管状组件及其制造方法与流程

本发明涉及一种具有至少两个分开流路的管状组件及其制造方法。

背景技术：

具有至少两个分开流路的管状组件正用于多种应用，例如作为需要严格分离输送物质的导管或热交换器。

特别是在热交换器领域中，其一般功能在本领域中是众所周知的，通常希望单独的流路具有大的相邻表面积和/或彼此接近(紧邻)，以允许在各自的流路中输送的流体之间进行最佳的热传递。

为此，现有技术建议使用彼此螺旋状或盘旋状接合的的流路，并在它们之间使用焊接或钎焊连接，以提供良好的热传递，并在流路之间实现牢固、耐用和密封的连接。

us2008/0000616a1可以作为这种现有技术的热交换器和相应的制造方法的示例。参考该文件的图3和图4，形成内导管1的管状部分包含螺旋波纹48，该螺旋波纹48与外护套42一起形成第二导管44。为了实现套管与波纹之间的密封连接，两个部分之间的接口包含高导电材料的附加层47，上述附加层47用于建立钎焊连接。

本领域技术人员将理解，将各部件钎焊或焊接或锡焊起来(取决于材料的配对)的要求不仅复杂和费力，而且由于引入的热量也可能损害材料性能。随后可能发生由于材料脆化导致的损坏和/或失效或者由于再结晶等导致的材料强度的不利降低。

技术人员将理解，us2008/0000616a1中所示的内管上的螺旋导管需要在单独的操作中制造。在ep0664862b1中可以找到相应的现有技术方法的示例，该文献公开了其上安装有光滑管的心轴的使用。管上的螺旋波纹借助一对成型轮施加，该对成型轮被压在管的套筒上并被压到心轴上。

知情读者将认识到，期望简化如上文上述的热交换器的制造和/或提供在热传递、强度和耐久性方面具有更好特性的热交换器。本发明的目的是提供管状组件和/或热交换器和/或管状组件和/或热交换器的制造方法，这将克服或改善管状组件和/或热交换器和/或其制造方法中已知的至少一个缺点或者至少提供一个有用的选择。

本发明的其他目的可从以下描述变得显而易见，上述描述仅以示例的方式给出。

在说明书中提到任何现有技术不是且不应被认为是对现有技术形成在任何国家公知常识的一部分的承认或任何形式的暗示。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供一种管状组件，包括

外部管状构件，上述外部管状构件具有至少部分包围外腔的外壁；

内部管状构件，上述内部管状构件具有至少部分包围内腔的内壁，该内部管状构件至少部分地布置在上述外腔内；

其中，外壁和内壁至少分区段地以压缩形状配合进行接合，使得上述外壁至少部分地限定相对于上述内腔的外流路。

优选地，外壁呈现具有第一振幅的第一纵向起伏图案，其中上述外流路形成在外壁和内壁的凸起部分之间。

优选地，第一起伏图案围绕内腔螺旋地延伸。

优选地，内壁呈现具有小于上述第一振幅的第二振幅的第二纵向起伏图案，其中鉴于外壁和内壁之间的压缩形状配合，第一起伏图案和第二起伏图案具有相应的形状配合特性。

优选地，外壁与内壁之间的压缩形状配合在外壁与内壁之间形成压缩密封。

优选地，外流路将外入口流体连接到外出口，而内腔将内入口流体连接到内出口，以形成内流路。

优选地，外壁在外部管状构件的相应的第一外端部和第二外端部处连结到内壁。

优选地，管状组件是热交换器。

优选地，外管和内部管状构件基本上是圆柱形管。

优选地，外壁和内壁由金属材料制成，优选地由不同金属制成。

根据本发明的另一方面，提供

一种制造具有外流路和内流路的管状组件的方法，该内流路与外流路是流体分离的，该方法包括以下步骤

s1：将具有至少部分地限定内流路的内壁的内部管状构件至少部分地布置在具有外壁的外部管状构件内，从而产生预制件；

s2：沿第一起伏图案使外壁变形以在外壁与内壁之间形成压缩形状配合，使得外壁的相应凸起部分至少部分地限定外流路。

优选地，在步骤s1中，选择内部管状构件和外部管状构件的尺寸，使得内壁和外壁以距离d0分开。

优选地，步骤s2包括以下子步骤

s2a：将至少一个成形工具定位成与外壁的外表面接触；；

s2b：在成形工具与预制件之间施加相对运动以沿第一起伏图案使外壁变形的同时，迫使成形工具抵靠在外壁上，上述第一起伏图案具有第一振幅。

优选地，在步骤s2b中，成形工具还根据具有第二振幅的第二起伏图案使内壁变形，其中第一起伏图案和第二起伏图案相似，并且其中第二振幅小于第一振幅。

优选地，第一起伏图案和第二起伏图案沿外壁螺旋地延伸。

优选地，在步骤s2b中，迫使成形工具抵靠在外壁上，使得材料波从外壁形成并移向外部管状构件的纵轴的方向，以形成外壁的凸起部分。

优选地，基本上在不减小外壁的厚度的情况下形成材料波，从而在步骤s2中减小外部管状构件的纵向延伸量。

优选地，在步骤s2中，在纵向方向上支承至少内部管状构件。

优选地，成形工具包括至少一对辊，更优选三个或更多辊。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施方式的管状组件的剖视图，该剖视图是沿管状组件1的纵轴x剖取的。

图2示出了根据本发明的管状组件1的实施方式的部分切开的三维视图。

图3示出了在根据本发明实施方式的制造管状组件的方法过程中组装的管状组件的预制件。

图4示出了在根据本发明实施方式的制造管状组件的方法的过程中执行的步骤。

图5示出了根据本发明的一个实施方式的管状组件的剖视图，该剖视图是沿管状组件1的纵轴x剖取的。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的管状组件1的沿纵轴x剖取的剖视图。在该图中，管状组件1是热交换器，但在其他实施方式中，管状组件可用于在两个单独的流路中传输流体，用于热交换以外的其他目的。管状组件1包括外部管状构件10，上述外部管状构件10具有至少部分包围外腔14的外壁12。

此外，管状组件1包括内部管状构件20，上述内部管状构件20具有至少部分包围内腔24的内壁22。内部管状构件20至少部分地布置在外腔14内，这在图2中可以最好地看出，上述图2包含根据本发明的管状组件1的实施方式的部分切开的三维视图。

在本发明的优选实施方式中，外壁12和内壁22包括或由金属材料、特别是不同(异种)金属制成。对应的实施方式包括管状组件1，其中外壁12包括坚固的材料、如碳钢或不锈钢，或具有增强的耐腐蚀性的材料、如钛或铝，而内壁22包括具有优异热传递性能的材料、如铜、铜/镍合金，或者钛。其他材料配对可以被设想用于特定目的，并且本发明消除了现有技术中针对材料配对的大多数限制，如下所示。

如将理解的，在图1和图2所示的实施方式中，管状构件10、20具有基本上圆形的横截面，并且其整体形状可以称为基本上圆柱形。在其它实施方式中，管状构件10、20可分别呈现其它横截面形状，例如椭圆形或多边形横截面。

再次转到图1，外壁12和内壁22至少在区段s1中处于压缩形状配合。在一些实施方式中，压缩形状配合在外壁12与内壁22之间形成压缩密封，从而将外腔14细分为流体连接的并由此形成外流路30的各部分。在其他实施方式中，压缩形状配合可能不会形成压缩密封，而可以只是足够紧密的，以引导沿外流路30在外壁12与内壁22之间传输的流体的主要部分。

根据本发明，在外壁12与内壁22之间不需要焊接或钎焊来限定外流路30。如技术人员所理解的，这是非常期望的，因为它消除了管状组件在材料配对方面的设计限制。在现有技术中，包含例如不锈钢、镍、铜、钛、铝和/或其某些合金的某些材料对(材料副)可能有利于热传递和坚固性或耐腐蚀性，但结果却是很难焊接或根本不可焊接。本发明克服了这一缺点，因为在不需要任何附加的连结和/或密封过程的情况下，外壁12与内壁22之间的压缩形状配合形成了外流路30。

为了实现压缩形状配合，在所示的实施方式中，外壁12呈现出第一纵向起伏(波动)图案，在该第一纵向起伏图案中，在波长w1处以第一振幅a1形成材料的凸起部分36。内壁22包括第二纵向起伏(波动)图案，在该第二纵向起伏图案中，凸起部分38形成有小于第一振幅a1的第二振幅a2。作为压缩形状配合的一个特性，第一起伏图案和第二起伏图案具有相同的波长w1，但是外壁12和内壁22可以除了这一点或者替代于这一点而具有其它相应的形状配合特征。例如，如果第一起伏图案和第二起伏图案包括平行于管状组件1的纵轴x延伸的平行起伏(部)，则第一起伏图案和第二起伏图案的对应形状匹配特性将是沿外壁12和内壁22的周界的平行起伏(部)之间的对应距离。

压缩形状配合可以由外壁12和内壁22的同时变形来实现，如将在下面进一步更详细地描述的。

选择相应的形状配合特性，使得外流路30分别形成在外壁12和内壁22之间的凸起部分36、38之间。在图1和图2所示的实施方式中，第一起伏图案和第二起伏图案的槽部形成以压缩形状配合接合的区段s1。同时，第一起伏图案和第二起伏图案的峰部形成流路30的开口部。因此，如技术人员所理解的，外流路30的高度分别对应于主体部36、38的第一振幅a1和第二振幅a2之差。

技术人员将清楚地看到，第一振幅a1与第二振幅a2之间的差可以根据考虑到外流路30的横截面和/或考虑到外壁12与内壁22之间所需压缩的要求来选择。

在图1和图2所示的实施方式中，第一起伏图案和第二起伏图案是螺旋状起伏(波动)图案，使得流路30沿内腔24和围绕内腔24螺旋地延伸。

尽管图1中所示的起伏图案被示为具有某种角度的形状，但其他实施方式中的起伏图案具有更弯曲的形状，如图5中所示。在图1和图5中，相似的附图标记用于表示相似的特征。

在图1、图2和图5所示的热交换器应用中，外流路30将外入口16与外出口18流体地连接，其中第一流体沿外流路30传输，如图1中箭头f1、f2所示。类似地，内腔24将内入口26流体地连接到内出口28以形成内流路40，流体的流动由箭头f3、f4表示。

为了在热交换器应用中实现流体密封，外壁12可在外部管状构件10的相应第一外端部15和第二外端部17连结到内壁22。合适的连结工艺包括焊接、铜焊、锡焊、胶粘、压接，仅举几个例子。

在下文中，将鉴于制造具有外流路30和与外流路30流体地分离的内流路40的管状组件1的相应方法，来更详细地描述在图1、图2和图5中描述的管状组件1。在此上下文中，相似的附图标记用于表示相似的特征。

在图3示意性地示出的第一步骤s1中，本发明方法包括将内部管状构件20至少部分地布置在外部管状构件10内，从而形成预制件50。内部管状构件20的内壁22包括在随后的步骤中至少部分地形成内流路40的体积。

在这个阶段，所示实施方式的外部管状构件10是具有外半径ro和外壁12的壁厚to的基本圆柱形的构件。类似地，内部管状构件20是具有内半径ri和内壁22的壁厚ti的基本圆柱形的构件。

尽管所描绘的实施方式的外部管状构件12和内部管状构件22是圆柱形的，但是其它实施方式可以呈现出其他形状和横截面，例如椭圆形或矩形截面和/或沿第一轴线x可变的截面，第一轴线x对应于外部管状构件10或内部管状构件20的纵轴。

选择内部管状构件10和外部管状构件20、特别是外半径ro和内半径ri的尺寸，使得内壁22和外壁12沿内部管状构件10的周界以距离d0分开。在所描述的实施方式中，通过第一支承件60和第二支承件62将预制件保持在该构造中的适当位置。

本领域技术人员将理解，在图3所示的状态下，由距离d0限定的内壁22周围的环形空间对应于外腔14的未被内部管状构件20占据的部分。此外，显而易见的是，在预制件50的结构中，由距离d0限定的环形空间和内腔24可以说形成了初步的第一流路和第二流路。

在根据本发明方法的下一步骤s2中，如图4所示，外壁12变形以沿第一起伏图案在外壁12与内壁22之间形成压缩形状配合，使得外壁12的相应凸起部分(隆起部分)36限定外流路30。

关于沿第一起伏图案实现的外壁12的凸起部分36的细节(诸如第一振幅a1)，已在上面结合图1和图2进行了说明，这些图示出了使用根据本发明的当前描述的方法制造的管状组件。鉴于图4，本领域技术人员将理解，可以借助成形工具70来实现外壁12的变形，该成形工具70在所描述的实施方式中是一对相对的辊，以通过偏移量dl在纵向x上隔开以形成螺旋起伏图案。在其它实施方式中，沿外壁12的周界分布的一个以上的辊可以用作成形工具70，或仅一个辊。然而，已经发现，当使用沿外壁12周界分布的三个或更多个辊作为成形工具70时，根据本发明的方法特别有效。

在一个优选实施方式中，为了使外壁12和内壁22变形，在子步骤s2a中，成形工具70被定位成与外壁12的外表面接触。图4示出了处于使外壁12变形的随后早期阶段的成形工具70，这就是为什么在除了成形工具70下方的区域中没有示出外壁12的变形的原因。此外，本领域技术人员将认识到，在所示实施方式中，不仅外壁12被成形工具70变形，而且内壁22也变形。尽管可以通过单独变形外壁12来在外壁12与内壁22之间产生压缩形状配合，但是已经发现，为了可靠的流体密封的压缩形状配合，优选地使外壁12变形到一定程度，使得由成形工具70施加的压力也传递到内壁22上，以使内壁22与外壁12一起变形。内壁22的这种变形跟随外壁12在形状和图案上的变形，因为这两种变形都是由成形工具70在一个单独步骤中实现的。因此，根据具有第二振幅a2的第二起伏图案使内壁22变形，其中第一起伏图案和第二起伏图案相似，并且其中第二振幅a2小于第一振幅a1。

在子步骤s2b中，在成形工具70与预制件50之间的相对运动被应用于使外壁12沿第一起伏图案变形的同时，进一步将成形工具70压靠在外壁12上。

该相对运动的第一分量借助箭头d1表示，该箭头d1指向基本平行于纵轴x的方向。该相对运动的第二分量沿垂直于该第一构件的方向延伸，并沿外壁12的周界延伸，使得成形工具70与预制件50之间产生的相对运动沿螺旋路径h延伸，由图4中的虚线表示。因此，在本实施方式中，第一起伏图案和第二起伏图案沿外壁12螺旋地延伸。

在本发明的其它实施方式中，所产生的起伏图案可以包括其他形状，例如平行于预制件5的纵轴x延伸的平行起伏(部)。在这样的实施方式中，外流路30包括平行于第一流路40延伸的多个单独流路。

在某些实施方式中，设想使用两个或多个成形工具70，上述成形工具70沿管状构件10、20的纵轴x间隔开，每个成形工具70仅作用于外部12和内壁22的总体所得变形的一部分。在外壁12的变形振幅a1相当大的情况下和/或当非常坚硬的材料用于外壁12和/或内壁22时，这可能是有利的。在这种情况下，单个成形工具70不容易完成起伏图案。

如本领域技术人员将认识到的，在步骤s2b中产生第一起伏图案的过程中，成形工具70与预制件50之间的相对运动，且特别是由图4中的箭头d1指示的其纵向分量，在外壁12上形成材料波并将将其移向外部管状部件10的纵轴x的方向上。然后，该材料形成构成外流路30一部分的外壁12的凸起部分36。优选地，在基本上不减小外壁12的壁厚的情况下形成材料波。其结果是，当第一振幅a1大于第二振幅a2时，外部管状构件10沿纵轴x的纵向延伸量在步骤s2中减小。

通过沿纵轴x的方向移动的材料量，可以控制主体部36的高度，从而控制外流路30的横截面。

在根据第一起伏图案使至少外壁12变形的步骤s2中，除了第一夹持件60和第二夹持件62外，还可能需要进一步支承预制件50。

图1描绘了根据本发明的方法制造的管状组件1的实施方式。因此，技术人员将认识到，除了图4所示的成形步骤外，该方法还可以包括加工外部管状构件10以包括通向外流路30的入口16和来自外流路的出口18，并且还可包括通过合适的工艺、如焊接、钎焊、软焊(锡焊)、胶粘或压接，在外部管状构件10的第一外端部15和第二外端部17处将外壁12抵靠内壁22密封。

本领域技术人员将认识到，与现有技术相比，根据本发明的方法提供了若干优点。该方法主要是广泛地克服了应用诸如焊接、铜焊、锡焊或胶粘的连结工艺以在外流路30与内流路40之间产生结合的需要。另外，本发明的方法消除了使用心轴以在外部管状部件10上形成第一起伏伏图案的需要，这意味着与已知的管状组件相比，制造根据本发明的管状组件1所需的设备显著减少。这不仅降低了成本，而且简化和加快了制造过程。

作为协同效应，根据本发明的管状组件1尽管由于其不具有用于焊缝的填充金属而节省了重量和材料，但是当用作热交换器时实际上增加了效率，因为以压缩形状配合接合的外壁12和内壁22的区域呈现出优异的热传递特性。

作为另一个优点，制造管状组件1的本发明方法允许比现有技术中已知的方法更宽范围的材料配对用于外流路30和内流路40，因为外壁12和内壁22在制造过程中不会像现有技术中那样被加热或甚至液化。尽管以上公开了用于外壁12和内壁22的不同金属配对，但在根据本发明的管状组件1的特殊应用中，甚至可能期望将用于外壁12或内壁22的金属材料和用于相应的其它内壁12或外壁12的非金属材料、例如塑料材料组合。在这些材料在可成形性方面表现出合适的材料特性的前提下，本发明使技术人员能够使用各种材料配对并根据其需要定制管状组件1。

尽管本发明的实施方式已被描述为特别应用于热交换器，但本领域技术人员将理解，替代实施方式可用于其他类型的管状组件和/或导管。

除非上下文清楚地另作要求，在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”“包含”等应诠释为包含的含义，而不是排他或详尽的含义，即是说，“包括但不限于”的含义。

在前述说明书中，提到本发明的具有已知等同物的具体部件或整体，这这些等同物包含在此，就如同单独进行了阐述。

尽管已经借助于示例并参照其可能实施方式描述了本发明，但应理解，可对其进行更改或改进而不偏离所附权利要求书的精神或范围。