CN101836051B - 热交换器元件及其制造方法和包含该元件的供暖锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于中央供暖锅炉的共铸热交换器元件，所述热交换器元件基本上由铝制成，所述热交换器元件带有围绕载水通道的壁，并且带有封闭燃烧器可以连接到的至少一个废气道的至少一个壁，围绕所述至少一个废气道的至少一个壁被水冷却，原因在于它也形成所述载水通道的边界，而水冷却壁之一带有在各自废气道中延伸的扩大热交换表面的销柱和/或翼片并且也带有扩大热交换表面的其他金属多孔结构。

Description

热交换器元件及其制造方法和包含该元件的供暖锅炉

技术领域

本发明涉及一种用于中央供暖锅炉的共铸热交换器元件，所述热交换器元件基本上由铝制成，所述热交换器元件带有围绕载水通道的壁，并且带有至少一个壁，该至少一个壁围绕可以连接到燃烧器的至少一个废气道，围绕所述至少一个废气道的至少一个壁被水冷却，原因在于它也形成所述载水通道的边界，而至少一个水冷却壁带有在各自废气道中延伸的扩大热交换表面的销柱和/或翼片并且也带有扩大热交换表面的其他金属多孔结构。 

本发明也涉及一种用于获得这样的共铸热交换器元件的方法以及其在中央供暖锅炉中的应用。 

背景技术

可从EP 1722172知道根据上述热交换器的热交换器，其中销柱和/或翼片的横截面小于25mm²；热交换器是单铸件。由于销柱长度为例如15mm并且具有更大的表面-含量比(surface-content ratio)，这样的热交换器具有低重量。这最佳地导致0.16kg/kW的热惯量，使热交换器元件变热非常快，由此减小了获得家用热水所需的时间。由于销柱和/或翼片的更小长度，这样的热交换器具有更小横截面的废气道。这导致废气的更高流速并且导致更高的热交换系数和因此更高的效率。 

已已知的热交换器元件对于具有这样输出的锅炉来说已经显得较小。当该锅炉不仅用于加热中央供暖水还用于加热家用热水时，还需要进一步提高紧凑性，并且还需要家用热水的更快加热。 

WO 20/093644描述了一种由作为多孔结构的例子的开室金属泡沫组成的热交换器，其中金属泡沫在单个步骤中与结构元件(例如水道)铸造在一起。这样的热交换器元件本身不可能用于锅炉中，原因是金属泡沫会被废气的热熔化。在另一方面，复合结构与已经复合的开室泡沫体(作为金属多孔结构的例子)铸造在一起是相当困难的事情，导致大量碎片和废料。所以，多数人考虑在单独步骤中将(铝)多孔体连接到热交换元件。在这里，多孔金属体与固体金属载体之间的良好导热接触是热交换设备的高效工作所不可或缺的。考虑到仅有一小部分固体金属载体与多孔金属结构接触的事实，这是特别相关的。建立极好的热/金属接触可以显著地减小热交换设备的总尺寸并且由此减小材料成本和空间。 

现有技术已经描述了多孔金属结构在热交换设备中的许多应用和将多孔金属结构附连到载体的方法。例如，在US6,397,450中认为可以通过钎焊、活性钎焊或简单钎焊实现直接结合。EP1553379认为外壳与作为多孔金属结构的例子的金属海绵之间的连接可以简单地借助于钎焊或焊接进行。但是这些结合的有效质量并不总是让人满意。 

例如可以通过钎焊实现多孔铝体与固体金属载体之间的适当机械结合，但是由于该方法使用额外材料，因此从载体到多孔结构或从多孔结构到载体的散热会被不正常，并且额外材料(例如Zn)会在结合位置处产生腐蚀问题，甚至具有绝热层的作用。它也导致最终产品在热应用方面受到限制，即，受到焊料中的Zn的熔点限制。 

烧结、铜焊和软焊需要一定的工作条件，其中形成于多孔金属体和热交换元件的表面上的氧化铝必须被去除，例如通过在真空炉中工作或者通过助熔材料的使用。当这些氧化铝未被充分去除时，不会获得良好的导热结合。 

因此，需要一种备选的方便结合方法，其导致多孔体与复合固体金属载体材料之间的良好导热接触，其中热容易贯穿新形成的结构传递。 

发明内容

要求权利的本发明的一个方面提供了一种用于中央供暖锅炉的热 交换器元件，所述中央供暖锅炉比尺寸相当的已知中央供暖锅炉具有更高的输出，所述热交换器元件特别紧凑并且具有低重量。 

为此，根据本发明的热交换器元件基本上由铝制成为共铸产品，热交换器包括权利要求1的特征。 

所述热交换器元件具有很扁平的设计，其中与用于锅炉用常规热交换器元件中的相比，废气道宽而不深(其可以在图1A中看到)，由于更短和更小的销柱和/或翼片用作扩大热交换表面的结构，因此这是可能的。由于它们的大的表面-含量比和热交换作用，这些销柱和/或翼片的使用使得有可能冷却废气和将热高效地传递到水冷却壁。热交换器元件中长壁的冷却由整体水道中的平行路径完成。该整体水道芯体导致砂型铸造模具中芯体的制造和芯体的定位比较简单，使得热交换器元件的制造也比较简单，因此可以以经济合算的方式进行热交换器元件的制造。对于本领域的技术人员显而易见的是，水道芯体可以由不同部件放在一起形成水道芯体而制成。 

将多孔金属体结合到热交换器元件中也是比较简单的方法：该多孔金属体被结合到热交换器的内砂芯体中。备选地，多孔金属体在消失模铸造方法中被装入(聚苯乙烯)阳模中。 

令人吃惊地，发现多孔金属体未受浇铸到多孔金属体上的热熔融金属影响，并且在多孔金属体与铸造成的热交换器元件之间获得了良好的金属结合。存在于多孔铝材料的表面的氧化铝也不阻碍多孔材料与热交换器元件之间的良好连接。多孔金属体的孔筋(struts)或系带在完成的共铸结构中保持完整并且由熔化物适当地围绕(参见图4)，从而产生大接触表面，这导致很好的热传递并且通过多孔材料的湍流增强3D结构能够从废气抽取更多的热，进一步增强了热交换器元件的效率。 

因此，使用根据本发明的热交换器元件，可以使中央供暖锅炉比尺寸相当的已知中央供暖锅炉具有更大的输出，同时获得相同甚至更好程度的紧凑性和热惯量。 

热交换器元件被制造为共铸件，包括权利要求5、6或7的步骤， 并且可以以比较快速和高效的方式制造。 

根据旨在增加中央供暖锅炉的效率的本发明的另一个方面，包括根据本发明的热交换器，热交换器的每个废气道可以包括具有销柱的两个相对壁，所述销柱带有小于25mm²的横截面。 

本发明的另一个方面涉及一种中央供暖锅炉，其包括根据本发明的至少一个热交换器元件。 

定义 

热交换器元件基本上由铝制成表示热交换器元件可以由纯铝或铝合金制成。在本文中无论在哪里提到金属，指的是铝或它的合金之一。应当注意术语金属、铝和铝合金将在全文中使用，而不表示除了铝或铝合金之一以外的任何物。 

术语金属多孔材料或体与销柱和翼片的区别在于这些金属多孔材料/体代表连续和复合3D结构，例如金属开室泡沫、金属间隔材料、折叠针织或机织金属丝结构或针织丝网。销柱和翼片与金属多孔材料之间的另一个区别在于这些结构的多孔性。用于本文中的金属多孔材料具有70％或以上的孔隙度。 

术语共铸在权利要求5中有解释，并且可以简单被描述为两步铸造法，其中在多孔金属体的生产中执行第一铸造，例如参见WO01/14086或EP1733822；第二或共铸步骤在该专利申请中进行描述。根据该专利申请，共铸也将被理解为浇注到多孔金属物体上，由此获得良好的金属结合。 

附图说明

图1是根据本发明的热交换器的一个典型实施例的透视图。 

图2是在图1的平面II-II’上获得的截面图。 

图3是在图1的平面III-III’上获得的截面图。 

图4是根据本发明的热交换器的一个备选典型实施例的透视图。 

图5是在图4的平面V-V’上获得的截面图。 

图6是在图4的平面VI-VI’上获得的截面图。 

图7是根据本发明的热交换器的平行水道的原理的透视图。 

图8是嵌入铝合金AlSi10制成的热交换器元件的共铸材料中的铝合金AlSi7制成的开室铝泡沫的孔筋的光学显微镜图片。 

图9是本发明的一个备选实施例的透视图。 

图10是在图9的平面X-X’上获得的截面图。 

图11是在图9的平面XI-XI’上获得的截面图。 

图12显示了用于图9中的水道的透视图。 

附图标记列表 

1      热交换器元件 

2      壁 

3，30  载水通道 

4      水道芯体 

5      燃烧器 

6      燃烧室 

7      废气道 

8      翼片 

9      销柱 

10     多孔金属体 

11，110入口 

12，120出口 

13     热交换元件1的长壁 

14     热交换元件1的短壁 

15     开室铝泡沫的孔筋的一部分 

16     浇铸到开室铝泡沫上的载体材料的一部分 

17     载水通道中的翼片 

A      废气道7的第一部分 

B      废气道7的第二部分 

C      废气道7的第三部分 

具体实施方式

将关于特定实施例和参考某些图描述本发明，但是本发明并不限于此，而是仅仅由权利要求限定。所述图仅仅是示意性的和非限定的。在图中，为了图解目的一些元件的尺寸可以被放大并且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸并不一定对应于本发明的实践的实际还原。 

图1、2和3显示了根据本发明的热交换器1的一个典型实施例。热交换器1基本上由铝制成为共铸件。热交换器包括多个壁2，该多个壁在一侧围绕载水通道3并且在另一侧围绕废气道7。废气道7从燃烧器空间6延伸出。燃烧器空间6用于容纳燃烧器。优选地，燃烧器是如WO 2004/092647中所述的金属纤维燃烧器膜。在热交换元件的长壁13上围绕废气道7的壁2由载水通道3水冷却。载水通道3优选被设计成其形成有两个平行水道，相对于燃烧器空间6和废气道7在每个长壁13上各有一个，如图7中所示。载水通道3优选被设计成其形成有芯体4，如图7中所示。废气道包括两个相对壁2(即，长壁13)，所述壁在上部分A中具有基本与其垂直延伸的翼片8，所述翼片扩大热交换表面并且延伸到废气道7中。长壁13的部分B包括销柱9，所述销柱也基本垂直于壁13延伸并且扩大热交换表面。优选地，销柱具有小于25mm²的横截面和大约15mm的长度。长壁13的部分C包括金属多孔结构，用于扩大热交换表面；但是也用于通过多孔金属体的湍流增强3D结构从废气中提取更多能量。这样的多孔金属体的使用在废气的低温范围中并且因此在该类型的热交换器元件中在热交换器元件的下部区域中是最有效的。废气的流速变得越来越小并且与冷却水(即，待加热的水)的温差也很小，使得热交换取决于扩大热交换表面的结构或体。 

优选地，金属多孔材料是例如如WO 01/14086中所述的开室铝泡沫。使用室直径为5mm、孔筋厚度为700μm并且孔隙率为90％的开室铝泡沫(完全充满废气道)与具有4mm直径的销柱的相同表面(例如部分B中所使用的并且具有60％的孔隙率)相比提供高出20％的热交换。该更好的热交换可以转化为热交换表面以及热交换器元件的 重量减小20％，并且导致更紧凑的热交换器元件1，或者换句话说，提供了小型化热交换器元件的可能性。 

在另一个优选实施例中，金属多孔材料是例如如EP1733822中所述的金属间隔材料。 

图7中的载水通道的流动***可以被认为是平行连接。来自中央供暖管***的水邻近热交换器的底侧在箭头11的位置处进入热交换器。从这里，水进入载水通道的送进部分3a。送进通道3a分为两个独立通道部分3b和3c。水分流到这两个通道3b和3c中，之后水流入共同通道3d，其后水通过出口12离开热交换器。使用载水通道3的这一实施例，实现了仅仅废气道7的长壁13和燃烧器空间6被水冷却。由于热交换器元件1的尺寸确定导致很扁平的热交换器元件，并且热交换器元件以很高效的方式被冷却，因此不需要冷却热交换器元件的短壁14并且使热交换器元件很紧凑。至待加热水的最佳热传递使得热交换器元件的任何位置都不会变得过热，因此获得了最佳效率并且热交换器的所有部分保持充分被冷却。优选地，载水通道的两个平行通道在它们的内侧带有扩大表面的销柱，用于进一步增强从热交换器元件的金属到待加热水的热传递。 

如上所述，在图1和4的本发明典型实施例中，废气通过废气道7从顶部流到底部，并且待加热水从底部流到顶部。 

优选地借助于铸造方法，例如砂型铸造或拉模铸造来制造热交换器元件1。优选地，然后利用至少一个芯体来形成水道和利用至少一个第二芯体来形成废气道(一个或多个)。这些废气道芯体包括金属多孔结构。备选地，也可以使用消失模铸造方法，多孔金属体砂芯体然后被装入(聚苯乙烯)泡沫阳模中。备选地，在消失模铸造中，多孔金属体可以被装入(聚苯乙烯)泡沫阳模中，多孔金属体然后将充满用于消失模铸造的砂，并且不需要制造砂芯体的独立步骤。 

通过砂型共铸方法生产图1和4的热交换器1。首先将一块铝多孔体放入芯体盒中。然后将砂和粘合剂的混合物吹入芯体盒的空隙空间中，由此获得充满砂-粘合剂混合物的多孔金属体的混合体。硬化砂 -粘合剂混合物，由此获得多孔金属体-砂芯体。其后去除芯体盒。然后将多孔金属体-砂芯体结合到废气道砂芯体中，所述废气道砂芯体与水道芯体4一起放在模制箱中。将熔融金属倒入模制箱中并且在必要的冷却之后去除砂芯体。这形成如图1或4中所示的热交换器元件1。 

在一个备选实施例中，通过消失模共铸方法制造热交换器元件1。在这里，包含多孔金属体的热交换器元件的生产包括以下步骤。首先，将如第30段(上段)中获得的多孔金属体-砂芯体装入热交换器元件的聚苯乙烯模(或正模型)中，并且进一步如本领域中已知的那样进行制备。将“聚苯乙烯模-多孔金属体-砂芯体”混合组放入铸造砂箱中并且用未粘合的砂支持。在模具压实之后，将熔融金属倒入聚苯乙烯模。然后仅仅需要比较简单的过滤动作从周围去除不合粘合剂的砂，并且取出铸造好的热交换器元件。并且也需要去除多孔金属体-砂芯体的砂。备选地，将多孔金属体装入热交换器元件的聚苯乙烯模中。然后也将用不含粘合剂的砂支持多孔金属体，在热交换器元件的铸造之后将容易去除不含粘合剂的砂。 

为了获得低NOx和低CO排放以郁金香形状设计图1和4中的热交换器元件的部分A。这主要通过废气道部分A的特定形状和已经从废气去除大量热的长翼片8获得。当使用如WO 2004/092647中所述类型的燃烧器时，该郁金香形状似乎特别有用。郁金香形状可以描述如下：燃烧器室由金属燃烧器6界定，接着废气道7变宽并且接着变窄。该特定形状尤其被设计为遵循着火焰图案并且它平均地弯曲火焰而不突然改变火焰。这产生足够的空间用于适当燃烧，由此达到NOx和CO的低排放，并且由此也获得很紧凑的设计。 

图4显示了本发明的一个备选实施例。相同附图标记表示与图1中相同的结构。图4的实施例类似于图1中的实施例，因此将仅仅描述区别。在图5中可以看到，从载水通道3中的第三级开始(沿待加热水的流动方向前进)，设有扩大热交换表面的肋。图4的实施例的另一个区别可以在图6中找到：在这里废气道的C部分紧接着金属多孔结构，也包含如废气道的部分B中的销柱。该修改是将多孔金属体结 合到热交换器元件1中的备选方式，但是本领域的技术人员显而易见其他构造也是可能的。 

如图4中的第一加工典型实施例提供了输出大约为35kW的热交换器元件。提供每kW热交换器元件的重量小于0.20kg/kW。在本典型实施例中，热惯量仅仅为0.17kg/kW并且紧密度为5.5kW/l，导致6.0kg和6.4升的容积的热交换器元件。载水通道具有1.3升的容积。废气道的燃烧器室(即，部分A的郁金香形状)的单位负载为23kW/l。 

如图4中的备选加工典型实施例提供了输出大约为25kW的热交换器元件。对于该典型实施例，热惯量仅仅为0.17kg/kW并且紧密度为5.5kW/l，导致4.3kg和4.6升的容积的热交换器元件。 

图8是嵌入铝合金AlSi10制成的热交换器元件的共铸材料16中的铝合金AlSi7制成的开室铝泡沫15的孔筋的光学显微镜图片。该主体由如上所述的方法砂型铸造。它清楚地显示了孔筋的完整性未被浇铸到该孔筋上的铝合金的热熔化物改变。该类型的金属连接提供比用烧结方法获得的热传递数据可比较或更好的热传递数据。 

图9是本发明的一个备选典型实施例。它显示了包括四个废气道7的热交换器元件，所述废气道由载水通道30水冷却。再次地，可以识别废气道中的三个不同部分。部分A包括大翼片，部分B包括销柱并且部分C包括铝多孔结构。 

图12中的载水通道的流动***也被认为是平行连接。来自中央供暖管***的水邻近热交换器底侧在箭头110的位置进入热交换器。从这里，水进入载水通道的送进部分30a。通道30a分为五个独立通道部分30b、30c、30e、30f和30g。水分流到这些通道中，之后水流入共同通道30d，其后水通过出口120离开热交换器。使用载水通道30的这一实施例，实现了仅仅废气道7的长壁13被水冷却。由于热交换器元件10的尺寸确定导致很扁平的热交换器元件，并且热交换器元件以很高效的方式被冷却，因此不需要冷却热交换器元件的短壁14，并且使热交换器元件很紧凑。到待加热水的最佳热传递使得热交换器元件任何位置都不会变得过热，因此获得了最佳效率并且热交换器的所 有部分保持充分被冷却。优选地，载水通道的平行通道在它们的内侧带有扩大表面的销柱，用于进一步增强从热交换器元件的金属到待加热水的热传递。 

Claims (12)

1.一种热交换器元件(1)，其包括基本上由铝制成的多个壁(2)，所述壁(2)围绕至少一个载水通道(3)并且具有至少一个废气道(7)，至少一个壁形成所述载水通道(3)与所述废气道(7)之间的边界，所述至少一个壁设有扩大热交换表面并且延伸到所述废气道(7)中的翼片和/或销柱(8，9)，

其特征在于，所述热交换器元件还包括基本上由铝制成的多孔金属体(10)，所述多孔金属体沿废气流动方向布置在扩大热交换表面的所述销柱和/或翼片(8，9)的下游，所述壁被铸造在所述多孔金属体周围以形成共铸热交换器元件。

2.根据权利要求1所述的热交换器元件(1)，其中所述多孔金属体(10)是开室金属泡沫。

3.根据权利要求1所述的热交换器元件(1)，其中所述多孔金属体(10)是金属间隔材料。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器元件(1)，其中所述销柱和/或翼片的至少一个横截面小于25mm²。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的热交换器元件(1)，其中所述载水通道包括相对于废气道的平行路径。

6.一种通过消失模熔模铸造生产锅炉用的包含多孔金属体的热交换器元件的生产方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供多孔金属体；

b)将所述多孔金属体放入废气道芯体盒中；

c)关闭所述废气道芯体盒；

d)将砂和粘合剂的混合物吹入所述废气道芯体盒中的空隙空间中，由此获得充满所述砂-粘合剂混合物的多孔金属体的混合结构，

e)硬化所述砂-粘合剂混合物，由此获得多孔金属体-砂芯体；

f)去除所述废气道芯体盒；

g)将所述多孔金属体-砂芯体装入热交换器元件的聚苯乙烯模中；

h)用陶瓷涂层涂覆聚苯乙烯模-多孔金属体混合组；

i)干燥陶瓷涂层；

j)将所述聚苯乙烯模-多孔金属体混合组放入铸造砂箱中并且用不含粘合剂的砂支持所述混合组；

k)进行模具压实；

l)将熔融金属倒入所述聚苯乙烯模；

m)冷却铸造好的工件；

n)去除所述多孔金属体-砂芯体。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述多孔金属体是金属泡沫。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述多孔金属体是金属间隔材料。

9.根据权利要求6所述的方法，其中在步骤e)之后从所述混合结构的周围去除所述多孔金属体-砂芯体，由此获得仅仅由多孔金属体孔筋构成的小边界。

10.根据权利要求6所述的方法，其中所述金属是铝或铝合金。

11.一种通过如权利要求10所述的方法获得的热交换器元件。

12.一种供暖锅炉，其设有根据权利要求1、2或3所述的热交换器元件。

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