CN1871491A - 具有强化表面结构的板式热交换器 - Google Patents

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布赖恩·J·埃默里
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Abstract

一种板式热交换器(10)，其包括为两种流体(17、21)提供流径的多块板(24)。该板式热交换器具有用于每种流体(17、21)的入口(16、20)和出口(18、22)，其中所述多块板的两相邻板的相向表面限定出供第一流体(17)流动的流径。这两块相邻板(24)之一的反向表面和多块板(24)的另一相邻板的相向表面提供第二流体流动的流径。沿各自的流径流动的第一流体(17)和第二流体(21)相互保持热耦合。与至少一块板的一个表面的至少一部分相关联的多个表面结构(56)为沿相邻板流动的两种流体(17、21)之间提供强化传热。

Description

具有强化表面结构的板式热交换器
技术领域
本发明涉及一种板式热交换器，更具体地说，涉及具有能够强化流过热交换器的流体之间的传热的表面结构(surface features)的板式热交换器。
背景技术
板式热交换器是制冷和供暖系统中的几个组成部分之一。它们是很重要的组成部分，因为板式热交换器是用来容纳相互呈热交换关系的两种或多种流体的部件，根据所需的用途它们既可作为冷凝器，也可以作为蒸发器。换句话说，优选使两种或多种流体之一冷凝或蒸发。优选其中一种流体是制冷剂。板式热交换器通常与压缩机、膨胀阀和风机结合使用，以加热或冷却空间。板式热交换器因其结构紧凑且安装方便而有望得到广泛应用。
板式热交换器通常是一种密封装置，它具有用于相互隔开并在热交换器中循环的两种或多种流体中的每一种流体的入口和出口。通常这种密封装置包括多块压制板(pressed plates)，压制板的图案一般为限定成横截面为顶点交替的“V形凸纹(V-ridge)”的人字形，压制板端部附近形成有供两种或多种流体流动的孔。这些板被设置成可以端对端地交替转动所述板，孔被设置成可以为各对板之间的每种流体提供独立的流路，一种流体可以在预定数量的板对(plate pair)之间有多个流路(flow passage)。端对端的转动也可在相邻的板对之间提供相反的人字形图案。由于这种交错的布置方式，相反的人字形可以间隔地沿人字形图案的V形凸纹的各自顶点彼此接触，每个接触区域可被看作是一个节点。每一板对之间的这种交错的界面限定出了经常改变方向和横截面的曲折流路，为沿相邻流路流动的不同流体之间提供更加有效的热耦合(thermal communication)，同时可使流体与板表面的接触最大。
上面的几何形状可提高通常由制冷剂侧传热系数表示的热耦合值(thermal communication valus)，在传热流体经过板式热交换器时的典型设计工况下，其约为380BTU//ft2/hr。然而，此系数的数值大大低于如具有第一流体或有制冷剂在其中流过的增强管之类的其他型式的热交换器结构所能达到的数值，这些管穿过盛有流过这些增强管的第二流体的容器，反之亦然。
因此，需要一种提高传热系数值的板式热交换器结构。
发明内容
本发明涉及一种改进型板式热交换器，它包括多块导热率高的基本平行的板，每块板具有反向表面(opposed surfaces)和周边凸缘，用于给至少两种流体的每种流体提供至少一条流径(flow path)。将它们组装在一起时，这些板的相向表面(facing surface)、即相邻板的互相面对的表面以及这些板的周边凸缘限定出用于至少两种流体的每种流体的流径。装配时，周边凸缘相互接触形成流径边界或流体边界，而相邻板之间的空间为流体的流动提供通道。相邻板的至少一块板上具有与至少两种流体的两种不同流体接触的反向表面。该板的这些表面为这些流体提供一部分流径边界，与这些反向表面的每一表面相邻的板的表面也设有用于这些流体的一部分流径边界。在反向表面上流过两种不同流体的板应由导热率高的材料制成，使与具有极好的传热的表面接触的板的相反的侧上的流体之间提供良好的热耦合。显然，在叠置的板中，除端板之外的每块板的反向表面的两侧上都有流体流动，因而叠置的每块板都应由导热率高的材料制成。端板的一侧有空气。虽然严格地说空气也是一种流体，由于空气可以作为很好的绝热体，在本说明书中，认为空气不是本发明板式热交换器中用于传热的流体之一。因此，端板不必由高导热率的材料制成，尽管端板通常由与叠置板中的其它板相同的材料制成，但它们也可以用如碳钢之类的成本较低的材料制成。板式热交换器还具有用于所述至少两种流体的每一种流体的入口和出口，每种流体的入口和出口与该流体的每条流径流体连通，使这些流体能流入所述流径，在其中流动并离开流径。多块基本平行的板的两相邻板的互相面对的表面限定出用于所述至少两种流体的第一流体的流径。该板式热交换器包括多个与至少一种流体的至少一条流径的至少一部分流体连通的表面微小结构(surface microfeatures)，所述多个表面微小结构增强了沿板的反向表面和在板的反向表面上方流动的所述至少两种流体之间的传热，流体流过由相邻板形成的通道。在本说明书中，术语“表面微小结构”包括具有预先选定的几何形状以及尺寸为0.050英寸或更小的微小结构。表面微小结构不包括形成在板上的被看作是宏大结构(macrofeatures)的凸纹(包括大的凹痕或波纹)，但包括形成在凸纹、波纹或凹痕的表面上或这些表面中的细小的几何结构(smallgeometric features)。
本发明还涉及一种改进型板式热交换器，它包括多块用于向至少两种流体的每种流体提供至少一条流径的板。该板式热交换器具有用于所述至少两种流体的每一种流体、与每一种流体的每一流径流体连通的入口和出口。多块板中两块基本平行的相邻板的互相面对的表面限定出用于所述至少两种流体的第一流体的流径。所述两块相邻板之一的反向表面和多块板中另外的第三相邻板的相向表面设有用于至少两种流体的第二流体的流径，所述至少两种流体流经多块在所述至少两种流体的第一和第二流体之间提供热耦合的板。该板式热交换器包括至少一个插入件，该插入件具有处于至少一种流体的至少一条流径的至少一部分内的多个表面结构，用于增强沿相邻板流动的至少两种流体之间的传热。
本发明还涉及一种提供与板式热交换器一起使用的增强的传热表面的方法，该板式热交换器包括多块用于为至少两种流体的每种流体提供至少一条流径的板。该板式热交换器具有用于至少两种流体的每种流体、与每种流体的每条流径流体连通的入口和出口。多块板中两块相邻板的互相面对的表面限定出用于所述至少两种流体的第一流体的流径。所述两块相邻板之一的反向表面和多块板另外的第三相邻板的相向的表面设有用于流经多块板的所述至少两种流体的第二流体的流径，借此为流过板的反向表面的所述至少两种流体的第一和第二流体之间提供热耦合，所述步骤包括：形成与至少一块板的至少一个表面的至少一部分相关联的多个表面结构。
本发明还涉及一种提供与板式热交换器一起使用的增强的传热表面的方法，该板式热交换器包括多块板，每块板具有反向表面和周边凸缘，用于为至少两种流体的每种流体提供至少一条流径。相向表面、即彼此相向的相邻板的表面以及相邻板的周边凸缘限定出用于每种流体的流径。这对相邻板的至少一块板的反向表面设有用于两种流体的共用流径边界。该板由高导热率的材料制成，因此，热量很容易通过共用流径边界传递并且使两种流体之间热耦合。该板式热交换器具有用于所述至少两种流体的每种流体的入口和出口。用于这些流体之一的每一流径与该流体的入口和出口流体连通。所述两相邻板之一的反向表面和所述多块板的与所述反向表面相邻的第三板的相向表面设有用于流经多块板的至少两种流体的第二流体的流径，借此使流过板的所述至少两种流体的第一和第二流体之间热耦合。在沿相邻板的相邻流径内流动的至少两种流体之间设有多个表面微小结构，以增强流过该板的反向表面的传热。这些表面微小结构处于至少一种流体的流径内。可按几种方式将表面微小结构置于流径内。可将微小结构加到一块板的一个流径表面的至少一部分上。例如通过沉积作用来实施。通过在板的表面加设一种材料，如在板表面下方形成凹陷或在表面上方形成凸出节点来添加表面微小结构。也可以通过如滚压之类的方法使微小结构形成于板的表面内。可通过插入如网状物之类的部件或将穿孔板插进流径内而为流径添加微小结构。还可以通过垫片将网状物或穿孔板定位于流径内，或者将网状物或穿孔板结合到形成该流径的一块或两块板的表面上。
与现有的板式热交换器结构相比，本发明的优点是可大大提高制冷剂侧的传热系数和板式热交换器的总传热系数。
本发明的另一优点是能够减小热交换器单元的尺寸，而不影响该单元的性能。换句话说，本发明可提供提高了性能而没有增加热交换器单元的尺寸的热交换器。
从下面结合附图对优选实施方式的详细描述中将更加清楚本发明的其他特点和优点，这些附图以举例的方式对本发明的原理进行了图解说明。
附图说明
图1是现有的板式热交换器的透视图；
图2是现有的板式热交换器的板布置的示意性分解平面图；
图3是沿图1中3-3线剖切的现有的板式热交换器的横截面图；
图4是沿图1中4-4线剖切的现有的板式热交换器的横截面图；
图5是沿图2中横切V字凸纹的方向的5-5线剖切的现有板式热交换器的单个人字形V字凸纹的横截面图；
图6是现有的板式热交换器的另一种板布置的示意性分解平面图；
图7是现有的热交换器的板对的平面图；
图8是本发明的网状物插入件的平面图；
图9是装配到本发明的热交换板上的插入件的平面图；
图10是与图3相似的板式热交换器的局部横截面图，与之不同的是在本发明的交替的每对热交换板之间插有多个网状物插入件；
图11是与本发明热交换板相关联的一种表面微小结构布置的放大的局部平面图；
图12是与本发明热交换板相关联的另一种表面微小结构布置的放大的局部平面图；
图13是沿图9中横切V形凸纹的方向的13-13线剖切的板式热交换器的单个人字形V形凸纹以及覆盖本发明的网状物插入件的横截面图；
图14是沿图9中横切V形凸纹的方向的13-13线剖切的板式热交换器的单个人字形V形凸纹以及覆盖本发明的网状物插入件的横截面图；
图15是本发明网状物插入件的整体结构的局部透视图；
图16是本发明的网状物插入件的局部透视图；
图17是本发明网状物插入件的部件横截面图。
具体实施方式
本发明的新颖的表面结构可用于图1-7所示的现有板式热交换器10中。这种热交换器与本中请引为参考文件的、于1995年10月31日颁发的US 5,462,113号中提到的热交换器类似。在本说明书中，术语“表面微小结构”是指极其细小的几何特征，比如形成在板表面中的锯齿形或者形成在板表面上的突起，它们的尺寸为0.050英寸或更小。热交换器10包括多块由如铜之类的高导热率材料制成的成形板24，它们被设置于顶板12和底板14之间，为第一流体17和第二流体21提供分开的流路44，同时在第一流体17和第二流体21之间提供热耦合。在非典型的情况下，第一和第二流体17、21可以具有相同的组分。通常，完全相反(diametrically opposed)的入口16和出口18被形成在顶板12上，使第一流体17流过板24，类似地，完全相反的入口20和出口22形成在顶板12上，使第二流体21也流过板24内。可供选择的是，使这些成对的入口/出口中的一对的方向相反是有利的，这样可将第一对和第二对流体入口/出口设置在热交换器10的相对端。
每块成形板24包括交替排列的板28、30，每块板都有相反端23、25。通常，板28和板30之间的唯一差别是端部23、25是反向的，或者换句话说，板28围绕垂直于顶板12的表面的轴线27旋转了180度。每块板28、30包括多个孔19，当这些板装入热交换器10中时，这些孔与各入口/出口对中。虽对包括入口/出口16、18、20、22的布置方式进行了描述，可以理解的是，若采用三种或更多种热交换流体时，可包括另外的入口/出口。板28、30的表面中形成有多个也称作波纹的V形凸纹26，它们通常被设置成人字形状，当将其设置在如下面将描述的板对32、34中时就构成方向和横截面均改变的迂回流路44。这些凸纹可以采用其他形状，如U形凸纹、正弦形状、方形等，但优选V形凸纹。所述流路可在沿相邻流路44流动的不同流体之间提供更有效的热耦合。具体参考图5，该图是在V形凸纹26方向的横向上看到的视图。每一V形凸纹26限定出“V”形横截面，该截面延伸到也称作最高点的顶点41。在本说明书中，顶点41可以从中心轴线43向上延伸或向下延伸，如图5所示。板28、30向外延伸到形成在限定出板28、30的周边的板边缘处的凸缘40。叠置的板28、30的凸缘40相互直接接触并在叠置而形成热交换器10并影响流体流动且构成流体流动的障碍时形成流体流动的阻隔。
将板28放置在邻近通过凸缘40接触的板30时共同限定出板对32。而将板30放置在板28的上面或下面时共同限定出板对34。为了理解本发明，对表面取向而言，在讨论板的布置时，术语“上表面”是指面对顶板12的板表面，术语“下表面”是指面对底板14的板表面。应当理解，热交换器可以按照各种实际方位设置，这些方位包括垂直、水平以及垂直和水平两者之间的任何位置。因此，板28的下表面和板30的上表面彼此面对。再参考图2，板28和板30具有V形凸纹，板28表面中的凸纹相对于板30表面中的凸纹呈180度。也就是说，板28的凸纹26限定出倒“V”形，或者凸纹26的连接点26a比凸纹26的其他部分更靠近板28的端部25。与此类似，板30的凸纹26限定出“V”形，或者凸纹26的连接点26b比凸纹26的其他部分更靠近板30的端部25。然而，板28、30的端部25彼此是相反的。参考图7，将板28定位成使其凸缘与板30的凸缘接触而形成板对32时，沿每一板28、30的各V形凸纹26的顶点41(图5)交替地彼此直接接触，从而形成节点42。同样，将板30设置成与板28接触而形成板对34时，沿每块板28、30的各V形凸纹26的顶点41(参考图5)交替地彼此直接接触而形成节点42。
同样，限定出板对32、34的交替放置的板28、30(图1，3，4)提供了用于第一流体17和第二流体21的分开的流路44。显然，一板对可共享一块板。例如，板对32可以包括板28、30，而板对34可以包括板30、28。换句话说，叠置的板对32、34可以包括由一系列的板28、30、28组成的板的排列。借助于板28、30上的孔19可以使流动分开进行，这些板交替地配置成为在相邻板28、30之间提供交替的分开布置部分(spacedarrangements)47和闭合布置部分45(close arrangements)。例如，参考图1，3和4，板对32限定出沿与第一流体入口16对中的孔19的分开布置部分47(图3)，以使第一流体17进入第一流体入口16以流过分开布置部分47，然后进入通路44。第一流体17继续沿围绕限定节点42的顶点41的流路44基本平行于板流动。由于周边凸缘40能对流体密封，因此，只有用于来自通路44的流体17的出口是另外的分开布置部分47，该分开布置部分靠近与第一流体出口18对中的孔19(图4)。这样，来自通路44的第一流体17流过靠近第一流体出口18的分开布置部分47后，通过第一流体出口18流出热交换器10。由板对32限定的另两个孔19具有闭合布置部分45，以防止第一流体17流过其中。
同样，板对34限定出沿与第二流体入口20(图3)对中的孔19的分开布置部分47(图3)，以使第二流体21进入第二流体入口20并流过分开布置部分47，然后进入通路44。第二流体21继续沿围绕限定节点42的顶点41的流路44基本平行于板流动。由于周边凸缘40能对流体密封，因此，只有用于来自通路44的流体21的出口是另外的分开布置部分47，该分开布置部分靠近与第二流体出口22对中的孔19(图4)。这样，来自通路44的第二流体21流过靠近第二流体出口22的分开布置部分47后，通过第二流体出口22流出热交换器10。由板对34限定的另两个孔19具有闭合布置部分45，以防止第二流体21流过其中。
通常，板式热交换器有两种构造，硬焊式(brazed)或非硬焊式(nonbrazed)构造，这两种构造都能从本发明的新式强化表面中获益。一般，非硬焊构造采用如螺母和螺栓(未示出)之类的一些紧固构件，或者焊接(welding)以共同保证板式热交换器运行期间这些板均能定位，从而抵消流体施加的压力。硬焊构造示于图1中。在一优选实施方式中，参考另外的与图2相同的图6，在每一板对32、34之间插有金属薄板(foil plate)36、38并靠近顶板和底板12、14，金属薄板由可硬焊的材料制成，优选由铜、铜合金或镍合金制成。插入金属薄板36、38并将这些板充分压在一起后，可将热交换器10加热至低于板28、30的熔点但高于插入板36、38的熔点的预定温度并持续足够时间使金属薄板36、38熔化。由于毛细作用，优选是铜的熔融金属流到所述板相互接触的区域，如节点42和周边凸缘40。通常由铜构成的板沿这些流体密封的区域或节点(即沿周边凸缘)形成金属结合，并提供更加牢固的构造支撑，正常情况下，以术语“破裂压力”表示，其可接近3000psi并足以承受流体17、21的压力且满足安全规范的要求。
参考图1-4，热交换器10可构成为HVAC系统中的蒸发器，如水之类的流体17使通常为制冷剂的流体21蒸发。流体17进入流体入口16，在进入板对32的板28、30之间的通路44之前流过分开布置部分47。优选的是，可以成对地选择流体使得其中一种流体的沸点低于另一种流体的沸点。流体21进入流体入口20，在进入板对34的板28、30之间的通路44之前流经分开布置部分47。由于板对32是相邻的，因此它们共享共用板30；流体17流过板30的一个表面、如图所示的上表面，同时流体21沿所示的板30的反向表面或下表面流动。因为流体21沿板30的下表面发生泡核沸腾(处于蒸发操作时)，借助于流体17、21之间通过板30的热耦合，通过传导和气泡形式(未示出)进行传热。(或者，在冷凝操作中，当气态流体被冷却时形成液滴)。无论是哪种操作，这种板的布置都将增进流过板的流体之间的传导，以促进从气体变为液体或者从液体变为气体的物理变化(或者相变)。这种状态上的物理变化是通过进一步吸收热量(蒸发热)或释放热量(冷凝热)来实现的，这些都是公知的热力学理论。
本发明提供了多个表面微小结构，这些微小结构改进了在板表面之间的通路内的流动，为板式热交换器中相互以热耦合的方式流过的流体之间提供增强的传热。对包含流体在板式热交换器内的流动特性在内的分析极其复杂并且还不是完全清楚，尤其当流体经历相变时，甚至由于受到与本发明的表面微小结构相关联的影响而更加复杂。但是，借助于这些新颖的表面微小结构，制冷剂侧传热系数已达到至少接近700BTU//ft2/hr(在常规的设计工况下)，这大概是如图1-7所示的传统板式热交换器的两倍。传热系数中显著增加的这部分中的至少一部分可以改善泡核沸腾或者冷凝液滴的形成，其间沿如前所述蒸发流体的强化传热表面的所述表面形成过热气泡。本发明的表面微小结构的存在通过提供有利于形成过热气泡的多个区域(sites)至少可以明显强化泡核沸腾，同时促进蒸发过程中表面润湿的改善。而在冷凝过程中，这种表面的强化还可以提供附加的传热表面面积，通过毛细力以及通过提供过冷蒸汽能形成液滴的成核区(nucleation sites)使制冷剂更快地离开板表面，借此可提高传热系数。对于蒸发过程而言，这些有利的形成位置不仅可以促进初始核生成，而且可以使核保留一段时间，在开始夹带于流体流中之前使核变大到一定尺寸。为了简化讨论，本发明其余部分的描述限于对蒸发过程中形成核作为气泡的描述。当然，本领域技术人员可以明白，由于这些区域有利于形成液滴的核，本发明同样可以改善制冷剂从气态被冷凝为液体的相变特性。
一旦过热气泡进入流体流中，先前由气泡占居的空间被在该位置重新开始泡核沸腾过程的液态流体取代。不希望受理论的限制，可以预料，一旦气泡形成以及发生最初的进入现象，最初形成气泡的位置保持有利的用于根据一部分气泡被留下作为“籽核(seed)”而形成后面接续的气泡的位置。本发明的另一方面可以使泡核沸腾阶段产生的气泡容积最优，因为若使过热气泡变得太大将减小传热系数。此外，还可预料，若形成足够大的气泡，由于气泡进入流体流中，因此留下作为形成后续气泡的“籽核”的气泡数量就会不足。
前面讨论的强化气泡形成的又一可预料的优点是借助于毛细作用可以提高热交换板28、30的润湿表面面积，以进一步提高传热系数。另外，由于强化的毛细作用，角度“A”(图5)可以增加到约60度或更大，而在现有的一些构造中被限制在22-30的范围内，这可以进一步提高传热系数，这是由增大的角度A提供的流体流动特性的差别而引起的。这样，至少是因为强化了包括泡核沸腾和提高的表面润湿性在内的传热的原因，本发明的新颖的表面微小结构对板式热交换器技术提供了重大改进。
参考图8-10，本发明包括带有网状物48的插入件46。网状物48可任选地包括如铜之类的金属垫层50用于放置在板对32、34的板28、30之间。插入件46优选与上面放置有插入件46的板、如板30具有基本相同的V形凸纹26的形状和取向，使得插入件46和板30的相向表面基本紧邻或齐平。插入件46上有多个孔52，这些孔相互隔开成与节点42一致。这样，将第一板28放到第二板30上并将插入件46放在它们之间时，由于形成于插入件46内的节点间隙孔52，板28、30的顶点41直接接触。如果需要的话，可以在板对32的板28和板30之间再插入方向与板28相同的第二插入件46，使第二插入件46和板28基本紧邻或齐平。换句话说，如果需要的话，可以在板对32、34的每一相向表面上设置插入件46。虽然可以在相邻的板对32、34的每一个之间设置如上所述的插入件46、或者甚至设置两个插入件46，通常，对于如制冷剂之类的低沸点的流体而言，插入件46仅用在板对的相向表面之间。对于如水之类的高沸点流体而言，一般不希望在所述板对的相向表面之间采用插入件46，因为插入件46对流动产生的阻力会妨碍流动，同时对成核区也不利，而低沸点流体通常不经历相变。也就是说，在交替板对32、34中使用插入件46是比较理想的。例如，图10示出了仅在每一板对32之间插入网状物插入件46的热交换器的横截面。
可供选择的是，可将网状物插入件46或有穿孔的薄片/板构成为在网状物插入件46的表面和板28、30的相应表面之间提供间隙。换句话说，网状物插入件46至少部分地从板28、30的表面伸出，使得网状物插入件46表面的至少一部分暴露在流动的流体中。参考图13，通过形成网状物插入件46可以提供这种流动暴露(flow stream exposure)，这样由于在板30的表面上安装有网状物插入件，因此，网状物插入件46和板30的相向表面之间限定出“C”度角距，如果需要的话或者限定角度的一部分。参考图14，在一可供选择的实施方式中，由每一网状物插入件46和板30限定的轮廓基本相同。网状物插入件46和板30的表面之间的间隙由“G”表示，并可由多个垫片55形成，至少这些垫片优选靠近板30的多个顶点41并有足够的个数来维持之间的最小间隙“G”。此外，或者可与靠近顶点41的垫片55的布置结合起来，垫片55可以被设置在其他不靠近顶点41的位置，只要足以在板30和网状物插入件46的相向表面之间保持最小间隙“G”即可。垫片55优选与网状物插入件46整体形成，或者可与板整体形成。垫片可以是单独的部件，但必须固定定位以防止随流体漂移。
如前所述，本发明的网状物或穿孔提供了通过促进气泡形成而强化传热的表面微小结构。形成期望的气泡所需的网状物尺寸主要是所用制冷剂类型的函数，当然也受下列任何一个或多个参数的影响，这些参数是：流体的流速；期望的传热系数；流体压力；或流体温度。压力和温度还可影响流体的表面张力或粘性。对于如R22、R410a、R407c、R717、R134之类的常规制冷剂、其他卤化烃和常规流体以及遇到的大多数流体的流速和工况而言，与从约0.002英寸到约0.050英寸的开口相对应，可以使用尺寸从约400目到约20目的网状物。通常，网状物由互相横搭、交织、均匀间隔的部件制成。因此，术语“网状物开口”通常是指相邻的平行部件之间的距离，如果网状部件不互相横搭，网状物开口也可与由一对结合起来的交织网状部件限定的“菱形”网状物开口的两个对角距离中较窄的那个对应。由于常规的制冷剂包含各种粘稠度和类型的润滑油，因此使开口减小到低于约0.002英寸显然会挡住那些通常与液态制冷剂混合在一起的小滴润滑油，由此阻碍气泡形成。对于穿孔而言，直径(对于圆孔)或边长(对于矩形或三角形开口)的大小约为0.002到约0.050英寸。对于约0.002英寸以及更大的开口来说，润滑油可被经过热交换器流动的流体冲洗离开开口。可以意识到，如可溶混的与不易溶混之类的制冷剂系统和油系统的结合将影响开口的尺寸，若所采用的是不需要润滑油的系统，开口可为约0.0001英寸，尤其若采用其他非碳氟化合物流体，例如采用氨、液氮、二氧化碳等，无论油是否被开口挡住以及被挡住的程度，最小开口尺寸可由油决定。
可供选择的是，采用叠置的网状物层，例如将100目的网状物层置于400目的网状物层上，使得100目网状物层处于形成流体之间的边界的传热板和400目网状物层之间的流径或流动通道中。这样通过捕获板附近的气泡可以提高性能。虽然可以有两个叠置的400目网状物层，但是保持上层网状物层的开口较大可增加流到底层网状物层的流体，以更有效地将气泡从底部的400目网状物层的开口中冲洗出。根据制冷剂和运行工况的多种组合，也可以将多于两层的网状物层结合起来使用，比如使400目的网状物层邻近第一100目网状物层，第一100目网状物层邻近第二100目网状物层。
如上所述，虽然网状物布置对非硬焊式热交换器构造有作用，但是当试图将网状物插入件用于硬焊式热交换器构造上时就遇到了问题。在硬焊式热交换器构造中，在硬焊操作期间由铜薄板层熔化的铜将通过毛细作用流入网状物的开口内，堵塞这些开口，这将影响表面处的强化成核作用。但是，在网状物插入件46插进热交换器之前，若先在其上形成或施加如氧化镍或氧化铬、氧化铝、氧化锆及其他氧化物之类的氧化物覆层，可以防止熔化的铜流进网状物开口内，同时还可通过孔52在节点区域42内形成结合物。换句话说，在网状物插入件46上形成氧化物覆层之后，如上所述，将插入件46插到相邻板之间并对其加热，熔化的如铜之类的硬焊金属流过孔52，在板28、30的交替顶点41之间的顶点42处形成硬焊点，而熔化的铜则不会流入和堵塞网状物开口。或者，可以考虑将与流体适应的其他覆层或表面处理用到网状物插入件46上，以阻止熔化的硬焊金属流入网状物开口内。
实施本实施方式的一种方法是用如不锈钢板之类的高合金材料形成网状物，然后使其氧化形成氧化镍或氧化铬或它们的混合物。再将氧化后的不锈钢卷到未氧化的不锈钢薄板50上并在其中形成孔52。在另一实施方式中，网状物46和钢板50中都形成有孔52，然后将网状物46(氧化后)和钢板50精确组装并卷成卷。为使网状物46稳定，钢板50可以延伸超过网状物46的相对边缘然后折叠在网状物46上方。可以采用其他形成不锈钢板的方法，比如模压(stamping)。此外，操作顺序不重要，只要网状物具有能阻止熔化铜通过毛细作用流动的表面即可。或者，可以采用任何传统处理工艺，如喷涂、涂刷、蒸汽淀积、丝网印刷等将氧化物覆层施加到网筛上。例如，可以通过电解工艺沉淀出一层薄的镍覆层，然后再使其氧化。也可以使用任何其他镀敷或涂敷方法。
参考图15，网状物48通常包括多个互相横搭交织的部件49、51以构成网状物48。由于部件49、51相互交替地通过上方和下方的交织布置，在部件49、51之间、邻近一个部件如部件51越过相应部件49的位置的每一接合点处限定出凹陷部分53。根据横截面通常为圆形的部件49、51的尺寸，凹陷部分53对于气泡的形成可起到附加的促进作用。或者，参考图17，横向部件49、51可以为非圆形，比如为某方向尺寸是D1、与该第一方向垂直的方向上尺寸是D2的椭圆形状。横向部件49、51的横截面实际上可以限定为任何具有封闭几何形状以及任何方位的横截面，或者是横向部件49、51之间的几何形状的组合。此外，根据网状物46在板式热交换器10内的位置，横向部件49、51的横截面形状可以不同，因为网状物48的一些部分可能受到包括液体和或液/蒸气混合物在内的流体的不同相态或物理状态的影响，以强化这些流体的传热。
图15示出了一种可供选择的由横向部件49、51构成的整体式网状物48。对于交织网状物构造而言，还可考虑使这种整体构造与所有横截面的变形结合并象前面所讨论过的那样改变横截面，如果所述板由机械固定构件连接而不是硬焊，网状物可以由如已编织好的人造材料之类的聚合物材料制成。因此，例如可以使用尼龙。当然，如果需要的话，也可考虑用于这些网状物构造的任何构造，横向部件49、51不必相互垂直，而可以布置在相对于通常是矩形板式热交换器的长边方向的纵向的任何方位上。
在本发明的又一实施方式中，可以直接在板28、30上或两者的组合上或这些板内或它们的组合内形成所述热交换器板表面微小结构而不采用网状物插入件46，或者直接在板28、30上和这些板内或两者的组合形成微小结构。参考图11，图中所示的微小结构56形成在板表面如板30的至少一部分上，其尺寸在前面已讨论过的范围内且间隔开，以强化传热。虽然这些微小结构56可以在相邻微小结构56之间具有互连点58(图12)，如前所述，这些互连点58可以附加提供促进强化传热的位置，微小结构56可以具有任何几何特征或形状，例如，包括但不限于圆形、三角形、菱形等。可将这些互连点58看作至少局部上限定出敞开的几何形状。
可以任何方式在板28、30上形成微小结构56。例如，可以在锻模(pressdies)中形成期望的微小结构，这样在模压板28、30时就可形成微小结构。或者，将具有期望的微小结构56的轮子或其他成形装置在足够的力下放置成与板28、30滚动接触，以便在板28、30的表面中形成凹痕，致使其构成为能够使随后通过锻模的模压而获得本发明的期望的微小结构56。可进一步考虑在使用可将凹痕形成到薄铜片层上或者通过薄铜片层的成形装置之前，敷设薄铜片层，然后再压入板表面，因为形成微小结构56期间，柔软的薄铜片层可起润滑作用。也可考虑在硬焊式板式热交换器中，其材料层具有通过材料层的厚度形成的微小结构56，然后将材料层固定到垫层上，使材料层受到基本对应于微小结构56位置的可阻止熔化的铜流进微小结构56内的掩模(mask)的作用。可供选择的是，可用激光蚀刻、用带压粒子进行受控轰击、化学蚀刻，或本领域公知的任何其他装置或方法来获得微小结构56。也可以对板或原始板材进行热处理，这种热处理也可在板或原始板材表面中形成微小结构56。这种热处理也可以在所述热处理之前以敷设到板或原始板材上的覆盖层的形式形成微小结构56。这种热处理包括用合金或者甚至是替换材料和/或覆盖层如不锈钢之类的优选板材进行改性或替代而获得微小结构56。
还可以通过给板28、30添加材料的方法来形成微小结构56，例如通过借助于等离子体喷涂、粉末喷涂或蒸汽沉积形成的沉积物来实现。例如，将如氧化保护层之类的材料或者随后被氧化或者直接作为氧化物的金属以如粉末之类的适当形式放入液体或蒸汽溶液或悬浊液中，优选在热交换器10组装之后进行，然后提供一种化学溶液和适合的催化剂，如果需要的话，比如可加热和/或加压或者给板通电流使材料沉积到板28、30的表面上，从而形成微小结构56。此外，借助于使用掩模这些技术可以有选择的将材料沉积在期望的部位，之后将掩模去掉。所用材料不必是金属，只要这种表面微小结构56能提高增强的传热系数即可。换句话说，对于本说明书而言，术语“表面微小结构”不但可适用于如锻模之类的压入表面内的几何布置，而且还适用于能导致通过在板的表面上预先选择的位置沉积另外的材料以及将插入件插进板之间的流路而形成表面微小结构的加工过程。对于大多数流体和运行工况而言，尽管优选基本上按照可以促进强化传热的图案来布置微小结构56，但是也可以考虑按非图案或随机布置设置微小结构56。
本发明还可以提高混合板组合的传热率，在这种组合中，作为一个实例，用也称为人字形的30度角的V形凸纹(图5)与60度V形凸纹配对使用。这种结构可使传热系数更高，同时流体侧的压降较低。在常规的应用中，混合板和增强表面的结合可以降低生产成本，同时对于具有代表性的应用而言，可以具有期望的压力降。
再者，当热交换器制冷剂侧在部分或全部泛滥式蒸发模式(floodedevaporating mode)下运行时，这种低压降的特点和强化表面结合可以显著提高总的传热性能，使泛滥式模式的应用更切实可行而且性能更高。以往由于总传热系数的限制以及抑制蒸发温度的气体侧的压降，板式热交换器被限制为在制冷剂蒸发温度和离开的二次流体温度之间一般只能处于9到4的温度范围内。由于强化表面和混合板结合，可以接近4到小于1/2的温度范围。
在工业制冷系统中广泛应用如R717、氨之类的制冷剂，这种结合有强化表面微小结构的混合板令人非常满意，原因在于为了排出膨胀气体同时维持制冷剂和离开的二次流体温度之间的温度非常接近，较低的制冷剂侧压降是非常重要的。因此，在某些应用场合，对制冷系统设计者来说这种混合板组合和增强的表面具有很多优点。
值得重视的是，本发明的强化传热表面不限于应用于加热和制冷领域，也可以用于净化流体、二氧化碳系统、低温系统、和任何其他需要紧凑、高效、至少两种保持在分隔流路内的流体之间的热耦合的场合。
尽管上面已参考优选实施方式对本发明进行了描述，本领域技术人员可以理解，在不超出本发明的范围的前提下可以进行各种改变和可以用等同物来替换其中的部件。另外，在不背离本发明的基本构思的前提下，根据本发明的教导可以进行许多适应具体情况或材料的改型。因此，本发明不限于所公开的作为实现本发明的最佳模式的具体实施方式，本发明应包括落入所附权利要求书的保护范围内的所有实施方式。

Claims (40)

1.一种板式热交换器(10)，包括：
多块板(24)，每块板(24)具有反向的表面以及周边凸缘，用于向至少两种流体的每种流体提供至少一条流径，其中所述多块板(24)的一对相邻板的相向表面和周边凸缘为所述至少两种流体(17、21)的每种流体限定出流径，并且每对相邻板的至少一块板的反向表面为所述至少两种流体(17、21)的两种流体提供流径边界，所述至少一块板具有高导热率并且为所述至少两种流体的两种流体(17、21)提供一部分流径边界，借此使所述板(24)的反向表面上的所述两种流体之间热耦合；
用于所述至少两种流体(17、21)的每种流体的入口(16、20)和出口(18、22)，所述每种流体的入口(16、20)和出口(18、22)与所述流体的每一流径流体连通；
多个与至少一种流体的至少一条流径的至少一部分流体连通的表面微小结构(56)，所述多个表面微小结构(56)为所述至少两种流体(17、21)之间提供强化传热，所述至少一块板形成所述流径边界的一部分。
2.如权利要求1所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)具有几何特征。
3.如权利要求1所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)的至少一部分互连。
4.如权利要求1所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)与足够大的开口相对应，以避免截留润滑油。
5.如权利要求1所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)与从约0.002英寸到约0.050英寸的开口相对应。
6.如权利要求1所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)的至少一部分是凹痕状的表面微小结构(56)。
7.如权利要求1所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)的至少一部分是凸出状的表面微小结构(56)。
8.如权利要求7所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)的至少一部分由非金属制成。
9.如权利要求1所述的板式热交换器(10)，其中，至少一个具有所述多个表面微小结构(56)中的至少一部分的插入件(46)被设置成与至少一种流体的至少一条流径的至少一部分流体连通。
10.如权利要求9所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个表面微小结构(56)包括形成于其中的多个孔(52)，每一孔(52)对应于一位于所述多块板(24)的相邻板的相向表面之间的节点状接触点。
11.如权利要求10所述的板式热交换器(10)，其中，该板式热交换器(10)是硬焊构造，该构造包括将至少一块金属薄板(36)插入所述多块板(24)的相邻板之间，将该板式热交换器(10)加热到低于所述多块板(24)的相邻板的熔点而高于所述至少一块金属薄板(36)的熔化温度的预定温度时，所述至少一块金属薄板(36)被熔化并在所述多块板(24)的相邻板之间流动，以在所述多块板(24)的相邻板的相向表面之间形成硬焊成的节点状接触(42)，至少一个插入件(46)具有设于所述至少一个插入件(46)的表面上的覆层，以便基本上防止所述金属薄板(36)的被熔化金属流入所述至少一个插入件的所述多个微小结构(56)中。
12.如权利要求10所述的板式热交换器(10)，其中，所述覆层是氧化层。
13.如权利要求10所述的板式热交换器(10)，其中，所述覆层是从由氧化镍、氧化铬、氧化铝和氧化锆或它们的混合物组成的组中选取的氧化层。
14.如权利要求9所述的板式热交换器(10)，其中，所述至少一个插入件(46)和所述多块板(24)的所述一对相邻板之一的相向表面大体紧邻。
15.如权利要求9所述的板式热交换器(10)，其中，所述至少一个插入件(46)是插入板。
16.如权利要求9所述的板式热交换器(10)，其中，所述至少一个插入件(46)和所述多块板(24)的所述一对相邻板之一的相向表面之间由间隙隔开。
17.如权利要求16所述的板式热交换器(10)，其中，所述间隙是角形间隙。
18.如权利要求16所述的板式热交换器(10)，其中，所述间隙由多个设置于所述至少一个插入件(46)和所述多块板(24)的所述一对相邻板之一的相向表面之间的垫片(55)形成。
19.如权利要求9所述的板式热交换器(10)，其中，所述至少一个插入件(46)是网状物(48)。
20.如权利要求19所述的板式热交换器(10)，其中，所述网状物(48)由整体构造(50)构成。
21.如权利要求20所述的板式热交换器(10)，其中，所述网状物(48)的部件的横截面形状呈非圆形。
22.如权利要求19所述的板式热交换器(10)，其中，所述网状物(48)包括垫层(50)。
23.如权利要求22所述的板式热交换器(10)，其中，所述垫层(50)由金属制成。
24.如权利要求22所述的板式热交换器(10)，其中，所述垫层(50)延伸经过所述网状物(48)的相对边缘然后被折叠到该相对边缘上。
25.如权利要求19所述的板式热交换器(10)，其中，所述至少一个网状物(48)具有从约0.0001英寸到约0.050英寸的开口。
26.如权利要求19所述的板式热交换器(10)，其中，所述至少一个网状物具有从约0.002英寸到约0.050英寸的开口。
27.如权利要求19所述的板式热交换器(10)，其中，所述网状物由多个互相横搭交织部件构成。
28.如权利要求19所述的板式热交换器(10)，其中，所述网状物的部件的截面形状呈非圆形。
29.如权利要求19所述的板式热交换器(10)，其中，所述至少一个网状物包括多个叠置的网状物层。
30.如权利要求29所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个叠置的网状物层是约400目的第一层和约100目的第二层。
31.如权利要求29所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个叠置的网状物层是约400目的第一层和约400目的第二层。
32.如权利要求29所述的板式热交换器(10)，其中，所述多个叠置的网状物层是约400目的第一层，约100目的第二层和约100目的第三层。
33.一种为板式热交换器(10)提供强化传热表面的方法，该板式热交换器包括多块板(24)，每块板具有反向的表面和周边凸缘，用于向至少两种流体(17、21)的每种流体提供至少一条流径，其中所述多块板的一对相邻板(24)的相向表面和周边凸缘限定出用于所述至少两种流体(17、21)的每种流体的流径，并且该对相邻板的至少一块板的反向表面为所述至少两种流体(17、21)的两种流体提供流径边界，所述提供流径边界的至少一块板具有高导热率，借此使所述板的反向表面上的两种流体之间热耦合，用于所述至少两种流体(17、21)的每种流体的入口(16、20)和出口(18、22)，每种流体的所述入口(16、20)和出口(18、22)与所述流体的每一流径流体连通，该方法的步骤包括：
通过沉积作用在至少一块所述板的至少一个表面的至少一部分上形成多个表面微小结构(56)。
34.如权利要求33所述的方法，其中，所述沉积作用是通过等离子体喷涂、粉末喷涂或蒸汽沉积获得的。
35.如权利要求33所述的方法，其中，所述沉积作用在组装所述板式热交换器(10)之前获得。
36.如权利要求33所述的方法，其中，所述沉积作用继组装板式热交换器(10)之后获得。
37.如权利要求33所述的方法，其中，在所述至少一块板的一个表面的至少一部分上形成的所述多个表面微小结构(56)由金属构成。
38.如权利要求33所述的方法，其中，在所述至少一块板的一个表面的至少一部分上形成的所述多个表面微小结构(56)由非金属构成。
39.一种为板式热交换器(10)提供强化传热表面的方法，该板式热交换器包括多块板(24)，每块板具有反向的表面和周边凸缘，用于向至少两种流体(17、21)的每种流体提供至少一条流径，其中，所述多块板(24)的一对相邻板的相向表面和周边凸缘限定出用于所述至少两种流体(17、21)的每种流体的流径，并且该对相邻板的至少一块板的反向表面为所述至少两种流体(17、21)的两种流体提供流径边界，该至少一块为两种流体提供流径边界的板具有高导热率，借此使该板的反向表面上的所述两种流体之间热耦合，用于所述至少两种流体(17、21)的每种流体的入口(16、20)和出口(18、22)，每种流体的所述入口(16、20)和出口(18、22)与所述流体的每一流径流体连通，该方法的步骤包括：
在组装所述板式热交换器(10)之前，用成形装置形成多个呈凹痕状的表面微小结构(56)，该成形装置被设置成与至少一块板的至少一个表面的至少一部分接触。
40.一种为板式热交换器(10)提供强化传热表面的方法，该板式热交换器包括多块板(24)，每块板具有反向的表面和周边凸缘，用于向至少两种流体(17、21)的每种流体提供至少一条流径，其中所述多块板(24)的一对相邻板的相向表面和周边凸缘限定出用于所述至少两种流体(17、21)的每种流体的流径，并且所述一对相邻板的至少一块板的反向表面为所述至少两种流体(17、21)的两种流体提供流径边界，所述至少一块提供流径边界的板具有高导热率，由此使该板的所述反向表面上的两种流体之间热耦合，用于所述至少两种流体(17、21)的每种流体的入口(16、20)和出口(18、22)，每种流体的所述入口(16、20)和出口(18、22)与所述流体的每一流径流体连通，该方法的步骤包括：
在限定出流体流径的所述多块板的相邻板(24)的至少一对相向表面之间设置至少一个具有多个表面微小结构(56)的插入件(46)。
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