带涂层的热交换器的制作方法

本文公开的标的大体上涉及热交换器，且更具体来说，涉及上面具有涂层的热交换器。

热交换器广泛地用于各种应用中，包括(但不限于)包括风机盘管机组的加热和冷却系统、各种工业和化学工艺中的加热和冷却、热回收系统，和类似者(仅举几例)。用于将热从一种流体传递到另一种流体的许多热交换器利用一个或多个导管，在一种流体流动穿过所述导管的同时第二流体围绕所述导管流动。来自所述流体中的一者的热通过经过导管壁的传导而传递到另一流体。许多配置还利用与导管的外部成热传导接触的翅片以便提供可以跨其在流体之间传递热的增加的表面区域、提高流过热交换器的第二流体的热传递特性，并且增强热交换器的结构硬度。此类热交换器包括微通道热交换器和圆管板翅片(RTPF)热交换器。

热交换器的主要功能中的一者是以高效的方式将热从一种流体传递到另一种流体。更高水平的热传递效率允许热交换器大小的减小，这可以实现减少的材料和制造成本，并且提供对利用热交换器的系统(例如，冷藏系统)的效率和设计的增强。然而，提高热交换器系统效率存在若干障碍。

举例来说，用于热交换器构造的许多金属合金(例如，铝合金)会经受腐蚀。位于海洋环境(尤其是海水或风吹的海水雾)中或靠近海洋环境的应用会产生对这些热交换器有害的侵入性氯化物环境。此氯化物环境快速地导致钎焊接头、翅片和制冷剂导管的局部和全面腐蚀。腐蚀模式包括电偶腐蚀、裂隙腐蚀和点状腐蚀。腐蚀经由若干机制而损害热交换器传递热的能力，所述机制包括结构完整性和与制冷剂导管的热接触的损失。腐蚀产物还积聚在热交换器外表面上，从而产生额外的热阻层并且增加气流阻抗。另外，由于导管穿孔和冷却系统的故障，腐蚀最终导致制冷剂的损耗。常常使用聚合物涂层来保护热交换器表面免受腐蚀和物理损坏。然而，许多聚合物是低效热导体，且将它们用作保护性涂层可能会不利地影响热传递效率。

另外，将热交换器用作冷藏系统中的蒸发器常常遭受在热交换器的组件(例如，热交换器翅片和导管)的外表面上形成霜冻。这些热交换器表面上的霜冻由于降低热传递而不利地影响热传递效率，这不利地影响冷藏系统的总效率。常常通过在除霜循环中操作冷藏系统来解决霜冻形成，这进一步降低系统效率。对冷藏系统的此类不利影响常常需要将热交换器和其他系统组件设计成较大容量，从而导致增加的系统成本和复杂性，而且还增加操作成本来满足系统性能要求。

鉴于以上和其他问题，在本领域中一直需要热交换器设计和制造的新方法。

发明简述

根据本发明的一个方面，一种用于将热从第一材料传递到第二材料的热交换器包括结构性热传递部件，其具有与第一材料接触的第一表面和与第二材料接触的第二表面。所述热交换器还在所述第一表面、所述第二表面上或在所述第一和第二表面上具有涂层。所述涂层包括分散在聚合物树脂基质中的在至少一个尺寸上是纳米级的填充物颗粒。

根据本发明的另一方面，一种热传递系统包括热传递流体循环环路，且所述热传递流体循环环路包括上文描述的热交换器。在此系统中，所述热传递流体是与所述热交换器接触的上述第一材料或第二材料。此热传递系统的实例是蒸汽压缩热传递系统，其包括：蒸发器热交换器；压缩机，其从所述蒸发器热交换器接收热传递流体；冷凝器热交换器，其从冷凝器接收热传递流体；以及膨胀装置，其从冷凝器热交换器接收热传递流体并且将热传递流体提供给蒸发器热交换器。在此系统中，包括聚合物树脂基质中的填充物颗粒的所述涂层可以安置在蒸发器热交换器或冷凝器热交换器的表面上。

附图简述

在说明书完结时的权利要求书中特别地指出且清楚地要求被视为本发明的标的。通过结合附图进行的以下详细描述，本发明的前述和其他特征和优势会显而易见，附图中：

图1描绘示例性热交换器的示意图；

图2描绘另一示例性热交换器的示意图；以及

图3描绘带涂层的热交换器的表面的一部分的横截面视图的示意图；

图4描绘涂层中的填充物颗粒的示意性表示；

图5描绘示例性热传递系统的示意图；

图6描绘随如本文中所描述的填充物热导率而变的涂层的热导率的曲线图；

图7描绘随如本文中所描述的填充物表面处理而变的涂层的热导率的曲线图；以及

图8描绘随如本文中所描述的填充物定向而变的涂层的热导率的曲线图。

发明详述

现在参看图，在图1中示出示例性RTPF(圆管板翅片)热交换器。如图1中所示，热交换器10包括用于载运热传递流体(例如，制冷剂)的一个或多个流回路。出于阐释的目的，热交换器10示出为具有单个流回路制冷剂导管，其具有通过导管弯头150连接的入口线130和出口线140。入口线130通过180度导管弯头150在热交换器10的一端处连接到出口线140。然而，应该明白，可以依据系统的需要将更多的回路添加到所述单元。举例来说，虽然将导管弯头150示出为连接两个笔直导管区段的单独组件，但所述导管还可以形成为单个导管件，在其中具有发夹区段用于导管弯头150，且此类发夹导管的多个单元可以在开放末端处与u状连接器连接，从而在‘反复’配置中形成连续的更长的流路径。热交换器10进一步包括一连串翅片160，其包括沿着流回路的长度间隔的径向安置的板状元件，所述板状元件通常使用过盈配合连接到导管。在一对端板或导管片170和180之间提供翅片160，且通过线130、140进行支撑以便界定气流通道，经过调节的空气通过所述气流通道经过制冷剂导管且在间隔的翅片160之间通过。翅片160可以包括热传递增强元件，例如散热孔或纹理。

根据本文中所描述的实施例可以使用的另一类型的示例性热交换器是微通道或小通道热交换器。这些类型的热交换器的配置大体上相同，其中主要差异是基于热传递导管端口的大小而相当宽松地应用。出于便利起见，这种类型的热交换器将在本文被称作微通道热交换器。如图2中所示，微通道热交换器20包括第一岐管212，其具有用于接收工作流体(例如，冷冻剂)的入口214和用于排出工作流体的出口216。第一岐管212流体地连接到多个导管218中的每一者，所述多个导管各自在相对的末端上与第二岐管220流体地连接。第二岐管220与多个导管222中的每一者流体地连接，所述多个导管使工作流体返回到第一岐管212以便通过出口216排出。隔离物223位于第一岐管212内以便分离第一岐管212的入口和出口区段。导管218和222可以包括用于运输工作流体的通道(例如，微通道)。上文描述的二段工作流体流动配置仅是许多可能的设计布置中的一者。可以通过将隔离物223、入口214和出口216放置在第一岐管212和第二岐管220内的特定位置处而获得单个和其他多段流体流配置。

翅片224在导管218与导管222之间延伸，如图中所示。翅片224支撑导管218和导管222，且在导管218与导管222之间建立开放流通道(例如，用于气流)，以便提供额外的热传递表面并且增强热传递特性。翅片224还向热交换器结构提供支撑。翅片224在钎焊接头226处结合到导管218和222。翅片224不限于图2中示出的三角形横截面，因为还可以使用其他翅片配置(例如，矩形、梯形、椭圆形、正弦形)。翅片224可以具有散热孔或纹理以便提高热传递。

热交换器表面可以由各种材料形成，包括(但不限于)金属合金，例如铝或铜合金。举例来说，制冷剂导管可以由基于铝合金的核心材料制成，并且在一些实施例中，可以由选自1000系列、3000系列、5000系列或6000系列铝合金的铝合金制成。翅片可以由铝合金基片材料制成，例如选自1000系列、3000系列、6000系列、7000系列或8000系列的铝合金的材料。本文中所描述的实施例利用铝合金来用于具有铝合金导管的导管-翅片热交换器的翅片，即，所谓的“全铝”热交换器。在一些实施例中，制冷剂流过的组件(例如，导管和/或岐管)可以由在电化学方面比制冷剂不流过的连接组件(例如，翅片)更加阴极的合金制成。这确保任何电偶腐蚀将出现在非流过组件中，而不出现在流过组件中，以便避免制冷剂泄漏。

当然，上文描述的RTPF和微通道热交换器在本质上是示例性的，且描述被配置成用于使热传递流体流过导管或通道的一种类型的热交换器。也可以使用其他类型的热交换器，例如附接到电子组件的被动式热交换器，其向邻近于所述组件的周围空气辐射热。在图3中示出结构热交换器部件的一部分30的横截面视图。如图3中所示，结构热交换器部件310具有安置在上面的表面涂层320。表面涂层320包括填充物颗粒，其可以在聚合物树脂基质或粘结剂中在至少一个尺寸上是纳米级的，从而产生聚合物纳米复合物。

用于基质的聚合物树脂可以选自若干已知的聚合物树脂中的任一者，包括(但不限于)聚氨酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚酰胺(例如，尼龙)、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚(对亚苯基)、聚苯醚、聚乙烯(包括交联聚乙烯，即，PEX)、聚丙烯、聚四氟乙烯，以及以上各者中的任一者的混合物和共聚物。在一些实施例中，聚合物树脂包括分子结构中的π轨道电子，其在与官能化的填充物颗粒组合使用时可以提高热导率。此类π轨道电子可以由分子主链中的芳基(例如，苯基或亚苯基)提供，或者作为附接到聚合物主链的功能基。具有π轨道电子的聚合物的实例包括(但不限于)聚苯硫醚、聚芳醚酮(例如，聚醚醚酮，即，PEEK)、聚(对亚苯基)，和聚苯醚。

可以使用多种不同类型的填充物颗粒，包括(但不限于)陶瓷、玻璃、金属间化合物、碳、有机物、混合物(例如，混合塑料，例如多面体低聚倍半硅氧烷(POSS))、前述各者的官能化衍生物，以及包括前述各者中的任一者的混合物。填充物的特定实例包括：碳纳米管或纳米片、石墨烯、巴基球、纳米纤维、氮化硼纳米管或纳米片、云母、粘土、长石、石英、石英岩、珍珠岩、硅藻岩、硅酸铝(富铝红柱石)、合成硅酸钙、熔融石英、锻制氧化铝、硅酸硼、硫酸钙、碳酸钙(例如，白垩岩、石灰石、大理石和合成的沉淀碳酸钙)、滑石(包括纤维状、模块状、针形和层状滑石)、钙硅石、铝硅酸盐、高岭土、碳化硅、矾土、碳化硼、铁、镍、铜、连续和切碎的碳纤维或玻璃纤维、硫化钼、硫化锌、钛酸钡、铁酸钡、硫酸钡、重晶石、TiO₂、氧化铝、氧化镁、铝、青铜、锌、二硼化铝、钢、有机填充物(例如，聚酰亚胺、聚苯并噁唑)、聚(苯硫醚)、聚芳酰胺、聚芳酰亚胺、聚醚酰亚胺和聚四氟乙烯)。在一些实施例中，例如在其中分子结构聚合物树脂包括π电子的实施例中，可以使用基团将填充物颗粒官能化，所述基团包括(但不限于)羧酸基团、氢氧化物基团、氧化物基团和胺基团，其将优先与聚合物树脂相互作用以便减小颗粒与聚合物树脂基质之间的界面热阻。

如上文提及，填充物颗粒在至少一个方向上是纳米级的。填充物颗粒可以具有各种配置、习性或形态，包括球体或椭球体形状、纤维形状、棒条形状、细管形状、小片形状、长圆形状和不规则形状，且纳米级尺寸可以是直径、长度、宽度或厚度等，其取决于颗粒的配置、习性或形态。如本文所使用，术语“纳米级”意味着颗粒具有小于1000nm、更具体来说小于500nm、更具体来说小于100nm、更具体来说小于50nm且更具体来说小于10nm的至少一个尺寸(即，在颗粒的相对侧面上的表面之间的直线距离)。在一些实施例中，填充物颗粒可以具有1nm、更具体来说5nm的最小大小。聚合物树脂基质和填充物颗粒的相对的量可以取决于涂层的目标性能特性而变化。填充物的示例性量被表达为基于总涂层体积的填充物颗粒体积百分比。所述范围的示例性下端可以是0.5体积％，更具体来说1体积％。所述范围的示例性上端可以是40体积％，更具体来说20体积％，更具体来说10体积％。

已经发现，在纳米级水平下，聚合物树脂基质的填充物颗粒与环绕颗粒之间的界面热阻可以对涂层的整体热导率具有意外显著的效果，甚至对于具有高热导率的颗粒也如此。在一些实施例中，聚合物树脂基质的个别填充物颗粒与环绕颗粒之间的界面热阻小于或等于7×10^-7m²-K/W。在一些实施例中，聚合物树脂基质的个别填充物颗粒与环绕颗粒之间的界面热阻小于或等于7×10^-8m²-K/W。在一些实施例中，聚合物树脂基质的个别填充物颗粒与环绕颗粒之间的界面热阻小于或等于7×10^-9m²-K/W。纳米级颗粒的热导率自身也是相关的，且在一些实施例中，纳米级颗粒的热导率是至少30W/m-K。在一些实施例中，纳米级颗粒的热导率是至少300W/m-K。在一些实施例中，纳米级颗粒的热导率是至少3000W/m-K。

颗粒间距离和定向也可能对涂层的整体热导率具有影响。在图4中针对分散在聚合物基质420中的呈棒条/细管/纤维410的形式的纳米级颗粒说明这些现象。较低的颗粒间距离D_P-P倾向于提供增加的整体热导率，和颗粒纵向在热流方向上的对准。可以通过φ_p，p表征被配置成棒条、细管、纤维或小片的颗粒的对准，其中值0表示颗粒的随机对准，值1表示颗粒在热流方向上的完全对准，且值-1/2表示垂直于热流方向的颗粒的完全对准。在示例性实施例中，φ_p，p在具有大于0、更具体来说大于或等于0.1且更具体来说大于或等于0.2的较低水平的范围内。φ_p，p的所述范围的上端可以小于或等于1.0，更具体来说小于或等于0.7，且更具体来说小于或等于0.5。颗粒间距离大体上随涂层中的颗粒的颗粒定向和负载水平而变。可以通过涂覆技术(例如，雾化喷涂、滴涂、静电涂覆等)或通过在热交换器表面上以垂直森林配置(这在本领域中已知)生长纳米管且使用聚合物树脂进行顶部涂覆来控制或影响颗粒的定向。用于涂层中的颗粒对准的其他方法可以是经由向未干或另外未固化的树脂在外部施加场(电场、磁场等)。可以通过连续或脉冲方式施加此类场以便向涂层赋予特定性质。另外，可以经由具有预对准的颗粒的传递膜或纸将对准的填充物植入到树脂中，所述预对准的颗粒可以经由热压印或其他传递技术而传递到所述树脂。

纳米级颗粒填充物还可以向涂层提供表面粗糙度，其可以抵制在带涂层的热交换器表面上形成霜冻。在一些实施例中，所述涂层具有分层表面粗糙度，其中微米尺度粗糙度特征上的纳米尺度粗糙度会向所述表面赋予疏水或超级疏水性质，并且推迟霜冻在所述表面上的形成。在一个非限制性实例中，微米尺度粗糙度可以具有从大约5微米到大约100微米的范围内的Ra值，且纳米尺度粗糙度可以具有从大约250纳米到大约750纳米的范围内的Ra值。

上文描述的热交换器实施例可以用于各种类型的热传递系统中，例如具有热传递流体循环环路的热传递系统。在图5中以框图形式示出具有热传递流体循环环路的示例性热传递系统500。如图5中所示，压缩机510给呈其气态的热传递流体加压，这对流体进行加热，并且提供压力以便使热传递流体在整个系统中循环。从压缩机510退出的热的经加压的气态热传递流体流过管道515到达冷凝器热交换器520，所述冷凝器热交换器充当用于将热从热传递流体传递到周围环境的热交换器，从而将热的气态热传递流体冷凝为经加压的中等温度液体。从冷凝器520退出的液态热传递流体流过管道525到达膨胀阀530，在那里压力会减小。退出膨胀阀530的压力减小的液态热传递流体流过管道535到达蒸发器热交换器540，所述蒸发器热交换器充当用于从周围环境吸收热并且煮沸热传递流体的热交换器。退出蒸发器540的气态热传递流体流过管道545到达压缩机510，因此完成热传递流体环路。所述热传递系统具有将热从环绕蒸发器540的环境传递到环绕冷凝器520的环境的效果。热传递流体的热力学性质允许其在被压缩时达到足够高的温度，使得其大于环绕冷凝器520的环境，从而允许将热传递到周围环境。热传递流体的热力学性质还必须具有在其膨胀后压力下的沸点，其允许环绕蒸发器540的环境在蒸发液态热传递流体的温度下提供热。

图5中示出的热传递系统可以用作空气调节系统，其中冷凝器热交换器520的外部与环绕外部环境中的空气接触，且蒸发器热交换器540与将被调节的内部环境中的空气接触。另外，如在本领域中已知，还可以使用标准多端口开关阀在热泵模式中操作所述系统，以便颠倒热传递流体流动方向以及冷凝器和蒸发器热交换器的功能，即，处于冷却模式的冷凝器是处于热泵模式的蒸发器，且处于冷却模式的蒸发器是处于热泵模式的冷凝器。另外，虽然图5中示出的热传递系统具有蒸发和冷凝阶段来用于高度高效的热传递，但还预期其他类型的热传递流体环路，例如不涉及相变的流体环路，其例如为多环路系统，所述多环路系统例如为商用冷藏或空气调节系统，其中非相变环路将与图5一样的蒸发/冷凝环路中的热交换器中的一者热连接到周围外部环境或将被调节的内部环境。不管热传递流体循环环路的特定配置如何，如本文中所描述的带涂层的热交换器可以安置在潜在腐蚀性环境中，例如海洋、海岸或工业环境。

在以下实例中进一步描述本发明。

实例

使用有效媒介方法使界面热阻与整体热导率相关来确定聚合物纳米复合物的热导率。通过将具有被基质颗粒环绕的单个碳纳米管填充物颗粒(20,000nm×1nm的标称颗粒大小)的周期性单元模型化而使用分子动力学确定界面热阻。对填充物颗粒进行加热，且在系统平衡时监视基质与填充物之间的温度差。此温度差用于确定界面阻力，在有效媒介近似中使用所述界面阻力来计算整体热导率。在图6中示出纳米级颗粒材料的热导率和颗粒与环绕聚合物树脂基质之间的界面热阻的不同组合的这些结果。如图6中所示，界面阻力在确定复合物的热导率中起关键作用。在填充物颗粒与基质之间的界面阻力较高时，高度热传导填充物颗粒对于提高热导率不太有效。

图7描绘填充物颗粒与聚合物树脂基质之间的相互作用的效果的结果。如图7中所示，具有载运π电子的亚苯基的含有亚苯基的聚合物树脂(例如，聚苯硫醚树脂)与碳纳米管颗粒(20,000nm×1nm的标称颗粒大小)的组合比与聚丙烯(其不具有亚苯基或π电子)的组合提供更高的整体热导率。COOH官能化的碳纳米管与聚苯硫醚聚合物树脂基质的组合在所有负载水平下提供更高的整体热导率。

图8描绘聚苯硫醚聚合物(热导率2W/m-K)基质中的碳纳米管(20,000nm×1nm的标称颗粒大小，热导率300W/m-K)颗粒定向的效果的结果。通过实线表示CNT的随机定向，通过虚线表示平行于热流方向的CNT的定向，且通过点线表示垂直于热流方向的CNT的定向。如图8中所示，CNT在热流测量方向上的纵向对准显著地提高热导率。

虽然已经结合有限数目的实施例详细描述了本发明，但应该容易理解，本发明不限于这些公开的实施例。而是，可以修改本发明以便并入迄今为止未描述的任何数目的变化、更改、替代或等效布置，但是其与本发明的精神和范围相称。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但将理解，本发明的各方面可以包括所描述的实施例中的仅一些实施例。因此，将不把本发明看作为受到前述描述限制，而是仅受到所附权利要求书的范围限制。