CN1205454C - 一种导热性能各向异性的复合型材 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的导热性能各向异性的复合型材，由导热系数相差4-10000倍的至少两种不同导热材料间隔排放组合而成，该复合型材至少在一个方向上的导热系数低于其它方向上的导热系数，相邻的不同导热系数的材料之间紧密连接，形成完整而无泄漏的壁面；该复合型材为薄板型复合型材；所述薄板型为平板型、弧形或异形；该复合型材为管型复合型材；所述管型复合型材为圆形的直圆管型、弯圆管型或异形直管型、弯管型；该导热性能各向异性的复合型材在用作高效换热器的固体间壁时，可以在需要高效地传递热量的方向上具有高导热系数，而在希望抑制漏热的方向上具有足够低的导热系数，即高热阻，从而降低换热器的不可逆损失，提高换热器的热效率。

Description

一种导热性能各向异性的复合型材

发明领域

本发明涉及一种复合型材，特别涉及一种导热性能各向异性的复合型材。

背景技术

在工程热物理与机械工程领域中不同温度流体之间的热量交换设备，如热能工程或低温工程中所使用的热交换器中，有一类间壁式逆流热交换器，用于两股(或更多股)流体之间的热量交换，如空气分离设备或低温回热式制冷机中使用的逆流热交换器。在这类热交换器中，以两股流体热交换器为例，其工作过程的示意见图4：由外壳10和间壁9把热交换器分成互不相通的两个流动通道1和2，具有不同初始温度的两股流体分别在间壁9两侧的两个通道中流动，其流动方向相反；在流动过程中，温度较高的热流体通过对流换热，把热量传给固体间壁9及其扩展表面，而自身逐渐降温，壁面所吸收的热量通过固体间壁9的热传导和另一侧的对流换热，传给温度比较低的冷流体，使冷流体因吸热而逐渐升温，热量传递的方向如图4中的C所示；这样，两股流体在互不接触、互不掺混的状态下完成热量的交换，热流体在出口处4的温度低于其在入口处3的温度，而冷流体在出口处6的温度高于其在入口处5的温度。

上述间壁式逆流热交换器在工作时，在其任一横截面处的热流体与冷流体之间存在一定的温差，称为传热温差，是表示热交换器性能的重要指标之一。传热温差小，则热交换器的热力学不可逆损失小，换热效率高。

热交换器的高温端7和低温端8之间的温差表示其工作温度范围，由它所在的工作流程决定。由于这个温差，使构成热交换器的结构材料内部产生从热端到冷端的纵向导热，或称为纵向漏热，其方向如图4中的D所示。如果冷热端之间的温差大而换热器长度小，则纵向漏热可能成为高效换热器中主要的不可逆损失之一，导致换热器效率下降，工作流程的能耗增加，运行成本上升。

此类热交换器中，间壁是一个重要的组成元件，用于形成流体通道，分隔不同的流体，并组成换热器的完整结构。对于间壁，主要有以下三个要求：第一，为了满足隔离两股流体，承受压差，防止流道之间泄漏的要求，间壁应无缝隙，其材料及结构应具有足够的强度；第二，作为高温与低温两股流体之间热量横向传递的一个环节，固体间壁应选用导热系数高的材料，同时在兼顾强度、工艺及成本等因素的前提下减小厚度，以降低其导热热阻；第三，由于固体间壁在热交换器高、低温端之间构成纵向漏热通道，增加了热损失，降低换热器效率，因此又希望采用导热系数低的材料，以减小漏热损失；其中的第二和第三项，对材料导热性能的要求是相互矛盾的。

发明内容

本发明目的在于提供一种可同时兼顾换热器固体间壁上述三项关键要求的，由导热系数相差悬殊的不同材料组合而成的导热性能各向异性的复合型材。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的导热性能各向异性的复合型材，其特征在于：由导热系数相差4倍至1万倍的至少两种不同导热材料间隔排放组合而成，该导热性能各向异性的复合型材至少在一个方向上的导热系数低于其它方向上的导热系数，相邻的不同导热系数的材料之间紧密连接，形成完整而无泄漏的壁面；该导热性能各向异性的复合型材为薄板型导热性能各向异性的复合型材；所述薄板型导热性能各向异性的复合型材为平板型、弧形或异形薄板型导热性能各向异性的复合型材；该导热性能各向异性的复合型材为管型导热性能各向异性的复合型材；所述管型导热性能各向异性的复合型材为圆形截面的直圆管型、弯圆管型，或异形截面直管型、弯管型导热性能各向异性的复合型材。

该导热性能各向异性的复合型材在用作高效换热器的固体间壁时，可以在需要高效地传递热量的方向上具有高导热系数，而在希望抑制漏热的方向上具有足够低的导热系数，即高热阻，从而降低换热器的不可逆损失，提高换热器的热效率。

附图说明

附图1-1为本发明的一种平板型导热性能各向异性的复合型材的平面示意图；

附图1-2为图1-1的纵剖面图；

附图2为本发明的一种圆管型导热性能各向异性的复合型材的纵剖面结构示意图；

附图3-1为本发明的一种平板型导热性能各向异性的复合型材的纵剖面结构示意图；

附图3-2为本发明的一种导热性能各向异性的复合型材的平面结构示意图；

附图3-3为本发明的一种导热性能各向异性的复合型材的平面结构示意图；

附图4为间壁式逆流热交换器的工作过程的示意图；

其中：高温流体通道1           低温流体通道2

      高温流体流动方向3→4    低温流体流动方向5→6

      高温端7                 低温端8

      固体间壁9               外壳10

      对流传热方向C           纵向漏热方向D

      高导热系数材料H         低导热系数材料L

      横向(壁面厚度方向，高导热系数)X

      纵向(低导热系数)Y

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明；

实施例1：

图1-1和图1-2示出了一种平板型导热性能各向异性的复合型材的结构示意图。由图1可知，本实施例的平板型导热性能各向异性的复合型材，由导热系数相差4~10000倍的两种不同导热材料间隔排放组合而成，相邻的不同材料之间紧密连接，形成完整而无泄漏的壁面。该导热性能各向异性的复合型材在Y方向上的导热系数低于X方向上的导热系数。具体的说，高导热系数材料H选用纯铜，低导热系数材料L选用不锈钢，在环境温度下如20℃时，两者的导热系数相差约25倍。

如果采用高导热性能的材料如纯铜作间壁，其导热热阻所产生的传热温差极小，远小于固体间壁两侧的对流换热温差，从冷、热流体之间换热的角度来看是理想的选择，但同时间壁材料的纵向导热热阻也很小，若热交换器冷热端温差大，则纵向漏热会明显增加不可逆损失，降低热交换器效率。

如果象传统的方法，采用低导热材料如不锈钢做间壁，虽然可以把热交换器冷热端之间的纵向漏热损失减小至微不足道的程度，但是在两股流体之间横向换热的环节中却造成了无法接受的大热阻，使换热温差明显增大，同样会使热交换器效率下降。

如果象传统的方法，通过尽可能地减薄热交换器间壁的厚度，可以同时减小横向导热热阻和增大纵向导热热阻，一举两得，但间壁厚度的减小却要受到热交换器结构强度及刚度等因素的制约，不可能减至太薄。在高效热交换器可行的间壁厚度范围内，减小横向导热热阻和增大纵向导热热阻这两个要求常常是难以同时满足的。

用本发明提供的导热性能各向异性的复合型材作固体间壁时，可在需要增强换热的间壁厚度方向上具有高导热系数，因此横向导热热阻极小，而在固体间壁沿热交换器的轴线方向上，则具有足够低的导热系数，其纵向导热热阻远高于横向导热热阻，足以抑制纵向导热所引起的不可逆损失及热效率下降。

实施例2：

图2给出了一种圆管形状的导热性能各向异性复合型材沿管轴线的纵剖面图。本实施例的圆管型导热性能各向异性的复合型材，与实施例1类似，由导热系数相差4~10000倍的两种不同导热材料间隔排放组合而成，相邻的不同导热系数的材料之间紧密连接，形成完整而无泄漏的壁面。对于管状的结构，可以采用不同材料的环，交错迭置，或者以不同材料的丝，并行绕成螺旋形结构，然后以适当的方法连接如焊接，形成完整的管结构。该导热性能各向异性的圆管形状复合型材，在其管轴线方向即Y方向的导热系数低于圆管厚度方向即X方向上的导热系数，因此作为热交换器的间壁使用时，其厚度方向即X方向的高导热系数可以强化间壁两侧之间的换热，而轴线方向即Y方向的低导热系数可以抑制换热器的纵向漏热，有利于减小不可逆损失，提高换热器效率。

实施例3：

图3-1、3-2和3-3为本发明三种实施例的结构示意图。

如图3-1所示的复合板材的纵剖面，说明两种不同导热系数的材料的细丝可以取不同的截面形状和尺寸，形成复合薄板，以强化不同方向上导热性能的差异，即在X方向上更接近高导热材料的导热系数，而在Y方向上更接近低导热材料的导热系数。

如图3-2所示，可以用低导热材料制成网状结构，在网眼处填充高导热材料的微颗粒，经过适当碾压与融合，形成仅在厚度一个方向上为高导热系数，而在平面的所有方向或管材表面的圆周方向与轴向上都是低导热系数的各向异性复合型材，其中浅色部分L表示低导热材料，深色部分H表示高导热材料。或如图3-3所示，在有密集小孔的低导热材料薄板L上，以高导热材料的微颗粒填充小孔并使其与板融合，同样可以形成厚度方向高导热，平板的平面方向低导热的复合板材。

导热各向异性材料的形状也不限于平板或空心管，可以使用例如电、化学或真空溅射沉积等多种方法，制作成各种形状与尺度的复合型材，以满足不同使用条件下的各种特殊要求。这种复合型材结构也不局限于用做热交换器的间壁，同样可以用于其它各种要求材料在不同方向上具有不同导热系数的场合。

导热各向异性复合型材由至少两种材料组成，但并不仅仅局限于使用金属材料，根据不同场合的具体要求，也可以采用其他材料，如玻璃，陶瓷，硅，塑料，橡胶等非金属材料，甚至采用金属与非金属的组合，但无论采用哪种材料组合及连接方法，都应保证不同材料之间的可靠连接，使其在指定的工作和存储条件下，特别是在承受压差和不同温度下或较大温差下工作时，不会因为机械应力或者热应力过大，出现影响使用性能的泄漏乃至断裂。

Claims (6)

1、一种导热性能各向异性的复合型材，其特征在于：由导热系数相差4-10000倍的至少两种不同导热材料间隔排放组合而成，该导热性能各向异性的复合型材至少在一个方向上的导热系数低于其它方向上的导热系数，相邻的不同导热系数的材料之间紧密连接，有完整而无泄漏的壁面。

2、按权利要求1所述的导热性能各向异性的复合型材，其特征在于：该导热性能各向异性的复合型材为薄板型导热性能各向异性的复合型材。

3、按权利要求2所述的导热性能各向异性的复合型材，其特征在于：所述薄板型导热性能各向异性的复合型材为平板型、弧形或异形薄板型导热性能各向异性的复合型材。

4、按权利要求1所述的导热性能各向异性的复合型材，其特征在于：该导热性能各向异性的复合型材为管型导热性能各向异性的复合型材。

5、按权利要求4所述的导热性能各向异性的复合型材，其特征在于：所述管型导热性能各向异性的复合型材为截面为圆形的直圆管型或弯圆管型导热性能各向异性的复合型材。

6、按权利要求4所述的导热性能各向异性的复合型材，其特征在于：所述管型导热性能各向异性的复合型材为截面为异形的直管型或弯管型导热性能各向异性的复合型材。

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