CN103210276A

CN103210276A - 薄膜复合热交换器

Info

Publication number: CN103210276A
Application number: CN2011800496980A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·麦金尼斯; 加里·麦格甘
Original assignee: Oasys Water Inc
Current assignee: Oasys Water Inc
Priority date: 2010-10-04
Filing date: 2011-10-03
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-10-03
Also published as: US9186627B2; WO2012108914A3; WO2012108914A2; SG189224A1; US20120073795A1; CN103210276B; KR20130101533A

Abstract

本发明一般涉及薄膜复合热交换器和制造薄膜复合热交换器的方法。所述热交换器可利用聚合物或其它材料制成，包括但不限于无机材料，诸如硅、粘土、陶瓷、砖或金属。根据本发明的热交换器可由一种非腐蚀性、耐用的材料制成，且所述材料可以薄涂层施用使得抗传热性和材料成本最低。

Description

薄膜复合热交换器

技术领域

一般而言，本发明涉及热交换器，且更特别是涉及传热材料薄膜在具有薄且开口结构的多孔支撑上的用途。

背景技术

在一般情况下，热交换器是一种被动从一种材料转移热量到另一材料的装置。材料通常是液体或气体。热交换器所做的工作是根据以下热力学定律：当物体被加热时，所述物体内所包含的热能会向外扩散到周围环境中，直到已在物体和环境之间达到平衡。热交换器有多种用途，包括但不限于，空间加热、制冷、空调、电厂、化工厂、石化厂、炼油厂、天然气处理和污水处理中的传热。

基本热交换器的设计一般涉及由障碍分离的两个腔室或通道。含要转移热能的进料流穿过一个通道，和可接收热能的一个流穿过另一个通道。流也可以同流或逆流流动。热在两个流之间通过穿过障壁而扩散，直到传热速率匹配这种转移的抵抗。所使用的热交换器的类型和尺寸取决于用作障碍的材料类型和所引入的材料流的各种性质，包括它们的相位、温度、密度、粘度、压力、化学组成和各种其它特性。

两种最常见的热交换器类型是管壳式热交换器和板框式热交换器。其它类型的热交换器包括但不限于，绝热轮热交换器、板翅式热交换器、流体热交换器、余热回收单元、动态刮面热交换器、相变型热交换器、直接接触式热交换器、空气线圈和螺旋式热交换器。

螺旋式热交换器可以是指螺旋管配置，但更经常的是一对平坦表面，其盘绕以形成呈逆流配置的两个通道。螺旋式热交换器通常与有效地利用的空间和低能量成本有关。某些应用包括但不限于巴氏杀菌、蒸煮加热、热回收、预加热、出水冷却和污泥处理。

壳管式热交换器由一系列成捆配置且通过插入隔离板悬浮在壳内的管组成。壳管式热交换器因为它们材料的强度被认为是坚固的，且因为它们材料的高导热系数和由它们的设计所导致的流体混合属性被认为是有效的。壳管式热交换器通常适用于较高压力和较高温度的应用，并常常用于炼油厂和其它大型化学过程。管必须由坚固、导热、耐腐蚀的材料制成。高品质管材料通常是金属，包括但不限于，铜合金、不锈钢、碳钢、非铁的铜合金、因科镍合金、镍、哈氏合金(Hastelloy)和钛。

板式热交换器是由多个薄且稍分开的板组成，所述板具有用于传热的大表面积和流体流动通道。板通常由金属制成。板式热交换器一般是结构紧凑，且与高总传热系数相关联。液体在板上摊开，从而促进热传递和大大增加温度变化的速度。板式热交换器非常适合在中压和低压材料之间传热。这种类型的大型热交换器被称为板框式，并经常用于加热、通风和空调应用中。小型板式热交换器用于家庭供暖和热水。非常小的钎焊版本是用于组合式锅炉的热水部分。

发明内容

本发明一般涉及薄膜复合热交换器和制造薄膜复合热交换器的方法。所述热交换器可利用聚合物或其它材料(包括但不限于无机材料，诸如硅、粘土、陶瓷、砖或金属)制成。根据一个或多个方面，热交换器可由非腐蚀性耐用材料制成，所述材料可以薄涂层施用以使抗传热性和材料成本最小。在某些实施方案中，本发明通过例如利用代替膜材料的不同材料(例如，具有高耐热性和传热性的传热材料)和并入制造支撑结构的额外材料和工具而在美国专利申请12/862,584(本申请主张其优先权)中所公开的前渗透制造技术上进行修改和改进，以产生更类似于与超滤膜相对的微滤膜的结构，因此产生具有出乎意料和有价值的好处(例如，低成本、更高性能和低腐蚀性或无腐蚀性)的新颖薄膜复合聚合物热交换器。

在一个方面，本发明涉及一种制造薄膜复合热交换器的方法。所述方法包括以下步骤：提供底座支撑结构，诸如织物或纸，将材料施用至所述支撑结构以形成多孔支撑层，诸如，通过相转化所制成的多孔聚合物，及接着利用传热材料(诸如，聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚醚乙基酮(PEEK))涂覆所述支撑层。可经由已知沉积法，例如，气相沉积或喷墨型印刷方法施用传热材料。随后，可将所述热交换基板置于用于热交换器设计的类型模组，诸如板框式或壳管式设计。胶水、弹性体材料和/或其它机械工具可利于制造。所用材料的选择可通过使热交换器可打算用于操作的各种参数了解，所述参数包括温度、压力和化学环境。

根据一个或多个实施方案，所述支撑结构可为非对称或对称的且由呈单一单元的聚合物(例如，仅聚砜(PS))或作为层合物(例如，在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)上的PS)组成。根据一个或多个实施方案，所述支撑结构关于至少一个表面的多孔结构可为超滤(UF)或微滤(MF)。在一个实施方案中，所述热交换器可包括改进的UF或MF膜。

根据一个或多个实施方案，支撑结构可通过聚合物的相转化形成。亦可使用静电纺丝支撑，与PET或另一类似聚合物一起或不与之一起。可使用陶瓷支撑、由硅或类似材料制成的石印产生的多孔支撑、或任何其它技术产生的开口多孔支撑。在至少一些实施方案中，所述支撑材料为具有良好强度特性的耐热和耐化学材料。

根据一个或多个实施方案，可应用有关薄膜复合膜制造的技术来设计和制造本发明的热交换器。所述支撑优选可具有低结构参数(S)，测量单位为μm，如在有关膜技术的文献中所定义。将选择S值以适用特定应用，且在一些实施方案中，优选<300的S值，更优选为<150，这可以利用MF膜支撑结构来实现。使S值更低的属性为支撑的孔结构更大的薄度和孔隙率和更低的弯曲度。基本上，S值越低，通过支撑结构的传热和传质越好。至少一些实施方案涉及以下实现：促进盐在渗透驱动型膜系统中扩散的低结构参数会将类似的出乎意料的好处传递给使用会促进传热和传质的多孔支撑材料的传热应用。这种支撑可作为平板、空心纤维或正如陶瓷整石的许多数量的其它结构形成，其取决于所用材料和方法。

根据利用薄膜复合膜制造技术的一个或多个实施方案，一种制造热交换面板的方法可包括：提供包括至少第一和第二可分离层的双层支撑结构；将材料施用至所述支撑结构的第一层以形成支撑层；将传热材料施用至所述支撑层以形成热交换面板；及通过将所述支撑结构的第一层从所述支撑结构的第二层分离来释放所述热交换面板。

在支撑结构包括双层结构的实施方案中，支撑结构的第一层可具有约50ft³/ft²/min或更大的弗雷泽(Frazier)透气度。施用至支撑结构的第一层材料可以约5与20g/m²的涂层施用。热交换面板可具有小于约125微米的总厚度。在至少一个实施方案中，传热材料可包括聚合物，诸如PVDF或PEEK。一般而言，传热材料应为耐化学性和耐热性，不渗透性且能够以薄层施用。在一些实施方案中，传热材料也可包括聚酰胺、聚哌嗪或嵌段共聚物。支撑结构可包括聚合纸和经编针织物型网状材料中的一种或多种。支撑层可由诸如(例如)聚丙烯腈、PS、PET、聚丙烯(PP)或其组合的材料制成。在至少一些实施方案中，通过分离支撑结构的第一和第二层来释放热交换面板的步骤可包括改进支撑结构的至少一部分中的孔结构，藉此增加支撑结构的孔隙率和降低其弯曲度。所述方法可进一步包括再利用支撑结构的第二层。

在另一方面，本发明涉及一种制造热交换面板的方法。所述方法包括在用作基板替代物(主要保留在制造设备范围内)的制造带(例如传送带)、鼓状物或类似结构上浇铸无纸支撑结构。所述带可为沉积各种材料层提供支撑，但是可在制造设备中保留并再利用，而非在处理结束时被移除以丢弃或再利用。所述方法包括以下步骤：在无纸支撑结构上沉积支撑材料，在支撑材料上沉积传热材料，和使无纸支撑结构从制造带分层以形成热交换面板。在一些实施方案中，无纸支撑结构和支撑层可在沉积传热材料之前分层。其可在单独过程中施用。在一些实施方案中，所述带或鼓状物可经构造和配置以提供保留支撑结构的一部分的表面。任何保留的支撑结构可在带或鼓状物完全旋转之前移除，以避免材料积聚或抑制沉积和分裂处理的有效性。

根据一个或多个实施方案，热交换面板可包括小于约75微米的织物层、施用在所述织物层上的小于约50微米的支撑层、和施用在所述支撑层上的传热层。所述热交换面板可具有小于约125微米的总厚度。

在一些实施方案中，传热层可包括任何本文所公开的聚合物。支撑结构可包括PET且包含小于约30g/m²的材料整体。支撑材料(即支撑层)可以约8与17.5g/m²之间的涂层施用。支撑结构、支撑材料和传热层整体的合并重量可在约20与40g/m²之间。支撑结构可在湿法制程中制造。

根据一个或多个实施方案，多孔支撑层的顶部可用致密的聚合物传热层涂覆，支撑层提供光滑和/或多孔表面以接收传热材料。可通过各种技术，包括界面聚合、沉积、挤出和产生薄聚合物膜的其它方法，以无缺陷薄膜产生其。事实上，涂层材料为坚固的，具有高导热度(当以薄层沉积时)，且为耐热和耐化学的。可适用于此点的聚合物包括氟化聚合物，诸如聚四氟乙烯(PTFE)(例如，

，可购自DuPont)以及认为用于热交换的其它聚合物，诸如PP、PVDF、PEEK、聚酰胺(尼龙或类似物)和PS。根据一个或多个实施方案，非对称支撑可使得最顶部层致密的方式制成。

根据一个或多个实施方案，薄聚合物膜可具有极高的传热特性。根据一个或多个实施方案，极薄的传热膜可小于约10μm厚或甚至更薄。在至少一个实施方案中，约100nm的聚酰胺膜可在PS支撑层上浇铸。可以提供整体材料高强度特性的方式支撑所述膜。也可选择材料的厚度以抗随时间的磨损。这种传热材料相对于金属热交换器可为便宜的，且可将相对大的表面积包装入适于所需传热应用的模组和格式中。在多种情况下，传热效果可事实上优于传统热交换器，归因于薄膜热交换材料的低抗传热性，和结构支撑的低抗传质性。在至少一些实施方案中，可使用类似于膜所用的格式，包括板框、空心纤维和螺旋缠绕配置。

此外，在一些实施方案中，传热材料的厚度将为使得主要抗传热性将不会是来自材料本身，而是来自热交换面板的传热材料表面上和多空支撑结构中的传热和传质效果。传热模组的整体传热系数(U)可取决于结构参数和两种传热流体的相位及其相关特性。

在一方面，本发明涉及一种制造热交换面板的方法。所述方法包括以下步骤：提供具有第一层和第二层的支撑结构，将第一材料施用至所述支撑结构的第一层以形成薄多孔支撑层，将第二材料施用至所述第一材料支撑层以形成薄无孔传热层，及通过将所述支撑结构的第一层从所述支撑结构的第二层释放来释放所述热交换面板。

在各个实施方案中，所述方法包括以下步骤：改进所述支撑结构或支撑层中至少一种的孔结构。提供支撑结构的步骤可包括提供微滤或超滤膜作为支撑结构。在一个或多个实施方案中，所述支撑结构包括织物层和/或非对称结构。在一些实施方案中，所述支撑结构具有约2mil至约4mil的厚度。在一个或多个实施方案中，所述第一材料可具有约1mil至约2mil的厚度且可经由相转化施用。在各个实施方案中，所述第一材料可包括聚砜或聚对苯二甲酸乙二酯中至少一种。在一个或多个实施方案中，所述第二材料可具有约10μm或更小的厚度且经由薄膜沉积法施用。在各个实施方案中，所述第二材料可包括聚偏二氟乙烯、聚醚乙基酮或聚四氟乙烯中至少一种。

在另一方面，本发明涉及一种热交换器，其具有多个热交换面板。所述热交换面板包括具有高孔隙率和低弯曲度的薄支撑结构。最优的厚度、孔隙率和弯曲度将变化以适于特定应用，但是在一个实施例中，50微米或更小的厚度和0.5或更小的弯曲度将产生<250μm的S。所述面板也包括布置在支撑结构的第一侧以形成薄多孔支撑层的第一材料和布置在在支撑层上以形成薄无孔传热层的第二材料。在某些实施方案中，支撑结构和支撑层被配置来促进通过其的传质和传热，且传热层被配置为促进通过其的传热，同时避免传质。

在各个实施方案中，热交换器包括外壳，其中所述多个热交换面板的每个堆叠在所述外壳内以形成板框式热交换器。在另一实施方案中，所述热交换器包括圆柱形外壳，其中所述多个热交换面板的每个呈螺旋方式缠绕以形成管状构件，且所述多个管状构件纵向布置在所述圆柱形外壳内以形成壳管式热交换器。在一些实施方案中，热交换器包括外壳，所述外壳具有第一入口与第一出口以引导第一液体流在每个热交换面板的第一侧上通过热交换器和第二入口与第二出口以引导第二液体流在各热交换面板的第二层上通过热交换器。在一个实施方案中，定向热交换面板使得第一液体流是处于与多孔支撑结构直接流体连通，且第二液体流是处于与传热层直接流体连通。在其它实施方案中，薄支撑结构包括聚合纸，第一材料包括聚砜或聚对苯二甲酸乙二酯中至少一种，且第二材料包括聚偏二氟乙烯、聚醚乙基酮或聚四氟乙烯中至少一种。在一个或多个实施方案中，薄支撑结构可为双层基板，其中在一个实施方案中，双层结构具有可去除背层。

在另一方面，本发明涉及一种制造热交换器的方法。所述方法包括以下步骤：提供外壳，所述外壳界定内部区域且具有第一入口、第一出口、第二入口和第二出口；形成多个具有第一侧和第二侧的热交换面板；将所述多个热交换面板的每个布置在所述外壳的内部区域内；将所述多个热交换面板的每个的第一侧与所述外壳的第一入口和第一出口流体连接；和将所述多个热交换面板的每个的第二侧与所述外壳的第二入口和第二出口流体连接。热交换面板包括具有高孔隙率和低弯曲度的薄支撑结构、布置在所述支撑结构的第一侧上且形成薄多孔支撑层的第一材料、和布置在所述支撑层上且形成薄无孔传热层的第二材料。热交换面板可由本文所公开的多种材料制成，且可形成(例如以螺旋方式缠绕)以容纳特定类型的热交换器，例如壳管式或板框式。

通过参考以下描述和附图，这些和其它目标，连同文中所公开的本发明的优点和特征将变得显而易见。此外，应了解，本文所述的各个实施方案的特征不是互相排斥的且可以各种组合和排列存在。

附图说明

在图中，类似的参考符号一般是指不同视图中的相同部件。而且，图不一定是按比例的，而是重点一般放在说明本发明的原理且不欲作为本发明限值的定义。出于清晰的目的，并不是在每个图的每个组件都加以标注。在以下描述中，将参考以下附图描述本发明的各个实施方案，其中：

图1是根据本发明的一个或多个实施方案的热交换面板的透视图；

图1A是根据本发明的一个或多个实施方案的替代性热交换面板的透视图；

图2是根据本发明的一个或多个实施方案的热交换器的透视图；和

图3是根据本发明的一个或多个实施方案的另一热交换器的透视图。

具体实施方式

根据本发明的热交换面板或基板通常包括多孔支撑结构，其为传热层提供机械和结构支撑，其中所述支撑结构具有极低的厚度和弯曲度。热交换面板可以各种形状形成，其包括螺旋缠绕、管状和平板，这取决于预期的应用。传热特性应客制化来实现理想的性能且可在具体应用之间变化。

减少支撑结构的厚度和弯曲度是合人心意的，然而，试图减少支撑材料的厚度或重量可与处理问题相关，诸如不能使支撑材料在无压痕或起皱下通过制造线运行。在多种情况下，可出现破损，其可导致制造商的重大损失。

根据一个或多个实施方案，可促进制造具有减少的厚度以改进传热性的热交换面板。在至少一些实施方案中，可减少支撑结构的厚度。更薄的支撑结构可与降低的成本和增强的通过支撑层的传热和传热有关。

图1描绘根据本发明的一个或多个实施方案制造的热交换面板或基板10的一个实施例。如所示，热交换面板10包括布置在支撑层12上的传热层14，支撑层12继而被布置在支撑基板或结构13上。传热层14通常为布置在支撑层12上的无孔薄膜，其中支撑层通常为具有极低厚度和弯曲度的高度多孔支撑结构。支撑结构13也具有低厚度和弯曲度。通常，支撑层12显著薄于支撑结构13，由于在一些实施方案中其主要目的在于在高度多孔支撑结构13与传热层14之间提供光滑界面表面。可根据本文所述的任一种方式，包括例如利用双层制造技术制造支撑结构13。热交换面板10的总厚度通过减少支撑结构13的厚度而减少，支撑结构13为热交换面板10提供机械和结构支撑。在一些实施方案中，支撑结构13为约4mil厚，且基重为80g/m²，及弗雷泽透气度为约4ft³/ft²/min。一般来说，热交换面板10可用于各种类型的热交换器中，例如如本文所述，多个面板可组装成板框式总成或螺旋缠绕。

根据一个或多个实施方案，可提供双层基板以促进热交换面板制造。双层基板可包括顶部结构支撑层，其将充当最终热交换面板的结构支撑。双层基板的结构支撑层可具有相比传统支撑层减少的厚度，而同时提供制造(包括在双层基板的结构支撑层上应用和处理传热层)所需的总厚度，及在一些实施方案中，在传热层与双层基板之间的可选支撑/界面层。在一些实施方案中，双层基板可包括除结构支撑层以外的可去除背层，以提供额外的厚度。在一些实施方案中，背层可为大部分牺牲的，暂时提供增加的厚度给结构支撑层以促进制造过程。可去除背层可规定为继热交换面板制造之后从结构支撑层分离。在其它实施方案中，双层基板可包括规定为继热交换面板制造之后保持完整的背层。在至少一些实施方案中，背层可保持与结构支撑层连接且并入热交换器中。

相比于例如传统膜支撑层，双层基板的顶部支撑层一般为减少厚度的轻基重层。在至少一个实施方案中，顶部支撑层可为PET。在一些实施方案中，顶部支撑层和背层可由相同材料制成。在其它实施方案中，其可由不同材料制成。双层基板的特征可为以下特性：允许两层一起以执行关于在膜制造过程中的强度、抗压痕性和一般处理与现有标准PET支撑层相似的功能。

图1A描绘热交换面板10’，其利用以双层基板形式的支撑结构13。双层支撑结构13包括顶部支撑层16，其将充当最终热交换面板10的结构支撑，和可去除背层18，其提供如制造热交换面板10(例如，应用和处理支撑层12’)可所需的额外厚度/支撑，和在支撑层16上的传热层14’。在一些实施方案中，热交换面板10’可不包括支撑层12’，(取决于顶部支撑层16的性质)；然而，如果包括在内，其除了提供在支撑结构13与传热层14’之间的界面以外可提供额外的支撑给热交换面板10’。可去除背层18可在继制造热交换面板10之后从顶部支撑层16分离。在这种情况下，背层18为大部分牺牲的，在制造热交换面板10期间暂时提供增加的厚度给支撑层16。在其它实施方案中，背层18可在继制造热交换面板10之后保持与支撑层16连接且并入由一个或多个热交换面板10所形成的热交换器中。

在一些实施方案中，背层18的厚度通常可为约2至约4mil，其弗雷泽透气度小于约6ft³/ft²/min。支撑层16的厚度通常小于约2mil，其弗雷泽透气度大于约100ft³/ft²/min。热交换面板10’的总厚度可小于约125微米。支撑层可包括小于约30g/m²的材料整体。支撑材料层12’的厚度可为约1-2mil，且以介于约8与约17.5g/m²之间的涂层施用。如上所讨论，传热层可为约10μm厚或更少。支撑结构13、支撑材料12’和传热层14’的合并重量整体可在约20与约40g/m²之间。支撑层16可以湿法制程、干法制程或编织材料制成。或者，支撑层16可在电场存在下通过沉积(诸如在电纺织方法中)制成。材料可包括PET或通常用于制造压力驱动型膜支撑中的其它聚合物，且可另外设计成具有亲水性。在一些实施方案中，支撑层16可为纸，诸如聚合纸。在一些非限制性实施方案中，支撑层16可由PET、PP、PS、聚丙烯腈(PAN)、或其它适用于为支撑层12’与传热层14’的界面聚合创建支撑的多孔聚合物制成。

传热层14’和/或支撑层12’可在与膜制造类似的制造过程期间施用至双层支撑结构13的支撑层16。传热层14’可包括如上所讨论的聚合物。根据一个或多个实施方案，多层基板可比单层更容易涂覆，这是因为支撑结构13更坚固且更厚，因此较少遇到起皱和撕裂。继处理之后，然后可分离并移除背层18。通过使用双层支撑结构13，可使用标准制造设备和技术制造具有减少厚度的结构支撑层的热交换面板10’。在一些实施方案中，分离步骤可在施用传热层14’之前进行。其它制造技术如下所述。

根据一个或多个实施方案，所公开的制造方法的特征可为最小化支撑材料(层16)诸如PS渗透入背层18，其可促进背层18的分离和移除。不希望受限于任何特定理论，使用多层可通过阻止过量材料渗透背层18而缓和透印的影响。如此，背层18可在继分离之后保留大部分完整，使能够再利用或再回收背层18，这可提供额外的效率和成本节约。在其它实施方案中，背层18大部分是可牺牲的。在其它实施方案中，背层18可在制造设备本身内再回收，诸如具有旋转带或鼓状物。在一些实施方案中，背层或带可允许支撑材料(层16)足够渗透，使得在移除背层材料时，出现结构支撑层16的孔结构的有益破坏。这可造成多孔支撑层16的底部具有比没有这破坏下可具有者更开放和多孔的结构。最优的背层特征可允许多孔支撑材料的轻微渗透，而不允许完全渗透或“透印”，使得当已移除背层时，孔结构向上打开而不会造成其上的传热层缺陷。

在至少一些实施方案中，可通过在实质上高释放材料上浇铸支撑聚合物，使得在支撑聚合物上浇铸传热层之后，支撑聚合物可从底部材料剥离使得仅支撑层和传热层保留，来形成双层基板。在其它实施方案中，可从市面上购买双层材料以用于热交换面板制造制程。

如上所讨论，移除牺牲性或可再回收背层可在聚合物支撑层的底部区域(其在其移除之前先与背层相接)创建更开放的孔结构。这可导致通过完成热交换面板的传热和传质增强。在多孔聚合物支撑的最底部部分处的相对闭口孔结构的撕开或其它破坏可产生结构，所述结构的特征为显著增强支撑结构的孔隙率和降低弯曲度。在许多情况下，这种聚合支撑的孔结构将在穿过其厚度的大多数下为实质上开口的，但是在聚合物相与底部材料相接处变成闭口。如果多孔支撑中的某些渗透入底部层，移除这层将暴露比在整个多孔层中将发现的更开放得多的结构，移除在底部处的紧密层。

根据一个或多个其它实施方案，不是使用包括牺牲型或以其它方式可去除背层的双层基板，而是实施一种双层基板，其打算整个变成所得热交换面板的一部分。在这些实施方案中，支撑聚合物(例如层12)可直接在经编针织物型网状支撑材料的一侧或两侧上浇铸。聚氨酯或其它粘合剂可用于粘合支撑层与网状层。在某些实施方案中，支撑聚合物可为PET。随后，可将传热层施用在这些支撑聚合物涂层的任一层上，形成最终热交换面板。

在一些实施方案中，经编针织物层可层压至薄PET层以创建双层基板，随后可在现有的制造机器上加工所述双层基板。通过在制造之前合并这些层，经编针织物的强度可用来处理薄PET，且所得双层材料不需要分离，因为包括经编针织物的热交换面板可直接并入热交换器中。不希望受限于任何特定理论，经编针织物背衬可增加热交换面板的制造效率，因为其相对不受网破坏影响，且相比于标准4毫米PET具有优越的强度。这可导致在制造过程中减少压痕和起皱并增加产量。

根据一个或多个实施方案，双层基板可进行预湿润以改进支撑聚合物和聚合物/织物界面的传质特性。溶剂，诸如N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚砜(DMSO)、磷酸三乙酯、二甲基乙酰胺或其组合可用于预湿润。预湿润可创建更开放的孔结构，造成聚合物支撑中的孔更少闭塞，通过鼓励大孔隙形成增强聚合物孔隙率，改进孔结构，且降低弯曲度。这些特性可实现或甚至通过可去除背层(若使用)的分离而增强。当使用不打算分离的双层总成诸如具有支撑经编针织物和PET织物时，这些特性可特别合人心意，例如通过避免聚合物过量渗透入支撑材料。

根据一个或多个实施方案，一种制造热交换面板的方法可包括使用驱动系统来传输支撑材料的双层片材，例如两层PET纸通过浇铸机器，其可沉积在溶剂溶液中的聚合物创建支撑层(例如，在图1A中的支撑层12’)和/或传热层(例如，在图1中的传热层14)在一些实施方案中，支撑层12’和热交换层14’是在单个连续制程中依序应用。或者，支撑层12’和热交换层14’可在分开的制程/机器上应用。一般可保持张力以减少压痕和起皱的可能性。双层支撑材料可由挤压在一起使得可随后移除底部层的两层组成。

双层基板可输送至聚合物应用装置，其应用在溶剂(例如DMF)中的聚合物(例如PS)溶液。在涂覆时，双层基板可进入淬火槽中，其中聚合物沉淀进入双层基板的顶部层。淬火槽的温度可变化且可影响所得热交换面板的一个或多个性质。在至少一些实施方案中，热交换面板的改进性质可与在100°F至110°F范围内的淬火槽温度有关。双层基板的顶部层设计成允许足够的溶液渗透以导致在超过约10psig下沉淀的聚合物层将从双层基板的顶部层解开的分层压力。相比之下，双层基板的背层被设计成避免聚合物渗透以允许两种支撑材料层在制造后分离。背层的主要目的是避免顶部层的压痕和起皱，同时通过提供必要的强度来加工以允许现有的机器(例如，膜制造机器)输送热交换面板10所需的极薄支撑层12和极薄传热层14。使用标准冲洗和浇铸设备完成制造的剩余部分。

根据一个或多个实施方案，传热层14的特征为足以赋予所需传热性质同时一般最小化整体热交换面板厚度的厚度。在某些实施方案中，传热层可具有约50nm至约200nm的平均厚度。传热层的厚度希望尽可能地有限，但是厚度必须足够避免涂层表面中的缺陷。传热层可在多孔支撑的表面上经由聚合，例如经由界面聚合而形成。

根据一个或多个实施方案，支撑层12或16的特征可为足以在制造和使用期间提供支撑和结构稳定性同时一般最小化整体热交换面板厚度的厚度。在某些实施方案中，支撑层可具有约10μm至约75μm的平均厚度。一般希望支撑层尽可能地薄而不会折损支撑表面用于传热层14的界面聚合的品质。支撑层越光滑，针对这个标准所需的支撑材料厚度一般越小。在至少一些实施方案中，这个层小于约40μm。

根据一个或多个实施方案，可适用作多孔支撑的聚合物包括PS、聚醚砜(PES)、PES-酮、PEEK、聚(杂萘联苯醚砜酮)、PAN、PP、聚氟乙烯(PVF)、聚醚酰亚胺(PEI)、乙酸纤维素、二乙酸纤维素和三乙酸纤维素聚丙烯腈。

根据一个或多个实施方案，薄膜复合热交换面板可包括多孔支撑，其包括具有多个第一孔的第一侧和具有多个第二孔的第二侧，其中基本上所有多个第一孔的平均直径是在约50nm与约500nm之间，且基本上所有多个第二孔的平均直径是在约5μm至约50μm；然而，更大的孔直径是被预期且被认为在本发明的范围内。在某些实施方案中，多个第一孔和多个第二孔是处于流体连通中。顶部层(例如结构支撑层16)的用途在于允许高品质的支撑层(例如层12)通过界面聚合或其它沉积方法形成，且提供机械支撑给通过例如界面聚合或其它沉积方法布置在其上的极薄传热层(例如层14)。支撑结构的剩余部分的用途在于尽可能地开放且尽可能地小的弯曲，同时尽可能地薄。大孔朝向底部可利于这个用途。根据一个或多个实施方案，聚合物添加剂可分撒在多孔支撑中。所述添加可增加强度或其它所需性质给支撑结构。传热层可应用在多孔支撑的第一侧上。

根据一个或多个实施方案，一种制造热交换面板的方法可包括提供支撑结构，其包括至少一第一层和第二层，将材料施用至所述支撑结构的第一层以形成支撑层，将传热材料施用至支撑层以形成热交换面板，和通过将支撑结构的第一层从支撑结构的第二层分离来释放热交换面板。

根据一个或多个实施方案，一种制造热交换面板的方法可包括提供支撑结构，其包括至少一薄支撑层，添加材料至支撑层以形成支撑结构，作为一整体释放薄支撑层和材料结构，和利用传热材料涂覆支撑结构以形成热交换面板。

根据一个或多个实施方案，热交换面板可包括小于约75微米的织物层、施用在织物层上的小于约50微米的支撑层和施用在支撑层上的传热层。热交换面板可具有小于约125微米的总厚度。支撑层可包含小于约30g/m²的材料整体。在一些实施方案中，支撑材料可以约5至20g/m²的涂层施用。在一些实施方案中，涂层可为约8至17.5g/m²。支撑层、支撑材料和传热层整体的合并重量可为20至40g/m²。支撑层可以湿法制程制成。

根据一个或多个实施方案，聚合物或其它材料可经由各种已知技术沉积在薄编织或无纺布或无机基板上以形成具有极薄支撑结构的热交换面板。在一些实施方案中，用于制造的基板可包括多层支撑。可将超滤(UF)基板置于多层编织或无纺布支撑上，使得一或多层可在制造制程结束时在热交换器构造之前去除。在至少一些实施方案中，基板材料的孔的尺寸可在UF范围内，例如约100nm至约1um直径，以促进在其表面上恰当形成界面聚合传热层。在一些实施方案中，沉积可包括聚合物(诸如PS或PAN)的相转化。保持与UF基板连接的层可最优化为所需特性，例如高孔隙率、低弯曲度、薄性或增强可选支撑层扩散至UF层的其它性质和良好的传热性、耐化学性和传热层的无孔性。

在一些实施方案中，传热涂覆的UF材料可放置在编织或无纺布支撑上，诸如利用聚合物的相转化，接着传热层的界面聚合，使得在制造热交换面板后，可移除支撑，只留下UF和传热材料用于热交换器中。在一些非限制性实施方案中，可沉积UF层，然后利用传热层涂覆。在至少一个实施方案中，基板可包括特意可分离的支撑。

所述支撑结构可在聚合物以下、部分封闭或完全封闭在其内。在一些实施方案中，然后可实施薄传热层的界面聚合或涂覆。在其它实施方案中，多孔支撑层在可去除材料上的沉积，诸如从带或其它线性可移动背衬材料(其用于增强材料在制造设备中的操作，但是其不打算变成完成膜产品的一部分)的分层，可用于创建极薄的支撑结构，使得其没有背衬。然后，可将薄传热层沉积在无纸支撑的表面上。在一些实施方案中，可在支撑从带分层之前，将传热层沉积在支撑上。

支撑薄膜可为无纺布且由任何材料制成，但是薄性、高孔隙率和低弯曲度一般是合人心意的。支撑薄膜的厚度可变化。在一些实施方案中，支撑薄膜可小于约100微米、小于约80微米、小于约50微米或甚至更薄。在至少一个实施方案中，多孔聚酯无纺布支撑薄膜可用作基板。

根据一个或多个实施方案，一种制造热交换面板的方法可包括提供厚度小于约50微米的薄编织或无纺布织物背衬。支撑层和传热层可施用至织物背衬。薄编织或无纺布织物支撑层(顶部层)的特征可为大于约100ft³/ft²/min的弗雷泽透气度。薄编织或无纺布织物支撑层(底部层)的特征可为小于约10ft³/ft²/min的弗雷泽透气度。在一些实施方案中，约5ft³/ft²/min的底部背层的弗雷泽透气度可为合人心意的。在至少一些实施方案中，薄编织或无纺布织物背层可具有小于约30g/m²的基重。施用至织物背层的支撑层的厚度可小于约40微米。可将传热层施用至聚合物支撑层。

根据一个或多个实施方案，可在目前用于制造膜的生产线上处理热交换面板。根据一个或多个实施方案，通过其可处理薄热交换面板的方法可包括使用集成驱动系统以控制机器离散部分中的张力。也可应用补充的手动或自动网转向装置。在一些实施方案中，机器设计可允许每区不超过约10%的张力下降以减少超过热交换面板的拉紧，其可导致在热交换面板上的压痕和折叠。小于约1磅/线性英寸可避免热交换面板的压痕。机器的设计一般也可限制未支撑热交换面板的自由弦长小于浸没热交换面板的区域中的网宽度的一半。在一些非限制性实施方案中，机器设计也可包括公差为约0.001英寸/滚筒宽度的线性英尺的光学对准，以避免热交换面板上的压痕和折叠。

根据本发明的一个或多个实施方案，可将上述热交换面板10放置在如图2和3中所示的由外壳120、220所界定的内部区域104、204内。外壳120、220一般可设定大小和形状来容纳一个或多个放置在其中的热交换面板10。例如，图2描绘板框式热交换器100，其中多个热交换面板110是如传统板框式热交换器所熟知般在外壳120内堆叠并适当隔开。热交换器100包括多个用于从热交换器100引入或移除两种或多种液体流的端口102。图3描绘壳管式热交换器200的一实施例，其中多个螺旋缠绕的热交换面板210形成管，其是布置在圆柱形外壳220内。热交换器200也包括为各种液体流提供入口和出口的端口202。壳管式热交换器200的构造是另外与这些类型热交换器的已知制造技术一致。

预示实施例

根据一个或多个实施方案，在低结构参数支撑上的0.5μm厚的PEEK薄膜将提供以500,000W/m²-K的速率通过PEEK薄膜的传热，所述速率实质上高于通过6mm不锈钢传热表面会出现的速率，其具有约67,000W/m²-K的传热系数。薄膜复合材料或传统金属表面的热交换器的整体传热系数将通过在热交换材料的每一侧上的传热和传质系数确定。在一些情况下，根据一个或多个实施方案，薄膜复合材料热交换器将具有类似或优越的传热特性，但是在许多情况下，其将具有显著更高的抗腐蚀性和显著更低的成本。另外，如果只有热交换器的一侧需要高耐化学性，那么更昂贵材料的极薄膜将面对那侧，而便宜许多的材料的支撑结构将面对另一侧。

现已描述本发明的一些说明性实施方案中，本领域的技术人员应明了，前述仅仅是说明性的而不是限制性的，仅作为示例的方式被提出。许多修改和其它实施方案是在本技术领域中的普通技术人员的范围内，并预期为落入本发明的范围内。特别是，尽管本文提出的许多实施例涉及方法行为或系统元件的特定组合，但是应理解，这些行为和这些元件可以其它方式组合来达到同样的目的。

此外，还应理解，本发明是针对本文所描述的每个特征、系统、子系统或技术和本文所描述的两个或更多个特征、系统、子系统或技术的任意组合，和两个或更多个特征、系统、子系统和/或方法的任意组合，如果这样的特征、系统，子系统和技术不是相互不一致的，那么被认为是在如任何权利要求中体现的本发明范围之内。另外，仅与一个实施方案有关讨论的行为、元件和特征不打算被排除在其它实施方案中的类似作用。

此外，本领域的技术人员应明白，本文所描述的参数和配置是示例性的，并且实际的参数和/或配置将取决于使用本发明的系统和技术的特定应用。本领域的技术人员也应认识到或能够使用不超过常规实验确定本发明的具体实施方案的等同物。因此，应理解，本文所描述的实施方案仅作为示例的方式提出，并且，在任何所附的权利要求书及其等同物的范围之内；可除如具体所描述以外的其它方式实施本发明。

Claims

1.一种制造热交换面板的方法，所述方法包括以下步骤：

提供包括第一层和第二层的支撑结构；

将第一材料施用至所述支撑结构的所述第一层以形成薄多孔支撑层；

将第二材料施用至所述第一材料支撑层以形成薄无孔传热层；和

通过从所述支撑结构的所述第二层释放所述支撑结构的所述第一层来释放所述热交换面板。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括改进所述支撑结构或所述支撑层中至少一层中的孔结构。

3.根据权利要求1所述的方法，其中提供支撑结构的所述步骤包括提供微滤膜作为所述支撑结构。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑结构包括织物层。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑结构包括非对称结构。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述支撑结构是以约2mil至约4mil的厚度提供。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料是以约1mil至约2mil的厚度施用。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料是经由相转化施用。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料包括聚砜或聚对苯二甲酸乙二酯中至少一种。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二材料是以约10μm或更小的厚度施用。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二材料是经由薄膜沉积法施用。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二材料包括聚偏二氟乙烯、聚醚乙基酮或聚四氟乙烯中至少一种。

13.一种包括多个热交换面板的热交换器，所述热交换面板包括：

薄支撑结构，其具有高孔隙率和低弯曲度；

第一材料，其布置在所述支撑结构的第一侧上并形成薄多孔支撑层；和

第二材料，其布置在所述支撑层上并形成薄无孔传热层。

14.根据权利要求13所述的热交换器，其进一步包括外壳，其中所述多个热交换面板的每个堆叠在所述外壳内以形成板框式热交换器。

15.根据权利要求13所述的热交换器，其进一步包括圆柱形外壳，其中所述多个热交换面板的每个呈螺旋形缠绕以形成管状构件，且所述多个管状构件是纵向布置在所述圆柱形外壳内以形成壳管式热交换器。

16.根据权利要求13所述的热交换器，其进一步包括外壳，所述外壳具有第一入口与第一出口以引导第一液体流在每个热交换面板的第一侧上通过所述热交换器，以及第二入口与第二出口以引导第二液体流在每个热交换面板的第二侧上通过所述热交换器。

17.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述薄支撑结构包括聚合纸。

18.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述第一材料包括聚砜或聚对苯二甲酸乙二酯中至少一种。

19.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述第二材料包括聚偏二氟乙烯、聚醚乙基酮或聚四氟乙烯中至少一种。

20.根据权利要求13所述的热交换器，其中所述薄支撑结构包括双层基板。

21.根据权利要求20所述的热交换器，其中所述双层基板包括可去除背层。

22.一种制造热交换器的方法，所述方法包括以下步骤：

提供外壳，所述外壳界定内部区域且具有第一入口、第一出口、第二入口和第二出口；

形成多个热交换面板，所述热交换面板具有第一侧和第二侧，其中所述面板包括：

薄支撑结构，其具有高孔隙率和低弯曲度；

第二材料，其布置在所述支撑层上并形成薄无孔传热层；

在所述外壳的内部区域内布置所述多个热交换面板的每个；

将所述多个热交换面板的每个的第一侧与所述外壳的所述第一入口和所述第一出口流体连接；和

将所述多个热交换面板的每个的第二侧与所述外壳的所述第二入口和所述第二出口流体连接。