CN113474101A - 热交换器及相关制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种热交换器及制造方法，包括至少两个金属材料的板(11、12)，所述两个板(11、12)重叠并相互连接，以定义所述热交换器的一周边边缘(13)；以及至少一回路(14)，用于由在所述两个板(11、12)之间制成的至少一个或多个热交换通道(15)定义的一载热流体的通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换器以及相应的制造方法。
特别地，本发明涉及一种板式(plate-type)热交换器，或者更好地，一种由两个或多个板重叠并连接在一起所制成的热交换器，在这些板之间形成一回路，载热流体在所述回路中流动。
背景技术
板式热交换器(Plate-type heat exchangers)是已知的，其例如用作制冷(refrigerating)板或蒸发(evaporator)板，在其中使载热流体、气体或液体通过。
在US 2015/0260464以及US 2018/0266738中可以找到这些板式热交换器的例子。
与其他类型的热交换器相比，板式热交换器具有较薄的厚度、较大的换热面积、较好的换热系数(heat exchange coefficient)以及简化的维护操作，以从尺寸、成本及实用角度满足特定的应用需求看法。
这些已知的热交换器可以包括由金属材料，特别是铝或铝合金制成的两个或更多个板，通过加热及/或滚轧(rolling)工艺(也称为“滚轧接合(Roll-Bonding)”技术)重叠并连接在一起，在US 2.690.002中描述了其示例。
此制造技术提供了，根据预定义以及与待获得的通道的形状相协调的一图案，将一分离材料沉积在待接合的两个板中的至少一个板上，以定义载热流体的传输回路，即：打印电路。
然后，使两个板相互重叠，并使其穿过至少一对滚轧辊/滚筒(cylinders)。在滚轧之前，将两个板加热到低于其熔化温度的一温度。
滚轧作用允许将两个板焊接在相互接触的整个表面上，除了受分离材料影响的表面部分。
然后，在板的至少一个周边边缘附近，并且在存在分离材料的一部分的位置，在两个板之间形成至少一狭缝，所述狭缝适于容纳输送压缩空气的一装置。被输送的空气压力必须足够高，以使两个板中的至少一个与分离材料相应并沿着其整个沉积路径变形。因此，两个板中的至少一个的变形允许定义用于载热流体通过的通道。
使用滚轧接合技术来制造热交换器所需的上述滚压工艺可以应用于已经预切割的板，这些预切割的板随后沿着一剪切周边进行修整；或者应用于连续重叠的条带(strips)，在这些条带之间分离材料进行沉积；滚轧后，条带沿着一预定义的剪切周边被切割或剪切成一定尺寸，以获得板。预切的条带或板通常由铝或铝合金制成。
这种滚轧过程，无论是在使用连续条带的情况下，还是在预切板的情况下，都会在轧制公差方面存在一些问题。
这些问题是由于材料在滚轧过程中由于压缩而伸长的过程造成的，使得在确定两个板之间形成的热交换回路的确切位置造成了一定的困难。无论是在预切割的板待进行修整的情况下，还是在连续带材的情况下，识别回路中的精确参考点对于例如实现精确的切割或修整操作是非常重要的。
为了克服材料伸长的这些问题，在设计阶段定义回路时，通常使用小于待覆盖表面的标准伸长尺寸，然而，这并不能保证热交换器的可用区域的最大覆盖范围，从而导致非优化且通常是近似的解决方案。
换句话说，考虑到在滚轧过程中可能发生的板材无法控制的伸长，在设计阶段，回路，即热交换流体循环的通道与热交换器的边缘的保持一安全距离。
例如，对于长边约为1米，短边约为0.5米的矩形换热器，需要提供回路到换热器边缘的安全距离甚至大于40毫米。
因此，通过滚轧接合工艺获得的热交换器具有与板的边缘距离非常远、在某些情况下过分远离的热交换通道，导致难以将这些热交换器来冷却靠近热交换器的边缘的区域。
在图5中，其示出了现有技术的滚轧接合式热交换器的一示例，用于热交换流体通过的回路相对于板的边缘的距离DO为至少36至40毫米，这导致导致整个交换器的效率及性能损失。
不受控制的伸长现象以及因此需要提供距边缘的安全距离，也阻止了至少两个在板的滚轧方向上彼此远离的精确点的任何识别，其中在这些点中，可以找到热交换器的一通道，因此在设计阶段很难确定例如载热流体的入口及出口连接器之类的元件的定位，这些元件必须应用在定义的位置，并且必须在交换器的边缘附近截断(intercept)热交换器的通道。
在参考附图以及以下实施例的描述阅读本说明书的剩余部分后，本领域技术人员将清楚常规解决方案以及技术的其他限制和缺点，尽管显然地，与本说明书相关联的对现有技术的描述不能被视为承认这里描述的内容已经从现有技术的状态已知。
因此，需要完善能够克服现有技术状态的至少一缺点的热交换器以及相应的制造方法。
本发明的一个目的是定义一种制造热交换器的方法，所述方法也可用于需要保证热交换的应用，从而冷却或加热，也可在靠近热交换器的外部或周边边缘的区域中冷却或加热。
本发明的另一个目的是定义一种制造热交换器的方法，所述方法允许在滚轧方向上确定至少两个确切的点，在这些点上可以肯定地找到热交换器的通道，从而允许在设计期间定位元件，例如载热流体的入口及出口连接器之类的元件，它们必须应用在定义的位置，并且必须截断热交换器的通道。
本发明的另一个目的是一种制造热交换器的方法，特别是用滚轧接合技术获得的一种热交换器，即使在热交换器的外部或周边边缘附近也提供热交换的可能性，并且提供在设计阶段定义热交换器中的两个或更多个精确点的可能性，在这些点上可以安全地截断通道。
申请人已经设计、测试和实施本发明以克服现有技术的缺点，并获得这些以及其他目的及优点。
发明内容
本发明在独立权利要求中阐述以及表征。从属权利要求描述了本发明的其他特征或主要发明思想的变型。
根据上述目的，本发明涉及一种制造热交换器的新方法，所述热交换器包括至少两个金属材料的板，所述两个板重叠并相互连接，以定义所述热交换器的一周边边缘；以及至少一回路，用于由在所述两个板之间制成的至少一个或多个热交换通道定义的一载热流体的通道。
所述制造方法还以已知方式提供使板通过一滚轧单元，以及关于一预定义剪切周边的剪切(shearing)或修整(trimming)的一后续步骤。
根据本发明的一方面，所述回路设置有至少一热交换部，所述热交换部具有至少一封闭边缘，所述封闭边缘被制成紧邻所述热交换器的所述周边边缘，即与所述周边边缘相距一最小距离，其中制造方法提供了，在精加工步骤中，所述封闭边缘被封闭，即在制造所述热交换器的最后步骤中封闭所述封闭边缘。
特别地，根据本发明的方法提供了所述热交换部，即用于热交换流体循环的通道，其延伸超出剪切周边(shearing perimeter)，并且在剪切之后产生的通道的暴露部分由于剪切在板的精加工步骤中被封闭。
这样，可以将热交换部设置于非常靠近板的周边边缘的位置，从而整体上提高了交换器的热交换效率。
有利地，通过所述热交换器并且通过提供具有至少一封闭边缘的至少一个热交换部，其中所述封闭边缘被制成在所述热交换器的所述周边边缘附近，即与所述周边边缘的一最小距离处，从而可以使用所述热交换器来冷却或加热位于所述热交换器的所述周边边缘附近的区域。
在制造根据本发明的热交换器的方法中，如上所述，板的热交换面积自动地超过剪切周边的预定限制，并且在精加工步骤期间，所述多个板的边缘封闭在一起。
根据本发明的另一方面，由于在精加工步骤期间边缘的封闭，热交换的回路的通道以及交换器的周边边缘之间的距离可以在约3毫米到约7毫米之间变化。
在一些实施例中，热交换部的宽度可以大于单个热交换通道的宽度，其尺寸范围可以从约10毫米到任何有用的量度。
根据本发明的另一方面，所述热交换部可以由在所述热交换的回路上形成的至少一通道化区域定义，并且设有一系列分支点。
也可以在所述热交换部中形成至少一用于载热流体进出所述热交换器的入口或出口的孔。
因此，本发明涉及一种制造热交换器的方法，包括：
至少一沉积步骤，根据待获得的热交换的回路的形状及路径，将一分离材料沉积在两个板的至少一个上，其中所述热交换的回路自动地延伸超过每个板的预定义的剪切周边；
将所述两个板与由分离材料制成的回路的模板在中间重叠热轧；
在压力下一从周边边缘上形成的至少一孔引入一流体，所述周边边缘通过重叠所述两个板而形成，然后使至少一个板与所述分离材料相应地变形，从而通过膨胀获得一个或多个通道，以及至少一具有封闭边缘的热交换部，所述封闭边缘与所述热交换器的周边边缘对应或接近，即与所述周边边缘相距一最小距离，其中在对板的周边边缘进行精加工或修整的步骤中，封闭所述封闭边缘。
根据本方法的另一方面，为了制造所述热交换部，至少一分离材料的带设置在所述两个板之间，并超出所述热交换器的所述周边边缘。
所述封闭边缘可以通过弯曲板的周边边缘来形成。
所述封闭边缘也可以通过焊接靠近所述热交换器的周边边缘的板来形成。
所述封闭边缘可以通过将板粘在靠近所述周边边缘的位置，并随后进行剪切来形成。
参考以下描述、附图及所附权利要求将更好地理解本公开的这些及其他方面、特征和优点。结合并形成本说明书的一部分的附图示出了本发明的一些实施例，并且与说明书一起旨在描述本公开的原理。
在本说明书中描述的各个方面以及特征可以在可能的情况下单独应用。这些单独的方面，例如所附从属权利要求中描述的方面以及特征，可以是分案申请的标的。
应当理解，在专利申请过程中，任何已被发现为已知的方面或特征均不得被要求保护，并应作为免责声明的对象。
附图说明
本发明的这些以及其他特征将从一些实施例的以下描述中变得明显，并给出了参考附图作为非限制性示例，其中：
图1是根据本发明的的一实施例的热交换器的平面图；
图2是图1的热交换器的局部立体图；
图3是图1的热交换器的变型的三维视图；
图4是根据本发明的一热交换器的一变型实施例的局部立体图；以及
图5是现有技术的热交换器的实施例的平面图。
为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来标识图中相同的共同元件。应当理解，一个实施例的元件以及特征可以方便地结合到其他实施例中，而无需进一步说明。
具体实施方式
我们现在将详细参考本发明的各种实施例，其中一个或多个示例在附图中示出。每个实施例都是通过说明本发明的方式提供的，不应理解为对本发明的限制。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以用于其他实施例或与其他实施例相关联以产生另一实施例。应当理解，本发明应包括所有此类修改及变型。
在描述这些实施例之前，我们还必须阐明，本描述不限于其应用到在使用附图在以下描述中描述的部件的构造及布置的细节。本描述可以提供其他实施例，并且可以以各种其他方式获得或执行。我们还必须澄清，这里使用的措辞及术语仅用于描述目的，不能被视为限制性的。
参考附图并特别参考图1、2及3，根据本发明的一种热交换器10包括至少第一板11以及至少第二板12，重叠并相互连接，见第2图。
一旦所述第一板11与所述第二板12重叠并接合在一起，就可以定义所述热交换器10的一周边边缘13，从而由所述第一板11与所述第二板12的重叠的周边边缘形成。
所述第一板11以及所述第二板12具有一基本平坦的展开，具有一基本均匀的厚度。所述第一板11以及所述第二板12也可以具有相同或不同的厚度。
所述第一板11以及所述第二板12可以是任何形状，但优选地是方形或矩形。
所述第一板11以及所述第二板12由具有低热阻的材料制成，例如铝或铝合金。特别地，材料的选择还取决于与各种载热流体接触的相容性以及耐化学性，或者更好地，取决于后者的耐腐蚀性。
在所述第一板11以及所述第二板12上，如下文所解释的并且通过滚轧接合技术(Roll-Bonding technology)，形成了用于一载热流体通过的一回路14。
回路14的形状及配置是在设计阶段定义的，因此回路14包括一个或多个以各种方式分支和/或汇合的通道15，如图1所示。
此外，可以提供至少一通道化区域16，用于热交换，其中提供多个分支点17，并且所述第一板11与所述第二板12相互连接。
从图1中可以看出，术语通道化区域是指本热交换器10的一足够大的热交换表面，例如使得定义它的尺寸之一基本上等于或略小于所述热交换器10的两侧之一，例如短侧。
还可以提供多个通道15以一直线或弯曲形状延伸，并且提供连接区18。
根据滚轧接合技术(Roll-Bonding technology)，在制造所述热交换器10的一第一步骤中，根据要获得的回路14的形状及路径，在所述第一板11以及所述第二板12之一上，例如通过打印，来沉积一分离材料。
然后，在分离材料中，使所述第一板11以及所述第二板12与所述回路14的形状在中间重叠，并进行热轧。所述回路14会包括至少一通道15以及多个可能的通道化区域16，及/或多个连接区18或其他。
在通过重叠所述第一板11以及所述第二板12获得的所述周边边缘13上留下一孔，以允许连接一装置，用于引入压缩空气或其他压力流体，其使所述第一板11以及所述第二板12中的至少一个与所述分离材料相应地变形。受压的流体基本上通过膨胀在所述第一板11以及所述第二板12之间产生一个或多个通道15，精确地作为所述回路14所需的形状。
当所述多个通道15的膨胀过程完成时，可以例如通过剪切(shearing)将连接并设有一回路14的所述第一板11以及所述第二板12切割成一定尺寸。
由于上述关于滚轧步骤期间材料的伸长率，并且由于需要保证一定的公差，在现有技术中(参考图5，其中所述热交换器用110表示，且与图1相同的部件使用相同的附图标记表示)，热交换部的一封闭边缘20与板的周边边缘13保持一定的安全距离。在此例子中，此距离使用DO表示，并且通常值至少为35至40毫米。这导致交换器整体效率的损失，并且不可能在板的周边附近进行热交换。
在本发明的解决方案中，回路14具有至少一热交换部19，所述热交换部19具有一封闭边缘20，所述封闭边缘20靠近所述热交换器10的周边边缘13，即，在距所述周边边缘13的一最小距离处D1，参考例如图2，所述最小距离处D1可达3至4毫米。在工作期间，刻意使所述热交换部19离开定义所述热交换器10的所述周边边缘13的修整周边(trimmingperimeter)。构成所述第一板11以及所述第二板12之间的孔的两个边缘会在精加工步骤期间，例如通过焊接封闭。
特别地，在制造所述热交换器10的这种类型的回路时，所述多个通道化区域16被自动地制造成超过剪切极限，并且在精加工步骤中，定义所述热交换器10的表面的所述第一板11以及所述第二板12的边缘被封闭一起。
在图1的回路14中，例如，两个热交换部19设置在所述热交换器10的所述周边边缘13的相对侧上。
例如，可以在所述热交换部19之一中提供用于一载热流体的入口或出口的一孔21。在图1中，例如，一个热交换部19具有用于载热流体进入所述热交换器10的一孔21，而另一个热交换部19具有用于载热流体从所述热交换器10排出的孔21。
一管状元件可以连接到所述孔21，相对于所述热交换器10的表面正交或以各种方式倾斜设置，在此示例中由所述第一板11的上表面定义。
将所述热交换部19的所述封闭边缘20与所述热交换器10的所述周边边缘13分开的距离D1在约3毫米至约10毫米之间变化。最小距离取决于所使用的密封系统的类型。
所述热交换部19的一宽度L1可以等于所述通道14之一的宽度，或是它的宽度可以设置为，优选地，大于单个通道14的宽度。在任何情况下，所述宽度L1都是待冷却或加热的区域的面积的函数，所述区域对应于所述周边边缘13设置，因此对应于所述热交换部19。
见图4，在所述热交换器10’的变型中，可以提供热交换部19’与整个热交换通道化区域重合。在此变型中，封闭边缘20’延伸为一宽度L2，从而基本上占据所述热交换器10的所述周边边缘13的整个侧面。所述封闭边缘20’会在所述周边边缘13附近获得，即，距所述周边边缘13的最小距离D1处。
在设计阶段，对应于所述回路14的待获得热交换部19、19’的区域，可以将分离材料沉积在所述热交换器10，10’的所述周边边缘13上或之外，使得可以通过膨胀在所述第一板11与所述第二板12之间产生必要的孔，所述孔定义所述热交换部19、19’内部的通道。
所述热交换部19、19’的封闭以及因此所述封闭边缘20、20’的产生发生在所述热交换器10在剪切后的精加工步骤期间。
例如，只要所述热交换部19具有从所述热交换器10的所述周边边缘13突出的部分，就可以通过弯曲所述第一板11以及所述第二板12的所述周边边缘13来实现这种封闭，从而产生所述封闭边缘20。
所述封闭边缘20、20’也可以通过在周边边缘13附近焊接所述第一板11及所述第二板12来获得，例如使用非熔化极惰性气体保护电弧焊(Tungsten Inert Gas Welding,TIG)、惰性气体保护焊(Metal-Inert Gas Welding,MIG)或熔化极活性气体保护电弧焊(Metal Active Gas Arc Welding,MAG)类型的焊接，或者使用激光。
产生所述热交换部19、19’的所述封闭边缘20、20’的另一种模式可以是通过在所述周边边缘13附近粘合所述第一板11以及所述第二板12，并随后进行剪切，前提是所述热交换部19、19’从所述热交换器10、10'的所述周边边缘13突出一定的段。
根据可能的实施例，所述封闭边缘20、20’可以通过焊接、弯曲及/或胶合的组合来制造。
因此，基本上，通过在设计阶段已经提供合适尺寸的热交换部19、19’，然后在精加工步骤之前，在所述第一板11与所述第二板12之间提供至少一条到达或超过所述周边边缘13的分离材料，就可以在所述热交换器10的几何形状中定义一个或多个位置，在所述位置中，无论滚轧过程中材料是否滑动，都可以截取一热交换部，即所述热交换部19、19’。
有利地，通过提供所述热交换部19、19’，例如可以在设计阶段定义要连接到孔21的一管状元件(例如，正交或斜面连接器(orthogonal or inclined connector))的位置。
综上所述，在本发明的实施例中，一种制造热交换器10、10’的方法基本上具有：
至少一沉积步骤，根据待获得的所述热交换的回路14的形状及路径，在所述第一板11以及所述第二板12中的至少一个上沉积一分离材料；
将所述第一板11以及所述第二板12与由分离材料制成的回路14的模板在中间重叠及热轧；
在压力下从至少一膨胀孔引入一流体，所述膨胀孔位于通过重叠所述第一板11以及所述第二板12而形成的所述周边边缘13上，然后使所述第一板11以及所述第二板12中的至少一个与所述分离材料相应地变形，从而通过膨胀获得一个或多个通道15，并且其中一个或多个通道15的一部分朝向所述周边边缘13之一打开，特别是在与所述膨胀孔不同的位置上；
在精加工步骤中封闭所述一个或多个通道15的部分，从而产生位于所述热交换器的所述周边边缘13附近的一封闭边缘20、20’，即位于距所述周边边缘13的一最小距离D1处，并定义一热交换部19、19’。
显然地，在不脱离本发明的领域及范围的情况下，可以对如前所述的热交换器以及相应的制造方法进行部件的修改及/或添加。
还清楚的是，虽然本发明已经参照一些具体实施例进行了描述，但是本领域技术人员当然能够实现具有权利要求中所述特征的许多其他等效形式的热交换器。因此，所有这些都属于由此定义的保护领域。
在以下权利要求中，括号中的附图标记的唯一目的是为了便于阅读：它们不得被视为对具体权利要求中要求保护的领域的限制因素。
Claims (9)
1.一种制造热交换器(10、10’)的方法，所述热交换器包括至少两个金属材料的板(11、12)，所述两个板(11、12)重叠并相互连接，以定义一周边边缘(13)；以及至少一回路(14)，用于由在所述两个板(11、12)之间制成的至少一个或多个热交换通道(15)定义的一载热流体的通道，其特征在于，所述方法包含：
至少一沉积步骤，根据待获得的所述热交换的回路(14)的形状及路径在所述两个板(11、12)中的至少一个上沉积一分离材料；
将所述两个板(11、12)与由分离材料制成的回路(14)的模板在中间重叠及热轧；以及
在压力下从至少一孔引入一流体，所述孔位于通过重叠所述两个板(11、12)而形成的一周边边缘(13)上，然后使所述两个板(11、12)中的至少一个与所述分离材料相应地变形，因此，通过膨胀获得一个或多个通道(15)以及至少一热交换部(19、19’)，所述热交换部(19、19’)具有一封闭边缘(20、20’)，所述封闭边缘(20、20’)靠近所述热交换器的所述周边边缘(13)，即，位在距所述周边边缘(13)的一最小距离(D1)处，
其中，所述热交换部(19、19’)延伸超过剪切极限，并且在精加工步骤中，定义所述热交换器(10)的表面的所述两个板(11、12)的边缘封闭在一起。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封闭边缘(20、20’)是通过弯曲所述两个板(11、12)的所述周边边缘(13)而制成的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述精加工步骤中，所述封闭边缘(20、20’)是通过将所述两个板(11、12)焊接在靠近所述热交换器(10、10’)的所述周边边缘(13)而制成的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述精加工步骤中，所述封闭边缘(20、20’)是通过将所述两个板(11、12)粘合在靠近所述周边边缘(13)，然后进行剪切而制成的。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：为了获得所述热交换部(19、19’)，至少一分离材料的带设置在所述两个板(11、12)之间，并超出所述热交换器(10、10’)的所述周边边缘(13)。
6.一种通过如权利要求1至5中任一项所述的方法获得的热交换器，包含：至少两个金属材料的板(11、12)，所述两个板(11、12)重叠并相互连接，以定义所述热交换器的一周边边缘(13)；以及至少一回路(14)，用于由在所述两个板(11、12)之间制成的至少一个或多个热交换通道(15)定义的一载热流体的通道，其特征在于：所述回路(14)包括至少一热交换部(19、19’)，所述热交换部(19、19’)具有至少一封闭边缘(20、20’)，所述封闭边缘(20、20’)靠近所述热交换器的所述周边边缘(13)，即，位在距所述周边边缘(13)的一最小距离(D1)处，所述最小距离(D1)在约3毫米至约7毫米之间变化。
7.如权利要求6所述的热交换器，其特征在于：所述热交换部(19、19’)的宽度(L1、L2)大于单个热交换通道(15)的宽度。
8.如权利要求6或7所述的热交换器，其特征在于：所述热交换部(19’)由在所述热交换的回路(14)上制成的至少一通道化区域定义，并具有一系列分支点(17)。
9.如权利要求6至8中任一项所述的热交换器，其特征在于：所述热交换部(19)包括一个或多个孔(21)，用于所述载热流体进入/离开所述热交换器。
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