CN105531556B - 焓交换器元件及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供焓交换器元件，其允许创建焓交换器，借此可以改变并控制且尤其改善显能交换和潜能交换的效率。而且，提供一种用于制作焓交换器元件的方法，包含：a)根据预定穿孔图案(2，2，...)对平坦板元件(1)在板外部尺寸内穿孔，或提供具有固有孔隙结构的板元件(1)；b)将具有水蒸气透过特性的薄聚合物膜(3)施加于所述板元件(1)的至少一个侧面(1a)；c)将所述板元件(1)成形为展现波纹图案(4，4，...)的所需的形状，借此使所述聚合物膜(3)成形为与所述板元件(1)的形状相同的波纹图案形状。

Description

焓交换器元件及制作方法

技术领域

本发明涉及焓交换器元件。此外，本发明公开一种用于制作焓交换器元件的方法。最后，本发明涉及一种包含创造性焓交换器元件的焓交换器。

背景技术

现有技术使用不同种类的热交换器用于不同目的。通常，热交换器用以将热能从一种流体或介质恢复到另一种流体或介质中。这种热能称为显能。一种流体(通常为空气)的热能或显能被恢复到邻近(例如，平行、相反或交叉流动)于第一流体(所述流体处于较低温度)延伸的另一种流体中。通过逆转流体流动，两者之间的交换将产生较冷流体。用于显能恢复的热交换器通常由金属或塑料板制成。由于可存在交叉流动、平行流动或相反流动配置，因此存在不同类型。所述板界定它们自身之间的流动通道，使得流体可以在板之间流动。这些装置例如用于住宅和商业通风(HRV)。

另一类型的能量交换器涉及所谓的潜能，其为水分。为了交换潜能，已知使用由干燥剂浸渍的纤维素或聚合物制成的涂覆有干燥剂的金属或塑料衬底或薄膜。在由纤维素或聚合物制成的板之间，界定或创建空气通路以允许流体沿着板的表面经过，从而将水分从一个流体转移到另一流体。由于薄膜通常不具有结构强度，因此已知将薄膜与框架或栅格组合，这从而界定薄膜之间的间距。

在以上组合的情况下，能量交换器称为焓交换器。那些焓交换器允许显能和潜能的交换，从而得到总能量恢复。

当前可用的薄膜材料是以卷的方式交付。薄膜材料是焓交换器的最关键部分。薄膜必须固定且密封于一种栅格或框架，并且以一种方式布置以允许流体在每一薄膜层之间流动。因此，显然现有技术的焓交换器是一种折衷。由于当前使用的薄膜的选择性范围和特性，它们将通常损失显能交换来得到潜能交换。

从相应元件建置的这种焓交换器例如见WO 02/072242 A1。由纤维制成的相应薄膜定位于栅格上。所述栅格被钉住或堆叠，从而更改板的方向以便创建不同的空气流动方向。

发明内容

鉴于所提到的现有技术，本发明的目的是提供焓交换器元件和焓交换器以及用于制作焓交换器元件的方法，其允许创建焓交换器，借此可以改变并控制且尤其改善显能交换和潜能交换的效率。

关于本发明，通过一种用于制作焓交换器元件的方法来呈现上文提到的目的的解决方案，所述方法包括以下步骤：

a)根据预定穿孔图案对平坦板元件在板外部尺寸内穿孔，或提供具有固有孔隙结构的板元件；

b)将具有水蒸气透过特性(水蒸气传递比率，WVTR)的薄聚合物膜施加于所述板元件的至少一个侧面；

c)将所述板元件成形为展现波纹图案的所需的形状，借此使所述聚合物膜成形为与所述板元件的形状相同的波纹图案形状。

优选地，在根据本发明的方法中，所述板元件是塑料板。

可以使用针、钉、冲模、激光或类似物中的至少一者对所述板穿孔。

替代地，可以提供具有固有孔隙结构的板元件，而不是在步骤a)中用这些穿孔工具中的一些对塑料板元件穿孔。此板元件可包括多孔聚合物板，或者由聚合物纤维、无机纤维或金属纤维制成的机织或非机织织物。优选地，所述板元件是复合物，其一方面包括由聚合物纤维、无机纤维或金属纤维制成的机织或非机织织物，且另一方面包括多孔聚合材料作为基质。应理解，具有固有孔隙结构的板元件对于小分子不一定是可选择性渗透的。

优选地，所述板元件的边界区域从所述板元件的外部尺寸优选地在5mm到20mm的范围内、更优选地在10mm到20mm的范围内未穿孔。

优选地，在根据本发明的方法中，将具有水蒸气透过特性(水蒸气传递比率，WVTR)的薄聚合物膜施加于板元件的至少一个侧面的步骤b)以及将板元件成形为展现波纹图案的所需形状从而将所述聚合物膜成形为与板元件的形状相同的波纹图案形状的步骤c)是同时执行的。这允许使用标准热成形，优选地使用真空成形用于使包括塑料支撑件和薄聚合物膜的两层结构成形。

所述聚合物膜可在所述板元件的所述成形步骤期间结合到所述板元件，优选地热结合和/或胶合到所述板元件。

所述聚合物膜可由磺化共聚物制成，优选地由嵌段共聚物制成。

有利地，在根据本发明的方法中，在所述波纹图案内平行延伸的任何波纹的空间频率和/或穿孔密度(即，每单位面积的穿孔数目)变化，优选地在边界区域中变化以改善抗霜性。

关于本发明，上文提到的目的的解决方案通过优选地根据如先前段落中界定的方法制作的焓交换器元件呈现，所述焓交换器元件包含板元件，所述板元件具有展现预定穿孔和波纹图案的形状，其中所述板元件的至少一个侧面被具有水蒸气透过特性(水蒸气传递比率，WVTR)的薄聚合物膜覆盖。

在根据本发明的焓交换器元件中，所述薄聚合物膜可结合到所述板元件，优选地热结合和/或胶合到所述板元件。

优选地，所述板元件的穿孔区域包含带波纹或压纹的表面区域。

优选地，所述板元件的边界区域中的波纹的宽度大于所述板元件的中间区域中的波纹的宽度，和/或所述板元件的边界区域中的穿孔密度(即，每单位面积的穿孔数目)大于所述板元件的所述中间区域中的穿孔密度。

优选地，所述板元件具有允许到另一类似板元件的气密连接的边界。此边界优选地具有边界区域，在所述边界区域处所述板元件从所述板元件的外部尺寸优选地在5mm到20mm的范围内、更优选地在10mm到20mm的范围内未穿孔。

优选地，所述波纹经定向以导引流体流动。

所述穿孔可以是多种形状的开口且具有等效于范围从30μm到1.2mm的孔直径的表面积，优选地提供可用的板交换表面的不少于50％的总开放面积。

关于本发明，上文提到的目的的解决方案通过一种焓交换器来呈现，所述焓交换器具有至少三个板状焓交换器元件，所述焓交换器元件在平行定向上固定到彼此以形成两个流体路径，从而允许流体流过其，其特征在于所述板状热交换器元件是如先前段落中界定的元件。

优选地，所述焓交换器元件借助于例如激光焊接或超声波焊接等焊接或者借助于胶合而固定到彼此。

根据本发明，提供一种新型混合交换器元件，其一方面具有足够的结构强度和密度来为任何类型的交叉流动和/或相反流动能量交换器创建空气流通道从而允许使用对于显能交换较好的结构上较强的材料，另一方面通过穿孔或开口或孔的大小和数目可能界定被具有潜能交换特性的薄聚合物膜覆盖的区域。本领域的技术人员将了解，可以根据环境的相应需要(干燥空气、湿度、外部温度和类似物)来界定、控制和调适一方面显能交换和另一方面潜能交换的效率。

根据本发明，所述板元件可由任何塑料材料制成。所述元件可具备波纹。波纹可经设计以优化效率压降比。波纹可经选择以允许当类似板堆叠在一起时在类似板之间创建流动通道。通过波纹的界定，一个优点将是可用于能量传递的表面的增强。这可以尽可能大的积累且甚至可以达到100％和更大的增加。此外，可用一种方式设计波纹以允许例如通过选择经定向波纹且交替板的位置来容易地布置相反流动或交叉流动配置。

板的边界界定其中类似板可以适当方式固定在一起的区域。这可以是焊接，例如激光焊接、超声焊接和/或折叠、热压接和类似方式。这使封装的刚性稳定，以及允许建置所需的流动通道。边界区域可为平坦化、舌/槽系统，其经整型或镶边以允许板之间的紧密可密封连接。

有利地可在板成形步骤之前执行穿孔，这允许快速且方便的穿孔步骤。以此方式可更容易地对板穿孔，而且在任何所需区域中穿孔。

所述薄聚合物膜可由根据现有技术的聚合物制成，例如产品“Aquivion”(Solvay的商标)或“Nexar”(Kraton的商标)。

所述材料可为例如呈共聚物形式的离聚物，其从四氟乙烯C2F4和乙烷磺酰基氟化物、1，1，2，2-四氟-2-[(三氟乙烯基)-氧基]、C2F3-O-(CF2)2-SO2F、磺化嵌段共聚物制成。

所述薄聚合物膜可为包括不同聚合物类型的聚合物层序列的多层膜。优选地，每一聚合物层的聚合物类型选自由聚醚酯、聚醚酰胺和聚醚聚氨酯组成的群组。优选地，所述薄聚合物多层膜的总厚度在5μm与200μm之间，更优选地在10μm与150μm之间。优选地，所述薄聚合物多层膜内的每一个别聚合物层的厚度在2μm与20μm之间，更优选地在5μm与20μm之间。

然而，可使所述聚合物调适为所需的特性和特征。

本领域的技术人员将了解，潜能恢复的量或效率取决于由孔或穿孔提供的表面、其形状以及其位置。因此可能将热交换器板调适于环境和功能条件。

通过使用高度导热材料作为用于焓薄膜的结构元件，确保了高显热效率。通过界定穿孔且选择用于水蒸气传递的聚合物，确保了高潜热恢复。优选地，提供可用的板交换表面的不少于50％的用于水蒸气传递的总“开放面积”。

所述聚合物可与添加剂组合以增多和扩大其属性。所述聚合物可例如有效地抗菌且可满足防火要求(UL)。可调整所述聚合物的粘度以实现所述板的最佳可调交换特征，从而允许尽可能高的水分交换。

可在所述板元件的成形步骤之前将聚合物膜施加于板元件的一个侧面，从而完全覆盖板元件以及孔或穿孔。因此，穿孔在大小上不受限制，且可以任何所需尺寸来选择。

在将聚合物膜施加于板元件后，使板元件成形以展现前述特征，例如波纹、侧壁、平坦边界区域和类似物。所述聚合物膜成形为与板元件相同的形状，且可永久结合或胶合到所述板元件。可以在具有或不具有加热的情况下执行所述结合或胶合。

根据本发明的替代实施例，穿孔未被聚合物膜永久覆盖和密封，而是填充有可与聚合物膜为相同材料的聚合物溶液，且随后固化。所述聚合物可以分散或溶解状态供应。进而可通过借助喷涂、浸入、绢印或任何其它层压方法，以聚合物分散液或溶液填充或覆盖孔或穿孔而将包括聚合物的分散液或溶液带到板。为了维持相同的穿孔特性，平坦板元件的一个侧面可由衬里(占位膜)完全覆盖，所述衬里在成形步骤期间不结合到板元件，且可在成形步骤之后容易地移除。在移除衬里(占位膜)后，可如上所述用聚合物溶液填充穿孔。

本领域的技术人员将了解，热交换器的显能传递和潜能传递能力是可调的且可调整的。通过穿孔的可变镶嵌几何形状，所述板适于环境条件。例如，交换器可经设计以仅通过选择穿孔的正确位置以及组成板的聚合处理而在低于凝固点的温度(-10℃)操作而无冰积累。

然而，在恶劣条件下，尤其板交换器趋于在较窄的边界通道中积累冰，因此降低板交换器的交换效率。这是由于所述边界通道中的流体的减小的流动速度。

为了克服此问题，板元件的边界区域中的波纹的宽度与板元件的中间区域中的波纹的宽度相比为较大的。因此，边界区域中的所得流动通道的宽度增加，且因此流体的流动速度增加，因此防止或至少延迟冰积累。

结构元件的刚性可使板且进而使聚合物膜能够处置交换器内高达1kPa的压差。此优点使得更大的交换器构造能够用于商业应用。

本发明提供用于制作总能量交换器板从而允许显能以及潜能交换的简单方法。所述板的设计和适用性允许关于技术要求和/或环境条件而优化的板交换器的构造和设计。

可使用包含组装(例如，通过真空抓持)和密封(例如，通过激光焊接、超声焊接、折叠、压接)的经证明的自动化技术来制作压印、带波纹或压纹的铝、不锈钢、基于树脂的板和/或真空成形塑料板，以获得叠加刚性板的封装。所述板是可洗的、耐火的、抗菌的、密封的(例如防泄漏)。所述板具有创建高效总能量交换器所必要的全部有价值的优点。

也可以通过预编程的连续激光工艺、通过例如针辊和类似物等机械系统或者化学蚀刻工艺来执行板穿孔。

附图说明

本发明的进一步特征、优点和方面从以下附图说明变得显而易见。附图展示：

图1是说明根据本发明的制作方法的步骤序列的流程图；以及

图2是在根据本发明的制作方法期间焓交换器元件的制作的状态序列的横截面图。

具体实施方式

在图1中，展示根据本发明的制作方法的步骤序列。图1中所示的每一步骤对应于图2中示意性展示的所得状态。应注意，图2中例如厚度、孔直径、曲率等所说明的几何参数仅用于示范性目的。因此，它们不一定表示这些参数的适当或优选比率。

在提供步骤S1中，提供具有经界定外部尺寸的平坦但未成形的塑料板元件1。在穿孔步骤S2中，将平坦塑料板元件1的一部分传递到穿孔装置(未图示)，在所述装置处平坦塑料板元件1取决于所需的孔的大小被针辊或冲孔模(未图示)穿孔。在当前情况下，整个板元件1被穿孔有对称孔图案，边界区域(未图示)除外，以允许焊接板元件1以便形成板交换器(未图示)。穿孔图案由多个孔2组成，所述多个孔跨越整个板厚度从板元件1的第一表面1a延伸到第二表面1b。

在穿孔步骤之后，在覆盖步骤S3中，通过薄聚合物膜3完全覆盖现经穿孔的板元件1的一个侧面，即表面1a。所述聚合物膜由专有磺化嵌段共聚物或任何类型的此类磺化嵌段共聚物制成。

在覆盖步骤之后，在成形步骤S4中，将现经穿孔且覆盖的平坦板元件1传递到成形装置，所述成形装置由真空成形装置实施，在此装置处将平坦板元件1和薄聚合物膜3成形为所需的形状。在此成形步骤S4中，在板元件1中形成边界区域、流体入口和出口以及波纹4。波纹图案由跨越板区域延伸的多个波纹4组成。

在本发明的当前实施例中，边界区域形成于未穿孔区域中，而波纹形成于板元件1的穿孔区域中。

进而，在作为平坦板元件1和薄聚合物膜3的共成形步骤的成形步骤S4期间，将薄聚合物膜3成形为与板元件1确切相同的形状，且由于通过真空成形装置施加的热而永久结合到板元件1。

这些薄聚合物膜覆盖且共成形的板1组成根据本发明的焓交换器板。它们将被堆叠以建置例如用于通风系统的焓交换器(也称为总能量交换器)芯，以从传出空气向传入空气交换热(或反之亦然，用于夏季的自由冷却)以及在冬季从传出空气向传入空气交换湿气(或反之亦然，用于夏季或湿热气候地区的整年的除湿)。

波纹4的横截面形状可为矩形、正方形或三角形。所述横截面形状也可为梯形，例如半六边形。

附图和描述内容绝不限制本发明，且仅有意借助于实例来说明本发明。

参考标号：

1 平坦板元件

1a第一表面

1b 第二表面

2 孔

3 薄聚合物膜

4 波纹

S1 提供步骤

S2 穿孔步骤

S3 覆盖步骤

S4 成形步骤(共成形)

Claims (14)

1.一种用于制作焓交换器元件的方法，包括以下步骤：

a)根据预定穿孔图案(2,2,...)对平坦板元件(1)在板外部尺寸内穿孔，或提供具有固有孔隙结构的板元件(1)；

b)将具有水蒸气透过特性的薄聚合物膜(3)施加于所述板元件(1)的至少一个侧面(1a)，从而完全覆盖所述板元件以及所述穿孔，或者所述固有孔隙结构；

c)将所述板元件(1)成形为展现波纹图案(4,4,...)的所需的形状，借此使所述薄聚合物膜(3)成形为与所述板元件(1)的形状相同的波纹图案形状，

由此所述板元件是塑料板，并且由此提供可用的板交换表面的不少于50％的用于水蒸气传递的总开放面积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于使用针、钉、冲模和激光中的至少一者对所述板元件穿孔。

3.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其特征在于步骤b)和c)同时执行。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述薄聚合物膜在所述板元件的所述成形步骤期间结合到所述板元件。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述薄聚合物膜由磺化共聚物制成。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述波纹图案内平行延伸的任何波纹的空间频率和/或穿孔密度在边界区域中变化以改善抗霜性。

7.一种焓交换器元件，使用根据权利要求1到6中任一权利要求所述的方法来制作，所述焓交换器元件包含板元件(1)，所述板元件具有展现预定穿孔图案(2,2,...)和预定波纹图案(4,4,...)的形状，其中所述板元件(1)的至少一个侧面(1a)被具有水蒸气透过特性的薄聚合物膜(3)覆盖。

8.根据权利要求7所述的焓交换器元件，其特征在于所述薄聚合物膜结合到所述板元件。

9.根据权利要求7所述的焓交换器元件，其特征在于所述板元件的所述预定穿孔图案的穿孔区域包含带波纹或压纹的表面区域。

10.根据权利要求8所述的焓交换器元件，其特征在于所述板元件(1)的边界区域中的波纹(4)的宽度大于所述板元件(1)的中间区域中的波纹(4)的宽度，和/或所述板元件的边界区域中的穿孔密度大于所述板元件的所述中间区域中的穿孔密度。

11.根据权利要求7所述的焓交换器元件，其特征在于所述波纹经定向以导引流体流动。

12.根据权利要求7所述的焓交换器元件，其特征在于所述穿孔是多种形状的开口且具有等效于范围从30μm到1.2mm的孔直径的表面积，提供可用的板交换表面的不少于50％的总开放面积。

13.一种焓交换器，其具有至少三个板状焓交换器元件，所述焓交换器元件在平行定向上固定到彼此以形成两个流体路径，从而允许流体流过其，其特征在于所述板状焓交换器元件是根据权利要求8到12中任一权利要求所述的元件。

14.根据权利要求13所述的焓交换器，其特征在于所述焓交换器元件借助于焊接或者借助于胶合而固定到彼此。