專利名稱：具有壓痕圖案的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有壓痕(indentation)圖案的熱交換器，且尤其涉及一種設(shè)置有取代傳統(tǒng)人字形圖案的特殊圖案的熱交換板，所述特殊圖案包括凸起(bulge)和凹穴(hollow)。由于采用這種新型圖案，所以可以獲得更牢固的設(shè)計和更有利的傳熱特性。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代化的熱交換器常常設(shè)置有具有所謂人字形圖案(即，具有包括直的峰和谷的壓痕的圖案)的板。所述峰和谷在中心處改變方向，形成類似于人字形的圖案。在熱交換器組件中，翻轉(zhuǎn)交替的板，以便壓痕彼此交叉。熱交換器可以完全銅焊(braze)或者設(shè)置有橡膠墊圈。
當這種類型的熱交換器組件承受壓力和熱時，板變形，使得在板中產(chǎn)生彎矩。因此，為了經(jīng)受高壓，使用相對較厚的金屬片，例如厚度為0.4mm。
當將板沖壓成人字形圖案時，會發(fā)生不利的物質(zhì)流(materialflow)。如果沖壓模具(press tool)制造得不夠精確，則板中會出現(xiàn)裂紋。相對較厚的板在沖壓模具中還需要高壓。
在完全銅焊的熱交換器中，接縫用置于板之間的銅焊料銅焊。焊料聚集在壓痕的交叉點處。因而，焊接的表面面積和強度非常小。
流經(jīng)具有人字形圖案的熱交換器的介質(zhì)被迫流過峰并向下進入谷。沒有完整的直流線。在峰的前緣處介質(zhì)流速高，而在峰后面的谷中介質(zhì)流速低。流速的這種變化是非常大的。在熱交換器中，流速高的地方傳熱速率高，但流速低的地方傳熱速率低。與具有人字形圖案的熱交換器中的情況相比，較小的流速變化會更有利。
當流動介質(zhì)包括兩相(即氣體和液體的混合物)時，峰和谷處方向的反復(fù)變化導(dǎo)致氣體迫使液體不能與板接觸。這種潤濕的減少也使傳熱速率降低。
當介質(zhì)流過熱交換器時，穿過熱交換器的通道的形狀也使介質(zhì)中產(chǎn)生很高的壓降。這種壓降與迫使介質(zhì)流過熱交換器所作的功成正比。因此，高壓降意味著高能耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種熱交換板上的圖案來解決上述和其它問題，所述圖案包括凸起和凹穴形式的壓痕，凸起與凹穴之間形成穿過熱交換器的通道。通道的形狀使得流過熱交換器的流速發(fā)生適當?shù)淖兓?，從而傳熱較好。
本發(fā)明提供了一種熱交換器，包括具有圖案的熱交換板，該圖案包括至少一個帶有凸起和凹穴的部分，所述凸起和凹穴具有平的頂部和底部，以易于抵靠在對應(yīng)設(shè)計的熱交換板的相應(yīng)凹穴和凸起上而放置，所述頂部和底部的表面區(qū)域具有與所述頂部和底部之間的距離相關(guān)的尺寸，從而在凸起之間形成用于介質(zhì)流動的通道。熱交換板在凸起與凹穴之間牢固連接。
本發(fā)明由權(quán)利要求1限定，同時，優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中闡明。


下面將參照附圖詳細描述本發(fā)明，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的熱交換板的平面圖；圖2是穿過多個這種板的橫截面；以及圖3是具有四個凸起和一個凹穴的板區(qū)域的平面圖。
具體實施例方式
板式熱交換器是用于在兩種不同介質(zhì)之間傳熱的公知設(shè)備。板式熱交換器用在許多不同場合中，且本發(fā)明不限于任何特殊應(yīng)用。本發(fā)明傾向應(yīng)用于全銅焊熱交換器或由其它方法(諸如通過焊接、膠粘劑、或擴散)裝配的熱交換器。該熱交換器包括板，該板具有帶壓痕的圖案以及用于兩種介質(zhì)的入口和出口的連接件。所述板聚集在組件中并連接在一起，以形成完整的裝置。板的連接為兩種介質(zhì)形成分離的通道，所述兩種介質(zhì)在交錯的板組之間以逆流方式循環(huán)。這種技術(shù)是公知的，因而在此不再詳細描述。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的熱交換板1的實例的平面圖。在四個角部是用于兩種不同介質(zhì)的入口和出口的傳統(tǒng)連接件。取代傳統(tǒng)的人字形圖案，所述板具有帶凸起2和凹穴3的圖案。
從圖2中很明顯，凸起2以給定的高度隆起，而凹穴3以給定的深度在板中凹陷。凸起和凹穴具有平的頂部4和底部5。在圖1中，凸起2用圓表示，而凹穴3用帶叉的圓表示。在圖1中，凸起和凹穴顯示為比其在實際熱交換器中的尺寸大得多。如同已有技術(shù)一樣，板通過在工具中沖壓而制成。與人字形圖案相比，根據(jù)本發(fā)明的圖案非常適合沖壓工藝。
沖壓模具包括帶有朝上和朝下的端面立柱(facing stud)的兩半工具。該立柱具有平的上表面以及具有大約45°傾角的側(cè)面。沖壓開始時，板料被鎖定在立柱上，并與立柱的形狀一致，從而凸起和凹穴的側(cè)面也具有大約45°的棱角。當達到給定的沖壓高度時，將料板從立柱上釋放。在凸起2的頂部4與凹穴3的底部5之間的部分中，材料可以在一定程度上自由流動。這種鎖定和釋放的結(jié)合很大程度上降低了在板中出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險。
熱交換器優(yōu)選地通過將這種板銅焊在一起而制造。如圖2所示，上板(用虛線表示)被翻轉(zhuǎn)，從而其朝下指向的凹穴(底部)鄰接下板(用實線表示)的朝上指向的頂部4。上板和下板銅焊在一起，如標號4所示。由于頂部和底部具有較大的表面面積，因而此處形成牢固的焊接。下板也具有凹穴5。凹穴5并不位于與頂部4相同的截面上，因此用虛線表示。凹穴5牢固地銅焊至下板的對應(yīng)頂部。
在操作中，熱交換器填充有增壓介質(zhì)，該增壓介質(zhì)趨于迫使板分離。板因上升的溫度也會膨脹。由于帶有凸起和凹穴的圖案，板料中產(chǎn)生的所有應(yīng)力都是沿著材料方向的，且不產(chǎn)生或者產(chǎn)生很小的彎矩。由于不存在彎矩，提高了結(jié)構(gòu)的強度。熱交換器的強度還通過改進的焊接而提高。由于強度提高，較薄的金屬片可以用于熱交換板?？商鎿Q地，考慮到與用于具有人字形圖案且相同板厚的熱交換器的200bar的爆破壓力(bursting pressure)相比，上述熱交換板的爆破壓力為600bar，因而可以使用厚度為0.4mm的常見板。
為優(yōu)化強度，凸起2的頂部4的半徑可以相對于凸起2與凹穴3之間的距離而優(yōu)化。圖3示出了計算中使用的變量。
r＝凸起頂部的半徑(＝凹穴的底部)h＝壓痕的側(cè)面高度
b＝輔助變量(與制造有關(guān)的尺寸)a＝h+b，即從頂部的邊緣到底部的邊緣的距離σ＝材料的屈服強度或抗裂極限k＝未垂直作用在板上的力的修正系數(shù)壓痕的側(cè)面高度h是從頂部從板高度等于0開始上升的區(qū)域至頂部的邊緣的半徑距離。在由四個頂部4所限定的表面區(qū)域內(nèi)，承壓面積為2(2r+a)2πr2。同時，板中的阻力＝2rπdσk。
尋求r變化時的最大壓力，即，dpdr=0]]>因此，r=a28-π≈0.64a]]>因此，優(yōu)選地，頂部和底部的半徑r大約為0.64a，其中，a是從頂部的邊緣到底部的邊緣的距離。當r在(0.5-1)·a范圍內(nèi)時，也獲得了極好的強度。在一個實施例中，a＝1.5mm，而h＝1.3mm，且b＝0.2mm。壓痕的高度大約等于具有45°牙側(cè)角(flank angle)的h。如果r太大，那么焊點的數(shù)量太少，而如果r太小，焊點就太不牢固。
圖2示出了穿過沿圖1中的虛線的幾個板的截面。很顯然，通道6穿過換熱器而形成。在由實線表示的板的上方，通道6形成在頂部4之間。通道6還從諸如在5處的凹穴的上方和下方經(jīng)過。僅示出了下面的凹穴。在由實線表示的板的下方，通道形成于凹穴5之間，同樣經(jīng)過頂部4。
圖1和圖2示出了以矩形格狀對稱設(shè)置的凸起2和凹穴3，其中凸起和凹穴間隔設(shè)置。從而，它們沿著多條平形線相繼設(shè)置，凸起2與凹穴3之間的距離相等，且線之間的距離也相等。通道因而是直的，與熱交換器的邊緣成45°角延伸，一條暢通的通路貫穿該熱交換器。在圖1中，這種通道由虛線6表示。換句話說，介質(zhì)不必如同在人字形圖案中那樣流經(jīng)峰和谷，但只在頂部接觸的焊點處以及彼此相對設(shè)置有凹穴的膨脹處遇到圓形收縮(roundedconstriction)。然而，凸起和凹穴仍然導(dǎo)致某種程度上的流速變化以及介質(zhì)中的少許湍流(turbulence)。眾所周知，因為層流傳熱較差，所以完全消除湍流是不可取的。對于根據(jù)本發(fā)明的圖案，通過介質(zhì)中的適度的流速變化獲得了適度的湍流。因此，對于介質(zhì)的給定平均流速，獲得了經(jīng)過熱交換器的較低壓降。迫使介質(zhì)通過熱交換器所需的功率也減少了。
與具有人字形圖案的熱交換器相比，在相同的輸入功率(壓降)下，上述發(fā)明可以提供更好的傳熱?？商鎿Q地，在較低的輸入功率下，可以獲得相同的傳熱。
如圖2所示，通道6(尤其在中心處)具有用于自由流動的間隙7。此處，因為接近頂部4，所以介質(zhì)不需要改變方向，但僅在某種程度上受到凹穴5的影響。如果具有這種類型通道的熱交換器用于兩相介質(zhì)，即，包含氣體和液體的介質(zhì)，氣相傾向于沿通道6中心處的所述間隙7流動。這意味著氣體流經(jīng)熱交換器，而不影響液相引起的熱交換板的潤濕。這就提供了較好的傳熱。
在某些操作情況中，可能發(fā)生泡核沸騰而不是表面蒸發(fā)，尤其在流速最低的凹穴中。凹穴有利于自然沸騰。這進一步改進了傳熱。
盡管圓形壓痕是有利的，但這并不是絕對必需的。也可以是諸如橢圓形和多邊形的其它形式，例如具有彼此相對的側(cè)邊的方形。圖1中的9處示出了方形頂部的實例。
在可替換的實施例中，凸起和凹穴以網(wǎng)格狀對稱設(shè)置，但與圖1所示的實施例不同，網(wǎng)格設(shè)置成使得形成的通道與熱交換器的側(cè)邊平行(未示出)。但由于頂部彼此遮掩，因而這種設(shè)置造成較小的壓降，且傳熱速率也減小。因此，可以使用不同的設(shè)置，以引導(dǎo)介質(zhì)沿期望的路線流動，且控制湍流和壓降。
盡管對稱圖案提供了最大強度，但整個板上的圖案不必對稱。
根據(jù)本發(fā)明的圖案不必覆蓋整個熱交換板1。圖案可以結(jié)合有偏轉(zhuǎn)擋板和折流板(具有完全平直的表面)，且如果出于與本發(fā)明不直接相關(guān)的原因而需要的話，還可以結(jié)合有傳統(tǒng)的人字形圖案。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，很明顯可以做進一步改變。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，包括多對熱交換板(1)，所述熱交換板具有包括至少一個帶有凸起(2)和凹穴(3)的部分的圖案，所述凸起和凹穴具有平的頂部(4)和底部(5)，以易于抵靠在對應(yīng)設(shè)計的熱交換板的相應(yīng)凹穴和凸起上而放置，所述頂部(4)和底部(5)的表面區(qū)域具有與所述頂部和底部之間的距離相關(guān)的尺寸，從而在所述凸起(2)之間形成用于介質(zhì)流動的通道(6)，其特征在于，所述熱交換板(1)在頂部(4)和底部(5)處牢固地連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述熱交換板(1)通過銅焊牢固地連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述熱交換板(1)通過焊接、粘合、或擴散永久地連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的熱交換器，其特征在于，所述通道(6)包括允許流動而不改變方向的間隙(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的熱交換器，其特征在于，所述凸起(2)和凹穴(3)沿多條平行線相繼設(shè)置，凸起(2)與凹穴(3)之間的距離相等，且線之間的距離相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熱交換器，其特征在于，所述通道(6)與所述板的邊緣形成大約45°的角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的熱交換器，其特征在于，所述平的頂部(4)和底部(5)是圓形的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6及7所述的熱交換器，其特征在于，所述頂部和底部的半徑r處于0.5×a至1×a的范圍內(nèi)，其中，a是從所述頂部(4)的邊緣到所述底部(5)的邊緣的距離。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的熱交換器，其特征在于，所述頂部(4)和所述底部(5)的半徑大約等于0.64×a。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的熱交換器，其特征在于，所述平的頂部(9)和底部是多邊形的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的熱交換器，其特征在于，所述平的頂部(9)和底部是四邊形的，且設(shè)置成使得凸起(2)的直邊面對凹穴(3)的直邊。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的熱交換器，其特征在于，所述平的頂部(9)和底部是橢圓形的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有壓痕圖案的熱交換器，尤其是具有熱交換板(1)的熱交換器，所述熱交換板設(shè)置有取代傳統(tǒng)人字形圖案的特殊圖案。所述圖案包括至少一個帶有凸起(2)和凹穴(3)的部分，所述凸起和凹穴具有平的頂部和底部，以易于抵靠在對應(yīng)設(shè)計的熱交換板的相應(yīng)凹穴和凸起上而放置。所述頂部和底部的表面面積與頂部和底部之間的距離相關(guān)，從而在凸起之間形成用于介質(zhì)流動的通道(6)。
文檔編號F28FGK101023315SQ200580030098
公開日2007年8月22日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月8日
發(fā)明者拉爾斯·佩爾松 申請人:Ep技術(shù)股份公司