CN102985217A - 利用金属丝网筛制造热交换部件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器部件，其通过从金属丝网筛堆叠形成片状体而制造出来，其中所述片状体具有一对相对的外主表面，且在所述外主表面之间具有空隙。通过在所述片状体的所述外主表面上沉积金属涂层而封闭所述外主表面。所述沉积的金属涂层在它们之间界定出用于使热交换流体延伸通过所述片状体空隙的流路。

Description

利用金属丝网筛制造热交换部件的方法
技术领域
本发明涉及一种热交换部件的制造方法，特别是一种使用金属丝网筛制造热交换部件的方法以及使用这种筛网的热交换部件。
背景技术
在正在进行的节能努力中以及在许多热力学系统中，交换器发挥着重要的作用。在任何热交换器中，目标均为在热交换流体之间实现最大的热交换，且同时使由所述热交换器的流阻所导致的能耗最小。通常，人们还希望将所述热交换器做的尽可能紧凑。
最近，热交换器技术的发展已主要集中在通过在更紧凑的热交换器单元中增加热负荷而实现更高的传热效率。以紧凑体积获得高传热水平的一种有效方法为使热流体和传导材料表面之间的接触面积比最大化。这一概念已促使由大表面积传导性材料插入物，如金属泡沫或金属丝网所组成的低型板状热交换器的发展，其中，所述低型板状热交换器的外表面通过钎焊片而封闭。所述热交换器中高度不规则的流路会增加热流体的混合，并因此促进至所述传导性材料插入物和所述热交换器外表面的热传递。这种热交换器的实例如美国专利号6305079和5983992所述。
这种热交换器的有效性极大地依赖于所述传导性材料插入物的性质和结构。此外，不同插入物结构，如金属泡沫、金属丝网筛以及填料床等，都根据流的雷诺数的不同而具有不同的行为特征。例如，金属泡沫热交换器(MFHE)已广泛使用于低温、发电和许多其他需要高热负荷去除的领域。它们相对廉价、在大批量生产时容易形成且能够实现高达10000m2/m3的表面积-体积比。然而，制造金属泡沫热交换器所固有的困难是如何保持几何形状的一致性。另一个限制是，虽然模型假设了一种对准好的结构，但实际MFHE单元却是随机定位的，从而降低了直接传导至所述外表面的可能性。诸如填料床(烧结的)等的结构在传热-压力损失比的方面超过其他热交换器设计。虽然烧结金属球的填料床可能在热传递上更有效，但其受拉强度(用作压力容器)却远小于金属丝网筛。
在20世纪80年代末首次研究了将金属丝网作为传导性材料插入物在热交换器中的使用。从那时起，考虑并测试了许多不同的网形，并取得的不同程度的成功。由于所述筛间的接触最小，金属丝网热交换器(WMHE)在限制轴向传导的同时可以促进至所述外壁的直接热传导，因此WMHE比金属泡沫热交换器更有效率。鉴于WMHE是由已有的编织的金属丝网筛织物所生产的，因此WMHE也更容易制造。这些热交换器相对廉价并且可以很容易地由各种合金而制成。随着制造能力的进步，出现了采用更复杂的设计且因潜在高努塞尔数和低摩擦系数而具有吸引力的替代品。虽然这些结构预期能提高传热效率，但与编织纺织品相比其在性能上的潜在微小增益可能仍不足以支持额外的制造成本。
WMHE的制造方法包括折叠筛网以及将薄片钎焊至所述折痕的尖端。虽然能够相对简单地实现这些方法，但是，由于较小的接触表面以及在每单位长度的最大折叠次数，其限制了至所述外壁的传导。另一个更近的WMHE的制造方法是，烧结编织金属丝织物的堆叠体、垂直于堆叠方向切割它们以形成薄的片状体、并且通过在每一侧钎焊薄金属片而有效地封闭这些片状体。这种方法所制造的WMHE可成功地承受10000psi以上的内部压力。但是这种技术的缺点是，由于其高能耗，钎焊工艺非常昂贵，并会因此妨碍对WMHE的利用。
发明内容
本发明人已发现可通过使用金属涂层封闭金属丝网堆叠体的外表面而从所述金属丝网堆叠体制造出一种特别有效的热交换部件。这些涂层界定出用于使热交换流体通过所述堆叠体空隙的流路。
因此，根据本发明，提供了一种制造热交换部件的方法，包括从一堆金属丝网筛堆叠体形成片状体，其中所述片状体具有一对相对的外主表面，且在所述外主表面之间具有空隙；以及通过在所述片状体的所述外主表面上沉积金属涂层而封闭所述外主表面，其中，所述沉积的金属涂层在它们之间界定出用于使热交换流体延伸通过所述片状体空隙的流路。
需理解的是所沉积的涂层为以某种方式而涂上的涂层，例如以液体或粉末颗粒的形式，从而可在所述片状体上原位形成所产生的金属层。
所述热交换部件可以形成热交换器的一部分，或者它也可以是另一需要强冷却或加热的部件的一部分。例如，用于涡轮中的定子则为特别合适的应用。作为常规铸造方式的替代，所述定子可由所述热交换部件，即根据本发明实施例由金属丝网筛堆叠体而制成的且具有沉积金属涂层的块而制成。
一种用于封闭所述金属丝网片状体的特别有前途且符合成本效益的方法为使用高材料沉积率的热喷涂技术在所述外主表面上涂上致密涂层，，如脉冲气动喷涂(PGDS)。PGDS是一种热喷涂技术，目前正在Centerline(Windsor)Ltd.(加拿大安大略省温莎)进行商业化。在PGDS中，使用电磁阀模仿通过可瞬间破裂的薄膜与低压区(被被动部分)相分离的高压区(驱动部分)的情况，从而沿圆柱形管向下发送冲击波。由于冲击波沿所述管向下移动，它会夹带粉末颗粒并使其加速至能与冷气体动力喷涂(CGDS)和HVOF(超音速火焰喷涂)中所观测到的速度相匹配的速度。在冲击时，所述颗粒会塑性变形并附至基板上以形成涂层。和CGDS一样，PGDS被认为是一种固态工艺，其中，粉末颗粒的温度始终被保持在其熔点以下。在B.Jodoin、P.Richer、G.Berube、L.Ajdelsztajn、A.Erdi-Betchi及M.Yandouzi所著的脉冲气动喷涂：工艺分析、开发和选取的涂层例，Surf.Coat.Technol.，201(16-17)，2007，pp.7544-7551中对所述PGDS工艺进行了更详细的说明，其内容经引用纳入本发明中。所述PGDS技术使用氦或氮作为工艺气体，且由于其脉动特性，所述PGDS技术的特征在于与CGDS相比，其具有较低的气体消耗率。
可以采用其它方法以形成边界层，如视线沉积(line of sight deposition)或选择性激光熔化。
所述片状体的制造方法包括形成编织的金属丝网筛堆叠体、将其压缩并烧结在一起、然后以垂直于所述筛平面的平面切割所述堆叠体。本领域技术人员需要理解的是本文所述垂直通常与所述筛的平面成直角，并且本发明并不要求有严格的正交性。
所述粉末喷涂物可为具有球形形态以及直径小于44μm粒度的钢。
可以通过添加翅片以及用于所述热交换器流体的集和输送总管而将所述热交换部件组装成一个完整的热交换器。或者，如所指出的一样，它可以形成另一需要加热或冷却的部件的一部分，如涡轮定子。
根据本发明的另一方面，提供了一种热交换部件，包括从金属丝网筛堆叠体形成的片状体，其具有一对相对的外主表面，且在所述外主表面之间具有空隙；以及在所述片状体的每个外主表面上沉积的金属涂层，其中，所述金属涂层之间界定出用于使热交换流体延伸通过所述片状体空隙的流路。
本发明还扩展到包括这种部件的热交换器。
附图说明
下面将参考附图且仅作为示例的方式更详细地说明本发明。
图1为用于制造热交换器部件的筛网堆叠体的横截面；
图2为压缩和烧结后的所述堆叠体的横截面；
图3为涂有压力边界层的片状体的横截面；
图4a和4b为所涂涂层的显微照片；
图5表示所述筛网中的粒子楔入效应；
图6为包括用于形成热交换器的总管和翅片的片状体的横截面；
图7为所述热交换器的立体图；
图8为图7所示热交换器的细节图；
图9示出了总管；
图10为部分形成的热交换器和总管；以及
图11为涡轮的剖视图。
具体实施方式
为了制造根据本发明实施例的热交换部件，将多个单独的编织金属丝网筛1相互放置在彼此的顶部以形成堆叠体2，如图1所示。在一个实例中，每个网筛都由304型不锈钢制成，其特征在于100目(每英寸100根金属丝)的0.11mm直径的金属丝相互垂直地编织成方形编织构造。304型不锈钢为市售T300系列不锈钢奥氏体合金。它具有最低为18％的铬和8％的镍，且结合有最多为0.08％的碳。需理解的是可以改变网格参数(网格大小、金属丝直径、方向和编织类型)。
然后，将所述堆叠体高度压缩至25至40％，且以某种方式将所述网格结合在一起以形成砖状物3，如图2所示。例如，可通过烧结或注入聚合物达成此目的，或简单地将所述堆叠体插入固定结构中以在制造所述部件时将网筛1保持在适当的位置。
在烧结的情况下，在压缩所述网筛堆2后，将其放置于加热至高温的炉内。所传输的热能与压缩压力相结合，可以在网格方形结构间产生粘合。
在注入聚合物的情况下，将聚合物注入所述堆2。一旦聚合物凝固，它就能使网状体定型。然后，就可以去除所述聚合物，例如，加热至高温将其烧掉。
在通过固定结构压缩所述网筛堆叠体2的情况下，需在去除所述固定结构并进行下一步骤前以涂覆金属涂层的形式在所述砖状物3的四侧涂有压力边界层。
以垂直于所述砖状物主表面的平面切割所述砖状物以形成片状体的方式，从所述砖状物3切出片状体4。可以使用带锯或金刚石锯或金属丝切割所述砖状物以进行小批量生产，以及使用金刚石绳锯排切割所述砖状物以进行大批量生产。对于所述压缩砖状物的情况，每一切割之间需重新涂所述压力边界。
所得到的如图3所示的片状体在所述切片上具有一对相对的主表面5和6，且片状体内在所述堆叠的编织网筛1的金属丝间形成空隙7。
所述片状体的尺寸通常在下述范围内变化：芯材宽度为2至12英寸，流长度为2至6英寸且所述片状体厚度为0.06至0.2英寸。
通过在所述片状体的每个主表面5和6上涂上形成压力边界层的金属涂层8和9，而封闭所述片状体的所述主表面5和6。在本实施例中，是通过脉冲气动喷涂的方式涂上所述金属涂层，可是也可以使用其他方法，如喷涂、视线沉积(line ofsight deposition)或选择性激光烧结。
通常，所述压力边界层可在0.002至0.015英寸间变化。形成所述边界层所使用的材料可以采用与所述芯材同样的材料或完全不同的类型。边界层的材料和厚度都取决于待容纳流体的压力。在这一点上，如果通过灌入或射入聚合物而形成所述芯材，可通过施加热而去除所述聚合物，在这种情况下，即可将所述聚合物从所述砖状物烧掉所述聚合物。
一旦形成，可研磨和抛光所述边界层以产生光滑的表面。
在一个示例性实施例中，使用PGDS以下列参数涂覆所述压力边界以作为涂层：
  试验号  储气压力(Mpa)   粉末预热温度(℃)   移动速度(mm/s)
  1  2.5   300   2
  2  3   350   2
  3  3   350   2
  4  3.5   350   3.5
  5  3.5   350   4.5
使用氦气作为气体推进剂，这是因为它具有高比热比和声速。可以使用10Hz的脉冲频率将所述气体预热至500℃的温度。所述金属粉末为具有球形形态以及直径小于44μm粒度的#304钢。
我们注意到所述涂层可相当迅速地积聚至1mm范围内的厚度。我们发现其粒子穿透最小。首先，所述涂层包围露出的竖的金属丝，从而提供能够耐受较高压力的更强的粘合。其次，没有渗透会减少通过所述热交换器的压力损失，从而提高其效率。
尽管进行喷涂的网格表面具有的空隙远大于实际粉末颗粒，但仍能看到所述颗粒会聚集并有效堵塞所述网中的空隙，从而可形成涂层得以加厚在上面的连续表面。然而，堵塞所述网似乎仅限于所述片状体中网筛的最初几层，如图4a所示。虽然一些粉末颗粒会绕过所述第一组金属丝，但它们却会被设置于其下/之间的后续组所阻挡。在这种情况下，所述网筛层的交错图案会有效地减少所述网格中的空隙大小，并使得至所述片状体的颗粒渗透最小化。这会允许粒子填充所述空隙，如图4b所示，从而提供可使随后沉积的颗粒得以积厚的连续表面。
图5表示一些所喷涂的颗粒是如何楔入在所述网格金属丝之间并帮助封闭所述外层的。鉴于所述PGDS沉积工艺的脉冲性质，粒子可以不同于更连续的粒子流的更大的粉末簇撞击基材。当这种簇在两个金属网丝间运动时，所述颗粒被压缩在一起并堵塞所述网格。再一次，由于形成了实的(连续的)表面，其他球形颗粒撞击所述基材并塑性变形，从而积聚成涂层。
在竖直方向上的所述金属丝也能有助于阻碍所述粒子流。在这种情况下，我们会观察到大的粉末颗粒在金属网丝的顶端变形，从而提供了可用于之后颗粒沉积的较大表面。我们认为所述筛堆的压缩量会影响所述涂层积聚机制的相对重要性。
我们对三种样品进行了破裂测试，从而评估经PGDS涂敷的片状体基材的加压能力。其结果如下：
  样品   破裂压力psi(MPa)
  a)   800(5.51)
  b)   1200(7.58)
  c)   1400(9.65)
使用所述PGDS技术，可将金属粉末成功地沉积在堆叠且烧结的金属丝网片状体的表面，其中，所述金属丝网片状体的孔隙度低至1.6％。所观察到的所述粉末颗粒在所述网中的渗透最小，这是令人期待的结果，因为期望能够降低通过所述网压力损失，并产生较高的整体的热交换器效率。破裂测试的结果表明，使用此制造方法可实现高达1400psi的压力。
所得到的如图3所示的带有压力边界的封闭片状体被称为基板。为了形成完整的热交换器，如图6和7所示，在所述边界层的顶部形成以平行翅片10阵列形式的扩展表面。在所述翅片10间界定用于第二热交换流体的流路，从而可通过所述边界层和翅片，在所述第一热交换流体和所述第二热交换流体间传递热量，其中，所述第一热交换流体在所述片状体内按与所述翅片平行的方向流动，且所述第二热交换流体在所述片状体外的所述翅片之间流动。可以使用任何常规的热交换流体。
我们发现，如果使用喷嘴与表面成一角度而进行初始喷涂，会获得改进的结果，喷嘴与表面成一角度使得以浅入射角，例如15°，投射所述喷涂物。这允许在喷涂方向积聚小的涂层，从而部分地覆盖所述网表格面中的空隙。然后，以90°的入射角使用所述喷嘴进行随后的涂覆，以积聚较大的沉积物。
另一种技术是使用聚合物，如环状化合物#100聚合物等填充所述空隙、将金属喷涂在其空隙由所述聚合物所填充的表面上、并随后去除所述聚合物。
可以通过几种方式在所述基板上创建所述扩展表面。举例如下：视线沉积/切割、视线沉积/化学刻蚀、选择性激光烧结和钎焊折叠片。每种制造工艺都会使总的热交换器性能具有不同的优点。
如图6、7和8所示，在由所沉积的表面8和9形成的所述边界层的顶部建造所述翅片10。可通过喷涂工艺、附加制造来形成所述翅片10或者将翅片10钎焊在上面。这三种解决方案都会使整个工艺和最终的热交换器的性能具有不同的优点。
在视线沉积中，喷上所述翅片的基础材料后，切割或蚀刻掉多余的材料，以产生所述翅片的最终形状。
在选择性激光熔化中，使用激光将所述翅片的最终形状熔合至所述边界层。
在钎焊中，从薄片成形所述翅片并将所述翅片钎焊至所述边界层。
用于创建所述翅片10所使用的材料可以采用与制造芯材和所述边界层同样的材料或完全不同的类型。可以沿所述基板的流长度以不同浓度使用两种或更多种材料的组合。所述材料类型的选择取决于所述外部流体和所述热交换器参数。所述翅片的高度通常可在0.05至0.2英寸间变化。
附接上总管11，用于将所述内部流体引至所述芯材中或从所述芯材中引出，如图9和10所示。所述总管的形式为暴露于所述芯材4的内部空间的具有铣槽或孔的管子。
所述总管11沿所述热交换器部件的长边延伸，且通过将空心型材焊接至所述基板和翅片组合体或通过选择性激光烧结来形成所述总管11。所述总管的材料可以采用与所述芯材、压力边界层和翅片相同的材料或者完全不同的类型。所述材料类型的选择取决于所述内部流体的参数。
可以在喷涂所述翅片的基础材料的过程中将所述总管11焊接至所述边界层，。需注意的是，在本实例中，所述第一热交换器流体在所述总管11之间的所述热交换器芯材中平行于所述翅片方向流动。因此，所述第一热交换器流体可与所述网筛的金属丝相接触，将热量传导至所述边界层8和9，且所述边界层8和9以热传导性关系与所述翅片连接。由于所述第二热交换流体在所述翅片间流动，可在所述翅片和所述流体间进行热交换。
本发明还涉及用于涡轮中的定子，如图11所示。在传统的涡轮中，转子叶片16转过所述定子或喷嘴导向叶片15。在传统的涡轮中，所述喷嘴导向叶片是铸造的，并用流过所述喷嘴导向叶片表面的高压冷却空气冷却。根据本发明的一个实施例，代替铸造，可使用视线沉积技术即PGDS、冷喷涂、HVOF、等离子喷涂、弧线喷涂等以类似上述用于热交换器的筛网砖块的方式用烧结的筛网块制作所述喷嘴导向叶片。然后，所述喷嘴导向叶片可界定出用于使高压冷却流体在所述叶片内部通过所述金属涂层间的空隙流动的流路。例如，可在所述定子的根部注入高压气体并在顶端喷出所述高压气体。
所述筛网介质可提供高的强度。所述涂层为高温合金或粘结涂层和陶瓷的组合。然后，可通过所述定子的内部在所述筛网内引导空气，以提供高效的冷却。
在本发明范围内可假设各种其他的实施例。例如，在所述筛片状体和所述外部涂层中使用的材料可裁制成几种不同方式中的任何特定应用。可以根据温度梯度，通过用于高温区域的高温合金以及用于低温区域的低温合金改变所述材料。可改变所述材料以采用低热传导性和高强度材料(例如不锈钢)提高其传导性，且所述材料可与高热传导性和低强度材料(例如铜)相间隔，以提高所述筛片状体的平均有效热传导性。可将涂层添加至所述筛上，以实现不同的性能。例如，可使用催化剂以创建重整器反应区或可使用氧化涂层以增加耐用性。
可仅仅使用粘合剂将所述多层筛结合到位以用于制造片状体，而不是将筛网烧结成砖状物。
可使所述热交换器形成环形渐开线阵列以使其尺寸最小化并便于集成至轴向气体涡轮中以用于飞行换热器的应用。
可通过几种不同方式创建所述外部翅片，如微机械加工、蚀刻、线切割、电火花机加工(EDM)和通过掩模的视线沉积。
根据本发明实施例所述的热交换器可能的应用包括燃气涡轮换热器、燃气涡轮中间冷却器、车辆中间冷却器、汽车增程器(换热器)、燃料重整器、飞行换热器、用于生物质燃烧的高温热交换器以及车辆冷却或加热(HVAC)系统。

Claims (31)

1.一种制造热交换部件的方法，包括：
从金属丝网筛堆叠体形成片状体，其中所述片状体具有一对相对的外主表面，且在所述外主表面之间具有空隙；以及
通过在上面沉积金属涂层而封闭所述外主表面，所沉积的金属涂层之间界定出用于使热交换流体延伸通过所述片状体空隙的流路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述网筛为编织的金属丝网筛。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述网筛被压缩在一起，且以垂直于各网筛平面的平面切割所述堆叠体以形成所述片状体。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其中，所述网筛被粘合在一起。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过烧结将所述网筛粘合在一起。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，通过注入聚合物而将所述网筛固定在一起，且在涂上所述金属涂层后去除所述聚合物。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，通过固定结构将所述筛固定在一起，直到涂上所述金属涂层为止。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，通过热喷涂技术涂上所述金属涂层。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，从以一角度延伸向所述片状体表面的喷嘴，以浅的入射角涂覆所述金属涂层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述热喷涂技术为脉冲气动喷涂金属粉末。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属粉末为具有球形形态以及直径小于44μm粒度的钢。
12.根据权利要求3所述的方法，其中，通过选择性激光烧结涂覆所述金属涂层。
13.根据权利要求1至12任一项所述的方法，其中，交替间隔的网筛分别由低传导性高强度材料和高传导性低强度材料制成。
14.根据权利要求1至13任一项所述的方法，其中，将所述热交换部件形成为环形渐开线阵列。
15.一种制造热交换器的方法，包括：
从金属丝网筛堆叠体形成片状体，其中所述片状体具有一对相对的外主表面，且在所述外主表面之间具有空隙；以及
通过在上面沉积金属涂层而封闭所述片状体的外主表面，所沉积的金属涂层之间界定出用于使第一热交换流体延伸通过所述片状体空隙的第一流路；
将多个翅片附接至每个金属涂层；
在所述片状体相对的两端设置总管以传送和收集所述第一热交换流体；以及
在热交换用的所述翅片之间设置用于第二热交换流体的第二流路。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述网筛为编织的金属丝网筛。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述网筛被压缩在一起，且以垂直于各筛平面的平面切割压缩后的所述堆叠体以形成所述片状体。
18.根据权利要求15至17任一项所述的方法，其中，通过烧结将所述筛粘合在一起。
19.根据权利要求15至18任一项所述的方法，其中，通过热喷涂技术涂上所述金属涂层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述热喷涂技术为脉冲气动喷涂金属粉末。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述金属粉末为具有球形形态以及直径小于44μm粒度的钢。
22.一种热交换部件，包括：
从金属丝网筛堆叠体形成的片状体，其中所述片状体具有一对相对的外主表面，且在所述外主表面之间具有空隙；以及
沉积在所述片状体的各外主表面上的金属涂层，所述金属涂层之间界定出用于使热交换流体延伸通过所述片状体空隙的流路。
23.根据权利要求22所述的热交换部件，其中，所述筛为编织的金属丝网筛。
24.根据权利要求22或23所述的热交换部件，其中，交替间隔的网筛分别由低传导性高强度材料和高传导性低强度材料制成。
25.根据权利要求22至24任一项所述的热交换部件，其中，所述片状体包括切片，该切片通过以垂直于烧结后网筛堆叠体平面的平面切割所述烧结堆叠体得到。
26.根据权利要求22至25任一项所述的热交换部件，其中，所述涂层由涂覆的钢粉末制成，所述钢粉末具有球形形态以及直径小于44μm的粒度。
27.根据权利要求22至权利要求26任一项所述的热交换部件，其被形成为渐开线阵列。
28.一种热交换器，包括：
从金属丝网筛堆叠体形成的片状体，其具有一对相对的外主表面，且在所述外主表面之间具有空隙；以及
在所述片状体的每个外主表面上沉积的金属涂层，所述金属涂层之间界定出用于使第一热交换流体延伸通过所述片状体空隙的流路；以及
在所述金属涂层上的多个冷却翅片，在它们之间界定出用于第二热交换流体的流路。
29.根据权利要求28所述的热交换器，其中，交替间隔的网筛分别由低传导性高强度材料和高传导性低强度材料制成。
30.根据权利要求28或29所述的热交换器，其中，所述片状体包括切片，该切片通过以垂直于烧结后网筛堆叠体平面的平面切割所述烧结堆叠体得到。
31.一种涡轮定子，包括由根据权利要求28至30任一项所述的热交换部件所制成的涡轮叶片，其中，所述涡轮部件界定了用于使冷却流体通过所述片状体空隙的流路。
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