CN1662786B - 热交换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种热交换器(1)，包括两组介质流通通道(P，S)，两种介质以热交换接触从其中流过；壁部(2)将通道隔开；导热翼片(3-8)设置在每个壁部(2)的两侧，其中在一个壁部一侧的翼片与该壁部另一侧上的翼片的相似接触表面热接触；其中壁部(2)为膜状，而翼片(3-8)为大体波形的传热条，并具有连接壁部的接触表面和在两个壁部之间延伸的主平面。

Description

热交换器及其制造方法

本发涉及一种热交换器，其包括：

两组介质流通通道，其被交错安置。通过该介质流通通道，两种介质可以彼此分离地分别在一个主要通路(P)以及一个次要通路(S)中流动，并且完全处于热交换方式接触中；

将所述通道分离的多个壁部；

热传导翼片，其被配置在每一壁部的两个侧边上，该翼片以其主平面延伸在该介质的各个流动方向上，其中，位于一个壁部的一侧边上的一个翼片经由一个接触表面与位于此壁部另一侧边上的翼片的一个相似接触表面进行热接触，该接触表面位于相关壁部的主平面中，并形成翼片的一部分；

一个外壳，其中容纳有带有翼片的限定通道的所述壁部，并且其中设置有两个进口以及两个出口，该进口和出口通过各自的歧管单独地针对每个通道或者共同地针对通道组连接所述的两组通道。

这种热交换器以许多实施例中为人所知。本发明的一个目的为提供一种热交换器，以使得其非常轻，并且可以经济地制造，同时仍然具有极佳的效率。

在此方面，根据本发明的热交换器所具有的特点为，壁部形成为薄膜，并且翼片形成为传热件，例如大体上为波浪形状的金属条，该翼片提供有连接至所述壁部的接触表面，以及延伸于两个壁部间的主平面，这样使得除了热功能外，翼片还具有一种结构性功能，其中，整个分离壁部的传热系数为最小1W/m²K。

根据本发明的热交换器从而大致上从所述翼片获得其机械强度以及刚性。根据现有技术，热交换器的机械强度以及刚性并不是大体上利用翼片，而是利用热交换壁来决定的。这就需要在机械强度较高，因此就较厚的壁部，因而对于使用相同材料的程度来说具有较大热阻的固有缺点。

根据本发明的热交换器结合了高效率和结构紧凑的特点。

应当了解的是，至少在理论上，薄膜为一种“无限薄(infinitelythin)”的类似皮肤的部件，其具有一种可忽略的弯曲刚性，并且因此仅通过其在端部处被夹住的事实获得其刚性，或者可以与以偏移形式呈现的特定张力应力相结合。当在主要通路与次要通路之间产生一压力差时，实际上无法完全防止薄膜的一定弯曲。这就意味着根据本发明的热交换器的压力阻抗被限制于一个由机械性质所决定的数值，例如所使用的箔片的厚度、抗张强度、伸长能力、伸长极限、偏移量、箔片层间的相互距离等等。当使用偏移量时，会在箔片材料上形成一个额外的负载。在箔片中的最大张力应力因此等于总最大张力应力减去偏移量。

为了使得介于翼片层间传热尽可能地大，在建议的实施例中，相应的接触表面通过壁部热接触。

在一个实用的实施例中，热交换器所具有的特点为，接触表面由被涂布在至少一个接触表面上的粘合层而被粘接至壁部。

另一实施例所具有的特点为，相应的接触表面通过在壁部中的一穿孔，而利用被涂布在至少一个接触表面上的粘合层直接地彼此连接。

很清楚的是，由箔片壁部以及粘合层所形成的热阻必须尽可能地小。在此方面，这些层必须很薄。

关于翼片的相邻层间的热接触，在所建议的实施例中，壁部是由PVC构成，并且翼片通过超声波处理或热处理，并结合压力而被连接至壁部。连接可以例如是通过焊接、熔接等来施行，无论如何，使得通过箔片所形成的热阻不存在。

一个优选实施例所具有的特殊特点为，外壳用来保持形状，并且壁部以能够抵抗抗张应力的方式而被连接至该外壳，以使得由于两组通道间的压力差的结果而产生于壁部中的抗张应力能够被外壳所吸收。

另一实施例所具有的特点为，壁部被偏移，以使得在介于该两组介质流通通道间预先选定的最大允许压力差的状况下，在由翼片的接触表面所界定的自由空间之间的壁部弯曲，即薄膜在相关压力下发生的弯曲除以相关接触表面间的相关相互距离最大等于2.5％。

在相应接触表面通过箔片壁部而热接触的实施例中，热交换器优选所具有的特点为，箔片在横向于其主平面上的热阻最大等于在朝向彼此的接触表面之间直接接触的状况下热阻的0.1，因此可以忽略不计。

热交换器优选所具有的特点为，在流动方向上结合的两个翼片之间的距离上，箔片的主平面上的热阻比翼片直接彼此热连接的状况下大至少十倍。

一个实用的实施例所具有的特殊特点为，壁部为由以电晕放电处理的PET(例如强化PET)构成，并且提供有一个底层，接着是一个用于连接翼片的接触表面的粘合层。

另一实施例所具有的特点为，壁部由PVC构成，并且翼片通过超声波处理或是热处理，并施加压力而被连接至所述壁部。

相对于常规的箔片材料，抗张强度的显著改善是通过具有以下特点的热交换器而获得：箔片为由强化纤维材料构成，而该纤维为由例如是玻璃、硼、碳构成。纤维可以例如是织物或者非机织材料。

箔片的热传导性的显著改善是通过具有以下特点的热交换器而实现：壁部为塑料所构成，其中嵌入有铝粉。

为了使得热交换器为不需维护，并使其适合用于各种不同的应用，热交换器可以具有以下特点：壁部为由电晕放电处理的PET(例如强化的PET)构成，然后设置一个底层，接着设置一个用于连接翼片接触表面的粘合层。

一个非常实用的实施例所具有的特殊特点为，壁部突出于翼片之外，以使其可以被连接至一个框架上，例如用以使其偏移安置，或者使得突出壁部部分能够以热形成为交错的单元及歧管，用于使该组通道分别连接在一起并再次分离。这一实施例减轻了在热交换器的两侧边上形成交错单元以及歧管的问题。

一个已决定的实施例所具有的特点为，热交换器被提供一种模快结构，其带有可松开的彼此连接的块体。因此可以得到的是，热交换器可以通过使用该块体而被制造为不同尺寸，而不需要为此目的而整个改变生产线。

一个特定实施例所具有的特点为，各层被安排为以下顺序：P、S、P、S、P、S等。

另一实施例所具有的特点为，各层被安排为以下顺序：P、P、S、S、P、P等。

为了在热交换器的生产期间尽可能地限制在箔片层上的机械负载，一个优选实施例所具有的特殊特点为，翼片的接触表面具有浑圆的周围边缘。

在箔片是由强化纤维材料所构成的实施例中，热交换器可具有如下特殊特点：纤维具有各向异性的热传导性，例如碳纤维，其中热传导性在箔片的主平面中比在其横向方向中要小。箔片条的抗张强度并且热交换器的压力阻抗从而可因此大为改善，并且还可以获得介于相邻翼片之间的非常良好的热接触。

箔片材料的适当选择可以通过观察操作状况及应用来决定。热塑性塑料以及例如聚醚酰亚胺的热固性塑料都是适当的材料。箔片材料也可以提供一涂层，例如是另一种塑料、一种硅材料或类似材料。在纤维强化的情况下，纤维可以具有数μm的直径。

用于薄膜的材料的另一选择为金属，尤其是在其两侧的至少一个上带有金属涂层的塑料箔片。

对于可能发生腐蚀问题的一个非常简单的解决方法由以下所构成：将一个抗腐蚀涂层粘接，该涂层涂布在两个接触表面中的至少一个上，并且例如包括有一个底层和/或一个覆盖翼片整个表面以及选择性地在壁部上的粘合层。

一个特定实施例所具有的特殊特点为，粘合层为可以被热活化的类型，并且翼片通过被加热的压制冲压机产生的热和压力，在接触表面位置处被粘接到相关壁部以及/或者一组相邻的翼片。

在另一种变型实施例中，热交换器所具有的特点为，翼片被提供在远离具有可承受所述热和压力的第二涂层的所述涂层的侧边上。

以下参考附图对本发明进行说明，其中：

图1显示出根据本发明的热交换器的局部立体图，其中为了说明清楚起见，未示出外壳；

固2a显示出根据本发明的具有外壳及交错单元及歧管的热交换器的缩小立体图；

图2b以放大图显示出图2a中的II的细节；

图3为翼片的另一偏置配置的示意图；

图4为一个未强化薄膜的示意图；

图5显示出利用纤维织物所强化的薄膜的部分切开立体图；

图6对应于图5显示出一个通过非编织材料所强化的薄膜；

图7a及图7b显示出将翼片的接触表面粘接到薄膜上的不同阶段；

图8显示出另一种粘接方法；

图9a显示出对应于图8的另一形式的截面图；

图9b为根据图9a的初始阶段结构的立体图；

图10a及图10b显示出分别对应于图7a及图7b的实施例的图示，其中翼片通过薄膜中的孔而直接彼此接合；

图10c为对应于图9b的图10a所示阶段的立体图；

图11显示出一个实施例的初始阶段，其中薄膜在其两侧边上提供有粘合层；

图12为一个实施例对应于图11的图示，其中翼片的接触表面提供有涂层；

图13a显示出一种用于以工业方式制造根据本发明的热交换器装置的示意图；

图13b以放大图显示出图13a的XIII处的细节；

图13c显示出图13a的装置的更进一步展开及更详细形式的立体图；

图14显示出根据本发明的热交换器的一部分在生产阶段期间的截面图，其中薄膜通过张紧机构在伸长应力的影响下被固定；

图15显示出一个热交换器的前视图，其中翼片以及介质通路被安排成第一配置；

图16显示出一个对应于图15的图示，其中翼片以及介质通路被安排成第二配置；以及

图17显示出另一种张紧机构的截面图。

图1显示出一个热交换器1，其包含有数层箔片2，并且各个条3、4、5、6、7、8等延伸于所述箔片之间。这些条3-8形成了热传导翼片，并且为了此用途，可由例如铜制成。通过将于下文中所描述的机构，翼片以其相互面对的接触表面在这些箔片2的一侧边上被粘接到箔片2上。在此实施例中，连续的箔片层交替地限制出一个主要通路以及一个次要通路，在图示中分别以箭头P及S所标示。这些介质通路涉及介质的流动，用于使其彼此以一种热交换方式相接触，而介质例如是气态介质、液态介质、或者分别是气体及液体或是二相介质(two-phasemedia)。

图示还显示出条3、4、5在介质流动方向上具有有限的长度，并且后续的翼片条6、7，8被置放为彼此相距一距离。这样会增强有效的传热。不具有翼片的中间空间9有效地作为传送方向中的热隔离。其必要条件为箔片材料具有有限的热传导性，并且不是由例如铜的良好热传导材料而制成。举例而言，塑料为一种非常适合的选择。因为箔片形成为薄膜，因此非常薄，其在朝向彼此的箔片的传热接触表面处仅具有可忽略的热阻。

图2显示出一个热交换器10，它是依据前述薄膜-翼片-热交换器而构建，其中使用了一个外壳。被连接至自由端部的是各个交错单元以及歧管12，交错单元以及歧管12用于主要通路P的进入，交错单元以及歧管13用于主要通路P的离开，交错单元以及歧管14用于次要通路S的进入，并且交错单元以及歧管15用于次要通路S的离开。

图2b显示出热交换器10的内部。其基本上与图1的单元相同，因此也用附图标记1标示。

图3概要地显示出各个条16、17、18、19、20、16中的翼片的另一种配置。可以理解的是，所述翼片在横向于流动方向21的方向上每次被偏移1/5间距距离。每一翼片的前方边缘因此总是落在一个实际上未受干扰的流动中。这样会增强热传递。

图4概要示出一个薄膜22。

图5显示出一个由织物24而被强化的薄膜23，而织物24例如可由玻璃纤维，碳纤维或类似材料所构成。应当注意的是，图示并未依比例绘制，并且这种类型的垫子24亦可以被注入塑料，从而该织物可以密封介质，并且此外其可以受热而熔化，用以粘接到翼片的接触表面。

图6显示出一个具有非编织强化件26的薄膜25。

图7a显示出一个带有粘合层29的薄膜28，其中粘合层29位于翼片31的接触表面30的位置处。图7b所示的结构通过挤压而获得，其中粘合剂被略微挤出进入侧边区域32中。粘合剂29可以是预热型，或者为压敏型。

图8显示出一个实施例，其中翼片31在加热期间并在压力下被压入箔片28中。箔片材料因此在中间区域33处变薄，并且在区域34的侧边处，材料被略微挤出。这种实施例是有利的，因为总是能确保良好的密封，而且已经很薄的箔片材料变得更薄。

图9a显示出一种改变的实施例，其中翼片35、36分别提供有互相配合的皱摺件37、38，因而总是可以确保接触表面的良好定位。皱摺件37、38也延伸于横向方向中，这清楚地显示在图9b中。箭头39表示在箔片28被压紧时，翼片35、36在加热期间被强行结合在一起。在根据图10的实施例中，箔片40提供有开口41，而翼片31的接触表面可以经由该开口41而彼此接触。这些接触表面提供有粘合层42，借此翼片可以如图10b所示通过这些非常薄的粘合层而彼此直接相互接触。图10还显示出开口40的周围边缘提供有一个形成密封环的部分(mass)43，用以确保介质的密封连接。

图11显示出一个实施例，其中一个箔片44在其两个侧边上设置有粘合层45，用于接合翼片31的接触表面。

在图12中，翼片31的接触表面提供有粘合层46。

图13显示出组装箔片条48和被粘接在其上的翼片条49以形成如图1所示的组件的方式。

如图13c所示，供应容器50容纳有十个供应卷筒51，而其上带有翼片条的粘合箔片条位于供应卷筒51上。以附图标记52所标示的其中一个卷筒仅容纳不带翼片的箔片材料48。不同的条通过两个引导及压力滚轮53、54的夹挤而被引导在一起，并且被馈送入电磁加热装置55的中，在此在箔片的相关表面上(参见图11)出现热熔，或者翼片的接触表面(参见图12)熔化，因此可以实现所希望的粘接。入口的压力滚轮56、57，以及出口的压力滚轮58、59对此也有所帮助，

对应图8的图13b显示出一个实施例，其中所希望的粘接通过装置55、压力滚轮56、57、58、59中的压力及温度的增加而实现。

图14显示出粘接有翼片61的箔片60。箔片可以通过卡接结构62而被定位，其中应当注意的是，由于各个凹部63以及与其共同作用的突出部64，箔片的伸长被实现，其与箔片的弹性一起产生一定的偏移。通过堆叠卡接结构62，根据图1类型或其他类型的热交换器1可以经由一种模块化方式被加以制造。挤压方向由箭头65表示。箭头66指出箔片的运动性，其中应当了解的是，在根据箭头65方向进行挤压期间，箔片会伸展并因此被偏移设置。

图15显示出除了别的以外，图1所示的结构，其中，主要通路以及次要通路彼此跟随。

图16显示出一种变型，其中两个主要通路被彼此相邻设置，紧跟着是两个次要通路，再紧跟着是两个主要通路，如此继续。

最后，图17显示出根据图14的夹紧方法的另一种方式。在根据图17的实施例中，每一个夹钳块体67体现为一个大体上为U形的轮廓，其带有一个朝向外部变窄的开口68，在开口68中设置有一个安装了压缩弹簧的滚轮70。根据箭头71，箔片条60可以被插入开口68的下表面71与滚轮70之间的间隙(pinch)中。在施加些许压力而抵抗弹簧69的弹簧压力时，箔片60的前缘从而可以通过表面71与滚轮70间的接触表面。这种设置以一定作用力而产生，由此，箔片会稍微地伸展，直到达成所需要的偏移为止。箔片接着被放松并固定地保持在该间隙(pinch)中。这样确保了永久的偏移。

Claims (23)

1.一种热交换器，其包括：

两组介质流通通道，两种介质能以彼此热交换接触的形式通过该介质流通通道逆流流动；

分隔所述通道的薄膜；

热传导翼片，其被配置在每个薄膜的两侧，该翼片具有在所述介质的各个流动方向上延伸的主平面和接触表面，所述接触表面位于所述薄膜的主平面并与所述薄膜接触，其中薄膜一侧上的翼片的接触表面与薄膜另一侧上的翼片的接触表面对齐并热接触，并且其中所述接触表面通过一个粘接层被粘接到所述薄膜上或通过所述薄膜上的一个孔通过一个粘接层直接与另一个翼片连接，所述翼片在两个相邻的薄膜之间延伸，使得除了热功能，翼片还具有结构功能；和

一个外壳，带有翼片的薄膜容纳在其中。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，相应的接触表面通过薄膜热接触。

3.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述接触表面通过涂布在至少一个接触表面上的粘合层而被粘接到薄膜上。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，相应的接触表面通过薄膜上的一个孔利用涂布在至少一个接触表面上的粘合层直接互相连接。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述外壳用来保持形状，并且所述薄膜以抵抗伸长应力的方式连接至该外壳，使得由于两组通道间的压力差所造成的所述薄膜中的伸长应力能够被该外壳吸收。

6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述薄膜在张力下被偏移，使得在该两组介质流通通道间的预定最大允许压力差的状况下，在由翼片的接触表面所界定的自由空间之间的薄膜弯曲，亦即在相关压力下薄膜发生的弯曲除以相关接触表面间的相关相互距离，等于最大2.5％。

7.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，薄膜在横向于其主平面的热阻最大等于彼此相对的翼片的接触表面间直接接触的状况下的热阻的0.1，因此可忽略不计。

8.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在流动方向上结合的两个翼片之间的相互距离上，薄膜在其主平面上的热阻比翼片直接彼此热连接的状况大至少10倍。

9.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述薄膜由以电晕放电处理的PET构成，并且提供有一个底层，接着是一个用于连接翼片的接触表面的粘合层。

10.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述薄膜是由PVC构成，并且翼片通过超声波处理或热处理并结合压力而连接至薄膜上。

11.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述薄膜由强化纤维材料构成。

12.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述薄膜由其中嵌入有铝粉的塑料构成。

13.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，处理所述薄膜或涂布于其上的粘合层，使得其具有以下的组中的一项性质：

抗菌性；

抗粘连性，用以抵抗脏污及其他附着；

抗静电性；

表面张力改变。

14.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述薄膜延伸出翼片之外，以形成能与一个框架连接的突出的薄膜部分。

15.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器被提供了一种模块化结构，其带有可以彼此松开连接的块体。

16.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述通道形成一个主要通道P和一个次要通道S，并且所述薄膜以下面的顺序连接成层：P、S、P、S、P、S。

17.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述通道形成一个主要通道P和一个次要通道S，并且所述薄膜以下面的顺序连接成层：P、P、S、S、P、P。

18.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述翼片的接触表面具有圆的外围边缘。

19.根据权利要求11所述的热交换器，其特征在于，纤维具有各向异性的热传导性，其中热传导性在薄膜的主平面中比在其横向方向上要小。

20.根据前述任一项权利要求的热交换器，其特征在于，粘合层包括涂布在两个接触表面中的至少一个上的抗腐蚀涂层。

21.根据权利要求1-19任一项所述的热交换器，其特征在于，粘合层为可以被热活化的类型，并且翼片通过被加热的压制冲压机利用加热和压力在接触表面位置处被粘接到相关薄膜和/或相对的翼片上。

22.根据权利要求20所述的热交换器，其特征在于，在所述翼片的一侧远离所述粘合层提供可承受所述热和压力的第二涂层。

23.一种用于制造权利要求1所述的热交换器的方法，包括：

(a)提供数个大体为波形的金属条；

(b)提供数个薄膜材料的片料；以及

(c)将这些条以及片料对准送入一个连接装置之中，形成交替关系且相互连接，用以通过此装置而形成一个组件。

Images