专利名称：热交换器及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及热交换器(或换热器)及其在各种工业应用中的使用。下文中将更详细地介绍各种这样的应用，但是在燃气涡轮结构中的使用构成实施方式的一个优选类别。
背景技术：
燃气涡轮通常被用于分布式发电以及动力输送中。在这些以及其它应用中，在提供合适的热交换器(同流换热器)的方面存在很多问题，其中热交换器既要运行良好，又要具有合适的尺寸、成本和性能。
对于气-气热交换器来说，板翅式或管板式结构通常是理想的。传统的管板式热交换器包括这样的结构，其中一种流体流过管的长度，所述管贯穿一叠平行板。第二流体在板间的间隙中流动。
US-A-5 845 399公开了一种碳纤维复合材料热交换器，其中碳纤维丝穿过彼此平行的层压碳纤维薄板的平面，从而在其间为第一和第二流体交替地提供流动通道。
如GB-A-2 122 738中所述，耐腐蚀热交换器包括由隔离壁板所分隔开的流动通道，其中该隔离壁板由耐腐蚀材料、例如塑料制成，由陶瓷制成的传热翅片贯穿其间。
在US-A-4 771 826中描述了包括用于分隔分离的流动通道的锯齿状板的另一种热交换器。
EP-A-714 500涉及一种热交换器，其包括穿过通道隔离层的热传导线，其中通道隔离层由一填实区域所限定，该区域由在沿垂直于传导线的方向延伸的平面上设置的尼龙隔离丝所界定。
DE-A-100 25 486公开了一种热交换器，其中扁平的长管构成一板状结构，其中“板”之间的交替间隙构成各流体的流动通道，其整个结构具有贯穿其中的销或杆。
US-A-6 305 079描述了一种具有单元结构的热交换器。每个“单元”包括一对板，其上附有翅片状结构，用以增大传热面积。每个单元的板之间的空隙由翅片状结构桥接。相对的冷、热流在交替的板之间被引导。通过将单元的端部形成并粘接至风箱式或手风琴式结构上，所述单元在其任一端被支撑。
US-A-2 812 618公开了一种板销式结构，其中具有非圆形剖面的销被设置成穿过热交换器，并具有从一块板至另一块板的交替的剖面方向。变化的方向使得销并不全彼此共轴。
事实上，由于其不能承受在高温(典型地高于650℃)下的长期工作，更准确地说，在这种情况下燃气涡轮中的换热性能最高，板-销式设计和单元式设计迄今为止已经严重地受到限制。
发明内容
在最宽泛的意义上，根据本发明的热交换器被布置成使得两种流体可以在板之间的交替间隙中流动并且销装置穿过一块或多块板延伸。这种形式的结构可以提供结构上的支承，并且显著有益于传热。优选地，所述板被布置成相应的单元，每个单元包括多个通过销连接的板。根据不同实施例，该热交换器结构还增强了其在高温和高压下工作的能力和/或具有其它优点。
本发明的第一个方面提供了一种热交换器，其包括多块板，每块板在其相反侧具有第一和第二传热面，所述板以堆垛的方式布置，相邻板的彼此面对的传热面之间具有空隙，堆垛中的交替空隙分别提供了用于第一流体的第一流体通道和用于第二流体的第二流体通道，并且其中所述板被布置成多个板组，每个板组包括至少两块板，设置有销装置，其包括多个销组，每个销组中的销被布置成桥接相应的板组中的板。
本发明的第二个方面提供了一种热交换器，其包括多个彼此隔开的堆垛板对，每个板对中的各板具有相应的彼此面对的内表面，并在它们之间限定出用于第一流体的第一流体通道，每个板对中的各板具有与所述相应内表面相反的相应外表面，一个板对中的一块板的外表面与相邻板对中的一块板的外表面隔开并与之面对，从而在它们之间限定出用于第二流体的第二流体通道，位于一个板对中的板通过多个销跨过该第一流体通道桥接在一起。
本发明的第三个方面提供了一种热交换器，其包括多块板，每块板在其相反侧具有第一和第二传热面，所述板以堆垛的方式布置，相邻板的彼此面对的传热面之间具有空隙，堆垛中的交替空隙分别提供了用于第一流体的第一流体通道和用于第二流体的第二流体通道，其中所述堆垛中的板被布置成多个板组，设置有销装置，其包括分别连接和延伸穿过每组板的多个销组。
本发明的第四个方面提供了一种热交换器，其包括多个彼此隔开的堆垛板对，每个板对中的各板具有相应的彼此面对的内表面，并在它们之间限定出用于第一流体的第一流体通道，每个板对中的各板具有与所述相应内表面相反的相应外表面，一个板对中的一块板的外表面与相邻板对中的一块板的外表面隔开并与之面对，从而在它们之间限定出用于第二流体的第二流体通道，位于一个板对中的板通过多个销跨过第一流体通道桥接在一起，其中所述销延伸穿过其外表面并越出该外表面进入第二流体通道。
在第五个方面中，本发明提供了一种热交换器，其包括多块板，每块板在其相反侧具有第一和第二传热面，所述板以堆垛的方式布置，相邻板的彼此面对的传热面之间具有空隙，堆垛中的交替空隙分别提供了用于第一流体的第一流体通道和用于第二流体的第二流体通道，其中设置有延伸穿过所述堆垛中的至少一块板的销装置。
在第六个方面中，本发明提供了一种热交换器，其包括多个彼此隔开的堆垛板对，每个板对中的各板具有相应的彼此面对的内表面，并在它们之间限定出用于第一流体的第一流体通道，每个板对中的各板具有与所述相应内表面相反的相应外表面，一个板对中的一块板的外表面与相邻板对中的一块板的外表面隔开并与之面对，从而在它们之间限定出用于第二流体的第二流体通道，位于一个板对中的板通过多个销跨过第一流体通道桥接在一起，其中所述销延伸穿过其外表面并越出该外表面进入第二流体通道。
分别位于堆垛内的交替板组之间的第一流体和第二流体的流动方向可以彼此相同，或优选地为彼此相反，或者甚至呈直角或任意其它角度。此处使用的术语“流体”表示同时包含液体和气体或只包含其中的一种，第一和第二流体可以为其中的任意一种。
虽然优选地在热交换器中基本上所有的板具有本发明的任意方面所限定的结构(例如销装置)，但可选地，热交换器也可包含与所限定的板的结构不同的板或其它结构的板，尤其是其它的热交换结构。
使用桥接板的销使得允许这样的传热面布置，其能够采用较厚的高温材料，并被制造成具有当前的同流换热器所缺乏的坚固性和可靠性。通过增强热传递，可以补偿由于使用附加材料而带来的费用支出，其中所述热传递不仅发生在板上，而且发生在销上。在这种结构方式下，热交换器能够承受高温操作。
根据本发明的热交换器优选地包括至少两组、例如10组或更多组通过销连接在一起的板。总的来说，板的数量没有上限，但是取决于具体应用，其可以多至100或1000块，例如可以为10000块。然而，具有60-600块板的单元是典型的。对于板组的总数也没有上限。
在任何一个板组中，销装置可以包括从至少一块板(但是优选地为所述板组中的所有板)的一个传热面伸出的销，其中所述销与从所述板的另一个传热面上伸出的销基本上排成一列(或成一直线)。或者，从一个传热面伸出的销可以与从另一个传热面伸出的销径向错开(即偏置)。后一种布置方式对于热交换器的制造来说是有利的，下文中将对其进行更详细的描述。
有利地是，销装置还包括从至少一个板组的最外面的传热面伸出的外部销，所述进一步设置的销终止于各销的自由端。优选地，在一个板组的销的端部与相邻板组的销的端部之间设置有间隙。优选地，各流体在板之间的交替空隙中流动，从而使得在销节段的端部位于其中的间隙中的流体压力比在板之间的交替空隙中的压力小，其中销部件以不间断的方式延伸穿过所述板之间的空隙。
每个板组可以包括两块板，但是超过两块板的板组可以通过各销部件连接在一起，优选地，可以由任意偶数块板组成一个板组，如四块、六块、八块或更多。另外，优选地，在一个由此连接在一起的板组中，在销的端部之间设置有间隙，并且销的端部延伸穿过相邻板组。当各排之间的销被径向地偏置或错开时，最优选地，具有由间隙隔开的、彼此面对的端部的销仍然基本上彼此对准(排成一列)。然而，至少一些具有相互面对的端部的销可以被偏置(错开)。
位于销端部之间的任何这种间隙的尺寸优选地为板之间的间隙的尺寸的1％至50％，更优选为2％至20％，其中销节段穿过所述板之间的间隙延伸，以终止于各端部。
优选地，销为实心体，但是其也可以为中空或蜂窝结构。优选地，在横截面中，销呈圆柱形，但是其也可以呈其它横截面形状，例如椭圆、多边形或翼形，总的来说，本发明不限于任何特定形状。此外，并不绝对要求所有销均具有同样的横截面形状和/或同样的横截面直径。例如，销的直径可以局部变化，以适应技术和制造方面的约束，或者销阵列可以包括布置在一排中的交替的小直径销和大直径销。事实上也不必要求销沿着其轴线方向呈纯粹的圆柱形。沿着销的轴线，其横截面的尺寸和形状可以变化，例如，其端部为锥形或圆形，但是其中间部分为翼形。一种可能的锥体方式是端部较宽、向着中部逐渐变窄的锥体。
为了提高环绕销的气体动力流动能力和/或销的传热能力，所有销或一部分销可以具有不规则形状，例如突起或肋(如圆形或螺旋形肋)，或者通过使表面粗糙化来增大其表面积，例如，通过蒸发镀铝施加一适当的涂层，或进行其它表面处理，例如喷丸/喷砂处理。
优选地，销与流体流动的方向垂直地成排布置，但是位于交替的排中的销优选地相对于位于相应的相邻排(一排或多排)中的销彼此错开，从而使得当从上方看时，销的端部看起来位于一个三角形(例如一个大致等边三角形)的顶点上，所述三角形的一条边基本上与流动方向垂直。垂直于(或最接近垂直于)流动方向的边的间距与销的轴向间距之间的比值可以变化，例如为0.4至4，更优选地为1至1.2，其对应于被布置在一优选为大致等边或对称阵列(equilateral array)中的销，其中所述阵列的一边优选地大致与流动方向垂直。然而，也可以采用另一种结构，其中该名义三角形的“边”相对于流动方向倾斜一定的角度。
在圆柱形销的情况下，优选地，其平均横截面直径为0.1毫米至10毫米，更优选地为0.5毫米至3毫米，平均板厚优选为0.1毫米至3毫米。
在任何一个板组中的相邻板之间的空隙优选在板区域内基本上恒定，并且优选地，一个板内空隙与下一个板内空隙也基本上恒定。然而，在某些情况下，这些空隙可以变化。优选地，一个板组内的板之间的空隙基本上与一个或多个、优选为所有的其它板组内的板之间的空隙相同。不同板对之间的空隙不一定要求相同。包含销端部的相邻板之间的空隙优选为平均横截面直径的0.1至100倍，更优选为1至10倍。通过各销或销部件完全桥接的各板之间的空隙优选为平均横截面直径的0.1至100倍，更优选为1至10倍。
优选地，所述板基本上是平坦的，但是其也可以部分弯曲或基本上在其所有主表面上弯曲。所述板也可以呈放射状布置。在此情况下，优选地，这些板以渐开线方式弯曲，以使相邻板之间的空隙基本上保持恒定。对于两种流体来说，流动可以分别沿径向和/或轴向进行。
优选地，在热交换器的中心区域内限定出第一流体通道的板之间的平均空隙与在相同区域内限定出第二流体通道的板之间的平均空隙之间的比值1∶100至100∶1，优选为1∶10至10∶1。
一般而言，相对较热和相对较冷的流体的流入和流出通过各自的主管道装置引导。提供有各自的过渡部件，从而使得它们可以在热交换器的本体内部与第一和第二流体通道的相应端部连通。在实施例的一个类别中，以下称之为实例，在热交换器的一端或另一端、或者两端，但是优选为至少在相对低压的流体流出的一端，与热交换器的主体内的流动方向大致平行的板的边缘向内逐渐变窄(即，使得板的宽度减小；该宽度对应于沿着根据下面定义的z轴的热交换器的“高度”)。高压气体随后通过一个集管(header tube)被送入，而流出的低压流体被收集在围绕该集管及其相关送料器的岐管中。
板的最优选的横截面形状为大致或基本矩形。然而，也可以为其它形状。优选地，全部或大部分的板具有基本相同的形状。优选地，它们具有基本均匀的厚度。
如上面所指出，在实施例的一个优选类别中，在一个大致或基本上与第一流体或第二流体中的至少一个的流向垂直的方向上，在接近第一流体和/或第二流体入口的相应区域内，板的宽度逐步变窄。
优选地，第一流体和第二流体中的一个的流入和/或流出通过相应的管装置引导，其中所述管装置穿过板堆垛，并设置有至少一个通向相应的第一流体通道和/或第二流体通道的开口。在这种类型的布置中，优选地，所述第一流体和第二流体中的另一个的流入和/或流出在一个相应的歧管壁内被引导，其中所述歧管壁至少部分地环绕相应的管装置。
优选地，在热交换器的两端采用相同的布置方式，可选地，其具有不同直径的集管。对于进料结构而言，可以在其任一端部包括超过一个的集管，并且实际上，也可以使一个端部的管的数量与另一个端部的管的数量不同。
可以方便地将热交换器制造成模块化结构，其中它以模块或单元形式制造，每个模块或单元包括板的总数中的一小部分，它们具有适当的管路，以引导两种流体流入和流出每个模块。这样，对于特定的应用需求，可以灵活地配置热交换器的总体尺寸。从维修的角度来说，这也是有利的。这种模块结构可以简单地包括一个壳体，其中模块被堆叠在该壳体内。在燃气涡轮的情况下，这种模块可以被布置相对于涡轮轴沿周向布置。
在本说明书中，除非另有相反说明，将采用如下的定义。就正方形或矩形块而言，在流动方向上沿着板之间的空隙的尺寸将被称为长度，或x轴。在垂直于其传热面的方向上跨过板的横截面的尺寸将被称为宽度，或y轴。通过板之间的空隙的尺寸(在大多数优选实施例中其通常垂直于流体的流向)将被称为高度，或z轴。为方便起见，在适当情况下，长度、宽度和高度的概念将适用于各通道部件以及总的热交换器基体。
就圆柱形(或圆筒形)结构而言，如果通道部件的径向延伸方向平行于圆柱体的对称轴线，则量度维数为z轴、径向方向、r轴和角坐标θ。
在最广泛的意义上，板和/或销可以分别由任意金属、陶瓷或复合材料制成。更准确地说，板和/或销可以由高温合金、例如通常用于制造涡轮叶片的合金材料制造。或者，也可使用高温陶瓷。对于对压力和温度要求较低的应用场合，板和销可以由耐高温钢制造。制造销的材料可以与板相同。然而，在逐步地沿着流体流动的方向上，制造单个销的材料可以与制造其它销的材料(一种或多种)不同，例如，可以在一端为镍合金，另一端为不锈钢。这样在成本上具有优势，因为相对昂贵的材料只需被用于在工作过程中应力条件最苛刻的销。销的材料可以具有逐步变化的成分或者包括不同成分的离散组。
取决于所使用的材料，制造方法可以是金属板材的制造或挤出、焊接(如激光焊接)、光化学蚀刻、铸造或通过扩散结合的超塑性成形。后者更适用于中等或高温环境。或者，销和板结构可以通过在一个适当成形的基底上烧结而形成陶瓷结构进行制造。还可以采用复合材料、例如碳纤维复合材料进行构造。
通过例如焊接的的技术，通过物理地穿过形成在板上的孔而伸出，销装置可以通过一块或多块板延伸。通过例如光化学蚀刻的技术，销可以与一块或多块板整体(或成一体)地形成。形成一种或其它这样的结构的技术对于本领域的技术人员来说是公知的。对于根据本发明的热交换器来说，其也可以包含两种形式的销装置。
销装置中的销可以和板一起“整体地”形成，在这种意义上，它们仅仅从板的一个表面伸出，但是在其至少一端被焊接或钎焊至板的至少一个传热面。在该技术的一种变型中，各销的一端可以插入位于各板上的一个相应的孔中，以基本上与板的表面齐平，并被焊接或钎焊就位。在这些技术中，焊接或钎焊可以被用于一个或两个安装表面。
因此，例如，销与板之间的连接或板和一种流体与另一种流体之间的密封可以通过激光焊接实现。或者，一个如上所述的涂层(如蒸发镀铝)可以被用于将销连接至板上，并实现两种流体之间的密封。
本发明的第七方面提供一种用于制造根据本发明的热交换器的方法，所述方法包括提供一个或多个工件，并从所述一个或多个工件整体地形成板和销装置。
对于分别从板的相反表面伸出的径向错开(交错)的销来说，尤其适于通过焊接或钎焊“整体地”形成销。通常，钎焊只可能在不能因为相邻板的存在而难以接近的暴露的板表面上进行。销可以被焊接至第一板的一个或两个表面上，然后，一个相邻的这样的第二板可以被抵靠着所述第一板的销的自由端放置并从反面进行焊接。因为位于板的一侧的销不与位于另一侧的销排成一列或成一直线，所以可以进行反面焊接。当销的一端被插入板内的孔中时，可以采用该可选的钎焊工艺，以使销与远离的一侧齐平。在这种技术的一个变型中，当板被集合在一起时，一部分销(如它们中的一半)可能被预先连接在一块板上，而另一部分则连接在另外的板上。然后，在板的与桥接侧相反的一侧进行焊接或钎焊。
本发明的第八方面提供一种制造根据本发明的热交换器的方法，所述方法包括提供多块板，在所述板上形成孔，将相应的销装置插入或穿过该孔，并在进入或通过所述孔的至少一个位置处将该销装置连接就位。
对于本发明的第八方面来说，优选的连接技术是焊接，特别是激光焊接。这是因为焊接具有高的完整性，并能够实现两种流体之间的密封。所述工艺还导致在焊缝附近环绕所述(一个或多个)销的圆周处以规则或不规则间隔形成凸起。这些凸起有利于传热。
需要注意的是，所提及的作为根据本发明的一个方面的热交换器的优选或可选方案但未被包括在本发明的任何其它方面的限定中的其它特征也可以被并入根据本发明的该其它方面的热交换器中。
本发明的任何方面的热交换器尤其适合用于发电设备/动力产生设备(power producing apparatus)。所述发电设备可以包括燃气涡轮。事实上，本发明的一个特别优选的实施例是用于燃气涡轮的同流换热器(recuperator)。
在压缩机输出空气进入燃烧器之前，同流换热器利用涡轮排出的热气体预热压缩机输出空气，因此用于获得高效运行所需的高涡轮进气温度的燃料需求量减少。附图中的图1示出了一同流换热的燃气涡轮，其用于驱动产生电力的发电机。
压缩机1A、涡轮3A和发电机5A被布置在一个公共轴7A上。在传统方式中，涡轮3A驱动压缩机1A和发电机5A。压缩机1A包括进入的冷空气，其从同流换热器9A中通过，然后到达燃烧器(或燃烧室)11A，燃烧器11A的输出驱动涡轮3A。这样便限定出一个通过同流换热器的冷通道(低温通道)13A。涡轮3A排出的废气被引导通过同流换热器的热通道(高温通道)17A，以用于加热位于冷通道13A中的压缩空气，然后通过最终的排放通道19A排出。除了驱动压缩机1A外，轴7A的旋转还转动发电机5A，以产生电能。
同流换热器的性能主要依据热交换效率和相关的压力损失进行评价。从热的废气中提取的热量与被传输至来自压缩机的冷空气的热量之间的比值表示同流换热器的效率(效能)。优良的同流换热器的效率应大于75％，优选为大约90％。同流换热器中的压力损失必须保持较低，因为其趋向于减小通过涡轮的膨胀率，并反过来对动力输出带来不利影响。压力损失应低于10％，理想地低于5％。
同流换热器的存在大大提高了用于分布式发电的小型燃气涡轮的效率。典型地，当前的未同流换热的小涡轮的工作效率低于20％，与之相比，同流换热循环的涡轮的效率为30％左右或更高。同流换热器排出的废气中的废热可用于提供民用供热(热电联合)，对于最终用户来说，其可有效地进一步提高效率。然而，总效率的明显改善要求更高的涡轮工作温度，并因此要求比当前的同流换热器可以承受的温度更高的涡轮废气温度。
或者，热交换器可以被应用于往复式发动机动力发生器(reciprocatingengine power producer)的涡轮增压器或增压器。热交换器可以用来冷却空气，并且理想的是，所述冷却发生在空气在涡轮增压器或增压器中被压缩以后，以及进入往复式动力发生器之前。
在一个可选的实施例中，本发明提供了一种具有呈根据本发明的热交换器形式的换热机构的锅炉。
根据本发明的热交换器可以应用的另一种动力源(或电源)为燃料电池。例如，来自一个以升高的温度运行的电池单元的热量可以用于预热进入该电池单元的空气和燃料。这样可以减少需要通过其它方式来提供以使燃料电池达到其工作温度的热量。
在本发明的又一个实施例中，气体在气体膨胀器内膨胀前，根据本发明的热交换器被用于对气体进行预热。高压气体有时被用于驱动由涡轮驱动的发电机。在膨胀之前对气体进行预热，从而可以增大其功率输出，并且可以防止在涡轮膨胀器中形成冰粒。
本发明也可以要求保护根据本发明的热交换器，其中该热交换器与相应的第一和第二流体的供应源相连，第一和第二流体中的任何一个可以为液体或气体，并且它们中的任何一个的温度可以高于另一个。然而，尤其优选的是，第一流体为热气体，第二流体为冷气体。
在下面对优选实施例的描述中，将参照附图对本发明进行更好的描述，其中图1为使用同流换热器和传统燃气涡轮的示意图；图2为透视图，其示出了根据本发明的第一实施例的同流换热器的芯部的一部分；图3A-3C示出了具有变化横截面的销几何结构中的可能的选择方案；图4为如图2所示类型的同流换热器芯部的一端的示意图；图5为构造在两个集管周围的可选送料器结构的示意图，其代替如图4所示的单独管；图6为芯部和送料器的又一实施例的示意图，其中该送料器的一个端部不同于另一个端部；图7示出了如图2所示的可选销配置形式；图8示出了渐开线形式的板结构；图9A和9B分别示出了穿过板和通过板延伸但与其形成一体的销的结构；图10为根据本发明的低压同流换热器的示意图；图11示出了将销激光焊接至板上而产生的表面特征；图12示出了根据本发明的热交换器的另一个实施例的透视图，其中销在各层之间被偏置或错开；图13为如图12所示的热交换器的平面图；图14示出了如图12和13所示的热交换器的横截面；图15示出了根据本发明的一个实施例的热交换器的横截面，其中每个板组具有四块板，并具有直线对齐的销；以及图16示出了根据本发明的一个实施例的热交换器的横截面，其中每个板组具有四块板，并具有偏置或错开的销。
具体实施例方式
在下文描述的多个实施例中，为方便起见，仅仅示出了两组板。然而，可以理解，实际上将可以具有多个这样的板组。
图2为根据本发明的第一实施例的同流换热器的芯部1的一部分的透视图。该芯部包括多个堆垛或堆叠在一起的板对，每个板对通过穿过它的销连接在一起。如图2所示，部分堆垛包括两个板对3、5。如图中上部所示，第一板对3包括一个上板7和一个下板9。位于下部的板对5也包括一个上板11和一个下板13。
在该芯部中，所有的板是基本平坦的(即为平板)，并且彼此间隔地布置，它们的主平面以平行的方式相互隔开。
因此，上板对3中的板7具有一个上平面15和一个下平面17。上板对3中的下板9具有一个上平面19和一个下平面21。上板7的下表面17向内面向下板9的上表面19。另一方面，上板7的上表面15朝向该板对的外面，下板9的下表面也同样如此。
由板7、9构成的上板对3通过多个基本上为圆柱形的实心销23等连接在一起，所述销穿过板7、9，并分别垂直于它们的上、下表面15、17和19、21。销23等终止于位于上板对3的上板7的上表面15的上方的上端25等处。类似地，销23等终止于位于上板对3的下板9的下表面15的下方的下端27等处。所有销的上端25等基本上是平坦的，并且基本上彼此平行。类似地，所有销的下端27等基本上是平坦的，并且基本上彼此平行。上端25和下端27的公共平面分别与板的主平面15、17、19、21基本平行。
销通过板中的孔延伸，并被焊接在板上，因此保持板被分开。这样，在板对7、9与板对11、13之间限定出相应的空隙29、31。在上板对的下板9和下板对的上板11之间也限定出一空隙32。
由板11、13构成的下板对5同样通过多个销33等连接在一起，这些销分别终止于上端35和下端37等处，在上板对3和下板对5中，板和销的布置方式基本相同。
板对3、5被定位成在它们之间存在空隙32，通过一个小间隙39将下板对5的销的上端35等与上板对3的下端27等隔开。上板对的板7、9和下板对5的板11、13被保持在该位置，这通过将它们各自的边缘41、43，45、47密封地焊接在侧壁上而实现，该侧壁例如分别由一对相同的板(未示出)和与该侧边41、43，45、47垂直的端部边缘(未示出)形成，其与用于流入和流出气体的送料器相连。将上板对3连接起来的销23等与将下板对5连接在一起的销33等被布置成基本上共轴。然而，销23等也可被布置成使得它们的轴线与销33等的轴线错开。
在图2中，仅仅示出了两个板对3、5的板。然而，实际上，以基本相同的方式，更多的通过销连接在一起的板对可被堆垛在相应的板对3、5的上方和下方。
芯部保持于侧壁内，该侧壁与侧边41、43，45、47连接在一起，并在垂直于侧边的端部边缘处与相应的送料器相连。更具体地说，每个板对的上、下板的边缘与相应的侧壁密封，并且整个单元被松弛地保持在一壳体中，所述壳体封闭位于各板对的边缘之间的间隙。因此，芯部和送料器有效地组成一个密封单元。位于各板对的板之间的空隙29、31提供了一个用于第一流体的流动通道，其基本上与侧边41、43，45、47平行，并分别如图中的箭头51、53等所示，且通过该堆垛。类似地，第二流体或气体通过交替的空隙32沿相反的方向流动，其中所述空隙32被限定在相邻的板对3、5等的外表面15、21等之间，这种流动如图中的箭头55、57、59等所示。
图3A-3C示出了三种可选的销几何结构。在如图2所示的实施例中，销基本上呈均一的圆柱形。在图3A中，一对相互隔开的板61、63通过销65、67、69等连接在一起，其中所述销穿过上板61和下板63伸出并终止于其上方。这些销基本相同。
现在仅仅参照其中的一个销(69)，其为实心体，并且其横截面基本上为圆形，但是其直径被设置成在其终止于上板69的上方的上部位置71处最大，同样，在其位于下板63的下方的最低位置73处，其直径也最大。这两个最宽的端部71、73朝向一个较窄的中间腰部75逐渐并线性地减小其直径，所述腰部75基本上处于板61和63的中间。
在图3B中，一对相互隔开的板79、81通过基本相同的销83、85、87等连接在一起。具体参照销87，其具有一个上端89，并穿过该板终止于一个下端91。这些销基本上为实心体，并且其轴向横截面基本上为圆形。从上端89开始，销87的直径线性地逐渐减小，直到上端89到板79之间的距离的三分之一处，由此限定出一个上部截头圆锥区段93。上述距离的中间三分之一部分限定出弯曲和球根状的中间区段95，其轴向横截面(直径)先增大然后减小。最后，一个下部区段97紧邻上板79，并且也呈截头圆锥形，其以线性方式向外逐渐倾斜。在板81的下方延伸的同一销的下部99沿着其长度方向的轮廓基本上与位于上板79的上方的上部89相同。
位于板79、81之间的销87的中间区段101具有圆形横截面，在第一区域103中，其沿着远离上板79的下侧的方向线性地向内倾斜，并在大约位于上板79和下板81的中间的中间区域105中，该销的轴向横截面或直径基本上恒定。然后，在从中间区域105向下至下板81的最后区域107中，销的轴向横截面(直径)基本上线性地向外倾斜。
现在参照图3C，基本上为圆柱形的销113、115、117在相互隔开的板109、111之间延伸并穿过它们。这些销在以下方面基本相同，即它们为实心体，并具有恒定的横截面直径。这些销中的每一个、例如销117上设置有螺旋形的肋119和121，它们分别位于上板109的上方的上部区域123和下板111的下方的下部区域125的弯曲表面上。
参照图4，其为如图2所示的同流换热器区段的一个端部的示意图。在图4-6中，为简化起见，销没有被示出，但是，应当理解，在这些附图中销位于其预定位置上。此处不是对同流换热器的该部分的结构进行精确的描述，其只是简单地说明其工作原理。
在该端部处，流入流体为压力高于逆向流动的相应流体的压力的流体。相对低压力的流体在该端部排出。在如图2所示的实施例中，由箭头51、53表示的流体流动的压力高于由箭头55、57、59所表示的流体流动的压力(后者在位于板之间的交替空隙中流动，其中相互面对的销端部位于该空隙中)。
同样，如图4所示，堆垛的板的边缘161、163等沿如箭头165所示的流出低压流体的流动方向会聚。如箭头167等所示，流出的低压流体从板之间的空隙中排出，以被收集在位于岐管壁169和围绕着流入集管171的板的端部之间的空隙内，所述集管171引导如箭头173所示的高压流体通过管壁内的孔(未示出)进入堆垛的板内，相对于如箭头165所示的低压流体的流动方向来说，高压流体被引导成在位于板之间的交替空隙中逆向流动。因此，在这种配置方式中，流出的低压流体被引导成在由壁69和管端限界的歧管区域内垂直于板的主表面向上流动，而在被引导进入同流换热器的芯部之前，流入的高压流体也被引导成垂直于板的主表面流动。
图5示出了一种与图4所示结构相似的结构。此处，板用数字191、193、195和197表示。歧管区域由壁199限界。代替单个流入集管171，该装置设有一对集管201、203，在该集管201、203之间，板191等的端部被形成在一切除区域205内。在端部区域207内，板的宽度减小，其边缘向内倾斜进入歧管壁199的区域。集管壁中的孔(未示出)允许流体在其中通过，并从该管进入板之间的相关间隙中。
图6示出了另一种与图4和5所示结构类似的结构。此处，板用数字209、211、213和215表示。高压流入端217具有一对集管219、221，并在它们之间存在一切除区域223。在该端部区域223内，与如图5所示的实施例相同，板边缘的端部向内倾斜。
在低压流入端部225处，在区域227中，板边缘也向内倾斜，但设置有三根集管229、231和233，以用于使高压流体通过管壁中的孔(未示出)流出。在板235和237中，具有分别被切除区域部分隔开的区域。在该实施例中，为使图面简化，位于任一端处的歧管壁均未示出。
在图2中，可以看去，销以基本上垂直于流体流动方向的交错排的方式布置。然而，如图7所示，销281等被布置成排283、285，287，这些排相对于如箭头289、291所示的高压和低压流体的流动方向倾斜一定的角度。
图8示出了另一种布置方式，其中替代基本平坦的板，板是弯曲的。在该布置方式中，从边缘看，板301、303、305、307是弯曲的，并且被布置成从侧面看时限定出一渐开线形状。图中仅示出了四块板。实际上，将提供一个完整的圆柱形布置的曲面板。在这种结构中，相应流体的流动方向为进入和离开纸面。在该实施例的一个变型中，相应流体的流动可以从位于圆周309处的一个轴向集管(未示出)流向位于中心处的一个轴向集管310，以及从位于该圆周处的岐管流向位于该中心处的岐管。在该实施例的另一个变型中，相应流体的流动可以从位于圆周处的一个轴向集管流向位于中心处的一个岐管，反之亦然。
如图9A所示，可以看出，数字311、313表示的两块板的横截面基本上与如图3所示的同流换热器芯部中的板7、9相同。在图9A中，这些板311、313具有销315、317等，它们穿过孔319、321等(上板311)和323、325(下板313)。通过在销和板内的孔的圆周之间的连续焊接或点焊(未示出)，销被保持就位。
另一方面，参照图9B，一对板331、333具有多个销335、337，它们延伸通过该板但与该板一起整体地形成。可以通过铸造来获得这种结构形式。
参照图10，其示出了同流换热器芯部341的另一种布置方式，其中该芯部341包括多个彼此隔开的板343、345、347、349。
例如351、353等的多个销穿过板，以使得这些销351、353的端部355、357等终止于板343等之间的间隙359、361，363的中间处。与图2所示的实施例一样，在相应的板的上方或下方延伸的彼此面对的销端部之间例如通过一气隙365隔开。然而，其与如图2所示的布置方式的区别在于，各销均仅仅穿过一块相应的板，从而使得其一端面对通过直接相邻的板延伸的销的相应端部。这种结构可以通过以下方式获得，即对一个实心工件进行光化学蚀刻，随后通过角螺栓369、371等将由此得到的在任一侧带有半个销的板保持在一支架367内，从而使得该板可以被简单地以堆垛方式组装。为使这样的装置适用于略微更高压力的操作，可以每隔一定距离(有规律地)将一个连续的销插入堆垛的孔中，例如使得在每行和每列的每10个销中有一个销是连续的，而其余的销则是间断或不连续的，其仅仅穿过单块板延伸。或者，可以每隔一定距离将间断的销焊接在一起，例如使得在每10个销中有一个销在板之间形成连续的接头。
参照图11，示出了将销激光焊接到板上的有益效果。更具体地说，图11示出了单个板对381和383。它们相互隔开，并由销385、387、389连接在一起。在实际的装置中，与其它具体实施例中的情况一样，将具有多个这样的板对和很多销。这些销基本上相同。为方便起见，此处仅参照其中的一个销389，其包括一个位于两块板381、383之间的中央圆柱形部分391、一个在板381的上方延伸并终止于上端395处的上部393、以及一个在下板383的下方延伸并终止于下端399处的下部397。
在上端393从上板381的上表面401露出的位置以及下端397从下板383的下表面403露出的位置处，销389被点焊至各板381、383上。在露出的位置处，上端393和下端397具有相应的直径变小的区域405、407。这是因为采用了激光焊接，更重要的是，其导致形成了例如数字411和413所示的表面凸起。这些情况均有利于传热。
在根据本发明的热交换器421的一个实施例中，如图12-14所示，销被径向地偏置或错开。该热交换器421包括多个板对。为方便起见，图中仅仅示出了两个板对423、425。
第一板对423包括一个上板427和一个下板429，它们互相平行并被一个位于两者之间的间隙431隔开。同样，下板对425包括一个上板433和一个基本上与该上板433平行的下板435。下板对425的板433、435也被一个间隙437隔开。上板对423和下板对425通过另一个间隙439、437隔开，所述间隙439、437位于上、下板对423、425之间。上板对423的下板429还基本上平行于下板对425的上板433。多个销441等从上板427的上表面442向上伸出，以使得其与该上表面442轴向地垂直。这些向上伸出的销441等终止于自由端444等处。通过另外的多个销443等，上板对423的板427、429、423跨过间隙431被桥接。因此，销443等在其一端被连接至上板427的下表面445和下板429的上表面447上。桥接板427、429的销443相对于从上板427的上表面向上伸出的销441等被径向地偏置或错开。这一点从图13中可以更清楚地看出，其中向上延伸的销441等如实线所示，而桥接销443则如虚线所示。这些销全部为大致圆柱形，并且桥接销443被径向地偏置，从而使得它们的对称轴与最靠近的三个向上延伸的销441等的对称轴之间的距离基本上相等。
另外的多个销449等从上板对423的下板429的下表面451与板垂直地轴向向下延伸。向下延伸的销449等相对于桥接销443也被轴向地偏置，但是它们的对称轴与向上延伸的销441的对称轴直线对齐。
下板对425的销布置方式与上板对423的销布置方式基本相同。另外的多个销453等从下板对425的上板433的上表面455与板垂直地轴向向上延伸。在下板对425的上板433的下表面459和下板对425的下板435的上表面461之间，一组轴向偏置的桥接销457垂直地轴向延伸。
另一组销463等从下板对425的下板435的下表面461向下延伸。这些向下延伸的销463相对于桥接销457被轴向地偏置，但是，它们与下板对425的向上延伸的销453轴向对准。
然而，从上板对423的下板429向下延伸的销的下端467等和从下板对425的上板459向上延伸的销453的上部自由端469之间被相应的间隙471等隔开。此外，从上板对423向下延伸的销449等和从下板对425向上延伸的销453等基本上轴向对准。因此，可以认为，除了每隔一个间隙中的销被有效地分开外，位于板的交替空隙中的销相互轴向错开，从而在自由销端部之间限定出相应的空隙。
以图2中所示的方式，流体在连续的板之间逆向流动。
在上述的不同实施例中，“单元”或者板组包括相应的板对，所述板通过销桥接，所述销可以对齐布置或错开。此外，在所有上述实施例中，销的自由端越出各板对的上、下板的最外面的传热面延伸。图15和16以剖面图的方式示出了布置方式不同于前面方式的热交换器。
图15示出了热交换器的剖面图的一部分，其中在每组中具有四块板。为方便起见，图中仅仅示出了两组，即一个上板对503和一个下板对505，它们由位于两者之间的间隙507隔开。上板组的板509、511，513、515通过销517等、519等、521等桥接在一起，并分别对应于位于板之间的间隙523、525和527。在一层和下一层之间，所有这些销对准排列。然而，没有销从上板组503的上板509的上表面529伸出，也没有销从下板515的下表面531伸出。
如图所示的下板组(505)的结构基本上与销533等相同，它们在板组的各层间对准排列，同样，它们与上板组503中的那些销也对准排列。
现在参照图16，为方便起见，图中也仅仅示出了总的板组中的两组。在该实施例中，同样，具有一个上板组551和一个下板组553，每个组包括四块平行并隔开的板。上板组的板用数字555、557、559和561表示。位于上板组的各板之间的间隙分别用数字563、565和567表示。上板组中的相邻板通过相应的销569等、571等、573等桥接。此外，从上板555的上表面575伸出销577等，从下板561的下表面579伸出销581等。从上板555的上表面575和下板561的下表面579伸出的销终止于相应的自由端583等、585等处。
下板组中的板553基本上与上板组551中的板相同。此处，可以看出，从下板组中的上板589的上表面587伸出销591等，所述销终止于相应的自由端593等处。类似地，具有自由端597等的销595从下板组553的下板601的下表面599伸出。
上、下板组通过间隙603隔开，并且向下延伸的销581等的自由端585等处与销591的自由端593等处被一个小间隙605隔开，其中销591等从下板组553的上板589的上表面587向上伸出。
在如图16所示的实施例的每个板组中，从一层至下一个由位于板之间的空隙限定的层，销被偏置或错开，其偏置或错开的方式与图13和14中的实施例所显示和描述的方式相同。相互面对的销581等、591仍然彼此对准。
对于本技术领域的技术人员来说，落入所附权利要求的保护范围内的所述实施例的变型以及其它实施例将是显而易见的。
权利要求
1.一种热交换器，其包括多块板，每块板在其相反侧具有第一和第二传热面，所述板以堆垛的方式布置，相邻板的彼此面对的传热面之间具有空隙，堆垛中的交替空隙分别提供了用于第一流体的第一流体通道和用于第二流体的第二流体通道，并且其中所述板被布置成多个板组，每个板组包括至少两块板，设置有销装置，其包括多个销组，每个销组中的销被布置成桥接相应的板组中的板。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该销装置还包括从至少一个板组的最外面的传热面伸出的外部销，所述进一步设置的销终止于相应的销的自由端。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，该板组被这样布置，以使得从一个板组的最外面的传热面伸出的外部销的自由端与从相邻板组的最外面的传热面伸出的外部销的自由端之间具有间隙。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，从至少一个板组中的至少一块板的第一传热面伸出的销与从上述板的第二传热面伸出的销排成一列。
5.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，从至少一个板组中的至少一块板的第一传热面伸出的销相对于从上述板的第二传热面伸出的销偏置。
6.当从属于权利要求3时，根据权利要求4或5所述的热交换器，其特征在于，具有彼此面对的自由端的销基本上排成一列。
7.当从属于权利要求3时，根据权利要求4-6中任意一项所述的热交换器，其特征在于，具有彼此面对的自由端的销基本上偏置。
8.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，至少一些销与一块相应的板一起整体地形成。
9.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，至少一些销伸入或穿过一块或多块板中的相应的孔，并在所述孔的入口位置处被连接在所述板上。
10.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，每个板组由偶数块板组成。
11.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，每个板组由两块板组成。
12.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，该第一流体通道与第一流体源相连，以接收来自于该第一流体源的第一流体，该第二流体通道与第二流体源相连，以接收来自该第二流体源的第二流体。
13.根据权利要求12所述的热交换器，其特征在于，该第一流体在其流体源处的压力为该第二流体在其流体源处的压力的100％至2000％。
14.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，该销装置包括以大致均匀隔开的排的方式排列的销，并且在相应的第一和第二流体通道中，该第一和第二流体被引导为沿大致相同的方向流动或者沿大致相反的方向流动。
15.根据权利要求14所述的热交换器，其特征在于，所述排基本上垂直于该第一和第二流体的流动方向。
16.根据权利要求14所述的热交换器，其特征在于，所述排相对于该第一和第二流体的流动方向呈45°至85°的角度。
17.根据权利要求14-16中任意一项所述的热交换器，其特征在于，位于交替的排中的销相应地彼此错开。
18.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，该销装置包括至少一些横截面基本上呈圆形的销。
19.根据权利要求18所述的热交换器，其特征在于，销中心之间的平均距离与平均销直径之间的比值为1.25至4.0。
20.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，该销装置包括至少一些销，这些销具有至少一个用于增强空气动力流动和/或传热的表面特征。
21.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，在该热交换器的中心区域中限定出该第一流体通道的板之间的平均空隙与在同一区域中限定出该第二流体通道的板之间的平均空隙之间的比值为1∶10至100∶1，优选为1∶10至10∶1。
22.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，在大致或基本上与该第一和第二流体中的至少一个的流动方向垂直的方向上，板的宽度在接近该第一流体和/或该第二流体的流入位置的相应区域中逐渐变窄。
23.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，该第一和第二流体中的一个的流入和/或流出通过相应的管装置被引导，其中所述管装置穿过该板的堆垛，并设置有至少一个通向相应的第一流体通道和/或第二流体通道的开口。
24.根据权利要求23所述的热交换器，其特征在于，所述第一和第二流体中的另一个的流入和/或流出在一个相应的歧管壁中被引导，其中所述歧管壁至少部分地围绕所述相应的管装置。
25.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，所述板基本上是平坦的。
26.根据权利要求1-24中任意一项所述的热交换器，其特征在于，所述板至少部分地弯曲。
27.根据上述权利要求中任意一项所述的热交换器，其特征在于，所述堆垛基本上为立方体。
28.根据权利要求1-26中任意一项所述的热交换器，其特征在于，所述板呈放射状布置，优选地以渐开线方式布置。
29.一种热交换器，其包括多个彼此隔开的堆垛板对，每个板对中的各板具有相应的彼此面对的内表面，并在它们之间限定出用于第一流体的第一流体通道，每个板对中的各板具有与所述相应内表面相反的相应外表面，一个板对中的一块板的外表面与相邻板对中的一块板的外表面隔开并与之面对，从而在它们之间限定出用于第二流体的第二流体通道，位于一个板对中的板通过多个销跨过该第一流体通道桥接在一起。
30.根据权利要求29所述的热交换器，其特征在于，进一步包括越过其外表面伸入该第二流体通道中的相应的多个销。
31.根据权利要求30所述的热交换器，其特征在于，该销装置还包括从至少一个板对的最外面的传热面伸出的外部销，所述进一步设置的销终止于相应的销的自由端。
32.根据权利要求31所述的热交换器，其特征在于，该板对被这样布置，以使得从一个板对的最外面的传热面伸出的外部销的自由端与从相邻的板对的最外面的传热面伸出的外部销的自由端之间具有间隙。
33.根据权利要求29-32中任意一项所述的热交换器，其特征在于，从至少一个板对中的至少一块板的第一传热面伸出的销与从上述板的第二传热面伸出的销排成一列。
34.根据权利要求29-32中任意一项所述的热交换器，其特征在于，从至少一个板对中的至少一块板的第一传热面伸出的销与从上述板的第二传热面伸出的销偏置。
35.当从属于权利要求32时，根据权利要求33或34所述的热交换器，其特征在于，具有彼此面对的自由端的销基本上排成一列。
36.当从属于权利要求32时，根据权利要求33-35中任意一项所述的热交换器，其特征在于，具有彼此面对的自由端的销基本上偏置。
37.一种发电设备，其包括发电装置和根据前述权利要求中任意一项所述的热交换器。
38.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，所述热交换器被布置成从所述发电装置的排出流体中回收热量，以加热压缩后的流体。
39.根据权利要求38所述的设备，其特征在于，该设备被布置成使得从所述发电装置中排出的废气加热经压缩后的来自所述发电装置的空气。
40.根据权利要求35-39中任意一项所述的设备，其特征在于，所述发电装置包括燃气涡轮。
41.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，所述热交换器被应用于往复式发动机动力发生器的涡轮增压器或增压器。
42.根据权利要求37所述的设备，其特征在于，所述热交换器被用于在空气进入所述往复式动力发生器之前冷却所述空气。
43.根据权利要求42所述的设备，其特征在于，所述热交换器被用于在空气在所述涡轮增压器或增压器中被压缩之后冷却所述空气。
44.根据权利要求35-43中任意一项所述的设备，其特征在于，所述热交换器被分成区段，并且所述区段围绕所述发电装置的轴布置。
45.根据权利要求35-43中任意一项所述的设备，其特征在于，所述热交换器呈圆筒形，并且所述发电装置的轴轴向地穿过所述圆筒的中心。
46.根据权利要求35所述的设备，其特征在于，所述发电装置包括燃料电池。
47.一种用于制造如权利要求1、8、29-36或任何从属于权利要求8的其它权利要求中的任意一项所述的热交换器的方法，该方法包括提供一个或多个工件，并由所述一个或多个工件整体地形成所述板和销装置。
48.一种用于制造如权利要求1、9、29-36或任何从属于权利要求9的其它权利要求中的任意一项所述的热交换器的方法，该方法包括提供多块板，在所述板中形成孔，将相应的销装置插入或穿过所述孔，并在进入或通过所述孔的至少一个位置处将该销装置连接就位。
全文摘要
一种热交换器，其包括多块板(7，9，11，13)，每块板在其相反侧具有第一传热面(15，19)和第二传热面(17，21)。所述板按照堆垛的方式布置，相邻板的彼此面对的传热面之间具有空隙。堆垛中的交替空隙分别提供了用于第一流体的第一流动通道和用于第二流体的第二流动通道。所述板被布置成多个板组，每个板组包括至少两块板。以多个销(23)的组的形式提供有销装置。每个销组中的销被布置成用于桥接相应板组中的板。
文档编号F28D9/00GK1864044SQ200480028641
公开日2006年11月15日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年10月2日
发明者坦齐·贝赞特, 约翰·科普林, 阿尔贝·德马尔涅, 阿诺德·詹姆斯·斯图尔特·普拉特 申请人:希弗卢克斯有限公司