CN108700386A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

描述了一种热交换器(100)，该热交换器包括多个仿形板和多个平行布置的平板，每个仿形板包括多个大体上为直线的段，并且被布置在两个随后的平板之间并具有重复的轮廓。所述仿形板和平板一起形成布置成多层的多个平行的管道。所述平行的管道通过所述仿形板被分成第一类型的管道和第二类型的管道，所述第二类型的管道与所述第一类型的管道相邻。所述第一类型的管道和第二类型的管道中的每个管道具有宽度w(d)，w(d)为距离d的函数，d为距第一平板的距离。函数w(d)被描述为：当0≤d<d1时，w(d)＝c1*d；当d1≤d<d2时，w(d)＝c1*d1+c2*(d‑d1)；以及当d2≤d<d3时，w(d)＝c1*d1+c2*(d2‑d1)+c3*(d‑d2)，其中，d3为所述第一平板与随后的平板之间的距离，以及d1、d2、c1、c2、c3是常量值，其中c2≠c1、c2≠c3，以及0<d1<d2<d3。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器。本发明还涉及操作这种热交换器的方法。

背景技术

微型热交换器(也被称为微尺度热交换器或微型结构热交换器)是(至少一种)流体在具有通常小于20mm的横截面尺寸的微通道中流动的热交换器。微通道热交换器可以由诸如金属、陶瓷或塑料的多种材料制成。微通道热交换器可以用于许多应用，这些应用包括高性能航空燃气涡轮发动机、热泵、空调以及具有热回收的通风单元。

热交换器的通道可以具有各种各样的横截面。通道例如可以具有三角形形状的横截面。这种通道的外拐角中的流量将会相对较低使得通道的拐角部分对有效的热传递没有贡献。这将直接影响热交换器的效率。

在公布DE10213543中描述了一种热交换器，该热交换器具有通道，该通道具有矩形形状的横截面。与三角形形状的横截面相比，这种通道内的流速更均匀。该通道是通过堆叠多个仿形层形成的。每个仿形层具有由块波(block wave)组成的重复的轮廓。为了便于堆叠，每个仿形层包括在其顶侧的锯齿状的拐角以容纳堆叠在其上的仿形层的拐角。以这种方式，减少了不想要的仿形层的移位的风险。

微通道热交换器中的仿形层的堆叠比具有较大通道的热交换器更具有挑战性。尽管矩形的通道具有一些优势，但是DE10213543的配置不太适合制作微型通道。为了避免矩形的通道结构的偏移(并且因此坍缩)的风险，可以通过平板隔开各个仿形板。这给微通道热交换器带来更稳定的并且因此更坚固的结构。这种热交换器的缺陷在于：热交换器内相邻的层需要非常精确地对齐。如果对齐不正确，则相同类型的通道(即具有相同温度的传输流体)将会处于热接触。这将减小热交换器的效率。

发明内容

本发明的一个目的是提供解决现有技术中的至少一个问题的热交换器。

因此，根据第一方面，提供了一种热交换器，所述热交换器包括多个仿形板和多个平行布置的平板，每个仿形板被布置在两个随后的平板之间并且具有重复的轮廓。所述仿形板和平板一起形成布置成多层的多个平行的管道，该多个平行的管道通过仿形板被分成第一类型的管道和第二类型的管道，第一类型的管道与第二类型的管道相邻。第一类型的管道和第二类型的管道中的每个管道具有宽度w(d)，宽度w(d)为距离d的函数，该距离d为距第一平板的距离，其中：

当0≤d<d1时，w(d)＝c1*d

当d1≤d<d2时，w(d)＝c1*d1+c2*(d-d1)，以及

当d2≤d<d3时，w(d)＝c1*d1+c2*(d2-d1)+c3*(d-d2)

其中，d3为第一平板与随后的平板之间的距离，以及d1、d2、c1、c2、c3是常量值，其中c2≠c1、c2≠c3，以及0<d1<d2<d3。

从第一平板开始，首先管道具有等于零的宽度。这导致与平板的最小限度的接触并且因此导致管道与相邻层的最小限度的热接触。接下来，宽度线性地增加直到距离d等于值d1。这将得到横截面的、大体上为三角形形状的第一部分。

在一实施方式中，管道的在距离d1和d2之间的部分的宽度随着范围在-2≤c2<5之间、并且优选地范围在-0.3≤c2<0.3之间的因数c2增加。后一个范围意味着通道在该距离上的宽度是恒定的，或者差不多是恒定的。结果，管道将包括大体上为矩形形状的主部分。在d2和d3之间，宽度可以再次线性地增加。

相比于三角形形状的管道，由第二部分形成的大体上为矩形的形状将产生改善的有效热交换表面。在各层没有被正确对齐的情况下，管道与相邻层的最小限度的热接触将避免效率损失。其中c2≠c1、c2≠c3的限制被提及以排除三角形形状，该三角形形状为已知的形状并且不是本发明的一部分。

在一实施方式中，管道的宽度不朝随后的平板减小。利用使用模具和反模具制造仿形板的热成型工艺容易生产这种仿形板。在模制之后，仿形板可以被夹在各平板之间并且可以使用热粘合工艺或化学粘合工艺(不排除其它粘合工艺)安装仿形板。值得注意的是，本发明不局限于连续的非递减宽度。可替选地，第二部分中在d＝d1和d＝d2之间的宽度可以随着d值的增加而减小。

在一实施方式中，每个管道的横截面关于平板的正交线是对称的。特别是在使用热水瓶成型工艺的情况下，这种结构是相对容易制造的。值得注意的是，在该实施方式中，由平板和仿形板形成的一些管道由于例如这些管道在热交换器的侧面被切掉而在横截面上可以不同(即非对称的)。

可选地，对于常数c2，其可以视为c2＝0。这将产生横截面的矩形形状的部分。

可选地，至少仿形板是由可热变形的塑料构成的。当使用热成型工艺制造热交换器时该材料是优选的。

在一实施方式中，对于c2，视为c2<c1、c2<c3。这意味着管道大体上是火箭形状的。

在一实施方式中，两个相邻平板之间的距离d3具有范围在1mm和10mm之间的值。这些小尺寸产生具有良好效率的非常细的网眼。

可选地c1＝c3。这意味着第一壁段(wall segment)的角度和第三壁段的角度相同。在一实施方式中d1＝d3-d2。当结合c1＝c3的选择时，这产生这样的实施方式：其中第一壁段的长度和第三壁段的长度相同。当发生这种情况时，第一类型的管道的横截面和第二类型的管道的横截面相同。这产生具有相同的流阻的更好的平衡流。

本发明还涉及操作热交换器的方法，该方法包括：

-提供如上所述的热交换器；

-引导第一类型的流体通过第一类型的管道；

-引导第二类型的流体通过第二类型的管道。

当阅读说明书和附图时，其它优选实施方式及其优势将会对读者变得清晰。

附图说明

本发明的这些方面和其它方面通过参考以下描述的实施方式是显而易见的并且将通过参考以下描述的实施方式来阐述本发明的这些方面和其它方面。在图中：

图1示出根据一实施方式作为距离d的函数的管道的宽度w(d)的图；

图2示意性地示出根据一实施方式的热交换器的一个层的一部分的横截面；

图3示意性地示出根据另一实施方式的热交换器的一个层的一部分的横截面；

图4示意性地示出根据另一实施方式的热交换器的一部分的横截面；

图5示意性地示出根据另一实施方式的热交换器的一部分的横截面；以及

图6为根据一实施方式的热交换器的某些部分的立体图。

应该注意的是，在不同的图中具有相同附图标记的项具有相同的结构特征和相同的功能，或是相同的信号。在已经解释这些项的功能和/或结构的情况下，没有必要在具体实施方式中重复其解释。

具体实施方式

贯穿以下的描述，陈述了具体的细节以便向本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，众所周知的元件可以没有被示出或具体描述以避免不必要地模糊本发明。因此，描述和附图被认为是说明功能，而不是限制功能。

在一实施方式中，提供包括多个仿形板和多个平行布置的平板的热交换器，每个仿形板被布置在两个随后的平板之间并且具有重复的轮廓。由于特殊的成型工艺，仿形板包括多个大体上呈直线的段或部分。仿形板和平板一起形成布置成多层的多个平行的管道。平行的管道通过仿形板被分成第一类型的管道和第二类型的管道，第二类型的管道与第一类型的管道相邻。第一类型的管道和第二类型的管道中的每个管道具有宽度w(d)，宽度w(d)为距离d的函数，d为距第一平板的距离。

图1示出作为距离d的函数的管道的宽度w(d)的图。从图1可以看出，宽度在d＝0和d＝d1之间的第一部分中线性地增加。接着，宽度缓慢地增加直到d＝d2。最后，宽度线性地增加至最大值。图1的函数w(d)可以描述为如下：

当0≤d<d1时，w(d)＝c1*d

当d1≤d<d2时，w(d)＝c1*d1+c2*(d-d1)，以及

当d2≤d<d3时，w(d)＝c1*d1+c2*(d2-d1)+c3*(d-d2)

参数d3反映第一平板和随后的平板之间的距离。此外，0<d1<d2<d3。在图1的示例中c1＝c3＝1并且c2＝0.1。应该注意的是c1和c3可以不同。在一实施方式中，c2的值位于0≤c2<5的范围内。在优选的实施方式中，c2的值位于0≤c2<0.3的范围内。

图2示意地示出热交换器的一个层20的一部分的横截面。该热交换器包括第一平板15和相邻的平板16。第一平板15和平板16平行布置。在两个平板15、16之间布置仿形板17。仿形板17形成为示出重复的弯曲轮廓。两个平板15、16与仿形板17一起形成多个平行的管道21、22。在使用中，管道21(也被称为第一类型的管道)在纸面向内的方向上传输例如空气的流体。管道22(也被称为第二类型的管道)在纸面向外的方向(因此与管道21中的流向相反)上传输流体。这种类型的热交换器被称为逆流式热交换器。

每个管道21被平板16的一部分、直壁24以及具有第一壁段25、第二壁段26和第三壁段27的仿形壁包围。在图2中，第二壁段26与类似c2等于零值的直壁24平行布置。

图3示意地示出根据另一实施方式的热交换器的一个层30的一部分的横截面。在该实施方式中，仿形板17是弯曲的以便形成管道，其中第一类型的管道21的横截面具有第二类型的管道22的横截面的镜像形式(mirrored version)。图3中每个管道21被平板16的一部分、第一壁段31、第二壁段32、第三壁段33和第四壁段34包围。值得注意的是，壁仿形板可以相对较薄。其结果是，由于热交换器内的力或由于热成型工艺后的冷却，壁段可以是略微弯曲的。注意，例如为了减少材料中的应力的目的，壁段还可以是故意略微弯曲的。

从图2和图3可以看出，除了横截面中的尖端触碰平板15的点外，第一类型的管道21不具有与平板15接触的接触面。这意味着这些管道与上方的层(未示出)之间的接触被保持为最小。

图4示意地示出根据另一实施方式的热交换器的一部分的横截面。在图4中示出热交换器管道的两个层。第一层包括第一仿形板41，并且第二层包括第二仿形板42。在该示例中，第一仿形板41和第二仿形板42具有完全相同的轮廓。然而应该注意的是，在不同层内的仿形板不必是完全相同的并且不同的层可以包括不同的仿形板。

在图4中第一类型的管道21由星符号表示，表明在这些管道21中的空气比流经第二类型的管道22的空气更冷。值得注意的是，本发明并不局限于具有逆流式管道的热交换器。可以在同一方向(所以不是相反的/相逆的方向)上引导空气(或其它流体)通过第一类型的管道和第二类型的管道。

图5示意地示出根据另一实施方式的热交换器的一部分的横截面。在图5中示出热交换器管道的两个层。该实施方式中的层类似于图4的实施方式的层，但该实施方式中的层相对于彼此稍微偏移。从图5可以看出，下层的管道21的尖端触碰上面的层中的管道22的尖端。这意味着在这些具有不同类型的管道之间的该位置处没有能量交换。这并不是缺点，因为在平板44上的、各尖端之间的其它位置处，由于第一类型的管道和相邻层中的第二类型的管道之间的最优接触，能量交换是最优的。

以上的实施方式都示出具有以下横截面的管道，该横截面至少包括大体上为矩形形状的部分以及两个或三个三角形形状的部分。在图5中，矩形形状的部分用附图标记51表示，并且三个三角形形状的部分分别由附图标记52、53和54表示。优选地，大体上为矩形的部分51的尺寸大于管道的总横截面的70％。在c2＝0且c1＝c3＝1的情况下，这意味着三个三角形形状的部分52、53、54的总横截面小于或等于管道的总横截面的20％。

大体上为矩形的部分51的优选高度/宽度比大于3。在管道的模制过程中该值产生了良好的结果。

图6为根据一实施方式的热交换器的某些部分的立体图。热交换器100包括热交换单元101。热交换单元101可以包括形成如上所述的第一类型的管道和第二类型的管道的平板和仿形板。热交换器100还包括第一联接单元102，该第一联接单元102布置为将第一外管道(未示出)联接在第一类型的管道的第一端部上并且将第二外管道联接到第二类型的管道的第一端部。热交换器100还包括第二联接单元103，该第二联接单元103布置为将第三外管道(未示出)联接在第一类型的管道的第二端部上并且将第四外管道联接到第二类型的管道的第二端部。

根据优选的实施方式，至少仿形板是由可热变形的塑料构成的。为了生产仿形板，将塑料板压在具有合适的空腔和延展性的模具和反模具之间。

值得注意的是，本发明并不局限于微通道热交换器。提出的管道的横截面也可以用在具有较大尺寸的其它类型的热交换器中。此外，值得注意的是，板可以由诸如金属或陶瓷的外部材料制成。

本发明还涉及操作热交换器的方法。该方法包括：提供根据前述任一项权利要求所述的热交换器；引导第一类型的流体通过第一类型的管道；以及引导第二类型的流体通过第二类型的管道。所述流体可以是空气，但可替选地，根据应用，流体可以是气体或液体。

应该注意的是，上述实施方式阐述本发明而不是限制本发明，并且那些本领域的技术人员将能够设计许多可替选的实施方式。

在权利要求中，位于括号中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。动词“包括”的使用及其结合不排除除了权利要求中陈述的元件或步骤的元件或步骤的存在。在元件之前的冠词“一”不排除多个这种元件的存在。在彼此不同的从属权利要求中叙述的仅特定措施的事实并不表明这些措施的结合不能被有利地使用。

Claims (14)

1.一种热交换器(100)，所述热交换器包括多个仿形板和多个平行布置的平板，所述多个仿形板中的每个仿形板包括多个大体上呈直线的段并且被布置在两个随后的平板之间以及具有重复的轮廓，

所述仿形板和所述平板一起形成布置成多层的多个平行的管道，所述多个平行的管道通过所述仿形板被分成第一类型的管道和第二类型的管道，所述第二类型的管道与所述第一类型的管道相邻，

其中，所述第一类型的管道和所述第二类型的管道中的每个管道具有宽度w(d)，所述w(d)为距离d的函数，所述d为距第一平板的距离，其中

当0≤d<d1时，w(d)＝c1*d，

当d1≤d<d2时，w(d)＝c1*d1+c2*(d-d1)，以及

当d2≤d<d3时，w(d)＝c1*d1+c2*(d2-d1)+c3*(d-d2)

其中，d3为所述第一平板和随后的平板之间的距离，以及d1、d2、c1、c2、c3是常量值，其中c2≠c1、c2≠c3，以及0<d1<d2<d3。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，-2≤c2<5。

3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，-0.3≤c2<0.3。

4.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，0.1≤c1≤5，0.1≤c3≤5。

5.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，每个管道的横截面关于所述平板的正交线是对称的。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的热交换器，其中，由所述平板和所述仿形板形成的管道在横截面上是非对称的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，c2＝0。

8.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，c2<c1，c2<c3。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，至少所述仿形板是由可热变形的塑料构成的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，1mm<d3<10mm。

11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，c1＝c3。

12.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其中，d1＝d3-d2。

13.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，所述热交换器包括：第一联接单元(102)，所述第一联接单元布置为将第一外管道联接在所述第一类型的管道的第一端部上以及将第二外管道联接到所述第二类型的管道的第一端部；以及第二联接单元(103)，所述第二联接单元布置为将第三外管道联接在所述第一类型的管道的第二端部上以及将第四外管道联接到所述第二类型的管道的第二端部。

14.一种操作热交换器的方法，所述方法包括：

-提供根据前述权利要求中任一项所述的热交换器；

-引导第一类型的流体通过所述第一类型的管道；

-引导第二类型的流体通过所述第二类型的管道。