专利名称：生产供用于在流体流之间进行溶质或热量交换的装置之用的多个通道的方法
技术领域：
本发明总体上涉及流体流之间的溶质或热量交換，且更具体地涉及ー种生产供用于在流体流之间进行溶质或热量交換的装置之用的多个通道的方法。本发明还涉及ー种用于在至少两种流体流之间进行溶质交换的装置。
背景技术：
现今存在许多不同的应用，其中扩散被用于使得流体流富含来自另一流体流的溶质，或者从流体流移除不想要的溶质或物质。ー个示例是在HVAC (采暖、通风和空调)中， 其中能够从气流移除水蒸汽，以便通过减少冷却器単元中的冷凝来降低功耗或者从例如建筑物的排气来回收能量。另ー示例是用于从水除去盐分的反滲透。当提到从流体分离水蒸汽时使用不同的方法；例如旋转具有湿气捕获的轮或者具有半滲透膜的板式热交換器。在气体干燥技术中，使用由象Nafion 的材料制成的管束。然而，从流体移除水蒸汽的不同方法具有一些缺陷；旋转式交換器设置有可动部件，这导致额外维护成本。此外，旋转式交換器増加了空气流之间污染的风险。板式交換器在焓方面显示出低效率，并且Nafion 管道是昂贵的。这些技术的制造商总是试图寻找产生这些效果的最成本有效方式，且因此开发出不同的方法。在常规的基于板的热量或湿气交換器中，交換器的层通常由间隔件或间隔部件或支承结构构成，膜被铺设在该间隔件或间隔部件或支承结构上。这种结构是常见的但是由于需要间隔件而未能实现高成本效率，取决于所使用的材料，该间隔件能变得昂贵。此外，间隔件还增加交換器的总重量。由于该重量，当安装时需要许多支承件，且増加的重量也増加了由在维护期间处理引起的风险。同样，由于沉重的重量，用于运输的成本也增加。在一些气体干燥技术中，使用大量小管，以便借助管束提供与良好流动特性结合的高湿气交换表面面积，而在该管束的外侧上的气流特性在很大程度上被忽视，通常不具有用于管之间流动的足够间隔。束的管通常结合另一流体流使用，该另一流体流在许多管之间以逆流或交叉流的方式进入管，但是在外侧流动。当使用非常小直径的単独制造的管吋，由于小管在技术上制造并且精制成产品是复杂的，因此生产成本将变高，且因此最终产品将变得昂贵。另ー缺陷在于，当管被包装成束时，在当前当代的产品中，未为管之间的流动特性提供令人满意的空间余量。
发明内容
本发明涉及ー种克服上述缺陷和缺点的生产供用于在至少两种流体流之间进行溶质交换的装置之用的多个通道的方法。所述装置中包括第一片材和第二片材。该方法包括以下步骤向所述第一片材和所述第二片材中的至少ー个提供至少ー个型面；以及将所述第一片材和所述第二片材结合到一起。由此，借助所述型面的形状来形成通道。本发明提供ー种方法，该方法使得多个薄通道以非常低的生产成本被制造。此外，该方法提供利用有利的流型来制造无限变形的多个通道的另选方式。根据另ー实施方式，该方法还包括步骤向所述第一片材和所述第二片材中的每个提供至少ー个型面；以及以所述型面彼此面对的方式将所述第一片材和所述第二片材结合到一起，由此借助所述型面的形状来形成所述通道。根据另ー实施方式，其中包括多个片材，所述方法还可包括步骤将所述多个片材结合到一起，由此借助所述型面的形状在多个层中形成通道。根据本发明的另一方面，提供一种用于在至少第一流体流和第二流体流之间进行溶质交换装置。所述装置至少包括第一片材和第二片材，其中所述至少第一片材配置有至少ー个型面。所述第一片材和所述第二片材被结合到一起，由此借助所述型面的形状来形 成通道。根据本发明的该装置对于从第一流体流到第二流体流进行物质交换尤其有用，以便从所述第一流体流移除或分离所述物质。根据另ー实施方式，所述第一片材和所述第二片材中的每个都配置有型面，并且所述第一片材和所述第二片材以所述型面彼此面对的方式结合到一起。根据另ー实施方式，所述片材能够配置有彼此成镜像的型面。根据另ー实施方式，所述通道的截面能够沿所述装置的长度变化。根据另ー实施方式，所述通道的数量能够沿所述装置的长度变化。根据另ー实施方式，所述装置还能够包括堆叠成多个层的多个片材。根据另ー实施方式，所述片材的材料对水有高溶解性。根据另ー实施方式，所述片材的材料能够具有在O. I至50纳米之间的孔径。根据另ー实施方式，所述片材的材料能够具有在50至500纳米之间的孔径。根据另ー实施方式，所述片材中的至少ー个能够是疏水性的。根据另ー实施方式，所述片材中的至少ー个能够是亲水性的。根据又另ー实施方式，所述片材中的至少ー个能够是金属。在一个实施方式中，所述第一片材和所述第二片材中均能够具有第一端部和第二端部，所述第一端部和所述第二端部具有在每个通道之间的倾斜中间表面，所述倾斜中间表面沿朝向相应片材的中间部的方向傾斜。在一个实施方式中，姆个片材都能够具有第一横向端部和与所述第一横向端部相反的第二横向端部，所述第一横向端部的横向延伸程度大于所述第二横向端部的横向延伸程度。与层之间的良好流量特性结合的由多个通道提供的高交換表面面积提供了用于流体流之间的扩散传递或热传递的理想情況。本设计根据需要允许层之间的任何距离。通过增加层之间的距离或使得层布局交错，也能够调节层之间的流动特性。另ー优势在于，例如在流体待被干燥的情况下，较大的空气流可能在所述通道之外流动或在配置有不止ー层的实施方式中在层之间流动，由此所述通道内的流体被更有效地干燥。通过合适地设计这些层之间的距离，对于应用来说能够优化这些层之间的流量。
本发明提供ー种具有紧凑构造的允许逆流设计的装置，并且不需要単独的间隔材料以允许横跨所述片材的流动。此外，该装置在这些层之间提供特别良好的流动特性，这是由于该装置的具有多个通道的设计以及具有在这些层之间的可调节距离的堆叠层设计。同样，一体的通道提供低维护和低撕裂风险，这是因为不存在由所述片材抵靠支承结构的振动引起的磨损。又另ー优势在于，由于单独通道的自动分离以及良好且可独立调节的外部流动特性，该装置制造便宜。此外，本发明提供一种用于溶质交换的装置，该装置消除了对于片材之间附加支承结构的需要并且与此同时提供用于逆流流动的装置，与常规技术相比这显著地提高了效率。进ー步优选的实施方式由从属权利要求限定。
现将參照附图通过示例来描述本发明，在附图中图I示出了根据现有技术的用于进行水蒸汽交换的装置；图2示出了根据本发明一个实施方式的具有型面的片材；图3示出了根据另ー实施方式的具有型面的片材；图4示出了根据本发明一个实施方式的结合到一起的两个具有型面的片材；图5示出了结合到一起的多个具有型面的片材；图6和图7示出了具有另选的型面的片材；图8示出了结合到一起成为交错层的多个片材；图9示出了根据本发明又另ー实施方式的结合到一起的两个具有型面的片材；图10示出了根据本发明一个实施方式的与具有光滑表面的片材结合到一起的具有型面的片材；图11不出了具有又另一另选的型面的片材；图12a示出了根据本发明的用于交换装置中的片材的示例的立体图；图12b示出了根据本发明的如图12a所示的片材堆的立体图，该片材堆形成交換装置的一部分；图13示出了图12a中的片材的前视图；图14示出了根据本发明另ー示例的形成交換装置的一部分的片材堆的立体图；以及图15示出了片材堆的剖面图，示出了沿与片材的纵向延伸垂直的方向的流体的流动。
具体实施例方式图I示出了根据现有技术的用于进行水蒸气交换的装置。在常规技术中，将波纹材料或流分配构件用在可滲透材料制成的平坦片材之间，以限定通道和流动方向并且提供用于分离层的均匀间隔件。在一些示例中，片材的侧面被向下转动以提供间隔件。这种设计始终局限于交叉流动构造。图2示出了根据本发明的具有型面5的片材3。为了形成型面5的形状，能够在制造中使用几种不同的方法。例如，片材能够是波纹板。作为另ー示例，ー种材料的片材能够被加热到这样的程度，即，它可变形，于是在模具/本体上使其成形之后将其冷却，由此使形状固定。一旦被永久地变形，该形状将保持。另ー方式是使得许多极细的线随机地撒落在模具/本体上(例如，借助电纺丝来实现)，以形成这样的形状，即一旦形状设定，该片材就能够保持其形状，即使当变形时也是如此。形成型面5的形状的又另一方式是在实心材料或多孔材料制成的片材的一侧或两侧中切出具有有利流型的通道。片材3、4的材料对于ー些物质或溶质来说能够是半滲透的或滲透的。片材的材料能够是多孔的、实心的或者是多孔且实心的。当通道I的尺寸是小的时，上述方法是尤其适合的。采用这些方法，能够容易并且成本有效地生产具有仅数个毫米的截面的小通道。型面的形状和因此由这些表面形成的通道的截面能够取决于期望流动特性而变化。通道的截面例如能够是圆形、六边形、正方形或三角形。第一流体和第二流体能够彼此逆流地分别在通道I内和通道I外流动。
通道中的流体能够是气体或液体。图3示出了根据本发明一个实施方式的具有型面5的另一片材3。该片材还配置有开ロ，以当多个片材结合到一起成为多个层7时有利于层7之间的流动。图4示出了根据本发明的结合到一起的两个具有型面5的片材3、4。通过例如如图I所示向基材制成的片材提供型面5，并且通过将两个这种具有彼此相对且优选地成镜像构造的型面5的片材结合到一起，能够借助容易的自动化工艺来形成多个小通道I。例如通过焊接、胶粘或熔合或通过将两个型板以密封方式结合到一起的任何其他合适粘合エ艺，能够实现将片材3、4的结合在一起。片材3、4配置有型面5，由此实现具有圆形截面的通道I。通道I能够具有任何其他合适形状，例如，椭圆形、六边形或正方形。图5示出了结合到一起的多个片材3、4。如图所示，当被堆叠吋，片材3、4形成多个层7。当流体从ー侧流动到另ー侧时，这种构造产生低的压降，由此确保并保持通道的流动特性以及在层7之间在通道I外的不受阻碍的流体流。图6和图7示出了具有另选的型面5的片材3。图8示出了结合到一起成为多个层7的多个片材3、4。这些层7相对于彼此移位，由此提供具有交错构造的多个层7的装置。交错形式減少了层7之间的距离且因此增加了每构造的体积单位的总表面积，并且该单位在保持相同的表面面积的同时能够被制造得更为紧凑。图9示出了结合到一起的两个具有型面的片材。图10示出了与具有光滑表面的片材结合到一起的具有型面5的一个片材3。由此，提供示出半圆形截面的通道I。图11示出了具有另选的型面5的片材。该片材还设置有多个开ロ 6，以当多个片材3、4结合到一起成为多个层7时有利于层7之间的流动。为了将进入的流分离，开ロ能够在通道之间被切割。这提供了与通道的主方向垂直的进入通道，由此在通道之外分离流；或者在多层的情况下，在这些层之间从通道内的流的进入点分离该流。如果多个层7的构造是交错的，那么相同方法能够用于对角线通道，该对角线通道与通道垂直以在这些层7之间供给流。型面5能够由任何合适方法来形成，例如通过加热片材、使得片材变形由此使得表面成型、并接着冷却该片材由此使得型面的形状停留在其变形形状来形成。另ー示例是使多根细线随机地落在具有型面的本体上，由此形成具有型面5的片材，该片材一旦被设定就将保持其形状。另ー另选方式能够是在实心或多孔材料的第一片材和第二片材的ー侧或两侧中切出通道。通过在片材上施加塑料或其他合适材料的图案，能够提供又另ー型面。此外，能够在通道I之间切出开ロ 6，以便提供入ロ，该入口在层7之间将流从与通道I垂直的方向分配。这提供了与通道的主方向垂直的不受阻碍的流动，由此使通道之间的流从这些通道内的流的进入点分离。如果层7的构造是交错的，那么相同方法能够用于对角线通道，该对角线通道与通道垂直以供给层7之间的流。为了在层7之间均匀且容易地分配流，开ロ 6能够在通道的两端之间被切出(主要用于流分配)、或者沿通道的全长以一定间隔被切出，从而提供用于压カ均化和容易的流路的简单装置。 为了提供用于交叉流动或逆流流动的通道束，能够在通道之间切出均匀间隔开的开ロ，以提供来自与通道内的主流动方向都垂直的两个方向(自上而下或左右)的在通道之间的不受阻碍的流动。上述实施方式中的任何实施方式能够用于湿气交换应用(用于交换溶质)或另选地能够用于热交换应用。实施方式的功能性取决于供制造片材的材料。对于热交换应用，通常能够使用具有高热导率的材料。这种材料包括金属(例如，铝和不锈钢)或热塑性塑料(例如，聚丙烯或聚对苯ニ甲酸こニ醇酯(PET))。对于包括交換溶质的应用，通常能够使用如上所述的渗透或半滲透的材料。图12示出了根据本发明示例的片材10的立体图。片材10能够以如上所述的任何方式制造。片材能够用于湿气交换应用(例如，交换溶质)或另选地用于热交换应用。如上所述，具体应用取决于片材10的材料。片材10具有第一端10-1以及与第一端10-1相反的第二端10-2。片材10具有多个通道12，这些通道呈现片材10的型面。片材10还具有第一横向部14-1和与第一横向部14-1相反的第二横向部14_2。第一横向部14-1和第二横向部14-2形成片材10沿其纵向方向的外边界。片材10能够成对地结合到一起，其中相应通道12彼此面向，其中相应通道12由此形成封闭通道或管。片材10能够成对地被组装以形成堆叠的片材组件16，如图12b所示以及如图15中示意性地所示。堆叠的片材组件形成多个通道12，第一流体可能流经该通道12。第二流体可能在每对片材10之间的层中流动。第二流体通常从由第一横向部14-1限定的ー侧被提供到堆叠的片材组件16中。第二流体流通常从由第二横向部14-2限定的ー侧离开该堆叠的片材组件16。当第二流体流经堆叠的片材组件16时，该第二流体可能与通道12平行地流动并且可能与通道12垂直地流动。在堆叠的片材组件设置成使其允许第二流体的流体流与通道12平行时，流动方向通常沿这样的方向，该方向与第一流体流经通道12的流动方向相反。然而在一些应用中，第一流体和第二流体的流体流也能够沿相同的方向。第一横向部14-1和第二横向部14-2具有大致平面状的表面。如图15所示，相对于第二横向部14-2的从最外通道12开始的延伸(该第二横向部从该最外通道延伸)与该第二横向部14-2的横向延伸程度d2相比,第一横向部14-1可能具有从最外通道12 (第一横向部从该最外通道延伸)开始的较大横向延伸程度dl。通过向片材10提供这样的构造，在该构造中第一横向部14-1从最外通道开始的横向延伸程度dl大于第二横向部14-2的横向延伸程度d2，结合的片材10对能够被堆叠，使得用于每对片材的通道12以交替的方式设置。由此，片材对的每隔ー层具有在其公共平面中的通道。由此，流体流能够沿从第一横向部14-1至第二横向部14-2的方向在每对片材10之间传送。如图12a所示的片材10在其第一端10_1处具有第一端部11_1。片材10在其第ニ端10-2处具有第二端部11-2。第一端部11-1和第二端部11-2具有多个倾斜中间表面13。倾斜中间表面13被设置在每个相邻的通道12之间。倾斜中间表面13与通道12在第一端10-1和第二端10-2处的外顶面15大致齐平。
倾斜中间表面13具有沿朝向片材10的中间部17的方向从第一端10_1和第二端10-2的向下倾角。在第一端部11-1和第二端部11-2之间，通道12之间的中间表面与通道12大致平行。倾斜中间表面13提供用于每对结合的片材10的开ロ端，因为在第一端10-1和第ニ端10-2处未形成通道。由此，第一端部11-1和第二端部11-2用作流分配构件，其将引入的流体流18在第一端10-1处均匀地分配到多个结合通道12中并且在第二端10-2处收集来自每个通道12的流。该过程在图12a中被示意性地示出。此外，与通道12在第一端10-1和第二端10-2处的顶面15大致齐平的倾斜中间表面提供间隔元件，使得堆叠的片材10对能够被适当地隔开。由此，能够获得在结合的片材10对的每层之间的流体流。该间隔将仅出现在第一端部11-1和第二端部11-2处。因此可能在第一端部11-1和第二端部11-2之间的区域中提供不受阻碍的流体流。然而，构想到的是，如果片材很长，那么能够沿片材的轴向延伸提供其他分离装置，以便将片材对彼此分离。图13示出了片材10的前视图。平面19在将每对片材10与其两个相邻的片材10对适当地隔开的同时允许堆叠多对片材10。图14示出了堆叠的片材组件16’，该堆叠的片材组件16’是堆叠的片材组件16的变形。总体上，堆叠的片材组件16’与堆叠的片材组件16具有类似的设计。然而，片材10’利用除上述用于将每对结合的片材10’隔开的倾斜中间表面之外的其它技木。具体地，通过例如提供横向地跨越每个片材10’的第一端和第二端的外表面15’的热熔性胶粘剂帯，每对结合片材10’能够与其他结合片材10’对堆叠。另ー另选方式是在每端处提供间隔构件。图15示出了流体流如何横向地穿越堆叠的片材组件16的一部分。为了说明性目的示出了在仅两对结合片材10之间的流体流F。当流体流F进入堆叠的片材组件16时，层流变为紊流。该效果部分是由于向下突出的通道部12-1造成的，该向下突出的通道部将流体流F朝向向上突出的通道部12-2引导。由此，流体流将具有更均匀的速度梯度，从而形成紊流以及横跨堆叠的片材组件16的低压降。因此，能够大致保持贯穿堆叠的片材组件16的流速。此外，由于形成的紊流的性质，降低的边界层阻力产生与在通道12中流动的第一流体的更为有效的交換。由此，能够提供十分有效的冷却或加热。要注意的是，词语(例如，“向上”和“向下”)仅反映图15中堆叠的片材组件的几何布局并且不被认为以这种方式限制所述特征。实际上，通道突出的方向取决于堆叠的片材组件的取向。流经堆叠的片材组件16的流体能够是适合用于交换溶质和/或热量的应用的任何气体或任何液体。取决于应用，例如用于交换溶质的应用或用于冷却或加热目的的应用，片材能够由任何合适材料构成。本发明主要參考数个实施方式在上文被描述。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了上述的实施方式以外的其他实施方式等同地可能落入本发明的范围内，本发明的范围由所附权利要求书限定。例如，片材能够具有彼此不相反的第一端和第二端；该片材能 够具有除了矩形以外的其他形状。例如，片材能够具有长菱形形状或者能够形成为“U”形。
权利要求
1.一种生产供用于在至少第一流体流和第二流体流之间进行溶质或热量交換的装置(2)之用的多个通道(I)的方法，其中至少包括第一片材和第二片材(3，4; 10; 10’)，所述方法包括以下步骤 -向所述第一片材和所述第二片材(3，4; 10; 10’)中的每个提供至少ー个型面(5)； -将所述第一片材和所述第二片材(3，4; 10; 10’ )以所述型面(5)彼此面对的方式结合到一起，由此借助所述型面(5)的形状来形成通道(I)。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，包括多个片材(3，4;10; 10’)，所述方法还包括以下步骤 -将所述多个片材(3，4; 10; 10’ )结合到一起，由此借助所述型面的形状在多个层(7)中形成通道(I)。
3.一种用于在至少第一流体流和第二流体流之间进行溶质或热量交換的装置，所述装置包括 -至少第一片材和第二片材(3，4; 10; 10’)，所述第一片材和所述第二片材(3，4; 10; 10’)中的每个都配置有型面(5)， 所述第一片材和所述第二片材(3，4; 10; 10’ )以所述型面彼此面对的方式结合到一起，由此借助所述型面(5)的形状来形成通道(I)。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，具有所述型面(5)的所述片材(3，4;10; 10’ )彼此成镜像。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其中，所述通道(I)的截面沿所述装置的长度变化。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其中，所述通道(I)的数量沿所述装置的长度变化。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，该装置还包括堆叠成多个层(7)的多个片材(3，4;10;10’)。
8.根据权利要求3至7中任一项所述的装置，其中，所述片材的材料对水有高溶解性。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的装置，其中，所述片材的材料具有在O.I至50纳米之间的孔径。
10.根据权利要求3至8中任一项所述的装置，其中，所述片材的材料具有在50至500纳米之间的孔径。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的装置，其中，所述片材中的至少ー个是疏水性的。
12.根据权利要求3至11中任一项所述的装置，其中，所述片材中的至少ー个是亲水性的。
13.根据权利要求3至12中任一项所述的装置，其中，所述片材中的至少ー个是金属。
14.根据权利要求3至13中任一项所述的装置，其中，所述第一片材和所述第二片材均具有第一端部(11-1)和第二端部(11-2)，所述第一端部(11-1)和所述第二端部(11-2)具有在每个通道之间的倾斜中间表面(13)，所述倾斜中间表面沿朝向相应片材的中间部的方向傾斜。
15.根据权利要求3至14中任一项所述的装置，其中，每个片材均具有第一横向端部(14-1)和与所述第一横向端部(14-1)相反的第二横向端部(14-2)，所述第一横向端部 (14-1)的横向延伸程度大于所述第二横向端部(14-2)的横向延伸程度。
全文摘要
本发明涉及一种生产供用于在至少两种流体流之间进行热量或溶质交换的装置之用的多个通道的方法。本发明还涉及这种装置。至少包括第一片材(3)和第二片材(4)。该方法包括以下步骤向所述第一片材(3)和所述第二片材(4)中的至少一个提供至少一个型面；以及以所述型面(s)彼此面对的方式将所述第一片材(3)和所述第二片材(4)结合到一起。借助所述型面的形状来形成通道。
文档编号F28D21/00GK102686968SQ201080060727
公开日2012年9月19日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者约翰·西韦尔科利夫 申请人:空对空瑞典股份有限公司