CN105378420A - 制造具有至少两个流体流动回路的热交换器模块的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种用于制造具有至少两个流体回路的热交换器的方法，所述至少两个流体回路中的每一者包括通道，所述方法包括以下步骤：a/制造第一流体回路的一个或多个元件，所述第一回路的每一元件包括至少两个金属板，所述至少两个金属板的至少一者包括第一槽；b/将每一元件的至少两个金属板以这样的方式堆叠，从而所述第一槽形成所述第一回路的通道；c/两个堆叠的金属板之间通过扩散焊接而组装所述第一回路的每一元件；d/制造至少一个第二流体回路的一个或多个元件，所述第二回路的每一元件包括所述第二回路的通道的至少一部分；e/在所述第一回路的一个或多个元件和所述第二回路的一个或多个元件之间通过扩散焊接或通过钎焊或通过扩散钎焊而组装。

Description

制造具有至少两个流体流动回路的热交换器模块的方法
技术领域
本发明涉及一种具有至少两个流体回路的热交换器，所述至少两个流体回路的每一者包括通道。
本发明更具体地涉及一种凭借由热等静压(HIP)技术获得的扩散焊接的该交换器的新制造方法。
已知的热交换器包括一个或至少两个内部流体循环通道回路。在具有单个回路的热交换器中，热交换在回路和回路所浸入的周围流体之间进行。在具有至少两个流体回路的交换器中，热交换器在两个流体回路之间进行。
存在有实施连续方法的已知化学反应器，少量的共反应物根据所述连续方法同时在第一流体回路的入口处被注入，化学反应器优选地设置有混合器，并且所获得的化学产物在第一回路的出口处被回收。在这些已知的化学反应器中，一些化学反应器包括第二流体回路，所述第二流体回路通常被称为实用回路并且其功能是或通过给该反应提供所需的热或与此相反通过将该反应所释放的热排出而对化学反应进行热控制。具有实用性的两个流体回路的该化学反应器通常被称为交换器/反应器。
本发明涉及仅具有热交换功能的热交换器的制造和交换器/反应器的制造两者。因此，在本发明的上下文中的术语“具有至少两个流体回路的热交换器”意在被理解为仅具有热交换功能的热交换器和交换器/反应器两者。
背景技术
现存的被称为具有板的热交换器具有针对被称为具有管的热交换器的明显的优势，特别是其热性能的水平以及其由于表面面积和热交换的体积之间的有利地高的比例的紧凑性。
已知的管式交换器例如为管壳式交换器，其中一束直管或一束以U形式或以螺旋形式弯曲的管固定至多孔板并且布置在腔(所述腔被称为壳)的内部。在这些具有管和壳的交换器中，一种流体在管的内部流动，而另一种流体在壳的内部流动。这些管壳式交换器具有大的体积并且因此不太具有紧凑性。
已知的板式交换器更紧凑并且通过堆叠板而获得，所述板包括通道并且组装在一起。
通道通过冲压板制成，若有必要，通过添加以鳍的形式折叠的板或通过制成槽而制成。利用机械手段或化学方法来执行该制造，所述机械手段例如通过铣削。化学制造通常被称为化学蚀刻或电化学蚀刻。
将板彼此组装在一起意在确保交换器的密封和/或机械强度，特别是在内侧中流动的流体的压力阻力。
数种组装技术是已知的，并且根据所需的板式交换器的类型而使用。该组装因此可以利用机械手段而获得，所述机械手段例如拉动构件，所述拉动构件将堆叠保持夹紧在两个厚刚性板之间，所述两个厚刚性板布置在端部处。通道的密封通过将连接接合点压平而获得。该组装还可以通过通常限于对板的外周的焊接来执行，这通常需要在焊接操作之后将该交换器插入到网格中，以便实现其相对于流体的压力阻力。特别地对于添加有鳍部的交换器，所述组装可以再次通过钎焊来获得。所述组装可以最终通过扩散焊接来获得。
所提到的最后两种技术使得交换器被制成，所述交换器关于机械强度是特别强大的。这是因为，由于这两种技术，所述组装不但在板的外周获得，而且还在交换器的内侧获得。
具有通过扩散焊接而组装的板的热交换器具有接合点，所述接合点比通过钎焊而获得的交换器的接合点在机械上甚至更强大，这因为不存在用于钎焊所需的附加金属。
扩散焊接包括通过在热状态下将力施加至待组装的组件达给定的时间期间而获得固态的组件。所施加的力具有双重功能：该力使得对接，也就是说，使待焊接的表面相接触，并且其通过蠕变/扩散而便于消除接合点(交界面)中的残余空隙。
该力可以通过单轴压缩而施加，例如利用装备有烤炉的压力机(press)或简单地使用布置在待组装的堆叠的组件的顶部上的质量块(masses)。该方法通常被称为单轴扩散焊接并且在工业上用于制造板式热交换器。
对单轴扩散焊接方法的明显的限制涉及到以下的事实：其不允许待焊接的接合点相对于单轴压缩力的施加方向的任何定向。
另一可替选的方法克服了该缺点。在所述另一方法中，所述力经由压缩气体被施加至密封腔。该方法通常被称为热等静压(HotIsostaticPressing，HIP)。相较于扩散焊接的单轴方法，通过HIP的扩散焊接的方法的另一优点是：其在工业规模上更广泛地使用。这是因为HIP还用于铸造组件的成批处理以及用于压实的粉末。
具有通过当前已知的扩散焊接获得的板的紧凑式交换器还具有明显的缺点，所述缺点可以在下文中陈述。
第一主要的缺点是板的制造成本，特别是在具有装配式通道的情况下。尽管相较于机械制造，化学蚀刻使得成本有一定程度的降低，但是所有的情况都是相对的：与给定长度相比，通过化学蚀刻制成的板式交换器的通道的成本大于管式交换器的通道的成本。而且，化学蚀刻具有多种缺点，例如不足的尺寸精度、对于扩散焊接是不利的对边缘的倒圆，或由于已经使用的酸洗产品和遮蔽产品的残留而对待组装的表面的残余污染。
具有已经通过扩散而焊接的板的紧凑式交换器的第二主要的缺点是，难以在所获得的交界面接合点的机械强度、通道的可接受的变形以及结构材料的纹理的膨胀之间找到良好折中。
这是因为，在单轴扩散焊接的方法中，可以使用使通道轻微变形的低值的或甚至非常低值的力，只要该板具有良好的互相接触并且所述低值的力通过焊接温度的升高而补偿以便消除交界面处的多孔性。这些情况不可避免地包括材料的纹理的膨胀，这针对其耐腐蚀性和机械性能可能是被阻止的。而且，在多种应用中，对于位于两个流体回路之间的材料的纹理的数目超过最小值是至关重要的以便防止泄露的风险。
在使用HIP的扩散焊接方法中，堆叠的组件预先被封装在密封容器中以便防止气体透入到由待焊接的表面构成的交界面中。通常所使用的气压很高，所述气压大约从500bar到2000bar，通常为1000bar。能够实施HIP的工业腔的最小操作压力本身在40bar和100bar之间。因此，在该压力下焊接的接合点比起在较高压力(例如，在1000bar下)下获得的那些接合点具有较小的耐久性，所有其它条件(材料、温度、表面状态等)还是同样的。而且，在40bar和100bar之间的该压力对于具有大的通道密度的板来说甚至更大，也就是说，其接触表面通过邻近的板确定的板相较于总的可见表面是小的。这是因为，对于这种类型的板，甚至几十bar的压力可足以引起通道的不可接受的变形。一种可行的解决方案可以包括降低组件的温度，从而该材料更耐压力，但是这等同于进一步降低接合点的强度。另一可行的方案可以包括改变通道的构造以便使得堆叠更耐压力，但是这等同于使得板式交换器不太紧凑。
应当注意的是，将焊接力传递至沟槽板堆叠中以不同方式执行，无论包含的是单轴扩散焊接方法还是利用HIP的扩散焊接方法。这是因为位于槽的下方的交界面的部分承受减小的焊接力，这由于焊接力仅仅经由位于每一槽的一侧和另一侧上的两个肋或峡部(isthmuse)而传递。相反，针对该肋部而获得了高的焊接力。交界面的质量因此可以从堆叠的一个位置到另一位置而改变。
而且，对于特殊需求的应用，必要的是能够在堆叠的所有位置中控制交界面的质量，例如，该控制通过非破坏性的控制。除了在一些非常精确的情况下，例如，在向内非常轻微地弯曲并且其具有的尺寸足以允许超声控制波通过的通道的情况下，通过当前可用的技术是不可行的。
已经已知了用于通过经由HIP的扩散焊接来制造热交换器同时控制通道的几何构造和交界面的质量的多种解决方案。在这些解决方案中的共同点是制造堆叠，从而可以在HIP循环期间使得通道敞开。以这种方式，压缩气体占据了通道的所有内部空间，并且因此它们不变形或非常小的变形。因此，可以在高压下执行HIP。
第一已知的解决方案包括使用用于每一通道的管，并且在管的至少一端处以密封方式焊接至本身是密封的容器。每一管预先被插入到板的槽中，之后插入到相同的板的槽中的管被夹在可被开槽或可不被开槽且邻近的另一板中。本申请的发明人之一已经实施了该解决方案[1]。先前的将每一管的至少一端密封焊接至密封容器的必经步骤本质上包括有限数目和密度的管。该解决方案的主要缺点在于，其包括交换器的能够以管的形式制造的通道，其排除了复杂的形状，例如不能通过弯曲而制成的快速改变方向的形状。以这种方式，替代了复杂的形状，通道以更为简单并且不太紧凑的形式制成。也就是说，如在前文中所描述的，相较于具有通过根据现有技术的扩散而焊接的沟槽板的热交换器，该第一已知的解决方案破坏了热交换器的紧凑性。
第二已知的解决方案描述在专利申请WO2006/067349中。这实质上包括阻止待焊接的交界面在通道中敞开。以这种方式，根据该专利申请的解决方案包括在金属板中制造具有在其顶部处敞开的截面的槽，然后通过薄金属板的焊接单独地阻止它们，因此使得槽的一端或两端可进入压缩气体。焊接通道的两端的问题相对于第一已知的解决方案被简化，但是以每一通道焊接一个板的需求为代价的。这可以是费力的、成本高的并且在每一交换器的大量的通道的情况下难以实现。
第三已知的解决方案描述在专利申请WO2011/026925中。执行了以下的步骤：
-在沟槽板上，将材料的浮凸的连续珠粒沉积在每一槽的外周处，而将同样浮凸的另一连续珠粒沉积在板的外周处；
-将具有其连续珠粒的沟槽板堆叠在容器中，其中槽不具有开口端部；
-将所述容器密封；
-应用低压HIP循环，在该低压HIP循环期间，利用连续珠粒的扩散焊接获得单独地由至少一个槽限定的每一通道的密封；
-钻通道以便允许压缩气体透入到每一通道中；
-应用高压HIP循环以便通过由连续珠粒限定的表面的扩散焊接在接合点上实现良好的机械性能。
对于根据专利申请WO2006/067349已知的解决方案，该最后已知的解决方案可能是费力的、成本高的并且在每一交换器的大量通道的情况下难以实现。
申请人已经提出了第四种解决方案。该解决方案在专利申请WO2013/150458中描述并且请求保护。其实质上包括制造两组细长形式的金属管，所述两组细长形式的金属管中，第一端是盲端，而与第一端相对的第二端是敞开的，通过将每一组的管并排地放置而将其对齐，将该多组以可替选的方式通过头到脚放置并且偏置地堆叠以便形成间隙的出现，用板或金属板填充每一间隙，然后用由金属板形成的外壳将以这样的方式形成的堆叠封装起来。以这样的方式，交界面的外周的密封焊接被简化，同时使每一管的第二端敞开，因此使得可以应用高压HIP循环。如同上面所提出的第一解决方案，由于管的可能的内在形状，故该解决方案不适于制造具有复杂几何构造和/或小尺寸的通道的交换器，例如那些由金属板或沟槽板制成的交换器。
因此，需要通过扩散焊接来进一步改进用于热交换器的制造方法，特别地以便获得紧凑式交换器，所述紧凑式交换器具有复杂几何构造和/或小的尺寸的通道，以提高其接合点的机械强度而不带来通道的过多的强烈变形，也不会带来结构材料的纹理的不可接受的膨胀，以便能够例如通过非破坏性的控制在交换器的任何位置处控制接合点的质量，并且能够具有可接受的制造成本以及实施便利性。
本发明的目的是至少部分地实现该需求。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于制造具有至少两个流体回路的热交换器模块的方法，所述至少两个流体回路中的每一者包括通道，所述方法包括以下步骤：
a/制造两个流体回路中的一者的一个或多个元件，所述两个流体回路中的一者被称为第一回路，所述第一回路的每一元件包括至少两个金属板，所述至少两个金属板的至少一者包括第一槽；
b/将每一元件的所述金属板堆叠，从而所述第一槽形成所述第一回路的通道；
c/通过扩散焊接对第一回路的每一元件的堆叠的金属板组装；
d/制造至少一个另一流体回路的一个或多个元件，所述至少一个另一流体回路被称为第二回路，所述第二回路的每一元件包括所述第二回路的通道的至少一部分；
e/在所述第一回路的一个或多个元件和所述第二回路的一个或多个元件之间通过扩散焊接或通过钎焊或通过扩散钎焊而组装。
术语“钎焊扩散”意在指的是本领域技术人员的通常定义，如在出版物[2]中所提到的。
以这种方式，本发明实际是一种用于制造具有两种流体的热交换器的方法，所述方法通过扩散焊接、优选地利用HIP对由沟槽板制成的第一流体回路的元件进行中间组装。
用于第一流体回路的元件的中间扩散焊接能够提供单纯专用于该第一流体回路的元件的焊接力，而无需同时焊接第二流体回路的元件。也就是说，焊接力单独地施加至第一回路的每一元件，与根据现有技术的方法相反，由于第二流体回路的元件的存在，所述焊接力未减少，也就是说未被屏蔽。
通过本发明，由于在组装步骤c/中的焊接力独立地施加至第一流体回路的元件的每一者的事实，可以想象的是所述元件的板的相对大的初始厚度，以便最大程度地减小由它们的槽形成的通道的变形。然后，在用于所述第二流体回路的一个或多个元件的步骤e/之前，可以例如通过处理而根据需要精确地减小第一回路的每一元件的这些板的厚度，以便在第一回路的元件和第二回路的那些元件之间具有所期望的壁厚。
以这种方式，通过对于第一回路的每一元件初始较大的板厚度，可以增大焊接力和/或焊接温度，并因此提高接合点的质量，并且在接合点的性能水平、第一流体回路的通道的纹理膨胀以及变形之间找到折中。
而且，可以为第一流体回路的每一元件限定复杂几何构造和/或小尺寸的通道。
根据本发明的方法能够获得具有至少两个流体回路的热交换器，所述热交换器是紧凑的，并且为在相对低压下通过扩散焊接、优选地利用HIP对第一流体回路的每一元件的独立组装，该独立组装先于对第二流体回路的一个或多个元件的组装，由于待制造的不可接受的纹理膨胀，该独立组装使得既不压碎通道，也不过分地破坏结构材料。
而且，实施根据本发明的方法的成本和便利性是可接受的。
根据交换器模块所需要的使用条件，也就是说，根据流动通过模块的流体的压力、流体的温度以及流体的特性，而选择构成第一流体回路和第二流体回路的每一元件的金属材料、以及通过焊接而连接的流体收集器。例如，这可以为铝、铜、镍、钛或这些元素的合金以及钢，所述钢特别是合金钢或不绣钢；或选自铌、钼、钽或钨的合金的耐火金属。
流体循环通道具有宽度和高度，所述宽度和高度特别地取决于所传输的流体的特性和特征以及所需要的热交换。所述宽度和高度可以特别地沿着通道的路径而改变。通常，根据本发明的紧凑的交换器模块包括通道，所述通道的尺寸从0.1mm改变到10mm，优选地从1mm改变到5mm。为此，根据本发明的在步骤a/至步骤c/中所使用的第一回路的元件的金属板的厚度可以从0.1mm改变到15mm，优选地从1mm改变到10mm。最后，通道的在其长度上的路径可以是直线式或非直线式，并且可以形成弯折部或例如以之字形形式的图案。
构成第一回路的每一元件的金属板的制造可以实施取决于给出第一回路的通道所需的几何构造的方法。例如，如果需要具有带倒角的恒定矩形截面的通道，则优选地在构成单个元件的两个板中制造出槽。所述通道由通过将每一板的槽彼此相对地定位而将两个板的一者堆叠在另一者上形成。相比而言，如果需要具有锐角的通道，则优选的是将具有图案的中间板夹在未开槽的两个板之间，所述图案通过激光切割技术或通过化学蚀穿(through-etching)而凹进。
为了形成所述通道，根据步骤b/将构成第一回路的每一元件的板制成形成通道的堆叠。为此，可以使用定位销或在其边缘处挤入板以及例如通过焊接将它们固定。
优选地，在堆叠之前，也就是说，在步骤b/之前，执行对第一回路的每一元件的板的清洁的步骤a1/。该清洁可以例如利用清洁剂或溶剂而执行。
根据有利的实施方式，在步骤b/之后，执行对每一元件的至少两个金属板的外周的密封的步骤b1/，然后，通过板之间的每一交界面处的开孔执行对每一密封堆叠的内侧的除气的步骤b2/，执行封闭所述开孔的布骤b3/，以及最后通过将在相对低压下将热等静压(HIP)循环应用至被密封且除气的每一堆叠而执行步骤c/。通过开孔，通过放置在降低的压力的状态中而执行对通道和一个或多个交界面的除气，然后其被阻挡。
根据该方法，根据有利的变型，通过对每一堆叠的外周焊接而执行步骤b1/。
仍然根据该方法，通过将每一堆叠插入到金属外壳(所述金属外壳被称为容器)中，然后通过焊接所述容器的步骤，通过还在被称为泵送接口的、焊接到所述容器的表面上的管中敞开的所述开孔而以可替选的方式执行步骤b1/，经由所述泵送接口而执行步骤b2/，以及通过焊接所述泵送接口而执行步骤b3/。焊接至容器的管或泵送接口还可以被焊接至多个板的与孔相对的一个板上，所述孔在该交界面中敞开。为了执行除气操作，该泵送接口连接至真空泵，在特定温度下执行泵送，所述特定温度在周围温度和大约400℃之间，然后，所述泵送接口通过焊接被封闭，而不再放置在空气中。
HIP式循环包括很多时候同时的加热操作和加压操作、温度和压力稳定水平、然后冷却操作和降压操作。特别地根据构成第一回路的元件的板的一种或多种材料而选择该循环。特别地，可以选择维持温度以及(分别地，冷却和降压的)加热速度和加压速度，特别地考虑所使用的HIP腔的容量。
根据步骤c/的所述HIP循环优选地在20bar至500bar之间的压力下执行，优选地在40bar和200bar之间执行。对压力的选择源自于待获得的焊接质量和通道的可接受的变形之间的折中。所述HIP循环被称为相对低压循环，这因为所述压力低于被称为高压循环的HIP循环的那些压力，即，所述压力在500bar和2000bar之间，有利地在800bar和1200bar之间。
根据步骤c/的所述HIP循环优选地在500℃和1200℃之间的温度处再次执行。所使用的温度取决于构成所使用的板的材料以及最大可允许的纹理尺寸。
根据另一有利的实施方式，所述步骤c/通过单轴压缩而执行。以这样的方式，根据这另一方法，根据步骤b/制造的每一堆叠被放置在烤炉中，然后所述每一堆叠根据取决于关于经由HIP的其它方法的材料的循环而被加热，并且力或从加热的开始时或在加热期间被施加或在稳定水平期间被施加。然后，所述堆叠被冷却。对于利用HIP的方法，对力的选择源自于待获得的焊接质量和通道的可接受的变形之间的折中。
根据该另一方法，优选地通过在1kg/cm2和500kg/cm2之间的压缩力而执行所述步骤c/，所述压缩力优选地在10kg/cm2和250kg/cm2之间。
不管哪种方法，优选地执行所述步骤c/达15分钟和几小时之间的时间期间，优选地在30分钟和2小时之间。HIP稳定水平的持续时间可以从15分钟到数小时，优选地从30分钟到2小时。(分别地，用于冷却和减压的)加热时间和加压时间取决于所使用的设备(腔)的特征和可能性；它们通常是数小时。
在步骤c/之后，可以执行减小厚度的步骤c1/，优选地通过对至少一个组装的金属板的处理而执行。以这样的方式，如前面所提到的，可以通过确定厚度而降低第一流体回路的通道的变形，所述厚度对于将通道与外侧分离的壁来说足够大。然后，所述厚度根据该步骤c1/而减小。通过板的初始较大的厚度，可以有利地增大焊接力和/或焊接温度以及因此接合点的质量并且结果找到接合点的性能水平、纹理膨胀以及通道的变形之间的折中。
在步骤c/之后或适当的情况下在步骤c1/之后，执行将第一回路的通道朝向外侧敞开的步骤c2/。以与随后敞开第二回路的通道相同的方式，第一回路的通道的敞开可以通过钻孔或通过切割将其闭合的板的端部而执行。
根据有利的变型，在敞开的步骤c2/之后，执行在高压下将热等静压HIP循环应用至已经被组装起来的每一堆叠的步骤c3/。该变型是有利的，这因为一方面，在高压下执行HIP循环使得第一流体回路的元件被加固，这可以被发现是有利的，因为在随后的步骤d2/期间的压力可以具有使得元件变形的趋势。另一方面，在根据步骤c3/的高压HIP循环之后优选地通过超声的控制使得组件的均匀性得以证实。
根据步骤c3/的所述HIP循环优选地在500bar和2000bar之间的压力下被执行，所述压力优选地在800bar和1200bar之间。根据步骤c3/的该循环意在完成用于第一流体回路的每一元件的组装。
在步骤c/之后，或适当的情况下在步骤c1/之后，或适当的情况下在步骤c3/之前和/或在步骤c3/之后，执行对所述第一回路的通道的非破坏性控制的步骤c4/，优选地通过超声而执行步骤c4/。该非破坏性的控制通过将与包括槽的那些表面相对的表面展示而执行。优选地，该控制在HIP循环之前和HIP循环之后在高压下执行(步骤c3/)：这使得伴随在低压下的HIP循环(步骤c/)而存在的任何错误得以显示并且在高压HIP循环期间被消除。未消除这些缺点可以为抛弃第一回路的元件的原因。因此，根据本发明的方法实现了非破坏性的控制，所述非破坏性的控制可以为系统性的并且可以不在通过根据现有技术的扩散而焊接的金属板或沟槽板的堆叠上执行。
对于根据步骤d/，第二流体回路的通道的构造可以有数种实施方式和变型：
-即，对于所述第二回路的每一元件，经由堆叠至少两个金属板的步骤d1/，所述至少两个金属板的至少一者包括第二槽，所述第二槽形成所述第二回路的通道的一部分，然后，经由在所述第二回路的每一元件的至少两个堆叠金属板之间通过扩散焊接而组装的步骤d2/而执行步骤d/。所述第二槽可以通过在所述第一回路的每一元件的与形成所述第一回路的通道相对的至少一个正面或两个所述正面处开槽而制成。可替选地，所述第二槽可以通过对与第一回路的元件分开的金属板的正面开槽而制成。
-即，对于所述第二回路的每一元件，经由插入管的步骤d'1/而执行步骤d/，所述管布置成彼此平行并且形成所述第二回路的通道的一部分。
所述第一回路的一个或多个元件和所述第二回路的一个或多个元件之间通过在高压下应用热等静压(HIP)循环而执行步骤e/，所述第一回路和所述第二回路两者的通道朝向所述外侧敞开。根据所述步骤e/的所述HIP循环有利地在500bar和2000bar之间的压力下执行，所述压力优选地在800bar和1200bar之间。通过气体压力将焊接力传递至堆叠在第一回路的那些元件上的第二回路的元件不仅在其外表面上而且还经由第一流体回路的通道的内侧而执行。以这样的方式，焊接力特别良好地分布并且大大地便利了第二回路的元件或其它附加的回路的元件的焊接。
在步骤d/和步骤e/之间，所述第一回路的通道朝向所述外侧敞开并且形成所述第二回路的通道，所述第一回路的一个或多个元件和所述第二回路的一个或多个元件之间通过在相对低压下应用热等静压(HIP)操作而执行步骤d2/。如果第二流体回路并非通过管形成，也就是说，通过开槽形成，则执行该步骤d2/。通过第一敞开回路的通道的HIP循环的应用使得提供将焊接力很好地传递给第二流体回路的交界面。
有利地，根据步骤e/可以提供将流体收集器焊接至组装模块的步骤f/，流体收集器能够分配或回收在所述第一回路或第二回路中流动的流体。
本发明还涉及一种具有根据上述方法而获得的至少两个流体回路的热交换器模块。
本发明最后涉及一种热交换器系统，所述热交换器系统包括上述的多个模块，所述多个模块彼此连接。
最后，本发明涉及如上的交换器模块或如上的系统作为核反应堆的热交换器的一部分的用途，所述核反应堆例如为液态金属冷却反应堆(LMFR)。
附图说明
参考以下附图，通过阅读由非限制性的示例给出的本发明的实施方式的详尽描述将更好地理解本发明的其它优点和特征，其中：
图1为第一流体回路C1的元件的金属板的前视图，根据本发明的具有两个流体回路的热交换器模块的制造方法的第一示例由所述金属板得以实施；
图1A为沿着根据图1的板的A-A的截面图；
图1B为沿着根据图1的板的B的详细视图；
图2是由根据图1的两个金属板制成的第一流体回路的元件的透视截面图；
图2A是根据图2的第一流体回路的元件的截面图；
图3为根据图2的第一流体回路的元件的透视图，在其正面上已经开槽，以便形成根据本发明的热交换模块的第二流体回路C2的通道；
图3A为显示了第一流体回路C1的通道和槽两者的图3的元件的透视截面图以便形成第二流体回路C2的通道；
图4为根据图3的十一个元件和在这十一个元件的一侧和另一侧上的两个附加板的堆叠的透视图，以便形成根据本发明的交换器模块；
图4A为根据图4的堆叠在其经过根据本发明的HIP循环之前的透视截面图；
图5为图4的堆叠在已经其已经经过根据本发明的低压HIP循环和高压HIP循环之后以及在切割其横向边缘以便敞开第二流体回路C2的通道之后该堆叠的透视图；
图6为第二流体回路的元件的另一实施方式的截面图，该实施方式不同于根据前面的附图的制造。
具体实施方式
术语“纵向”和“横向”意在被视为相对于金属板的几何形状，该术语确定了根据本发明的热交换器模块的堆叠的几何形状。以这样的方式，最终，在根据本发明的交换器模块的堆叠的四个纵向侧面为那些平行于板的纵向轴线X延伸的那些侧面，也就是说，沿着其长度L。堆叠的两个横向侧面为沿着板的垂直于X轴线的横向轴线Y延伸的板的那些侧面，也就是说，沿着其宽度l或l’。
在图3、图3A、图4、图4A以及图5A中提出，在构成了回路1的元件的板之间没有示出任何交界面，这由于在该阶段，它们被焊接。以同样的方式，在图5中，回路2的交界面也没有示出。
示例1
步骤a/:为了制造第一流体回路C1的元件2，两个彼此相同的金属板1被制造出具有矩形形状L*l和厚度H，槽10具有深度H1、宽度l1和特定间距e(图1A、图1B)。两个板1的槽的处理操作根据以彼此镜像图像的两种图案执行：如图1中所示，这些可以有利地为相对于板1的纵向轴线X弯折90°并且倾斜45°的之字形图案。
作为示例，板1为不锈钢1.4404，分别地，板1的尺寸L*l*H等于602mm*150mm*4mm，槽的尺寸H1*l1等于1mm*2mm，公差等于±0.02mm至±0.05mm，槽R0、槽R1、槽R2的曲率半径分别等于0.3mm、0.1mm和2.1mm，两个连续槽之间的距离e(即，峡部的宽度)等于1mm，公差等于±0.05mm。槽10的端部和板10的纵向边缘之间的距离d1等于11mm。
步骤a1/:利用溶剂和清洁剂执行对板1的清洁。
步骤b/:在已经将板清洁之后，两个板1堆叠起来以便重新构造第一回路C1的元件2，所述第一回路C1包括一系列以之字形布置的通道11，所述通道11具有的高度等于2*H1，也就是说，在本示例中为2mm(图2和图2A)。两个板1利用定位销(未示出)而相对于彼此对齐。
步骤b1/:每一元件2的外周通过焊接被密封，所述每一元件2由彼此堆叠起来形成通道的的两个金属板1构成。
步骤b2/:在每一密封堆叠的两个板之间的交界面通过开孔被除气。
步骤b3/:开孔被封闭。
步骤c/:一批十一个相同堆叠2经过所谓的低压HIP循环，包括在1020℃以及100bar下加热2小时，在1020℃以及100bar下1小时的稳定水平，之后冷却数小时并且最终降压。
步骤c2/:第一回路的该十一个元件2的纵向侧面之后被处理以便朝向外侧敞开由槽10形成的通道11的端部。通道11的开口通过对将通道封闭的元件2的端部切割而制成，也就是说，通过在每一元件2的整个长度L上切割出具有的宽度基本上等于距离d1的纵向条带。每一元件2的宽度l'因此等于l-2*d1，也就是说，在上述的示例中为128mm。
因此，获得了第一流体回路的十一个元件2，这可以通过超声或放射显影而容易单独地控制。
步骤c3/:在敞开步骤c2/之后，所谓的高压热等静压(high-pressurehotisostaticpressing，HIP)循环被应用在已经组装起来的堆叠2的每一者上。该高压HIP循环包括加热3小时，即在1080℃以及1000bar下加热3小时。
因此获得了第一流体回路C1的十一个元件2，这可以通过超声或放射显影而容易单独地控制。
十一个元件2的每一者的新的控制优选地通过超声执行。
步骤d/:
步骤d1/:所获得的第一回路的这十一个元件2的每一者的两个正面以及两个附加板4的仅一个正面被开槽，以便在其中重新构造第二流体回路C2的通道。第二槽30不在外侧(图3)敞开。作为示例，每一槽30具有的宽度I2等于5.75mm，具有的深度(高度)H2等于1.75mm，并且通过具有的宽度e2等于1.75mm的峡部(肋部)与连续槽30分开。槽30的端部和元件2的横向边缘之间的距离d2等于11mm。
在已经清洁所有的元件之后，它们被堆叠起来以便获得第一流体回路C1的十一个元件2和第二流体回路C2的十二个元件3的叠加，所述第二流体回路C2的通道31由第二槽30形成(图4)。所述元件利用插入到盲孔中的定位销对齐。
然后，完整堆叠5的外周被密封并且每一交界面经由被阻挡的开孔被除气。为了在堆叠的外周处形成密封，可以或将完整堆叠5布置在容器中而留下与第一回路C1的通道11相对的开孔，或者将构成堆叠5的所有的板1的外周焊接起来。
步骤d2/:所述完整堆叠经过低压HIP循环，所述低压HIP循环包括在1020℃以及在100bar下加热2小时，在1020℃以及100bar下3小时的稳定水平，之后冷却数小时并且降压。
在该第二HIP循环期间，第一流体回路的通道11被腔的实施该HIP循环的压缩气体填充，这使得将焊接力良好地传递到板1的交界面，所述板1的交界面形成了第二流体回路C2的通道31。
然后，第二流体回路C2的通道31通过处理由完整堆叠5构成的模块的横向侧面而敞开。通道31的敞开通过切割将它们阻挡的堆叠5的端部而执行，也就是说，通过在整个长度l'上在堆叠的一侧和另一侧处切割出横向条带，所述条带具有的宽度基本上等于距离d2。堆叠5的长度L'因此等于L–2*d2，即，在上述的示例中为580mm。
第二回路C2的通道31因此在堆叠5的横向边缘的每一者上敞开，而第一回路C1的通道11在堆叠5的纵向边缘的每一者上敞开(图5)。
步骤e/:在该处理过程以后，也就是说，一旦第二流体回路的通道31朝向堆叠的外侧敞开，在1080℃下的HIP循环在1000bar下被应用到以这种方式获得的模块达3小时，以便消除焊接接合点中的残留缺陷。
步骤f/:最后，流体分布收集器(未示出)通过焊接而连接以便在形成通道11和通道31的槽的端部的区域中在第一回路C1和第二回路C2的每一者中供给和/回收流体。
由于根据步骤a/至步骤f/的方法，通过利用HIP的扩散焊接而紧凑并且组装的热交换模块得以制成。
根据示例1/的热交换模块可以被视为具有小尺寸和复杂几何构造(以之字形形式)的流体循环通道。
作为示例，根据示例1/的交换器模块可以为具有两个方形面的长方体。该模块的尺寸可以等于580mm×128mm×104mm。
示例2
相同的步骤如同示例1执行，其中不同之处在于，除此之外，第一回路C1的十一个元件2的正面被处理直到槽10的基部和外侧之间的壁厚等于两个回路C1和回路C2的每一者之间的所需厚度的一半。
堆叠5通过将已经根据相同原理被制成并且被处理的第二流体回路的十二个元件30、4插入在第一流体回路C1的十一个元件2之间而制成。
然后，以该方式获得的平面的外周被焊接，它们被除气以及高压HIP循环在1080℃以及在1000bar下应用3小时。
示例3
相同的步骤如同示例1执行，其中不同之处在于，除此之外，第一回路C1的十一个元件2的正面被处理直到槽10的基部和外侧之间的壁厚等于两个回路的每一者之间的所需的厚度的一半。
在该情况下，第二流体回路C2有十个元件，所述十个元件的每一者由本身由方形调整管60和与管的厚度相同的两个杆7构成的板材6构成，所述方形调整管60布置成彼此平行，两个杆7平行于板材6的每一侧处的管而被添加(图6)。板材6的外部尺寸(即，宽度和长度)等于构成第一回路C1的元件2的沟槽板1的宽度和长度。
然后，堆叠通过将具有彼此对接接合的(butt-jointed)方形调整管60的板材6插入在第一回路C1的两个连续元件2之间而制成。
以这种方式获得的交界面的外周被焊接，它们被除气，之后HIP循环在1080℃以及在1000bar下应用3小时。
当然，本发明不限于所描述的变型以及作为说明和非限制性的实例提供的实施方式。
所述通道还可以具有除如图1所示出的之字形图案之外的同时为细长的几何构造。
对于流体回路的每一者，通道的尺寸可以是不同的，该不同取决于待输送的流体的特性和属性、可允许的压降和所需的输出。可以将相同回路的多个元件堆叠以便优化交换器的功能，例如，流体的一者的热交换或流动。
尽管所示出的示例1/至示例3/涉及到具有精确的两个流体回路的交换器，完全可以制造出具有三个流体回路或更多个流体回路的交换器。
两个流体收集器可以布置在构成模块的堆叠的一侧处和另一侧处，或可替选地在堆叠的同侧处。
根据本发明的方法而获得的热交换器模块可以例如通过利用凸缘或通过焊接流体供应管而将一者组装在另一者之上。因此可以理解的是，制造出具有多个模块的热交换系统，所述多个模块彼此连接并且其中利用不同的平均温度或每一模块的温度偏差在多个步骤中执行交换，所述温度偏差足够小以降低材料中的热应力。例如，其中在需要将第一流体的热传递给第二流体的热交换器的情况下，可以以如下方式配置模块化交换器系统，在所述模块化交换器系统中每一模块使得第一流体的温度下降某一特定值，因此相对于具有较高温度偏差的单个模块的配置的情况而限制了应力。为此，第二流体的入口温度可以从一个模块到另一模块而不同。在另一示例中，为了最优控制化学反应、使风险最小化以及输出最大化，模块化反应堆/交换器系统通过在每一阶段精确地控制反应温度而使复杂的化学反应在多阶段中执行。
通过允许缺陷模块的单独替换或允许凭借模块的标准化的制造成本，具有多个模块的热交换器系统还使得维修费用得以降低。
所提到的参考文献
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[2]《Assemblagepardiffusion》-Techniquesdel’ingénieur[BM7747]。

Claims (26)

1.一种用于制造具有至少两个流体回路的热交换器模块的方法，所述至少两个流体回路中的每一者包括通道，所述方法包括以下步骤：
a/制造两个流体回路中的一者的一个或多个元件(2)，所述两个流体回路中的一者被称为第一回路，所述第一回路的每一元件包括至少两个金属板(1)，所述至少两个金属板(1)的至少一者包括第一槽(10)；
b/将每一元件的所述至少两个金属板(1)堆叠，从而所述第一槽形成所述第一回路的通道(11)；
c/在所述第一回路的每一元件的至少两个堆叠的金属板之间通过扩散焊接而组装；
d/制造至少一个另一流体回路的一个或多个元件(3,30；6,60)，所述至少一个另一流体回路被称为第二回路，所述第二回路的每一元件包括所述第二回路的通道(31，60)的至少一部分；
e/在所述第一回路的一个或多个元件和所述第二回路的一个或多个元件之间通过扩散焊接或通过钎焊或通过扩散钎焊而组装。
2.根据权利要求1所述的方法，根据所述方法，在步骤b/之前，执行所述第一回路的每一元件的板的清洁的步骤a1/。
3.根据权利要求1或2所述的方法，根据所述方法，在步骤b/之后，执行对每一元件的所述至少两个金属板的外周密封的步骤b1/，然后，通过板之间的每一交界面处的开孔执行对每一密封堆叠的内侧除气的步骤b2/，执行封闭所述开孔的布骤b3/，以及最后通过在相对低压下将热等静压(HIP)循环应用至被密封并且除气的每一堆叠而执行步骤c/。
4.根据权利要求3所述的方法，根据所述方法，通过对每一堆叠的所述外周焊接而执行步骤b1/。
5.根据权利要求3所述的方法，根据所述方法，通过将每一堆叠插入到被称为容器的金属外壳中，然后通过焊接所述容器的步骤，通过还在被称为泵送接口的、焊接到所述容器的表面上的管中敞开的所述开孔而执行步骤b1/，经由所述泵送接口而执行步骤b2/，以及通过焊接所述泵送接口而执行步骤b3/。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，根据步骤c/的所述HIP循环在20bar至500bar之间的压力下执行，所述压力优选地在40bar至200bar之间。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，根据步骤c/的所述HIP循环在500℃和1200℃之间的温度下执行。
8.根据权利要求1或2所述的方法，通过单轴压缩而执行步骤c/。
9.根据权利要求8所述的方法，通过在1kg/cm2和500kg/cm2之间的压缩力下而执行步骤c/，所述压缩力优选地在10kg/cm2和250kg/cm2之间。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，执行步骤c/达15分钟和几小时之间的持续时间，所述持续时间优选地在30分钟和2小时之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，根据所述方法，在步骤c/之后，执行减小厚度的步骤c1/，优选地通过处理至少一个组装金属板而执行步骤c1/。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，根据所述方法，在步骤c/之后或适当的情况下在步骤c1/之后，执行将所述第一回路的通道朝向外侧敞开的步骤c2/。
13.根据权利要求12所述的方法，根据所述方法，在步骤c2/之后，执行在高压下将热等静压(HIP)循环应用至已经组装起来的每一堆叠的步骤c3/。
14.根据权利要求13所述的方法，根据步骤c3/的所述HIP循环在500bar和2000bar之间的压力下被执行，所述压力优选地在800bar和1200bar之间。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，根据所述方法，在步骤c/之后或适当的情况下在步骤c1之后或适当的情况下在步骤c3/之前和/或在步骤c3/之后，执行对所述第一回路的通道的非破坏性控制的步骤c4/，优选地通过超声而执行步骤c4/。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，根据所述方法，对于所述第二回路的每一元件，经由堆叠至少两个金属板的步骤d1/，所述至少两个金属板的至少一者包括形成所述第二回路的通道的一部分的第二槽，然后，经由在所述第二回路的每一元件的至少两个堆叠金属板之间通过扩散焊接而组装的步骤d2/而执行步骤d/。
17.根据权利要求16所述的方法，根据所述方法，所述第二槽通过在所述第一回路的每一元件的与形成所述第一回路的通道相对的至少一个正面或两个所述正面处开槽而制成。
18.根据权利要求16所述的方法，根据所述方法，所述第二槽通过对与所述第一回路的元件分开的金属板的正面开槽而制成。
19.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，根据所述方法，对于所述第二回路的每一元件，经由插入管的步骤d1/而执行步骤d/，所述管布置成彼此平行并且形成所述第二回路的通道的一部分。
20.根据前述权利要求中任一项所述的方法，根据所述方法，所述第一回路的一个或多个元件和所述第二回路的一个或多个元件之间通过在高压下应用热等静压(HIP)循环而执行步骤e/，所述第一回路和所述第二回路两者的通道朝向所述外侧敞开。
21.根据权利要求20所述的方法，根据所述方法，根据所述步骤e/的所述HIP循环在500bar和2000bar之间的压力下执行，所述压力优选地在800bar和1200bar之间。
22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，根据所述方法，在步骤d/和步骤e/之间，所述第一回路的通道朝向所述外侧敞开并且形成所述第二回路的通道，所述第一回路的一个或多个元件和所述第二回路的一个或多个元件之间通过在相对低压下应用热等静压(HIP)循环而执行步骤d2/。
23.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括根据步骤e/而将流体收集器焊接至组装模块的步骤f/，流体收集器能够分配或回收在所述第一回路或第二回路中流动的流体。
24.一种热交换器模块，所述热交换器模块具有根据如前述权利要求中任一项所述的方法而获得的至少两个流体回路。
25.一种热交换器系统，所述热交换器系统包括多个根据权利要求24所述的模块，所述多个模块彼此连接。
26.一种根据权利要求24所述的交换器模块或根据权利要求25所述的系统作为核反应堆的热交换器的一部分的用途，所述核反应堆例如为液态金属冷却反应堆(LMFR)。
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