TW202227771A - 管束熱交換器 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關於一種管束熱交換器，其具有包封式外護套以及至少一管板，該等組件一起定義該管束熱交換器之內腔。該管束熱交換器包括一管束，其包含數個熱交換管，該等熱交換管係以可被第一流體流過的方式設於內腔中，並且選擇性地由額外的支撐片支撐。該等熱交換管具有成型在該管外側上之呈螺線狀環繞的整體式鰭片，該等鰭片具有鰭基、鰭沿及鰭尖，且在該等鰭片之間構建有一包含通道底部之通道。該管束熱交換器包括至少一位於該外護套上之入口，其用於將第二流體導入內腔，並且包括至少一出口，其用於將該第二流體自內腔導出。該管束熱交換器可選地包括設於該至少一管板上之至少一連接盒，其用於該第一流體之分佈、轉向或收集。該至少一管板具有凹口作為穿透部位，其中每個凹口皆具一內表面。該等熱交換管以其外鰭片至少伸入該管板之凹口，從而在凹口之內表面與熱交換管之處於該凹口內之外鰭片之間形成接合間隙。該等熱交換管藉由接合材料、包括外鰭片，具有與該管板之材料接合連接，該連接僅設在該凹口之自熱交換管之端側沿軸向延伸的第一分區段中，具體方式為，在該第一分區段中，該接合間隙用接合材料填滿，從而留出該凹口之該接合間隙未用接合材料填滿之第二分區段，其中該熱交換管在該第二分區段之區域內在該管外側上仍具有外鰭片。
Description
發明領域
本發明係有關於一種如請求項1之前言所述的管束熱交換器。
發明背景
管束熱交換器用於將熱自第一流體傳遞至第二流體。為此，管束熱交換器通常具有一空心圓柱體，在此空心圓柱體之內部設有數個管子。可引導兩個流體中之一者穿過管子，另一流體特別是以圍繞管子的方式穿過此空心圓柱體。管子係藉由其端部沿管束熱交換器之周邊固定在一管板或數個管板上。
在管束熱交換器之製造過程中，將管子藉由其端部例如以材料接合的方式與管板連接。一般而言，期望提供一種方案，用以將管束熱交換器之管子與管束熱交換器之管板以低複雜度、低成本並且高品質的方式相連。
公開案WO 2017/ 025 184 A1描述過一種將管束熱交換器之管子與管板連接的方法。管子以及管板皆係由鋁或鋁合金製成，並且藉由雷射焊接以材料接合的方式與管板連接。其中，產生之雷射束之強度高於1 MW/cm2。亦考慮在雷射焊接前，將管束熱交換器之管子與管板以形狀配合的方式連接。
在製造完畢後的工作就緒狀態下，待製造之管束熱交換器具有數個設於空心圓柱體內部之管子。管板可構型成板件並且具有鑽孔，此等鑽孔之直徑大體對應管子之外徑。每個管子皆透過其端部中的一個固定在此等鑽孔中之一者上。
管子可在空心圓柱體內作為直管熱交換器呈直線延伸。在此情形下設有兩個管板，其係設於直管熱交換器之相對的端部上。其中，每個管子皆透過其端部中的一個分別固定在該二管板中之一者上。
管子亦可在空心圓柱體內作為U形管熱交換器呈U形延伸。此種U形管熱交換器通常具有僅一個管板。由於管子在此情形下呈U形彎曲，可將管子藉由其兩端固定於同一管板上。
DE 10 2006 031 606 A1揭示過一種對用於冷卻廢氣的熱交換器進行雷射焊接的方法，其中還為雷射束的進給運動疊加一個擺動運動。此擺動運動大體沿垂直於進給方向的方向進行。執行此擺動運動是為了更佳地填補間隙。
此外，公開案WO 2017/ 125 253 A1揭示過一種將管束熱交換器之管子與管板連接的方法。藉由雷射焊接將管子與管板以材料接合的方式連接。為了進行連接，產生一雷射束，並將其聚焦至位於管子與管板之間之連接區域內之一待焊接部位。在此情形下，如此使雷射束運動，使得雷射束執行越過此連接區域的第一運動以及疊加至該第一運動的第二運動，此第二運動不同於該第一運動。透過此第二運動針對性地影響熔融浴動態特性，並且有利地改變產生的蒸汽毛細管。
發明概要
本發明之目的在於，以可靠、低複雜度並且高品質的方式將管束熱交換器之管子與管板連接。
本發明由請求項1之特徵給出。更多回溯引用的請求項係有關於本發明之有利的構建與改良方案。
本發明涉及一種管束熱交換器，其具有一包封式外護套以及至少一管板，該等組件一起定義管束熱交換器之內腔。管束熱交換器包括一管束，其包含數個熱交換管，該等熱交換管係以可被第一流體流過的方式設於內腔中，並且選擇性地由額外的支撐片支撐。熱交換管具有成型在管外側上之呈螺線狀環繞的整體式鰭片，該等鰭片具有鰭基、鰭沿及鰭尖，且在該等鰭片之間構建有一包含通道底部之通道。該管束熱交換器包括至少一位於外護套上之入口，其用於將第二流體導入內腔，並且包括至少一出口，其用於將該第二流體自內腔導出。該管束熱交換器可選地包括設於該至少一管板上之至少一連接盒，其用於該第一流體之分佈、轉向或收集。該至少一管板具有凹口作為穿透部位，其中每個凹口皆具一內表面。熱交換管以其外鰭片至少伸入管板之凹口，從而在凹口之內表面與熱交換管之處於凹口內之外鰭片之間形成接合間隙。熱交換管藉由接合材料、包括外鰭片，具有與管板之材料接合連接，該連接僅設在凹口之自熱交換管之端側沿軸向延伸的第一分區段中，具體方式為，在該第一分區段中，接合間隙用接合材料填滿，從而留出凹口之接合間隙未用接合材料填滿之第二分區段，其中該熱交換管在第二分區段之區域內在管外側上仍具有外鰭片。
換言之：在熱交換管進入管板或穿過管板的穿透部位內，熱交換管具有一外鰭片。此外鰭片被用於實現材料接合連接的材料圍繞，藉此將氣體或液體之通流氣密密封。除了純粹的材料接合以外，較佳亦可採用與壓緊配合以及形狀配合的組合。
接合材料在第一分區段中僅在一定程度上沿軸向自端側滲入接合間隙，因為外鰭片會阻礙例如直管中的自由通行。因此，外鰭片形成障壁，必須環繞該等障壁流動或將其熔化。環繞流動特別是在釺焊及黏合之接合工藝中特別重要。在熔焊中，熱交換管之外鰭片在端側至少部分地一起熔化。在此情形下，一旦熔體之溫度不再足以使得更靠內的鰭片熔化，則熔體流較佳在外鰭片中的一個處停止。該障壁阻止熔體在接合間隙中的進一步滲入。藉此，在接合過程中，接合材料具有明確的流動過程，該接合過程在管端側處或附近已完全封閉接合點。
除了外鰭片以外，熱交換管還可選擇性地具有一內部結構。該內部結構可以以具有預定之螺旋角的內部環繞式螺旋的形式來實施。針對熱交換管的外側具有呈螺線狀環繞之外鰭片的情形而言，該環繞式外鰭片之螺距可等於、小於或大於該環繞式螺旋之經該螺旋角給定的螺距。因此，兩個結構可存在區別，使得為了將熱交換管之外側與容器壁以材料接合的方式連接，可以為該外鰭片以及該內部結構採用相互獨立的構造並藉此將其最佳化。
然而，為了將熱交換最佳化，針對兩個結構給定了一定的界限。據此，該外鰭片的最大結構高度與該內部結構的最大結構高度的比例對於冷凝管而言較佳落在自1.25至5的範圍內，對於蒸發管而言較佳落在0.5至2的範圍內。
特別是期望節省投資成本，因為本發明之管束熱交換器之結構緊密性可大幅提昇。在此，該外鰭片延伸進管板，故可顯著減少每個單元之熱交換管的數目。視具體要求而定，藉由鰭片管能夠更高效地利用能量或者減少填充量，這使得工作成本降低。
本發明基於以下考慮：以特別可靠、低複雜度並且高品質的方式將熱交換管與管板材料接合連接。根據本發明，該等熱交換管藉由其外側的外鰭片進入管板或穿過管板。在此情形下，管子與管板的材料接合連接與該外鰭片緊鄰。此方案之特別優點在於，在管束熱交換器之內部，熱交換管為了高效熱傳遞而具有一連貫的外鰭片。
在本發明之一有利實施方式中，用接合材料填滿之第一分區段在軸向上可占整個接合間隙之長度的70%以下。有利地，該接合間隙之填滿的第一分區段僅包括總長度的50%以下。特別是在熔焊連接中，第一分區段之20%的充填度已足以建立流體密封的材料接合連接。
有利地，熱交換管之鰭尖與凹口之內表面之間的淨寬為自通道底部至鰭尖所測得的鰭片高度之最多30%。外鰭片之障壁作用透過該淨寬而改變。特別是在釺焊及黏合之接合工藝中，可針對性地在接合間隙之該淨寬範圍內引入接合材料，以形成充填的第一分區段。此外，接合材料之另一流道為呈螺線狀環繞的整體式鰭片所形成之通道。但通道橫截面由鰭片高度及相鄰鰭片之間的距離預設，且通常小於所選擇的淨寬。
有利地，該材料接合連接可以以氣密並且耐壓的方式實施。除了機械穩定性以及高效熱傳遞方面的功能以外，為了在每個工作模式下防止與周圍環境的流體交換，重要之處在於氣密密封。
在本發明之一有利實施方式中，該等熱交換管在該等穿透部位中具有管內徑D2，其大於熱交換管在穿透部位外部之管內徑D1。
在熱交換管進入管板或穿過管板的穿透部位內，若熱交換管仍具有外鰭片，則方法之基礎為熱交換管之加寬以及穿透內徑D2之增大。透過加寬，在穿透部位內擠壓該外鰭片。該材料接合連接仍確保穩定的氣密密封。
在本發明之一有利實施方式中，該等熱交換管可釺焊入、黏入或焊接入管板。除了所述較佳連接方式以外，亦可採用其他將熱交換管藉由材料接合連接與管板可靠接合的連接方式。
原則上，該外鰭片可在熱交換管之外側上較佳沿周向或沿軸向平行於管軸線延伸。在本發明之一有利實施方式中，該等熱交換管之外側可具有呈螺線狀環繞之外鰭片。就螺線狀外鰭片而言，僅需要透過材料接合連接將殘餘間隙以及被該外鰭片螺線狀圍繞的通道可靠地密封。
儘管通常較佳為熱交換管採用適當的一致的材料，但在本發明之有利技術方案中，至少一第一熱交換管由第一材料構成，並且至少一第二熱交換管由不同於該第一材料的第二材料構成。在機械穩定性方面，強度極高的鋼管具有特別的優勢。銅管則在高效熱傳遞方面實現最佳化。亦可採用其他材料，例如鈦、鋁、鋁合金以及銅鎳合金。
較佳實施例之詳細說明
圖1為管束熱交換器1之示意性側視圖，該管束熱交換器具有一包封式外護套2以及兩個管板3，此等組件一起定義管束熱交換器1之內腔4。管束熱交換器1包括一管束，其包含數個熱交換管5，該等熱交換管係以可被用於熱傳遞的第一流體流過的方式設於內腔4中，並且由額外的支撐片6支撐。此外，此等支撐片6亦常用作針對流體流的引導片。管束熱交換器1還包括連接盒7，其視具體要求而定在熱交換管之內部將該第一流體分佈、轉向或收集。在外護套2上設有至少一入口8，其用於將用於熱傳遞之第二流體導入內腔，並且設有至少一出口9，其用於將該第二流體自內腔導出。具有外鰭片51之熱交換管5在細節圖中被放大。呈螺線狀環繞管軸A成型在管外側上之整體式鰭片51係透過習知軋製工藝構建。
圖2為管板3之包含穿透部位31的截取部分的示意性正視圖。在穿透部位31上，管板3中之凹口較佳正好如此之大，使得熱交換管5可藉由其外鰭片51置入並在該處實現材料接合連接。可在穿透部位31處自端側出發在管板3之壁厚的第一分區段範圍內進行充當材料接合連接20的熔焊連接、黏合連接以及釺焊連接，並且形成流體密封連接。在伸入深處的第二分區段中，接合間隙之未被填滿的殘餘部分保留在管板壁部3中，該殘餘部分在圖2中不可見。
圖3為在熱交換管5之穿透部位31之平面中，管板3之示意性豎向剖視圖。所示熱交換管5在外側上具有外鰭片51。在所示實施例中，熱交換管5在充當穿透部位31之凹口處穿過管板3。在該穿透部位31處，熱交換管5具有一連貫的外鰭片51。圖3中尚未置入之材料接合連接20在接合過程之後設在接合間隙10之一分區段中，該連接例如形式為圍繞管周之與管板3的連貫焊縫。視管板3與熱交換管5的材料組合而定，能夠在焊接部位20處在熔融浴中有利地實現金屬間新相形成。適於藉由被限定於局部的熔體流建立材料接合連接的方法特別是為雷射焊接。
圖4為管板3與熱交換管5之材料接合連接20的剖面的示意性細節圖。在所示實施方案中，熱交換管5被沿管軸A方向插入置入管板3之凹口31，並且以具有外管板表面之端側53結尾。
熱交換管5具有成型在管外側上之呈螺線狀環繞的整體式鰭片51，該等鰭片具有鰭基511、鰭沿及512鰭尖513。在相鄰的鰭片51之間構建有一包含通道底部521之通道52。圖4示出充當材料接合連接20之焊縫，該焊縫例如在雷射焊接中形成。視需要在接合時應用材料適宜的焊接添加劑。以該方式亦可使材料流及數量與期望的接合連接精確匹配。在所示材料接合連接中，基於工藝，管板3之某些區域以及熱交換管5上之若干外鰭片51因雷射之熱輸入而至少部分地一起熔化並且作為接合材料20融入。在接合時，熔體自端側53出發進入接合間隙10，但在一定的滲透深度後受阻，使得僅接合間隙10之第一端側分區段101包括外鰭片51被填滿。鰭片51阻礙熔體之進一步通行，由於溫度逐漸降低，該鰭片不再在熔體前沿上被熔化或被環繞流動，因而用作障壁。藉此，在接合過程中，接合材料20具有明確的流動過程，該接合過程在管端側53處或附近已能夠完全封閉接合點。
熱交換管5具有與管板3之材料接合連接20，該連接僅設在凹口31之自熱交換管5之端側53沿軸向延伸的第一分區段101中。凹口31之第二分區段102未用接合材料填滿。在第二分區段102中，熱交換管5在管外側上仍具有外鰭片51。
1:管束熱交換器
2:外護套
3:管板
31:凹口，穿透部位
311:凹口之內表面
4:內腔
5:熱交換管
51:整體式鰭片，外鰭片
511:鰭基
512:鰭沿
513:鰭尖
52:通道
521:通道底部
53:端側
6:支撐片
7:連接盒
8:入口
9:出口
10:接合間隙
101:第一分區段
102:第二分區段
20:材料接合連接，接合材料
A:管軸，軸向
D1,D2:管內徑
箭頭:流體流
結合示意圖對本發明之實施例進行詳細說明。
其中：
圖1為管束熱交換器之示意性側視圖，以及具有外鰭片之熱交換管的細節圖，
圖2為管板之包含穿透部位的截取部分的示意性正視圖，
圖3為在熱交換管之穿透部位之平面中，管板之示意性豎向剖視圖，以及
圖4為管板與熱交換管之材料接合連接的剖面的示意性細節圖。
彼此對應的部件在所有附圖中皆用相同的符號表示。
1:管束熱交換器
2:外護套
3:管板
4:內腔
5:熱交換管
51:整體式鰭片，外鰭片
6:支撐片
7:連接盒
8:入口
9:出口
A:管軸/軸向
Claims (6)
- 一種管束熱交換器，具有一起定義該管束熱交換器之一內腔的一包封式外護套以及至少一管板， 該管束熱交換器包括 一管束，其包含數個熱交換管，該等熱交換管係以可被一第一流體流過的方式設於該內腔中，並且可選地由額外的支撐片支撐，其中該等熱交換管具有成型在管外側上之數個呈螺線狀環繞的整體式鰭片，該等鰭片具有數個鰭基、鰭沿及鰭尖，且在該等鰭片之間構建有一包含通道底部之通道， 至少一位於該外護套上之入口，其用於將一第二流體導入該內腔，並且包括至少一出口，其用於將該第二流體自該內腔導出， 可選地包括設於該至少一管板上之至少一連接盒，其用於該第一流體之分佈、轉向或收集， 其中該至少一管板具有數個凹口作為穿透部位，其中每個凹口皆具一內表面， 其特徵在於， 該等熱交換管及其數個外鰭片至少伸入該管板之該等凹口中，從而在各個凹口之內表面與位在該凹口內的各個熱交換管之外鰭片之間形成接合間隙， 該等熱交換管藉由接合材料及包括外鰭片而與該管板具有材料接合連接，該連接僅設在從熱交換管之端側沿軸向延伸的該凹口之一第一分區段中且在該第一分區段中用接合材料填滿該接合間隙，從而留出該凹口之該接合間隙未用接合材料填滿之第二分區段，其中該熱交換管在該第二分區段之區域內在該管外側上仍具有外鰭片。
- 如請求項1之管束熱交換器，其特徵在於，用接合材料填滿之該第一分區段在軸向上占該整個接合間隙之長度的70%以下。
- 如請求項1或2之管束熱交換器，其特徵在於，熱交換管之該等鰭尖與該凹口之該內表面之間的淨寬為自該通道底部至該鰭尖所測得的鰭片高度之最多30%。
- 如請求項1至3中任一項之管束熱交換器，其特徵在於，該材料接合連接係以氣密並且耐壓的方式實施。
- 如請求項1至4中任一項之管束熱交換器，其特徵在於，該等熱交換管在充當穿透部位之該等凹口中具有管內徑，其大於該等熱交換管在該等穿透部位外部之管內徑。
- 如請求項1至5中任一項之管束熱交換器，其特徵在於，該等熱交換管係釺焊入、黏入或焊接入該管板。
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