CN1717295A - 制造多通道装置的方法及由此制成的多通道装置 - Google Patents

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Abstract

一种多通道装置制造过程和由此制成的多通道装置，其中板材边缘薄板以及可选的附加薄板的两个带状物和/或支撑元件固定在板材底部薄板的一个带状物上。由此形成的部分层压板分割成子组件，每个子组件包括一个底部和两个边缘带以及可选地包括附加带，这些带共同限定了多个可选地具有支撑元件的开放通道。多个子组件与一个端板叠放在一起而形成一个完整的叠层，每个子组件的边缘连接在一起以形成一个完整的单元。一个或者多个集流管或者歧管可以连接到完整单元的外侧上以提供组合的进入单元的流体入口和离开单元的出口。

Description

制造多通道装置的方法及由此制成的多通道装置
本发明不是在美国政府的代理下产生的，也不是在美国政府代理的条约下产生的。
技术领域
本发明涉及制造多通道装置的方法及由此制成的多通道装置。特别是，通道组中的多通道装置是以交叉流动的设计方案设置的。这种装置可以包括，例如化学反应器、热交换器及其组合。另外的应用包括其它化学单元操作，例如汽化、冷凝和蒸馏。在每种情况下，流体或者类似流体的流，例如气体、液体、流态化的固体、悬浮固体或者它们的组合流经该通道。
背景技术
多通道装置特别用于化学单元操作领域。例如，与能够处理同样流的单通道相比，多个通道可以实现改进的压力安全(pressurecontainment)和流分配，并且可以在单位体积内提供更大的表面积。最基本的多通道装置的例子包括众所周知的管壳式热交换器和散热片式热交换器。在这两种热交换器中，至少一种流体的流在通过该单元时被分配到多个通道中。在热交换环境中，这将通过增加表面积而提高热传递效率，给定的流动流体暴露于该表面积。同样，多通道形状实现了在反应环境中的改进的流分配和催化剂接触特性。同样为人所知的是更小和更紧凑的装置可以提供显著的益处，例如提高的热效率和更快的反应时间。多数这种装置具有更小的底座，这种底座具有可与大型单元相比的或者超过大型单元的效率度量(effectivenessmeasure)。另外，当用作反应器时，这种装置通常在反应物转化为产品方面和相对于不想要的产品对所需产品的选择性方面提供改进的性能。当用作热交换器时，这种装置通常提供改进的热交换参数。
制造更小和更紧凑的多通道装置来满足经济约束可能特别困难，当需要许多小通道并且这些通道相互非常接近时尤其如此。当试图将多个小的、紧凑的装置组合在一起以提供可与大型单元相比的通过量时这一点特别重要。目前金属的制造方法包括例如首先使用线切割放电加工(EDM)技术由实心料块来制造小的多通道装置。在EDM线切割中，每个通道通过首先成形一个穿过料块的初始孔来进行切割。然后，通过沿着将变成通道壁的路线缓慢移动切割线而将每个通道切割为合适的尺寸。被切割下来的材料于是成为废料。尽管线切割放电加工技术对于在实心材料中形成相对深的、狭窄的槽并且使装配和对准问题最小化是有益的，但与其它技术相比，该方法花费更加巨大。另外，在通道的长度方面存在一些实际的限制，并且其制造时间过长。另一种方法使用薄垫片堆的扩散焊接，这些薄垫片堆通过冲压或切割而限定多个通道。首先，冲压比其它加工方法产生更多的废料。另外，扩散焊接方法需要通道在焊接中被封闭，以避开自由区域，然后在焊接完毕后通过机加工而打开。焊接方法本身也需要大量加工和昂贵的基本设备。在机加工后，需要清除步骤来去除碎片并清除冷却剂/润滑剂。所有这些加起来成为一个费用相对高昂的加工方法。挤压形成通道，该通道需要精加工来获得理想的精度水平，因而增加了成本。另外，挤压不能用于所有材料——例如高温合金就不是适宜的候选材料——并且对最小通道尺寸有所限制。铸造也受到某些相同的限制。最后，蚀刻技术也不具备成本上的竞争性，对高温合金尤其如此。
如此处所描述的焊接的或者以其它方式连接的叠层方法代表了制造这种多通道装置的一种可行的较低成本的方法。
发明内容
本发明的一个目的是使用改进的制造方法提供低成本的多通道装置。更特别的是，在一种优选实施例中，本发明涉及一种连续或者半连续的制造方法，其中板材边缘薄板以及，可选的附加薄板和/或支撑元件的两个带状物以焊接或者以其它方式连接到板材底部薄板的一个带状物上。然后由此形成的部分层压板分割成子组件，每个子组件包括一个底部和两个边缘带以及可选地包括附加带，这些带共同限定了多个可选地具有支撑元件的开放通道。根据所需的应用，子组件可以以几乎是无限种的设计方案来配置。随后，多个子组件与一个端板叠放在一起而形成一个完整的叠层，每个子组件的边缘以焊接或者以其它方式连接在一起以形成一个完整的单元。通过焊接或者其它方式将一个或者有限数量的子组件在一个时间内连接在一起，避免了自由区域的问题，这是因为当子组件固定在叠层上后在子组件上具有最小的压力。由于减小了变形，较低的压力转化为较低成本的设备和更加精确的最终尺寸。这允许以最终形状、最少的机加工和废料来制造子组件。特别是，在连接歧管或者集流管之前应对通道孔进行少量的机加工或者不进行机加工。
按照需要，一个或者多个集流管或者歧管可以连接到完整单元的外侧上以提供组合的进入单元的流体入口和离开单元的出口。
参照附图进行考虑，通过随后对本发明的详细描述，本发明的其它目的、优点和新颖性特征将变得清楚。
附图说明
图1是本发明一种优选实施例的对准、薄板固定和切割方面的立体图；
图2是本发明一种优选实施例的切割方面的立体图；
图3是按照本发明制造的子组件的立体图；
图4是按照本发明另一种实施例制造的子组件的立体图；
图5是按照本发明又一种实施例制造的子组件的立体图；
图6是本发明叠放和边缘固定方面的平面图；
图7在图6的平面图中示出的本发明叠放和边缘固定方面的正视图；
图8是按照本发明另一种实施例制造的完整单元的部分分解立体图；
图9是按照本发明的叠层的分解立体图。
具体实施方式
图1示出了制造典型的子组件10、20、60(分别在图3、4和5中)的第一步骤，该子组件10、20、60最终包括在一个完整的叠层100(图8)中。首先送入所需的金属、塑料、陶瓷或者结构的其它适合材料，典型子组件10(图3)的主要部件、底部薄板11和至少两个边缘薄板12被一起送入，同时受到引导并对准。由于希望本发明适于进行连续高速的加工方法，本领域一般技术人员所熟知的卷料进料(coil-fed)操作可以用特定材料例如金属和塑料来使用。作为选择，金属或者其它材料的任何所需长度可以通过其它众所周知的方法被送入。尽管示出了一种使用对准辊22的标准对准方法，本领域中一般技术人员应当理解使用其它对准方法可以获得同样效果。例如可以使用对准板，但是正如本领域中一般技术人员理解的那样，通常需要滚动元件来避免过度磨损。当然，对准辊22可以是适于特定操作需要的多种可能的形状和材料。正如本领域一般技术人员所理解的那样，边缘薄板12不需要与底部薄板11的边缘对齐。可选地，并且如图1所示，可以将附加薄板14包括在内以形成附加通道24，从而形成另一个典型的子组件20(图4)。附加薄板14的数量及其宽度和间距可以大范围地变化以满足最终装置的设计准则。
作为选择的通道24只是作为例子在图3-5中示出。图3示出了边缘带16，其与底部80共同形成了通道24。以相似的方式，图4示出了多个可选的附加带17，其与边缘带16以及底部80共同形成了三个通道24。最后，图5示出了多个支撑元件34。正如本领域中一般技术人员所理解，使用并设置支撑元件34将取决于几种设计方案和制造因素，主要是使制造或正常使用过程中的压力差的影响最小化的需要。
在对准后，如图1所示，边缘薄板12和几个可选附加薄板14固定到底部薄板11上生成一个部分层压板50。例如，一种用于金属的优选方法是连续电缝焊法(continuous electric seam welding)，该方法具有高速和适于大批量制造的优点，并且需要相对低的资本投资。另外，支撑元件34可以安装在任何通道24中。在这种情况下，支撑元件34无需连续焊接而是可以采用点焊或者其它方式以与最终子组件60的长度一致的间隔来固定。正如本领域中一般技术人员所理解，其它固定方式也是可行的。这些方法包括例如爆炸焊接(explosionbonding)和真空辊压接合以及激光焊、等离子焊、钨电极惰性气体焊(TIG)和惰性气体保护焊(MIG)。应当考虑，在本发明的范围之内，可以使用其它固定方法，例如适于最终用途的工程粘接剂。例如，可以使用具有耐高温性的粘接剂，例如聚酰亚胺。如上文所指出，这种加工方法也容易适于塑料、陶瓷和其它结构材料。例如，按照用途塑料包括例如聚丙烯、聚砜、聚苯硫醚(polyphenolene sulfide)以及聚酰亚胺可以在对准后通过多种众所周知的方法来固定，只是作为例子，这些方法包括粘接剂和加热板、溶剂以及超声波焊接。陶瓷可以在未加工状态下可以对准，并在未加工或者随后的固化状态下固定。
如图1和2所示出，在一种优选实施例中，部分层压板50紧接着进入一个切割模块40。在此处，部分层压板50被剪切或以其它方式切割成段。尽管可以使用其它方法例如锯切，对于高速制造方法优选剪切。当子组件10、20、60叠放在一起时(见图6和7)，可以形成一个或多个对准孔26以辅助对准这些子组件。优选地，在对角上形成两个对准孔26。很明显，两个对准孔中的每一个需要同样设定位置，但是其中一个可以偏移以便于装配。接着在叠放过程中(图6和7)，对准孔26将被穿入对准指状物或者其它类似装置(未示出)。正如本领域一般技术人员所理解，可以使用其它对准方法。例如，图3示出了对准接头28将与相邻底部(未示出)的相对表面上与之相配合的凹痕共同起作用，图4示出了将在叠放过程中与导轨或者类似装置(未示出)一起使用的对准突出部，图5示出了将在叠放过程(见图6和7)中用于与组件固定装置中相配合的对准部件共同起作用的对准缺口。
作为前述步骤的结果，已经将多个子组件10、20、60制造成所需的设计方案，各种通道24的长度和宽度已经形成，所有附加带14和/或支撑元件34已经按照需要添加在上面。
如图6和7所示，使用例如拾取-放置-焊接模块42来形成叠层100。所需的子组件10、20、60被送入拾取-放置-焊接模块42并且随后优选地在对准孔26、接头28、突出部30或者缺口32的辅助下被叠放在一起。在叠放在一起后，第一焊机44和优选地第二焊机46将子组件10、20、60焊接在一起而形成一个完整的单元100(图8中示出)，第一焊机44和第二焊机46优选地各由两个臂状物组成。一个指针机构48按照增量降低叠层以便使之与焊机44、46对准。
图8示出了沿着入口和出口集流管/歧管110的完整叠层100的一个例子。如图8所示，边缘带16已经通过例如连续电阻缝焊焊缝52与相应的底部板80连接在一起。另外，多个子组件20，40，60已经通过例如激光端面焊缝54连接在一起。如此处所讨论的，并且本领域普通技术人员可以理解，在本发明的范围和实质之内可以使用其它焊接方法甚至其它连接方法。添加了集流管/歧管110来分配流体流，集流管/歧管110可以通过已知的方法连接在叠层上。为了进行恰当的流分配，每个集流管110可以逐渐变细或者以其它方式设计为具有变化的横截面面积，例如具有抛物线表面。
前述的披露内容对本发明进行的阐述只是为了图示而不是用于限制。由于本领域一般技术人员会遇到对结合本发明实质和内容的所披露实施例的修改，本发明将被理解为所附权利要求及其等价内容的范围之内的所有事物。

Claims (23)

1.一种制造多通道装置的方法，该方法包括如下步骤：
(a)制造一个部分层压板，部分层压板的制造包括如下步骤：
(i)提供一个底部薄板，该底部薄板具有一个第一边缘、一个第二边缘和一个第一表面，第二边缘与第一边缘相对并大体上平行于第一边缘；
(ii)提供一个第一边缘薄板；
(iii)提供一个第二边缘薄板；
(iv)可选地提供一个或多个附加薄板；
(v)使第一边缘薄板与底部薄板的第一边缘对准；
(vi)使第一边缘薄板与底部薄板的第一表面接触；
(vii)使第二边缘薄板与底部薄板的第二边缘对准；
(viii)使第二边缘薄板与底部薄板的第一表面接触；
(ix)使任何可选的附加薄板在第一边缘薄板和第二边缘薄板之间对准；
(x)使任何可选附加薄板与底部薄板的第一表面接触；
(xi)将边缘薄板和任何可选附加薄板固定在底部薄板的第一表面上，从而限定一个或多个敞开的部分层压板通道，该一个或多个敞开的部分层压板通道至少大体上平行于第一底部薄板的边缘延伸；
(b)将部分层压板分隔成多个子组件，每个子组件包括一个底部、一个第一边缘带、一个第二边缘带和可选的一个或多个附加带，底部、第一边缘带、第二边缘带和任何可选的附加带限定一个或多个子组件敞开通道，每个子组件底部具有一个第一边缘和一个第二边缘，该第一子组件底部边缘大体上垂直于该一个或多个子组件敞开通道，而第二子组件底部边缘与第一子组件底部边缘相对并大体上平行于第一子组件底部边缘；
(c)将一个或多个附加子组件与第一子组件放置在一起以形成一个部分叠层，这样每个附加子组件的底部与一个相邻的子组件共同形成一个或多个封闭的通道，其中至少一个子组件的一个或多个通道大体上垂直于至少一个其它子组件的一个或多个通道；
(d)以一个最后板结束部分叠层，该最后板具有一个第一边缘和一个第二边缘，最后板的第二边缘与最后板的第一边缘相对并且大体上平行于最后板的第一边缘，其中该最后板与相邻的附加子组件共同限定一个或多个封闭的通道；
(e)将至少一个附加子组件的第一边缘固定在相邻子组件的第一边缘带上；
(f)将该至少一个附加子组件的第二边缘固定在相邻子组件的第二边缘带上；
(g)将最后板的第一边缘固定在相邻子组件的第一边缘带上；以及
(h)将最后板的第二边缘固定在相邻子组件的第二边缘带上。
2.如权利要求1所述的方法，其中至少第一边缘薄板使用连续电阻缝焊固定在底部薄板上。
3.如权利要求1所述的方法，其中至少第一边缘薄板使用粘接剂固定在底部薄板上。
4.如权利要求1所述的方法，其中至少第一边缘薄板使用从包括如下方法中选择的一种方法固定在底部薄板上，这些方法包括爆炸焊接、真空辊压接合、激光焊、等离子焊、TIG焊接和MIG焊接。
5.如权利要求1所述的方法，其中所有可选附加薄板中的至少一个使用连续电阻缝焊固定在底部薄板上。
6.如权利要求1所述的方法，其中可选的一个或多个附加薄板使用粘接剂固定在底部薄板上。
7.如权利要求1所述的方法，其中可选的一个或多个附加薄板使用从以下方法中选择的一种方法固定在底部薄板上，这些方法包括爆炸焊接、真空辊压接合、激光焊、等离子焊、TIG焊接和MIG焊接。
8.如权利要求1所述的方法，其中进一步包括为每个子组件形成至少一个对准部件的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中至少一个对准部件是孔。
10.如权利要求8所述的方法，其中至少一个对准部件是突出部。
11.如权利要求8所述的方法，其中至少一个对准部件是缺口。
12.如权利要求8所述的方法，其中至少一个对准部件包括一个与凹坑配合的接头。
13.如权利要求8所述的方法，进一步包括使用至少一个对准部件使每个子组件与至少一个相邻子组件对准的步骤。
14.如权利要求1所述的方法，进一步包括如下步骤：
(a)使一个或多个支撑元件在敞开的部分层压板通道内对准；
(b)使一个或多个支撑元件与底部薄板的第一表面接触；以及
(c)将一个或多个支撑元件固定在底部薄板上。
15.如权利要求14所述的方法，其中一个或多个支撑元件通过点焊固定在底部薄板上。
16.如权利要求1所述的方法，进一步包括将第一集流管固定到叠层的第一侧上的步骤。
17.一种制造多通道装置的方法，该方法包括如下步骤：
(a)制造一个第一部分层压板，该第一部分层压板的制造包括如下步骤：
(i)提供一个第一部分层压板底部薄板，该第一部分层压板底部薄板具有一个第一边缘、一个第二边缘和一个第一表面，第二边缘与第一边缘相对并大体上平行于第一边缘；
(ii)提供一个第一部分层压板第一边缘薄板；
(iii)提供一个第一部分层压板第二边缘薄板；
(iv)可选地提供一个或多个第一部分层压板附加薄板；
(v)使第一部分层压板第一边缘薄板与第一部分层压板底部的第一边缘对准；
(vi)使第一部分层压板第一边缘薄板与第一部分层压板底部薄板的第一表面接触；
(vii)使第一部分层压板第二边缘薄板与第一部分层压板底部薄板的第二边缘对准；
(viii)使第一部分层压板第二边缘薄板与第一部分层压板底部薄板的第一表面接触；
(ix)使任何可选的第一部分层压板附加薄板在第一部分层压板第一边缘薄板和第一部分层压板第二边缘薄板之间对准；
(x)使任何可选的第一部分层压板附加薄板与第一底部薄板的第一表面接触；
(xi)将第一部分层压板第一边缘薄板、第一部分层压板第二边缘薄板和任何可选的第一部分层压板附加薄板固定在第一部分层压板底部薄板上，从而限定一个或多个敞开的第一部分层压板通道，该一个或多个敞开的第一部分层压板通道大体上平行于第一部分层压板底部薄板的至少第一边缘延伸；
(b)将第一部分层压板分隔成多个第一子组件，每个第一子组件包括一个第一子组件底部、一个第一子组件第一边缘带、一个第一子组件第二边缘带和可选的一个或多个第一子组件附加带，第一子组件底部、第一子组件第一边缘带、第一子组件第二边缘带和任何可选的第一子组件附加带限定一个或多个第一子组件敞开通道，每个第一子组件进一步具有一个第一子组件第一边缘和一个第一子组件第二边缘，该第一子组件第一边缘大体上垂直于第一子组件的一个或多个敞开通道，而第一子组件第二边缘与第一子组件第一边缘相对并大体上平行于第一子组件第一边缘；
(c)制造至少一个第二部分层压板，该第二部分层压板的制造包括如下步骤：
(i)提供一个第二部分层压板底部薄板，该第二部分层压板底部薄板具有一个第一边缘、一个第二边缘和一个第一表面，第二边缘与第一边缘相对并大体上平行于第一边缘；
(ii)提供一个第二部分层压板第一边缘薄板；
(iii)提供一个第二部分层压板第二边缘薄板；
(iv)可选地提供一个或多个第二部分层压板附加薄板；
(v)使第二部分层压板第一边缘薄板与第二部分层压板底部薄板的第一边缘对准；
(vi)使第二部分层压板第一边缘薄板与第二部分层压板底部薄板的第一表面接触；
(vii)使第二部分层压板第二边缘薄板与第二部分层压板底部薄板的第二边缘对准；
(viii)使第二部分层压板第二边缘薄板与第二部分层压板底部薄板的第一表面接触；
(ix)使任何可选的第二部分层压板附加薄板在第二部分层压板第一边缘薄板和第二部分层压板第二边缘薄板之间对准；
(x)使任何可选的第二部分层压板附加薄板与第二底部薄板的第一表面接触；
(xi)将第二部分层压板第一边缘薄板、第二部分层压板第二边缘薄板和任何可选的第二部分层压板附加薄板固定在第二部分层压板底部薄板上，从而限定一个或多个敞开的第二部分层压板通道，该一个或多个敞开的第二部分层压板通道大体上平行于第二部分层压板底部薄板的至少第一边缘延伸；
(d)将第二部分层压板分隔成多个第二子组件，每个第二子组件包括一个第二子组件底部、一个第二子组件第一边缘带、一个第二子组件第二边缘带和可选的一个或多个第二子组件附加带，第二子组件底部、第二子组件第一边缘带、第二子组件第二边缘带和任何可选的第二子组件附加带限定一个或多个第二子组件敞开通道，每个第二子组件进一步具有一个第二子组件第一边缘和一个第二子组件第二边缘，该第二子组件第一边缘大体上垂直于第二子组件的一个或多个敞开通道，而第二子组件第二边缘与第二子组件第一边缘相对并大体上平行于第二子组件第一边缘；
(e)将一个或多个第一子组件与一个或多个第二子组件放置在一起，使得：
(i)一个子组件的底部与一个相邻子组件配合形成至少一个封闭通道；
(ii)至少一个第一子组件与至少一个第二子组件相邻；以及
(iii)该至少一个第一子组件通道大体上垂直于该至少一个第二子组件通道；
(f)以一个最后板结束叠层，该最后板具有一个第一边缘和一个第二边缘，最后板第二边缘与最后板第一边缘相对并且大体上平行于最后板的第一边缘，其中最后板与一个相邻子组件共同限定一个封闭通道；
(g)将最后板固定在一个相邻子组件上；以及
(f)将每个子组件固定在至少一个相邻子组件上。
18.一种多通道装置，该装置包括：
多个相邻子组件的叠层，每个子组件包括：
一个底部，该底部具有一个表面、一个第一边缘和一个第二边缘，该第二边缘大体上平行于第一边缘并与第一边缘隔开；
一个大体上沿着第一边缘固定在底部板表面上的第一边缘带；
一个大体上沿着第二边缘固定在底部板表面上的第二边缘带，其中在第一边缘带和第二边缘带之间限定一个通道；
可选地，一个或多个附加带，其中一个或多个可选附加带、底部、第一边缘带和第二边缘带共同限定两个或多个通道；
可选地，一个或多个支撑元件，其中一个或多个可选支撑元件位于至少一个通道内；
其中至少一个子组件的底部固定在一个相邻子组件上并且与第一边缘带、第二边缘带以及该相邻子组件的底部共同形成至少一个封闭通道，并且其中至少一个子组件的至少一个通道大体上垂直于一个相邻子组件的至少一个通道延伸；以及
一个终止板，该终止板固定在一个相邻子组件上，并与第一边缘带、第二边缘带以及该相邻子组件的底部共同形成至少一个封闭通道。
19.如权利要求18所述的多通道装置，进一步包括固定在叠层的第一侧的至少一个第一集流管。
20.如权利要求19所述的多通道装置，其中该至少第一集流管具有逐渐变小的横截面。
21.如权利要求19所述的多通道装置，其中至少第一集流管具有抛物线形横截面。
22.一种制造用于多通道装置的子组件的方法，该方法包括如下步骤：
(a)制造一个部分层压板，部分层压板的制造包括如下步骤：
(i)提供一个底部薄板，该底部薄板具有一个第一边缘、一个第二边缘和一个第一表面，第二边缘与第一边缘相对并大体上平行于第一边缘；
(ii)提供一个第一边缘薄板；
(iii)提供一个第二边缘薄板；
(iv)可选地提供一个或多个附加薄板；
(v)使第一边缘薄板与底部薄板的第一边缘对准；
(vi)使第一边缘薄板与底部薄板的第一表面接触；
(vii)使第二边缘薄板与底部薄板的第二边缘对准；
(viii)使第二边缘薄板与底部薄板的第一表面接触；
(ix)使任何可选的附加薄板在第一边缘薄板和第二边缘薄板之间对准；
(x)使任何可选的附加薄板与底部薄板的第一表面接触；
(xi)将边缘薄板和任何可选的附加薄板固定在底部薄板的第一表面上，从而限定一个或多个敞开的部分层压板通道，该一个或多个敞开的部分层压板通道至少大体上平行于第一底部薄板的边缘延伸；以及
(b)将部分层压板制成所需的尺寸。
23.一种制造用于多通道装置的部分层压板的方法，该方法包括如下步骤：
(a)沿第一底部薄板边缘将第一边缘薄板固定到底部薄板的表面上；
(b)沿第二底部薄板边缘将第二边缘薄板固定到底部薄板的表面上，该第二底部薄板边缘与第一底部薄板边缘相对并大体上平行于该第一底部薄板边缘，因而限定了一个部分层压板通道；以及
(c)可选地在第一边缘薄板和第二边缘薄板之间将附加薄板固定到底部薄板表面上，因而可选地形成两个或多个部分层压板通道。
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