CN201090961Y

CN201090961Y - 热交换器和具有热交换器的调温容器

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Publication number: CN201090961Y
Application number: CNU2006900000388U
Authority: CN
Inventors: 彼得·朗; 格尔德·苏玛
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2016-07-05
Also published as: WO2007006065A1; EP1902261A1; AT501614B1; AT501614A4; HK1116335A2; US20090114378A1

Abstract

一种热交换器，具有包含至少一种反应介质的抽成真空的反应腔室(2，2’，23，33)和包含一种激活介质的存储腔室(25，35)，所述促进介质以这样一种方式与反应介质产生反应以对温度进行调节，其中反应腔室和存储腔室可以建立连接关系，由此反应介质与促进介质相互接触，并引发温度调节反应，反应腔室(2，2’，23，33)由真空密封材料(3)制成的壁所限定，所述壁至少在局部被支承体(4，7，10)以一定距离相互分隔，借助于支承体(4，7，9，10)为反应腔室内的反应介质(11)保持传送通路(5，8)的畅通，其特征在于，构成反应腔室壁的真空密封材料(3)是柔性薄膜，优选为复合薄膜。

Description

热交换器和具有热交换器的调温容器

技术领域

本发明涉及一种热交换器，具有包含至少一种反应介质的抽成真空的反应腔室和包含一种激活介质的存储腔室，所述促进介质以这样一种方式与反应介质产生反应以对温度进行调节，其中反应腔室和存储腔室可以建立连接关系，由此反应介质与促进介质相互接触，并引发温度调节反应，反应腔室由真空密封材料制成的壁所限定，所述壁至少在局部被支承体以一定距离相互分隔，借助于支承体为反应腔室内的反应介质保持传送通路的畅通。

本发明还涉及一种具有热交换器的调温容器。

背景技术

已知的温度调节组合包装使得用户可以在需要时通过触发模块使被包装物达到预定温度范围，从而将被包装物冷却(通过蒸发/膨胀作用或通过反应物的吸热反应)或通过反应物的放热反应对被包装物进行加热。这些调温组合包装的一个重要组件是热交换器，所述热交换器必须将生成的冷/热很好地传递给被包装物。

热交换器应该具有以下特性：

·与被包装物的接触面积尽可能大，从而在短时间内可以与被包装物产生大量的热交换；

·体积尽可能小，从而为被包装物提供最大容积，也就是说，热交换表面积和热交换体积之间的比率尽可能大；

·良好的导热性，以使热交换的热阻尽可能小；

·结构稳定性，从而使密闭的容积保持恒定(这对于例如真空的热交换器很重要，在所述热交换器中产生蒸发作用或对蒸汽的传送)；

·密闭性(渗透性最弱，密闭性最强)，从而防止热交换器和外界环境之间的物质交换(气体、蒸汽、调味剂等等)：热交换器内的物质不会泄漏到环境中，外界物质也不会渗入热交换器，并且在真空***的情况下(例如，吸收/吸附冷却处理)，气体分子不会渗入热交换器；

·形状可调，从而可以将热交换器调节到热力状态，并适应于包装。

另外，只允许调温组合包装少量地增加包装成本，因此必须能非常廉价且高效地制造热交换器。

WO 2001/010738A1公开了一种自冷式饮料罐，其中借助于吸收式制冷机来实施冷却处理。该封闭于其中的***具有两个抽空的真空腔室。腔室1包含一个涂敷有水胶的复合薄壁深拉拔铝件(深拉拔两次)。所述腔室1构成蒸发器和热交换器。室2填充有水蒸气吸收/吸附材料。此外，腔室2被作为热沉(heat sink)的相变材料(Phase Change Material-PCM)所包围，所述相变材料在受热时从固态转化为液态，并由此吸收热量而自身温度不会增加。将两室相连以激活冷却处理。当这样做时，在低于100℃的温度下(根据蒸汽压力曲线而定的蒸发温度，从而在冰点以下的温度范围内也能产生蒸发作用)，利用真空从腔室1中蒸发水胶，并由于蒸发作用从腔室1周围的饮料中吸取热量。由此产生的水蒸气被腔室2内的吸收剂/吸附剂所吸附，这样就保持了真空，并且蒸发和冷却作用持续进行。同时，由于吸收剂/吸附剂在吸附过程中升温，周围的相变材料限制了吸收剂/吸附剂的温度。该已知自冷式饮料罐的不利之处在于，制造深拉拔两次的铝冷却体十分耗时，从而元件较为昂贵。由于所述元件位于饮料罐内，因此必须另外使其相对饮料密封。此外，吸收剂/吸附剂腔室设置在罐外，并且必须在吸附剂和冷却体之间形成真空密闭的连接，还要形成对于外界环境的气密边界。WO 2003/073019A1中也公开了一种类似的自冷式饮料罐。

WO 1992/002770A1公开了一种真空隔离的、吸附剂作用的冷却装置，其冷却原理与上述文献中公开的自冷式饮料罐的冷却原理一致。不同之处在于，根据WO 1992/002770A1中所公开的，吸收/吸附体(腔室2)完全被冷却体(腔室1)所包围和整个模块，也就是吸收/吸附体则浸泡在被包装物中。这种结构的缺点是几何结构的设计(吸附器被冷却体包围)导致效率较低并使模块变大。从而，被包装物的可用空间较小，这致使所述冷却装置相对较昂贵。另外，由于在由蒸发腔室所包围的吸附腔室内产生了多余的凝结热，而多余的热量又在导致蒸发室内形成额外的蒸发，而这种蒸发应该只能由从被包装物中吸取热量而引起，因此产生了减小冷却能力的热互抵效果。

US 4,736,599公开了一种由至少两个连通腔室构成的热交换器。一个腔室内具有真空，所述真空使同样位于腔室内的水的沸点降低。第二腔室具有吸附剂，所述吸附剂吸附/吸收由第一腔室中的沸水所产生的水蒸气。腔室壁之间的内部支承体防止腔室壁在腔室内为真空时塌陷。支承体具有多孔和沟槽，从而水蒸气可以在各腔室之间移动。腔室壁与容纳该腔室壁的罐由相同材料，即铝片制成。由于选择了这种材料，在适当努力下只能对腔室的形状实施有限的变型。显然，在示例性的实施方式中描述的腔室只能是立方体的形状。如立方体的示例性实施方式所表明的，制造具有大的表面积的腔室是十分困难的。因此，冷却效果不够理想。另外，其渗透性也不令人满意。

由此，仍然存在如何制作满足上述要求的热交换器，并且以廉价、高效的方式制造所述热交换器的问题。

发明内容

本发明利用优选为复合薄膜的柔性薄膜作为构成反应腔室壁的真空密封材料对普通的热交换器进行了改进，同时还提供了一种具有本发明的热交换器的调温容器，从而实现了上述目的。在从属权利要求中列出了本发明的有益实施方式。由于这种设计，可以制造出自由形状的热交换器，所述热交换器可以在工业制造过程中高效地生产并由此价格非常低廉。由于使用薄膜，所以适于制造各种不同的形状。薄膜优选为塑料薄膜或金属薄膜，复合薄膜为塑料-金属复合薄膜。具有外聚酯层，中间铝层和内聚乙烯层的三层薄膜可以作为复合薄膜的一个范例。通常使用双组分聚氨酯粘合剂将相邻的层粘合在一起。

可以通过可密封和/或可粘合的薄膜高效地制造出高可靠性的热交换器。

此外，根据本发明的热交换器具有以下优点：

·与待调温的被包装物的接触面积很大，从而在短时间内可以与被包装物产生大量的热交换；

·固有体积小而自重轻，从而使热交换表面积和热交换体积之间的比率极大；

·由柔性真空密封材料制成的薄壁导热性良好；

·结构非常稳定，从而在调温处理的过程中也能使密闭的容积保持不变(特别是，热交换器不会自动塌陷)；

·渗透性最小，密封性最强，从而防止热交换器和其外界环境之间的物质交换(气体、蒸汽、调味剂等等)。应该提到的是，长时间的气体扩散作用是各种已知材料的特性，这在本发明中是可以接受的。然而，反应物从热交换器内部渗漏到环境中和外界物质(被包装物)渗透到热交换器中都是禁止的；

·形状可调，从而可以将热交换器调节到热力状态，并且适应于将使用该热交换器的调温容器。

另外，还要指出，本发明的热交换器可以具有一个或多个支承体。

根据本发明，支承体有多种实施方式。在第一种变型中，支承体由颗粒状材料构成，所述颗粒状材料优选是多孔的。在特别优选的实施方式中，所述颗粒为球形。颗粒与颗粒之间形成了反应介质的传送通路。在第二种变型中，支承体由成形体构成。分别在成形体之间和之上形成了传送通路。其中，在优选实施方式中，成形体是多孔的，并且开孔也形成了反应介质的传送通路。在第三种变型中，支承体由构架结构形成。该构架结构可以具有不同直的、弯的、倾斜的、波折的板、间隔件等等。可以将其设计为网格结构。为了优化温度传导，更适于以具有良好导热性的材料制成部分或全部支承体。

在本发明的改进实施方式中，将支承体构造为反应介质的存储件(例如存储在支承体的多个孔中)，或者完全或部分地由反应介质构成。有多种反应介质可以在吸热或放热反应中保持形状稳定。例如硅胶。

当将本发明的热交换器用于冷却时，存储在热交换器反应腔室中的反应介质包括蒸发介质和/或吸热反应剂。当用于加热时，存储在热交换器反应腔室中的反应介质含有放热反应剂。

本发明的热交换器的反应腔室与存储腔室相连或可与之相连，所述存储腔室可以选择性地抽成真空。一方面，将存储腔室一体化地设置于热交换器中，其中，所述存储腔室优选通过粘合、密封或其它紧固方法与热交换器的柔性真空密封材料相连。另一方面，存储腔室可以设计为独立的、可替换单元，其与反应腔室建立连接以激活热交换器。将本发明的热交换器用于冷却目的时，在存储腔室中置入吸附介质，并选择性地置入例如为相变剂(PCM)的热沉。将本发明的热交换器用于加热目的时，存储腔室具有促进剂，所述促进剂在与反应腔室中容纳的反应物接触时引发放热反应。在反应腔室中选择性地设置例如为相变剂(PCM)的相变器件，以将反应腔室内的温度保持在预定温度范围内。

在激活热交换器之前，根据本发明的目的用薄膜或阀将反应腔室与存储腔室隔开，其中，所述阀可以具有阀板。可分别使用执行机构将薄膜切成两半或开启阀以激活热交换器。

可以容易地将根据本发明的热交换器一体化地设置在容器中，并能够非常好地对所述容器中储存的液体进行调温，所述容器可以例如为饮料罐、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)塑料瓶、纸板组合包装或宴会桶。

附图说明

下面参照附图，根据非限制性的示例性实施方式对本发明进行进一步的详细说明。在附图中，

图1示出了根据本发明的热交换器的纵截面图；

图2示出了图1中热交换器的局部放大图；

图3示出了根据本发明的热交换器的另一实施方式的局部截面图；

图4A和4B示出了根据本发明的热交换器的又一实施方式的局部截面图；

图6A和6B示出了根据本发明的调温容器的第一实施方式的纵截面图；

图7A和7B示出了根据本发明的调温容器的第二实施方式的纵截面图；

图8示出了一个调温容器的纵截面图，该调温容器设计为饮料罐并具有一个埋入式的热交换器；

图9示出了一个调温容器的纵截面图，该调温容器设计为PET塑料瓶并具有一个埋入式的热交换器；

图10示出了一个调温容器的纵截面图，该调温容器设计为纸板组合包装并具有一个埋入式的热交换器；以及

图11示出了一个调温容器的纵截面图，该调温容器设计为宴会桶并具有一个埋入式的热交换器。

具体实施方式

图1示出了热交换器1的纵截面图，下面根据图1对本发明的热交换器1的基本结构进行说明。热交换器1具有反应腔室2。所述反应腔室2由柔性真空密封材料3制成的壁围成，用支承体4将所述壁相互隔开。图2示出了热交换器1的局部放大纵截面图，如图2所示，该支承体限定了冷却体1的几何形状并且为反应腔室2中所包含的反应介质保持畅通的传送通路5。在图1和图2所示的示例性的实施方式中，将支承体4设置成框架元件，该构框元件为反应介质保持畅通的传送通路5。可以将柔性真空密封材料3例如设计为复合薄膜并制成热交换器的表层，该表层具有与周围被包装物的接触区域。柔性真空密封材料3使反应腔室相对外界密封，从而使反应腔室2与被包装物之间隔绝。反应介质11设置在反应腔室2的边界壁的内表面上(见图2)。从图1中可以清楚地看出，柔性真空密封材料3向下延伸超出反应腔室2并构成凹陷6的边界壁3a，所述凹陷6构成一个存储腔室，在充满反应介质---一种促进介质和/或一种吸附剂后将凹陷的底部密封或者在凹陷中***含有存储腔室的模块，如下面将进一步详细描述的那样。借助于分隔壁3b使凹陷6相对反应腔室密封。

通过将柔性真空密封材料3拉伸超出支承体4(或通过将支承体4***柔性真空密封材料3的结构内)而制成本发明的热交换器1。随后，将由此限定的反应腔室2抽成真空并密封热交换器1。热交换器1的反应腔室2中的负压(真空)导致外部压力作用在柔性真空密封材料3的外表面上，外部压力将柔性真空密封材料3牢固地按压在支承体4上，从而使柔性真空密封材料3与支承体4结合形成刚性的热交换器结构。如果将热交换器1用作冷却模块，反应腔室2中的真空同时使得作为反应物的冷却液体可以在低温下蒸发。

优选可分别粘合或封闭的薄的多层薄膜(10μm到300μm)作为柔性真空密封材料3。薄膜的膜壁厚度小，确保了良好的热传导，且其可粘合性和可封闭性保证了对外界的高度密闭性。这对于抽成真空的热交换器很重要(正如热交换器中的放热过程，反应物不可与外界环境接触并且必须具有良好的隔离特性)。由于高柔性的几何结构设计，使得热交换器的各表面可以彼此非常接近，从而使面积与体积的比率最大化。此外，根据本发明的间隔结构保证了热交换器的各表面之间保持同样小的间距。

除了以支承体4作为构架结构之外，本发明还提供了间隔结构设计的以下变型：

图3以根据本发明的热交换器局部剖视图表示了一种结构稳定的模制品10，其用作支承体结构并且是多孔的。反应介质11’在模制品10的孔内。这些模制品10被柔性真空密封材料3所包围。模制品10中的孔、模制品上的沟槽以及各模制品之间的空间限定了反应腔室和反应物的传送通路。假如热交换器进行吸收/吸附冷却处理的一部分，模制品的材料还应有利于良好的导热。此外，所述模制品的材料应当可以吸收/存储在冷却过程中蒸发的冷却介质(液体、胶体等)。

图4A和4B示出了本发明的热交换器的一个实施方式的细节，其中支承体由结构稳定、理想的方式是球形的颗粒状材料7构成，该颗粒状材料被注入到柔性真空密封材料3之间并使所述材料彼此相对保持一定的距离，由此限定了反应腔室2’。颗粒之间的空隙为反应物提供了传送通路8。另外，颗粒状材料7可以是多孔的，以进一步增强对反应物的传送。假如热交换器是吸收/吸附冷却处理的一部分，颗粒状材料7还应有利于良好的导热。另外，所述颗粒状材料应当可以例如在其孔隙中吸收/存储反应物(液体、胶体等)。作为一种变换或补充，颗粒9本身也可以是由反应介质构成的。

通过将反应腔室2’抽成真空由外界压力使得颗粒7、9相互挤压，由此，柔性真空密封材料的相应构造给予热交换器的外形形状结构高度的自由度。在图4B中可以看到作为示例的反应腔室的突出部分2a，所述突出部分可以增大热交换器的表面积。

图5A和5B分别以透视图和横截面图示出了根据本发明的热交换器1’的自由成形的示例。需要强调的是，由于材料的可塑性，可以自由选择根据本发明的热交换器的形状，并由此可以适用于各种热力要求和最优化条件选择。

下面对在调温容器中使用本发明的热交换器的两个示例进行说明。

第一个使用示例表示热交换器22在设计为待冷却罐的调温容器20中的应用，在图6A和6B中以纵截面图示出了所述调温容器。热交换器22一体化地设置于调温容器20的容纳空间29中，并在该容纳空间29内由作为待冷却被包装物21的液体所包围。热交换器22依照吸附冷却原理工作因而具有反应腔室23和存储腔室25。所述存储腔室25设计为吸附室，并在激活前由薄膜24将其与反应腔室23隔开(见图6A)。反应腔室23可与被包装物21进行热传导并且在理想状态下具有大的表面积。在反应腔室23内置入蒸发液(冷却剂：例如水)，所述蒸发液在蒸发过程中从被包装物21中吸取热量。存储腔室25内填充有吸附剂和热沉(图中未示出)，所述热沉例如为相变材料(PCM)或吸热反应装置或是高热容的材料。

在制造过程中，将两个腔室23、25抽成真空，随后用薄膜24将其彼此分隔。由于在反应腔室中骤然产生的蒸汽压随着被包装物21的温度而自行调节，并由此自动停止在反应腔室23中的蒸发作用，因此只要薄膜24完好无损，就无法在反应腔室23中产生持续的反应。因此，只要蒸汽吸收槽(存储腔室25)不与反应腔室23相连，就不会继续进行蒸发。由此，调温容器20可以长期待用保存，而仅在需要时被激活。

如图6B所示，通过以设计为顶杆的执行机构26刺穿薄膜24来激活冷却处理，由此，反应腔室23与存储腔室25连通并且在两室之间产生蒸汽的传送。冷却处理由此开始，由于在反应腔室23内产生的蒸汽在存储腔室25的吸附剂中再凝结为水(凝结释放的热量被热沉所吸收)，从而使得从被包装物21中吸取热量并冷却所述被包装物的蒸发作用持续进行。只有当吸附剂达到饱和，或是蒸发介质(冷却剂)全部蒸发，或是被包装物21不能再继续提供蒸发热-即，当被包装物21已经冷却到期望温度范围内时，冷却处理才会停止。

应该提到的是，在本示例性实施方式中，存储腔室25与热交换器22一体化地设置。

根据图7A和7B，第二个使用示例示出了热交换器32在调温容器30内用作加热模块，其中热交换器例如通过放热反应***而生效。将未示出的反应物(例如氯化钙CaCl₂)置于热交换器32的反应腔室33中，所述反应物通过与来自存储腔室35的液体(例如水)混合而释放反应热，也就是说，所述反应物进行放热反应，由此加热调温容器30的容纳空间39内的被包装物31。存储腔室35被一体化地设置在独立模块40中，所述独立模块40以可替换的方式与调温容器30相连。在制造过程中，将活化液体37注入存储腔室35，以薄膜34封闭并抽成真空。同样将反应腔室33抽成真空以确保热交换器32的结构稳定性。将模块40置于调温容器30上。然而，只要存储腔室35的薄膜34和反应腔室33的分隔壁38都完好无损，两种反应物质就不会混合(如图7A中所示)。因此，调温容器30可以长期待用保存，而仅在需要时被激活。

如图7B所示，借助于设计为顶杆的执行机构36刺穿薄膜34和分隔壁38来激活加热处理。由此，反应腔室33与存储腔室35连接，并且液体37从存储腔室35流入反应腔室33，在所述反应腔室内与反应物产生放热反应。加热被包装物31的持续加热处理由此开始。通过将潜热存储器(例如PCM)添加到热交换器32的反应腔室33中，可以使温度达到潜热存储器的熔点温度而不会超过该温度-由此可以根据潜热存储器的熔化温度而将温度调整到不同的范围(取决于所使用的潜热存储器)，从而得到期望的被包装物温度(取决于实际应用：饮料、食品、药物)。

当液体37将反应物完全溶解，并且存储在潜热存储器中的热量全部传递给了被包装物时，加热处理停止。潜热存储器的熔化温度确保温度不会超过期望的被包装物温度。

在图8、9、10和11中分别示出了上面基于图6A和6B所描述的热交换器22在饮料罐41、PET塑料瓶42、纸板组合包装43和宴会桶44中的应用，此处必须强调的是，本发明并不限于这些实施方式。

Claims

1.一种热交换器，具有包含至少一种反应介质的抽成真空的反应腔室(2，2’，23，33)和包含一种激活介质的存储腔室(25，35)，所述促进介质以这样一种方式与反应介质产生反应以对温度进行调节，其中反应腔室和存储腔室可以建立连接关系，由此反应介质与促进介质相互接触，并引发温度调节反应，反应腔室(2，2’，23，33)由真空密封材料(3)制成的壁所限定，所述壁至少在局部被支承体(4，7，10)以一定距离相互分隔，借助于支承体(4，7，9，10)为反应腔室内的反应介质(11)保持传送通路(5，8)的畅通，其特征在于，构成反应腔室壁的真空密封材料(3)是柔性薄膜，优选为复合薄膜。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述薄膜是可密封的和/或可粘合的。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，反应介质(11，11’)含有蒸发介质、吸热反应剂或放热反应剂。

4.根据前述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，存储腔室(25)具有作为促进介质的吸附介质，并选择性地具有例如为相变剂(PCM)的热沉。

5.根据前述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，存储腔室(35)含有作为促进介质的促进剂(PCM)，所述促进剂与反应物接触引发放热反应，选择性地在反应腔室(33)内设置有潜热存储器，例如相变剂(PCM)。

6.根据权利要求1至5之一所述的热交换器，其特征在于，支承体由颗粒(7，9)构成，所述颗粒由于而在真空反应腔室中相互挤压，颗粒(7，9)优选为多孔的。

7.根据权利要求1至5之一所述的热交换器，其特征在于，支承体由模制品(10)构成，所述模制品(10)优选为开孔的。

8.根据权利要求1至5之一所述的热交换器，其特征在于，支承体构造为构架(4)，薄膜由于真空而在反应腔室中被压在所述构架上。

9.根据前述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，支承体(4，7，10)由具有良好导热性的材料构成。

10.根据前述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，支承体(7)构造为反应介质的存储件，或者支承体(9)由以固体形式存在的反应介质构成。

11.根据前述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，存储腔室(25)整体地设置于热交换器(22)中，该存储腔室优选经由柔性真空密封材料的连接而保持在热交换器上。

12.根据权利要求1至10之一所述的热交换器，其特征在于，存储腔室(35)构造为独立单元(40)。

13.根据前述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，由薄膜(24，34)和选择性设置的分隔壁(38)或阀将反应腔室(23，33)与存储腔室(25，35)隔开。

14.根据权利要求13所述的热交换器，其特征在于，用于刺穿薄膜(24，34)以及选择性设置的分隔壁(38)或是用于打开阀的执行机构(26，36)。

15.根据前述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，存储腔室(25，35)被抽成真空。

16.一种调温容器(20，30)，具有用于容纳待调温产品(21，31)的容纳空间(29，39)，其特征在于，根据权利要求1至15之一的热交换器(22，32)以热传导的方式与容纳空间相连

17.根据权利要求16所述的调温容器，其特征在于，所述调温容器设计为饮料罐(41)或PET塑料瓶(42)或纸板组合包装(43)或宴会桶(44)。

18.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，反应腔室(2，23，33)具有远离存储腔室(25，35)或构置成存储腔室的凹陷(6)延伸的段。

19.根据权利要求18所述的热交换器，其特征在于，柔性真空密封材料(3)向下超过反应腔室(2)并构成构置成存储腔室的凹陷(6)的边界壁(3a)。

20.根据权利要求19所述的热交换器，其特征在于，在充满反应介质、激活介质和/或吸附剂以后封闭凹陷(6)的底部。

21.根据权利要求19所述的热交换器，其特征在于，在凹陷(6)中***一个模块，该模块包括一个填充有反应介质、激活介质和/或吸附剂的存储腔室。

22.根据权利要求19至21之一所述的热交换器，其特征在于，通过分隔壁(3b)使凹陷(26)相对反应腔室密封。