热传递装置的制作方法

文档序号:11141914阅读:461来源:国知局
热传递装置的制造方法

本发明涉及热传递装置。



背景技术:

热管是密闭地密封的、真空管,包括处于液体和蒸汽相的工作流体。当所述管的一端被加热时,该液体通过吸收蒸发潜热而转变成蒸汽。热蒸汽随后通过管的冷却端,在那里其冷凝并且将潜热释放至管。接着冷凝的液体流回至管的热端,并且该蒸发-冷凝循环重复。由于蒸发的潜热通常是非常大的,所以大量的热可沿着管传导并且沿着热管实现基本一致的温度分布。

参考图8,示出了用于热交换的已知的热管热交换配置10,且更具体地从平坦表面(未示出)吸收热。交换器10包括多个热管11,其沿着热管的近端部分连接至板12的后表面。热管11被布置为基本平行的配置,且沿着板12的长度延伸。该板12被布置成从平坦表面(未示出)吸收热量,且所吸收的热量被传递至所述热管11的近端部分11a,其使得其中的流体(未示出)转换为蒸汽。

管11的远端部分11b被布置成在流动管道13内延伸,冷却流体(未示出)被布置成沿着该流动管道13通过,从而流到管11的远端部分11b的蒸汽可冷凝。该冷凝的,即冷却的工作流体,可随后返回至热管11的近端部分11a,用于从板12进一步吸收热量。这样,冷却流体(未示出)可被布置成提取由工作流体所吸收的热量,从而热管11,且具体地设置在热管11内的流体可继续吸收热量。然而,该配置的问题在于在热管11内的工作流体的温度在使用中升高,其减弱了流体从板12进一步吸收热量的能力。此外,其通常难以单独地将各热管11的远端部分密封至流动管道13,从而导致冷却流体可从管道泄漏。

WO2013/104884公开了用于与基本平坦表面上的介质进行热交换的热交换器。这在图9中示出。热交换器900包括:热交换板901;流体回路,其包括设置在板901的第一端的第一腔室904,设置在板101的第二端的第二腔室905,沿着板在第一和第二腔室904、905之间延伸的多个通路903,以及在第一和第二腔室904、905之间延伸的导管907;设置在回路中的流体;其中,多个通路903被布置成与所述板901热连通,且被布置成将流体从第一腔室904流至第二腔室905,并且导管907被布置成将流体从第二腔室905流至第一腔室904。



技术实现要素:

本发明提供了装置,包括:

板(100),其具有第一和第二主表面(101,102);和

密封系统,其在所述板内且包括多个通路(103),该多个通路(103)各从在所述板的第一端处的第一歧管腔体(107)延伸至在所述板的第二端处的第二歧管腔体(107),并且容纳有气体和液体两种状态的流体,

其中各所述通路包括在所述通道的更接近所述第一主表面的一侧上的一个或多个突起特征(122、123、124)。

所述突起特征可包括在该通道内纵向地延伸的一个或多个肋部。这里,所述一个或多个肋部的至少一些可以为大体三角形和/或所述一个或多个肋部的至少一些可以为大体正方形。

所述第二主表面(102)可包括纵向延伸的起伏,其与所述通路的位置对应。这里,所述板的厚度在与所述通路的位置对应的位置处比在与所述通路的位置不对应的位置处更大和/或所述起伏具有大体正弦的横截面。

所述板的主本体由挤出成型材料形成。

所述板的主本体为铝或铝合金。

所述板可包括主本体以及可连接至所述主本体的第一和第二歧管,其用于限定第一和第二歧管腔体。

所述歧管腔体的横截面积可以为所述通路的横截面积的50-200%。

所述装置可包括与所述板的第一端相邻且热连接至所述板的第一热交换元件(130)。

所述的装置包括与所述板的第二端相邻且热连接至所述板的第二热交换元件(131)。

在所述热交换器元件与所述加热垫之间的连接的面积构成所述热交换器所连接的所述加热垫的主表面的面积的5-40%。

所述热交换器元件连接至所述加热垫的第二主表面。

相对于所述通路的更接近所述第二主表面的一侧,各所述通道在所述通路的更接近所述第一主表面一侧上可包括更多个突起特征(122、123、124)。

附图说明

现将参考附图仅作为示例的方式对本发明的实施方式进行说明,其中

图1是根据本发明的实施方式的加热垫的部分的等轴测视图;

图2是相对于图1从下面观察的图1的加热垫的另一等轴测视图;

图3是图1和2的加热垫的混合横剖视图;

图4是图3的加热垫局部的细节的端视图;

图5是根据本发明的实施方式的加热垫,且包括具有歧管的图1的加热垫部分;

图6是根据本发明的实施方式的加热垫的第一横截面;和

图7是根据本发明的实施方式的加热垫的不同的横截面,其中装配有第一和第二热交换元件;

图8是现有技术热管热交换装置;和

图9是现有技术热交换器。

具体实施方式

首先参考图1,以等轴测视图示出了根据本发明的实施方式的加热垫100的部分。该加热垫100包括具有两个主表面的主本体108,即,外表面101,其在图1中示出为最上部,和内表面102,其在图1中不可见。

加热垫100的形状大体为矩形。加热垫100由合适的材料形成,例如铝。

在加热垫主本体108内延伸的是多个通路103,其端部在图1中示出。通路103在加热垫100的宽度上等距离地间隔开。在以下将具体说明通路103的配置,特别是参考图4。

连接槽109沿着加热垫主本体108的一边缘设置,其可接收另一个加热垫100的相应肋部,从而允许将多个加热垫连接在一起。在加热垫100与连接槽109相反的边缘处设置有支架110,以将加热垫100连接至支撑结构或者其它构件。

在加热垫主本体108的端部设置有多个歧管接收通道107,其中的一个在图1中示出。该歧管接收通道107为凹部,沟或通道的形式。歧管在通道107内的侧面分别与外表面101的端部分隔开,以及与内表面102的端部分隔开。歧管接收通道107的端部分别与连接槽109的底部分隔开,以及与支架110分隔开。歧管接收通道107的覆盖区域(footprint)包括在其中的所有的通路103。歧管接收通道107的底部在该示例中为平面的,且所处的平面大体垂直于所述加热垫主本体108的主平面。

加热垫主本体108的外表面101大体为平坦的,且最佳地如图1所示。

最佳地如图2所示,内表面102具有起伏(undulating)的形式。该起伏的顶脊和底槽与通路103平行地延伸。内表面102的起伏的顶脊和底槽在加热垫主本体108的整个长度上延伸。最佳地如图3和4所示,内表面102的起伏的顶脊与通路103重合,在该顶脊处加热垫主本体108具有最大的厚度。相应地,内表面102的起伏的底槽与加热垫主本体108的最小厚度对应,并且与通路103之间的位置对应。该起伏大体为正弦曲线。该起伏关于在顶脊和底槽之间的中间点处成旋转对称。

图2还示出了在加热垫主本体108的与图1所示的歧管接收通道107相反端处的歧管接收通道107。图2还示出了支架110的外形的细节。

图3是沿着图1和2的加热垫截取的部分剖视图。图3由于没有示出歧管接收通道107,所以更清楚地示出了通路103的外形。

如从图4可更清楚地示出,通路103具有大体圆形且包括多个特征。该通路103可概念上分为两部分:相变部分121和排水通道120。在排水通道120与相变部分121之间的分隔是如图4中所示的水平直线。将排水通道120与相变部分121分隔开的直线是如图4所示的基准线。该分隔大体位于从通路103的距外表面101最远的部分与通路103的距外表面101最近的部分之间的距离的四分之一。然而,分隔还可另外地设置在沿着通道的由从通路103的距外表面101最远的部分与通路103的距外表面101最近的部分之间的距离所限定的深度的10%与50%之间的任意位置处。

如图4所示,排水通道120具有规则外形,具体为部分圆形外形(可形成圆的一部分)。然而,相变部分121具有不规则外形。具体地,相变部分121包括两个三角形肋部122、123,其相对于形成通路103的大致边界的圆形向内延伸。相变部分121还包括矩形肋部124,其从形成通路103的大致轮廓的圆形向内延伸。

肋部122、123、124的作用是提供在加热垫主本体108的材料与作为通路103的腔体之间提供增大的表面面积。每单位容积对应的相变部分121的表面面积大于排水通道120的表面面积。换言之,相变部分121表面面积与相变部分容积的比大于排水通道120的表面面积与容积的比。三角形肋部具有更大的表面面积与质量(mass)比,而且制造简单。三角形肋部122、123具有更大的表面面积与质量比,然而制造简单。方形肋部124具有良好的表面面积与质量比,且制造可靠且简单。肋部的重要性如下所述。

肋部123、122提供了另外的效果。具体地,肋部122、123提供了在排水通道与相变部分121之间的一些分隔。这些肋部122,123从相变部分121部分地关闭了排水通道120。在该横截面视图中,可看出肋部122,123提供了“海港墙”类型的布置,遮蔽了排水通道避免受到在相变部分121中的任何紊流影响。肋部122、123还有助于在加热垫被竖直布置时控制冷凝物沿着排水通道流动。通过肋部122,123将排水通道120从相变部分121部分分离有助于防止在通路103内的阻塞,且有助于最大化由加热垫100所进行的热能传递速率。

肋部122、123、124被构造从而有助于加热垫100的简单制造。具体地,肋部的角为圆角的。此外,肋部的厚度足够厚,从而可通过制造可靠地形成而不会破损。

通路103具有大约5.5mm的总体宽度以及大约20mm2的横截面面积。包括通道的圆形区域的大约15%由肋部12-124的体积占据。包括通道的圆形的体积由肋部的体积占据的部分为例如5%-35%。

最佳地如图5所示,在加热垫主本体108的各端设置一个歧管104、105。图5示出了上歧管104。上歧管104设置在歧管接收通道107中。上歧管104与下歧管105是相同的,下歧管105设置在加热垫主本体108的另一端。各歧管104、105包括歧管通道106,其最佳地如图6和7所示。歧管通道106用于连接通路103,以让流体在通路103之间流动。上和下歧管104、105的方案表示所有的通路103在其上端和在其下端连接在一起。

歧管104、105基本是直的。歧管104、105由与加热垫主本体108相同的材料形成。歧管104,105被设计成贴合地配合在加热垫主本体108的歧管接收通道107内。干涉配合,焊接或者粘接可用于在形成加热垫100内的密封腔室的过程中将歧管嵌入在加热垫主本体108中。歧管104、105具有沿着内表面(即,面向开口通路103的表面)的整个长度延伸的基本直的通道。该通道具有矩形横截面,也可以是例如半圆形横截面以具有更好的压力特性。该通道的效果是终止所有如图6中所示的通路103,在加热垫工作时允许工作流体自由通过并且平衡压力。歧管104的外表面(即,向外面向加热垫100的表面)具有大体三角形外形。歧管104、105的材料具有合适的最小厚度,例如2mm或2.5mm。

歧管通道106的高度可以小于通路103的宽度。歧管通道106的主要作用是让压力在通路103的端部之间均衡。歧管通道的横截面积可选地可与通路的横截面积基本相同。歧管腔的横截面积可例如为通路的横截面积的50-200%。

在加热垫主本体108内的通路103可通过对通路103进行密封的歧管104和105而共同终止于加热垫主本体108的两端,其进而形成如图6中所示的液密和气密腔室。歧管104、105可通过如干涉配合或者结合而安装至加热垫主本体108。有利地,将歧管104、105机械地安装在加热垫主本体108上也形成密封。

在使用中,加热垫100被竖直地设置或者从竖直方向倾斜一角度。这使得重力将液体从加热垫100的上部移动至下部,如以下所述。

包括通路103和歧管通道106的加热垫100的内部腔体提供有一定量的流体。具体地,一些流体是液体相,且一些流体是气体相。由于上和下歧管104和105被密封在加热垫主本体108的歧管接收通道107内,所以包括通路103和歧管通道106的腔体形成闭合的压力系统。根据所选择的流体,在腔体内的压力可高于或者低于大气压力。如图7所示,流体的液体相140的容腔位于腔体的底部,且具体地沿着通道103的部分向上延伸,并且气体相141的流体位于腔体的顶部。因此,下歧管105的歧管通道106填充有液体相140的流体,而上歧管104的歧管通道106填充有气体相141的流体。

第一热交换元件130装配在加热垫100的内表面102上。具体地,第一热交换元件位于加热垫100的上部分处。在该示例中,第一热交换元件的所有功能部件都设置在加热垫100的高度的一半以上。

在第一热交换元件中,设置有一个或多个导管130a。导管垂直于图7的横截面而延伸,且在图中示出了两个出和两个返回部分,其中按常规分别使用交叉和点来表示。

第二热交换元件131设置在加热垫100的内表面102上。第二热交换元件131设置在加热垫100的下部分处。在该示例中,第二热交换元件的所有功能部件形成在加热垫100的一半位置下方。

第二热交换元件131包括导管131a,其在本示例中具有与第一热交换元件130的导管130a相同的形式。

热交换器元件130、131被尺寸设置成使得在热交换器元件130、131与加热垫之间的连接面积构成加热垫100的内表面102的面积的5-40%。在该示例中,热交换器元件130、131具有起伏表面,该起伏表面全部或者几乎全部与加热垫100热接触。

例如加热垫100可被挤出成型,铸造,压制或者以这些方法的结合而制造。可使用例如,螺栓,螺钉,夹子等的机械固定与粘合剂,焊接或任何其它方式的固定结合而将热交换元件130、131保持抵靠加热垫100,从而允许用于热交换的良好机械接触。

容纳在密封腔室中的是工作流体,其是热交换处理的基础。可使用多种工作流体,包括水,氨,丙酮,乙醇,及其混合物,其功效由所使用的板的情况来驱动。本领域技术人员应能够针对任何给定工作条件确定合适的流体。

参考图7,示出的热能传输系统能够吸收和/或释放热量。该系统包括加热垫100以及热交换元件130、131中的任一个或者二者。热交换元件130、131直接或者间接地连接,以根据需要利用流经其第二液体(或气体)而移除或传输能量。热交换元件130、131示出了加热垫100的应用,然而其他应用也是明显的。

图7中所示的热能传输系统可用作使用外表面101的热能收集器或者热能发射器。这通过将两个热交换元件130、131安装至加热垫主本体108而促进。对于系统的各操作模式,仅使用热交换元件130、131中的一个。

各热交换元件130、131包括具有起伏外形的表面,其与加热垫主本体108的内表面102对应,从而最大化从加热垫传递至热交换元件130、131的热能。该起伏表面形成与加热垫主本体108的起伏表面102的紧密配合。加热垫主本体108的内表面102通过热胶或热凝胶而热连接至热交换元件130、131。接着,各热交换元件130、131机械地夹至加热垫主本体108。为了永久连接,可另外地使用热粘合剂。

为了将加热垫100用作热能吸收器,温度比加热垫主本体108低至少几开(Kelvin)的液体或蒸汽通过上、第一热交换元件130。由于外表面101由外部加热源加热,通常为来自环境空气的质量和/或太阳能吸收的潜热,热能经由通路103的相变部分121的肋部122、123、124而传递至流体。热能使工作流体蒸发,通过吸收蒸发的潜热而将工作流体从液体转换为蒸汽。因此,该蒸发比没有相变的加热使用更多的热能。加热蒸汽沿着通路103升高,大部分沿着相变部分121包含的容积,且在上歧管104的内表面和/或通路103的排水通道的表面冷凝。通过冷凝,蒸汽将所存储的潜热释放至加热垫100的与排水通道120或上歧管104相邻的材料。接着该热能经由加热垫主本体108和/或上歧管104的材料的传导而传输至第一热交换元件130。该冷凝的液体通过重力的作用沿着排水通道120向下移动,通常沿着通路103的内表面流动。接着液体聚集在加热垫100的底部在液体相流体容腔140中。接着蒸发-冷凝循环可再次重复。该效应使得热能可在加热垫主本体108的整个外表面101上基本均匀地分布,且防止在加热垫100的上和下部之间的任何显著温度差别。上和下歧管104、105允许在板中的横向的流体连通,并且防止在沿着加热垫100的宽度上的不同位置之间的任何显著的温度差。换言之,加热垫100在各表面101、102上是大致等温的,然而在外表面101和内表面102之间通常具有适度的温度差。这还使得热能有效地从外表面101传递至内表面102。所传递的热能的量显著地大于通过与加热垫100相比相当的重量和尺寸的便宜金属的传导所实现的。这不需要使用任何毛细结构或材料而实现。

为了将热能传递系统(即,外表面101)用作热能发射器,温度比加热垫主本体108高几开(Kelvin)的液体或气体通过下、第二热交换元件131。在该操作模式中,热能传导经过内表面102传递到通路103。这使得在腔体中的工作流体从液体相变为蒸汽。该加热的蒸汽沿通路103向上移动并在通路103的相变部分121的冷却肋部122、123、124上和/或上歧管104的内表面上冷凝。这将存储在蒸汽的热能释放到加热垫100的材料内。该热能接着被传导至(冷却器)外表面101。接着该冷凝的液体在重力作用下移动至加热垫主本体108的腔体的底部,且蒸发-冷凝循环再次重复。冷凝的液体沿着通路103向下流动的方式取决于通路103的配置和加热垫100的方位,并且可沿着排水通道120向下流动。然而,冷凝的液体流动,其没有显著地阻挡气体相流体沿着通路103的向上流动。实验显示,加热垫100在操作的热量发射模式与在操作的热量吸收模式是几乎同样有效的。该实验显示其比使用圆形通路的相应配置显著地更加有效。通路103的配置使得热传递效率更高。

实验显示当前表面101比后表面102更热时有最佳性能,这种情况下排水通道120用于连通冷凝物(液体)。这在加热垫100被竖直地、水平低或者在该两个位置之间地布置时都适用。在加热垫100被水平地布置的情况下,下表面102通常最低,从而重力促使排水通道120载有冷凝液体。

该实验显示加热垫100还在相反方向的温度差下工作良好。

肋部122、123、124的效果是提供在加热垫主本体108的材料与作为通路103的相变部分的腔体部分之间的增大的表面面积。由于与没有肋部的配置相比,每单位时间有更多的热量在外表面101与密封腔室内的工作流体之间流动,所以这改进了相变过程。每单元体积的相变部分121的表面积大于排水通道的表面积。

通道的外形不限于图4中所示。例如,主肋部124可更加窄(同时对于机械稳定性和可制造性具有最小的宽度)。可选地,可将一个或多个另外的肋部设置在合适的位置。类似的,肋部122和123还可更窄。肋部可具有任何合适的外形,例如,矩形,方形,三角形或者凸圆形。其可以可选地具有更加复杂的外形,例如部分三叶草形或者部分四叶形。由于特征122、123和124沿着通路103的长度纵向延伸,所以其为肋部。如果制造允许,可使用改变相变部分的表面面积的通路的其它内部特征来替代肋部。

由于加热垫100的配置,所以热能可容易地在加热垫100的外表面101和102与通路103内的流体之间交换。热传递是用于加热垫主本体108的材料的导热性的函数,但是其也是通路的外形以及在通路与内和外表面101、102之间的关系的函数。例如,在内表面102的起伏外形与排水通道120的圆外形之间的匹配最大化其间的热传导,同时允许保持最小的壁厚(例如,2mm或2.5mm)以及同时允许排水通道所具有的形状将冷凝的液体有效地向下沿着加热垫排至液体相流体的容腔140。其还允许对于给定的最小壁厚将用于主本体108的材料量减少。通道103的相变部分121的外形最大化从外表面101传递至通路的热量,同时允许外表面101为平坦的,同时允许保持最小的壁厚(例如,2mm或2.5mm),且同时允许容易地制造加热垫主本体108。

在加热垫主本体108内的通路103的形成与歧管104、105的使用有助于较简单地密封包括通道的容腔,这是由于仅在加热垫主本体108的通路103的每端需要单个密封。此外,与WO2013/104884的配置(包括多个外部构件)相比加热垫100的配置是非常简单的。加热垫100的紧凑和独立的特征还引起对外部施加力的回弹的改进,且因此使得其不易被损坏。这允许将其用作建造住宅或其它建筑的材料。

已经构造和测试了一种样机。由铝制造的该原型的加热垫,具有4000×180×10mm的尺寸,且所使用的工作流体是氨。

使用专门建造的封闭绝热舱来进行该测试。热交换器覆盖加热垫的面积的大约百分之十,其中具有进给水箱的循环水管回路,该热交换器热结合和安装至样品加热垫用于热去除。热交换器用于通过循环的水管回路将热能传递至水箱。在该测试过程中,该舱中的空气没有被搅动。

该测试证明,通过在加热垫工作温度与循环水入口温度之间的13K温度差,该样机加热垫实现1.47kW/m2的传热速度(heat transfer rate)。该传热速度显著地高于大部分现有技术的配置。

本发明的范围不限于上述实施方式,且对于本领域技术人员来说在所附权利要求的范围内的多种变形是明显的。现在将对一些变形进行说明。

外表面101可具有从其延伸的散热片,其增加了热发射表面面积且提高了传热速度。

由于肋部122-124具有沿着通路103的长度的恒定外形,所以肋部122-124易于通过挤出成型而制造。另外地,可在通道内设置其它形式的突起。突起可以是圆顶形的,或者其可以是圆周的或螺旋的肋部,或者可采用其它合适的形式,如用于生产加热垫本体108所选择的制造工艺允许的。

加热垫100可设置有泄压阀,其可操作以在内部压力超过阈值水平时释放一些流体。由于这减轻了不能控制的加热垫100的材料破裂的风险,所以提供了改进的安全性。

主本体108和歧管104、105有利地由铝制成,铝是相对便宜的,具有好的防腐特性,并且容易在制造工艺中使用。可选地,可使用铝合金或者另一种金属,例如钢。

代替将第一和第二热交换元件130、131设置在加热垫100外部,第一和第二热交换元件130、131中的任一个或者该二者可设置在加热垫内部。在该情况下,腔体设置在加热垫100的合适端部,例如作为增大的歧管104、105的形式,并且热交换元件130、131延伸进入加热垫100且通过腔体,从而允许热能从加热垫100中的流体传递至通过热交换元件130、130的流体。可选地,如图9中的现有技术所示的热交换配置可以是合适的(尽管没有导管902)。该配置需要在热交换元件130、131的导管进入加热垫100处进行密封,且不允许将加热垫100从热交换元件130、131直接拆卸。

在可选的实施方式中,还可在水平位置操作加热垫100。图7中的加热垫100可水平地安装或者大致以平滑表面101面向上。当加热垫100作为热发射器而操作时,加热的流体进给至热交换元件131,其设置在加热垫100的一端或一侧且热连接至下表面102。来自工作流体的热量经由下表面102传导至加热垫100,其使得容纳在加热垫100内的工作流体从液体相变为蒸汽。加热的蒸汽在通路宽度内上升,且在通路103的相变部分121的表面上冷凝。随着蒸汽冷凝,热能释放并传递至加热垫100的外表面101。冷凝的流体通过来自加热垫100内的蒸发-冷凝循环的气压而被运回朝向热交换元件131。

用作热发射器的该加热垫100可提供为烹饪的食物保温的热的表面。通过提供经过热交换元件130的冷却流体,加热垫100可被制冷,以为准备生的或烹饪的食物提供冷的表面。在任一情况下,恒温器可用于控制回路来将加热垫100保持在要求的温度。

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