CN101636630A - 高效率热交换器和除湿器 - Google Patents

Abstract

一种热交换器(20)，包括：一对大体平坦的导热板(10)，布置成间隔开、大体平行的关系；间隔元件(22)，将该板(10)彼此分开，且在该板(10)之间界定分别用于在第一方向和第二方向上的流动的第一流动通道(26)和第二流动通道(28)；其中至少该第一通道(26)中的板被分割成翼片(14)，该翼片在该第一方向上彼此分离且与该第一方向垂直地从该板(10)偏移至多个偏移位置。

Description

高效率热交换器和除湿器

技术领域

本发明涉及可在最小热差条件下在主空气流或产物空气流与副空气流或工作空气流之间进行热交换的类型的高效率热交换装置。该装置可操作以提供热回收与通风用于家用，且也可用于蒸发冷却装置中。本发明还涉及与冷却装置结合使用的该高效率热交换器，用于进行空气除湿。

背景技术

一种形式或另一形式的热交换装置实际上存在于每一装置和处理中。操作的执行不变地释放热量形式的能量。若不需要，则热量通常经由设置有(例如)散热片的适当导热表面而释放至环境。如果热量过剩或如果热量可用于有用目的，则可提供一特定热交换器以将热量(例如)向外传输至另一系统。热交换可在不同介质之间进行：气体介质、液体介质及固体介质可根据所需要的性能而以所有组合相接触(interface)。本发明涉及空气对空气型的热交换器。不过实情是通过经由固体介质的传导而将热量从一空气流转移到另一空气流。

空气-空气热交换器最常见地形成为膜或板型热交换器。通过导热板或导热膜将主通道与副通道分离。主空气流和副空气流流过各自的通道且通过传导壁将热量从一空气流传输至另一空气流。为获得最优效率，空气流将被配置成在逆向流动中大体彼此反向地流动。在某些情况下，实际情况要求流动应以交叉流动进行，其中一流体与另一流体垂直地流动。大体而言，导热膜将由具有良好热传导性能的材料形成。因此可优选采用金属，具体而言，钢和铝。然而，在某些情况下，在材料厚度最小化的情况下，可使用具有较低导热性的材料。由于通过膜传递的热量与膜上的温度梯度成正比，因此减小膜的厚度可快速地抵消导热性的降低。

在某些膜和板热交换器设计的情况下可能出现的问题是在流动方向上沿热交换器的有害的热传导的存在。该问题在被设计成在低温度梯度上操作的高效率热交换器中是显著的。对于逆向流动配置而言，在流动方向上经由热交换器的热传导导致入口与出口之间的热差的减小。出于此原因，对于加热和通风系统中的热回收装置而言，常偏爱使用塑料材料。

先前已提议在热交换器中安装板，使得板自身在其平面内将热量从第一空气流传递至第二空气流。由邻近板之间的分离器而不是由板自身提供第一通道与第二通道的分离。由于分离器不再具有热传输功能，所以其可由绝缘材料制造，因此减小在纵向流动方向上的热流动的横截面。该类型的装置已示于JP58035387A中。尽管如此，可能由于在实现大表面区域时制造复杂性增加以及效率提升有限而尚未普遍采用该操作原理。尝试改良热交换效率的另一装置示于US5832992中。根据该公开，多个导线配置于垫子(mat)中，空气可流过该垫子。该导线相对紧密地聚集在一起，间距为导线直径的1.5至2.5倍。

与热交换紧密相关的另一领域为增湿(除湿)领域。在加热、冷却、通风和空气调节工业中，热交换及除湿或增湿密不可分。增湿一般较简单，因为熵的增加有助于该过程。然而，除湿需要能量且对设计者而言为相当大的负担。常规除湿器利用使用(例如)硅胶等的干燥剂轮(desiccant wheel)。干燥剂自通过其的空气流吸收湿气。通过吸收蒸气，释放大量能量，使空气流或干燥剂轮被加热。在冷却系统中，这吸收热降低冷却的有效性。也须周期性地通过蒸发掉已吸收的湿气而再生该干燥剂。该步骤也需要对应于液体的蒸发潜热的大量能量。从US5542968可知该类型的干燥剂轮。

对于高湿度空气而言，也已提出除湿的替代方式。通过将空气冷却至低于其露点，将发生蒸气的冷凝。尽管空气将保持接近100％的相对湿度水准，但其绝对湿度将降低。在随后将空气(没有水时)增温至其原始温度后，相对湿度将下降而绝对湿度将保持恒定。该方法理论上相对有效率，但实际上需要高效率热回收元件以便达成所需结果。出于此原因，该原理尚未广泛用于冷却和通风系统中的除湿。该类型的装置已描述于EP0861403A中。

发明内容

根据本发明，提供一种热交换器，包括：一对大体平坦的导热板，布置成间隔、大体平行关系；间隔元件，将所述板彼此分开，且在所述板之间限定分别用于沿第一方向和第二方向的流动的第一流动通道及第二流动通道；其中在至少第一通道中的所述板被分割成翼片，所述翼片在所述第一方向上彼此分离，且从所述板与所述第一方向垂直地偏移至多个偏移位置。

在优选实施例中，该热交换器，包括在至少第二通道中的所述翼片上的水保持表面，和用于润湿第二通道中的所述翼片的水源。以此方式，热交换器可用于间接蒸发冷却。

最优选地，该水保持表面仅设置在翼片的一个表面上。

水保持表面可为(例如)涂布或附着在翼片上的单独层或可形成为翼片的表面处理以提高其亲水性。

可通过蚀刻或类似处理以实现作为翼片表面的一部分的水保持元件(诸如粗糙化的表面)。

过去已发现具胶结性的材料(诸如波特兰胶结材料(Portland cement))用作水保持层是非常适宜的。可选地，可使用纤维材料。已发现，非常重要的是水保持层不应通过将板与副流动隔绝而阻碍从板的热传递。

在优选实施例中，挠性水保持表面设置于翼片上。通过设置挠性水保持表面，可在成形之前赋予翼片诸如液体保持表面的空间分布等的所需性质。翼片可接着便利地形成为所需形状。

在理想的实施例中，水保持层具有开放结构，使得在使用中，热交换介质可经由水保持层的开放结构而直接接触翼片表面。通过这种方法，增强了热交换器将热力热(thermal heat)与潜热传递至在其上流动的流体介质的能力。开放结构可包括形成水保持层的纤维材料的纤维之间的空间。纤维材料可为具有开放结构的纺织或无纺层。

纤维材料可通过粘合剂或其它类似方法而连接至翼片。优选地，粘合剂和纤维材料应使得在将翼片形成为所需形状时不会发生分层。在使用粘合剂的情况下，可选择粘合剂以提高翼片或水保持层的性能。因此，可选择粘合剂以具有水保持性质或导热性质或两者，且因此其可被认为形成这些层中的任一个的一部分。

对于间接蒸发冷却器而言，仅在第二流动通道中的翼片上设置水保持表面是有利的。在第一通道中设置水保持层可能由于绝热性质而导致在第一通道中从空气流至翼片的热传递系数降低。在某些市场上，在间接蒸发冷却器的第一通道中设置水保持表面也可能被法律所禁止。

本发明的优选实施例具有包括已印刷、喷涂或转印至翼片上的材料的水保持表面。此印刷材料可为亲水性的以便保持水，或可提供为通过表面张力或毛细作用而用以保持水的图案。该图案可(例如)包括材料隔离区域(isolated regions of material)，该隔离区域以允许水分保持同时使下层翼片的部分对空气流开放的距离而间隔。代替材料隔离区域或除材料隔离区域以外，也可设置提供所要水分保持的互连区域。

将材料印刷至翼片表面上的优选方法为喷墨印刷(inkjet printing)。

该喷墨印刷方法的特定优点为可将其非常准确地布置在翼片上或布置在随后形成为翼片的板上。这允许仅在第二通道中而非第一通道中提供水保持表面；其也允许水保持表面的图案化分布。

在间接蒸发冷却中，蒸发潜热产生冷却效应。为了确保在间接蒸发冷却器的湿通道中发生的此冷却效应高效地转移至干通道，应尽可能地在翼片表面处发生水分吸收(water uptake)。这确保冷源区与该干通道紧密热接触。

将翼片设置成从板的平面偏移至多个位置在间接蒸发冷却的情况下是特别有利的。如下文中将更详细地论述，相信设置在多个偏移位置的翼片减少了在翼片上流动的空气流内的层流边界流动。通过减少层流边界流动，实现在翼片表面处的更佳水分吸收，且这进而导致更有效率的间接蒸发冷却。

根据本发明的优选实施例，提供了根据本发明的热交换器的间接蒸发冷却器，优选为露点冷却器，其中本发明的热交换器在至少第二通道中的翼片上设置有水保持表面和用于润湿第二通道的翼片的水源。

根据本发明的热交换器的优选实施例，翼片在第一方向上顺序地布置成重复的组，每个重复组的翼片与第一方向垂直地彼此偏移。优选地，每个重复组的翼片从彼此偏移到至少五个偏移位置中的一个。在这方面，应注意，翼片相对于彼此的五个偏移位置可对应于相对于板的四个位置，因为一个翼片可与板的平面重合。通过以重复的组形成翼片，也能较容易地以自动化工序由适当的导热材料板制造翼片。

在本发明的优选实施例中，通道中的翼片各自从板分割，且形成为使得具有相同绝对长度。翼片的绝对长度被测量为在该翼片连接至板的点之间的沿翼片的轮廓的距离。翼片的绝对长度(L)在图9中示为与成形翼片中的一个平行延伸的虚线。

通过以相同绝对长度形成翼片中的每一个，可避免由于在板中形成翼片所导致的板的变形。

根据另一实施例，可从而将多个导热板以间隔开、大体平行的关系设置和布置于彼此上，且间隔元件在每一相邻对的板之间界定主流动通道和副流动通道。采用该方式，可产生堆叠式热交换器，其提供每单位体积的高热交换能力。

最优选地，间隔元件或多个间隔元件包括绝热材料。这可用来减少流动方向上的附加(parasitic)热传导。然而，优选地可能使用导热间隔件来增加从第一通道至第二通道的热传递。在这种情况下，热障是理想的以减少纵向热传导。

根据本发明的可选实施例，提供一种热交换器，包括：第一流动通道，用于在第一方向上的流动；第二流动通道，用于在第二方向上的流动；间隔元件，其将第一流动通道与第二流动通道相分离；和多个导热翼片，其延伸穿过该间隔元件且延伸至第一流动通道和第二流动通道两者中，至少第一通道中的翼片具有弦长且被布置成重复的组，由此每个重复组的翼片在该第一方向上相对于彼此错开且在与第一方向垂直的方向上彼此偏移，且由此在第一方向上相邻组中的对应翼片的间距对应于该弦长的至少三倍。

通过提供在流动方向上彼此间隔且在与流动正交的方向上彼此偏移的多个翼片，可实现热交换器的更大热传递系数。也可实现从润湿翼片表面的更大水分吸收(uptake)速率。

尽管不希望被理论所束缚，相信流动被每一翼片重复地中断，且翼片在流动方向上的有限长度减少边界层的形成。根据该理论，翼片配置成一矩阵，每一翼片具有在此矩阵内的谨慎选择的位置。在虑及以下事项的情况下选择每一翼片在矩阵内的位置。

相信随着介质(例如，气体)流过翼片，在翼片的表面处在流动内逐渐产生边界层，此产生已知为层流的现象。该边界层充当减少介质的主体与翼片之间的热传递的隔热层。结果是热传递由于介质沿翼片的长度流动而减少。在间接蒸发冷却器的情况下，相信该边界层在翼片表面之上产生高湿度空气层。该层由于其高湿度而具有减小的吸收水的能力。其也阻止来自空气流的主体的较不潮湿空气到达翼片表面而进行水分吸收。该边界层的存在因此是不利的，因为其减少热交换器中的热传递且减少间接蒸发冷却器中的水分吸收。

为减少热交换器中由于在翼片表面处产生的边界层而形成的层流，翼片在流动方向上的长度受到限制。通过这种方式，在翼片表面处形成边界层之前或一旦在翼片表面处形成边界层，介质便流动超过翼片。一旦介质流动超过了翼片，层流便逐渐回复至紊流。考虑到这一点，将在流动方向上成直线的翼片合适地间隔，使得在介质到达下游翼片的前部边缘处时，由上游翼片形成的层流已充分回复至紊流，使得良好热传递可再次发生。同样地，该下游翼片在流动方向上的长度受限且与再一下游翼片充分间隔，使得在介质到达下一下游翼片之前重新建立紊流。通过这种方式，充分避免层流、隔热流，且实现介质与翼片之间的良好热传递；和/或实现从翼片表面的良好水分吸收。

一翼片的前部边缘与流动方向上的紧接着的翼片的前部边缘之间的距离是间距(pitch)，优选间距为至少三个弦，更优选地为至少五个弦。弦长(c)为沿流动方向测得(参见图1和图6)的翼片的前边缘与后边缘之间的长度。

除以上考虑事项以外，在与流动方向垂直的方向上相邻的翼片应充分间隔以避免这些相邻翼片的边界层之间的过量干扰。

使用这些考虑事项，可提供翼片矩阵，其包括在流动方向上充分间隔以避免层流的翼片列和在与流动方向垂直的方向上充分间隔以避免过量边界层干扰的翼片行。

为实现更大热交换效率，提供大量翼片以及因此提供用于热交换的大表面面积是有利的。然而，此应在不影响前述考虑事项的情况下进行。

在优选实施例中，每一重复组包括n个翼片，且在第一方向上相邻组中的对应翼片的间距对应于n倍弦长。每一重复组的翼片优选从彼此偏移至n个偏移位置中的一个。更优选地，n至少为5，且每一翼片与下一相邻翼片间隔至少两个偏移位置。

用于形成导热板和翼片的材料应为良导体。金属因此是优选的，尤其优选为铝，因为其较轻且易于形成为所需形状。

对于大多数目的，优选地装置被配置成使得第一通道和第二通道以逆向流动来进行操作。尽管如此，也可使用交叉流动操作，具体而言，通过进行配置使得一个通道中的翼片的方向与另一通道中的翼片大体垂直。

根据本发明的重要方面，热交换器形成间接蒸发冷却器的核心。为此目的，提供在至少副通道中的翼片上的水保持表面以及用于润湿副通道中的翼片的水源。在副通道中流动的空气可从该水保持表面吸收湿气。湿气的蒸发潜热用来通过沿板的热传导而冷却在主通道中流动的空气。优选地，冷却器为露点冷却型，由此已(例如)通过分流掉主流的一部分而使副流预冷却。由于根据本发明的热交换器的效率增加，可以采用紧凑的多的结构而实现更低温度。

根据本发明的又一方面，提供一种除湿器，包括与冷却元件结合使用的上述热交换器。该除湿器配置成使空气流经过热交换器的主通道至冷却元件且使已冷却空气从冷却元件经由副通道返回。形成于热交换器中和冷却器处的冷凝水可被收集且通过合适的排水管而引导走。由于该热交换器的效率增加，除湿器的总效率显著提高。冷却元件可为常规空气调节单元或可替代地包括水冷装置。

为了用作为除湿器或蒸发冷却器，也可设置用于容纳热交换器的壳体、连接至主通道的入口管、连接自主通道和副通道的出口管、用于使空气通过主通道和副通道循环的空气循环装置、供水或排水部以及用于控制装置的操作的控制器。该装置可然后作为独立单元操作或可整合到更大的加热及通风系统中。另外，温度检测器、压力检测器、湿度检测器和其它这样的检测器可设置在该壳体内以监视操作，且在必要时提供反馈至该控制器。

本发明也涉及一种制造热交换器的方法，其包括：提供大体平坦的导热板；将该板形成为彼此连接且从板的平面偏移至多个偏移位置的多个长形翼片；将长形间隔材料条带应用至板以将其分隔成主流动区域和副流动区域；将第二成形板应用至间隔材料上；交替地应用条带和成形板以形成多个第一流动通道和第二流动通道。

在本发明的优选实施例中，将间隔材料作为框架提供。该框架包括多个基本平行的间隔元件，其彼此间隔且在其外端处连接至至少一支撑梁。该支撑梁用以将间隔元件保持成正确关系，使得可易于将其置于板的在主流动区域和副流动区域中间的部分。优选地，支撑梁仅用作临时支架且在间隔元件已固定之后例如通过切割或折断而移除。

通过使用框架，提供一优选方法，包括下列步骤：提供第一成形板；将第一间隔元件框架应用至该成形板；将第二成形板应用至该第一间隔元件框架；以及将第二间隔元件框架应用至该第二成形板。继续这样的步骤直至堆叠所需数目的板为止。以此方式可建构夹层结构的板和间隔元件的堆垛。

优选提供粘合剂以将间隔元件粘合至板。该粘合剂优选为热激活和/或压力激活粘合剂。其可被便利地提供作为间隔元件上的涂层。

可在每一框架布置步骤之后激活粘合剂。然而，优选制造方法包括产生夹层结构的板和间隔元件的堆垛，且然后将热和/或压力施加至该堆垛以便激活粘合剂。采用这种方式，对于多个板仅需进行一次粘合步骤。

激活热粘合剂的优选方法是使热空气穿过堆垛。

优选在堆垛粘合之后从间隔件元件框架移除支撑梁。

在替代实施例(其可结合间隔元件框架使用或替代间隔元件框架使用)中，基本平行的板形成为连续薄板。通过以类似手风琴(concertina)的方式折叠该连续薄板以形成为基本平行的板的堆垛。通过这种方式，可由单个材料薄板形成基本平行的板的堆垛。可因此获得更简单的制造处理。

在该处理中，将第一组间隔元件应用至形成为薄板的一部分的第一板；该薄板然后自己折叠回来以将该间隔元件夹在薄板的第一板和第二板部分之间；将第二组间隔元件应用至该第二板部分；且重复先前步骤以产生板的堆垛。

本发明进一步涉及一种制造热交换器的方法，(以不特定次序地)包括以下步骤：提供多个长形导热材料条带；形成在热交换器中将第一流动通道与第二通道分离的间隔元件；和将该长形导热材料条带结合到该间隔元件中，使得每一长形条带形成延伸穿过间隔元件且延伸至第一流动通道和第二流动通道两者中的导热翼片。

导热材料条带可以若干替代方式，诸如通过切细、切割或冲压导热材料板或通过挤压成形合适的导热材料而形成。

本发明的另一方面涉及一种制造蒸发冷却器的方法，(以不特定次序)包括以下步骤：提供多个导热翼片，每一翼片的至少一部分具有水保持表面；将该翼片结合到将第一流动通道和第二流动通道相分离的间隔元件中，使得每一翼片延伸穿过该间隔元件且延伸到该第一流动通道和该第二流动通道两者中，该水保持表面存在于至少第二流动通道中。

附图说明

在参照若干示例性实施例的以下附图后将理解本发明的特征及优点。

图1示出了根据本发明的第一实施例的热交换器的板的立体图；

图2示出了根据本发明的第一实施例的热交换器的一部分的立体图；

图3示出了图2的热交换器的前视图；

图4示出了建构为露点冷却装置的热交换器的立体图；

图5示出了本发明的热交换器可被配置成除湿器的方式的示意图；

图6示出了根据本发明的第二实施例的热交换器的一部分的立体图；

图7A至图7C示出了制造根据本发明的第二实施例的热交换器的第一方法的步骤；

图8A至图8E示出了制造根据第二实施例的热交换器的第二方法的步骤；

图9示出了用于热交换器的形成为翼片的板的一部分的前视图；以及

图10示出了包括图9的翼片的热交换器的前视图。

具体实施方式

图1示出了用于本发明的热交换器中的热交换元件1的立体图。热交换元件1包括由大约70微米厚的冷退火铝板形成的大体平坦的板10。板10包括沿板10在第一方向X上大体以直线延伸的分离器区域12。也将板10分割成一系列长形翼片14。翼片14大体在与方向X垂直的方向Y上延伸且每一翼片14通过狭缝16而与其相邻翼片分离。翼片14因此呈现在其末端处连接至分离器区域12的桥的形式。翼片14被布置成若干组18。组18中的每一翼片14A、14B、14C、14D、14E以不同量在方向Z上从板10的平面偏移。翼片14A及14D向上偏移而翼片14B及14E向下偏移。翼片14C位于板10的平面中。沿板10重复组18。每一翼片具有弦长c，其被取为在流动方向上在翼片的前边缘与后边缘之间的长度。

图2示出了由如图1中所述的若干板10形成的本发明的热交换器20的一部分的立体图。根据图2，板10呈堆叠关系地布置，且间隔件22位于相邻板10之间分离器区域12中。间隔件22包括既用来间隔板10又用来将其结合在一起的热塑性粘合剂。如图2所示，翼片14具有连接至分离器区域12的斜坡部分24。斜坡部分24辅助定位间隔件22且将其限于在沿分离器区域12的位置。如从图2也可看到，间隔件22将热交换器20分割成主流动通道26和副流动通道28。

图3示出了图2的热交换器20的前视图。如从图3可看出，间隔件22有效地形成使主通道26与副通道28分离的膜。也从图3可看出翼片14A、14B、14C、14D、14E的偏移关系。

图10示出了可选热交换器20的前视图。设置于图10中的间隔件22具有六角形横截面。类似于图2的间隔件22，该六角形横截面邻接翼片14的斜坡部分24，该部分形成协作底座，间隔件22配合于该协作底座中。以此方式，实现了间隔元件22的固定及准确定位。本领域技术人员将清楚，其它横截面可用于间隔件22。

图9也示出了图1至图3中所示的翼片结构的替代翼片结构。如图中可看出，图9中的翼片被形成为使得每一个与通道中的其它翼片具有相同绝对长度(L)。翼片的绝对长度被测量为该翼片连接至板的点之间的沿翼片的轮廓的距离，且由图9中标记为L的虚线示出。

当在板中形成翼片时，可能发生该板的不利扭曲，在通过对板进行冲压形成翼片时尤其如此。通过确保翼片全部形成为具有相同绝对长度，可避免这种扭曲。

可通过将大体平坦的导热板形成为彼此连接且从板的平面偏移至多个偏移位置的多个长形翼片的方法来形成图2、图3和图10的热交换器结构。可通过以下步骤来形成翼片：首先切割板以形成同一平面中的一系列相连接的条带，且其次然后对翼片进行冲压、弯曲、拉伸，或类似地成形为所希望的形状，以给出翼片14的所需偏移位置。

一旦已形成板，间隔件22被放置于分离器区成12中。这里，其临时由斜坡部分24保持。接着将第二成形板添加至间隔件22，使其分离器部分12置于间隔件的顶部上。接着重复这些步骤以构建如图2、图3和图10中所示的夹层结构的间隔件和板的堆垛。

可便利地将间隔件22提供为注射成形的框架，其包括多个平行间隔件，该平行间隔件在其末端处由支撑梁相连接，且被间隔为对应于板的分离器区域12。这有利地意味着可将间隔件成批地布置于板上。

间隔件22设置有热激活粘合剂的外表面。一旦已建构堆垛，便将热空气吹过该堆垛，且施加压力以将间隔件22朝向彼此推动。以此方式，粘合剂被激活且将堆垛粘合在一起。

在堆垛已被粘合后，移除在框架上的支撑梁。

在可选方法中，从多喷嘴挤压头直接将间隔件22挤压成形在分离器区域12中。间隔件优选与热激活粘合剂的梁共挤成形，该梁被布置成与上方和下方的板表面接触。该粘合剂提供了在制造过程中临时将堆垛保持在一起的初始粘性。在堆垛完成后，热空气通过堆垛以激活粘合剂，并沿着间隔件的线施加压力，以将堆垛推压在一起。

通过施加压力以压挤间隔件而实现精确的堆垛高度。

在图10中，设置有最终层，其密封通道26、28以形成用于翼片14上的空气流的通路。

图4的立体图示出了可如何将图2的热交换器20形成为露点冷却器52。图4所示的露点冷却器示出了建构露点冷却器的基本原理且并不限于本发明。所示的翼片14为可用于露点冷却器中的一种类型的翼片。然而，优选地，以根据上文中所示的原理确定的方式(图4中未示)布置翼片14，即，翼片应适当地间隔开以避免层流和边界层干扰。为简单起见，仅示出三十二个短通道，应理解，实际上板10可在所有方向上进一步大大延伸，由此通道26、28的长度和数目将更大。

根据图4，副通道28中的板10设置有液体保持层30。为便利起见，仅部分示出该层30。图4也示出了用于主通道26的入口管34。入口管34由延伸超过板10的间隔件22的材料形成。可接着通过合适的模制技术来使此材料形成为闭合入口管34。入口管34用来将入口空气流A从循环装置35引导向至主通道26，且使其与离开副通道28的空气流B保持分离。在用作为露点冷却器时，流B通常湿度饱和且将被排出。应理解，也可根据需要采用将管形成为用于主通道26或副通道28的入口或出口的其它方法。

在图4中也示出了水分配系统36。水分配系统36的形式是从供水部39引至用于将水的小水滴44喷射至副通道28中的出口42的一系列管道38。翼片14之间的狭缝16允许小水滴44穿过板10至位于下方的其它板10。也可使用替代性的水分配系统。优选配置为基本如国际专利公开案第W004/076931号中使用的Oxycell Rooftop 400蒸发冷却器中的系统，该专利公开的内容的全部内容通过引用结合于此。供水部39与循环装置35由控制器50控制。该装置可封闭于合适的壳体(未示出)中。

蒸发冷却器的高效操作的一重要因素为液体保持层30的性质。尽管被称为液体保持层，但应清楚地理解，该层事实上为液体保持和释放层。对该层的一个要求是易于放出其水分使得对蒸发的阻力最小。同样重要的是，其应将水快速且有效地分配至所有相关表面。其因此应为亲水性而非吸湿性的，优选地主要通过表面张力效应来保持水。

在图4的实施例中，液体保持层30由纤维材料形成。层30被示意性地示为具有非常开放的结构，从而可通过层30的纤维之间的空隙看见翼片14的金属。相信这会促进从翼片14的直接热传递，而不会闷住这些翼片。使用厚芯层的先前技术装置实际上隔绝了热传输层，从而阻止了热力热(thermal heat)的传递。用于形成水保持层30的示例性材料为可购自LantorB.V.(荷兰)的20g/m²聚酯/粘胶的50/50在混合物。另一示例性材料为可购自Colbond N.V.(荷兰)的名称为Colback^TM的30g/m²经聚酰胺涂布的聚酯纤维。也可使用包括合成及天然纤维(诸如羊毛)的具有类似性质的其它材料。若有必要，可涂布或以其它方式处理液体保持层30以提供抗菌或其它防污性质。

液体保持层30可粘合地连接至板10。为了配合如上文中所述的铝和Lantor纤维一起使用，已发现2微米的双组份聚氨酯(polyurethane)粘合剂层能提供优良结果。当作为该薄层存在时，其对热传递的影响是可忽略的。此外应注意，液体保持层的存在仅影响从板10到副流B的热传递，且不会对板10内在主通道26与副通道28之间的热传导有任何显著影响。已发现上述纤维状层对于制造目的是理想的，因为其可被设置为可为连续处理中的成形翼片及其它形状的迭层。也可使用诸如波特兰胶结材料的其它液体保持层，且事实上已发现其提供优越性质，尽管至今其生产更加复杂，因为若在形成热交换元件之前应用，则存在开裂或剥落的趋势。尽管如此，相信诸如氧化铝等其他精整表面本身可足以提供所需要的水分保持及芯吸作用。

现将描述如图4中所示的露点冷却器52的操作。主空气流A在温度T1下进入入口34且流过主通道26。流A由循环装置35驱动。流A通过向至板10传递热而冷却至接近其露点的温度T2。在从主通道26离开后，已冷却的主流A分开而形成已冷却产物流C和副流B。产物流C通过适当管道传递至需要冷却空气的任何位置。副流B经由副通道28返回。当副流返回时，其被来自板10的热传递加热且吸收从液体保持层30蒸发的湿气。在从副通道28离开后，流B将已回复至接近其原始温度T1但将几乎为100％饱和。流A与B之间的焓差表示可用于产物流C的冷却量。

在图4的配置中，应注意可经由板10从主通道26向在其两侧上的副通道28沿两个方向H传导热。也可在流动方向上传递热，这通常是不希望的。翼片14的存在减少了纵向热传递，纵向热传递在分离器区域12被限制。

图5示出了基于本发明的热交换器20的除湿器58的示意图。根据图5，除湿器58包括如参照图2所述的热交换器20。热交换器20包括主通道26和副通道28。也设有风扇64和具有冷却元件62的空气调节器60。空气调节器60是以致冷循环工作的大体常规装置。冷却元件62形成致冷回路的蒸发器盘管的一部分。滴盘66位于热交换器20的下方。槽沟66位于冷却元件62的下方。槽沟68和滴盘66连接至排水管70。图5中未示出被配置成连接主通道26的出口以将空气流输送至冷却元件62，且将冷却元件62连接返回至副通道28的入口的流连接。图中也未示出从副通道28的出口引至风扇64且从风扇64引至居住(habitable)空间72的流连接。

在使用中，除湿器58如下操作。风扇64操作以经由副通道28吸取空气且将其传递至可居住空间72。空气从环境吸入经过主通道26且流经冷却元件62。在主通道26的入口处进入除湿器58的空气具有温度T1及接近100％的相对湿度。在其穿过主通道26时通过向副通道28进行热传递而使其预冷却，热传递沿板10进行。由于空气冷却，存在于空气中的湿气冷凝且聚集在翼片14上，翼片之间的狭缝16允许已冷凝水排至滴盘66，水被收集于该滴盘中。为了便于冷凝水的收集，尤其是主通道中的翼片14可设置有合适的涂层以促进芯吸作用或水的排出。

在离开主通道后，空气将具有低于T1的温度T2。相对湿度将为100％。空气接着穿越冷却元件62，在冷却元件62处其与空气调节器60的致冷剂换热。空气冷却至更低温度T3。在通过冷却元件62的进一步冷却期间，空气遵循100％湿度的饱和线，且进一步冷凝出水。该水收集在槽沟68中且与来自水滴收集器(drip collector)66的水一起被送至排水管70。当已冷却空气离开冷却元件62时，其返回至热交换器20且穿过副通道28。当空气穿过副通道28时，其通过与在主通道26中流动的空气的热传递而增温。热交换的效率使得在副通道28的出口处，空气将实质上已达到其初始温度T1。然而，其已损失大量湿气且具有比环境空气的相对湿度低得多的相对湿度。

图6示出了根据本发明第二实施例的热交换器100的元件的立体图。根据图6，设置有间隔件122，其具有从其两个表面伸出的翼片114。该间隔件的任一侧上的区域形成主通道126和副通道128。不同于图1至图3的实施例，图6的热交换器的翼片114并非金属板的一部分。翼片114为单独地嵌入于间隔件122内的长形传导材料条带。每一翼片114是连续的且穿过间隔件122。以此方式，每个翼片114嵌入于间隔件122中，使得其伸入至主通道与副通道中。如自图6可看出，翼片114被布置成翼片114A至114E的组，其在间距上对应于先前实施例的位置。这些位置的其它变化当然也是可能的。此外，尽管描绘平坦条带，所提到的翼片旨在也包括更复杂的形状，包括机翼形状、杆、管等。图6的热交换器100也可结合到如图4的露点冷却器或图5的除湿器的装置中。

图7A至图7C示出了制造根据本发明的第二实施例的热交换器100的第一方法的步骤。根据图7A，示出了铝薄板104的供料部102。将薄板104送至切断机106，其产生具有宽度c的多个独立条带108。此尺寸在下文中将被称作弦长c。将呈间隔平行线的条带108的第一行112置于模具(未示出)上。每一条带108与其相邻条带的间隔距离为弦长c的四倍。将塑料材料的多个压条(bead)110以与条带108大体正交的关系挤压成形于条带108上。可从本领域公知的挤压喷嘴挤压成形压条110(在本文中不进行进一步描述)。

图7B示出了制造热交换器100的方法中的后续步骤。在挤压成形压条110之后，将条带108的第二行116置于压条110之上。第二行116中的条带108与第一行112中的条带108平行地延伸，但相对于第一行112的条带108错开两倍弦长c。其后，将压条110和条带108的另外的交替层应用于彼此上以形成三维结构。

图7C示出了完成的热交换器100。由于压条110的每一层以熔融形式挤压成形在下方的层上，其与下方的层中的压条110密切接触而固定。以此方式，产生连续的间隔件122，其具有从每一表面伸出的翼片114A至114E。不同于图6中所示出的热交换器元件，图7C的热交换器100包括多个主通道126和副通道128，由此翼片114A至114E在所有通道上是连续的。如本领域技术人员将理解，可在热交换器100的制造中实践众多变化。如在先前实施例中，条带108可由包括铜或复合材料的任何其它合适的导热材料形成。条带108也可设置有合适的涂层或覆盖物(具体而言，水保持层)以便提高性能。此外，尽管压条110和间隔件122被示为大体笔直，也可形成弯曲或波形壁以便提高结构强度。

图8A至图8E示出了制造根据第二实施例的热交换器的第二方法的步骤。根据图8A，提供模具130，其包括上半部132和下半部134。上半部132和下半部134在形状上大体互补，且具有在第一方向上延伸的阶梯表面136A至136E和在大体与第一方向垂直的第二方向上延伸的纵向凹槽138。

在图8B中，将多个铝条带108放置在下半模具134的阶梯表面136A至136E上。条带108可由诸如图7A的切断机106的装置产生，或可作为预切割的条带直接供应。也可能通过模具130或适当的压力机的动作来将板切割成条带108。

在图8C中，将上半模具132放置于下半模具134之上以闭合模具130。根据常规注射成形技术而将熔融塑料材料140注入至凹槽138中。

在图8D中，在冷却塑料材料后，打开模具130。塑料材料140已固定而形成呈大体矩形格栅的形式的热交换元件142，其中条带108作为翼片114A至114E而嵌入到间隔件122中。

在图8E中，热交换元件142与其它类似元件142堆叠以形成具有主通道126及副通道128的热交换器100。将合适的粘合剂材料144应用于相邻元件142之间以便形成整体结构。本领域技术人员将易于认识到可使用替代连接技术。具体而言，间隔件122可形成有啮合在一起的互补上表面和下表面(例如，榫槽)。该互补表面可仅用于对准目的，但也可用来在使用或不使用后续粘合剂的情况下机械连接元件142。如参照上文中的实施例所述，间隔件无需为笔直的，而是可替代地遵循弯曲、波状或Z字形曲折路径以便增加最终热交换器的结构刚度。此外，尽管描绘的是平坦条带108，但翼片114A至114G也可具有如以上所述的替代横截面或可倾斜。因此条带108在主通道126的区域中的倾斜不同于副通道128也在本发明的范畴内。以此方式，不同流动方式(包括逆向流动与交叉流动)可应用于热交换器100。

因此，已通过参考上述特定实施例来描述本发明。应理解，这些实施例易具有本领域技术人员所熟知的各种修改及替代形式。具体而言，冷却元件的配置可不同于图5的示意性说明的设计且也可提供其它冷却元件。此外，尽管示为露点冷却器和除湿器，本发明的热交换器可适用于高效热交换或回收较重要的其它系统中。此外，尽管已将热交换器描述为大体平坦的板的堆叠配置，但注意，其它形态(例如，通过滚压(rolling)热交换板和间隔件以形成卷筒等)可实现类似效果。

可在不脱离本发明的精神及范畴的情况下对本文中所述的结构及技术作出除上述修改以外的许多修改。从而，尽管已描述特定实施例，但这些仅是实例且并不限制本发明的范畴。

Claims (25)

1.一种热交换器，包括：

一对大体平坦的导热板，布置成间隔开、大体平行关系；

间隔元件，将所述板彼此分开，且在所述板之间限定分别用于沿第一方向和第二方向的流动的第一流动通道和第二流动通道；

其中在至少第一通道中的所述板被分割成翼片，所述翼片在所述第一方向上彼此分离，且从所述板与所述第一方向垂直地偏移至多个偏移位置。

2.如权利要求1所述的热交换器，包括在至少第二通道中的所述翼片上的水保持表面，和用于润湿第二通道中的所述翼片的水源。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，其中所述翼片从所述板与所述第一方向垂直地偏移至至少四个位置。

4.如权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中所述翼片具有弦长且布置成重复的组，由此每个重复的组的所述翼片在所述第一方向上相对于彼此错开，且在与所述第一方向垂直的方向上彼此偏移，且由此在所述第一方向上相邻组中的对应翼片的间距对应于所述弦长的至少三倍，更优选地对应于所述弦长的至少五倍。

5.如权利要求1至4中任一项所述的热交换器，包括多个第一通道和第二通道。

6.如权利要求1至5中任一项所述的热交换器，其中每个通道中的偏移翼片形成为具有彼此相同的绝对长度。

7.一种制造热交换器的方法，包括：

提供大体平坦的导热板；

将所述板形成为彼此连接且从所述板的平面偏移至多个偏移位置的多个翼片；

将长形间隔材料条带施加至所述板以形成格栅；

重复以上步骤以形成另外的格栅；以及

堆叠所述格栅以形成多个第一流动通道和第二流动通道。

8.如权利要求7所述的方法，其中多个间隔材料条带被同时挤压成形到所述板上。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述间隔材料被提供为至少部分地涂布有优选为热激活粘合剂的粘合剂的注射成形框架。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中将成形板及间隔材料的多个格栅堆叠在一起，且然后施加压力和/或热以将所述格栅彼此粘合。

11.如权利要求7至10中任一项所述的方法，其中所述导热翼片具有弦长且布置成重复的组，由此每个重复的组的所述翼片在第一方向上相对于彼此错开，且在与所述第一方向垂直的方向上彼此偏移，且由此在所述第一方向上相邻组中的对应翼片的间距对应于所述弦长的至少三倍。

12.一种热交换器，包括：

第一流动通道，用于沿第一方向的流动；

第二流动通道，用于沿第二方向的流动；

间隔元件，将所述第一流动通道与所述第二流动通道相分隔；和

多个导热翼片，延伸穿过所述间隔元件且延伸到所述第一流动通道和所述第二流动通道两者中，至少第一通道中的所述翼片具有弦长，且被布置成重复的组，由此每个重复组的所述翼片在所述第一方向上相对于彼此错开且在与所述第一方向垂直的方向上彼此偏移，且由此在所述第一方向上相邻组中的对应翼片的间距对应于所述弦长的至少三倍。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述翼片包括分别延伸穿过所述间隔元件的单独传导材料条带。

14.如权利要求12所述的装置，包括被布置成间隔开、大体平行的关系且延伸穿过所述间隔元件的多个导热板，所述板被切割以形成在所述主流动通道和所述副流动通道中的所述翼片。

15.如前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述间隔元件或多个所述间隔元件包括绝热材料。

16.如权利要求12至15中任一项所述的装置，进一步包括多个间隔元件以及多个第一通道和第二通道。

17.一种蒸发冷却器，包括如权利要求第1、3、4、5、6或12至16中任一项所述的热交换器，且进一步包括在至少所述副通道中的所述翼片上的水保持表面，和用于润湿所述副通道中的所述翼片的水源。

18.一种除湿器，包括如权利要求第1至6或12至16中任一项所述的热交换器，且进一步包括冷却元件，所述除湿器被配置成使空气流经过主通道流到所述冷却元件，且使已冷却空气从所述冷却元件经由副通道返回。

19.一种制造热交换器的方法，以不特定顺序包括以下步骤：

提供多个长形导热材料条带；

形成间隔元件，所述间隔元件在所述热交换器中分隔出用于沿第一方向的流动的第一流动通道和用于沿第二方向的流动的第二流动通道；和

将所述长形导热材料条带结合到所述间隔元件中，使得每个长形条带形成延伸穿过所述间隔元件且延伸到所述第一流动通道和所述第二流动通道两者中的导热翼片。

20.如权利要求19所述的制造方法，其中通过切细或冲压导热材料板而形成所述长形导热材料条带。

21.如权利要求19所述的制造方法，其中结合有长形条带的所述间隔元件通过以下步骤形成：提供在单个平面中的间隔开、基本平行的第一层长形导热材料条带；

将长形间隔材料条带基本与所述导热条带垂直地施加至第一层导热条带以形成格栅；

将在单个平面中的间隔开、基本平行的第二层导热条带施加至先前施加的间隔材料；

将长形间隔材料条带与先前施加的间隔材料叠合地施加至第二层导热条带。

22.如权利要求19所述的制造方法，其中提供一模具，所述模具包括第一半部和与所述第一半部互补的第二半部，所述第一半部具有多个间隔开、基本平行的平台，和基本垂直于所述平台延伸的凹槽，所述平台上能放置长形导热材料条带，且其中通过将长形导热条带放置在所述平台上并将合适的材料注射到所述凹槽中以形成间隔元件，而形成结合有所述长形条带的所述间隔元件，由此形成格栅。

23.如权利要求22所述的制造方法，其中多个格栅被形成且然后被堆叠以形成多个第一流动通道和第二流动通道。

24.如权利要求22或23所述的制造方法，其中所述平台相对于彼此处于不同高度，使得所述条带在与所述第一方向垂直的方向上彼此偏移。

25.如权利要求19至24中任一项所述的方法，其中所述导热翼片具有弦长且布置成重复的组，由此每个重复组的所述翼片在所述第一方向上相对于彼此错开且在与所述第一方向相垂直的方向上彼此偏移，且由此在所述第一方向上相邻组中的对应翼片的间距对应于所述弦长的至少三倍。

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