EA007134B1 - Теплообменник и способ и устройство для его изготовления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к элементарному теплообменнику, который содержит состоящий из одной детали удлиненный активный элемент (10), заключенный в корпус, снабженный впускным и выпускным каналами для охладителя. Корпус состоит из двух полуоболочек (11a, 11b), которые сварены вместе (98а, 98b и 114а, 114b) и прикреплены к активному элементу. Активный элемент (10) имеет поперечное сечение в виде спинного хребта рыбы (10а, 10b), ребра (12а, 12b) которого являются полыми, наклонными, рельефными и в основном симметричными. Этот активный элемент изготовлен из заготовки, состоящей из прочного материала (например, полимера) и имеющий форму двояковыпуклых гофров (33, 35, 37, 39) с жесткими стенками, которые напоминают меха аккордеона, причем эти гофры имеют срезанные вершины (36), узкие днища (38) и расстояние (16) между днищами.

Description

Настоящее изобретение относится к теплообменнику абсолютно нового типа, а также к способу и устройству для его изготовления.

Устройства для обмена теплотой между двумя текучими средами используются, если необходимо осуществить рекуперацию или рассеяние теплоты без смешивания текучей среды, которая ее передает, с текучей средой, которая ее отводит. В теплообменниках по меньшей мере одна из двух текучих сред ограничена в своем распространении, т.е. вся текучая среда циркулирует в ограниченном пространстве, в то время как вторая может быть ограничена всего лишь частично или не ограничена вообще. Это имеет место, например, в случае радиаторов центрального отопления с горячей водой, в зависимости от того, являются ли они частично скрытыми или нет. Это также имеет место в случае теплообменника теплового насоса, через который протекает холодный газ и который погружен в водоток. Если в своем распространении должны быть ограничены обе применяемые текучие среды, в частности, чтобы имелась возможность их регенерации или повторного использования, используемый теплообменник должен содержать одну или более активных внутренних частей, заключенных во внешнюю часть или корпус, при этом все они должны быть снабжены соединительными патрубками, а внешняя часть в основном должна иметь теплоизоляцию.

В зависимости от режима работы существует несколько типов теплообменников: противоточный, прямоточный и с перекрестным потоком. Преимуществом теплообменника, работающего в режиме противотока, является то, что он обеспечивает возможность передачи от горячей текучей среды к холодной практически всей разности температур, которая существует между ними. Прямоточный теплообменник обеспечивает достижение только промежуточной температуры между такими двумя текучими средами. Что касается теплообменника с перекрестным потоком, то его конструкция отличается от конструкции двух других теплообменников, и он менее эффективен по сравнению с противоточным вариантом, но, тем не менее, пригоден для определенных вариантов использования (например, в обычных радиаторах автомобилей).

Чтобы иметь максимальную эффективность, все теплообменники должны обладать следующими характеристиками: иметь (1) активные поверхности (т.е. непосредственно участвующие в теплообмене), которые имеют как можно большую площадь; (2) ширину каналов для обеих текучих сред, которая является небольшой, а также остается более или менее постоянной по всей протяженности активных поверхностей, в результате чего практически вся масса ограниченной в распространении текучей среды или сред участвует в теплообмене; и (3) существенную общую величину площади сечения каналов для ограниченной в распространении текучей среды или сред, которая пропорциональна той тепловой энергии, которая передается при теплообмене, чтобы снизить до минимума потери тепла.

В многочисленных вариантах промышленного применения активные стенки используемых противоточных теплообменников изготавливают из металла, являющегося хорошим проводником тепла и подходящего для применяемых текучих сред. Например, если одна из двух текучих сред является относительно коррозионно-активной (такая как морская вода), то требуется нержавеющая сталь определенного типа, которая является дорогостоящей. На рынке предлагается несколько моделей теплообменников из металла для двух ограниченных в распространении текучих сред, циркулирующих в режиме противотока. В большинстве случаев они образованы набором прямоугольных пластин большого размера, которые разделены друг от друга герметичными швами, и соединяющими камерами, которые обеспечивают контакт из поверхностей этих пластин с соответствующей текучей средой. Чтобы удовлетворять характеристикам всех видов теплообменников, устройство такого типа обязательно должно быть тяжелым и объемным во всех трех размерах. Чтобы уменьшить потери тепла, его оптимальная форма должна быть близка к форме куба. Эти два недостатка приводят к высокой стоимости изготовления теплообменника, которая возникает из-за того, что количество выполняемых операций пропорционально числу собираемых пластин. В случае теплообменника для коррозионно-активной текучей среды должна также учитываться относительно высокая цена используемого металла.

Также применяются противоточные теплообменники, изготовленные из пластика, что обусловлено стабильностью характеристик этого материала и позволяет им противостоять воздействию большинства коррозионно-активных текучих сред без повреждений. Это преимущество дополняется более низкими весом и стоимостью исходного материала. В общем и целом эти преимущества в значительной степени компенсируют недостаточный уровень удельной теплопроводности пластиков и то, что максимальная температура применяемых текучих сред должна в основном быть ниже 100 или 120^оС. До настоящего времени обычной практикой является применение пластика при изготовлении теплообменников, в которых две ограниченные в распространении текучие среды циркулируют в режиме противотока и в которых применяется множество относительно длинных трубок небольшого диаметра, установленных зигзагообразно в трубе большого диаметра. Текучие среды внутри и снаружи этих небольших трубок циркулируют в противоположных направлениях. Преимуществом этих трубок небольшого диаметра является то, что они оптимальным образом увеличивают активные поверхности теплообмена при заданном сечении большой трубы и снижают максимальную толщину слоя текучей среды, окружающего эти небольшие трубки, что улучшает теплообмен между внутренним и внешним пространством этих трубок. Но этот тип теплообменника обладает основным недостатком, обусловленным необходимостью устанавли

- 1 007134 вать соединительные патрубки на обоих концах каждой трубки с соблюдением герметичности и, кроме того, с соблюдением определенного порядка при установке трубок на всем их протяжении внутри большой трубы. Это связано с тем, что стенки внутренних трубок должны быть окружены слоем текучей среды, имеющим одинаковую уменьшенную толщину, чтобы теплообмен мог происходить в наиболее оптимальных условиях. Такая сборка является относительно дорогостоящей из-за того, что она содержит значительное количество тщательно проводимых операций монтажа и сварочных операций.

В некоторых устройствах, предназначенных для передачи тепла между ограниченной в распространении текучей среды и наружным воздухом, которые используются в холодильных и/или морозильных камерах, например, подобных описанным в заявке на Европейский патент № ЕР 1122505 А1, опубликованной 8 августа 2001 г., образующие элементарные теплообменники изготовлены из металла и представляют собой две прямоугольные пластины, которые являются гофрированными и/или снабжены выступами. Эти пластины содержат два соединительных кольца, размещенных на двух противоположных углах, и установленных симметрично друг другу с целью создания полых и плоских элементов, снабженных впускным и выпускным каналами, расположенными с диаметрально противоположных сторон. Соединение каждой пары пластин и колец друг с другом выполнено путем создания непрерывного сварного шва по их периметру, контактные зоны выступов или контактные линии гребней гофрировки соединяются точечной сваркой с определенным интервалом. Для снижения стоимости сборки нескольких элементарных теплообменников такого типа, являющихся полыми и плоскими, разработаны автоматические технологические процессы, в частности, подобные описанным в патенте США № 4860421 от 29 августа 1989 г.

Первым вариантом настоящего изобретения является способ изготовления элементарного теплообменника нового типа, характеристиками которого являются следующие: состоять из одной детали, т.е. без применения сборки и сварки, а также иметь высокую эффективность, ограниченные размеры, небольшой вес, низкую стоимость производства и в основном обладать устойчивостью к коррозионноактивным текучим средам.

Вторым вариантом настоящего изобретения является элементарный теплообменник такого типа, содержащий одну компактную активную часть.

Третий вариант настоящего изобретения относится к подобному элементарному теплообменнику, легко изготавливаемому с использованием станков и оборудования для автоматического производства, которые обычно применяются в промышленности.

Четвертым вариантом настоящего изобретения является заготовка такого элементарного теплообменника, которую при помощи простой операции можно преобразовать в активную часть этого теплообменника.

Пятым вариантом настоящего изобретения является конкретная форма, подходящая для изготовления подобной заготовки активной части такого элементарного теплообменника.

Согласно настоящему изобретению способ изготовления элементарного теплообменника, состоящего из одной детали, который имеет высокую эффективность, ограниченные размеры, небольшой вес, низкую стоимость производства и обладает устойчивостью к коррозионно-активным текучим средам, отличается тем, что включает следующие этапы:

- изготовление в форме при помощи выдувного формования или гидроформинга заготовки, выполненной из подходящего материала и образованной группой в целом двояковыпуклых гофров, глубоких относительно поперечного размера заготовки и напоминающих меха аккордеона, причем гофры содержат удлиненные центральные части, которые снабжены концевыми соединителями, боковинами, вершинами и днищами, имеющими такую форму, что боковины имеют значительно большую жесткость, чем жесткость днищ и вершин, при этом группа снабжена двумя соединительными патрубками, оси которых совпадают с осями складывания концевых соединителей;

приложение внутреннего разрежения и/или внешних сжимающих усилий к элементам, образующим эту заготовку, имеющую подходящие температуру, гибкость и упругость, параллельно оси складывания гофров, затем уменьшение и/или полностью устранение разрежения и/или сжимающих усилий, когда изготовленная таким образом сжатая деталь становится пакетом из пар полых пластин, сообщающихся между собой и в основном симметричных, которые имеют небольшие, более или менее постоянные внутренний зазор и интервал;

если необходимо, после охлаждения заключение изготовленной таким образом детали в элемент, который обеспечивает ее фиксацию, чтобы сохранить первоначальные значения расстояний между стенками пар пластин.

Согласно одному из существенных признаков этого способа форма, используемая для его осуществления, содержит расширяющиеся канавки с прямолинейными, узкими и параллельными вершинами и днищами, причем боковины этих канавок выполняют рельефными, и возвышения одной из боковин обращены к углублениям на другой.

Согласно двум дополнительным признакам этого способа срединные плоскости рельефных боковин формы образуют углы от 20 до 30° с плоскостью симметрии этих боковин, а концевые соединители боковин имеют профили с инвертируемыми поверхностями.

- 2 007134

Согласно настоящему изобретению состоящий из одной детали элементарный теплообменник, который имеет высокую эффективность, ограниченные размеры, небольшой вес, низкую стоимость производства и в основном обладает устойчивостью к коррозионно-активным текучим средам, отличается тем, что:

он состоит из одной активной детали, без применения сборки или сварки, образованной пакетом из пар удлиненных полых пластин, сообщающихся между собой и в целом симметричных;

- внутренние поверхности стенок каждой полой пластины, а также внешние поверхности стенок двух соседних полых пластин отделены друг от друга во всех точках небольшим, по существу постоянным промежутком;

эти пары полых пластин образуют элементарные каналы активной части, которые содержат центральные участки, два конца которых соединены друг с другом двумя полыми соединителями;

каждый элементарный канал активной части имеет две основные питающие линии, оси которых совпадают с осями складывания концевых соединителей;

один из концов каждого коллектора оканчивается в соединительной трубе активной части.

Согласно одному из существенных признаков этого элементарного теплообменника стенки пар полых пластин выполнены рельефными и в целом симметричными, при этом их срединные продольные плоскости перпендикулярны их плоскости симметрии.

Согласно другому существенному признаку этого элементарного теплообменника стенки пар полых пластин выполнены рельефными и в целом симметричными, при этом их срединные продольные плоскости вместе образуют двугранные углы от 120 до 160°, а их полые концевые соединители выполнены из инвертируемых поверхностей.

Благодаря таким принципам, с использованием известных технологий могут быть изготовлены различные типы элементарных теплообменников, которые удовлетворяют таким характеристикам. Для этого могут применяться технологии выдувного формования или гидроформинга. Выдувное формование представляет собой формование в горячем состоянии полимеров или стекла под действием высокого пневматического давления. Эта технология используется для изготовления емкостей, колб и бутылей всех типов, имеющих относительно сложную форму. Гидроформинг представляет собой вытяжку в холодном состоянии труб или металлических пластин под действием очень высокого гидравлического давления. Эта технология применяется в нескольких отраслях промышленности для изготовления полых деталей или элементов со сложной формой.

Специалисты в области выдувного формования знают по опыту, что емкости, изготовленные с использованием этой технологии, не могут иметь стенки постоянной толщины, поскольку эти емкости имеют относительно узкие и глубокие полые части. В случае настоящего изобретения при выполнении операции выдувного формования участки секции баночки (полой и вязкой формуемой стеклянной или полимерной массы на языке стеклодува) между внешними краями двух параллельных соседних вершин расширяющихся канавок формы, используемой при изготовлении заготовки с гофрами, ведут себя по разному в соответствии с их положением относительно этих вершин. На вершинах формы образованы днища гофров данной заготовки, и толщина этих днищ по существу равна толщине баночки. Вдоль боковин формы первоначально плоский участок баночки, расположенный между внутренними краями вершин формы увеличивается в размере, и по мере постепенного уменьшения по толщине прилегает к боковинам канавок формы. По окончании данной операции, если все было сделано должным образом, этот участок становится относительно тонким либо очень тонким, и прилегает к днищу канавки с образованием вершины заготовки, в противном случае эта вершина разрывается, и изготовленная заготовка становится непригодной. При соблюдении технологии производства толщина днищ гофров такой заготовки превышает среднюю толщину боковин этих гофров и в значительной степени превышает толщину их вершин. Соотношение между толщиной днищ и вершин гофров определяется соотношением между шириной секции баночки между двумя вершинами канавок формы и удвоенной глубиной этих канавок, либо от синуса половины двугранного угла, образованного срединными плоскостями боковин канавок. При значении этого половинного угла ниже минимального вершины гофров не могут быть полностью образованы. Оптимальная величина этого половинного угла находится в диапазоне от 20 до 30°, причем минимум продиктован минимальным углом, необходимым для нормального образования вершин выдуваемой детали, а максимум продиктован максимальным углом, допускаемым при инверсии поверхностей концевых соединителей этих гофров. Приведенные выше соображения применимы без существенных изменений к операциям гидроформинга в случае баночек из металла.

В первом варианте способа, соответствующего настоящему изобретению, используя полимер или металл, являющийся относительно гибким и упругим в холодном состоянии (например, полиэтилен или латунь), благодаря известным технологиям выдувного формования и гидроформинга, можно легко изготовить заготовку, соответствующую настоящему изобретению, которая содержит гофры с рельефными боковинами, срединные продольные плоскости которых образуют двугранные углы, имеющие слишком большую половинную величину, например 45°, что препятствует инверсии концевых соединителей этих гофров. Затем, так как вершины и днища гофров имеют значительно меньшую жесткость по сравнению с боковинами, можно легко (1) сжать эту заготовку в холодном состоянии для придания ей формы пакета

- 3 007134 из пар полых пластин, в основном симметричных и сообщающихся между собой, которые имеют небольшие и по существу постоянные внутренние зазоры и промежутки, срединные продольные плоскости которых перпендикулярны их плоскости симметрии; и (2) сохранить первоначальную форму этой заготовки, используя подходящий элемент, с одновременным обеспечением поддержания этой формы за счет фиксации.

Во втором варианте способа, соответствующего настоящему изобретению, при литье заготовки, имеющей форму, идентичную описанной выше и изготовленной из стекла или полимера, который является гибким в горячем состоянии и относительно жестким в холодном состоянии (например, полипропилен), с последующим выполнением соответствующего сжатия этой заготовки в горячем состоянии для придания ей требуемой формы и охлаждением изготовленной таким образом детали в подходящем шаблоне, приданная этой детали форма является устойчивой и окончательной. В результате полностью отпадает необходимость в каком-либо устройстве, способном обеспечить поддержание этой формы за счет фиксации.

В первом и втором вариантах, благодаря конкретным свойствам описанного способа, боковины гофров изготовленной заготовки являются рельефными. Благодаря этой рельефности (чередующейся последовательности углублений и возвышений, например, в форме крыши с четырьмя скатами) момент инерции стенок относительно их срединной плоскости чрезвычайно возрастает и, следовательно, жесткость боковин гофров становится очень высокой (>100) относительно жесткости их днищ, несмотря на то, что толщина днищ в случае выдувного формования значительно превышает среднюю толщину боковин. Соответственно, в этих двух случаях вершины и днища гофров работают как шарниры, которые являются относительно гибкими в первом случае и очень гибкими во втором. Действительно, отношение жесткости рельефных боковин к жесткости относительно толстых днищ гофров заготовки быстро возрастает в течение короткого времени после изъятия из формы, так как относительно тонкие боковины охлаждаются значительно быстрее относительно толстых днищ. В обоих случаях значительная жесткость рельефных стенок полых пластин предотвращает какую-либо последующую деформацию при их складывании.

В третьем варианте способа, соответствующего настоящему изобретению, срединные плоскости относительно глубоких рельефных боковин гофров образуют двугранные углы, величиной приблизительно 50°, а их концевые соединители представляют собой поверхности, которые могут быть инвертированы. В этих условиях остающийся материал заготовки второго варианта под действием внутреннего разряжения и/или внешних сжимающих усилий, прикладываемых к этой заготовке, выпуклые поверхности полугофров этой заготовки, подверженные такому воздействию, поворачиваются и становятся вогнутыми, оставаясь таковыми благодаря устойчивой инверсии областей концевых соединителей этих полугофров. Несмотря на силу, возникающую в результате такого отклонения от их первоначального положения при инверсии этих концевых соединителей, любой последующий изгиб срединных продольных плоскостей этих особенно жестких рельефных пластин становится невозможным.

Необходимо отметить, что в третьем варианте способа, соответствующего настоящему изобретению, инверсия гофров заготовки в действительности затрагивает только концевые соединители этих гофров, так как их центральные части подвергаются всего лишь простому сгибанию, при этом инверсия концевых соединителей обеспечивает сохранение и устойчивость этих сгибов. Такая инверсия является устойчивой, благодаря тому, что концевые соединители центральных частей гофров являются инвертируемыми поверхностями, например, усеченный полуконус. Эти поверхности обладают подобным свойством благодаря тому, что глубина гофров и их концевых соединителей достаточно велика по сравнению с поперечным размером заготовки. Такая геометрия является необходимой и представляет собой второй обязательный признак инвертируемой поверхности, при этом первым свойством в случае усеченного конуса является то, что половинный угол при вершине должен быть меньше приблизительно 60°. Известно, что инверсия инвертируемой поверхности включает период кратковременной потери устойчивости между двумя устойчивыми состояниями этой поверхности. Такая промежуточная потеря устойчивости может иметь место только в случае, когда боковины гофров складываются одновременно, расходятся не слишком далеко друг от друга и являются относительно глубокими по сравнению с поперечным размером заготовки, учитывая толщину их стенок и модуль Юнга используемого материала. В качестве примера, глубина гофров, учитывая упомянутые два параметра, может меняться в диапазоне 95-50% от радиуса усеченных концевых соединителей. И, наконец, необходимо отметить, что в случае аккордеона этот относительный размер гофров в основном составляет только от 10 до 15%, что в результате позволяет складывать и растягивать их концевые соединители без усилия, при отсутствии какого-либо феномена бистабильности.

Согласно настоящему изобретению, устройство обмена теплом между двумя ограниченными в распространении текучими средами, в корпусе которого содержится один или более элементарных теплообменников, отличается тем, что:

- корпус образован двумя полуоболочками, которые полностью окружают герметичным образом один или более элементарных теплообменников, в общем, в соответствии с их внешней формой, создавая с ними узкие зазоры и обеспечивая их контакт по внешним центральным линиям двух полых концевых

- 4 007134 пластин;

- каждая из полуоболочек охватывает продольную половину элементарного теплообменника или узла, образованного несколькими теплообменниками, и содержит на каждом конце один или более соединительных полупатрубков, а на дне - одно или более фиксирующих отверстий;

- края полуоболочек и полупатрубков герметично скреплены друг с другом, кроме того, край или края одного или более таких отверстий скреплены с одним из двух соединительных патрубков теплообменника или каждого из теплообменников.

Согласно настоящему изобретению форма для изготовления заготовки активной части элементарного теплообменника, которая описана выше:

- содержит две металлических полуформы, представляющие собой плиты, имеющие форму параллелепипедов, и симметричных относительно плоскости разъема;

- в каждой из плит выполнены относительно длинные расширяющиеся канавки с узкими и параллельными прямолинейными вершинами и днищами, при этом две боковины канавок являются рельефными, а углубления и возвышения одной из боковин обращены к возвышениям и углублениям другой боковины;

- вершины выступов, разделяющих упомянутые канавки, параллельны линии разъема и относительно этой плоскости образуют зазор, превышающий их ширину;

- углы между плоскостью симметрии канавок и срединными продольными плоскостями рельефных боковин каждой из этих канавок больше минимального угла, определяемого условиями правильного формования заготовки, и предпочтительно меньше максимального угла инверсии концевых соединителей заготовки, причем угол зависит от прочности на разрыв используемого материала;

- концы боковин и днищ канавок объединяются на концах с образованием двух симметричных поверхностей, имеющих, если требуется, инвертируемый профиль, такой как усеченный полуконус, которые заканчиваются в плоскости разъема формы, при этом обе оси складывания этих двух симметричных поверхностей размещены в плоскости разъема;

- эти две оси складывания являются осями будущих питающих коллекторов элементарных каналов активной части, при этом в каждом из выступов, разделяющих две соседние канавки, выполнены соосные цилиндрические выемки, ограничивающие эти коллекторы;

- на одном из концов каждой из осей выполнена полуцилиндрическая полость, предназначенная для создания при формовании половины одного из двух соединительных патрубков элементарного теплообменника; и

- одна из полуцилиндрических полостей открыта наружу.

Способ изготовления путем выдувного формования стеклянной или полимерной заготовки активной части элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, и описанного выше, содержит следующие этапы:

- изготовление при помощи экструдера из выбранного материала относительно плоской полой баночки;

- введение баночки между двумя полуформами, образующими описанную выше форму;

- закрытие полуформ формы, одновременно герметизируя верхний и нижний концы баночки на месте при помощи сварки;

- введение форсунки в открытую полость формы и прокалывание ею баночки;

- приложение в течение короткого времени внутри баночки высокого пневматического давления, чтобы изготовить при помощи термофиксации в результате выдувного формования заготовку активной части, которая повторяет канавки формы в виде двояковыпуклых мехов аккордеона; и

- извлечение форсунки, открытие формы и удаление заготовки.

Способ изготовления путем гидроформинга металлической заготовки активной части элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению и описанного выше, содержит следующие этапы:

- введение плоской металлической трубки подходящей длины между двумя полуформами, образующими форму, которая имеет высокую механическую прочность и относится к описанному выше типу, затем закрытие их полуформ, одновременно герметизируя концы трубки на месте;

- введение форсунки в открытую полость формы, создавая плотный контакт с трубкой;

- приложение в течение короткого времени внутри трубки высокого пневматического давления, подходящего для распределения металла по стенкам формы, чтобы изготовить в холодном состоянии тонкостенную заготовку активной части, которая повторяет канавки формы в виде двояковыпуклых мехов аккордеона; и

- извлечение форсунки, открытие формы и удаление заготовки.

Благодаря такому технологическому процессу, полностью достигаются задачи настоящего изобретения, а именно, изготавливаются теплообменники, подходящие для работы в режиме противотока, а также соответствующие трем признакам и характеристикам, упомянутым выше. Особенно необходимо отметить, что состоящие из одной детали теплообменники, которые соответствуют настоящему изобретению, имеют

- 5 007134 ограниченную стоимость производства, обусловленную, главным образом, полным отсутствием операций сборки и сварки, относящихся к изготовлению активной части. Такое отсутствие сварных соединений является признаком, который имеет особое значение в тех отраслях промышленности, где существует вибрация.

Эффективность теплообменников, соответствующих настоящему изобретению, зависит от удельной теплопроводности и, следовательно, от толщины стенок их активной части. Эта толщина, с одной стороны, зависит от толщины баночки или металлической трубки, а с другой стороны, зависит от соотношения их периметров и периметра поперечного сечения заготовки. Одна и та же форма позволяет изготавливать заготовки, толщина стенок которых может в общем случае различаться вдвое.

Используя настоящее изобретение, легко получить большую поверхность теплообмена, необходимую для любого теплообменника, так как активная часть может содержать несколько полых пластин (например, до 30), и эти пластины могут быть относительно длинными (например, от 50 до 150 см). Это компенсирует относительно ограниченную индивидуальную ширину каждой из этих пластин, если средняя толщина их стенок является небольшой. Действительно, любой заметный перепад давления, воздействующий на тонкие стенки полых пластин, вызывает в той или иной степени их деформацию в соответствии с их шириной, и таким образом, вызывает одновременно как уменьшение промежутков между ними, так и увеличение их внутренней толщины, либо наоборот. Одна или другая из таких деформаций может привести к ухудшению осуществляемого теплообмена. Однако эти деформации являются очень небольшими в случае полых пластин с рельефными стенками. Значительная жесткость рельефных тонких стенок позволяет изготавливать пластины шириной до 125 мм.

Когда при изготовлении активной части теплообменника используется стекло, отрицательный эффект такого перепада давления может быть достаточно легко компенсирован, если выбрать ширину полых пластин, которая превышает указанную выше, одновременно увеличив толщину рельефных стенок этих пластин. Так как удельная теплопроводность стекла вдвое превышает удельную теплопроводность воды, упомянутое двойное увеличение легко осуществить в различных вариантах применения. Необходимо отметить, что сопротивление относительному избыточному давлению активной части теплообменника, который снабжен корпусом, является достаточно высоким (2-3 бара для стенок активной части толщиной 0,5 мм). С другой стороны любое давление внутри корпуса, существенно превышающее (например, более чем на 100 миллибар) давление внутри активной части, может привести к разрушению активной части. Поэтому данный конкретный вариант использования теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, должен быть запрещен.

Небольшая ширина соответствующих каналов для текучих сред в теплообменнике определяется величиной внутреннего зазора в полых пластинах и величиной промежутка между ними, при этом эти две величины являются по существу равными, если обе используемые текучие среды одной природы. С другой стороны, если одна представляет собой газ, а другая - жидкость, для оптимального определения толщины создаваемых каналов должны учитываться их удельные массовые расходы и соответствующие теплоемкости.

Общая площадь сечения каналов для заключенной в теплообменнике текучей среды является произведением площади сечения каждого элементарного канала, образованного каждой парой полых пластин активной части, на число этих пластин. Площадь сечения элементарного канала ограничивается по причинам, указанным выше, но число полых пластин может быть относительно большим. Более того, если должен происходить обмен большим количеством тепловой энергии, можно легко собрать узел из нескольких параллельных теплообменников, снабженных или не снабженных корпусами, либо, кроме того, установить несколько элементарных теплообменников параллельно в одном корпусе.

Что касается небольших габаритов теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, это обусловлено тем, что, несмотря на возможную значительную длину, два размера поперечного сечения его корпуса являются относительно небольшими и близкими друг другу, так как он содержит только одну активную часть.

Что касается низкого веса теплообменника, это обусловлено тем, что применяемый полимер (например, полипропилен) имеет относительно низкую плотность, и стенки активной части и ее корпуса, которые вместе образуют данное устройство, имеют ограниченную толщину. В случае активных частей, изготовленных из металла (например, нержавеющей стали или титана), толщина стенок может оставаться небольшой, благодаря значительной механической прочности металла, что компенсирует более высокую плотность и позволяет устройству сохранять низкий вес. Такое свойство будет слабее проявляться в случае стекла.

Здесь необходимо отметить, что хорошая стойкость по отношению к коррозионно-активным текучим средам является неотъемлемым свойством большинства полимеров, которые могут быть использованы при изготовлении деталей, содержащих теплообменник, соответствующий настоящему изобретению.

Разумеется, это же справедливо для стекла и специальных металлов, применяемых для этой цели.

Что касается низкой стоимости производства данного устройства, это обусловлено следующим: (1) в случае теплообменника для двух ограниченных в распространении текучих сред, который содержит

- 6 007134 только одну активную часть из единой детали, этот теплообменник состоит не больше, чем из трех деталей, которые легко изготовить и собрать; (2) небольшим числом автоматических операций, выполняемых с этой целью; и (3) амортизацией в основном высокой цены форм с распределением на очень большое число единиц продукции. Что касается автоматизированного оборудования, предназначенного для выполнения процессов производства, необходимо отметить, что оно представляет собой обычно используемое на предприятиях, производящих емкости любой формы из пластика, стекла или металла, и что необходимые модификацию и модернизацию этого оборудования в соответствии с настоящим изобретением может осуществить любой специалист в данной области техники.

Необходимо отметить, что наиболее общим случаем при изготовлении элементарных теплообменников, соответствующих настоящему изобретению, будет использование подходящего полимера и, в частности, полипропилена, ЛБ8 (асгу1оийтйе ЬШаФепс Чугспс - сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола) или поликарбоната. Из этих полимеров можно изготавливать радиаторы отопления и, более конкретно, системы кондиционирования в автомобилях, которые будут содержать элементарный теплообменник и его корпус. В этих радиаторах внутри активной части будет циркулировать охлаждающая двигатель вода или жидкий охладитель, а в режиме противотока вокруг этой активной части - принудительно создаваемый поток воздуха. Другим примером, сравнимым с описанным выше, является вариант конденсационных теплообменников, используемых в стиральных и сушильных машинах. Следующим конкретным примером являются радиаторы центрального отопления с использованием горячей воды, в которых в основном будет применяться несколько открытых (без корпуса) элементарных теплообменников, установленных параллельно. Эти же полимеры могут использоваться в теплообменниках тепловых насосов, установленных в водотоке. Элементарные теплообменники, изготовленные из стекла, смогут удовлетворить требования многочисленных химических лабораторий. Что касается теплообменников, изготовленных из подходящего металла, то они будут удовлетворять потребности определенных высокотехнологичных отраслей, в которых происходит обработка коррозионно-активных текучих сред при высокой температуре. Необходимо отметить, что теплообменники небольшого размера будут соответствовать потребностям изготовителей электронной аппаратуры, желающих иметь более эффективные средства для охлаждения определенных элементов в своих устройствах и, в частности, микропроцессоров и мощных транзисторов.

Особенности и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных в качестве примеров, не являющихся ограничивающими, которые проиллюстрированы с использованием чертежей, на которых:

- на фиг. 1 изображены справа на виде А1 продольное сечение (упрощенное) по плоскости 17, показанной ниже на фиг. 2 и 3, элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению; в центре упрощенное продольное сечение В1 заготовки для этого теплообменника; и слева вид спереди С1 этой заготовки или этого теплообменника, при этом на упрощенных изображениях А1 и В1 рельеф не показан;

- на фиг. 2 изображены поперечные сечения А2, В2 и С2 двух элементарных теплообменников, соответствующих настоящему изобретению, которые выполнены по плоскости СС, в которой проходит срединная линия между углублением и возвышением на рельефных стенках теплообменника, показанного на С1;

- на фиг. 3 изображены смещенные поперечные полусечения А3, В3 и С3 двух элементарных теплообменников, соответствующих настоящему изобретению, выполненные по смещенным друг относительно друга плоскостям АА' и ВВ', соответственно пересекающим углубления и возвышения на рельефных стенках теплообменника, показанного на С1;

на фиг. 4 изображен упрощенный общий вид плиты, образующей полуформу для изготовления заготовки активной части элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

- на фиг. 5 изображены упрощенные общие виды половин двух полуоболочек корпуса элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

- на фиг. 6 изображен вид спереди рельефной стенки полой пластины теплообменника, состоящего из одной детали, либо одной из рельефных боковин соответствующей формы; и

- на фиг. 7 изображено сечение двух соседних полых пластин с рельефными стенками такого теплообменника.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны два варианта элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению. В одном из этих вариантов срединные продольные плоскости пар удлиненных полых пластин такого теплообменника вместе образуют двугранные углы величиной 150° (сечения А2 и А3), а в другом варианте эти плоскости перпендикулярны плоскости симметрии пар пластин (сечения В2 и В3). В первом случае теплообменник был изготовлен путем сжатия и инверсии гофров и концевых соединителей заготовки, имеющей форму аккордеона, а во втором случае - путем симметричного сжатия гофров и концевых соединителей.

На виде С1 показан рельеф крайних стенок элементарного теплообменника или заготовки такого теплообменника. Этот рельеф образован чередующейся последовательностью углублений 120 и возвышений 122, имеющих форму крыши с четырьмя скатами (подробно описана применительно к фиг. 6).

- 7 007134

Для описания геометрии этого рельефа использованы три смещенных друг относительно друга поперечных секущих плоскости: полуплоскости АА' и ВВ', проходящие соответственно через возвышение 122 и углубление 120 стенки пластины, и плоскость СС' вдоль линии, разделяющей углубления и возвышения стенок пары пластин.

Показанное на фиг. 2 поперечное сечение А2 представляет собой сечение 10 вдоль плоскости СС' активной части теплообменника, имеющего небольшие размеры, а также сечения 11а, 11Ь двух полуоболочек корпуса. Сечение 10 активной части имеет форму спинного хребта рыбы, имеющего семь пар полых ребер 12а, 12Ь, которые наклонны и параллельны друг другу. Внутренняя полость 14 каждого из ребер 12а, 12Ь узкая (например, 2 мм), и два в целом симметричных ребра каждой пары сообщаются друг с другом посредством общего канала 16, имеющего по существу ту же ширину, что и внутренний зазор полости 14. Стенки этих ребер 12а, 12Ь изготовлены из полимера, обладающего хорошей механической устойчивостью, по меньшей мере, вплоть до 100° (например, полипропилен), и имеют среднюю толщину 0,5 мм и ширину 25 мм. Интервал 18 между двумя соседними ребрами почти равен внутреннему зазору полости 14. Расстояние между внешними стенками 13, 15 двух крайних ребер, показанных на сечении 10, составляет 35 мм.

На упрощенном продольном сечении А1 (рельеф не показан) активной части 20, сделанном по смещенной плоскости 17, изображенной на сечении А2, показаны семь элементарных каналов, образованных семью парами в целом симметричных удлиненных полых ребер 22, соответствующих ребрам 12а, 12Ь на поперечном сечении А2. Эти в целом симметричные удлиненные ребра совместно используют общий центральный канал 16, который проходит по всей плоскости симметрии теплообменника. Удлиненные ребра 22 содержат прямолинейные центральные части 23, концы которых соединены друг с другом усеченными полуконусами 24 и 26, имеющими полые стенки. Вершины этих двух рядов усеченных полуконусов лежат на двух осях 25 и 27, которые одновременно параллельны друг другу, перпендикулярны внешним краям полых пластин 22 и лежат в продольной плоскости симметрии этих пластин. Эти оси 25, 27 являются осями двух основных питающих коллекторов каждого из элементарных каналов, образованных каждой парой полых пластин 22. Эти основные коллекторы выходят в два соединительных патрубка 28, 30 активной части 20, которые обращены в противоположных направлениях и снабжены монтажными буртиками 29, 31 (см. сечения А1 и С1). Расстояние между осями патрубков 28, 30 может быть значительным (до 150 см), но на практике зависит от характеристик оборудования для изготовления заготовок активных частей элементарных теплообменников.

Поперечное сечение В2 сделано по плоскости СС' активной части теплообменника, у которого срединные продольные плоскости рельефных полых ребер перпендикулярны общей плоскости симметрии этих ребер. Для сечения В2 использованы те же ссылочные номера, что и для сечения А2. Единственным различием между полыми ребрами 12а, 12Ь на этих двух чертежах является положение их срединных плоскостей относительно их общей плоскости симметрии.

Продольное сечение В1 заготовки 32 в упрощенном виде (рельеф не показан) активной части 20 и ее поперечное сечение С2 по плоскости СС показывают, что эта заготовка 32 имеет форму пакета в целом двояковыпуклых гофров 34, боковины которых 33а, 33Ь и 35а, 35Ь напоминают боковины мехов аккордеона. На сечениях В1 и С2 для удобства показано только четыре гофра. В сечении С2 противоположные вершины 36а и 36Ь каждого гофра являются одновременно срезанными, тонкими (например, 0,3 мм) и широкими (например, 2 мм), при этом в случае выбранного примера расстояние между вершинами составляет приблизительно 50 мм. Днища 38а, 38Ь этих гофров плоские и имеют ту же ширину (2 мм), но значительно большую толщину (например, 1,2 мм). В случае выбранного в качестве примера теплообменника с небольшими размерами основание каждого гофра 34 имеет ширину приблизительно 17 мм и расположено на глубине 25 мм. Эти размеры обеспечивают хорошее проникновение части используемой баночки до днища канавок формы, применяемой при изготовлении данной заготовки. В этих условиях угол при вершине, образованный срединными плоскостями боковин 33а, 33Ь и 35а, 35Ь составляет приблизительно 50°, или 25° - для половинного угла между срединными плоскостями и поперечной плоскостью симметрии этих боковин, и 10° или 40° для половинных углов плоских участков углублений и возвышений выполненного рельефа. Последние половинные углы превышают минимальный угол зазора любой отформованной части.

На реальном виде спереди С1 и упрощенном продольном сечении В1 концевые части 40 и 42 каждого гофра 34 заготовки 32 имеют форму областей полуконуса. Центры этих областей лежат на осях 25, 27 заготовок будущих основных питающих линий 44, 46, которые имеют, например, диаметр 16 мм и оканчиваются соединительными патрубками 28 и 30, показанными на чертежах А1 и С1. Продольным размером гофров 34 является размер ребер 22, показанных на сечении А1. Выпуклые стыки боковин 37а, 37Ь и 39а, 39Ь двух внешних полугофров заготовки 32 содержат продольные выступы 41 и 43, служащие опорами для центров выпуклых и вогнутых стенок корпуса активной части 20 (см. на чертеже А2 поперечное сечение 11а, 11Ь этого корпуса). Расстояние между опорными выступами 41, 43 составляет, например, 130 мм для упомянутой выше заготовки 32 с семью гофрами.

На фиг. 3 показаны поперечные сечения А3 и В3 двух описанных ранее элементарных теплообменников, сделанные по смещенным друг относительно друга полуплоскостям АА' и ВВ', показанным на

- 8 007134 виде спереди С1, которые пересекают соответственно углубления и возвышения на рельефных стенках пластин теплообменников. Аналогичным образом два поперечных полусечения, показанные на чертеже С3, представляют собой сечения заготовки с рельефными стенками, сделанные по тем же самым полуплоскостям. Ссылочные номера, используемые для сечений, показанных на фиг. 2 и 3, являются идентичными. Стенки пластин теплообменника и стенки гофров заготовки, изображенные на сечениях А3, В3 и С3 (секущие плоскости АА' и ВВ'), отличаются от стенок, изображенных на А2, В2 и С2 тем, что на последних сечениях (секущая плоскость СС') стенки выглядят прямолинейными, в то время как стенки ребер 12а и стенки 33а и 39а гофров 34, показанных на фиг. 3, являются вогнутыми, а стенки ребер 12Ь и стенки 33Ь и 39Ь упомянутых гофров 34 являются выпуклыми.

На фиг. 4 показан упрощенный общий вид (рельеф не показан) одной из полуформ 52, представляющей собой толстую плиту 54, выполненную в форме параллелепипеда формы 50 для изготовления заготовки 32. В случае заготовки, изготавливаемой из полимера или стекла, плита 54 может быть изготовлена из алюминия, а в случае, когда эта заготовка должна быть изготовлена из металла, эта плита может быть изготовлена из стали с высокой механической прочностью. Верхняя поверхность 56 плиты 54, которая образует плоскость разъема формы, содержит относительно большое число соседних удлиненных расширяющихся канавок 62. Эти канавки 62 содержат в целом прямолинейную центральную часть 64, поперечное сечение которой в среднем имеет форму равнобедренной трапеции. Прямолинейное днище 66 каждой канавки 62 является узким и соответствует малому основанию трапеции. Боковины 68а, 68Ь этих канавок 62 идентичны боковинам 33а, 35а заготовки 32. Прямолинейные вершины 70 выступов, разделяющих эти канавки 62, имеют ширину, равную ширине днищ 38а, 38Ь гофров 34, показанных на фиг. 2 (вид С2). Что касается днищ 66 канавок 62, то их ширина определяется как внутренний зазор ребер плюс двойная толщина их стенок, т.е. 3 мм в случае изображенного примера. Симметричные участки 67а, 67Ь и 69а, 69Ь усеченных конусов (участки более одной четверти такого конуса) образуют продолжения наклонных боковин 68а, 68Ь расширяющихся канавок 62, которые объединяются и оканчиваются в плоскости 56 разъема формы. Концы узких прямолинейных днищ 66 канавок 62 проходят в поверхности 65а, 65Ь в форме четверти цилиндра, которые оканчиваются в плоскости 56 разъема. Участки, которые выполнены в выступах, разделяющих канавки 62 на границе областей 67а, 67Ь и 69а, 69Ь усеченных конусов и которые образуют части 72 и 74 поверхности цилиндра диаметром, например 16 мм, образуют участки формы, которые будут определять границы заготовки в зоне основных питающих линий 44 и 46, показанных на виде В1 фиг. 1. Оси этих частей 72, 74 цилиндрических поверхностей совпадают с осями 25, 27 двух полуполостей 76 и 78, имеющих диаметр, например, 12 мм и снабженных полупоясками 77, 79. Эти полуполости 76 и 78 представляют собой углубления, начинающиеся у верхней поверхности плиты 54, и образуют соединительные патрубки 28, 30 заготовки 32 и их буртики 29, 31. Эти оси 25, 27 параллельны друг другу, перпендикулярны вершинам 70 выступов, разделяющих канавки 62 и лежат в плоскости 56 разъема формы. Полуполость 76 открыта в пространство, окружающее форму. На фиг. 5 показаны упрощенные частичные общие виды А5 и В5 (рельеф не показан) двух полуоболочек 80 и 82, которые после сборки и сварки образуют корпус 81 элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению. Эти две полуоболочки были изготовлены с использованием технологий, обычных в данной отрасли промышленности (выдувное формование из полимерного листа или вытяжка металлической фольги). В каждую из этих полуоболочек 80, 82 должна быть заключена продольная половина активной части 20 элементарного теплообменника, и каждая из этих полуоболочек служит для образования половинок 94 и 110 соединительных патрубков корпуса 81. На частичном виде А5 полуоболочки 80 показана выпуклая внешняя стенка 84, по всему периметру которой проходит узкая непрерывная плоская поверхность 85 и в середине которой находится продольный выступ 86 той же ширины, что и поверхность. Плоская поверхность и выступ подходят для образования небольшого зазора (например, 1 мм) относительно общего контура активной области 20, за исключением выступов 41, 43, служащих опорой этой активной части. На краю полуоболочки 80 отчетливо видна поверхность 88, повторяющая форму области 40 усеченного конуса (см. вид С1 на фиг. 1), служащей для соединения двух прямолинейных элементов пары внешних выпуклых удлиненных ребер 13 (см. вид А2 на фиг. 2). В центре поверхности 88 выполнено круглое отверстие 90, фланец 92 которого предназначен для стыковки и приварки к буртику 29 соединительного патрубка 28 активной части 20. На конце полуоболочки 80 имеется выступающая часть соединительного полупатрубка 94 корпуса 81 активной части 20. Чем больше число пар продолговатых ребер 22, тем выше боковины 96а, 96Ь полуоболочки 80. По внешнему краю полуоболочки 80 (внешнему краю боковин 96а, 96Ь и полупатрубка 94) проходят две полки 98а, 98Ь. Эти полки также видны на виде А2 фиг. 2.

На частичном виде В5 полуоболочки 82 показана вогнутая внешняя стенка 100, по всему периметру которой проходит узкая непрерывная плоская поверхность 102 и в середине которой находится продольное углубление 104 той же ширины, что и поверхность. Плоская поверхность и выступ подходят для образования небольшого зазора, аналогичного указанному выше. На краю полуоболочки 82 видна утопленная поверхность 106, повторяющая форму части 42 усеченного конуса, служащей для соединения двух прямолинейных элементов пары внешних вогнутых удлиненных ребер 15 (вид А2). В центре поверхности 106 имеется диск 108, расположенный напротив отверстия 90 в полуоболочке 80. На конце

- 9 007134 полуоболочки 82 имеется соединительный полупатрубок 110 корпуса 81 активной части 20. Боковины 112а, 112Ь полуоболочки 82 имеют ту же высоту, что и боковины 96а, 96Ь полуоболочки 80. По внешнему краю полуоболочки 82 проходят две полки 114а, 114Ь. Эти полки 114а, 114Ь предназначены для приварки к полкам 98а, 98Ь полуоболочки 80.

На фиг. 6 показано увеличенное изображение двух видов: (1) вида спереди продольной половины рельефной стенки полой удлиненной пластины 22 реального элементарного теплообменника; и (2) аналогичного вида спереди рельефной боковины канавок 62 реальной полуформы, которая может быть использована для изготовления заготовок такого теплообменника. В обоих случаях рельефные стенки заготовки либо канавок полуформы, используемой для ее изготовления, содержат чередующуюся последовательность углублений 120 и возвышений 122, имеющих форму крыши с четырьмя скатами: двумя - в форме трапеции 124, 126 и двумя - в форме равнобедренных треугольников 128, 130. Глубина углубления 120 и высота возвышения 122 соответственно составляют, например, 2,5 мм. Индексы в и с, добавленные к ссылочным номерам этих четырех скатов указывают их отношение соответственно к возвышениям и углублениям, при этом скаты углубления показаны заштрихованными. Секущие полуплоскости АА' и ВВ' пересекают соответственно утопленные трапеции 124с, 126с и приподнятые трапеции 124Ь, 12 6Ь посредине. Линии стыковки трапеций 124 и 126 обозначены номерами 121 и 123 в зависимости от того, относятся ли эти трапеции к углублениям или возвышениям. Необходимо отметить, что каждая из двух рельефных боковин 33, 35 реальной заготовки или рельефных боковин 68а, 68Ь канавки 62 реальной полуформы содержит чередующуюся последовательность углублений и возвышений, обращенных к чередующейся последовательности соответственно возвышений и углублений другой боковины. Пунктирные линии 129 являются условными и проведены, чтобы различить два лежащих в одной плоскости ската 128Ь и 130с, либо 130Ь и 128с, которые относятся соответственно к возвышению либо к углублению, при этом каждая пунктирная линия является большой диагональю ромба. Секущая плоскость СС' проходит через эти линии 129. Узкие прямоугольники 132 и 134, которые имеются по обоим краям последовательности из углублений и возвышений 120, 122, представляют собой плоские области, соединяющие центральную часть: (1) полых пластин 22 с их концевыми соединителями 24, 26 в случае теплообменника, либо (2) канавок 62 полуформы с их концами в частях 67а, 67Ь и 69а, 69Ь усеченного конуса. Края 136 и 138, показанные на фиг. 6, представляют собой проекцию вершин 36 и проекцию днищ 38 заготовки 32.

На фиг. 7 показано увеличенное изображение продольного сечения вдоль срединных линий 121, 123 центральной части двух соседних полых пластин 140 и 142 с рельефными стенками, разделенных пространством 144. На этом центральном продольном сечении показан рельеф, изображенный на фиг. 6, который отчетливо проявляется (после контролируемого сжатия заготовки) в создании полых пластин 140, 142 со стенками соответственно 146а, 146Ь и 148а, 148Ь, образованными последовательностью возвышений, например, 150а или 152Ь и углублений, например, 152а или 150Ь, соединенных вместе скатами с углом наклона приблизительно 30°, например, 154а и 154Ь. Расстояние между двумя крайними линиями 150а и 150Ь составляет приблизительно 5 мм. Внутренний зазор полых пластин 140, 142 с рельефными стенками является по существу постоянным и составляет, например, 2 мм. Ширина волнистого пространства 144, разделяющего полые пластины, является по существу постоянной и имеет тот же порядок величины, что и внутренний зазор этих пластин.

В этих условиях преимуществом такого рельефа является создание у стенки такого момента инерции по отношению к ее срединной плоскости, который в несколько сотен раз превышает момент инерции плоской стенки толщиной 0,5 мм. Жесткость центральной части стенки возрастает в той же пропорции, при этом жесткость вершин и днищ гофров заготовки остается очень небольшой, что позволяет этим вершинам и днищам работать как гибкие шарниры, при этом обеспечивая очень небольшой радиус кривизны во время контролируемого сжатия заготовки, в то время как боковины остаются в целом плоскими. Благодаря такой конструкции, теплообменник, соответствующий настоящему изобретению, обеспечивает преимущества, связанные с его изготовлением и использованием. Что касается его изготовления, необходимо отметить в первую очередь, что при изготовлении используемых форм требуются обычные производственные процессы, и что эти формы будут применяться в технологиях, обычно используемых в промышленности. То же справедливо для такого автоматизированного оборудования, как экструдеры, компрессоры и системы транспортировки, которые имеются на всех предприятиях по производству емкостей любой формы из полимера или стекла, которые предназначены для заполнения самыми разными жидкостями. То же справедливо для оборудования, работающего в условиях очень высокого водяного давления, которое используется при гидроформинге металлических частей.

После того, как с использованием формы, соответствующей настоящему изобретению, получена заготовка в форме пакета в целом двояковыпуклых гофров, напоминающих меха аккордеона, для преобразования этой заготовки 32 в активную часть 20 элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, требуется совершенно новая операция, реализуемая с использованием конкретного приспособления, подходящего для этой цели. Эта операция состоит либо в симметричном сжатии гофров заготовки, либо в быстрой инверсии выпуклых полугофров этой заготовки, ориентированных в первом направлении, по направлению к соответствующим им в целом симметричным полугофрам, ориентированным во втором направлении (полугофры были выпуклыми, а стали и останутся вогнутыми). В обоих случаях данная операция осуществляется путем приложения сжимающего усилия к гофрам, кото

- 10 007134 рое параллельно оси их складывания. Это усилие будет создаваться путем создания контролируемого разряжения внутри заготовки 32 и/или при помощи поршня с выпуклым профилем, перемещающегося со скоростью, которая также контролируется, который используется в комбинации с неподвижной опорой, имеющей вогнутый профиль. Эти поршень и опора будут иметь тот же продольный размер, что и ребра полученной в результате активной части. Если сжимающее усилие создается за счет разряжения, то необходимо отметить, что возникающие в результате этого внешние силы, имеющие одинаковое направление, будут действовать в направлении наиболее легкого перемещения, то есть по оси складывания гофров заготовки. Необходимо отметить, что бистабильные выступы, образованные полугофрами заготовки, которые в своем втором устойчивом состоянии приняли форму вогнутых стенок наклонных и полых продольных ребер, могут, например, восстановить свое первое состояние при простом создании достаточного давления внутри полученной активной части, но при условии, что стенки сохранили или заново приобрели минимальную гибкость. То же справедливо и для полугофров, которые были подвергнуты симметричному сжатию.

Разумеется, для того, чтобы все операции стали возможными и были выполнены должным образом, необходимо, чтобы заготовка, установленная в конкретное оборудование, которое должно осуществлять такое сжатие или инверсию, содержала вершины и днища, являющиеся достаточно гибкими и упругими. Требуется, чтобы прочность на разрыв была относительно высокой, и чтобы инверсия или симметричное сжатие соответствующих боковин центральных частей гофров, и их концевых соединителей могло происходить без риска растрескивания или разрыва. Если перемещение заготовки из формы в устройство, осуществляющее ее сжатие, будет происходить с относительно большой задержкой, эта заготовка охладится, и ее гибкость, в частности, в случае стекла, опустится ниже минимального предела, необходимого для должного выполнения инверсии или сжатия. В этом случае перед устройством в технологической цепи должны быть установлены средства повторного нагрева заготовки для восстановления гибкости, которая требуется для этого устройства, чтобы соответствующие полугофры могли быть инвертированы без повреждения.

Необходимо отметить, что полые соединители на концах центральных частей в целом симметричных полых пластин элементарного теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, а также двояковыпуклые соединители его заготовки, которые описаны выше, представляют собой части усеченного конуса. Этот тип поверхности, разумеется, не является единственным, который может быть использован. В действительности, для создания двояковыпуклых соединительных частей на концах центральных частей гофров заготовки, соответствующей настоящему изобретению, может быть использована любая инвертируемая поверхность - невысокая пирамида с большим углом при вершине, которая имеет квадратное основание и усечена, является инвертируемой, например, относительно плоскости ее основания.

Что касается рельефа боковин гофров, то необходимо отметить, что крыша с четырьмя скатами является не единственным путем реализации таких боковин на практике, и возможны возвышения и углубления в форме куполов и чаш по существу с круглыми основаниями.

Что касается изготовления и установки корпуса элементарного теплообменника, то необходимо отметить, что при выполнении таких операций также требуется использование технологий, обычно применяемых в промышленности. Что касается герметичного соединения полуоболочек друг с другом и с соединительными патрубками активной части, то могут быть предусмотрены соединения и края, обеспечивающие герметичность при монтаже и остающиеся в последующем в таком состоянии.

Что касается ориентации в противоположных направлениях соединительных патрубков активной части, то, очевидно, что эта различная ориентация обеспечивает более оптимальные условия для циркуляции текучих сред во внутренней и внешней частях, но ориентация может и совпадать без серьезного ухудшения этих условий.

Как было указано ранее, описанный выше элементарный теплообменник, соответствующий настоящему изобретению, заключенный в герметичный корпус или не имеющий такового, обладает всеми качествами, необходимыми для устройства подобного типа, и соответствует всем конкретным характеристикам такого устройства. Описанные варианты реализации этого теплообменника, разумеется, не являются ограничивающими.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ изготовления теплообменного элемента, обладающего высокой эффективностью, ограниченными размерами, небольшим весом, низкой стоимостью производства и общей прочностью, включающий следующие этапы:

   изготовление в форме (50) при помощи выдувного формования или гидроформинга заготовки (32), выполненной из подходящего материала и образованной пакетом в основном двояковыпуклых гофров (34), глубоких относительно поперечного размера заготовки и напоминающих меха аккордеона, причем гофры содержат удлиненные центральные части, которые снабжены концевыми соединителями (40, 42), боковинами (33, 35), вершинами (36) и днищами (38), имеющими такую форму, что боковины (33, 35)

   - 11 007134 имеют значительно большую жесткость, чем жесткость днищ (38) и вершин (36), при этом пакет снабжен двумя поперечными соединительными патрубками (28, 30), оси которых совпадают с осями (25, 27) складывания концевых соединителей (40, 42);

   приложение внутреннего разрежения и/или внешних сжимающих усилий к элементам, образующим заготовку (32), имеющую подходящие температуру, гибкость и упругость, параллельно оси складывания гофров до того момента, пока изготовленная таким образом сжатая часть (10) становится пакетом из пар полых пластин (12, 22), сообщающихся (16) между собой и в основном симметричных, которые имеют, по существу, постоянные небольшие внутренний зазор (14) и интервал (18);

   охлаждение состоящей из одной детали части (10), в то же время поддерживая ее в сжатом состоянии;

   если необходимо, после охлаждения заключение изготовленной таким образом части (10) в элемент (81), который обеспечивает ее фиксацию, чтобы сохранить первоначальные значения расстояний между стенками пар пластин (22).
2. 2. Способ изготовления элементарного теплообменника по п.1, отличающийся тем, что форма (50), используемая для его осуществления, содержит расширяющиеся канавки (62) с прямолинейными, узкими и параллельными вершинами (70) и днищами (66), причем боковины(68а, 68Ь) этих канавок (62) выполняют рельефными, при этом возвышения на одной из боковин обращены к углублениям на другой.
3. 3. Способ изготовления элементарного теплообменника по п.2, отличающийся тем, что срединные продольные плоскости рельефных боковин (68а, 68Ь) формы (50) образуют углы от 20 до 30° с плоскостью симметрии этих боковин, а концевые соединители (67а, 67Ь и 69а, 69Ь) боковин имеют профили с инвертируемыми поверхностями.
4. 4. Теплообменный элемент (20), образованный пакетом полых пластин (14), снабженных двумя поперечными питающими коллекторами (44, 46), которые соединены с двумя соединительными патрубками (28, 30), отличающийся тем, что

   - он состоит из одной активной части (10), изготовленной без применения сборки и сварки;

   - внутренние поверхности стенок (12а, 12Ь или 150а, 150Ь/152а, 152Ь/154а, 154Ь) каждой полой пластины (22 или 140, 142) выполнены без контактирования друг с другом, а также внешних поверхностей стенок двух соседних полых пластин (140, 142);

   - внешние и внутренние поверхности стенок всех полых пластин во всех точках разделены соответственно друг от друга небольшим, по существу, постоянным расстоянием (14 или 144);

   - каждая полая пластина (22) симметрична другой полой пластине и обе пластины сообщаются друг с другом через боковую часть канала (16), являющегося общим для всех пластин для формирования пары полых пластин, образующих элементарный канал активной части (10);

   - каждый элементарный канал активной части (10) содержит две удлиненные полые центральные части (23), концы которых соединены двумя полыми соединителями (24, 26), через которые проходят два питающих коллектора (44, 46) теплообменного элемента.
5. 5. Теплообменный элемент (20) по п.4, отличающийся тем, что стенки (150а, 150Ь/152а, 152Ь/154а, 154Ь) пар полых пластин (140, 142) выполнены рельефными и в основном симметричными, при этом их срединные продольные плоскости перпендикулярны их плоскости симметрии.
6. 6. Теплообменный элемент (20) по п.4, отличающийся тем, что стенки (150а, 150Ь/152а, 152Ь/154а, 154Ь) пар полых пластин (140, 142) выполнены рельефными и в основном симметричными, при этом их срединные продольные плоскости вместе образуют двугранные углы от 120 до 160°, а их концевые соединители (24, 26) выполнены из инвертируемой поверхности.
7. 7. Заготовка (32), изготовленная с использованием первого этапа способа по п.1, предназначенного для изготовления состоящего из одной детали элементарного теплообменника, отличающаяся тем, что

   - она содержит пакет изготовленных без сварки в основном двояковыпуклых гофров (33, 35, 37, 39), напоминающих меха аккордеона;

   - концы центральных частей гофров снабжены симметричными соединителями (40, 42), которые, если требуется, являются инвертируемыми;

   - гофры пакета имеют срезанные вершины (36а, 36Ь) и узкие днища (38а, 38Ь), причем жесткость днищ и вершин очень небольшая по сравнению с жесткостью их боковин (33а, 33Ь/35а, 35Ь/37а, 37Ь/39а, 39Ь);

   - боковины гофров и боковины концевых соединителей (40, 42) имеют значительную ширину относительно поперечного размера заготовки (32).
8. 8. Заготовка (32) по п.7, отличающаяся тем, что для обеспечения подходящей жесткости боковин (33а, 33Ь/35а, 35Ь/37а, 37Ь/39а, 39Ь) гофров каждая боковина представляет собой чередующуюся последовательность углублений (120) и возвышений (122), в частности, в форме крыш с четырьмя скатами, при этом углубления одной боковины соответствуют возвышениям другой боковины.
9. 9. Теплообменник для ограниченных в распространении текучих сред, содержащий по меньшей мере один активный теплообменный элемент (20) по п.4 и установленный в корпусе (81), который полностью окружает упомянутый элемент (20), полностью повторяя его общую внешнюю форму, но сохраняет узкие зазоры относительно него и оставляет проход для двух соединительных патрубков элемента (20),

   - 12 007134 отличающийся тем, что

   - корпус (81) образован двумя полуоболочками (80, 82);

   - каждая из полуоболочек (80, 82) охватывает продольную половину активного теплообменного элемента (20) и содержит на каждом конце соединительный полупатрубок (94-110), а на дне - отверстие (90);

   - края (98а, 98Ь и 114а, 114Ь) полуоболочек и полупатрубков герметично скреплены друг с другом и край или края (92) отверстий (90) скреплены с одним из двух соединительных патрубков (28, 30) теплообменного элемента (20).
10. 10. Форма (50) для изготовления с использованием способа по п.1 заготовки (32) активной части (20) элементарного теплообменника, отличающаяся тем, что

    - содержит две металлических полуформы (52), представляющие собой плиты, имеющие форму параллелепипедов, и симметричных относительно плоскости (56) разъема;

    - в каждой из плит (54) выполнены удлиненные расширяющиеся канавки (62) с прямолинейными, узкими и параллельными вершинами (70) и днищами (66), при этом боковины (68а, 68Ь) канавок являются рельефными, а углубления и возвышения одной из боковин обращены соответственно к возвышениям и углублениям другой боковины;

    - вершины (70) выступов, разделяющих канавки (62), параллельны плоскости (56) разъема и относительно этой плоскости расположены с зазором, превышающим их ширину;

    - углы между плоскостью симметрии канавок и срединными продольными плоскостями боковин (68а, 68Ь) каждой из этих канавок (62) больше минимального угла, определяемого условиями создания вершин заготовки при формовании, и предпочтительно меньше максимального угла инверсии, который зависит от прочности на разрыв используемого материала;

    - боковины (68а, 68Ь) и днища (66) канавок (62) объединены на концах с образованием двух симметричных поверхностей, имеющих, если требуется, инвертируемый профиль (67а, 67Ь и 69а, 69Ь), которые заканчиваются в плоскости (56) разъема формы, при этом обе оси (25, 27) складывания поверхностей лежат в плоскости разъема;

    - две оси (25, 27) складывания являются осями будущих основных питающих коллекторов (44, 46) элементарных каналов активной части, при этом в каждом из выступов, разделяющих две соседние канавки, выполнены соосные цилиндрические выемки (72, 74), ограничивающие эти основные коллекторы;

    - на одном из концов каждой из осей (25, 27) выполнена полуцилиндрическая полость (76, 78), предназначенная для создания при формовании половины одного из двух соединительных патрубков (28, 30) активной части (20); и

    - одна из полуцилиндрических полостей (76) открыта наружу.