CS239024B1

CS239024B1 - Heat exchanger and method of its production

Info

Publication number: CS239024B1
Application number: CS836192A
Authority: CS
Inventors: Vaclav Landa; Frantisek Prusa; Jiri Lucek; Stanislav Jelinek; Vaclav Zeman; Zdenek Malek
Original assignee: Vaclav Landa; Frantisek Prusa; Jiri Lucek; Stanislav Jelinek; Vaclav Zeman; Zdenek Malek
Priority date: 1983-08-25
Filing date: 1983-08-25
Publication date: 1985-12-16
Also published as: CS619283A1

Abstract

Výměník tepla se zvýšenou účinností, zejména'pro kryochirurgické nástroje, sestává z monolitního dutého pláště a soustavy žeber z tepelně vodivého kovu, opatřeného v'dutině soustavou žeber z děrovaného, tepelně vodivého kovu nebo síťoviny z drátků s průběžným středovým otvorem. Dutý pláát s žebry je vytvořen ako monělitní tělo výměníku tepla, utý pláát výměníku a soustava žeber jsou vyrobeny se stejného, popřípadě z příbuzných kovů, například med - med, stříbro - měd, měd - slitina mědi a podobně. Způsob výroby výměníku je vyznačen tím, že se soustava žeber, případně dalších součástí, upevni na posuvný čep. Potom se na obvodě, případně i na čelní ploše, na nich katodicky vyloučí vrstva kovu tvořící dutý plást, případně 1 čelo výměníku.A heat exchanger with increased efficiency, especially for cryosurgical instruments, consists of a monolithic hollow shell and a system of fins made of thermally conductive metal, provided in the cavity with a system of fins made of perforated, thermally conductive metal or a wire mesh with a continuous central opening. The hollow shell with fins is formed as a monolithic body of the heat exchanger, the hollow shell of the exchanger and the system of fins are made of the same or related metals, for example copper - copper, silver - copper, copper - copper alloy and the like. The method of manufacturing the exchanger is characterized in that the system of fins, or other components, is fixed to a sliding pin. Then, on the periphery, or even on the front surface, a layer of metal forming a hollow shell, or 1 front of the exchanger, is cathodically deposited on them.

Description

Vynález se týká výměníku tepla, vhodného zejména pro kryokau»» tery, sestávajícího z pláště zhotoveného z tepelně vodivého kovu, opatřeného v dutině soustavou žeber z děrovanéhojtepelně vodivého kovu nebo síťoviny z drátkůjs průběžným středovým otvorem, a způsobu výroby tohoto výměníku.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a heat exchanger, particularly suitable for cryocatalysts, comprising a sheath made of thermally conductive metal, provided in the cavity with a system of ribs of perforated thermally conductive metal or wire mesh with a continuous central opening.

Výměníky tepla, zejména výměníky miniaturních rozměrů, jako například výměníky určené pro kryokautery, jsou dosud obvykle konstruovány tak, že do dutého pláště, zhotoveného z materiálu s dobrou tepelnou vodivostí, například z mědi nebo ze stříbra a podobně, jsou s vhodným přesahem nasunuta žebra s otvorem, která jsou plochá nebo válcového tvaru. Žebra mohou být též svinutá do spirálového smotku. Do průběžného středového otvoru, vzniklého seřazením žeber, je vsunuta trubička, jíž se vhání do výměníku tepelné médium, například, v případě kryokauteru, kapalný dusík. Odpařující se dusík v dutině čelní části výměníku, zaplněného děrovanými žebry, odnímá teplo jak ze stěn pláště výměníku, tak i ze žeber, která svými okraji se dotýkají vnitřního povrchu pláště nebo jsou k němu případně svými okraji připájena. Teplo je pak odváděno z pracovního čela výměníku do jeho pláště a přestupem tepla do dotýkajících se, popřípadě připájených žeber. Účinnost výměníku je zejména závislá na tepelné vodivosti použitého materiálu, jednak je silně ovlivněna kvalitou přestupu tepla z čela a z pláště výměníku do vložených, popřípadě připájených žeber. Proto se účinnost, resp. výkon jednotlivých výměníků stejného typu vzájemně značně liší v závislosti na výrobních tolerancích jednotlivých dílů, popřípadě na kvalitě připájení, kterou není možno nijak kontrolovat. V praxi bylo prokázáno, že výkon výměníku po opakovaném používání postupně klesá patrně v důsledku zhoršení styku žeber s pláštěm, tj. v důsledku zhoršení tepelného přestupu, což je zřejmě způsobeno namáháním materiálu tepelnými dilatacemi.Heat exchangers, in particular miniature heat exchangers, such as those for cryocutters, have so far generally been designed such that ribs with a suitable overlap are inserted into a hollow shell made of a material with good thermal conductivity, for example copper or silver and the like. apertures that are flat or cylindrical in shape. The ribs may also be rolled into a spiral coil. A tube is inserted into the through-center opening formed by the alignment of the fins, through which a heat medium, for example, in the case of a cryocauter, liquid nitrogen is introduced into the exchanger. The evaporating nitrogen in the cavity of the front part of the exchanger, filled with perforated fins, removes heat from both the walls of the exchanger casing and the fins that touch or braze the inner surface of the casing with its edges. Heat is then dissipated from the working face of the exchanger into its jacket and by heat transfer to the contacting or soldered fins. The efficiency of the exchanger depends mainly on the thermal conductivity of the material used, on the one hand it is strongly influenced by the quality of heat transfer from the front and from the shell of the exchanger to the inserted or soldered fins. Therefore, the efficiency, respectively. the performance of individual exchangers of the same type differs considerably from one another depending on the manufacturing tolerances of the individual parts or on the brazing quality which cannot be controlled in any way. In practice, it has been shown that the performance of the exchanger gradually decreases after repeated use, probably due to a deterioration of the contact of the fins with the jacket, i.e. a deterioration of the heat transfer, which is probably caused by stressing the material by thermal dilatations.

Uvedené nevýhody odstraňuje výměník tepla podle vynálezu, se2These disadvantages are overcome by the heat exchanger according to the invention, se2

239 024 stávající z monolitního dutého pláště zhotoveného z tepelně vodivého kovu. Plášl je ve své dutině opatřen soustavou žeber z děrovaného |tepelně vodivého kovu nebo sítoviny z drátků a je opatřen průběžným středovým otvorem.. Podstata vynálezu spočívá v tom, že dutý pláší se žebry je vytvořen jako monolitní tělo výměníku tepla. S výhodou je dutý plášl výměníku a soustava žeber vyroben ze stejného, popřípadě příbuzných kovů, například měň - měď, stříbro - měň, měď - slitina mědi a podobně. Podstata způsobu výroby výměníku tepla podle vynálezu spočívá v tom, že se soustava žeber, pří pádně dalších součást^ upevní na posuvný čep. Dále se na obvode, případně i na čelní ploše na nich katodicky vyloučí vrstva kovu tvořící dutý plášl, případně i čelo výměníku.239 024 existing from a monolithic hollow shell made of thermally conductive metal. The sheath is provided in its cavity with a set of fins of perforated thermally conductive metal or wire mesh and has a continuous central opening. The essence of the invention is that the hollow sheath with fins is designed as a monolithic heat exchanger body. Preferably, the hollow shell of the exchanger and the fin system are made of the same or related metals, for example, copper-copper, silver-copper, copper-copper alloy, and the like. The principle of the method of manufacture of the heat exchanger according to the invention consists in attaching the system of fins and possibly other components to the sliding pin. Furthermore, a metal layer forming a hollow shell or a heat exchanger face is cathodically deposited on the periphery or on the face thereof.

Výhody výměníku podle vynálezu se projevují zejména v tom, že katodicky nanesený kov na okrajích žeber je dokonale spojen s materiálem žeber bez jakýchkoliv stykových ploch nebo mezivrstev, například měď - měď, stříbro - měď, měď - bronz a podobně, a v důsledku toho je vedení tepla z pracovního čela do žeber a do, pláště i z pláště do žeber zcela bez přestupních odporů stejné, jako by byl celý výměník, tj. pláší, pracovní čelo i žebra, vyroben z jednoho kusu. Ke změnám vodivosti vlivem tepelných dilataoí nemůže dojít, a proto není důvod, aby se výkon výměníku měnil v průběhu opakovaného používání. Podstatnou výhodou tohoto výměníku je odstranění tolerančního rozptylu výkonu jednotlivých výměníků.The advantages of the exchanger according to the invention are manifested in particular in that the cathodically deposited metal at the edges of the fins is perfectly bonded to the fin material without any contact surfaces or interlayers, for example copper-copper, silver-copper, copper-bronze and the like. conducting heat from the working face to the fins and into, the shell and the fin shell completely without transfer resistances, as if the entire exchanger, i.e. the shell, the working face and the fins, were made in one piece. Conductivity changes due to thermal dilatations cannot occur and there is no reason to change the heat exchanger performance during repeated use. An essential advantage of this exchanger is the elimination of the tolerance variation of the power of individual heat exchangers.

Příkladné provedení výměníku podle vynálezu je schematicky zobrazeno na připojených výkreseeh, kde na obr. 1 je podélný řez výměníkem v průběhu jeho galvanoplastické výroby, a na obr. 2 je tělo výměníku v podélném řezu.An exemplary embodiment of an exchanger according to the invention is schematically shown in the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a longitudinal section of the exchanger during its galvanoplastic production, and Fig. 2 is a longitudinal section of the exchanger body.

Příklad 1Example 1

Výměník tepla (obr. 1) pro kryokauter se směrovaným výkonem do čelní plochy, jehož tělo £ sestává z monolitního dutého měděného pláště £ válcového tvaru, je v dutině pláště 2 opatřen soustavou žeber £, zhotovených z děrované měděné folie o tloušlce 0,15 mm₀ V soustavě žeber £ vytvořen průběžný středový otvor £, jímž prochází hezakreslené trubička £ pro přívod kapalného dusíku. Čelo 6 výměníku je zesíleno a tvoří přímo chlazený operační nástroj.The heat exchanger (Fig. 1) for a front-facing cryocutter, the body of which consists of a monolithic hollow copper sleeve 4 of cylindrical shape, is provided in the cavity of the sleeve 2 with a system of fins 5 made of perforated copper foil 0.15 mm thick ₀ In the system of ribs formed £ £ continuous central bore through which the tube hezakreslené £ for supplying liquid nitrogen. The exchanger face 6 is reinforced to form a directly cooled operating tool.

Tento výměník byl vyroben tak, že soustava žeber £, skládá3 jící se z válcového smotku a kotoučů se středovým otvorem £, vyro bených z děrované měděné fólie, byl nasunut na čep 8 z nerezavějí cí oceli a přitažen maticí 2 přes izolační vložku 10« Na obvodové i čelní plose soustavy žeber 2 byla katodicky vyloučena v kyselé měděné lázni vrstva 2 »©di, přičemž bylo vhodným stíněním docíleno toho, že vrstva 2 kovu na čele £ výměníku měla tlouštku cca 10 mm, zatímco tlouštka obvodové části takto vzniklého monolitního dutého pláště 2 byla pouze cca 2 mm. Poté byl z těla 2 výměníku vytažen čep 8 i s izolační vložkou 10 a s maticí Tělo 2 výměníku bylo vypráno v destilované vodě a kyselé zbytky byly neutralizovány výplachem roztoku kyanidu stříbrodraselného s přebytkem volného kyanidu, přičemž se současně na vnitřním povrchu pláš tě 2 i soustavy žeber 2 vyloučila tenká vrstva stříbra, která má výrazně antikorozní účinky, a to s výhodou způsobem podle čs. vynálezu chráněného čs. AO č. 122 698. Třískovým opracováním, násle· dujícím po vytažení Čepu 8, se dosáhlo předepsaného průměru dutého pláště 2 ^a tvaru kryochirurgického operačního nástroje, který tvoří nedílnou součást čela 2 výměníku. Do hotového těla 2 výměníku se do průběžného středového otvoru £ vsunula trubička 2 P^r° přívod kapalného dusíku.This heat exchanger was made by a system of fins 6 consisting of a cylindrical roll and center hole discs 6, made of perforated copper foil, slid onto a stainless steel bolt 8 and tightened by a nut 2 over an insulating insert 10 '. the circumferential and frontal surfaces of the fin system 2 were cathodically eliminated in the acidic copper bath by a layer 2, wherein a suitable shielding provided that the metal layer 2 on the exchanger face 6 had a thickness of about 10 mm, while the thickness of the peripheral portion of the monolithic hollow shell 2 was only about 2 mm. Then the pin 8 was removed from the exchanger body 2 with the insulating insert 10 and the nut Exchanger body 2 was washed in distilled water and acidic residues were neutralized by flushing the silver potassium cyanide solution with excess free cyanide. eliminated a thin layer of silver, which has markedly anticorrosive effects, preferably according to the method of the art. invention protected by MS. AO No. 122 698. The chip machining following the extraction of the pin 8 has resulted in the prescribed diameter of the hollow sheath 2 ^{and the} shape of the cryosurgical surgical instrument which forms an integral part of the exchanger face 2. In the finished heat exchanger body 2 is continuous to the central opening of tube 2 slipped £ ^r ° P supply of liquid nitrogen.

Příklad 2Example 2

Konstrukce výměníku tepla (obr· 2) pro kryokauter se směrovaným výkonem do čelní plochy o 0 8 mm. V čele 6 výměníku je umístěn spirálový svitek sítky tvořící soustavu žeber 2 ve tvaru válečku o průměru 7 mra s průběžným středovým otvorem 2» ^na jehož zadní plochu dosedá sloupec kruhových sítek. Jednotlivé, kruhové.Heat exchanger design (Fig. 2) for a cryocuter with a directed output to the front face of 0 8 mm. At the end of the exchanger 6 there is a spiral coil of a sieve forming a system of ribs 2 in the form of a cylinder with a diameter of 7 mra with a continuous central opening 2, ^on whose rear surface a column of circular sieves abuts. Individual, circular.

v sítky byly v průběhu galvanoplastické výroby pomocí nezakresleného čepu 8 a matice 2 přitaženy přes nezakreslenou izolační podložku 10. Na obvodovou část sítek i na čelní plochu svitku byla vyloučena stříbrná vrstva o tlouŠtce 1 mm, která pak byla mechanicky opracována do žádaného tvaru a rozměru. Katodicky vyloučená stříbrná vrstva vytvořila s obvodovou i čelní částí sítěk pevné kovové spojeníja tím byl zajištěn dokonalý tepelný tok ve směru ploch žeber 2·During the electroplating process, a pin 8 and a nut 2 were drawn through the insulating pad 10 not shown. A silver layer of 1 mm thickness was deposited on the peripheral part of the screens and on the face of the coil, which was then machined to the desired shape and dimension. The cathodically deposited silver layer formed a solid metal connection with the peripheral and the front of the meshes to ensure perfect heat flux in the direction of the fin surfaces.

Způsobem podle vynálezu lze s výhodou zhotovit například i přímo chlazené pracovní nástroje, operační koncovky pro kryokautery v miniaturních provedeních, jejichž konstrukce výměníku teplaBy the method according to the invention it is also advantageous to produce, for example, directly cooled working tools, operating terminals for cryocutters in miniature designs, whose heat exchanger design

- 4 239 024 je úplně shodná s již uvedenou konstrukcí. V případě přímo chlazených operačních koncovek je možno na čelní stěnu výměníku galvanoplasticky nanést i značné tloušťky materiálu, takže se žádaný tvar nástroje vypracuje třískovým obráběním naneseného kovu·4 239 024 is entirely identical to the aforementioned construction. In the case of directly cooled operating terminals, it is also possible to deposit considerable thicknesses of material on the end wall of the exchanger so that the desired tool shape is achieved by machining the deposited metal.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

239 024 '1. A heat exchanger, for example a cryocutter, consisting of a monolithic hollow sheath of thermally conductive metal, provided in the cavity with a system of ribs of perforated thermally conductive, metal or netting of wires with a central through hole, characterized in that the hollow sheath (2) with ribs (3) is designed as a monolithic body (1) of the heat exchanger ·

Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the hollow shell (2) of the exchanger and the system of fins (3) are made of the same or possibly related metals, for example copper-copper, silver-copper, copper-copper alloy and the like. .

Method for producing a heat exchanger according to Claims 1 and 2, characterized in that the system of fins or other components is fixed to the sliding pin, whereupon a metal layer forming a hollow sheath is cathodically deposited on the periphery or on the front surface thereof, or the exchanger face.