内导管。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中所述花式导管具有一种形状的横向横截面，所述一种形状规则地拼花从而覆盖所述平面。
3.如权利要求2所述的热交换器，其中所述花式导管具有正六边形横向横截面。
4.如权利要求1所述的热交换器，其中导管对内的所述外导管和所述内导管相连接以接收各自不同的流体。
5.如权利要求1所述的热交换器，其中所述内导管具有基本圆形横向横截面。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中在导管对内，多个臂从所述内导管延伸到所述外导管从而使所述内导管保持就位。
7.如权利要求1、2和3中任意一项权利要求所述的热交换器，其中所述花式导管被设置成同心环，相邻环内的花式导管相连接以接收各自不同的流体。
8.如权利要求1至6中任意一项权利要求所述的热交换器，其中相邻花式导管具有多边形横向横截面并且在相邻花式导管之间的壁被共用，使得被相邻花式导管所完全围绕的花式导管的所有壁是共用壁。
9.如前述权利要求1所述的热交换器，其中作为没有被其它花式导管完全围绕的花式导管的边缘导管具有与所述一种或多种形状不同的横向横截面。
10.如权利要求9所述的热交换器，其中所述边缘导管具有与相邻花式导管共用的至少一个壁以及不与相邻花式导管共用的且比与所述相邻花式导管共用的至少一个壁厚的至少一个壁。
11.如权利要求1至6中任意一项权利要求所述的热交换器，其中所述花式导管的导管壁在接近所述一种或多种形状的顶点处被加厚。
12.如权利要求11所述的热交换器，其中所述导管壁在所述顶点处弯曲。
13.如权利要求1至6中任意一项权利要求所述的热交换器，其中所述主体是由重熔材料形成的，该重熔材料是被能量束重熔从而在添加连续层之前形成所述主体的一部分的材料层。
14.如权利要求1至6中任意一项权利要求所述的热交换器，包括：连接于所述花式导管的一个或多个流体歧管，所述一个或多个流体歧管是由重熔材料形成的，该重熔材料是被能量束重熔从而在添加连续层之前形成所述歧管的一部分的材料层。
15.如前述权利要求1至6中任意一项权利要求所述的热交换器，其中所述热交换器具有大于下列各项之一的表面积-体积比：
5000m2/m3；
10000m2/m3；以及
15000m2/m3。
16.一种用于制造热交换器的主体的至少一部分的方法，所述部分具有穿过其中的多个花式导管，所述方法包括如下步骤：
提供待重熔的多个连续材料层；以及
能量束根据预定设计重熔每层的预定区域，在添加连续层之前执行所述能量束对每层的重熔；
其中每层接受能量束重熔的所述预定区域在所述层内形成固体结构并且重熔每层的所述能量束将每层的所述预定区域熔融成前一层的重熔区域；
所述花式导管具有一种或多种形状的横向横截面，通过重复使用所述一种或多种形状使所述形状基本完全覆盖横于所述花式导管且通过所述主体的所述部分的平面；以及
其中所述花式导管是各自导管对的外导管，每个导管对是外导管和置于所述外导管内覆盖所述外导管的至少一部分的内导管。
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