专利名称：用于制造钎焊热交换器的方法和热交换器设备的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种用于制造具有高热传导系数的金属热交换器的改进的方法。更具体而言，本发明涉及一种用于制造包括加强沸腾表面的钎焊热交换器的改进的方法。
在低温、熔炼和化学应用中，用于重沸器-冷凝器的热交换器大体上有两种结构。目前使用的一种热交换器是垂直壳体和管状热交换器。为了在温度差别相对较低的情况下实现足够高程度的热传导，使用了加强沸腾层(EBL)。EBL一般具有包括许多孔的结构，这些孔提供了沸腾形核点，从而促进沸腾。将EBL应用在各管内侧，在各管的外侧设置纵向槽，从而促进热传导。
在US3,384,154中首次提出了用于热交换器的加强沸腾层。该专利公开了在处于溶剂中的塑料粘结剂中混合金属粉末，并将该泥浆施加到基体金属表面上。该涂覆的金属在还原性气氛下加热到某一温度足够的时间，这样金属颗粒烧结在一起并烧结到基体金属表面上。US3,457,990公开了一种加强沸腾表面，该表面具有在其中机械地或者化学地形成的凹槽。
应用EBL的其它方法也公开了。GB2034355公开了将有机泡沫层施加到金属热传导构件上，通过首先无电镀然后电沉积的方法将比如铜的金属沉积在泡沫上。US4,258,783公开了在热传导表面机械地形成凹口，然后在有凹痕的表面上电沉积金属。GB2062207公开了通过粉末火焰喷射将金属颗粒施加到金属基体上。EP303493公开了通过火焰喷射或者等离子体喷射将金属和塑料混合物材料施加到基体金属上。US4,767,497和US4,846,267公开了热处理铝合金以产生析出物，然后通过化学刻蚀去除这些析出物，从而留下有凹痕的表面。EP112782公开了将钎焊合金和球状颗粒施加到金属壁上、加热该涂覆的壁以熔化钎焊材料的方法。
在低温、熔炼和化学应用中使用的普通热交换器是板翅片钎焊铝制热交换器，通过在铝间隔板或壁之间放置波纹状铝板来形成多个流体通道，从而制造这种热交换器。这些板用铝钎焊层覆盖或者在要粘结的各表面之间插入一层钎焊箔。当加热到某一预定温度一定的时间后，钎焊箔或者涂层熔化并与相邻的板形成冶金粘结。所得到的热交换器包括许多通道，这些通道由邻近间隔开的翅片交替层构成。各通道的交替层的一般结构是，每层都包括具有6～10个翅片/厘米(15～25个翅片/英寸)密度的翅片且翅片高度为0.5～1厘米(0.2～0.4英寸)。在一种普通的应用中，第一组交替通道携带用于冷凝的蒸气，而第二组交替通道携带用于沸腾的液体。一般的钎焊铝制热交换器必须能够承受2068～2758kPa(300～400磅/平方英寸)的压力。
提出在钎焊热交换器的沸腾通道中用加强沸腾层替换翅片的专利包括US5,868,199，US 4,715,431和US4,715,433。这些专利提出，堆垛多个铝板，将EBL施加到这些铝板的一侧上以形成沸腾通道，将翅片施加到铝板的另一侧上以形成冷凝通道。在该堆垛中在粘结表面之间设置多层钎焊材料，使该堆垛经历一段时间加热以获得钎焊热交换器核心。在这些专利中描述的这种钎焊铝制热交换器还没有商业化。EBL一般在565～593℃(1050～1100°F)钎焊，而随后各金属元件的钎焊在大约593～621℃(1100～1150°F)温度下发生。保持EBL的完整性和有效性，尤其是保持由人工粘结金属颗粒提供的多孔结构，在第二次较热的热处理过程中实现钎焊是比较困难的。这种困难是因为没有可以买到的在沸腾通道中具有EBL的钎焊热交换器。
发明内容
本发明公开了一种用于制造钎焊热交换器的改进的方法和所得到的装置。在沸腾通道的壁上设置加强沸腾层(EBL)。钎焊材料的熔点比加强沸腾层中金属颗粒的熔点低。在一种实施方式中，加强沸腾层和/或钎焊层中的金属是第一金属和第二金属的合金，该合金的熔点比第一金属的熔点低。只要第二金属提供具有较低熔点的合金，在EBL和钎焊材料中可以应用不同的第二金属。在一种实施方式中，第二金属在钎焊材料中的浓度大于在EBL中的浓度。因此，我们已经发现，即使当钎焊温度达到EBL中金属熔点上下8.3摄氏度(15华氏度)范围内更长的时间，EBL仍出乎意料地保持其孔隙度，并因此保持其有效性。在一种实施方式中，冷凝通道包括翅片，以促进热传导。
本发明的一个目的是提供一种在各沸腾通道中具有EBL的金属热交换器，该热交换器尽管在制造过程中经历钎焊温度但没有损害其热传导性能。
图1是三个热交换器的透视图。
图2是图1中一个热交换器核心的透视图，其中取下多层以显示内部结构。
图3是是图1中一个热交换器核心的透视图，但从与图2不同的角度截取。
具体实施例方式
本发明的方法可以用于通过硬钎焊来构造任何结构的包括壳体和管子的热交换器，但是可以最恰当地用于构造板式热交换器。本发明的热交换器的沸腾通道和冷却通道可以定向为提供交叉流、反向流或者平行流。而且，本发明的热交换器可以应用在低温风选、烃加工或者任何其它依靠沸腾来实现热交换的方法的领域中。多种类型的金属可以用于构成热交换器。铝是用于硬钎焊热交换器应用最广泛的金属。铝适用于低温应用，因为铝在较低温度下抵抗脆裂。钢或者铜可以用于加热或者冷却流体，流体可能会腐蚀铝。为了说明的目的，相关于低温风选领域中应用的反向流、铝制板式热交换器来描述本发明。
图1示出了用于低温风选中的一组典型的板式热交换器10。该热交换器10具有设置在核心20中的交替沸腾通道12和冷却通道14。一种液体，比如液氧通过导管16输送到歧管18并分配到沸腾通道12中。考虑利用核心20下方导管16或者歧管18之外的装置将液体输送到沸腾通道12，比如利用在沸腾通道12底部的热虹吸作用。另外，液体可以通过可包括分配翅片的分配网络，从核心20的侧面或者顶部分配到沸腾通道12中。液体在沸腾通道12中沸腾，从而间接地吸收从冷却通道14传导的热量。来自沸腾通道12的气态氧由比如顶盖22收集并通过导管24排出。考虑利用核心20上方的导管24或者顶盖22之外的装置来收集气体，比如可以设置在热虹吸装置中。另外，可以通过可包括收集翅片的收集网络，从核心20的侧面或者顶部收集来自沸腾通道12的气体。比如气态氮的流体通过导管26输送到歧管28并分配到冷却通道14中。也考虑利用导管26或者歧管28之外的装置实现输送。另外，如果将气体输送到冷却通道14，依赖于该工艺的需要，可以使气体冷却到在发生或者不发生温度变化的情况下发生相变的程度。穿过冷却通道14和沸腾通道12之间的各个壁传导以保证沸腾通道12中的沸腾的热量冷却在冷却通道14中的流体，从而在风选的情况下冷凝氮气。比如利用顶盖30来收集来自冷却通道14的比如液氮的流体，并通过导管32排出。考虑利用顶盖30和导管32之外的装置来收集来自冷却通道14的冷却流体。此外，在本发明的范围内，可以改进或者保持图1的实施方式中示出的输送和收集歧管和导管。
图2示出了一个热交换器10的核心20，取下一些部分以显示内部结构。在核心20的两端都设置盖板40，以在每一端形成最后的通道。在图2中示出的盖板40的一部分被取下，以显示该沸腾通道12。垂直的间隔棒或者间隔构件42设置在盖板40的对边和金属壁44之间，该金属壁44具有由增强沸腾层(EBL)46覆盖的沸腾侧44a。该EBL46包括热传导颗粒，这些热传导颗粒粘结到沸腾侧44a上并彼此粘结，以形成多孔组织，在该多孔组织中提供了多个形核沸腾点。在一种实施方式中，该热传导颗粒是金属颗粒。因此，沸腾通道12由盖板40的内表面、垂直间隔棒42的内边和金属壁44的沸腾侧形成。沸腾侧44a的外侧垂直边48没有EBL46，以提供粘结表面。气体通过沸腾出口49离开沸腾通道12，该气体可以由图1的实施方式中示出的沸腾顶盖22收集。此外，考虑该沸腾通道12可以包括翅片，以进一步促进热量传输。在取下的金属壁44和垂直间隔棒42后面是冷却通道14，冷却通道14具有包括瓦楞板的基本翅片支撑架54的基本翅片52。该基本翅片52介于在冷却通道14相对端上垂直间隔棒42的内边之间横向延伸。包括分配翅片支撑架58或者于基本翅片支撑架54成一体的分配翅片56设置成倾斜结构，从而沿着由基本翅片52设置的通道顶端均匀地分配来自冷却入口50的冷却流体。在图2的实施方式中，冷却流体接收到冷却入口50中，其可以来自图1的实施方式中示出的冷却歧管28。可以应用另外一种具有或者不具有翅片的分配结构来分配冷却流体。在另一种实施方式中，冷却入口50可以考虑在基本翅片52提供的通道的顶端。为了说明基本翅片52的顶端，在图2中仅示出了一组分配翅片56。可以由收集翅片66形成的冷却出口64允许冷却的流体排出核心20。在图2的实施方式中，冷却流体通过冷却出口64排出，其在图1的实施方式中可以进入冷却顶盖30。水平的间隔棒60将冷却通道14的顶端和底端密封。间隔棒42，60和翅片52，56，66使金属壁44的冷却侧44b(相对侧)与相邻金属壁44的冷却侧44b间隔开。在一种实施方式中，在沸腾通道12中没有设置水平的间隔棒60，从而分别允许流体进入沸腾通道12或者从其中流出。因此，垂直间隔棒42夹在每对相邻的金属壁44的相对端之间，而水平间隔棒60仅仅夹在相邻的冷却侧44b之间。但是，如果将翅片52，56，66合适地安装并粘结以经得起运行压力，考虑在冷却通道14中的冷却侧44b之间可以省略间隔棒42，60。因此，翅片52，56，66会起到间隔作用。壁44具有互相交替的方向。除了当邻近于盖板40时，金属壁44的冷却侧44b通常面向相邻壁的冷却侧44b，壁的沸腾侧44a通常面对相邻金属壁44的沸腾侧44a。在实施方式中也可以考虑，冷却通道14不包括翅片，沸腾通道12安装翅片。
图3示出了图2的核心20，但是从示出核心20底部的角度示出。在图3中可以看见的图2中的所有元件都用附图标记进行了指示。此外，示出了通向沸腾通道12的沸腾入口51。在一种实施方式中，沸腾入口51可以接收来自沸腾歧管18(图1)的沸腾流体。此外，取下了盖板40和第一金属壁44的底部，以显示来自第三翅片支撑架68的收集翅片66。包括第三翅片支撑架68或者与基本翅片支撑架54成一体的收集翅片66设置成倾斜结构，以沿着由基本翅片52提供的通道底端均匀地收集来自冷却出口64的冷却流体。可以应用另一种具有或者不具有翅片的收集结构来收集冷却流体。在另一种实施方式中，冷却出口64可以考虑在由基本翅片52提供的通道底部。为了说明基本翅片52的底部，在图3中仅仅示出了一组收集翅片66。
利用现有技术中已知的任何一种方法将EBL附加到沸腾侧上，比如施加泥浆、火焰喷涂、等离子体喷射或者利用电沉积。但是，重要的是，马上进行不会使EBL的热交换效率减小的随后的硬钎焊步骤。在一种实施方式中，EBL的熔点比硬钎焊金属的熔点高。硬钎焊金属和EBL的相对熔点可以通过使第二金属与第一金属合金化获得，其中第二金属具有提供合金熔点比第一金属熔点低的作用。第二金属在硬钎焊金属中的浓度可以比在EBL材料中的浓度高，这样EBL具有较高的熔点，它能够在不损害结构完整性的情况下经历硬钎焊步骤。在硬钎焊铝制热交换器中，铝是第一金属，硅、锰、镁、或者它们的合金可以是第二金属。在硬钎焊钢质热交换器中，镍可以是第一金属，磷可以是第二金属。在黄铜热交换器中，铜可以是第一金属，磷可以是第二金属。
在铜是第一金属以提供EBL和硬钎焊材料的情况下，在铜的熔点以下100℃(180°F)时或者在960℃(1760°F)时发生硬钎焊。在铝是第一金属的情况下，在其649℃(1200°F)的熔点温度以下49～54℃(120～130°F)发生硬钎焊。如果镍是第一金属，在钢的熔点以下38℃(100°F)的温度1037℃(1900°F)时，在炉中发生硬钎焊步骤。在这些温度点，第二金属降低了与第一金属的合金的熔点。液化的硬钎焊金属流动并扩散进入基体金属并形成冶金粘结。通过在硬钎焊材料中比在EBL材料中合金化更多种第二金属，一旦使用EBL，EBL就能够经受随后较低温度下的硬钎焊热处理。
应该考虑，可以用烧结代替硬钎焊以形成EBL。在烧结中，将该金属加热到分子激励的温度点，并经过相当长的一段时间扩散进入相邻的金属中，从而形成冶金粘结。烧结可以用于提供在较低温度下硬钎焊，从而将热交换器的各部件粘结在一起。
在一种实施方式中，施加EBL的第一步是将聚合物粘结剂施加到金属壁的沸腾侧上。然后将包括第一金属和第二金属的金属粉末喷撒到塑料粘结剂上。具有由塑料粘结的金属粉末的金属壁用惰性气体(比如氮气)覆盖，将温度升高到硬钎焊温度足够的时间，以实现金属粉末颗粒之间以及金属粉末颗粒与金属壁的沸腾侧之间的冶金粘结。塑料粘结剂在加热下分解并挥发。循环的惰性气体减少氧化物薄膜的形成并且排出来自粘结剂材料的分解气体。粘结的粉末形成多孔三维基体，该基体提供了具有形核沸腾点的EBL。
合适的塑料粘结剂包括聚异丁烯(polyisobutylene)、具有至少4000cps粘度且以METHOCEL出售的聚甲基丙烯酸甲酯纤维素(polymethylcellulose)和分子量为90000的聚苯乙烯(polystyrene)。该粘结剂可以溶解在合适的溶剂中，比如对于聚异丁烯和聚甲基丙烯酸甲酯纤维素粘结剂使用煤油(kerosene)或者四氯化碳(carbontetrachloride)，对于聚苯乙烯粘结剂使用二甲苯(xylene)或者甲苯(toluene)。该沸腾侧应该清洁成没有油脂(grease)、油或者氧化物，以实现将EBL合适地粘结到该沸腾侧上。在应用塑料溶液之前，可以先用塑料溶液冲洗该沸腾侧以促进湿润，从而获得塑料粘结剂更加均匀的分布。可以利用比如喷射、浸渍、刷或者涂碾这些可以获得均匀涂层的方式将塑料溶液施加到沸腾侧上。施加塑料溶液之后，在施加金属粉末过程中或者之后，风干该涂层，以使绝大部分溶剂挥发。一金属粉末和粘结剂的固体自支撑层则由粘结剂保留在金属壁适当的位置上。
包括第一金属和第二金属的金属粉末与焊剂混合。依靠加热，焊剂熔化并从金属中提取氧化物，氧化物会阻碍金属颗粒之间的粘结以及金属颗粒与沸腾侧的粘结。该焊剂可以是一种矿物盐，比如可以买到的铝氟酸钾(potassium aluminum fluoride)，它是KAlF4和KAlF6的混合物。其它的焊剂也是合适的。
热交换器10的核心20利用堆垛多层元件装配而成。如果核心20的硬钎焊不在真空炉中进行，在堆垛之前每个元件都应该涂覆焊剂。一种给各元件涂覆焊剂的合适方式是，使焊剂与工业酒精(denaturedalcohol)按照1∶1的体积比混合，并在堆垛之前将焊剂溶液刷或者喷射到该元件上。堆垛的顺序在图2的侧视图和底端上的视图3示出。盖板40以其外表面朝下放置在堆垛表面的底部。一层硬钎焊箔层至少层压在盖板40内表面的两个垂直边48上或者可以覆盖盖板40的整个内表面。垂直间隔棒42堆垛在盖板40内表面的垂直边48上。硬钎焊箔可以仅仅设置在盖板40的垂直边48上，因为仅仅垂直间隔棒42会钎焊到盖板40的内表面上，在这种情况下盖板40的内表面形成沸腾通道12。但是，在一种实施方式中，如果盖板40形成冷却通道14，水平间隔棒60应该堆垛并钎焊到盖板40上。一层硬钎焊箔堆垛到垂直间隔棒42的顶端上。可以仅仅在垂直间隔棒42上方放置硬钎焊箔带。在垂直间隔棒42上方堆垛金属壁44，其中在沸腾侧44a上的EBL46向下朝向盖板40，冷却侧44b朝向上方。没有EBL46的沸腾侧44a的垂直边48会抵靠在垂直间隔棒42顶端上的硬钎焊箔上。将一层硬钎焊箔放置在金属壁44的冷却侧44b顶端上。包括基本翅片52的基本翅片支撑架54、包括分配翅片56的分配翅片支撑架58、包括收集翅片66的收集翅片支撑架68和水平间隔棒60以及垂直间隔棒42都堆垛在一层硬钎焊箔的顶端上，该层硬钎焊箔放置在金属壁44的冷却侧44b的顶端上。将一层硬钎焊箔放置在基本翅片支撑架54、分配翅片支撑架58、包括收集翅片66的收集翅片支撑架68和间隔棒42，60上。接着，将另一金属壁44放置在该层硬钎焊箔上，其中金属壁44的冷却侧44b朝向下方，沸腾侧44a朝向上方。在金属壁44的顶端上，仅仅在EBL46外侧的沸腾侧44a的垂直边48中铺设硬钎焊箔带。垂直间隔棒42铺设在垂直边48中的硬钎焊箔带的顶端上。硬钎焊箔带放置在垂直间隔棒42的顶端上。其沸腾侧44a朝向下方的另外一块金属壁44堆垛在顶端，其垂直边48与垂直间隔棒42顶端上的硬钎焊材料带紧密配合。如前所述堆垛热交换器10的核心20的余下部分，直到盖板40堆垛在该堆垛的顶端上。还应该考虑，基本翅片支撑架54的两侧、间隔棒42，60和/或金属壁44的冷却侧44b可以由一层硬钎焊材料整体覆盖。这就不需要在构成核心20的堆垛中添加多层硬钎焊箔。但是，如果恰好可以获得硬钎焊材料覆盖在两侧上的翅片支撑架54，58，68和/或间隔棒42，60，那么可以不用硬钎焊箔。
在核心20完全堆垛好之后，将其插入具有惰性气氛的炉子中并加热，这样该核心的中心20获得升高的温度。在该升高的温度保温一段时间后，进行冷却。该升高的温度高于硬钎焊材料的熔点而低于所施加的EBL46材料的熔点以及基体金属的熔点。在一种实施方式中，在施加EBL46之后，该升高的温度可以低于该EBL46材料的熔点。在受控硬钎焊气氛下，铝合金4047可以用于硬钎焊材料，在这种情况下该升高的温度可以大约为607～618℃(1125～1145°F)。此处给出的铝合金名称是依据铝钎焊领域中普通技术人员所使用的合金规范。钎焊材料熔融并与相邻的金属构件形成冶金粘结，以提供坚固的金属热交换器核心。该EBL46保持其多孔完整性。在核心20表面上的焊剂残留可以保留，但在不影响运行的情况下一般洗掉。
在将核心20钎焊在一起后，如图1的实施方式中示出的，将歧管18，28和顶盖22，30钎焊到核心20上。导管16，24，26，32都附加到合适的歧管18，28或顶盖22，30。在图1的实施方式中未示出的输送、分配、收集和回收装置可以应用在本发明的范围内。
可选择地，一个或者两个钎焊步骤可以在真空炉中进行。焊剂变得不再必要，且一般在较低温度下钎焊。但是，在真空钎焊工艺中，使核心达到钎焊温度以及之后使其冷却需要花费更长的时间。如果堆垛核心在真空环境中钎焊，铝合金4104可以用于钎焊材料，在这种情况下该升高的钎焊温度可以大约为582～593℃(1080～1100°F)。
为了本发明的目的，该EBL能够经受最终的钎焊热处理是重要的。在钎焊铝制热交换器中，钎焊材料(不管其是否是粉末)、箔或者覆层可以包括至少80wt-％Al和10～15wt-％Si的共晶合金。在一种实施方式中，共晶合金包括11～13wt-％Si和至少85wt-％Al。在另一种实施方式中，钎焊共晶合金可以是铝合金4047以及包括12wt-％Si和至少885wt-％Al。该核心20的其它元件，比如壁、翅片支撑架和间隔棒可以包括铝合金3003，该铝合金3003包括低至98wt-％Al和高至2wt-％Mn的高比例铝合金。在铝合金3003中还可以存在少量镁和铁。术语“高比例”指的是大于90wt-％。包括基本上纯的铝或者高比例铝合金的其它组分可以是合适的。在真空钎焊应用中，在高比例铝合金中可以提供1～2wt-％Mg。包含EBL的材料可以包括0.5～1.5wt-％Si和至少95wt-％基本上纯的铝或者高比例铝合金。在一种实施方式中，该EBL可以包括5～11wt-％钎焊材料和至少85wt-％基本上纯的铝或者高比例铝合金。在一种实施方式中，该EBL包含至少90wt-％纯的铝或者高比例铝合金以及含有11～13wt-％Si和至少85wt-％Al的共晶合金。在一种实施方式中，粉末形式的共晶合金与粉末的、基本上纯的铝或者高比例铝合金混合。为了防止铝在非真空钎焊炉中氧化，在施加的EBL材料中应该包括含有5～10wt-％粉末矿物的焊剂。
虽然不希望与任何具体的理论相联系，但是我们相信，在加热情况下，上述粉末EBL材料混合物、钎焊共晶合金粉末会熔融并使基本上未熔化的铝粉湿润，从而形成合金。我们相信，在施加后，利用铝合金中低浓度的金属硅，在EBL中得到的合金在高于钎焊共晶合金熔点的温度下熔化。然后，该EBL就能够经受与粘结堆垛热交换器核心相关联的钎焊温度，该温度危险地接近于在不损害性能的情况下EBL材料初始钎焊的温度。
如果烧结EBL，纯铝合金3003粉末可以在1185°F(641℃)下烧结。上述包含共晶硅和铝的硬钎焊箔可以用于在604～613℃(1120～1135°F)的钎焊温度下在受控惰性气氛中或者在566～596℃(1050～1105°F)的钎焊温度下在真空气氛中与核心粘结在一起。
实施例I通过混合83.6wt-％Al3003合金、8.4wt-％包含铝氟酸钾的钎焊焊剂和8.0wt-％铝合金4047钎焊粉末得到加强的沸腾粉末。混合包含38wt-％由Clifton Adhesives销售的商品名称为CS-200 A3的聚异丁烯和62wt-％烃类(VARSOL)轻质煤油溶剂的粘结剂，并将其刷到包含铝合金3003的三管状壁上。然后将加强的沸腾粉末喷撒到粘结剂上，并在小炉子的氮气中加热。每根涂覆的管状壁被加热到621℃(1150°F)9分钟。该粘结剂和溶剂蒸发，并留下0.3～0.4毫米(10～15密耳)厚的EBL。所得到的EBL具有多孔组织结构，并确定具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的沸腾热传导系数。
实施例II用实施例I中说明的粘结剂和加强的沸腾粉末涂覆两个金属管状壁。每根金属管状壁在受控氮气气氛下，在大约大气压力下的封闭蒸馏器中加热到623℃(1153°F)的钎焊温度，然后冷却。
经历48分钟的时间加热和冷却第一根管状壁。测试该第一根管状壁并确定具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的传热系数，它对于具有EBL的表面来说已经足够大了。然后，通过将该第一根管状金属壁加热到593℃(1100°F)并使其在冷却之前在该温度下保温24小时，使该第一根管状金属壁经受第二次煅烧，以进行整个热交换器核心的真空钎焊。可视观察表明，该EBL的质量没有受到影响。再次测量该第一根管状金属壁并确定其具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的传热系数。
经历36分钟的时间加热和冷却第二根管状壁。测试该第二根管状壁并确定具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的传热系数，它对于具有EBL的表面来说已经足够大了。然后，通过将该第二根管状金属壁加热到613℃(1135°F)并使其在冷却之前在该温度下常压氮气中保温2小时，使该第二根管状金属壁经受第二次煅烧，以进行整个热交换器核心的受控气氛钎焊。可视观察表明，该EBL的质量没有受到影响。再次测量该第二根管状金属壁并确定其具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的传热系数。在将EBL从其钎焊温度加热到8.3摄氏度(15华氏度)后，该EBL的组织结构经历了热处理，而没有明显损害组织结构或者性能。
权利要求书(按照条约第19条的修改)1、一种热交换器(10)，包括多个金属壁(44)，每个金属壁包括两侧，具有多孔加强沸腾层(46)的沸腾侧(44a)和冷却侧(44b)，其中加强沸腾层(46)具有整体地粘结到一起和冶金地粘结到沸腾侧上的钎焊的热传导颗粒，所述多个金属壁的沸腾侧形成沸腾通道(12)，所述多个金属壁的冷却侧形成冷却通道(14)，所述多个金属壁中的每一个还包括粘结表面(48)；用于将各金属壁(44)彼此间隔开的间隔构件(42)；在热交换器(10)中介于所述金属壁(44)的粘结表面(48)与所述间隔构件(42)之间的一层金属，该层金属的熔点温度比加强沸腾层(46)的熔点温度低；用于将流体向所述沸腾通道(12)输送的沸腾入口(51)；用于将流体向所述冷却通道(14)输送的冷却入口(50)；用于从所述沸腾通道(12)回收蒸气的沸腾出口(49)；和用于从所述冷却通道(14)回收流体的冷却出口(64)。
2、如权利要求1所述的热交换器(10)，其特征在于该金属壁(44)主要包含铝。
3、如权利要求1和2所述的热交换器(10)，其特征在于热传导颗粒主要包含铝。
4、如权利要求1至3所述的热交换器(10)，其特征在于所述加强沸腾层(46)包含0.5～1.5wt-％的硅。
5、如权利要求1至4所述的热交换器(10)，其特征在于所述加强沸腾层(46)包含与铝硅共晶合金混合的高比例铝合金粉末。
6、如权利要求5所述的热交换器(10)，其特征在于高比例铝合金构成92wt-％的加强沸腾层(46)和构成8wt-％加强沸腾层(46)的共晶合金。
7、如权利要求1至6所述的热交换器(10)，其特征在于所述沸腾侧(44a)具有大于204,418kJ/hr/m2/K的沸腾热传导系数。
8、如权利要求5至7所述的热交换器(10)，其特征在于该共晶合金是12wt-％的硅和88wt-％的铝。
9、一种包含金属合金的组合物，包括至少85wt-％的铝以及10～15wt-％硅和至少80wt-％铝的共晶合金。
10、一种构造热交换器(10)的方法，包括提供多个金属壁(10)，该金属壁(10)具有沸腾侧(44a)、冷却侧(44b)和至少一个粘结表面(48)；将热传导颗粒施加到所述多个金属壁(44)的沸腾侧(44a)上；利用所应用的热传导颗粒将所述金属壁(44)加热到第一温度，以通过钎焊将所述热传导颗粒整体地粘结到一起并将热传导颗粒冶金地粘结到所述金属壁上，从而形成多孔的加强沸腾表面(46)；利用间隔构件(42)来装配所述多个金属壁(44)，这样所述多个金属壁的沸腾侧(44a)形成沸腾通道(12)，所述多个金属壁的冷却侧(44b)形成冷却通道(14)，并且在所述金属壁的粘结表面(48)和相邻的间隔构件(42)表面之间提供多层金属；和将该组件加热到第二温度，该第二温度比第一温度低，从而在保持加强沸腾层的孔隙度的情况下，将多层金属粘结到至少相邻的间隔构件(42)表面和金属壁(44)的粘结表面(48)之一上。
权利要求
1.一种热交换器(10)，包括多个金属壁(44)，每个金属壁包括两侧，具有加强沸腾层(46)的沸腾侧(44a)和冷却侧(44b)，其中加强沸腾层(46)含整体地粘结到一起的热传导颗粒，所述多个金属壁的沸腾侧形成沸腾通道(12)，所述多个金属壁的冷却侧形成冷却通道(14)，所述多个金属壁中的每一个还包括粘结表面(48)；用于将各金属壁(44)彼此间隔开的间隔构件(42)；在热交换器(10)中介于所述金属壁(44)的粘结表面(48)与所述间隔构件(42)之间的一层金属，该层金属的熔点比加强沸腾层(46)的熔点低；用于将流体向所述沸腾通道(12)输送的沸腾入口(51)；用于将流体向所述冷却通道(14)输送的冷却入口(50)；用于从所述沸腾通道(12)回收蒸气的沸腾出口(49)；和用于从所述冷却通道(14)回收流体的冷却出口(64)。
2.如权利要求1所述的热交换器(10)，其特征在于该金属壁(44)主要包含铝。
3.如权利要求1和2所述的热交换器(10)，其特征在于热传导颗粒主要包含铝。
4.如权利要求1至3所述的热交换器(10)，其特征在于所述加强沸腾层(46)包含0.5～1.5wt-％的硅。
5.如权利要求1至4所述的热交换器(10)，其特征在于所述加强沸腾层(46)包含与铝硅共晶合金混合的高比例铝合金粉末。
6.如权利要求5所述的热交换器(10)，其特征在于高比例铝合金构成92wt-％的加强沸腾层(46)和构成8wt-％加强沸腾层(46)的共晶合金。
7.如权利要求5和6所述的热交换器(10)，其特征在于所述金属层包括共晶合金。
8.如权利要求5至7所述的热交换器(10)，其特征在于该共晶合金是12wt-％的硅和88wt-％的铝。
9.一种包含金属合金的组合物，包括至少85wt-％的铝以及10～15wt-％硅和至少80wt-％铝的共晶合金。
10.一种构造热交换器(10)的方法，包括提供多个金属壁(10)，该金属壁(10)具有沸腾侧(44a)、冷却侧(44b)和至少一个粘结表面(48)；将热传导颗粒施加到所述多个金属壁(44)的沸腾侧(44a)上；利用所应用的热传导颗粒将所述金属壁(44)加热到第一温度，以将所述热传导颗粒整体地粘结到一起，从而形成加强沸腾表面(46)；利用间隔构件(42)来装配所述多个金属壁(44)，这样所述多个金属壁的沸腾侧(44a)形成沸腾通道(12)，所述多个金属壁的冷却侧(44b)形成冷却通道(14)，并且在所述金属壁的沸腾表面(48)和相邻的间隔构件(42)表面之间提供多层金属；和将该组件加热到第二温度，该第二温度比第一温度低，从而将多层金属粘结到至少相邻的间隔构件(42)表面和金属壁(44)的粘结表面之一上。
全文摘要
本发明公开了一种热交换器，该热交换器包括由各金属壁相对的侧面形成的沸腾通道和冷却通道。介于各金属壁和间隔构件之间的各层钎焊材料将该热交换器的各个元件粘结在一起。加强沸腾层(EBL)包括彼此粘结和粘结到金属壁上的金属颗粒，该加强沸腾层(EBL)提供了有核沸腾孔，以加强热传导。该EBL的熔点比钎焊材料的熔点高。本发明还公开了一种用于装配热交换器的方法。
文档编号F28D9/00GK1813166SQ200480018306
公开日2006年8月2日 申请日期2004年5月25日 优先权日2003年5月30日
发明者P·S·奥尼尔, 老·D·P·赫尔德, T·J·戈德里 申请人:环球油品公司