制造具有至少两个流体流动回路的热交换器模块的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有至少两个流体回路的热交换器，所述至少两个流体回路的每一者包括通道。
[0002]本发明更具体地涉及一种凭借由热等静压(HIP)技术获得的扩散焊接的该交换器的新制造方法。
[0003]已知的热交换器包括一个或至少两个内部流体循环通道回路。在具有单个回路的热交换器中，热交换在回路和回路所浸入的周围流体之间进行。在具有至少两个流体回路的交换器中，热交换器在两个流体回路之间进行。
[0004]存在有实施连续方法的已知化学反应器，少量的共反应物根据所述连续方法同时在第一流体回路的入口处被注入，化学反应器优选地设置有混合器，并且所获得的化学产物在第一回路的出口处被回收。在这些已知的化学反应器中，一些化学反应器包括第二流体回路，所述第二流体回路通常被称为实用回路并且其功能是或通过给该反应提供所需的热或与此相反通过将该反应所释放的热排出而对化学反应进行热控制。具有实用性的两个流体回路的该化学反应器通常被称为交换器/反应器。
[0005]本发明涉及仅具有热交换功能的热交换器的制造和交换器/反应器的制造两者。因此，在本发明的上下文中的术语“具有至少两个流体回路的热交换器”意在被理解为仅具有热交换功能的热交换器和交换器/反应器两者。
【背景技术】
[0006]现存的被称为具有板的热交换器具有针对被称为具有管的热交换器的明显的优势，特别是其热性能的水平以及其由于表面面积和热交换的体积之间的有利地高的比例的紧凑性。
[0007]已知的管式交换器例如为管壳式交换器，其中一束直管或一束以U形式或以螺旋形式弯曲的管固定至多孔板并且布置在腔(所述腔被称为壳)的内部。在这些具有管和壳的交换器中，一种流体在管的内部流动，而另一种流体在壳的内部流动。这些管壳式交换器具有大的体积并且因此不太具有紧凑性。
[0008]已知的板式交换器更紧凑并且通过堆叠板而获得，所述板包括通道并且组装在一起。
[0009]通道通过冲压板制成，若有必要，通过添加以鳍的形式折叠的板或通过制成槽而制成。利用机械手段或化学方法来执行该制造，所述机械手段例如通过铣削。化学制造通常被称为化学蚀刻或电化学蚀刻。
[0010]将板彼此组装在一起意在确保交换器的密封和/或机械强度，特别是在内侧中流动的流体的压力阻力。
[0011]数种组装技术是已知的，并且根据所需的板式交换器的类型而使用。该组装因此可以利用机械手段而获得，所述机械手段例如拉动构件，所述拉动构件将堆叠保持夹紧在两个厚刚性板之间，所述两个厚刚性板布置在端部处。通道的密封通过将连接接合点压平而获得。该组装还可以通过通常限于对板的外周的焊接来执行，这通常需要在焊接操作之后将该交换器插入到网格中，以便实现其相对于流体的压力阻力。特别地对于添加有鳍部的交换器，所述组装可以再次通过钎焊来获得。所述组装可以最终通过扩散焊接来获得。
[0012]所提到的最后两种技术使得交换器被制成，所述交换器关于机械强度是特别强大的。这是因为，由于这两种技术，所述组装不但在板的外周获得，而且还在交换器的内侧获得。
[0013]具有通过扩散焊接而组装的板的热交换器具有接合点，所述接合点比通过钎焊而获得的交换器的接合点在机械上甚至更强大，这因为不存在用于钎焊所需的附加金属。
[0014]扩散焊接包括通过在热状态下将力施加至待组装的组件达给定的时间期间而获得固态的组件。所施加的力具有双重功能:该力使得对接，也就是说，使待焊接的表面相接触，并且其通过蠕变/扩散而便于消除接合点(交界面)中的残余空隙。
[0015]该力可以通过单轴压缩而施加，例如利用装备有烤炉的压力机(press)或简单地使用布置在待组装的堆叠的组件的顶部上的质量块(masses)。该方法通常被称为单轴扩散焊接并且在工业上用于制造板式热交换器。
[0016]对单轴扩散焊接方法的明显的限制涉及到以下的事实:其不允许待焊接的接合点相对于单轴压缩力的施加方向的任何定向。
[0017]另一可替选的方法克服了该缺点。在所述另一方法中，所述力经由压缩气体被施加至密封腔。该方法通常被称为热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)。相较于扩散焊接的单轴方法，通过HIP的扩散焊接的方法的另一优点是:其在工业规模上更广泛地使用。这是因为HIP还用于铸造组件的成批处理以及用于压实的粉末。
[0018]具有通过当前已知的扩散焊接获得的板的紧凑式交换器还具有明显的缺点，所述缺点可以在下文中陈述。
[0019]第一主要的缺点是板的制造成本，特别是在具有装配式通道的情况下。尽管相较于机械制造，化学蚀刻使得成本有一定程度的降低，但是所有的情况都是相对的:与给定长度相比，通过化学蚀刻制成的板式交换器的通道的成本大于管式交换器的通道的成本。而且，化学蚀刻具有多种缺点，例如不足的尺寸精度、对于扩散焊接是不利的对边缘的倒圆，或由于已经使用的酸洗产品和遮蔽产品的残留而对待组装的表面的残余污染。
[0020]具有已经通过扩散而焊接的板的紧凑式交换器的第二主要的缺点是，难以在所获得的交界面接合点的机械强度、通道的可接受的变形以及结构材料的纹理的膨胀之间找到良好折中。
[0021]这是因为，在单轴扩散焊接的方法中，可以使用使通道轻微变形的低值的或甚至非常低值的力，只要该板具有良好的互相接触并且所述低值的力通过焊接温度的升高而补偿以便消除交界面处的多孔性。这些情况不可避免地包括材料的纹理的膨胀，这针对其耐腐蚀性和机械性能可能是被阻止的。而且，在多种应用中，对于位于两个流体回路之间的材料的纹理的数目超过最小值是至关重要的以便防止泄露的风险。
[0022]在使用HIP的扩散焊接方法中，堆叠的组件预先被封装在密封容器中以便防止气体透入到由待焊接的表面构成的交界面中。通常所使用的气压很高，所述气压大约从500bar到2000bar，通常为lOOObar。能够实施HIP的工业腔的最小操作压力本身在40bar和100bar之间。因此，在该压力下焊接的接合点比起在较高压力(例如，在lOOObar下)下获得的那些接合点具有较小的耐久性，所有其它条件(材料、温度、表面状态等)还是同样的。而且，在40bar和lOObar之间的该压力对于具有大的通道密度的板来说甚至更大，也就是说，其接触表面通过邻近的板确定的板相较于总的可见表面是小的。这是因为，对于这种类型的板，甚至几十bar的压力可足以引起通道的不可接受的变形。一种可行的解决方案可以包括降低组件的温度，从而该材料更耐压力，但是这等同于进一步降低接合点的强度。另一可行的方案可以包括改变通道的构造以便使得堆叠更耐压力，但是这等同于使得板式交换器不太紧凑。
[0023]应当注意的是，将焊接力传递至沟槽板堆叠中以不同方式执行，无论包含的是单轴扩散焊接方法还是利用HIP的扩散焊接方法。这是因为位于槽的下方的交界面的部分承受减小的焊接力，这由于焊接力仅仅经由位于每一槽的一侧和另一侧上的两个肋或峡部(isthmuse)而传递。相反，针对该肋部而获得了高的焊接力。交界面的质量因此可以从堆叠的一个位置到另一位置而改变。
[0024]而且，对于特殊需求的应用，必要的是能够在堆叠的所有位置中控制交界面的质量，例如，该控制通过非破坏性的控制。除了在一些非常精确的情况下，例如，在向内非常轻微地弯曲并且其具有的尺寸足以允许超声控制波通过的通道的情况下，通过当前可用的技术是不可行的。
[0025]已经已知了用于通过经由HIP的扩散焊接来制造热交换器同时控制通道的几何构造和交界面的质量的多种解决方案。在这些解决方案中的共同点是制造堆叠，从而可以在HIP循环期间使得通道敞开。以这种方式，压缩气体占据了通道的所有内部空间，并且因此它们不变形或非常小的变形。因此，可以在高压下执行HIP。
[0026]第一已知的解决方案包括使用用于每一通道的管，并且在管的至少一端处以密封方式焊接至本身是密封的容器。每一管预先被插入到板的槽中，之后插入到相同的板的槽中的管被夹在可被开槽或可不被开槽且邻近的另一板中。本申请的发明人之一已经实施了该解决方案[1]。先前的将每一管的至少一端密封焊接至密封容器的必经步骤本质上包括有限数目和密度的管。该解决方案的主要缺点在于，其包括交换器的能够以管的形式制造的通道，其排除了复杂的形状，例如不能通过弯曲而制成的快速改变方向的形状。以这种方式，替代了复杂的形状，通道以更为简单并且不太紧凑的形式制成。也就是说，如在前文中所描述的，相较于具有通过根据现有技术的扩散而焊接的沟槽板的热交换器，该第一已知的解决方案破坏了热交换器的紧凑性。
[0027]第二已知的解决方案描述在专利申请W0 2006/067349中。这实质