CN100408960C - 热交换器芯部 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用扩散接合的板的热交换器芯部以及使用该芯部的热交换器。该热交换器芯部包括第一和第二组相互交替放置的、分别用于承载第一和第二热交换流体的板,该板相互结合并且每个组中的每个板在其一个表面上形成有至少三个薄层,每个薄层由平行通道组构成。延伸穿过该第一和第二组板的端口,用于相对所述薄层来回传输所述第一和第二热交换流体,以及将每个板中的每个薄层的相对端连接于相关联的端口的分配通道。与第一组的板中的每个薄层相关联的分配通道和与第二组的板中的每个薄层相关联分配通道交错设置,由此第一组的板中的每个薄层与第二组的板中的相应薄层并列设置以进行热交换。
Description
技术领域
本发明涉及一种热交换器芯部,这种类型的热交换器芯部由多个接合板构成,其中至少一些板中具有用于热交换流体(即,液体和/或气体)的通道。
背景技术
本发明所涉及的热交换器芯部有时指代为印刷电路热交换器(“PCHE”)芯部,最初是由本发明人早在八十年代开发的,并且自从1985年以来一直投入商业生产。PCHE芯部最通常是通过下述方式构造而成的,即,将具有所要求形状和外形的通道蚀刻入各个板的一个表面并且通过层叠以及扩散接合(diffusion bonding)所述板以形成具有具体应用所需尺寸的芯部。虽然板和通道的尺寸可进行显著地改变以满足例如不同的工况、环境、功能以及性能的需要,但是一般情况下所述板可由诸如不锈钢的耐热合金形成并采用尺寸:600毫米宽×1200毫米长×1.6毫米厚。一般情况下,各个板中的各个通道可具有半圆形的横截面以及大约1.0毫米的径向深度。
头部安装于芯部从而向芯部中的各个通道组供应并从其中接收流体,并且头部可根据例如功能要求和通道端口布置而连接于芯部的六个侧面和表面中的任何两个或多个。
PCHE芯部的设计,或者更具体地说,结合有这种芯部的热交换器需要协调大量的(有时是冲突的)因素,在本发明的上下文中包括下述内容:
1.在允许的压降内获得所需的热效用(边界温度),
2.最大限度地减小热交换器的尺寸和/或重量,以及
3.为芯部设置适合的形状和/或为通道组设置合适的端口布置从而有利于使用传统管道/连接布置方式下的热交换流体的方便的连接。
在研究满足这些要求的途径的过程中,本发明人近期决定,为了实现在给定情况下为满足特定工况需求所需的热交换面积的最小化,有必要提供具有高曲折程度的板通道。不过,沿其长度构造成具有高曲折程度的通道必须短于具有低曲折程度的通道,从而满足压降的约束条件。
在交叉流动热交换器的情况下,缩短通道一般不会产生明显问题。不过,这将会导致在更常用的同向流动和逆向流动热交换器中热交换/板面积利用率的下降,该同向流动和逆向流动热交换器不可避免地具有至少一些有效地结合了交叉流动通道以导引液体流入和流出正交延伸的同向流动和逆向流动流体通道的板(一般情况下占板总数的50%至100%)。也就是,如果同向流动和逆向流动流体通道的长度被减小,那么由交叉流动通道占据的面积将会相对于由同向流动和逆向流动通道占据的面积而有所增加。如果要保持较常用的面积相对比,那么这种情况将导致需要具有更大的长宽比的板,加之需要较短的通道,那么逻辑上就需要比习惯上用于PCHE芯部的板更小的板。这又会导致使用传统管道/连接布置方式连接热交换流体的困难。
发明内容
本发明通过提供一种热交换器芯部而寻求调和上述冲突的需求的方案,该热交换器芯部包括第一和第二组相互交替放置的、分别用于承载第一和第二热交换流体的板。该板相互结合并且每个组中的每个板在其至少一个表面上形成有至少三个薄层,每个薄层由平行通道组构成。延伸穿过该第一和第二组板的端口,用于相对所述薄层来回传输所述第一和第二热交换流体,以及将每个板中的每个薄层的相对端连接于相关联的端口的分配通道。与第一组的板中的每个薄层相关联的分配通道和与第二组的板中的每个薄层相关联分配通道交错设置,由此第一组的板中的每个薄层与第二组的板中的相应薄层并列设置以进行热交换。
在说明与第一组的板中的每个薄层相关联的分配通道和与第二组的板中的每个薄层相关联分配通道“交错设置”时,意味着各个分配通道相互“越过”而非连通。因此,在本发明中,术语“交错”的意思为相互“越过”,而不是相互“穿过”。
在上述芯部结构中,一组薄层设置于多个方便尺寸的较大板的每个中,每个薄层的长度可选择为有利于构成薄层的平行通道中的高弯曲程度,因此,使板的热交换面积实现优化。
本发明的可选方案
热交换器芯部可构造成通过每组中至少一些板承载多于一个流体而在三个或更多流体之间提供热交换。不过,对于本发明的许多(如果不是大多数)应用场合来说,热交换器芯部仅提供第一和第二热交换流体之间的热交换。
两组板中的一组或另一组的至少一些板可在两个表面形成有薄层。不过在这种情况下,间隔板也需要交替放置入芯部的板中,从而防止不同热交换流体之间的接触。不过,理想的是每个组中的每个板只在其一个表面上形成薄层。
形成薄层的多个通道组中的每个通道可形成为使沿着通道的液体流弯曲(即,形成弯曲的路线)。这可通过各种方式实现,其中一种方式就是将每个通道沿之字形路线形成。使用如此形成的通道,表述“平行通道”可被理解为包括如下通道布置:即通道的平均路线相互平行。
虽然如上所述,每个板将承载最少三个薄层,但是一般情况下每个板上会有三至三十个薄层。而且,薄层可布置成两栏,在这种情况下,在每个板上可具有总共六至六十个薄层。
每个薄层中的通道可形成为沿所述板的纵向延伸,在这种情况下,端口可跨过板的上和底边缘部分进行排列。不过,在理想情况下通道形成为横向跨过板延伸,并且端口沿板的边缘侧部分排列。在平行通道组布置为两个栏的情况下,如上所示作为一种可能的情况,端口可以以四个栏纵向排列于板上。可选择地,如果中间列端口用作相对延伸的平行通道组,那么端口将以三个栏纵向排列于板上。
端口可形成为开孔,并且所有的端口可完全位于板的边界中。不过,在端口邻近板的(侧面或端面)边缘部分时,这种端口的一些或者所有可形成为侧入或者端入狭缝。
分配通道从端口的一边缘部分开始延伸以连接薄层,该端口的边沿部分可与形成薄层的平行通道成直角(即,平行于薄层的端部),或者,在圆形端口的情况下,可以是弯曲的。不过,较理想的是,有分配通道从其开始延伸的每个边沿部分相对于薄层倾斜地设置,从而最大限度地增加边沿的长度,分配通道是从所述边沿开始放射延伸的。
板可以使用大量加工方法中的任一个相互接合,诸如焊接、铜焊或者扩散接合。
本发明将通过对使两个热交换流体实现逆向流动的热交换器芯部的优选实施例进行下述说明而更加完整地得以理解。下面将结合附图进行说明。
附图说明
在附图中:
图1A示出了基础芯部的示意图,
图1B示出了从芯部拆下的两个具有三个板的组,
图1C示出了图1B所示的相应组中的单个板,
图2较为实际地示出了使用较大量板的芯部的示意图,
图3示出了从图2的芯部拆下的两个连续板,
图4示出了图3的板的一部分的放大比例的图,
图5示出了备选芯部布置的两个连续板的示意图,
图6示出了结合有图5的板的芯部的前表面,
图7示出了图6的芯部的后表面,
图8较为实际地示出了从图6和7的芯部拆下的板中的一个的下端部的示意图,
图9示出了从图6和7的芯部拆下的板中的一个后续板的下端部,
图10示出了结合有图6和7所示的类型的两个芯部的完整热交换器的上部的(概括的)透视图,但是为了说明的目的而拆下了一些头部,
图11示意性地示出了包含八个热交换器的圆柱形容器的端部视图,每个交换器包含三个上述类型的线性成组的芯部,
图12再次示意性地示出了热交换器中的一个在经受热感应扭曲时如图11的箭头12-12的方向所见的平面图,以及
图13和14示出了与图12视图类似的视图,但是具有不同成组布置的热交换器芯部。
具体实施方式
如图1所示,热交换器芯部10包括在端板13和14之间面对面接触地扩散接合的多个板11和12。所有的板11和12可由不锈钢制造并且其厚度大约为1.6毫米。
板11和12层叠为由相互交替放置的板P1、P2、P3、P4...Pn、Pn+1组成的两组15和16,板15的各个组15和16布置用于承载第一和第二(逆向流动)热交换流体F1和F2。
每个板11的一个表面上形成有多个名义上分开的平行通道组17,该平行通道组形成薄层17。每个薄层17(即,每个平行通道组)横向跨过相应的板延伸,端口18位于每个薄层17的相对端。同样,分配通道19的组形成于每个板11中从而为各个端口18与相关联的薄层17提供直接的流体连接。
相似地,每个板12的一个表面上形成有多个平行通道组20,该平行通道组形成薄层20。在这种情况下,薄层20也横向跨过板12延伸,端口21位于每个薄层20的相对端。端口21与各个相关联的薄层20之间通过分配通道22的组实现直接的流体连接。
板11和12的各个组中的分配通道19和22的组以交错的关系设置(如上所定义的)。因此,它们布置成板11中薄层17的位置与板12中薄层20相互重叠并且并列设置以进行热交换,从而使热交换流体F1和F2之间形成良好的热接触。
两组端口18和21延伸穿过所有的板11、12、13和14以允许连接至用于两个热交换流体F1和F2的芯部10的内部。各个流体流过的板由各个分配通道19和22的组确定。头部(未示出)安装于芯部从而与芯部来回传输热交换流体。
图1所示的布置分别使用四个清楚勾划出的板11和12中的平行通道组或者薄层17和20,只是用来示意性地说明本发明的整体概念。图3提供了板11和12的更加实际的示意图。
如图3所示,各个薄层17只有通过参考与相应薄层的端部连接的、相对设置的分配通道19才能相互区分开。相似地,薄层20只有通过参考与相应薄层的端部连接的、相对设置的分配通道22才能相互区分开。
各个板11和12中的薄层17和20的数量如图所示通过以严密的间隔布置端口18和21并且将每个薄层17和20的相对端连接于错开的端口从而实现最大化。
一般情况下,每个板11和12的尺寸为600毫米×1200毫米,形成有十至二十个薄层17和20,并在每个薄层中包含大概二十至四十个分离的、平行的通道23。每个通道23可具有半圆形的横截面,径向深度为1.0毫米,邻近通道可通过0.5毫米宽的脊或棱(land)分开。不过,应该理解,所有这些数目和尺寸都可根据热交换器芯部的应用场合而显著地变化。
如图4所示,每个通道23都沿之字形的路线延伸,就这里所述的通道为“平行的”而言,应该理解,通道的平均路线24是相互平行的。
图5至7示出了芯部的备选布置方式,其中,板11和12形成有两个垂直栏的、紧密排布的、水平延伸的薄层25和26。每个薄层25和26类似于图1所示的对应薄层17和20,但是在图5至7所示的实施例的情况下,六组垂直布置的端口用于将热交换流体F1和F2与相应板来回传输。
如图5至7所示,热交换流体F1经由单组垂直布置的端口28和分配通道组29A输入芯部10和薄层25。相同的热交换流体经由分配通道组29B和两组垂直布置的端口27从芯部流出。相似地,热交换流体F2经由两组垂直布置的侧入端口30和分配通道组32A输送入芯部和薄层26,并且经由分配通道组32B和单组垂直布置的端口31从芯部流出。
为了促进必要数量的入口和出口头部(未示出)的连接,端口27、28和31形成为端入端口,而端口30形成为侧入端口。在上述实施例的情况中,所有的端口都延伸穿过所有的板11和12。
图8示出了在图5至7所示的实施例中的一个板11的下端部的典型实现方式的放大比例的视图,图9相似地示出了一个板12的下端部。
从图8清楚可知(与图6和7相结合进行考虑),流体F1进入板11中的端口28,流入分配通道29A的各相应组,通过相对延伸的薄层25,通过分配通道29B的组并从端口27流出。因为后续板11和12承载不同的流体F1和F2并且所有的端口都穿过所有的板,所以为了使空间利用率最大化,端口和分配通道布置成使来自单一(全)端口28、在每个(左和右)方向上流动的流体通过两个垂直间隔的端口27分流并且流出。相似地,从图9清楚可知,流体F2进入板12中的端口30,流入分配通道32A的相应组,通过相对延伸的薄层26,通过分配通道32B的组并从端口31流出。在这种情况下,端口和分配通道布置成使来自每个单一侧入端口30向内流动的流体通过两个垂直间隔、处于中心位置的端口31分流并且流出。
所有的端口18、21、27、28、30和31具有边沿部分33和34(如图8和9的标示),分配通道从所述边沿部分处延伸,所述边沿部分相对于相关联的薄层倾斜设置,从而最大限度地增加该边沿的长度,其中分配通道从该边沿开始放射延伸。
采用如上所述的芯部布置,热交换流体将导引入并且通过芯部从而沿着芯部的纵向轴形成大致均匀的温度分布。因此,本发明避免了,或者至少减小了在现有技术热交换器中固有的应力引发的弯折。这种弯折由于沿芯部的长度存在的温度梯度以及由此造成的差别热膨胀而发生。同样,采用图5至7所示的芯部布置,两个芯部10可面对面(或者背对背)地如图10大致示意性所示地安装并且被阻挡物35分开。然后,单一的头部布置(未示出)可用于将热交换流体F1输入双芯布置(two-core arrangement)的中心部分36并且输送来自双芯布置的侧区域37的流体F1。同样,头部38可方便地固定于双芯布置的四侧部分,从而向两个芯部的相应板输送流体F2,头部39可连接于两个芯部的背面,从而输送来自双芯布置的流体F2。
如图10所示的垂直延伸结构只包括本发明可能实施的一种布置,但是该结构确实有利于四个或者六个双芯布置围绕公共垂直轴进行方便地编组。同样,可对如图10所示的结构作出变化。例如,中心腹板或者桥接(未示出)可位于每个端口28和31中,并且与芯部中有助于芯部的板之间热流动平衡的其他板相比,芯部中的一些流体承载结合(端)板具有大致一半数量的由通道界定的薄层。
作为另一种可能的布置,多个芯部10可线性编组(即,端对端),如图11示意性地所示,多个以这种方式构造的热交换器40可罩在圆柱体容器41中。如图所示,编组的芯部和容器朝向图中纵向延伸。
采用如图11所示的布置的潜在问题就是,当每个热交换器40经受正常使用的加热时,加热器往往会弯折(像香蕉一样)从而使组合芯部的末端面离开其正常的平行关系。这将会导致约束和/或连接的问题。
不过,人们提出可通过下述方式调节这些问题,即,将不同长度的芯部40A至40B编组并使芯部相对定向,从而产生复合弯折并且使编组芯部的端面中点的法线保持基本上共线。图12、13和14示出了为此目的使用四个热交换器芯部40A至40D可采用的编组布置的三个实例。在这些实例中,芯部40A至40D使用了相同的板设计;芯部40A和40C的长度相等,40B和40D的长度相等,芯部40A和40C的长度等于芯部40B和40D的长度的一半;芯部40A与40C的不同之处以及芯部40B与40D的不同之处只在于其取向和热交换流体流动的方向。
Claims (31)
1. 一种热交换器芯部,包括:
a)第一和第二组相互交替放置的、分别用于承载第一和第二热交换流体的板,所述板相互接合并且每个组中的每个板在其至少一个表面上形成有至少三个薄层,每个薄层由平行通道组构成,
b)延伸穿过所述第一和第二组板的端口,用于相对所述薄层来回传输所述第一和第二热交换流体,以及
c)将每个所述板中的每个薄层的相对端连接于相关联的端口的分配通道,与所述第一组的板中的每个薄层相关联的分配通道和与所述第二组的板中的每个薄层相关联分配通道交错设置,由此所述第一组的板中的每个薄层与所述第二组的板中的相应薄层并列设置以进行热交换。
2. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中所述薄层只形成于每个组的每个板的一个表面上。
3. 根据权利要求2所述的热交换器芯部,其中所述第一和第二组的板顺序地相互交替放置。
4. 根据权利要求2或3所述的热交换器芯部,其中在所述板中,部分或全部所述端口通过所述分配通道连接于两个邻近的薄层。
5. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中位于每个薄层的相对端的所述端口是不对准的。
6. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中所有的所述端口延伸穿过所述第一和第二组板两者的所有板。
7. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中每个所述薄层的每个平行通道用于向热交换流体提供弯曲的路线。
8. 根据权利要求7所述的热交换器芯部,其中所述每个平行通道沿之字形路线形成。
9. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中每个组的每个板的一个表面上形成有三至三十个邻近的所述薄层。
10. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中每个薄层由二十至四十个所述平行通道组成。
11. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中所述第一组的板中的每个所述薄层的尺寸和形状与所述第二组的板中的每个对应薄层的尺寸和形状相同。
12. 根据权利要求11所述的热交换器芯部,其中所述第一组的板的每个所述薄层定位于所述第二组的板的每个对应薄层的上面。
13. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中组成每个所述薄层的平行通道组横向跨过所述包含薄层的板延伸。
14. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中每个板中的薄层相互平行并且布置成单一的栏。
15. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中每个板中的薄层相互平行并且布置成两个平行的栏。
16. 根据权利要求15所述的热交换器芯部,其中每个栏包括三个至三十个邻近的所述薄层。
17. 根据权利要求15所述的热交换器芯部,其中每个所述板形成有六个纵向延伸的端口列,第一列端口位于所述板的中间,第二和第三列端口位于所述板的各个侧边缘中,第四和第五列端口包括从所述板的各个侧边缘向内延伸的端口,第六列端口位于所述板的中间并与所述第一列端口相互交替。
18. 根据权利要求17所述的热交换器芯部,其中所述第一和第六列端口从所述芯部的各相对端面进入。
19. 根据权利要求17所述的热交换器芯部,其中所述第二和第三列端口从所述芯部的一个端面进入。
20. 根据权利要求17所述的热交换器芯部,其中所述第四和第五列端口从所述芯部的各个相对侧面进入。
21. 根据权利要求17所述的热交换器芯部,其中所述第一、第四和第五列的各个端口在每个板的横向方向上对准,所述第二、第三和第五列的各个端口在每个板的横向方向上对准。
22. 根据权利要求17所述的热交换器芯部,其中所述第一列端口用于接收所述第一热交换流体的流入,所述第二和第三列端口用于使所述第一热交换流体流出,所述第四和第五列端口用于接收所述第二热交换流体的流入,所述第六列端口用于使所述第二热交换流体流出。
23. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中每个所述端口具有相对于其相关联薄层倾斜设置的边沿部分。
24. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中所有的板相互扩散接合。
25. 根据权利要求1所述的热交换器芯部,其中所有通道和分布通道具有相同的横截面形状和尺寸。
26. 根据权利要求25所述的热交换器芯部,其中每个所述分配通道直接连接于形成薄层的所述通道中相关联的一个。
27. 一种使用权利要求1所述的芯部的热交换器。
28. 根据权利要求27所述的热交换器,并且包括连接于所述芯部的头部,用于相对所述芯部来回传输第一和第二热交换流体。
29. 一种使用至少两个如权利要求1所述的芯部的热交换器组件。
30. 根据权利要求29所述的热交换器组件,其中所述芯部背对背地安装,并且头部连接于所述组件,用于相对所述芯部来回传输第一和第二热交换流体。
31. 根据权利要求29所述的热交换器组件,其中所述芯部以选定的长度和取向线性编组,使得当在使用过程中经受导致扭曲的加热时,将会发生复合弯曲,从而使得所述编组芯部的端面的中点的法线保持为共线的关系。
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