烧结金刚石热交换器设备的制作方法

专利名称：烧结金刚石热交换器设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及传热材料的改进。更具体地，本发明涉及用于热交换器和再生器的烧结金刚石材料的使用。
背景技术：
热交换器用于许多应用中，包括供热单元，冷却单元，引擎，和许多其它应用。例如，热交换器用于斯特灵引擎中，例如在美国专利No. 7，076，941(仅作为示例)中所述。这样的斯特灵引擎还使用具有专用热交换器的再生器。典型地，这样的引擎在其热交换器和再生器中使用传热材料，例如铝，铜，黄铜，或不锈钢。虽然这些热交换器适于一些应用，但需要具有更高导热率的改进的热交换器。更高的导热率导致更有效的传热和减小的能量损失。此外，导热材料需要具有高的热扩散率以有效传导热能。仍然需要改进的热交换器和再生器，其比过去的热交换器和再生器具有更高的导热率。

发明内容
本发明涉及使用由烧结的天然或合成金刚石粉末或颗粒而构建的热交换材料。合成金刚石的制造历史已有超过半个世纪。在一种制造过程中，天然金刚石银在58000大气压下在1500摄氏度下被安置在室中。天然金刚石的银在石墨和催化剂的熔融溶液中浴处理。碳沉积在金刚石银上。利用这种过程，仅在几天中就可生长出三克拉金刚石。通过这种和其它方法，每年制造出超过100吨合成金刚石。这些合成金刚石用于各种工业和商业应用中。例如，合成金刚石用于钻头、切割刀刃和磨轮中。金刚石颗粒，例如，天然或合成金刚石微尘，是一些这种应用中的副产品，可获得各种不同尺寸的金刚石微尘。这些微尘可为利用天然或合成金刚石的过程的副产品。烧结金刚石微尘可通过各种尺寸的颗粒制成，从极细的粉末至更粗的颗粒。例如，金刚石微尘可来自商业可得的源，其颗粒尺寸在0.025微米至100微米的范围。例如，在这些尺寸范围内的金刚石微尘可购自新泽西州的Advanced Abrasives Corporation of Pennsauken。金刚石微尘的费用通常取决于金刚石尘粒的尺寸，粉末越细，则其越便宜。因此，细粉末可用于形成许多所希望的形状和构造。金刚石是任意材料中导热系数最高的材料之一。烧结金刚石具有接近8瓦/厘米。C的导热系数，使其成为理想的换热介质。使用不规则形状的颗粒使得所形成或完成的烧结金刚石换热材料的表面积增大。烧结金刚石的过程涉及将细粉末或颗粒安置在模具中。然后，模具被安置在超高温压具中，并在几百磅/平方英寸范围内的压力下被加热到在2000华氏度范围内的温度。在此温度和压力下，金刚石粉末熔合到一起。在本发明的范围内，在烧结之后，将金刚石粉末与其它材料(例如碳化硼、碳化硅或其它材料)混合。在此使用的烧结金刚石可以是指纯烧结金刚石，或者是指还包括与金刚石粉末混合的其它材料的烧结金刚石。金刚石可为天然的或合成的。
烧结金刚石材料可形成为多种所希望的形状，包括管，网，筛，盘，颗粒，或其它可能的形状。在必要时，可在完成的烧结金刚石换热材料中形成通路，以允许流体流动穿过。 例如，如果烧结金刚石形成为盘，则流体通路可直接形成在盘中。烧结金刚石可形成为各种形状，这取决于所需应用。例如，烧结金刚石可适用于再生器或斯特灵引擎。再生器是在斯特灵引擎的特定循环过程中的临时热量储存器。被加热的流体沿一个方向流动穿过，热量传到再生器材料。相对较冷的流体沿另一方向流动穿过再生器，并将当被加热流体流动穿过时所留下的热能吸收。在本发明一个示例性实施例中，金刚石材料可形成为类似于筛材料的圆盘。本领域技术人员应理解，盘不需要为圆形，而是可采取多种不同形状。材料可被制成为类似于线筛换热材料的薄盘。在这种情况下，筛状盘将通过薄隔离层(具有用于流体流动的孔)分离， 隔离层将防止热量从再生器一端传导到另一端。在一个示例性实施例中，盘的厚度将在1/8 英寸的量级上。在另一实施例中，烧结金刚石材料可被形成为烧结金刚石材料的小的不规则件。 这些不规则件可填装在各隔离盘之间的空间中，流体流将在这些件之间和周围。当用于热交换器时，金刚石颗粒可形成为具有穿过其中的两个流动通路的形状。 在热交换器中使用两组通路是公知的。当流体流动穿过一组通路时，热量传到换热材料。然后，热量传到流动穿过另一组通路的流体。这两组通路相互隔离，使得两种流体流不会相互混合O在一个示例性实施例中，一种再生器包括壳体。所述壳体包括多个烧结金刚石元件，所述多个烧结金刚石元件具有穿过其中的流体通路。多个隔离元件分隔在各所述烧结金刚石元件之间，也具有穿过其中的流体通路。所述隔离元件的流体通路与所述烧结金刚石元件的流体通路流体连通。所述烧结金刚石元件可包括不规则形状的金刚石尘粒，其烧结在一起而使得所述烧结金刚石元件是多孔的。可替代地或另外地，所述烧结金刚石元件可包括多个盘，其相邻安置在各所述隔离元件之间。所述烧结金刚石元件可由例如在 0. 001至500微米之间的金刚石颗粒制成。在一个示例性实施例中，所述烧结金刚石元件通过以下方式制成将金刚石颗粒安置在模具中，使所述颗粒承受如在现有金刚石烧结技术中已知的高温和高压。在一些示例性实施例中，每个所述烧结金刚石元件和每个所述隔离元件具有穿过其中(例如，穿过所述烧结金刚石元件和所述隔离元件的中心)的开口。隔离材料可安置在所述烧结金刚石元件和每个所述隔离元件的开口中的每一个内。在本发明的另一示例性实施例中，一种热交换器包括容纳多个烧结金刚石元件的壳体。所述多个烧结金刚石元件具有与其相关联的第一和第二流体通路，所述第一和第二流体通路相互独立。烧结金刚石元件可例如为通过烧结金刚石构建的筛。可替代地或另外地，烧结金刚石元件可被制成为烧结金刚石的盘，其具有穿过其中的通路。在另一实施例中，所述烧结金刚石元件包括多个烧结金刚石的管。一种流体通路穿过所述管，第二种流体通路处于所述多个管之间。在另一示例性实施例中，所述烧结金刚石元件包括多个第一管和多个第二管。所述多个第一管形成所述第一流体通路，所述多个第二管形成所述第二流体通路。


本发明的实施例和应用通过所附的非限制性附图被例示。附图用于例示出本发明思路的目的，其可能未按比例绘制。图1是本发明一实施例的分解透视图； 图2是图1发明方案的另一分解透视图； 图3是本发明另一实施例的透视图4是图3发明方案的前视图； 图5是本发明另一实施例的透视图； 图6是本发明另一实施例的端视图； 图7是图6发明方案的前视图； 图8是本发明另一实施例的剖视图； 图9是本发明另一实施例的剖视图； 图10是本发明另一实施例的剖视图； 图11是图10发明方案的端视图； 图12是本发明另一实施例的端视图； 图13是图12发明方案的剖视图； 图14是本发明另一实施例的端视图； 图15是图14发明方案的剖视图； 图16是烧结金刚石模制设备的简化示意图； 图17是烧结金刚石顶模具的简化示意图； 图18是烧结金刚石底模具的简化示意图； 图19是另一烧结金刚石顶模具的简化示意图； 图20是另一烧结金刚石底模具的简化示意图21是烧结金刚石顶模具和底模具的侧剖视图的简化示意图，其中顶模具和底模具被示为相互分离；
图22是烧结金刚石顶模具和底模具的侧剖视图的简化示意图，其中所示顶模具和底
模具合在一起；
图23是进行模制后烧结金刚石管的侧剖视图的简化示意图；和图M是模制烧结金刚石的过程的简化示意图。
具体实施例方式为了使本领域技术人员更全面地理解本发明，以下描述将呈现出具体细节。不过， 公知的元件可能不再详细显示或描述以避免不必要地模糊本公开内容的重点。因此，描述和附图被认为是示例性的，而不是限制性的。图1至11例示出本发明的各种实施例。参见图1和2，其显示出例示本发明一个实施例的热交换器10的分解图。热交换器10包括壳体12。壳体12显示为立方形构造，这仅用于例示目的。本领域技术人员应理解，壳体12可被制成为多种可能的形状。壳体12 具有壁14、16、18、20，所显示的具体构造也是用于例示目的。烧结金刚石管22安置在壳体 12内。烧结金刚石管22的长度和直径是设计选择的问题，取决于针对具体应用的传热、流量和压力和温度要求。管22通过面板M和沈保持就位，面板MJ6具有供管22延伸穿过的孔观。流体(未示出)可沿箭头30方向流动穿过管22。壁14和18分别具有流体孔 32和34。流体可沿箭头36方向流入和流出孔32和34。当流体流动穿过管22时，热量传到或传自管22。穿过孔32和34的第二隔离流体流沿管22行进和在各管22之间行进。这种流体流吸取或传输热量于管22，这取决于在管22内及其周围流动的流体的相对温度。由于管22由烧结金刚石制成，因而形成高效的热交换器。图3和4显示出热交换器的另一示例性实施例50。壳体52显示为立方形的构造， 这仅用于例示目的。壳体52可被制成为多种可能的形状。壳体52具有壁M、56、58、60，所显示的具体构造也是用于例示目的。烧结金刚石管62安置在壳体52内。烧结金刚石管62 的长度和直径是设计选择的问题，取决于针对具体应用的传热要求。管62通过壁56和60 保持就位，壁56和60具有供管62延伸穿过的孔68。流体(未示出)可沿箭头70方向流动穿过管62。端74和78分别具有流体孔82和84。流体可流入和流出孔82和84。当流体流动穿过管62时，热量传到或传自管62。穿过孔82和84的第二隔离流体流沿管62行进和在各管62之间行进。这种流体流吸取或传输热量于管62，这取决于在穿过管62和在其周围流动的流体的相对温度。图5显示出热交换器的另一示例性实施例150。壳体152显示为立方形的构造，这仅用于例示目的。本领域技术人员应理解，壳体152可被制成为多种可能的形状。壳体152 具有壁154、156、158、160，所显示的具体构造也是用于例示目的。烧结金刚石管162和163 安置在壳体152内。烧结金刚石管162和163的长度和直径是设计选择的问题。管162通过壁156和160保持就位，壁156和160具有供管162延伸穿过的孔168。类似地，管163 延伸穿过端174和178，端174和178具有延伸穿过其中的孔169。流体(未示出)可沿箭头170方向流动穿过管162。第二隔离流体流沿箭头171方向的流动穿过管163。如果流动穿过管162的流体比流动穿过管163的流体具有更高的温度，则热量传导到流动穿过管 163的流体。如果流动穿过管163的流体比流动穿过管162的流体具有更高的温度，则热量传导到流动穿过管162的流体。由于管162和163和壳体由烧结金刚石制成，因而传热效率很高。图6和7例示出根据本发明的示例性实施例的再生器210。本领域技术人员应理解，所显示的再生器210的具体构造仅用于例示目的，各种其它再生器构造也是可行的。外壳体212设置有法兰214和216。根据具体应用，壳体可由金属(例如铝、黄铜或钢)制成。 在这种示例性实施例中，法兰214和216包括螺孔218，用于将再生器210附接到其它系统部件。再生器210包括由任何适合隔离材料制成的隔离层220。隔离材料的选择将取决于再生器210所用的应用，并且可包括例如聚合物或陶瓷材料。提供烧结金刚石换热介质230。 在此所示实施例中，烧结金刚石换热介质230显示为一系列环232。环232通过隔离材料 234分离，以防止沿以线240所示流体流的方向传热。由于烧结金刚石换热介质230具有这种高导热系数，因而在没有隔离材料234的情况下，热量将会从再生器210的一端242快速传播到相反端对4。烧结金刚石换热介质230和隔离材料234是多孔的，使得流体(未示出) 可沿线MO的方向流动。如本领域技术人员所知，再生器通过沿一个方向(例如方向240A) 流动的被加热流体而工作。被加热流体流动穿过烧结金刚石换热介质230并及其热量传导到烧结金刚石换热介质230。在另一个循环中，相对较冷的流体沿方向MOB流动。相对较热的烧结金刚石换热介质传热至沿方向MOB流动的较冷流体。在一些应用中，提供隔离芯 250而使得再生器的直径匹配于系统中的其它部件，而不需提供额外的再生容量。图8例示出使用烧结金刚石换热介质330的另一实施例的再生器310。外壳体312 设置有法兰314和316。同样根据具体应用，壳体可例如由金属(例如铝、黄铜或钢)制成。 再生器310包括由任何适合隔离材料制成的隔离层320。隔离材料的选择将取决于再生器 310所用的应用，并且可包括例如聚合物或陶瓷材料。提供烧结金刚石换热介质330。在这种所示实施例中，烧结金刚石换热介质330显示为填装在隔离材料334之间的一定量的颗粒332，以防止沿以线340所示流体流的方向传热。颗粒332的尺寸使得在各颗粒332之间存在空间336。空间336允许流体在各颗粒332之间和周围流动。隔离材料334是多孔的，以允许流体流动穿过隔离材料334。隔离芯350被提供用于一些应用中。图9例示出根据本发明示例性实施例的另一实施例的再生器410。外壳体412设置有法兰414和416。再生器410包括由任何适合隔离材料制成的隔离层420。提供烧结金刚石换热介质430。在这种所示实施例中，烧结金刚石换热介质430显示为多层烧结金刚石筛432。筛432由隔离材料434分离，以防止沿以线440所示流体流的方向传热。由于烧结金刚石换热介质430具有这种高导热系数，因而在没有隔离材料434的情况下，热量将会从再生器410的一端442快速传播到相反端444。提供隔离芯450以调节再生器410的容量。图10和11例示出根据本发明的示例性实施例的另一实施例的再生器510。外壳体512设置有法兰514和516。再生器510包括由任何适合隔离材料制成的隔离层520。提供烧结金刚石换热介质530。在这种所示实施例中，烧结金刚石换热介质530显示为烧结金刚石的线状筛532。线状筛532由隔离材料534分离，以防止沿以线540所示流体流的方向传热。如果需要，则提供隔离芯450用于具体应用。图12和13例示出根据本发明的示例性实施例的另一实施例的再生器610。提供外壳体612以装容再生器610的内部部件。再生器610包括烧结金刚石换热介质630。在这种所示实施例中，烧结金刚石换热介质630显示为烧结金刚石管632。管632的各部分可通过隔离材料(未示出)(例如，玻璃纤维隔离材料或其它隔离材料)分离，以防止沿以线 640所示流体流的方向传热。流体从再生器610 —端流动穿过管632和穿过隔离材料而至另一端，如本领域技术人员易于认识到的那样。图14和15例示出根据本发明的示例性实施例的另一实施例的再生器710。提供外壳体712以装容再生器710的内部部件。再生器710包括烧结金刚石换热介质730。在这种所示实施例中，烧结金刚石换热介质730显示为烧结金刚石螺旋732。螺旋732的各部分可通过隔离材料(未示出)(例如，玻璃纤维隔离材料或其它隔离材料)分离，以防止沿以线740所示流体流的方向传热。流体从再生器710的一端流动穿过各部分的螺旋732和穿过隔离材料而至另一端，如本领域技术人员易于认识到的那样。图16是烧结金刚石模制设备810的简化示意图。模制设备810包括安装到板813 的顶模具812和安装到板815的底模具814，板815进而安装到基底824。所述设备包括用于将顶模具812和底模具814压到一起的机构820，所示仅用于例示的目的，其例如由手柄 816致动。本领域技术人员应易于认识到，烧结金刚石所需的压力比通过手动可产生的压力大得多。还提供热源818用于烧结过程。同样，本领域技术人员应易于认识到，用于所述过程所需的温度将需要比所示系统复杂得多的加热系统。在设想中，金刚石材料(未示出)被安置在底模具814中，在压力下使顶模具812与底模具814合在一起。顶模具812和底模具814通过热源818被加热以烧结金刚石材料。图17和18例示出顶模具812和底模具814。顶模具812具有销830。底模具具有柱形腔832。在所述销的外直径与所述腔的内直径之间的差值确定通过模具812和814 形成的烧结金刚石管的壁厚。图19和20例示出另一实施例的顶模具912和底模具914。顶模具912具有销 930。底模具具有线筛形状的腔932。销930的尺寸与腔932的尺寸之差确定通过模具912 和914形成的烧结金刚石筛的线尺寸。图21至23例示出本发明的模具812和814的剖面的示意图。顶模具812具有销 830。底模具814具有柱形的腔832。销830在尺寸上适于装配在腔832内而使得在烧结过程之后形成管834。图21例示出顶模具812与底模具814分离。图22例示出顶模具812 嵌套在底模具814内。图23例示出底模具814，其中，顶模具812被移除，且在腔832中形成管834。图M呈现出模制过程的示意图。烧结金刚石微尘870和可选的粘合剂872利用混合过程(通过筒874呈现)混合。混合后的材料876通过注射成型设备880被注入底模具 878中。顶模具882被下压到底模具878中，混合后的材料876在施加压力的同时被加热。 这种烧结过程是本领域中公知的。应理解，本发明的这些示例性实施例仅为示例性的，在不脱离本发明范围的情况下，本领域技术人员可设计出上述实施例的许多变例。
权利要求
1.一种用于在往复流体流与蓄热介质之间交换热能的再生器，包括壳体；蓄热介质，其包括处于所述壳体内的多个烧结金刚石元件，所述多个烧结金刚石元件具有贯穿其中的流体通路；多个隔离元件，其处于所述壳体内并且分隔在各所述烧结金刚石元件之间，所述隔离元件具有穿过其中的流体通路，所述隔离元件的流体通路与所述烧结金刚石元件的流体通路流体连通。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件包括不规则形状的金刚石尘粒，其烧结在一起，从而使得所述烧结金刚石元件是多孔的。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件包括多个盘，其相邻安置在各所述隔离元件之间。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件包括多个板，其相邻安置在各所述隔离元件之间。
5.如权利要求1所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件包括多个管，其相邻安置在各所述隔离元件之间。
6.如权利要求1所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件由0.001至500微米之间的金刚石颗粒制成。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件通过以下方式制成将金刚石颗粒安置在模具中，将所述颗粒加热到足以使所述颗粒熔合到一起的温度。
8.如权利要求7所述的设备，其中，所述模具具有以线状筛形式成形的腔。
9.如权利要求7所述的设备，其中，所述模具具有以管的形式成形的腔。
10.如权利要求1所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件具有穿过其中的开口，每个所述隔离元件具有穿过其中的开口，并且所述设备进一步包括处于所述烧结金刚石元件和每个所述隔离元件的开口中每一个内的隔离材料。
11.如权利要求10所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件中的开口和所述隔离元件的开口基本上穿过所述烧结金刚石元件和所述隔离元件的中心。
12.一种用于在第一流体流与第二流体流之间交换热能的热交换器，包括壳体；处于所述壳体内的多个烧结金刚石元件，所述多个烧结金刚石元件具有与其相关联的第一流体通路和与其相关联的第二流体通路，所述第一流体通路与所述第二流体通路隔
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件包括多个烧结金刚石的管，所述第一流体通路穿过所述多个管，所述第二流体通路处于所述多个管之间。
14.如权利要求12所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件包括多个第一管和多个第二管，所述多个第一管形成所述第一流体通路，所述多个第二管形成所述第二流体通路， 所述多个第一管和所述多个第二管嵌入烧结金刚石块体中。
15.如权利要求12所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件由0.001至500微米之间的的金刚石颗粒制成。
16.如权利要求12所述的设备，其中，所述烧结金刚石元件通过以下方式制成将金刚石颗粒安置在模具中，将所述颗粒加热到足够温度以使所述颗粒熔合到一起。
17.如权利要求12所述的设备，其中，所述模具具有以管形状的腔。
18.一种用于在往复流体流与蓄热介质之间交换热能再生器，包括 壳体；隔离芯；蓄热介质，其包括处于所述壳体内的多个烧结金刚石元件并且包围着所述隔离芯，所述多个烧结金刚石元件具有穿过其中的流体通路；多个隔离元件，其处于所述壳体内并且分隔在各所述烧结金刚石元件之间，所述隔离元件具有穿过其中的流体通路，所述隔离元件的流体通路与所述烧结金刚石元件的流体通路流体连通。
全文摘要
本发明提供了一种由烧结金刚石构建的热交换介质。该介质可形成为各种希望的形状，例如，管，筛，网，颗粒，或类似形状。烧结金刚石形成热交换器或再生器的传热介质。
文档编号F28F21/02GK102245996SQ200980149067
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月3日 优先权日2008年12月9日
发明者P. 霍夫曼 G., J. 伊德 R. 申请人:更新热力学有限责任公司