專利名稱：中空板熱交換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及一種由堆疊中空板構成的熱交換器，所述熱交換器 具有非常高的性能，即結合小的前表面面積而產(chǎn)生非常高的體積導熱性、 較低的推進所包含流體所需要的機械能、以及能夠在相對較高的壓力差 和溫度下處理液態(tài)和/或氣態(tài)流體。
本發(fā)明其次還涉及一種熱交換器，所述熱交換器類似于以上的熱交 換器，整體性能具有低于以上熱交換器，但更適于某些特定的用途。
背景技術：
中空板熱交換器相比在用于熱機的散熱器上的實心翅片熱交換器具 有較高的性能。實際上，對于相同的體積導熱性，在這種液體/氣體熱交 換器中，相鄰中空板間的間隙相比實心翅片間的間隙更大。結果，前者 的重量、其體積、前表面面積以及消耗的(泵送液體和/或吹送氣體)能 量方面顯著低于后者。然而實心金屬翅片熱交換器繼續(xù)廣泛地用于多種 領域中。在這種情況下，當熱機安裝有普通的水/空氣散熱器時，這些散
熱器的前表面面積(主橫截面)經(jīng)測量大致為每kW待排放能量0.3dm2, 而其操作消耗的機械能(通風及泵送)等于待散失的熱能近10%,或者 如果溫度差很小則更多。這也證明了中空板熱交換器的優(yōu)點。
由聚合物、玻璃或金屬制成的一體的堆疊中空板構成的熱交換器在 TET持有的歐洲專利EP1 579 163 Bl中進行了描述。生產(chǎn)其中一種交換 器的方法包括通過對聚合物型坯，設有雙凸面波紋管、具有模壓陡交 替凸部的壁部的折皺狀空坯進行熱吹風進行制造；并隨后對所述空坯執(zhí) 行受控擠壓。擠壓之后，波紋管采取一體的堆疊剛性中空板的最終形態(tài)， 其中窄內部通道連接至兩個內部歧管。只要所預期的體積導熱性保持在 中間范圍(至多20W/°C/dm3),而所處理的流體處于中等壓力差(至多O.lMPa)而未處于非常高的溫度(< 100°C),這種一體的聚合物熱交換 器對多種應用給出十分滿意的結果。實踐中，在多種特定的情況時，特 別是當所討論的兩種流體的最初溫度差相對較小時(<60°C)，重量、成 本、體積以及能耗(待排放熱能的3%至5%)方面的優(yōu)點極大地彌補了 有限的性能。
這種由具有模壓聚合物壁部的中空板構成的一體熱交換器具有很多 優(yōu)點。熱交換器的壁部具有一定硬度和一定厚度，而硬度和厚度是相互 矛盾的特征，從而使其重量、成本和體積較小。盡管存在冷卻液體的層 流，熱交換器的窄內部通道使液體和中空板的壁部間可以進行良好的熱 傳導。另一方面，模壓的壁部在板之間產(chǎn)生相對顯著的空氣紊流，從而 使板之間的間隙增大。而這顯著地降低了驅使板之間空氣所需要的能量。 另外，這種顯著的在板間循環(huán)的空氣中的紊流增大了明顯的空氣熱導率 并由此增大了整個熱交換器的熱傳導。
然而，經(jīng)驗顯示如果為了尋求提高預期的性能水平以及特別是由 此生產(chǎn)的熱交換器的體積，這種熱吹送以及隨后對聚合物空坯的雙凸面 波紋管進行受控擠壓的兩階段技術遇到了限制的結果。事實上，通過這 種4支術，可以在內部通道和才反的壁部的厚度方面完全控制 一體的堆疊中 空板的兩階段制造技術，即使對于熱交換器的體積熱導值所述厚度是決 定性的參數(shù)。在實踐中，對于中空板的內部通道，這將產(chǎn)生平均值為兩 毫米左右的厚度。壁部厚度的平均值在一毫米的范圍內，而離差至少為 50%,其中離差主要是因為在對空坯進行熱吹送的過程中壁部不均勻變 窄。
除了可歸因于厚度問題產(chǎn)生的性能限制，必須注意的是堆疊中空板 的內部歧管的存在增大了這種限制產(chǎn)生了所有中空板共享的中部通道。 而使兩個歧管間液體直接快速流動。結果，相對較大的中部通道幾乎不 產(chǎn)生理想的熱交換器。
用于多種用途的高性能冷卻設備在TET遞交的國際申請WO 2006/010822中進行了描述。在所述設備中，散熱器是根據(jù)TET的歐洲專 利中的方法生產(chǎn)的熱交換器。為了一種具體的用途(考慮到對來自柴油機廢氣進行回收而對其冷卻)，在所述用途中提供使用一種具有中空金屬 板的 一體熱交換器，所述一體熱交換器能夠經(jīng)受住的壓力差和溫度相比 一體聚合物熱交換器受到的壓力差和溫度更高。為此，用于熱交換器的
金屬折皺狀空坯必須通過液壓成形而制造。在具有中空金屬板的一體熱 交換器領域該已知技術表現(xiàn)為有希望，但此時該技術仍然不能正確地實 現(xiàn)，而且該技術自身在理論效率受到限制。事實上，由于冷卻液體、水 或油的熱阻系數(shù)高，在這種中空板中層流的液層的熱阻不可避免專交高，
所述液層的平均厚度至少2mm。這樣將失去所設想的金屬壁部提供的熱 阻低的大部分優(yōu)點。
因此，其它生產(chǎn)金屬熱交換器的方法必須發(fā)展由于幾種特定的用途， 特別是用于最初所設想的用途，并更一般地用于任何包含可能具有非常 高性能熱交換器的設備。為此，新的金屬熱交換器和上述一體熱交換器 的重量、體積、前表面面積和機械能耗必須一樣小。盡管這樣，可是新 的金屬熱交換器具有更高的體積熱導(例如，100W/。C/dm3)，而更重要 的是可以在高壓力差和溫度(例如，1 MPa和600。C ) T正確地進行才喿作。 另外，其它由第一金屬熱交換器得到的較低性能的聚合物或玻璃熱交換 器也是可行的，所述熱交換器涉及特定具體用途，特別是使用腐蝕性流 體的用途。
為此，不同于最初設想用于對柴油機的廢氣進行冷卻的一體金屬熱 交換器，特別是設想用于該特定用途的新的熱交換器必須安裝有中空金 屬板，所述中空金屬板設有盡可能窄和精準的內部通道和既硬又非常薄 的壁部。這種熱交換器的一般特征顯然完全不同于在前熱交換器的一般 特征。這些熱交換器將借鑒在1964年的專利US 3 153 447和1974年的 專利US 3 849 851中描述的開發(fā)用于對配電系統(tǒng)中的變壓器進行冷卻的 重量大、體積大的熱交換設備。所述設備由具有模壓壁部的大型中空金 屬板構成，其中模壓壁部通過焊接至能夠豎直設置并通過自然對流循環(huán) 的空氣冷卻的外部歧管而連接。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一目的在于一種高性能的熱交換器，其由具有通過適當 的模壓變硬的薄金屬壁部的中空板構成，同時具有低重量、體積和表面 面積，低機械功率消耗和高體積熱導，同時適于可靠地、容易地控制工 業(yè)生產(chǎn)，并且還能夠在高溫和/或高壓下處理液態(tài)和/或氣態(tài)流體。
本發(fā)明的第二目的涉及改善的熱交換器，與先前的交換器類似，與 先前的交換器的區(qū)別在于，具有比先前的交換器低的性能然而更適于特 殊應用，包括具有通過適當模壓變硬的薄聚合物和玻璃壁部的一堆中空 板。
本發(fā)明的第三目的在于一種具有小前表面面積的緊湊散熱器，由所 述改善的熱交換器制成，具有高熱導率并且要求非常低的抽吸和通風功率。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器具有低重量和體積以及非常高體積熱導的熱
交換器，能夠在高壓力差和溫度下處理流體，其中
多個中空金屬板，其具有在內部通道，所述多個中空金屬板均勻間 隔開地堆疊并且連接至外部歧管；
所述多個板包括模壓的中部區(qū)域，其位于設有窄開口的兩個連接區(qū) 域之間，所述窄開口的面積近似等于所述中部區(qū)域的橫截面的面積；
所述多個板的壁部通過印模沖壓和切割金屬片制造；
一個中空板的兩個壁部的側邊緣被焊接；
其中
各中空板的壁部均為剛性的并且非常薄，它們的模壓的中部區(qū)域具 有一組或多組交替排列的凸部，設有陡應變硬化面，產(chǎn)生大量的銳利邊 緣，面向傾斜和/或垂直于所述凸部的排列；
相對面之間的間隙在設想的壓力差的范圍內，是均勻、非常小、嚴 才各標稱并且實際恒定的；
分離所述多個板的所述間隙相對窄。
在解釋這些新設置的優(yōu)勢之前，應當注意到在相關美國專利中，板 的壁部無需是薄的并且它們的剛性不是特殊問題，這樣壁部的中部區(qū)域的模壓不是解決變硬問題的方法。在這種情況下，僅僅是存在中部區(qū)域 的模壓。由普通金屬制成的壁部的充足的厚度毫無疑問能夠滿足需要。 模壓僅僅是為了增加板的熱交換區(qū)域而不增加它們的尺寸。這通過由在 壁部上均勻間隔的相對小的凹進處產(chǎn)生的縱向波紋實現(xiàn)。示出了這些波 紋的特殊外形，由于在這種類型的交換器中波紋外形不會引起注意，這 些外形是普通的并且難以認為具有創(chuàng)新性。然而，由于這些外形中空板 的內部通道具有圍繞相對高度平均值對稱的變化的波動厚度。此外，內 部通道的壁部不包括相對傾斜面。
根據(jù)本發(fā)明的第一設置，首先包括具有非常薄的剛性壁部(例如
0.15mm的某些片)的板，所述剛性壁部通過其應變硬化而獲得標準(冷) 印模沖壓時的"額外收益，，，從而具有非常高的硬度和彈性限度；這些凹 部和凸部的各面用作剛性條，并且各銳利邊緣用作埋入這些條的梁。由 此，在施加壓力差作用的情況下，這些條可以僅僅產(chǎn)生非常有限的偏斜。 尤其是，當外部產(chǎn)生過壓時，這種偏斜總是保持遠小于中空板的內部厚 度的一半，在凸部的面之間測量的所述厚度被嚴格的設置成為相當?shù)男?(例如0.3mm)。這樣防止了相對面的壁部之間的任何接觸，由此總是正 確地執(zhí)行兩種流體之間的熱交換功能。
在這些條件下，根據(jù)本發(fā)明的各模壓中空板能夠獲得顯著的初級硬 度是由于構成所述板的壁部的金屬被應變硬化，并且此外所述板的交替 凸部顯著地增加了其慣性運動。即使在流體之間存在高壓差，這些雙重 硬化的非常薄的條也由此能夠優(yōu)選地用作沿它們的兩個表面循環(huán)的兩種 流體之間的有效熱交換器。這些必須提供這種硬度的印模沖壓交替凸部 的直接特征限定了本發(fā)明的技術。它們采用由初始扁平片的顯著局部拉 長產(chǎn)生的陡應變硬化面的形式，由此產(chǎn)生許多非常薄、非常硬的條，這 些條的邊緣均埋入由凸部的銳利邊緣形成的梁中。
形成在陡面之間的二面體的銳利邊緣具有第二公知效果，即增加空 氣的表觀熱導率；取向為傾斜和/或垂直于氣流的方向的邊緣具有在穿過 分離所述板的相當窄的間隙的總體上快速的氣流中產(chǎn)生顯著的紊流的效 果。在相關美國專利中豎直設置波紋狀板的情況下，由于因自然對流循
9環(huán)的緩慢的氣流穿過以不確定的尺寸分離板的間隙，這種設置肯可能是 無意義的。
如果我們現(xiàn)在參考TET的歐洲專利來對這種裝置進行總結，可以發(fā)
現(xiàn)所有在這種新熱交換器中，上述性能局限性的消除且由其相反方面替
代的原因是壁部和內部通道非常??；精確且公知的厚度；以及將在下 面詳述的中部通道可以取消。反之，涉及在所述歐洲專利中描述的一體 聚合物熱交換器的中空板的模壓壁部的所有積極特征均保留。這些特征 被來自所使用的金屬片應變硬化的特征而增強。由于它們與同樣使用非 常薄的壁部且產(chǎn)生相當窄的內部通道的美國專利中描述的交換器的優(yōu)點 的結合，生產(chǎn)出新的、非顯而易見的熱交換器。因此，這種新的交換器 的性能級別極大地超過了根據(jù)TET歐洲專利的一體聚合物熱交換器的已 經(jīng)非常有效的性能級別。
根據(jù)獨特的特征，對上述主特征的補充在于，
各中空板包括至少兩行交替凸部；
兩個相鄰行通過窄直分區(qū)分離，兩個相鄰的行由窄直分區(qū)分離，所 述行由兩個內部印模沖壓或加熱成形的凸起形成，并且通過焊接組裝；
所述多個凸起的高度等于所述多個板的內部厚度的在它們的凸部的 脊部的值的一半。
來自在相關US專利中設想的以改善具有大尺寸(m勺的所述^1的剛性 的可能的這些后敘的裝置給出了根據(jù)本發(fā)明的熱交換器的兩個獨特的有 利結果。首先，在相對高內部過壓的狀況下，采用這種熱交換器的中空 板，直內部分區(qū)保持模壓的中部區(qū)域的內部厚度的值實質上獨立于板的 薄壁部所受到的壓差。這樣的結果是，具有由適當?shù)哪河不姆浅１?的壁部的中空板能夠經(jīng)受住相當高的內部過壓而不被損壞。除了這種焊 接的內部凸起，高剛性交替凸部的相鄰行可以通過用作鉸鏈的柔韌區(qū)域分離。響應這種過壓，這將導致板的輕微膨脹，從而導致板之間的間隙 中的熱交換的顯著降低，或者甚至快速地損壞所述板。然而，通過由所 述兩個焊接內部凸起形成的這種分區(qū)，無需系統(tǒng)地增加中空板的非常薄 的壁部的厚度，以使得它們能夠經(jīng)受住短暫的高內部過壓。這意味著可 以生產(chǎn)輕型低成本熱交換器。
這些焊接內部凸起的第二個優(yōu)勢在于形成更高效的理想熱交換。通 過這種方式形成在兩個相鄰行的交替凸部之間的內部分區(qū)構成進入中空 板的液體流的障礙物。各障礙物的第 一個效果在于防止兩個外部歧管之 間的沿具有小表面面積的光滑壁部的顯著的直通流，由于如在上游歧管 的后部區(qū)域中那樣這種表面未經(jīng)強氣流清掃，這將導致理想熱交換效率 低下。另一方面，這種障礙物的第二個效果在于引導入流朝向兩行交替 凸部，這樣就有高熱交換效率，并且由此最大化熱交換執(zhí)行。
應當注意到，這兩個優(yōu)勢與在相關US專利中描述的具有相對厚壁部 的大型中空板的熱交換器的關系不大。在這種交換器中，在大型豎直板 的底部產(chǎn)生的最大壓力差是通過冷卻油產(chǎn)生的相對低的流體靜力學過 壓。這不涉及根據(jù)本發(fā)明的熱交換器，顯然熱交換器可以安裝在任何相 關位置，并且最重要的是可以在非常高的壓力差下操作。此外，由于在 遠大于外部歧管的中空板中通過自然對流使得油從頂部循環(huán)到底部，因 此低上游動態(tài)壓力因低循環(huán)速度而防止了所述油能夠支持從一個歧管到 另 一個歧管的快速直接通道。
根據(jù)對現(xiàn)有技術的特征性補充
由所述交替凸部的兩個相鄰面的法線形成的角經(jīng)測量為至少30° , 這樣所述表面的銳利邊緣可以有效的產(chǎn)生紊流并且等效于其中埋入這些 凸部的表面的梁；
兩個相鄰面的法線的最大角受到相關金屬片是印模沖壓的條件限制。
根據(jù)對現(xiàn)有技術的特征性補充，板的相對面具有平行壁部，并且分 離所述壁部的間隙恒定并且與它們的厚度的數(shù)量級相同。
根據(jù)對現(xiàn)有技術的特征性補充
交替凸部自身具有兩個等腰梯形面，具有共同的縱向邊緣并共享兩 個偏凍牛方形面；
偏斜方形面的長對角線經(jīng)測量為板的壁部的厚度的數(shù)十倍。 根據(jù)對現(xiàn)有技術的特征性補充
交替凸部自身具有兩個三角形面并共享兩個具有共同橫向邊緣的六 邊形面；
六邊形面的橫向邊緣間的距離經(jīng)測量為板的壁部的厚度的數(shù)十倍。 根據(jù)對現(xiàn)有技術的特征性補充，各中空板模壓的中部區(qū)域通過兩個
設置具有明顯斜面的側邊緣的連接區(qū)域和包括部分截頂圓錐的光滑壁部
而連接至外部歧管。
根據(jù)對在前技術的特征性補充，外部歧管具有能夠最小化其阻力的
空氣動力學外形。
根據(jù)對在前技術的特征性補充，對稱凸部面似乎以菱形圖案進行切 割并包括幾個設有額外銳利邊緣的次級面。
由于所述不同的設置，由此生產(chǎn)的熱交換器的體積熱導特別高。對 此存在幾個原因(1 )板具有熱阻可忽略不計的金屬壁部，(2)盡管由 于非常薄的水或油層的層流和相對較高的液體熱阻系數(shù)，板中的所述層 的熱阻較低，以及(3)在板間循環(huán)的空氣的紊流和明顯的熱導率隨凸部 高度和板包括的銳利邊緣的總數(shù)而增大。具有分別包括幾個設有以大致 45。傾斜的面的交替凸部的至少兩行，有效的解決方法在所包含的不同 參數(shù)間獲得。對面的斜度小于大致50。的凸部進行印模沖壓是不會引起 生產(chǎn)問題的標準操作，當所述凹部和凸部的高度固定時，法線至兩個相 鄰面之間30°的最小角度確保滿意的空氣流的紊流和板的中部區(qū)域中各 行凸部的最小寬度。此外，法線至兩個相鄰面之間30°的最小角度使所 討論的邊緣足夠堅硬而使其與梁具有可比性，而邊緣隨后總體與梁的網(wǎng)
12狀物具有可比性。
此外，通過將由堆疊大量這種相同的板形成的熱交換器連接至兩個 外部歧管，以恒定流速在其間循環(huán)及可適用的相對較快層流的液體的壓 力下降顯著地減小。任何時候，這種堆疊顯著地降低了泵送液體所必需
的能量。除了使用具有空氣動力學外形的外部歧管之外，盡管存在相對 較大的分離板的間隙，平行于兩種交叉流體的流速安裝的板的最大尺寸 將導致散熱器的氣動阻力和/或使散熱器通風必需的能量顯著降低。
對于可用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的中空板的壁部的金屬，應當注意的是 這種金屬為數(shù)不多但對于印模沖壓領域的技術人員是公知的，而最終選 擇(例如，鋁或鋼)將主要由結合所述板的熱交換器的操作溫度范圍內 端所述金屬的機械特性確定。
由于所述多種設置，根據(jù)本發(fā)明的非常高性能的熱交換器的工業(yè)制 造包括一組可完全控制的相對容易實現(xiàn)自動化的操作，從而產(chǎn)生大生產(chǎn)
這種熱交換器有利的成本價，所述操作如下
1 )對相同的由薄金屬片制成的板壁部進行印模沖壓及切割； 2) 反轉一個壁部；
3 )通過對兩個相鄰壁部的側凸緣和其內部中部分區(qū)進行焊4妻而
裝配兩個相鄰的壁部； 4) 通過將所述中空板焊接至其兩個外部歧管安裝和固定。 根據(jù)本發(fā)明，具有非常高的體積熱導率的緊湊型散熱器的特征在于 所述緊湊型散熱器包括兩組相同的薄金屬中空板熱交換器，與兩個 主上游和下游歧管相連，設有扁平矩形表面，彼此略微分離開并設置為 使其方角彼此相對。
各組中的熱交換器中的上游和下游歧管分別以恒定的略微大于熱交 換器中部區(qū)域的寬度的間隔連接至兩個主上游和下游歧管的兩個表面。
通過這種設置，散熱器可以構造為具有非常高的體積熱導率以及盡 可能小的主橫截面(每kW待排放能量近0.1dm2)。大量的根據(jù)本發(fā)明通 過大量堆疊的金屬中空板形成的熱交換器可容易地裝配在兩個主扁平歧 管的任一側上。該緊湊型散熱器還需要特別低的泵送和通風能量，低于具有相同熱傳導的實體翅片散熱器需要的能量五倍左右。


參考附圖，閱讀以下對本發(fā)明的非限制性實施方式的說明后，本發(fā)
明的特征和優(yōu)點將變得更加清楚，在附圖中
圖l是根據(jù)本發(fā)明的中空板的第 一模壓壁部的頂視圖2A是根據(jù)本發(fā)明的中空板的第二模壓壁部的頂視圖，而圖2B和圖
2C是所述壁部的具體的面的^f見圖3是在第 一壁部上的交替凸部的縱向橫截面；
圖4是焊接至歧管的中空板的一個端部的縱向橫截面；
圖5是具有15個中空板的熱交換器的等距立體圖6是根據(jù)本發(fā)明使用所述熱交換器構成的散熱器的頂視圖。
具體實施例方式
圖1示出了中空板的薄金屬壁部10的第一實施方式。所述壁部進行 了印模沖壓并隨后進行切割以具有設置在兩個連接區(qū)域之間的模壓的中 部區(qū)域13。作為實例，所述壁部由鋁制成、厚0. 3mm,其才莫壓的中部區(qū) 域寬60mm、長76mm。所述中部區(qū)域13是由兩個相鄰的通過寬4mm的較 窄的直形區(qū)域16分離開的相同行的交替凸部12和14構成的。兩個連接 區(qū)域18和20具有平滑壁部。各行包括兩個相同的交替模壓、由凸部和 凹部構成的范圍(area),即行12-14 —方面具有四個凸部22w和24^ 而另一方面具有四個凹部22V2 and 24V2,其中后者以灰色示出。各凸 部22^-24i-2或各凹部22，u-24V2形成類似帶四個具有四個非常陡的銳利 邊緣的坡面的屋頂形狀，即對于行12中的每個交替凸部(l)其自身的， 用于凸部的兩個對稱的梯形26w和28^以及用于凹部的26、-2和28V2， 均具有19mm的大底邊，(2)共享同行中相鄰的凸部，用于凸部的兩個 等腰三角形30w和32w以及用于凹部的30，w和32、—2,均具有28mm的 底邊，(3)用于凸部的縱向脊部34u,以及用于凹部的34Y2,長度均為 5mm,以及(4)相同的高度5mm。應當注意的是屬于兩個連續(xù)交替的交替模壓的行12 (類似地在14 )中的兩對等腰三角形302-30、和30V32i形 成兩個扁平的菱形。
在分裂為所示出的壁部10的兩個模壓的中部區(qū)域13的窄直形區(qū)域 16處，2mm寬的內部凸起36通過印模沖壓產(chǎn)生，其中對稱側面如印模 沖壓技術所允許的硬度。這種凸起36的高度等于分離所產(chǎn)生的中空板的 兩個壁部上的凸部的脊部的最大間隙的一半(即，如下文所限定的 0.2mm)。兩條線38-40將在一個中空板上的兩行交替凸部12-14的平行 外部凸緣與成對的外部凸緣42-44分離開，所述成對的外部凸緣42-44形 成兩個板壁部的部分密封表面。所述線38-40和凸緣42-44的寬度為lmm 并形成0.2mm高的臺階，所述臺階確定板在其凸部的脊部處內部厚度的 一半。這兩個扁平線38-40結束于壁部10的兩個連接區(qū)域18-20的兩個 扁平部46-48,而這兩個平行凸緣42-44結束于相同連接區(qū)域的兩對傾斜 外部凸緣50r502和52r522;它們形成板壁部的密封表面的其它部分。各 凸緣50m或52w與對稱壁部10的縱向線形成60°的角。各連接區(qū)域 18-20的端部包括幾乎扁平的截頂圓錐部54-56,其半圓錐角為87.5。。 所述錐形部由兩對弧形58m和60l2限定，后一對弧形6Ch—2長8mm。其 端部通過兩個高1.5mm的臺階彼此連接，從而用于中空板部的各上游和 下游開口的范圍經(jīng)測量為24mm^即大致為板的模壓的中部區(qū)域13的內 部空間的橫向橫截面的范圍。
圖2A示出了經(jīng)印模沖壓及隨后進行切割的薄金屬壁部11,所述薄 金屬壁部11構成了根據(jù)本發(fā)明的中空板的第二實施方式。所述壁部11 僅僅在其模壓的中部區(qū)域、以及交替凸部的形狀不同于在前的壁部10, 其中所述壁部11僅僅包括26mm寬的單行凸部15。所述單行包括三個凸 部22bw和三個凹部22，bw,凹部22，bw以灰色示出。各凸部22b^和各 凹部22，bw形成類似具有四個陡坡面的屋頂形狀。對于行15中的三個交 替凸部，分別對每一個給出(l)其自身的，用于凸部的成對對稱的等 腰三角形25bw、 27hh-2、 29bu，以及類似地用于凹部的25，bu、 27，b^、 29，bw,均具有14mm的大底邊，以及(2 )共享相鄰的凸部，中心六邊 形31w,均具有長18mm以及相同高度5mm的橫向脊部。
15圖2B和2C示出了作為圖l和圖2A中凸部面的改型的在圖2A中具 有第二面的兩個主面。圖2B示出了設置有形成具有三個銳利邊緣的相對 扁平的三個次級面37w的三角形的側面25,其中菱形尖點39位于該三 角形的重心處。圖2C示出了六邊形的縱向面31,所述六邊形的縱向面 31設置有六個具有共面?zhèn)?1^,其中中心菱形尖點43w類似于圖2B中 的尖39。這些尖點的高度由金屬片印模沖壓技術的限制而確定。
圖1和圖2A示出了兩個在根據(jù)本發(fā)明的中空板的模壓壁部上的凸部 采取的可行的形式。為了提高這些凸部在板之間的氣流中產(chǎn)生紊流的能 力，圖2B和圖2C示出了這些凸部的主面的可行的改型。
圖3示出了中空板連接至歧管之前沿部分中空板的其中一個端部的 軸線AA，的縱向橫截面的放大圖。所述板是焊接兩個壁部10a和10b的結 果，所述壁部10b是圍繞對稱的橫向軸線BB，(參見圖1)反轉的壁部 10a。所述橫截面AA，沿由行14中的凸部242和凹部24，2形成的交替模壓 的脊部352 and 35，2制成，表情所述橫截面AA，穿過所述板的壁部10a的 連接區(qū)域18。圖4示出了同一個板端部的橫截面的放大圖，所述橫截面 沿壁部10a的交替凸部以及連接區(qū)域18和20的行12和14的對稱的縱 向線CC，(參見圖1)制成。
在圖3中，板的底壁部10b和頂壁部10a的第一實施方式的凸部和 凹部#:反轉，從而頂壁部10a的部分242和24，2/人圖3的輪廓圖中觀察分 別作為凹部和凸部。在以上限定的壁部10b上的凸部24、和凹部2+分別 嵌套凹部和凸部。中空板位于板的模壓區(qū)域的嵌套脊部34廣35'2或34'r352 之間的部分內部通道62的厚度為0.4mm,而位于凸部上升或下降側的45 °斜面之間的部分內部通道64的厚度為0.28mm。在連接區(qū)域18和20 的扁平部分之間的內部通道66的厚度為0.4mm。
根據(jù)圖3，橫截面沿線AA，的右手部分示出了(1)壁部與壁部10a-10b 的兩個面對的圓錐截面54-56逐漸分離的起點68, (2)這些壁部開始于 圓形物582和58i的兩個對稱的臺階，以及(3 )限定壁部10a密封表面 的兩個對稱的外部凸緣522和5(^。
根據(jù)圖4，所示出的橫截面沿接合并焊接有焊珠(bead) 70的一個中空板的對稱縱向軸線CC，在狹槽72的邊緣和端部中制成，在由兩個獨: 此焊接的加長殼體形成的外部歧管75的連接殼體74中以120?；⌒沃?成。所描繪的橫截面示出了壁部10a和10b的窄中部區(qū)域由0. 4mm間隙 分離開的兩個平行截面16a和16b，以及符合中空板的兩個壁部10a和 10b的連^妄區(qū)域的面對圓錐截面的兩個其他分叉的截面54和56。這兩個 分叉截面的末端邊緣之間的間隙為3mm,而120°弧602和6C^(參見圖1) 的長度為8mm。結果，具有模壓壁部內部通道的直形橫截面的面積與翅 片的端部中的開口的面積大致相等。
圖5示出了包括15個具有模壓壁部的薄中空金屬翅片78m5的勤出 熱交換器76。這些中空板的端部如上文所示出的在具有3.5mm寬間隔 8mm的圓形邊緣的狹槽中接合并焊接，所述圓形邊緣在外部歧管80-82 的壁部中制成，具有空氣動力學外形。為了便于生產(chǎn)這種焊接物，歧管 80-82由兩個加長殼體構成，其中U肜橫向橫截面沿線83彼此浮接。歧 管由從用于生產(chǎn)印模沖壓板壁部相同的片狀物切下的金屬條制成。具有
適當寬度、長度和間距的狹槽在一半條狀物中制成，隨后兩種以這種方 式制備的條狀物通過兩個具有突出和中空外形的匹配模板而成為前外殼 和連接殼體75。隨后，在多個中空板中的開口焊接至連接殼體中的狹槽。 接下來，兩個前閉合殼體依次焊接至在前的兩狹槽，并且其中一個端部 被密封，以形成兩個流線型外部歧管和熱交換器自身。
圖6示出了緊湊型散熱器81的頂視圖。為了形成具有適當總導熱性 的緊湊型散熱器，六個相同的熱交換器76^可以從從頭至尾以矩形平行 地安裝在兩個扁平主歧管84-86的任一側上。這些扁平歧管84-86具有平 行的側面88l2和90l2,而且厚度大致等于外部歧管80m的直形橫截面的 最大尺寸。兩個相鄰的熱交換器安裝為使其板的側邊緣在實踐中對接或 略微交叉。在第一種情況中，上游外部歧管8(^—6和下游外部歧管82l6 的底部(foot)以相同的深度接合在適當?shù)膱A形開口 94w和96l6中，所 述圓形開口 94"和96^以恒定的間隔沿主歧管面的長側面92-93制成， 并且隨后對所述底部進行焊接。在第二情況中，歧管插入的深度對于奇 數(shù)和偶數(shù)行中的熱交換器是不同的。兩個主歧管的最長的平行側882-902的長度由待安裝的熱交換器84-86的數(shù)量確定。兩個主歧管84-86的短 側的長度由外部歧管80-82的間距并且通過分離其傾斜側面的間隙100 (典型地為5mm)而確定。
對具有通過模壓硬化的非常薄的壁部的由堆疊的薄中空金屬板形成 的熱交換器的這種裝配允許形成緊湊型散熱器，所述緊湊型散熱器特別 有利于對高功率熱機(〉100 kW)進行冷卻。所述緊湊型散熱器具有非 常小的主橫截面、非常高的導熱性、較低的泵送及通風能耗、以及有限 的體積和重量。同樣適合使用冷卻劑以改進低速時操作而處理柴油機廢 氣。更一般而言，具有高溫度和/或壓力差(至大約600。C和lMPa)的 兩種流體間、特別是液體和氣體間的任何熱交換可以通過這種緊湊的金 屬組件有效地進行。
本發(fā)明并不限于所描述的實例。中空板的長度和寬度顯著大于圖1 中示出的中空板的長度和寬度，經(jīng)測量為幾個分米。這種情況同樣適用 于各板上各行的交替凸部的數(shù)量和行數(shù)。板的最大尺寸在實踐中由可利 用的印模沖壓壓力確定。熱交換器中中空板的數(shù)量可以增大至幾十。這 種情況同樣適用于裝配在緊湊型散熱器中熱交換器的總數(shù)量。
同樣注意的是可以使用兩個適當?shù)哪罕诓可a(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的中空 板，其中所述模壓壁部由于其不同的側邊緣而類似并不相同。除了兩個 相同的具有包括限定中部區(qū)域的內部通道一半厚度的小臺階的側凸緣的 壁部，可以使一個壁部具有帶在前臺階兩倍高臺階的凸緣，而另一個壁 部不具有任何臺階。當生產(chǎn)率較高時，這將需要使用兩對不同的印模沖 壓模具，而具有較小的成本影響。
以上的附圖示出了用于液體/氣體的熱交換器的中空板。液體在這些 具有非常窄的內部通道(0. 3mm)的金屬板中循環(huán)。在氣體/氣體熱交換 器的情況中，所述內部通道的厚度明顯更大(典型地〉lmm)，板之間的 間隙通常小于在示出的熱交換器上的板之間的間隙。這樣，兩種氣體的 質量流和速度在中空板的壁部的任一側上可進行比較。
而且，對于特別的用途，特別是在使用腐蝕性流體的化學以及任何 其它領域中，理想的并且有時必要的是使用高性能的玻璃熱交換器，所述玻璃熱交換器尤其適于其使用條件。為此，這些玻璃熱交換器將設有 高體積導熱性，用于或由單片聚合物制成或由根據(jù)本發(fā)明的類型的金屬
(20或100 W/°C/dm3)制成的中空板熱交換器的以上給出的導熱性的一 半。作用于這些玻璃熱交換器的最大溫度和壓力差將低于根據(jù)本發(fā)明的 金屬熱交換器經(jīng)受住的溫度和壓力差，而高于涉及根據(jù)TET的歐洲專利 的單件聚合物熱交換器的最大溫度和壓力差。對于相同類型的用途，同
樣有利的是使用體積導熱性大于這些單件熱交換器體積導熱性大致5 0% 的聚合物熱交換器，而保留其壓力差和溫度范圍。
為此，可以采用及應用根據(jù)本發(fā)明的金屬熱交換器的新技術，代替 金屬片，可以僅僅使用玻璃或聚合物片并且通過印模沖壓或加熱成形進 行處理。這兩種片狀物形成技術中使用的制造方法彼此類似第一使用 機械壓力和兩種包括凹部和/或凸起的匹配模具，而第二使用氣壓和具有 凹部和/或凸起的單個模具；這種方法均使用適當?shù)募訜?。然而，并不?起應變》更化。
這種具有模壓壁部和外部歧管的玻璃或聚合物中空板熱交換器的壁 部和內部通道的厚度將不可避免地隨著所使用的玻璃或聚合物的類型的
特定機械性質增大。如上所述，其性能將直接源自此。
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權利要求
1. 一種具有低重量和高體積熱導的熱交換器(76)，能夠在高壓力差和溫度下處理流體，其中多個中空金屬板(781-15)，其具有窄內部通道，所述多個中空金屬板均勻間隔開地堆疊并連接至外部歧管(80-82)；所述多個板包括模壓的中部區(qū)域(13)，其位于設有窄開口(601-2)的兩個連接區(qū)域(18-20)之間，所述窄開口的表面面積大致等于所述中部區(qū)域的橫截面的面積；所述多個板(78)的壁部通過印模沖壓和切割金屬片生產(chǎn)；中空板(78)的兩個壁部(10-11)的側邊緣(42-44)被焊接；其特征在于各中空板(781-15)的壁部(10-11)均為剛性且非常薄，它們的模壓的中部區(qū)域(13)具有一組或多組(12-14)對齊的交替凸部(22-22’和24-24’)，設有陡應變硬化面(24、26、28、30)，產(chǎn)生大量的銳利邊緣，傾斜地進行取向和/或垂直于所述凸部的排列；相對面之間的間隙(64-66)在所設想的壓力差的范圍內是均勻、非常小、嚴格標稱并且實際恒定的；分離所述多個板(781-15)的所述間隙相對較窄。
2. 根據(jù)權利要求1所述的熱交換器，其特征在于其由多個玻璃或聚合物中空板構成，具有薄內部通道，以恒定間隔堆疊并連接至外部歧管；所述多個中空板的所述壁部由熱印模沖壓或加熱成形制造，并隨后從玻璃或聚合物片上切割下來；所述多個板包括模壓的中部區(qū)域，位于設有窄開口的兩個連接區(qū)域之間，所述窄開口的面積近似等于所述中部區(qū)域的橫截面的面積；中空板的兩個壁部的側邊緣被焊接；所述板的中部區(qū)域具有一組或多組對齊的交替凸部，i殳有陡面，產(chǎn)生大量的銳利邊緣，傾斜地進行取向或垂直于所述凸部的排列；相對面之間的間隙在所設想的壓力差的范圍內是均勻、較小、嚴格標稱以及實際恒定的；分離所述多個板的所述間隙相對較窄。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于 各中空板(78)包括至少兩行(12-14)交替凸部； 兩個相鄰的行由窄直分區(qū)(36)分離，所述行由兩個內部印模沖壓或加熱成形的凸起形成，并且通過焊接組裝；所述多個凸起的高度等于所述多個中空板的內部厚度的最大值的一半。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于 由所述交替凸部的兩個相鄰面的法線形成的角經(jīng)測量為至少30° ，這樣所述表面的銳利邊緣可以有效的產(chǎn)生紊流并且經(jīng)受住流體之間的壓 力差；兩個相鄰面的法線的最大角受到所討論的材料是印模沖壓或是加熱 成形條件的限制。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于 所述交替凸部的自身具有兩個等腰梯形(26w、 26、-2)形式的側面，具有公共縱向邊緣(3+、 34、)，以及共享兩個中部長斜方形面(302 -30、)；所述長斜方形面的長斜邊可經(jīng)測量為所述多個板的壁部的厚度的數(shù) 十倍。
6. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于 所述交替凸部自身具有兩個用于凸部的等腰三角形(25bw、 27bL2以及29bu)和用于凹部的等腰三角形(25，bu、 27，bw以及29，bu)形 式的側面，以及共享的用于凸部(22bw)和用于凹部(22，bw)的兩個 中部六邊形面，這些六邊形面具有公共橫向邊緣；所述六邊形面的橫向邊緣之間的間隙可經(jīng)測量為所述多個板的壁部 的厚度的數(shù)十倍。
7. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于各中空板的才莫壓的中部區(qū)域(13)通過設有顯著傾斜的側邊緣和包括部分截頂圓錐(54-56)的光滑壁部的兩個連接區(qū)域(18-20)而連接至 所述外部歧管。
8. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于 中空板的相對面具有平行壁部，并且分離所述壁部的間隙(64)恒定并且與它們的厚度的數(shù)量級相同。
9. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于 對稱的凸部面顯示為被切割成菱形圖案(25-31)且包括多個次級面(37i—3-41w)并且設有互補的銳利邊緣。
10. 根據(jù)權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于 所述多個中空板的外部歧管(80-82)具有能夠最小化交換器的阻力的空氣動力學外形；各歧管由兩個加長的殼體構成， 一個殼體(75)用于連接至板，并 且另一個殼體用于連接至外殼，它們的橫向橫截面為U形并且通過焊線 (83);波此固定。
11 .一種具有高或非常高的熱導率的緊湊輕型散熱器，其特征在于 其包括兩組相同的熱交換器(76),所述熱交換器根據(jù)權利要求5具有由金屬，玻璃或聚合物制成的中空板(78w5),所述兩個組通過兩個薄主上游歧管(84)和下游歧管(86)相連，設有彼此略微分離的扁平直角梯形表面(100),并設置為它們的方角彼此相對；各組中交換器的單個上游歧管(82^)和下游歧管(80m)以略大于 交換器的中部區(qū)域(13)的寬度的恒定間隔，分別連接至兩個主上游歧 管和下游歧管的兩個類似表面。
全文摘要
一個熱交換器(76)具有堆疊的12cm長5cm寬的薄金屬壁中空板(7S1-J5)。每一個壁具有通過位于兩個連接區(qū)域之間的帶有陡面的交替凸起硬化的中部區(qū)域。每一個壁通過沖壓然后切割成合適的金屬片(鋁0.3mm厚)而做成。兩個散熱片壁的邊緣形成階梯，對稱焊接的每一個階梯的高度為散熱片的一半厚度。每一個小板連接區(qū)域以一個窄開口結束，所述窄開口的截面具有與所述模壓的中部區(qū)域大致相等的表面面積，并被焊接到在外部歧管(80-82)中制成的狹槽的邊緣。在流體為液體(水)時，小板的內部通道的厚度約為0.4mm，而在另外的流體為氣體(空氣)時，在小板之間的間隔的厚度為7mm。通過熱沖壓或加熱成形，玻璃片或聚合物片也可以使用，但性能不一樣好。可以由平行安裝在兩個平主歧管的每一側的多個交換器構成一個散熱器。適用與任何具有高體積導熱性、低重量、以及低抽吸和通風功率的熱交換器。
文檔編號F28D9/00GK101466993SQ200780022168
公開日2009年6月24日 申請日期2007年6月12日 優(yōu)先權日2006年6月13日
發(fā)明者讓-保羅·多芒 申請人:熱交換科技公司