专利名称：热交换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将热量从高温流体转移到低温流体的热交换器，特别涉及一种比较经济、可靠性与安全性较高的热交换器。
被温差发电，或蒸汽动力、化学、食品工业等的设备，以及冷冻机与热泵用作加热、冷却器或蒸发器、冷凝器的热交换器，一般都是在高温流体与低温流体之间进行热传递，目的是使流体加热、沸腾、蒸发、冷却与凝聚。
现有的蒸发器有多管式、平板式、螺旋式等种类，例如在温差发电设备，或冷冻机与热泵中，用高温流体的热使低温工作流体沸腾、蒸发的蒸发器，以及用低温流体吸收热量使高温工作流体凝聚的冷凝器，一般采用平板式热交换器。图6与图7所示的是用作蒸发器与冷凝器的现有的平板式热交换器的一个实例。该图6是现有的热交换器的主要部分的分解立体图，图7是现有的热交换器的组装状态的概略说明图。
上述各图中现有的平板式热交换器100，有许多两个一组的热交换板101、102，在相互层叠的状态下，装在架设在固定框架103与支承杆104之间的上下两根导向杆105、106上，各热交换板101、102被装在导向杆105、106上的活动框架107与固定框架103所夹持，各热交换板101、102的表里两侧形成两个一组的热交换流路A、B。这是一个高温或低温热交换用流体108在一个热交换流路A中流动，工作流体109在另一个热交换流路B中流动，进行热交换的组合。
上述热交换板101、102是大致为板状的材料，按一定的形状与表面状态进行冲压加工形成的，四角开口形成热交换用流体108或工作流体109的流通通道a、b、c、d，同时在一个表面设有避免热交换用流体108与工作流体109混流的分隔衬垫111、112，正反倒置后相互之间是一样的。
由于现有的热交换器采用上述结构，从图7中的左右方向供给热交换板101、102的热交换用流体108或工作流体109，要在上下方向从各热交换板101、102之间通过，就必须在热交换板101、102复杂的通道a、b、c、d中弯弯曲曲地流过，压力损失很大。因此，必须加大各流体的供给压力，但是热交换板101、102表面的衬垫111、112只有压紧热交换板101、102时才能保证各热交换流路的液密，为了防止因衬垫111、112未充分压紧而造成泄漏，热交换用流体108或工作流体109的压力不能高于一定限度，另外还存在着必须对热交换板101、102的数目以及尺寸大小进行限制的问题。另外，由于使用了衬垫111、112，在用氨或氨、水混合物作为工作流体时，安全性也有问题。
为了解决这些问题，阿尔法·拉瓦勒公司曾经发明过不用衬垫，将冲压成一定形状的各热交换板焊接在一起，在各热交换板表里两面侧形成热交换流路，制成一体化的、不要夹持热交换板的活动框架与固定框架的平板式热交换器，并将其付诸实施，但是热交换板之间的焊接需要特殊的工艺，制造困难，且成本昂贵。
上述现有的热交换器，在为了提高传热效果，让冷凝生成的液体尽快地排出而形成凹凸面的情况下，压力损失将进一步增加，由于热交换板101、102冲压精度的关系，热交换板101、102接触在本来不该接触的部位，热交换板101、102的加压状态一变化，就可能妨碍衬垫111、112贴紧。
此外，由于通道a、b、c、d在热交换板101、102中所占的比例较大，这些部分是用深冲等加工方法除去的，因此热交换板101、102的原料板含不需要的部分，特别是在用于海水温差发电的情况下，从耐腐蚀的观点考虑，原材料要用昂贵的钛或特种合金，从材料成本的角度看，浪费太大。为了解决这个问题，日本专利公开第80082/85号专利公报公开了现有的另一种平板式热交换器，这种平板式热交换器，将热交换板开口形成的通道部分减少到上下两个，这样就减少了材料的浪费，同时使得传热面积在热交换板上所占的比例大幅度增加。但是，由于依然存在着通道部分，所以还是有一部分材料要浪费，热交换板的通道部分不能进行热交换，热交换板必须比必须的传热面积大。
本发明是为了解决上述问题而开发完成的，其目的是提供一种改变传热面的支承结构，不需要衬垫，不受使用衬垫带来的限制，同时使传热部分形状单一，可降低成本，并提高可靠性、安全性的热交换器。
本发明的热交换器是一种在高温流体与低温流体之间进行热交换的热交换器，其特征是具有内部至少被两个以上大致平行的分隔壁在一定方向分隔为至少三个以上部分的、大致呈箱形的机壳，以及由多个有大致平行、且相隔一定间隔相对向的两面、两端为开放状态的大致呈筒形的筒体构成的传热筒部，上述传热筒部的结构是在上述机壳的分隔部分中两边分别存在其它部分的中间部分、设置有多个上述大致呈筒形的筒体的筒轴方向与上述一定方向一致、且面与面大致平行相对向排列的上述大致呈筒形的筒体，大致呈筒形的筒体的两端部分别贯穿面对着上述中间部分的两个分隔壁，两端开口部分别位于与中间部分相邻的两个部分内，大致呈筒形的筒体内部与中间部分处于非连通状态，高温流体或低温流体按一定的压力供给与上述机壳的中间部分相邻的两个部分中的任何一个，通过上述多个传热筒部，从与上述中间部分相邻的另一个部分取出，同时从上述机壳的一个侧面向中间部分供给高温流体或低温流体，使该高温流体或低温流体沿与上述传热筒部的筒轴方向大致垂直的方向，在各传热筒部之间流动，以各传热筒部作为传热面进行热交换。
这样，在本发明中，在大致呈箱形的机壳内，设置着作为热交换用的传热面的大致呈筒形的筒体构成的传热筒部，高温流体或低温流体从该传热筒部的内部通过，同时，在传热筒部的周围，高温流体与低温流体在垂直相交的方向流动，不需要确保传热面之间间隙的衬垫，放宽了对液体所受压力的限制，可使用高温、高压的流体，而且可以设置更多的传热面，传热面的尺寸可以做得更大，从而提高热交换效率，不会发生衬垫部分泄漏等情况，能大幅度地提高可靠性。传热筒部的两端部成为传热筒部内部的入口与出口，在传热筒部的中间部没有形成开口部，传热筒部的原料板材不会造成浪费，不仅比较经济，而且流体的流线也更加简单，可以减少压力损失。
本发明的热交换器，如有必要，可以在上述传热筒部的各个面上形成凹凸花纹。这样，在本发明中，通过在上述传热筒部上形成一定的凹凸花纹，可以确保扩大传热面积，同时在用作蒸发器或冷凝器时，可以使蒸发或冷凝更加高效率地进行。
本发明的热交换器，如有必要，可以将上述传热筒部的内侧表面做成多孔质。这样，在本发明中，传热筒部的内侧表面成多孔质化，在作为蒸发器使用时，与传热筒部内侧面接触、加热的液体的气泡发生核有所增加，同时长到一定大小的气泡发生核也容易从传热筒部的内侧面脱离，因此，促进气泡的产生，使蒸发更加高效率地进行，提高热交换的效率。另外，在作为冷凝器使用时，由于多孔质化的缘故，热交换面积可以得到扩大，可提高冷凝效率。
下面，参照附图对本发明的热交换器进行说明。
图1是本发明的一种实施方式的热交换器设置状态的侧视图。
图2是本发明的一种实施方式的热交换器的纵截面图。
图3是本发明的一种实施方式的热交换器的主要部分切口立体图。
图4是本发明的另一种实施方式的热交换器的设置状态的侧视图。
图5是本发明的又一种实施方式的热交换器的设置状态的侧视图。
图6是现有的热交换器的分解立体图。
图7是现有的热交换器组装状态的概略说明图。
如上述图1～图3所示，本实施方式的热交换器1具有内部被两个平行的分隔壁2a、2b在上下方向分隔为三个部分的、大致呈箱形的机壳2，以及由多个有平行、且相隔一定间隔相对向的两面、两端为开放状态的大致呈筒形的筒体构成的传热筒部3，上述传热筒部的结构是在上述机壳2被分隔出的三个部分中的中间部分4、设置有上下方向与上述大致呈筒形的筒体的筒轴方向一致、且面与面大致平行相对向排列的上述大致呈筒形的筒体，大致呈筒形的筒体的两端部分别贯穿两个分隔壁2a、2b，两端开口部分别位于中间部分4上下的上侧部分5与下侧部分6内，内部与中间部分4处于非连通状态。
上述的机壳2由金属制的矩形箱形体形成，分隔壁2a与分隔壁2b分别设置在离该箱形体上部一定距离的位置与离其下部一定距离的位置，内部被分隔成上侧部分5、中间部分4与下侧部分6三个部分，在箱形体的上部，形成有向上侧部分5供给或排出一定压力的工作流体的上部流通口5a，在下部，形成有从下侧部分6排出或供给工作流体的下部流通口6a。在向着中间部分4的机壳2的一侧面，设置有供给热交换用流体用的供给口4a，在与上述向着中间部分4的一侧面相对向的另一个侧面的一定位置，设置有取出热交换用流体用的排出口4b。
上述传热筒部3是具有长宽比很大的矩形开口截面的金属制筒形体，在两端部分别贯穿分隔壁2a、2b的状态下，在中间部分设置着许多个、两端部无间隙地紧密固定在包围着贯通部分周围的分隔壁2a、2b上。通过传热筒部3与分隔壁2a、2b的紧密连接，上侧部分5与下侧部分6以及中间部分4处于相互不连通的状态。在该传热筒部3上，形成有一定花纹的凹凸，目的是增加传热面积与提高强度。
下面，对具有上述结构的热交换器用作冷凝器时的热交换动作进行说明。
在用作冷凝器时，气相的工作流体按一定的压力，通过上部流通口5a供给上述机壳2的上侧部分5，向下送入多个传热筒部3。低温流体从上述机壳2的一侧面的供给口4a连续地供给中间部分4，并从另一个侧面的排出口4b回收，这样，该低温流体在传热筒部3之间，向与传热筒部3内部的流体流垂直对流的方向流动，以各个传热筒部3为传热面进行热交换。在传热筒部3内部，工作流体与传热筒部3的内侧面接触，通过传热筒部3向外侧的低温流体放出热量，在传热筒部3的内侧面冷凝成为液相。变成液体的工作流体在传热筒部3的内侧面上迅速地流向下方，从传热筒部3流到下侧部分6，从下部流通口6a取出，这样，本实施方式的热交换器，由于在机壳2内设置了构成热交换用的传热面的筒形体传热筒部3，在工作流体在该传热筒部3内部流动的同时，低温流体或高温流体在传热筒部3周围的中间部分4中流动，通过传热筒部3进行热交换，因此，可以确保与现有的平板式热交换器同样的传热面积，不需要确保传热面间间隙的衬垫，放宽了对液体所受压力的限制，可使用高温、高压(例如高至200大气压左右)的流体，而且与现有的情况相比，可以并列设置更多的传热面，传热面的尺寸可以做得更大，从而提高热交换效率，不会发生衬垫部分泄漏等情况，能大幅度地提高可靠性。传热筒部3的两端部成为传热筒部3内部的入口与出口，传热筒部3可以采用单纯的筒形，传热筒部3的原料板材不会造成浪费，不仅可以降低生产成本，而且流体的流线也更加简单，可以减少压力损失。
在上述实施方式的热交换器中，传热筒部3是由一枚金属板连接起来形成的单个开口截面形状为矩形的筒形体，但是也可以将两枚板材相隔一定间隔，中间留出空间，连接成一体，构成开口截面形状为矩形的大致形状为筒形的筒形体。保持多个传热筒部3平行的办法是靠分隔壁2a、2b的支承，也可以将各传热筒部3相隔一定间隔，中间留出空间，在并列状态下贴合或焊接成为一体，适当地设定传热筒部3的平行面之间的间隔与传热筒部3之间的间隔，可以与现有的平板式热交换器一样确保单位体积的传热面积。
此外，在上述实施方式的热交换器中，在传热筒部3上形成有凹凸花纹，另外还可以在传热筒部3的内侧表面形成有不会泄漏的多孔质层，在作为蒸发器使用时，在传热筒部内侧面，液相的工作流体的气泡发生核有所增加，同时长到一定大小的气泡发生核也容易从传热筒部的内侧面脱离，因此，促进气泡的产生，使蒸发更加高效率地进行，提高热交换的效率。
还有，在上述实施方式的热交换器中，传热筒部3只是在开口截面形状为矩形的机壳2内以并列状态设置一排，但是传热筒部3可以在热交换流体前进方向以纵向或人字形设置，在机壳2内设置许多列，这样由于通过机壳2内的热交换用流体可以与传热筒部3的侧面更好地接触，所以能与工作流体之间切实地进行热交换，可提高效率。
此外，在上述实施方式的热交换器中，供给热交换用流体的供给口4a设置在向着中间部分4的一侧面，取出热交换用流体的排出口4设置在与该一侧面相对向的另一个侧面的一定位置，但是不限于此，只要能使流体从供给口4a流向排出口4b的方向与传热筒部3的筒轴方向垂直，供给口4a与排出口4b设置在机壳2的任何一个侧面都可以，例如，供给口4a与排出口4b可以分别设置在同一侧面面向中间部分4的下部位置与上部位置。
还有，在上述实施方式的热交换器中，机壳2侧面的供给口4a与各传热筒部3之间没有障碍物，从供给口4a进入中间部分4的热交换用流体直接到达各传热筒部3之间，但是，也可以如图4所示，在供给口4a与传热筒部3之间的中间部分4的一定位置，设置将从供给口4a来的热交换用流体进行适当的上下方向分流的导向板7，这样可以将热交换用流体在上下方向无偏倚地、均匀地送到中间部分4的各传热筒部3之间。
此外，在上述实施方式的热交换器中，在机壳2上，分别设置了一个上部流通口5a、下部流通口6a、供给口4a、以及排出口4b，但是不限于此，可以如图5所示，每种都设置若干个，这样可以将工作流体或热交换用流体更加无偏倚地、均匀地送到各传热筒部3内，或者中间部分4的各传热筒部3之间。
还有，在上述实施方式的热交换器中，在作为蒸发器使用时，可以在将液相的工作流体供给下侧部分6的下部流通口6a的上游侧，设置用超声波使工作流体振动的超声波振荡器，超声波使工作流体产生细微气泡，在含气泡的工作流体到达传热筒部3内时，气泡沿传热筒部3的里面上升，对传热筒部3里面附近的液相工作流体进行搅拌，促进工作流体与传热筒部3的里面的接触，提高热转移率，从而提高蒸发效率。
如上所述，根据本发明，在大致呈箱形的机壳内，设置着作为热交换用的传热面的大致呈筒形的筒体构成的传热筒部，高温流体或低温流体从该传热筒部的内部通过，同时，在传热筒部的周围，高温流体与低温流体在垂直相交的方向流动，不需要确保传热面之间间隙的衬垫，放宽了对液体所受压力的限制，可使用高温、高压的流体，而且可以设置更多的传热面，传热面的尺寸可以做得更大，从而提高热交换效率，不会发生衬垫部分泄漏等情况，能大幅度地提高可靠性。传热筒部的两端部成为传热筒部内部的入口与出口，在传热筒部的中间部没有形成开口部，传热筒部的原料板材不会造成浪费，不仅比较经济，而且流体的流线也更加简单，可以减少压力损失。
此外，根据本发明，在传热筒部上，形成有一定花纹的凹凸，这样可确保扩大传热面积，在作为蒸发器或冷凝器使用时，可以更加高效率地进行蒸发或冷凝。
还有，根据本发明，传热筒部的内侧表面成多孔质化，在作为蒸发器使用时，与传热筒部内侧面接触、加热的液体的气泡发生核有所增加，同时长到一定大小的气泡发生核也容易从传热筒部的内侧面脱离，因此，促进气泡的产生，使蒸发更加高效率地进行，提高热交换的效率。另外，在作为冷凝器使用时，由于多孔质化的缘故，热交换面积可以得到扩大，可提高冷凝效率。
权利要求
1.一种在高温流体与低温流体之间进行热交换的热交换器，其特征是，具有内部至少被两个以上大致平行的分隔壁在一定方向分隔为至少三个以上部分的、大致呈箱形的机壳，以及由多个有大致平行、且相隔一定间隔相对向的两面、两端为开放状态的大致呈筒形的筒体构成的传热筒部，上述传热筒部的结构是在上述机壳的分隔部分中两边分别存在其它部分的中间部分、设置有多个上述大致呈筒形的筒体的筒轴方向与上述一定方向一致、且面与面大致平行相对向排列的上述大致呈筒形的筒体，大致呈筒形的筒体的两端部分别贯穿面对着上述中间部分的两个分隔壁，两端开口部分别位于与中间部分相邻的两个部分内，大致呈筒形的筒体内部与中间部分处于非连通状态，高温流体或低温流体按一定的压力供给与上述机壳的中间部分相邻的两个部分中的任何一个，通过上述多个传热筒部，从与上述中间部分相邻的另一个部分取出，同时从上述机壳的一个侧面向中间部分供给高温流体或低温流体，使该高温流体或低温流体沿与上述传热筒部的筒轴方向大致垂直的方向，在各传热筒部之间流动，以各传热筒部作为传热面进行热交换。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征是，上述传热筒部的各个面上形成凹凸花纹。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征是，上述传热筒部的内侧表面多孔质化。
全文摘要
本发明涉及一种在高温流体与低温流体之间进行热交换的热交换器,其具有内部至少被两个以上大致平行的分隔壁在一定方向分隔为至少三个以上部分的、大致呈箱形的机壳,及由多个有大致平行、且相隔一定间隔相对向的两面、两端为开放状态的筒体构成的传热筒部,筒体的两端部分别贯穿面对中间部分的两个分隔壁,两端开口部分别位于与中间部分相邻的两个部分内,筒体内部与中间部分处于非连通状态。
文档编号F28D7/16GK1271842SQ0010620
公开日2000年11月1日 申请日期2000年4月25日 优先权日1999年4月28日
发明者上原春男 申请人:上原春男