包括带有支撑件的连接器的热交换器的制作方法

本发明涉及单组件毫米级结构交换器，也就是说没有组装接口的交换器。

更确切地，本发明涉及在工业过程中使用的毫米级结构交换器，这些工业过程要求这些装置在以下情况下运行：(i)高温/高压对、(ii)以最小压降、以及(iii)允许例如使用紧凑的板式交换器对在氧燃烧方法的情况下使用的氧进行预加热来增强工艺。

毫米级结构交换器是包括例如“级”、“壁”、“分配区域”以及“收集区域”等元件的交换器。毫米级结构交换器的通道还可以填充有例如泡沫等固体形状，以便改善热量交换。这些装置的热整合可以是大范围优化的主题，使得凭借流体在多个级上的空间分布并且使用多个分配器和收集器来优化处于不同温度的在该装置中流动的流体之间的热量交换。例如，提出的用于在玻璃炉中对氧进行预加热的毫米级结构交换器是由布置在不同级上的多个毫米级通路构成、并且由互连的通道形成。可以通过一个或多个分配器为通道供应热流体(也就是说，温度在500℃与950℃之间)。经冷却和加热的流体通过一个或多个收集器被输送到装置外。

本发明涉及的交换器是由多个不同部分(其在图1或图2中示出)构成的单组件单元。“单组件交换器”应理解为没有组装接口的交换器。交换器的入口1和出口2分别连接到入口连接器11和出口连接器12，该入口连接器和该出口连接器本身分别直接连接到分配区域3和收集区域5，该收集区域向交换区域4进行供应。交换区域4由通道构成，热流体通道与冷流体通道之间存在区别。

入口连接器11和出口连接器12可以被定义为至少50％空、优选至少70％空的容积，并且该入口连接器和出口连接器相应地使入口和分配区域相连接并且使收集区域和出口相连接。

“分配区域”应理解为被布置以便对进入或离开交换区域的通道的流量进行最佳分配的容积。

为了允许单级制造如上所述的交换器，入口连接器和出口连接器必须与分配区域和交换区域同时通过增材法制造。

然而，在不限制连接器的定位或尺寸可能性的情况下，目前没有允许连接器与交换区域和分配区域同时制造的解决方案。

因此，需要提供一种改进的交换器和/或改进的方法，利用该方法可以使连接器与交换区域和分配区域同时制造。

这点尤其重要，因为这种设备可以是多流体的(多于2种交换热量的流体)并且因此需要将相同数量的入口连接器/出口连接器布置在交换器的不同面上。

本发明的一个解决方案是单组件交换器，该单组件交换器允许在第一流体与第二流体之间传递热量并且沿制造方向从下到上包括：

-至少两个分配区域3a和3b；

-至少两个收集区域5a和5b；

-邻接这些分配区域的至少两个入口连接器11a和11b、以及邻接这些收集区域的至少两个出口连接器12；

-位于每个入口连接器上的至少一个入口1；

-位于每个出口连接器上的至少一个出口2；

-交换区域4，该交换区域允许在该第一流体的通道与该第二流体的通道之间传递热量；

其中，每个连接器在其内部上部部分中包括支撑件。

第一流体通常被称为“热”流体并且第二流体通常被称为“冷”流体。

应当注意的是，所讨论的通道是毫米级通道。

视情况而定，根据本发明的交换器可以具有以下特征中的一项或多项：

-所述交换器是多流体交换器并且该交换区域允许在至少第一流体、第二流体以及第三流体的通道之间传递热量。

-所述交换器包括至少三个入口连接器和/或至少三个出口连接器。

-每个分配区域3在其邻接入口连接器11的面上包括布置在若干竖直轴线上的流入口；包括在入口连接器11的内部上部部分中的这些支撑件具有邻接分配区域3的一个面和邻接入口连接器11的内部上面的一个面；并且这些支撑件插入在所述多个不同竖直轴线之间。

-每个收集区域5在其邻接出口连接器12的面上包括布置在若干竖直轴线上的流出口；包括在出口连接器12的内部上部部分中的这些支撑件具有邻接收集区域5的一个面和邻接出口连接器12的内部上面的一个面；并且这些支撑件插入在所述多个不同竖直轴线之间。

-这些支撑件呈圆盘扇形形状，该扇形形状具有在30°与60°之间、优选地在40°与50°之间的角度。

-这些连接器具有内径“d”，并且呈圆盘扇形形状的这些支撑件具有半径“d”，使得

-这些支撑件具有在25％与45％之间的孔隙率、优选地在35％与45％之间的孔隙率。

-这些支撑件具有小于2mm、优选地小于1mm、更优选地小于0.8mm的厚度。

-这些分配区域的流入口和/或这些收集区域的流出口具有在0.3mm与4mm之间、优选地在0.5mm与2mm之间的水力直径。

-所述交换器是通过增材制造来整体制造的。

交换区域的通道分布在几个级。“级”应理解为位于同一级别的一组通道。这些通道被壁分隔开。“壁”应理解为两个连续通道之间的分离隔板。确定通道的数量、这些通道的尺寸和这些通道的布置，以便能够在热传递方面实现预期性能，同时容忍施加的压降。

流经由被称为分配区域的区域在通道中输送。分配区域允许在向其开放的通道之间均匀分配流量。

增材制造工艺可以使用微米级金属粉末，金属粉末被一个或多个激光器熔化，以便制造具有复杂三维形状的成品零件。根据所期望形状的精确度和所期望的沉积速率，逐层构建零件，这些层具有50μm的量级。待熔化的金属可以通过粉末床或通过喷雾嘴提供。用于局部熔化粉末的激光器是yag激光器、光纤激光器或co2激光器，并且粉末在惰性气体(氩气、氦气等)下熔化。本发明不限于单一的增材制造技术，而是适用于所有已知技术。

增材制造技术使得可以最终生产被称为“固体”的零件，并且与诸如扩散钎焊或扩散焊接的构造技术相比，这些零件在每个雕刻板之间没有组装接口。这种性能增加了装置的机械强度，因为装置被构建的方式消除了弱化线，并且因此消除了潜在缺陷的来源。

通过增材制造并且消除扩散钎焊或焊接界面的固体零件的生产，使得可以设想出许多设计可能性，而不限于已经被研究来限制可能的构造缺陷(诸如钎焊接合中或扩散焊接界面中的不连续性)的影响的壁几何结构。

增材制造使得可以生产利用不可被传统制造方法设想的形状，并且因此毫米级结构交换器的连接器的制造可以与装置的主体的制造连续地进行。然后，这使得可以不进行将连接器焊接到主体上的操作，并且因此可以消除设备结构完整性弱化的根源。

连接器的内部上部部分中的支撑件使得能够借助于增材法来制造交换器的连接器，而不受到连接器在交换器的高度上的位置的限制。事实上，图1示出了连接器在交换器的不同位置上的可能性。

支撑件在连接器中必须定位在通过增材法进行的制造将需要支撑的这些点处。例如，如图2所示，在通过增材法竖直构造的交换器的情况下。为了简化，图2仅示出了两个连接器。

连接器的支撑件位于连接器的内部上部部分中。

为了使对制造方法的影响最小，并且不干扰流循环以及这些流在分配区域和收集区域的流入口和流出口处的分配和收集，支撑件被定位在入口与出口之间，这决定了支撑件的厚度(参见图3、图4和图5)。

此外，为了不干扰流循环，支撑件优选地被穿孔并且具有在25％与45％之间的高孔隙率、具有40％的理想值(被计算为支撑件的孔的组合体积与支撑件所占的总体积之比)。

本发明还涉及一种氧燃烧方法，该氧燃烧方法使用如权利要求之一所述的交换器对氧进行预加热。