CN102667392A - 用于单相流体或者多相流体的流体分配元件、其制造方法及其应用 - Google Patents

用于单相流体或者多相流体的流体分配元件、其制造方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于单相或者多相流体的流体分配元件及其制造方法，所述流体分配元件带有支承结构(2)，所述支承结构至少局部具有弯曲表面，其中支承结构具有至少一个通道结构和/或流体引导装置(4)用于流体分配，所述通道结构和/或流体引导装置具有分支和/或汇合装置。根据本发明的流体分配元件用于热交换器中或者用于在流体之间物质交换的装置中。

Description

用于单相流体或者多相流体的流体分配元件、其制造方法及其应用
本发明涉及一种用于单相流体或者多相流体的流体分配元件及其制造方法。根据本发明的流体分配元件用在热交换中或者用于在流体之间物质交换的装置中。
用于判断交叉流驱动的蒸发器的效率的一个重要参数是在表面上的最优温度分布。该温度分布是在所涉及的工作介质之间的小温度差的前提条件。该差被称为温度梯度(Graedigkeit)。为了实现传热器的最佳温差，冷却剂的均匀分布是必需的。
除了温差之外，压力损失具有重要地位。均匀的并且尽可能优化的压力损失意味着蒸发温度中的小变化并且由此总体上又意味着高的温度均匀性。在现代的、焊接的传热器中，这借助分配管和汇集管来实现，多个迷你通道扁管(MPE管)连接到其上。这种方法能够实现均匀的并且总体上短的流动路径长度。
然而，由此在流体分配时出现大问题，因为根据蒸发器的功率，必须连接可变数目的这种扁管。由于使用迷你通道扁管，其本身又将多个MPE管并行地汇合成一个扁管，所以流体分配不仅必须针对每个分配管的多个扁管来考虑，而且也必须关于每个连接的扁管的多个通道来协调。
空气—冷却剂—蒸发器通常由插入的传热器构成并且是铜管状调温器(Kupfer-Rohrregister)和铝薄片组构成的组合。通过在这种结构类型的传热器中使用文丘里分配器(Venturi-Verteiler)，在此可以最佳地进行相分配以及流体分配。
在经济意义上，在所使用的冷却剂填充量方面以及在效率方面可以借助焊接的传热器来实现技术上的进步。焊接的传热器可以通过仅仅使用铝作为原料以及使用挤压成形的MPE管结合扩散焊接方法来成本低廉地并且以可容易自动化的制造方法来制造。
在EP1 525 428B1公开了一种建立液压系统网络用于热传递和/或物质传输的方法，其中预先给定的传输面或者预先给定的传输体积设置有多重分支的液压系统网络。
US 2007/0039724描述了一种热交换器，其具有直接在文丘里喷嘴上的穿孔的导管，用于在分配管中的流体分配和相分配。
由此出发，本发明的任务是，提供一种流体分配元件，借助其能够实现进入的物质流的均匀化。在此，流体分配元件应当能够用于单相流体和多相流体。
该任务通过具有权利要求1所述的特征的流体分配元件以及具有权利要求7、12和13所述的特征的流体分配元件的制造方法来解决。在权利要求18中提出了一种根据本发明的应用。另外的从属权利要求给出了有利的改进方案。
根据本发明，提供了一种用于单相或者多相流体的流体分配元件，其带有支承结构，所述支承结构至少局部具有弯曲表面，其中支承结构具有至少一个通道结构和/或流体引导装置，用于流体分配。通道结构或者流体引导装置在此具有多个通道或者管，其通过分支或者汇合装置连接。
由此，本发明提出了一种用于分配单相或者多相流体的新方案。该新方案的基础是有针对性地使用分支而不是使用同时提供多个流体引导管或者通道的分配管线或者分配管。尤其是对于传热器例如冷却循环中的交叉流驱动的空气—冷却剂—蒸发器，借助根据本发明的流体分配元件提供了对于将单相或者多相进入的物质流均匀化的有效解决方案。在此，本发明基于使用支承结构中的离心力，所述支承结构至少局部地具有弯曲表面，其中在弯曲的区域中离心力作用到要输送的流体上，并且所述支承结构具有通道结构和/或流体引导装置，其能够实现流体分配并且必要时甚至实现相分离。
一个优选的实施形式设计了，通道结构和/或流体引导装置为了相分离而被穿孔。
在通过成型或者分离将该流体分配器作为空心圆柱体制造时，进入的两相物质流的该离心的导流通过穿孔而在本身空心地实施的圆柱形部件中实现液相和气相部分的相分离。由此，不仅受控的相分配和流体分配是可能的，而且气相的相分离也是可能的。在针对传热器或者蒸发器使用该方法时，尤其可以通过这种方式来将这种蒸发器的构型更为紧凑地构建，因为大量的气相可以预先沉积在分配器中。这能够实现更紧凑的传热器的结构，改进的热传递并且同样实现将压力损失最小化。
根据本发明的流体分配元件也可以用于多相物质流。通过起作用的离心力，两相的物质流具有比较小的相界面，因为由于小的热传递，气泡形成是最小的。通过连接到小的空腔上的汇合装置和分支的组合，可以将任意数量的进入的物质流划分为任意数量的输出的物质流。
在一个优选的实施形式中，支承结构被至少局部地波纹形、螺旋形或者圆柱形地成型，由此能够实现流体分配并且必要时甚至实现相分离。
优选的是，通道结构具有Y形和/或多重形状的分支和/或汇合装置。除了Y形的分支之外，其中一个通道划分为两个通道的所有其他形状也是可能的。
在焊接的传热器情况下，现有技术是，将汇集管路划分为分离的区域，以便将要进行加载的、所连接的管的数目最小化，并且由此能够对付差的流体分配和相分配的问题。每个中央的、左边的和右边的汇集管路的所连接的管的数目在此是相同的。如果对于每个后继的转向区域增大管的数目，则可以将流动速度均匀化，因为所提供的可流过的体积通过这种方式可以更好地与蒸发的介质的可变比密度(spezifische Dichte)协调。
然而可变数目的所连接的管导致不能用简单的Y分支来对所连接的管进行均匀的流体分配或者加载。这在流体引导装置中在圆柱形表面上只能借助同样圆柱形地引导的小室、借助多重分支或者多次汇合来实现。
在分支为所需数目的用于加载的通道之后，圆柱形的引导装置对于更好地控制相分配而言不再是必需的。现在，通道引导装置可以用更紧凑的方式来进行，其方式是在轴向方向上设置了通道结构的更大坡度。流入区域首先必须为了加载而与MPE管的接头的实施方式协调。
对于使用分离的汇集管路(这些汇集管路带有小室，所述小室装备有多重分支或者汇合装置)的一个普通的附加条件是已经提及的、在两个汇集管路中所连接的管的恒定的总数目。该附加条件必须在汇集管路中的流体分配时被一同考虑，其导致上面深入描述的情况，即在单个分支中引入的管和离开的管的比例不能恒定地为1∶2，而是必需多重分支。
本发明的另一方面涉及在如空心圆柱体地成形的流体分配元件中的相分离。这可以通过螺旋式地引导的流体通道的穿孔来进行。
在汇集管接头中每个转向区域的管数目可以被进一步最小化。这通过向内指向的通道壁的穿孔来实现，这能够实现在空心实施的新型汇集管路中的气相的相分离。这尤其是在其中离心力最大的通道区段中是有趣的，因为通过这种方式可以很大程度上避免液相的溢出。物质流减少比容积。要加载的、所连接的管的数目由此可以被最小化。通过这种方式，在限定的蒸汽比例情况下所出现的热传递的最大值可以被受控地调节，并且将由于近似过热状态导致的热传递的减小最小化。
根据本发明，同样提供了一种用于制造前面描述的流体分配元件的方法，其中借助成型或者分离在圆柱形本体中产生了通道结构和/或流体引导装置，并且接着该本体与第二圆柱形本体借助接合方法在第一本体的结构化的表面上连接为支承结构。
在本发明的范围中，成型和分离都理解为在DIN 8580中说明的制造技术。
在本发明的范围中，接合方法都理解为在DIN 8593中说明的接合技术，尤其是钎焊、焊接、挤压、粘合、烧结和/或其组合。
空心或者实心地实施的圆柱形的、向内或者向外结构化的本体可以在成型工艺中作为阳模工具预先给定结构，这些结构优选通过内部高压成型(IHU)或者电磁成型来将引入的或者覆盖的管件成型，并且由此将工具的结构转移到管件上。通过这种方式形成的、在圆柱形表面上的通道结构向外或者向内取向地首先还朝着环境开放。在该制造步骤之后，合适的未被变形的第二管件与该成型的圆柱体通过合适的接合方法接合为新的不可松开的、耐压力的部件。
在一个组合方法中，其中一个管件的成型与未变形的管件的接合一同进行，以便产生压力密封的通道结构用于流体分配。
根据本发明，同样提供了一种用于制造前面描述的流体分配元件的方法，其中在板材中借助成型或者分离来产生通道结构和/或流体引导装置，接着将第一板材和第二板材弯曲成螺旋形状，并且所述板材借助接合方法在第一板材的结构化的表面上连接成为支承结构(2)。
为了避免在朝向弯曲轴线取向的表面上在弯曲时出现的隆起(Stauchung)和离开弯曲轴线取向的表面的延展，在弯曲之后才进行接合两个板材的方法步骤。如果两个板材具有通道结构和/或流体引导装置，则在板材的变形时已经注意到相应的内部/外部板材的以后的隆起/延展，使得通道结构和/或流体引导装置彼此匹配地制造。如果仅仅在板材上设置成型装置作为支承结构来用于产生通道结构和/或流体引导装置，则隆起/延展仅仅必须作为对于弯曲之前板材长度的影响变量来考虑。在此，弯曲过程不必一定以两个板材同时来进行。在两个板材接合之前的每个板材的弯曲过程甚至是希望的，因为可以更容易地进行对于接合必需的准备性的工艺步骤，例如施加用于焊接的焊剂在分离的板材上而还没有随后的接合工艺。
根据本发明，同样提供了一种用于制造前面描述的流体分配元件的方法，其中在板材中借助成型或者分离来产生通道结构和/或流体引导装置，接着该本体与第二板材借助接合方法在第一板材的结构化的表面上连接成为支承结构，并且支承结构被弯曲为螺旋形状，优选弯曲为阿基米德螺旋形的形状。
本发明的下面的其他方面要进行强调：
●按照已知方式(例如参见EP1 525 428B1)结构化和接合的、设置有用于引导流体的通道结构的板材通过弯曲而成为螺旋形状。
●管件通过成型来尽可能地通过圆柱形阳模来压印，并且随后与另外的合适的、外部靠置的管件、例如通过扩散焊接(Diffusionsloeten)来压力密封地连接，使得在表面上形成用于引导流体的结构，其允许通过在管表面上的Y分支、多重分支和汇合装置进行流体分配。该借助阳模的成型应当更好是向内取向。通过这种方式，也可以避免向外取向的不平坦的表面，并且由此简化了例如在紧凑的传热器中的进一步加工。
●在管直径或者通道直径中(其横截面大小在用于低粘性流体(冷却剂如FKW和碳氢化合物)的亚毫米范围以上)，可以基于的是，体积力、如重力和在螺旋形或者圆柱形的流体分配器情况中的离心力超过表面张力。在具有多相流体的应用情况下，类似于旋风，离心的体积力在通道结构中引起加速的相分离。相分配被均匀化并且由此简化了到分支的流体分配，因为根据相组成和流管理，不必存在液滴或者气泡均匀分布。
●在将该方法应用于替代焊接的传热器中的汇集管路时，相对于连接到汇集管路上的扁管的整体，现在不再要解决相分配的问题，而是仅仅还针对每个扁管的迷你通道的数目，这是技术上要解决的、具有均匀的相组成的流体分配的重要简化。
根据本发明的流体分配元件或者多个流体分配元件的装置如前面已描述的那样应用于热交换器中或者用于在流体之间物质交换的装置中。在此优选的是，流体分配元件使用在带有至少一个交换元件的热交换器中，该交换元件又具有多个通道结构和/或流体引导装置，其中流体分配在该交换元件上通过通道结构和/或流体引导装置的系紧来改善。对于多相系统，同样实现相分配的改善。
借助附图进一步阐述根据本发明的主题，而并非旨在限制于这里所示的特定实施形式。
图1在三个透视的侧视图中示出了根据本发明的流体分配元件的变形方案。
图2示出了另一根据本发明的流体分配元件的变形方案。
图3示出了根据本发明的流体分配元件的通道结构的基本形状的视图。
图4示出了螺旋形的流体分配元件。
图5示出了焊接的传热器，其带有在分配管路和汇集管路中的分离的转向区域。
在图1中示出了根据本发明的流体分配元件1，其在圆柱形表面2上具有基本的分支，即Y分支或者分叉3。
在图2中示出了根据本发明的流体分配元件，其具有更复杂的分支结构。该更复杂的分支结构能够实现在单相或者多相物质流的受控的流体分配情况下更大的自由度。通过汇合装置5和分支5’(它们在此连接到小的空腔6上)的组合，可以将任意数量的进入的物质流划分为任意数量的输出的物质流。
在图3中示出了根据本发明的流体分配元件的通道结构。该流体分配元件借助用于螺旋形弯曲的板材成型(辊压接合、IHU、EMU)来制造。在此只可以看到通道本身而不能看到实际的板材，其中通道结构7嵌入该板材中。由此，示出了板材的未被弯曲的形状。
在图4中示出了弯曲形状8的、图3中所示的板材。未示出在螺旋形弯曲的板材的外部边缘区域中MPE管的多个开口形式的出口以及入口，入口起点在螺旋轴线中在上端部或下端部上。在图3中所描述的通道结构在图4中也不可见。
在图5中示出了焊接的传热器9，其带有分配管路10以及汇集管路12。分配管路10在此具有分离的转向区域11、11′、11″，汇集管路12具有分离的转向区域13和13′。

Claims (19)

1.一种用于单相或者多相流体的流体分配元件(1)，其带有支承结构(2)，所述支承结构至少局部具有弯曲表面，其中支承结构具有至少一个通道结构和/或流体引导装置(4)，用于流体分配，所述通道结构和/或流体引导装置具有分支和/或汇合装置(3)。
2.根据权利要求1所述的流体分配元件，其特征在于，所述通道结构和/或流体引导装置(4)为了相分离而被穿孔。
3.根据上述权利要求之一所述的流体分配元件，其特征在于，所述通道结构和/或流体引导装置(4)具有Y形(3)和/或多重形状(5，5′)的分支和/或汇合装置。
4.根据上述权利要求之一所述的流体分配元件，其特征在于，所述支承结构(2)为波纹形、螺旋形或者圆柱形。
5.根据上述权利要求之一所述的流体分配元件，其特征在于，所述支承结构(2)由两个接合的圆柱本体构成，其中至少一个本体具有通道结构和/或流体引导装置(4)。
6.根据权利要求1至4之一所述的流体分配元件，其特征在于，支承结构(2)由板材形成，其中至少一个板材具有形成所述通道结构和/或流体引导装置(4)的压印部，并且所述两个板材被接合，并且支承结构(2)被螺旋形地弯曲。
7.一种用于制造根据上述权利要求之一所述的流体分配元件的方法，其中借助成型或者分离在圆柱形本体中产生通道结构和/或流体引导装置(4)，接着将所述本体与第二圆柱形本体借助接合方法在第一本体的结构化的表面上连接成为支承结构(2)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二圆柱形本体具有通道结构和/或流体引导装置(4)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在成型时，用具有结构的圆柱形阳模来压印所述圆柱形本体，并且由此将所述结构转移到本体上。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述阳模是在外侧上被结构化的圆柱形本体，并且所述支承结构(2)是空心圆柱，并且为了成型，支承结构(2)将阳模包覆。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述阳模是圆柱形本体，其在内侧上被结构化，并且支承结构(2)是圆柱，并且为了成型，阳模将支承结构(2)包覆。
12.一种用于制造根据权利要求1至6之一所述的流体分配元件的方法，其中在板材中借助成型或者分离来产生通道结构和/或流体引导装置(4)，接着将第一板材和第二板材弯曲为螺旋形状，并且所述板材借助接合方法在第一板材的结构化表面上连接成为支承结构(2)。
13.一种用于制造根据权利要求1至6之一所述的流体分配元件的方法，其中在板材中借助成型或者分离来产生通道结构和/或流体引导装置(4)，接着将所述本体与第二板材借助接合方法在第一板材的结构化的表面上连接成为支承结构(2)，并且将支承结构(2)弯曲为螺旋形状。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述板材用具有结构的阳模来压印，并且由此将所述结构转移到板材上。
15.根据权利要求7至14之一所述的方法，其特征在于，作为成型工艺，执行内部高压成型或者电磁成型。
16.根据权利要求7至15之一所述的方法，其特征在于，产生具有Y形(3)和/或多重形状(5，5′)的分支和汇合装置的通道结构。
17.根据权利要求7至16之一所述的方法，其特征在于，所述接合借助钎焊、焊接、挤压、粘合、烧结和/或其组合来进行。
18.根据权利要求1至6之一所述的流体分配元件(1)或者多个流体分配元件(1)的布置的应用，其应用在热交换器中或者在用于流体之间物质交换的装置中。
19.根据权利要求18所述的应用，其特征在于，流体分配元件(1)使用在带有至少一个交换元件的热交换器中，所述交换元件又具有多个通道结构和/或流体引导装置(4)，其中到该交换元件上的流体分配和相分配通过通道结构和/或流体引导装置(4)以流装置的形式、如孔口或者喷嘴的形式的实施通过突然的或者连续的横截面变化来实现。
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