CN106105410A - 用于板热交换器的双侧面微型翅片板 - Google Patents

用于板热交换器的双侧面微型翅片板 Download PDF

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CN106105410A CN201580005655.0A CN201580005655A CN106105410A CN 106105410 A CN106105410 A CN 106105410A CN 201580005655 A CN201580005655 A CN 201580005655A CN 106105410 A CN106105410 A CN 106105410A
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皮特·贝尔彻
唐纳德·林恩·史密斯
西-正·龙
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Khc Pipe Fittings Co Ltd
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Abstract

一种采用微形变技术制造板热交换器以在金属薄片的两侧面形成翅片的方法。在该方法中，基本上平的、基本上薄的金属片被限制在工具固定装置中。该薄片具有第一平侧面和第二平侧面。通过用工具切片该薄片以生成从薄片延伸的一体翅片，翅片在该薄片的第一和第二平侧面中形成。底板是通过从薄片切口有翅片的部分形成的。该底板被用于形成板热交换器。

Description

用于板热交换器的双侧面微型翅片板
相关文献的交叉参考
本申请要求发明名称为“用于热交换器的双侧面微型翅片板”，2014年1月22日提交的美国临时专利申请序列号61/930,241的优先权，其通过引用的方式整体并到本文。
背景技术
板热交换器(PHE)现在已经广泛用于加热、制冷和工业应用中。PHE是一种采用堆叠的金属板以在两种流体之间传热的热交换器。PHE允许不同温度的流体接近，仅仅通过通道板分开，该通道板以非常高的效率实现热从一种流体被转移到另一种流体。
PHE提供了相比于传统的管壳式热交换器的很多优势。例如，PHE通常是紧凑的和轻的，允许它们被安装在非常约束的紧密的环境中。在PHE中，在热流体和冷流体之间的挡板通常是非常薄的片状金属板，导致较高的热传导。同样，PHE中的流型是很混乱的，允许非常高的传热系数。PHE的制造通常比管壳式热交换器简单，其导致相对低的最初成本并且PHE的组装和拆除比传统的热交换器容易。重要的是，PHE的能力可通过增加或减少PHE堆叠中板的数量很容易地提高或降低。由于这些众多优势，在工业和商业应用中，PHE已经逐渐地替换管壳式热交换器
本领域公知的紧凑的PHE包括一系列堆叠的薄的波形板。这些板是通过衬垫装配、焊接或钎焊在一起，这取决于PHE的应用。该板是用刚性架压缩在一起以形成具有交替的热和冷介质的平行流动通道的布置。较大的商业变体通常在板之间采用垫片而较小的变体倾向于是钎焊的。
这些波形板具有多种多样的皱状轮廓、高度和角度，其通常被放置在彼此的顶部以在板之间形成平行流动通道。在每块板的顶部和底部，端口对和连接线以此类方式被连接使得两种工艺流体通过交替的板，生成几乎逆流的流动设计。波形板通常是由冲压的金属构成并且不具有增强的表面。不锈钢是用于该板的常用金属。
发明内容
本公开的热交换器通过用微形变技术(MDT)增强板的表面提高PHE技术。利用MDT增强的表面而不是皱纹增加板的表面面积5–15％同时减少PHE堆叠厚度20–50％或更多。板的两侧的表面都可用MDT增强。
具有MDT增强的表面，一种类型的板表面可被用于两种流体或不同类型的板表面可被用于每一种流体。这种灵活性允许每种流体的压力下降和热力性能在优化PHE的设计中是独立地控制的。
用于概括本发明的目的，本发明的某些方面、优势和新颖特征在此处被描述。应理解根据本发明的任一具体的具体实施方式，所有此类优势并不一定都被实现。因此，本发明可以实现或优化此处教导的一种优势或一组优势的方式被呈现或实施，没有必要实现此处教导或提出的其它优势。
附图说明
参考下列附图更好地理解本发明。附图的元件并不一定按规定比例，而是强调着重于清楚地阐述本发明的原理。再者，同样的参考数字标记贯穿数个视图中的相应部分。
图1是现有技术的板热交换器的分解透视图。
图2是图1的现有技术热交换器的未分解透视图。
图3是根据本公开的一个具体实施方式的单一板的透视图。
图3a是图3的板的放大图，显示图3的板的MDT增强的顶面和底面。
图4是在板中形成翅片的工具的透视图。
图5是具有在板中形成翅片的工具的板的截面图。
图6是俯视图，其显示典型的板如何从薄片材料形成。
图7是图6的薄片的侧面平面图，该薄片在微形变翅片加工到该薄片的第一平侧面期间被固定到工具固定装置。
图8是在微形变翅片到该薄片的第一平侧面之后的图6的薄片的俯视图。
图9是图8的薄片的侧面平面图。
图10描述图9的薄片，其固定到固定装置用于微形变翅片加工(未显示)到薄片的第二平侧面。
图11是图10的薄片的代表的侧视图。
图12是在微形变翅片到该薄片的第二平侧面之后的图11的薄片的侧面平面图。
图13是流程图，其描述了根据本公开的典型具体实施方式，采用微形变技术形成板热交换器的典型方法。
图14是从翅片形成钉的工具的透视图。
图15是流程图，其描述了根据本公开的典型具体实施方式，利微形变技术形成用于热交换器的双侧面底板的替代典型方法。
图16描述双侧面微形变板从其形成的薄片。
图17描述在岛已经在薄片中被机械加工之后的图16的薄片。
图18描述在图17的薄片的第一侧面中形成的翅片。
图19描述在使翅片区域的边缘呈方形的机械加工之后的图18的翅片。
图20描述在机械加工岛(island)到第二侧面之后的图19的薄片。
图21描述在翅片已经被切，到第二侧面的岛之后的图20的薄片。
图22描述在使翅片区域的边缘呈方形的机械加工之后的图2的薄片。
发明的详细描述
图1是现有技术的板热交换器20的分解透视图。多个板10被堆叠在一起，它们的纵向边缘11被密封在一起，在板10之间产生流动路径10a–10f。边缘11的密封可用垫片、焊接、钎焊(brazing)或其他密封技术完成。第一流体介质12(由实线箭头表示，通常是冷流体)流入第一输入口13，该输入口指导第一流体介质12通过交替流动路径(alternate flowpaths)10b、10d和10f，通过第一出口15流出。第二流体介质14(由实线箭头表示，通常是热流体)流入第二输入口16，该第二输入口指导第二流体介质14通过交替流动路径10a、10c和10e，通过第二出口17流出。
图2是图1的热交换器的透视图，未分解的。
图3是根据本公开的一个具体实施方式的单个板23的透视图。图3a是图3的板23的放大图，其显示了板23的MDT增强的顶面21和底面22。顶面21包括多个MDT形成的翅片26，该翅片从板23向上延伸。翅片26基本上彼此平行，并且在指向箭头24示出的方向中对齐。翅片26形成它们之间的通道27，如本文进一步讨论的。
板23的底面22包括多个MDT形成的翅片28，该翅片从板23向下延伸。翅片28基本上彼此平行，并且在指向箭头25示出的方向中对齐。翅片28形成它们之间的通道29。在图例说明的具体实施方式中，翅片28基本上垂直于翅片26。在另一个具体实施方式中，翅片28和翅片26相对彼此可以其他角度布置。最终，翅片28和翅片26可彼此平行。
图4说明了在板23中形成的翅片26。本文讨论的用于形成翅片26的同样加工工艺被用于翅片28。翅片26从板23的材料直接形成，并且同板23成一体。在一个具体实施方式中，板23开始为一平块金属。发布于1998年7月7日的美国专利5,775,187描述了MDT加工工艺，该专利特此通过援引并入本说明书。在这个加工工艺中，板23用工具34切成薄片，没有从板23上去除材料。该MDT加工工艺不同于锯或槽刨机(router)(当制作切口时，该锯或槽刨机去除材料)，更类似于用刀子切肉。
当工具34接触板23的材料时，翅片26被切口到顶面21。从板23切片翅片26导致翅片26同板23一体，这提高了热传递，如上面所讨论的。翅片26是直接从板23的材料形成的，因此翅片26和板23之间不存在接缝和间断。
图5是讨论的上面图4的翅片-切口加工的剖视图。切口板23在相邻翅片26之间形成通道27，并且可在不从板23上去除材料的情况下完成。优选地，在翅片26的形成中没有刨花(shavings)产生。工具34切片翅片26到板23，随工具34穿过板23产生的空间强迫翅片26中的材料向上。板23的这个切口和形变造成翅片26升高到翅片高度38，其大于顶面21的原始高度。工具34的设计，切口的深度和翅片26和通道27的宽度是影响翅片高度38的因素。对每个连续的切口来说，工具34在一个方向上稍微移动，所以每个切口形成与以前的切口翅片26相邻的翅片26。重复这个加工直到翅片26的床已经产生。
翅片26以规定翅片宽度被切口，通道27具有规定的宽度，所以每厘米存在预定数目的翅片26。通过规定工具设计和设置所用的机械加工，许多尺寸的翅片26可被控制。
图6是俯视图，其显示了典型的板是如何从薄片601材料形成的。图例说明的薄片601是矩形的，很薄的金属片。在一个具体实施方式中，薄片601是例如6毫米厚的铜。对将要被微形变成薄片601的第一平侧面604的翅片来说，需要的薄片601的大小是由想要的翅片区域(在图6中用参考数字603标出)的大小决定的。相反凹陷的开口602一定距离间隔，围绕薄片601的边缘，在想要的翅片区域603外面，用于***紧固件(未显示)。该紧固件将被用于固定薄片601到固定装置(fixure)(未显示)上，如下面的参考图7的讨论。
图7是图6的薄片601的侧面平面图，在微形变的翅片加工到薄片601的第一平侧面604(未显示)期间，该薄片被固定到工具固定装置701。薄片601的第二平侧面605接触固定装置701，如图所示。多个紧固件702将薄片601牢固地附接到固定装置701。想要的翅片区域603通常在薄片601的中央，如图所示。
图8是在薄片601的第一平侧面604的微形变之后的图6的薄片601的俯视图。多个翅片26从该第一平侧面向上延伸，基本上呈平行的行，通道27在翅片26之间。应注意翅片26在图8中用明暗法(shading)图例说明，以将翅片26与通道27区分。
图9是图8的薄片601的侧面平面图。应注意翅片26在第一平面侧604上突出。并且，翅片26同第一平侧面604成一体。典型翅片高度38是二(2)毫米。
图10描述了图9的薄片601，该薄片附接到固定装置1001用于微形变的翅片加工到薄片601的第二平侧面605(未显示出)。在这个加工步骤期间，第一平侧面604(图9)接触固定装置1001。为保护在第一平侧面604中形成的翅片26(图9)，翅片26被置于凹进固定装置1001的袋1003中，使得翅片26不接触固定装置1001，如图11进一步说明的。参考数字1002说明了在第二平侧面上形成的翅片的想要翅片位置。
图11是图10的薄片601的代表性侧面图。固定装置1001包括凹进固定装置1001用于接收翅片26的袋1003。具有窗1102的保持架1101安装在薄片601之上。[应注意为了图10的清楚起见，保持架1101没有在图10中显示]。保持架1101包括用于接收紧固件702的开口，该紧固件将保持架1101固定到薄片601，并且将薄片601固定在固定装置1001上。窗1102是保持架1101中的开口，暴露第二平侧面605的大部分表面，使得翅片(未显示)使用本文讨论的加工工艺在第二平侧面中能被切成薄片。
图12是在微形变翅片26b到第二平侧面605之后的薄片601的侧面图。[应注意在图12中，第一平侧面604中的翅片由参考数字26a标出]。翅片26b从第二平侧面605延伸。并且，翅片26b与第二平侧面605成一体。典型的翅片高度38b是二(2)毫米。在微形变翅片26a和26b到薄片601之后，产生的薄片(包括该翅片)比原始厚度901厚。也就是说，薄片601的最终厚度是原始厚度901加翅片高度38(图9)和翅片高度38b(图12)。
图13是流程图，其描述了根据本公开的典型具体实施方式，利用微形变技术形成板热交换器的典型方法1300。在方法1300的步骤1301中，薄片601(图6)被限制在固定装置701(图7)中，第一平侧面604(图6)暴露。
在步骤1302中，通过切片翅片26(图4)到薄片601，工具34(图4)微形变第一平侧面604。薄片601然后可从固定装置701去除并且安装在固定装置1001中(图11)，翅片26(图11)凹进固定装置1001的袋1003(图11)中，第二平侧面605暴露。紧接着在步骤1303中，通过切片翅片到第二平侧面605，工具34(图4)微形变第二平侧面605。
在步骤1304中，通过从薄片601切割出带翅片的部分，底板(未显示)从薄片601被切口。在步骤1305中，板热交换器是通过将想要数目的底板堆叠在一起形成的(未显示)。
在板23的替代具体实施方式中，翅片26(图4)被“交叉切片(cross-sliced)”形成从板23延伸并且同板23成一体的单个的翅片。图14是从翅片26形成钉(pin)32的工具34的透视图。钉32是通过交叉切口翅片26形成的；钉32因此同板23成一体(图5)。钉32是通过交叉切片翅片26制造的，具有第二系列切口。第二组切片也可利用MDT方法。当该切片被制作时，没有材料从板23上去除，所以被移动的材料反而被引入剩余的钉32中。这导致钉32上升到高于钉高度38的高度。对翅片26来说，第二组切片能以很多种角度被制作，包括九十度或非九十度的角度。此外，当该切片被制作时，钉32和/或翅片26的倾斜角度可通过工具34的角度***纵。翅片26的倾斜角度的修改能改变钉32的倾斜角度。钉32的形成在发明名称为“具有钉的冷却板”的美国专利公开2011/0079376中被进一步地详细讨论了，该专利公开援引并入本文。
MDT切口加工可在CNC数控铣床、车床、刨床(shaper)或其他机床上进行。当切口翅片26时，需要专门改进的真空工作加紧装置牢固地压制翅片板。切口深度不应该太深使得板23的完整性被损害，并且切口深度应该足够深以产生足够的面积和高度的增大以实现想要的热传送率。
板23通常是从铜和铝形成的。但是其他金属可被用在替代物中，对住宅热泵应用来说，低成本的带翅片的塑胶板可能是好的替代物。
图15是流程图，其描述了根据本公开的典型具体实施方式，利用微形变技术形成用于热交换器的双侧底板的替代典型方法1500。图16–22说明了该方法中的步骤。应注意图16–22没有按比例，而且薄片比它呈现的薄的多。
在步骤1501中，薄片1601(图16)被限制在固定装置(未显示)，薄片1601的第一侧面1604朝上。薄片1601(图16)具有原始厚度1607，在典型具体实施方式中该原始厚度是6毫米。
在步骤1502中，“岛”1703(图17)被机械加工成第一侧面1604。图17说明了步骤1502之后的薄片1601。该岛是薄片1601的凸起部分。该岛具有原始厚度1702，剩余薄片具有厚度1701。在一个具体实施方式中，1702是1毫米，1701是五(5)毫米。
在步骤1503中，该岛利用本文讨论的微形变加工被带上翅片。图18说明了步骤1503造成的翅片1826。应注意在侧视图中显示该翅片从薄片1601凸起，使得仅仅末端翅片是可见的。从岛1703(图17)切片翅片造成该翅片从该岛延伸，导致翅片厚度1802大于岛厚度1702。在另一个具体实施方式中，该岛厚度是1毫米的情况下，该翅片厚度是2毫米。
在步骤1504中，翅片1826被机械加工成“正方形”翅片区域的边缘。翅片1826的厚度从该步骤没有变化。图19描述了在步骤1504之后的薄片1601。
在步骤1505中，薄片1601是翻过来的使得第二侧面1605朝上。用和上面讨论的同样的方式，岛2003被机械加工成第二侧面1605。图20描述了在步骤1505后的薄片1601。该岛的厚度是2002，在一个具体实施方式中是1毫米。板2001的中间部分的厚度减少了该岛的厚度。在一个具体实施方式中，在步骤1506之后的板2001的中间部分的厚度是3毫米。
在步骤1506中，岛2003(图20)利用本文讨论的微形变加工被带上翅片。图21说明了步骤1506造成的翅片1826b。从岛2003的翅片的切片造成翅片1826b从该岛延伸，导致比岛厚度2002大的翅片厚度2102。在一个具体实施方式中，步骤1505中岛厚度2002是1毫米的情况下，步骤1506之后的翅片厚度是2毫米，中间部分2001仍然是3毫米，翅片厚度1802仍然是2毫米。
在步骤1507中，翅片1826b被机械加工成“正方形”翅片部分的边缘。从该步骤，翅片1826b的厚度没有改变。图22描述了在步骤1507之后的薄片1601。

Claims (20)

1.一种采用微形变技术制造板热交换器的方法，所述方法包括：
限制基本上平的、基本上薄的金属片，薄片包括最初的厚度，薄片进一步包括第一平侧面和第二平侧面，所述第二平侧面与第一平侧面相对；
通过用工具切片所述第一平侧面，微形变所述第一平侧面以形成同所述薄片成一体的第一多个翅片，所述第一多个翅片包括从所述第一平侧面延伸的突出物的基本上平行的行；
通过用工具切片所述第二平侧面，微形变所述第二平侧面以形成同所述薄片成一体的第二多个翅片，所述第二多个翅片包括从所述第二平侧面延伸的突出物的基本上平行的行；
从所述薄片切口底板，所述底板包括所述第一多个翅片和所述第二多个翅片；
从所述底板形成板热交换器使得所述热交换器在运转时，热流体接触所述第一多个翅片和冷流体接触所述第二多个翅片。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一多个翅片基本上垂直于所述第二多个翅片。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述最初厚度小于六(6)毫米。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一多个翅片具有二(2)毫米或更小的高度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二多个翅片具有二(2)毫米或更小的高度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中微形变所述第一平侧面和所述第二平侧面的步骤包括切片所述薄片，而无需从所述薄片移走材料使得所述翅片从所述薄片上升。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在微形变所述第一平侧面和所述第二平侧面的步骤之后的所述薄片的厚度大于所述最初的厚度。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括交叉切片所述第一多个翅片以在所述薄片的第一平侧面上形成同所述薄片一体的多个钉。
9.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括交叉切片所述第二多个翅片以在所述薄片的第二平侧面上形成同所述薄片一体的多个钉。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括在形成所述第一多个翅片和第二多个翅片之前加工岛状物到所述第一和第二平侧面。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述热流体在大体上平行于所述第一多个翅片的方向上流动并且所述冷流体在大体上平行于所述第二多个翅片的方向上流动。
12.一种制造用于热交换器的双侧面微形变底板的方法，所述方法包括：
限制基本上平的、基本上薄的金属片，薄片包括厚度，薄片进一步包括第一平侧面和第二平侧面，所述第二平侧面与所述第一平侧面相对；
通过用工具切片所述第一平侧面，微形变所述第一平侧面以形成同所述薄片成一体的第一多个翅片，所述第一多个翅片包括从所述第一平侧面延伸的突出物的基本上平行的行；
通过用工具切片所述第二平侧面，微形变所述第二平侧面以形成同所述薄片成一体的第二多个翅片，所述第二多个翅片包括从所述第二平侧面延伸的突出物的基本上平行的行；
从所述薄片切口底板，所述底板包括所述第一多个翅片和所述第二多个翅片。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括从所述底板形成板热交换器使得所述热交换器在运转时，热流体接触所述第一多个翅片和冷流体接触所述第二多个翅片。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一多个翅片基本上垂直于所述第二多个翅片。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述薄片具有最初厚度小于六(6)毫米。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一多个翅片具有二(2)毫米或更小的高度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二多个翅片具有二(2)毫米或更小的高度。
18.根据权利要求12所述的方法，其中微形变所述第一平侧面和所述第二平侧面的步骤包括切片所述薄片，而无需从所述薄片去除材料，使得所述翅片从所述薄片上升。
19.根据权利要求12所述的方法，其中在微形变所述第一平侧面和所述第二平侧面的步骤之后所述薄片的厚度比所述薄片的最初厚度厚。
20.根据权利要求12所述的方法，所述方法进一步包括交叉切片所述第一多个翅片以在所述薄片的第一平侧面上形成同所述薄片成一体的多个钉。
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