專利名稱：用于制造釬焊熱交換器的方法和熱交換器設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種用于制造具有高熱傳導(dǎo)系數(shù)的金屬熱交換器的改進(jìn)的方法。更具體而言，本發(fā)明涉及一種用于制造包括加強(qiáng)沸騰表面的釬焊熱交換器的改進(jìn)的方法。
在低溫、熔煉和化學(xué)應(yīng)用中，用于重沸器-冷凝器的熱交換器大體上有兩種結(jié)構(gòu)。目前使用的一種熱交換器是垂直殼體和管狀熱交換器。為了在溫度差別相對較低的情況下實(shí)現(xiàn)足夠高程度的熱傳導(dǎo)，使用了加強(qiáng)沸騰層(EBL)。EBL一般具有包括許多孔的結(jié)構(gòu)，這些孔提供了沸騰形核點(diǎn)，從而促進(jìn)沸騰。將EBL應(yīng)用在各管內(nèi)側(cè)，在各管的外側(cè)設(shè)置縱向槽，從而促進(jìn)熱傳導(dǎo)。
在US3,384,154中首次提出了用于熱交換器的加強(qiáng)沸騰層。該專利公開了在處于溶劑中的塑料粘結(jié)劑中混合金屬粉末，并將該泥漿施加到基體金屬表面上。該涂覆的金屬在還原性氣氛下加熱到某一溫度足夠的時(shí)間，這樣金屬顆粒燒結(jié)在一起并燒結(jié)到基體金屬表面上。US3,457,990公開了一種加強(qiáng)沸騰表面，該表面具有在其中機(jī)械地或者化學(xué)地形成的凹槽。
應(yīng)用EBL的其它方法也公開了。GB2034355公開了將有機(jī)泡沫層施加到金屬熱傳導(dǎo)構(gòu)件上，通過首先無電鍍?nèi)缓箅姵练e的方法將比如銅的金屬沉積在泡沫上。US4,258,783公開了在熱傳導(dǎo)表面機(jī)械地形成凹口，然后在有凹痕的表面上電沉積金屬。GB2062207公開了通過粉末火焰噴射將金屬顆粒施加到金屬基體上。EP303493公開了通過火焰噴射或者等離子體噴射將金屬和塑料混合物材料施加到基體金屬上。US4,767,497和US4,846,267公開了熱處理鋁合金以產(chǎn)生析出物，然后通過化學(xué)刻蝕去除這些析出物，從而留下有凹痕的表面。EP112782公開了將釬焊合金和球狀顆粒施加到金屬壁上、加熱該涂覆的壁以熔化釬焊材料的方法。
在低溫、熔煉和化學(xué)應(yīng)用中使用的普通熱交換器是板翅片釬焊鋁制熱交換器，通過在鋁間隔板或壁之間放置波紋狀鋁板來形成多個(gè)流體通道，從而制造這種熱交換器。這些板用鋁釬焊層覆蓋或者在要粘結(jié)的各表面之間插入一層釬焊箔。當(dāng)加熱到某一預(yù)定溫度一定的時(shí)間后，釬焊箔或者涂層熔化并與相鄰的板形成冶金粘結(jié)。所得到的熱交換器包括許多通道，這些通道由鄰近間隔開的翅片交替層構(gòu)成。各通道的交替層的一般結(jié)構(gòu)是，每層都包括具有6～10個(gè)翅片/厘米(15～25個(gè)翅片/英寸)密度的翅片且翅片高度為0.5～1厘米(0.2～0.4英寸)。在一種普通的應(yīng)用中，第一組交替通道攜帶用于冷凝的蒸氣，而第二組交替通道攜帶用于沸騰的液體。一般的釬焊鋁制熱交換器必須能夠承受2068～2758kPa(300～400磅/平方英寸)的壓力。
提出在釬焊熱交換器的沸騰通道中用加強(qiáng)沸騰層替換翅片的專利包括US5,868,199，US 4,715,431和US4,715,433。這些專利提出，堆垛多個(gè)鋁板，將EBL施加到這些鋁板的一側(cè)上以形成沸騰通道，將翅片施加到鋁板的另一側(cè)上以形成冷凝通道。在該堆垛中在粘結(jié)表面之間設(shè)置多層釬焊材料，使該堆垛經(jīng)歷一段時(shí)間加熱以獲得釬焊熱交換器核心。在這些專利中描述的這種釬焊鋁制熱交換器還沒有商業(yè)化。EBL一般在565～593℃(1050～1100°F)釬焊，而隨后各金屬元件的釬焊在大約593～621℃(1100～1150°F)溫度下發(fā)生。保持EBL的完整性和有效性，尤其是保持由人工粘結(jié)金屬顆粒提供的多孔結(jié)構(gòu)，在第二次較熱的熱處理過程中實(shí)現(xiàn)釬焊是比較困難的。這種困難是因?yàn)闆]有可以買到的在沸騰通道中具有EBL的釬焊熱交換器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于制造釬焊熱交換器的改進(jìn)的方法和所得到的裝置。在沸騰通道的壁上設(shè)置加強(qiáng)沸騰層(EBL)。釬焊材料的熔點(diǎn)比加強(qiáng)沸騰層中金屬顆粒的熔點(diǎn)低。在一種實(shí)施方式中，加強(qiáng)沸騰層和/或釬焊層中的金屬是第一金屬和第二金屬的合金，該合金的熔點(diǎn)比第一金屬的熔點(diǎn)低。只要第二金屬提供具有較低熔點(diǎn)的合金，在EBL和釬焊材料中可以應(yīng)用不同的第二金屬。在一種實(shí)施方式中，第二金屬在釬焊材料中的濃度大于在EBL中的濃度。因此，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使當(dāng)釬焊溫度達(dá)到EBL中金屬熔點(diǎn)上下8.3攝氏度(15華氏度)范圍內(nèi)更長的時(shí)間，EBL仍出乎意料地保持其孔隙度，并因此保持其有效性。在一種實(shí)施方式中，冷凝通道包括翅片，以促進(jìn)熱傳導(dǎo)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在各沸騰通道中具有EBL的金屬熱交換器，該熱交換器盡管在制造過程中經(jīng)歷釬焊溫度但沒有損害其熱傳導(dǎo)性能。


圖1是三個(gè)熱交換器的透視圖。
圖2是圖1中一個(gè)熱交換器核心的透視圖，其中取下多層以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖3是是圖1中一個(gè)熱交換器核心的透視圖，但從與圖2不同的角度截取。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的方法可以用于通過硬釬焊來構(gòu)造任何結(jié)構(gòu)的包括殼體和管子的熱交換器，但是可以最恰當(dāng)?shù)赜糜跇?gòu)造板式熱交換器。本發(fā)明的熱交換器的沸騰通道和冷卻通道可以定向?yàn)樘峁┙徊媪鳌⒎聪蛄骰蛘咂叫辛?。而且，本發(fā)明的熱交換器可以應(yīng)用在低溫風(fēng)選、烴加工或者任何其它依靠沸騰來實(shí)現(xiàn)熱交換的方法的領(lǐng)域中。多種類型的金屬可以用于構(gòu)成熱交換器。鋁是用于硬釬焊熱交換器應(yīng)用最廣泛的金屬。鋁適用于低溫應(yīng)用，因?yàn)殇X在較低溫度下抵抗脆裂。鋼或者銅可以用于加熱或者冷卻流體，流體可能會腐蝕鋁。為了說明的目的，相關(guān)于低溫風(fēng)選領(lǐng)域中應(yīng)用的反向流、鋁制板式熱交換器來描述本發(fā)明。
圖1示出了用于低溫風(fēng)選中的一組典型的板式熱交換器10。該熱交換器10具有設(shè)置在核心20中的交替沸騰通道12和冷卻通道14。一種液體，比如液氧通過導(dǎo)管16輸送到歧管18并分配到沸騰通道12中。考慮利用核心20下方導(dǎo)管16或者歧管18之外的裝置將液體輸送到沸騰通道12，比如利用在沸騰通道12底部的熱虹吸作用。另外，液體可以通過可包括分配翅片的分配網(wǎng)絡(luò)，從核心20的側(cè)面或者頂部分配到沸騰通道12中。液體在沸騰通道12中沸騰，從而間接地吸收從冷卻通道14傳導(dǎo)的熱量。來自沸騰通道12的氣態(tài)氧由比如頂蓋22收集并通過導(dǎo)管24排出?？紤]利用核心20上方的導(dǎo)管24或者頂蓋22之外的裝置來收集氣體，比如可以設(shè)置在熱虹吸裝置中。另外，可以通過可包括收集翅片的收集網(wǎng)絡(luò)，從核心20的側(cè)面或者頂部收集來自沸騰通道12的氣體。比如氣態(tài)氮的流體通過導(dǎo)管26輸送到歧管28并分配到冷卻通道14中。也考慮利用導(dǎo)管26或者歧管28之外的裝置實(shí)現(xiàn)輸送。另外，如果將氣體輸送到冷卻通道14，依賴于該工藝的需要，可以使氣體冷卻到在發(fā)生或者不發(fā)生溫度變化的情況下發(fā)生相變的程度。穿過冷卻通道14和沸騰通道12之間的各個(gè)壁傳導(dǎo)以保證沸騰通道12中的沸騰的熱量冷卻在冷卻通道14中的流體，從而在風(fēng)選的情況下冷凝氮?dú)?。比如利用頂蓋30來收集來自冷卻通道14的比如液氮的流體，并通過導(dǎo)管32排出?？紤]利用頂蓋30和導(dǎo)管32之外的裝置來收集來自冷卻通道14的冷卻流體。此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以改進(jìn)或者保持圖1的實(shí)施方式中示出的輸送和收集歧管和導(dǎo)管。
圖2示出了一個(gè)熱交換器10的核心20，取下一些部分以顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在核心20的兩端都設(shè)置蓋板40，以在每一端形成最后的通道。在圖2中示出的蓋板40的一部分被取下，以顯示該沸騰通道12。垂直的間隔棒或者間隔構(gòu)件42設(shè)置在蓋板40的對邊和金屬壁44之間，該金屬壁44具有由增強(qiáng)沸騰層(EBL)46覆蓋的沸騰側(cè)44a。該EBL46包括熱傳導(dǎo)顆粒，這些熱傳導(dǎo)顆粒粘結(jié)到沸騰側(cè)44a上并彼此粘結(jié)，以形成多孔組織，在該多孔組織中提供了多個(gè)形核沸騰點(diǎn)。在一種實(shí)施方式中，該熱傳導(dǎo)顆粒是金屬顆粒。因此，沸騰通道12由蓋板40的內(nèi)表面、垂直間隔棒42的內(nèi)邊和金屬壁44的沸騰側(cè)形成。沸騰側(cè)44a的外側(cè)垂直邊48沒有EBL46，以提供粘結(jié)表面。氣體通過沸騰出口49離開沸騰通道12，該氣體可以由圖1的實(shí)施方式中示出的沸騰頂蓋22收集。此外，考慮該沸騰通道12可以包括翅片，以進(jìn)一步促進(jìn)熱量傳輸。在取下的金屬壁44和垂直間隔棒42后面是冷卻通道14，冷卻通道14具有包括瓦楞板的基本翅片支撐架54的基本翅片52。該基本翅片52介于在冷卻通道14相對端上垂直間隔棒42的內(nèi)邊之間橫向延伸。包括分配翅片支撐架58或者于基本翅片支撐架54成一體的分配翅片56設(shè)置成傾斜結(jié)構(gòu)，從而沿著由基本翅片52設(shè)置的通道頂端均勻地分配來自冷卻入口50的冷卻流體。在圖2的實(shí)施方式中，冷卻流體接收到冷卻入口50中，其可以來自圖1的實(shí)施方式中示出的冷卻歧管28?？梢詰?yīng)用另外一種具有或者不具有翅片的分配結(jié)構(gòu)來分配冷卻流體。在另一種實(shí)施方式中，冷卻入口50可以考慮在基本翅片52提供的通道的頂端。為了說明基本翅片52的頂端，在圖2中僅示出了一組分配翅片56?？梢杂墒占崞?6形成的冷卻出口64允許冷卻的流體排出核心20。在圖2的實(shí)施方式中，冷卻流體通過冷卻出口64排出，其在圖1的實(shí)施方式中可以進(jìn)入冷卻頂蓋30。水平的間隔棒60將冷卻通道14的頂端和底端密封。間隔棒42，60和翅片52，56，66使金屬壁44的冷卻側(cè)44b(相對側(cè))與相鄰金屬壁44的冷卻側(cè)44b間隔開。在一種實(shí)施方式中，在沸騰通道12中沒有設(shè)置水平的間隔棒60，從而分別允許流體進(jìn)入沸騰通道12或者從其中流出。因此，垂直間隔棒42夾在每對相鄰的金屬壁44的相對端之間，而水平間隔棒60僅僅夾在相鄰的冷卻側(cè)44b之間。但是，如果將翅片52，56，66合適地安裝并粘結(jié)以經(jīng)得起運(yùn)行壓力，考慮在冷卻通道14中的冷卻側(cè)44b之間可以省略間隔棒42，60。因此，翅片52，56，66會起到間隔作用。壁44具有互相交替的方向。除了當(dāng)鄰近于蓋板40時(shí)，金屬壁44的冷卻側(cè)44b通常面向相鄰壁的冷卻側(cè)44b，壁的沸騰側(cè)44a通常面對相鄰金屬壁44的沸騰側(cè)44a。在實(shí)施方式中也可以考慮，冷卻通道14不包括翅片，沸騰通道12安裝翅片。
圖3示出了圖2的核心20，但是從示出核心20底部的角度示出。在圖3中可以看見的圖2中的所有元件都用附圖標(biāo)記進(jìn)行了指示。此外，示出了通向沸騰通道12的沸騰入口51。在一種實(shí)施方式中，沸騰入口51可以接收來自沸騰歧管18(圖1)的沸騰流體。此外，取下了蓋板40和第一金屬壁44的底部，以顯示來自第三翅片支撐架68的收集翅片66。包括第三翅片支撐架68或者與基本翅片支撐架54成一體的收集翅片66設(shè)置成傾斜結(jié)構(gòu)，以沿著由基本翅片52提供的通道底端均勻地收集來自冷卻出口64的冷卻流體?？梢詰?yīng)用另一種具有或者不具有翅片的收集結(jié)構(gòu)來收集冷卻流體。在另一種實(shí)施方式中，冷卻出口64可以考慮在由基本翅片52提供的通道底部。為了說明基本翅片52的底部，在圖3中僅僅示出了一組收集翅片66。
利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何一種方法將EBL附加到沸騰側(cè)上，比如施加泥漿、火焰噴涂、等離子體噴射或者利用電沉積。但是，重要的是，馬上進(jìn)行不會使EBL的熱交換效率減小的隨后的硬釬焊步驟。在一種實(shí)施方式中，EBL的熔點(diǎn)比硬釬焊金屬的熔點(diǎn)高。硬釬焊金屬和EBL的相對熔點(diǎn)可以通過使第二金屬與第一金屬合金化獲得，其中第二金屬具有提供合金熔點(diǎn)比第一金屬熔點(diǎn)低的作用。第二金屬在硬釬焊金屬中的濃度可以比在EBL材料中的濃度高，這樣EBL具有較高的熔點(diǎn)，它能夠在不損害結(jié)構(gòu)完整性的情況下經(jīng)歷硬釬焊步驟。在硬釬焊鋁制熱交換器中，鋁是第一金屬，硅、錳、鎂、或者它們的合金可以是第二金屬。在硬釬焊鋼質(zhì)熱交換器中，鎳可以是第一金屬，磷可以是第二金屬。在黃銅熱交換器中，銅可以是第一金屬，磷可以是第二金屬。
在銅是第一金屬以提供EBL和硬釬焊材料的情況下，在銅的熔點(diǎn)以下100℃(180°F)時(shí)或者在960℃(1760°F)時(shí)發(fā)生硬釬焊。在鋁是第一金屬的情況下，在其649℃(1200°F)的熔點(diǎn)溫度以下49～54℃(120～130°F)發(fā)生硬釬焊。如果鎳是第一金屬，在鋼的熔點(diǎn)以下38℃(100°F)的溫度1037℃(1900°F)時(shí)，在爐中發(fā)生硬釬焊步驟。在這些溫度點(diǎn)，第二金屬降低了與第一金屬的合金的熔點(diǎn)。液化的硬釬焊金屬流動(dòng)并擴(kuò)散進(jìn)入基體金屬并形成冶金粘結(jié)。通過在硬釬焊材料中比在EBL材料中合金化更多種第二金屬，一旦使用EBL，EBL就能夠經(jīng)受隨后較低溫度下的硬釬焊熱處理。
應(yīng)該考慮，可以用燒結(jié)代替硬釬焊以形成EBL。在燒結(jié)中，將該金屬加熱到分子激勵(lì)的溫度點(diǎn)，并經(jīng)過相當(dāng)長的一段時(shí)間擴(kuò)散進(jìn)入相鄰的金屬中，從而形成冶金粘結(jié)。燒結(jié)可以用于提供在較低溫度下硬釬焊，從而將熱交換器的各部件粘結(jié)在一起。
在一種實(shí)施方式中，施加EBL的第一步是將聚合物粘結(jié)劑施加到金屬壁的沸騰側(cè)上。然后將包括第一金屬和第二金屬的金屬粉末噴撒到塑料粘結(jié)劑上。具有由塑料粘結(jié)的金屬粉末的金屬壁用惰性氣體(比如氮?dú)?覆蓋，將溫度升高到硬釬焊溫度足夠的時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)金屬粉末顆粒之間以及金屬粉末顆粒與金屬壁的沸騰側(cè)之間的冶金粘結(jié)。塑料粘結(jié)劑在加熱下分解并揮發(fā)。循環(huán)的惰性氣體減少氧化物薄膜的形成并且排出來自粘結(jié)劑材料的分解氣體。粘結(jié)的粉末形成多孔三維基體，該基體提供了具有形核沸騰點(diǎn)的EBL。
合適的塑料粘結(jié)劑包括聚異丁烯(polyisobutylene)、具有至少4000cps粘度且以METHOCEL出售的聚甲基丙烯酸甲酯纖維素(polymethylcellulose)和分子量為90000的聚苯乙烯(polystyrene)。該粘結(jié)劑可以溶解在合適的溶劑中，比如對于聚異丁烯和聚甲基丙烯酸甲酯纖維素粘結(jié)劑使用煤油(kerosene)或者四氯化碳(carbontetrachloride)，對于聚苯乙烯粘結(jié)劑使用二甲苯(xylene)或者甲苯(toluene)。該沸騰側(cè)應(yīng)該清潔成沒有油脂(grease)、油或者氧化物，以實(shí)現(xiàn)將EBL合適地粘結(jié)到該沸騰側(cè)上。在應(yīng)用塑料溶液之前，可以先用塑料溶液沖洗該沸騰側(cè)以促進(jìn)濕潤，從而獲得塑料粘結(jié)劑更加均勻的分布。可以利用比如噴射、浸漬、刷或者涂碾這些可以獲得均勻涂層的方式將塑料溶液施加到沸騰側(cè)上。施加塑料溶液之后，在施加金屬粉末過程中或者之后，風(fēng)干該涂層，以使絕大部分溶劑揮發(fā)。一金屬粉末和粘結(jié)劑的固體自支撐層則由粘結(jié)劑保留在金屬壁適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?br> 包括第一金屬和第二金屬的金屬粉末與焊劑混合。依靠加熱，焊劑熔化并從金屬中提取氧化物，氧化物會阻礙金屬顆粒之間的粘結(jié)以及金屬顆粒與沸騰側(cè)的粘結(jié)。該焊劑可以是一種礦物鹽，比如可以買到的鋁氟酸鉀(potassium aluminum fluoride)，它是KAlF4和KAlF6的混合物。其它的焊劑也是合適的。
熱交換器10的核心20利用堆垛多層元件裝配而成。如果核心20的硬釬焊不在真空爐中進(jìn)行，在堆垛之前每個(gè)元件都應(yīng)該涂覆焊劑。一種給各元件涂覆焊劑的合適方式是，使焊劑與工業(yè)酒精(denaturedalcohol)按照1∶1的體積比混合，并在堆垛之前將焊劑溶液刷或者噴射到該元件上。堆垛的順序在圖2的側(cè)視圖和底端上的視圖3示出。蓋板40以其外表面朝下放置在堆垛表面的底部。一層硬釬焊箔層至少層壓在蓋板40內(nèi)表面的兩個(gè)垂直邊48上或者可以覆蓋蓋板40的整個(gè)內(nèi)表面。垂直間隔棒42堆垛在蓋板40內(nèi)表面的垂直邊48上。硬釬焊箔可以僅僅設(shè)置在蓋板40的垂直邊48上，因?yàn)閮H僅垂直間隔棒42會釬焊到蓋板40的內(nèi)表面上，在這種情況下蓋板40的內(nèi)表面形成沸騰通道12。但是，在一種實(shí)施方式中，如果蓋板40形成冷卻通道14，水平間隔棒60應(yīng)該堆垛并釬焊到蓋板40上。一層硬釬焊箔堆垛到垂直間隔棒42的頂端上?？梢詢H僅在垂直間隔棒42上方放置硬釬焊箔帶。在垂直間隔棒42上方堆垛金屬壁44，其中在沸騰側(cè)44a上的EBL46向下朝向蓋板40，冷卻側(cè)44b朝向上方。沒有EBL46的沸騰側(cè)44a的垂直邊48會抵靠在垂直間隔棒42頂端上的硬釬焊箔上。將一層硬釬焊箔放置在金屬壁44的冷卻側(cè)44b頂端上。包括基本翅片52的基本翅片支撐架54、包括分配翅片56的分配翅片支撐架58、包括收集翅片66的收集翅片支撐架68和水平間隔棒60以及垂直間隔棒42都堆垛在一層硬釬焊箔的頂端上，該層硬釬焊箔放置在金屬壁44的冷卻側(cè)44b的頂端上。將一層硬釬焊箔放置在基本翅片支撐架54、分配翅片支撐架58、包括收集翅片66的收集翅片支撐架68和間隔棒42，60上。接著，將另一金屬壁44放置在該層硬釬焊箔上，其中金屬壁44的冷卻側(cè)44b朝向下方，沸騰側(cè)44a朝向上方。在金屬壁44的頂端上，僅僅在EBL46外側(cè)的沸騰側(cè)44a的垂直邊48中鋪設(shè)硬釬焊箔帶。垂直間隔棒42鋪設(shè)在垂直邊48中的硬釬焊箔帶的頂端上。硬釬焊箔帶放置在垂直間隔棒42的頂端上。其沸騰側(cè)44a朝向下方的另外一塊金屬壁44堆垛在頂端，其垂直邊48與垂直間隔棒42頂端上的硬釬焊材料帶緊密配合。如前所述堆垛熱交換器10的核心20的余下部分，直到蓋板40堆垛在該堆垛的頂端上。還應(yīng)該考慮，基本翅片支撐架54的兩側(cè)、間隔棒42，60和/或金屬壁44的冷卻側(cè)44b可以由一層硬釬焊材料整體覆蓋。這就不需要在構(gòu)成核心20的堆垛中添加多層硬釬焊箔。但是，如果恰好可以獲得硬釬焊材料覆蓋在兩側(cè)上的翅片支撐架54，58，68和/或間隔棒42，60，那么可以不用硬釬焊箔。
在核心20完全堆垛好之后，將其插入具有惰性氣氛的爐子中并加熱，這樣該核心的中心20獲得升高的溫度。在該升高的溫度保溫一段時(shí)間后，進(jìn)行冷卻。該升高的溫度高于硬釬焊材料的熔點(diǎn)而低于所施加的EBL46材料的熔點(diǎn)以及基體金屬的熔點(diǎn)。在一種實(shí)施方式中，在施加EBL46之后，該升高的溫度可以低于該EBL46材料的熔點(diǎn)。在受控硬釬焊氣氛下，鋁合金4047可以用于硬釬焊材料，在這種情況下該升高的溫度可以大約為607～618℃(1125～1145°F)。此處給出的鋁合金名稱是依據(jù)鋁釬焊領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所使用的合金規(guī)范。釬焊材料熔融并與相鄰的金屬構(gòu)件形成冶金粘結(jié)，以提供堅(jiān)固的金屬熱交換器核心。該EBL46保持其多孔完整性。在核心20表面上的焊劑殘留可以保留，但在不影響運(yùn)行的情況下一般洗掉。
在將核心20釬焊在一起后，如圖1的實(shí)施方式中示出的，將歧管18，28和頂蓋22，30釬焊到核心20上。導(dǎo)管16，24，26，32都附加到合適的歧管18，28或頂蓋22，30。在圖1的實(shí)施方式中未示出的輸送、分配、收集和回收裝置可以應(yīng)用在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
可選擇地，一個(gè)或者兩個(gè)釬焊步驟可以在真空爐中進(jìn)行。焊劑變得不再必要，且一般在較低溫度下釬焊。但是，在真空釬焊工藝中，使核心達(dá)到釬焊溫度以及之后使其冷卻需要花費(fèi)更長的時(shí)間。如果堆垛核心在真空環(huán)境中釬焊，鋁合金4104可以用于釬焊材料，在這種情況下該升高的釬焊溫度可以大約為582～593℃(1080～1100°F)。
為了本發(fā)明的目的，該EBL能夠經(jīng)受最終的釬焊熱處理是重要的。在釬焊鋁制熱交換器中，釬焊材料(不管其是否是粉末)、箔或者覆層可以包括至少80wt-％Al和10～15wt-％Si的共晶合金。在一種實(shí)施方式中，共晶合金包括11～13wt-％Si和至少85wt-％Al。在另一種實(shí)施方式中，釬焊共晶合金可以是鋁合金4047以及包括12wt-％Si和至少885wt-％Al。該核心20的其它元件，比如壁、翅片支撐架和間隔棒可以包括鋁合金3003，該鋁合金3003包括低至98wt-％Al和高至2wt-％Mn的高比例鋁合金。在鋁合金3003中還可以存在少量鎂和鐵。術(shù)語“高比例”指的是大于90wt-％。包括基本上純的鋁或者高比例鋁合金的其它組分可以是合適的。在真空釬焊應(yīng)用中，在高比例鋁合金中可以提供1～2wt-％Mg。包含EBL的材料可以包括0.5～1.5wt-％Si和至少95wt-％基本上純的鋁或者高比例鋁合金。在一種實(shí)施方式中，該EBL可以包括5～11wt-％釬焊材料和至少85wt-％基本上純的鋁或者高比例鋁合金。在一種實(shí)施方式中，該EBL包含至少90wt-％純的鋁或者高比例鋁合金以及含有11～13wt-％Si和至少85wt-％Al的共晶合金。在一種實(shí)施方式中，粉末形式的共晶合金與粉末的、基本上純的鋁或者高比例鋁合金混合。為了防止鋁在非真空釬焊爐中氧化，在施加的EBL材料中應(yīng)該包括含有5～10wt-％粉末礦物的焊劑。
雖然不希望與任何具體的理論相聯(lián)系，但是我們相信，在加熱情況下，上述粉末EBL材料混合物、釬焊共晶合金粉末會熔融并使基本上未熔化的鋁粉濕潤，從而形成合金。我們相信，在施加后，利用鋁合金中低濃度的金屬硅，在EBL中得到的合金在高于釬焊共晶合金熔點(diǎn)的溫度下熔化。然后，該EBL就能夠經(jīng)受與粘結(jié)堆垛熱交換器核心相關(guān)聯(lián)的釬焊溫度，該溫度危險(xiǎn)地接近于在不損害性能的情況下EBL材料初始釬焊的溫度。
如果燒結(jié)EBL，純鋁合金3003粉末可以在1185°F(641℃)下燒結(jié)。上述包含共晶硅和鋁的硬釬焊箔可以用于在604～613℃(1120～1135°F)的釬焊溫度下在受控惰性氣氛中或者在566～596℃(1050～1105°F)的釬焊溫度下在真空氣氛中與核心粘結(jié)在一起。
實(shí)施例I通過混合83.6wt-％Al3003合金、8.4wt-％包含鋁氟酸鉀的釬焊焊劑和8.0wt-％鋁合金4047釬焊粉末得到加強(qiáng)的沸騰粉末?；旌习?8wt-％由Clifton Adhesives銷售的商品名稱為CS-200 A3的聚異丁烯和62wt-％烴類(VARSOL)輕質(zhì)煤油溶劑的粘結(jié)劑，并將其刷到包含鋁合金3003的三管狀壁上。然后將加強(qiáng)的沸騰粉末噴撒到粘結(jié)劑上，并在小爐子的氮?dú)庵屑訜?。每根涂覆的管狀壁被加熱?21℃(1150°F)9分鐘。該粘結(jié)劑和溶劑蒸發(fā)，并留下0.3～0.4毫米(10～15密耳)厚的EBL。所得到的EBL具有多孔組織結(jié)構(gòu)，并確定具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的沸騰熱傳導(dǎo)系數(shù)。
實(shí)施例II用實(shí)施例I中說明的粘結(jié)劑和加強(qiáng)的沸騰粉末涂覆兩個(gè)金屬管狀壁。每根金屬管狀壁在受控氮?dú)鈿夥障?，在大約大氣壓力下的封閉蒸餾器中加熱到623℃(1153°F)的釬焊溫度，然后冷卻。
經(jīng)歷48分鐘的時(shí)間加熱和冷卻第一根管狀壁。測試該第一根管狀壁并確定具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的傳熱系數(shù)，它對于具有EBL的表面來說已經(jīng)足夠大了。然后，通過將該第一根管狀金屬壁加熱到593℃(1100°F)并使其在冷卻之前在該溫度下保溫24小時(shí)，使該第一根管狀金屬壁經(jīng)受第二次煅燒，以進(jìn)行整個(gè)熱交換器核心的真空釬焊?？梢曈^察表明，該EBL的質(zhì)量沒有受到影響。再次測量該第一根管狀金屬壁并確定其具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的傳熱系數(shù)。
經(jīng)歷36分鐘的時(shí)間加熱和冷卻第二根管狀壁。測試該第二根管狀壁并確定具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的傳熱系數(shù)，它對于具有EBL的表面來說已經(jīng)足夠大了。然后，通過將該第二根管狀金屬壁加熱到613℃(1135°F)并使其在冷卻之前在該溫度下常壓氮?dú)庵斜?小時(shí)，使該第二根管狀金屬壁經(jīng)受第二次煅燒，以進(jìn)行整個(gè)熱交換器核心的受控氣氛釬焊?？梢曈^察表明，該EBL的質(zhì)量沒有受到影響。再次測量該第二根管狀金屬壁并確定其具有大于204,418kJ/hr/m2K(10,000BTU/hr/ft2°F)的傳熱系數(shù)。在將EBL從其釬焊溫度加熱到8.3攝氏度(15華氏度)后，該EBL的組織結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了熱處理，而沒有明顯損害組織結(jié)構(gòu)或者性能。
權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)1、一種熱交換器(10)，包括多個(gè)金屬壁(44)，每個(gè)金屬壁包括兩側(cè)，具有多孔加強(qiáng)沸騰層(46)的沸騰側(cè)(44a)和冷卻側(cè)(44b)，其中加強(qiáng)沸騰層(46)具有整體地粘結(jié)到一起和冶金地粘結(jié)到沸騰側(cè)上的釬焊的熱傳導(dǎo)顆粒，所述多個(gè)金屬壁的沸騰側(cè)形成沸騰通道(12)，所述多個(gè)金屬壁的冷卻側(cè)形成冷卻通道(14)，所述多個(gè)金屬壁中的每一個(gè)還包括粘結(jié)表面(48)；用于將各金屬壁(44)彼此間隔開的間隔構(gòu)件(42)；在熱交換器(10)中介于所述金屬壁(44)的粘結(jié)表面(48)與所述間隔構(gòu)件(42)之間的一層金屬，該層金屬的熔點(diǎn)溫度比加強(qiáng)沸騰層(46)的熔點(diǎn)溫度低；用于將流體向所述沸騰通道(12)輸送的沸騰入口(51)；用于將流體向所述冷卻通道(14)輸送的冷卻入口(50)；用于從所述沸騰通道(12)回收蒸氣的沸騰出口(49)；和用于從所述冷卻通道(14)回收流體的冷卻出口(64)。
2、如權(quán)利要求1所述的熱交換器(10)，其特征在于該金屬壁(44)主要包含鋁。
3、如權(quán)利要求1和2所述的熱交換器(10)，其特征在于熱傳導(dǎo)顆粒主要包含鋁。
4、如權(quán)利要求1至3所述的熱交換器(10)，其特征在于所述加強(qiáng)沸騰層(46)包含0.5～1.5wt-％的硅。
5、如權(quán)利要求1至4所述的熱交換器(10)，其特征在于所述加強(qiáng)沸騰層(46)包含與鋁硅共晶合金混合的高比例鋁合金粉末。
6、如權(quán)利要求5所述的熱交換器(10)，其特征在于高比例鋁合金構(gòu)成92wt-％的加強(qiáng)沸騰層(46)和構(gòu)成8wt-％加強(qiáng)沸騰層(46)的共晶合金。
7、如權(quán)利要求1至6所述的熱交換器(10)，其特征在于所述沸騰側(cè)(44a)具有大于204,418kJ/hr/m2/K的沸騰熱傳導(dǎo)系數(shù)。
8、如權(quán)利要求5至7所述的熱交換器(10)，其特征在于該共晶合金是12wt-％的硅和88wt-％的鋁。
9、一種包含金屬合金的組合物，包括至少85wt-％的鋁以及10～15wt-％硅和至少80wt-％鋁的共晶合金。
10、一種構(gòu)造熱交換器(10)的方法，包括提供多個(gè)金屬壁(10)，該金屬壁(10)具有沸騰側(cè)(44a)、冷卻側(cè)(44b)和至少一個(gè)粘結(jié)表面(48)；將熱傳導(dǎo)顆粒施加到所述多個(gè)金屬壁(44)的沸騰側(cè)(44a)上；利用所應(yīng)用的熱傳導(dǎo)顆粒將所述金屬壁(44)加熱到第一溫度，以通過釬焊將所述熱傳導(dǎo)顆粒整體地粘結(jié)到一起并將熱傳導(dǎo)顆粒冶金地粘結(jié)到所述金屬壁上，從而形成多孔的加強(qiáng)沸騰表面(46)；利用間隔構(gòu)件(42)來裝配所述多個(gè)金屬壁(44)，這樣所述多個(gè)金屬壁的沸騰側(cè)(44a)形成沸騰通道(12)，所述多個(gè)金屬壁的冷卻側(cè)(44b)形成冷卻通道(14)，并且在所述金屬壁的粘結(jié)表面(48)和相鄰的間隔構(gòu)件(42)表面之間提供多層金屬；和將該組件加熱到第二溫度，該第二溫度比第一溫度低，從而在保持加強(qiáng)沸騰層的孔隙度的情況下，將多層金屬粘結(jié)到至少相鄰的間隔構(gòu)件(42)表面和金屬壁(44)的粘結(jié)表面(48)之一上。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器(10)，包括多個(gè)金屬壁(44)，每個(gè)金屬壁包括兩側(cè)，具有加強(qiáng)沸騰層(46)的沸騰側(cè)(44a)和冷卻側(cè)(44b)，其中加強(qiáng)沸騰層(46)含整體地粘結(jié)到一起的熱傳導(dǎo)顆粒，所述多個(gè)金屬壁的沸騰側(cè)形成沸騰通道(12)，所述多個(gè)金屬壁的冷卻側(cè)形成冷卻通道(14)，所述多個(gè)金屬壁中的每一個(gè)還包括粘結(jié)表面(48)；用于將各金屬壁(44)彼此間隔開的間隔構(gòu)件(42)；在熱交換器(10)中介于所述金屬壁(44)的粘結(jié)表面(48)與所述間隔構(gòu)件(42)之間的一層金屬，該層金屬的熔點(diǎn)比加強(qiáng)沸騰層(46)的熔點(diǎn)低；用于將流體向所述沸騰通道(12)輸送的沸騰入口(51)；用于將流體向所述冷卻通道(14)輸送的冷卻入口(50)；用于從所述沸騰通道(12)回收蒸氣的沸騰出口(49)；和用于從所述冷卻通道(14)回收流體的冷卻出口(64)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器(10)，其特征在于該金屬壁(44)主要包含鋁。
3.如權(quán)利要求1和2所述的熱交換器(10)，其特征在于熱傳導(dǎo)顆粒主要包含鋁。
4.如權(quán)利要求1至3所述的熱交換器(10)，其特征在于所述加強(qiáng)沸騰層(46)包含0.5～1.5wt-％的硅。
5.如權(quán)利要求1至4所述的熱交換器(10)，其特征在于所述加強(qiáng)沸騰層(46)包含與鋁硅共晶合金混合的高比例鋁合金粉末。
6.如權(quán)利要求5所述的熱交換器(10)，其特征在于高比例鋁合金構(gòu)成92wt-％的加強(qiáng)沸騰層(46)和構(gòu)成8wt-％加強(qiáng)沸騰層(46)的共晶合金。
7.如權(quán)利要求5和6所述的熱交換器(10)，其特征在于所述金屬層包括共晶合金。
8.如權(quán)利要求5至7所述的熱交換器(10)，其特征在于該共晶合金是12wt-％的硅和88wt-％的鋁。
9.一種包含金屬合金的組合物，包括至少85wt-％的鋁以及10～15wt-％硅和至少80wt-％鋁的共晶合金。
10.一種構(gòu)造熱交換器(10)的方法，包括提供多個(gè)金屬壁(10)，該金屬壁(10)具有沸騰側(cè)(44a)、冷卻側(cè)(44b)和至少一個(gè)粘結(jié)表面(48)；將熱傳導(dǎo)顆粒施加到所述多個(gè)金屬壁(44)的沸騰側(cè)(44a)上；利用所應(yīng)用的熱傳導(dǎo)顆粒將所述金屬壁(44)加熱到第一溫度，以將所述熱傳導(dǎo)顆粒整體地粘結(jié)到一起，從而形成加強(qiáng)沸騰表面(46)；利用間隔構(gòu)件(42)來裝配所述多個(gè)金屬壁(44)，這樣所述多個(gè)金屬壁的沸騰側(cè)(44a)形成沸騰通道(12)，所述多個(gè)金屬壁的冷卻側(cè)(44b)形成冷卻通道(14)，并且在所述金屬壁的沸騰表面(48)和相鄰的間隔構(gòu)件(42)表面之間提供多層金屬；和將該組件加熱到第二溫度，該第二溫度比第一溫度低，從而將多層金屬粘結(jié)到至少相鄰的間隔構(gòu)件(42)表面和金屬壁(44)的粘結(jié)表面之一上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱交換器，該熱交換器包括由各金屬壁相對的側(cè)面形成的沸騰通道和冷卻通道。介于各金屬壁和間隔構(gòu)件之間的各層釬焊材料將該熱交換器的各個(gè)元件粘結(jié)在一起。加強(qiáng)沸騰層(EBL)包括彼此粘結(jié)和粘結(jié)到金屬壁上的金屬顆粒，該加強(qiáng)沸騰層(EBL)提供了有核沸騰孔，以加強(qiáng)熱傳導(dǎo)。該EBL的熔點(diǎn)比釬焊材料的熔點(diǎn)高。本發(fā)明還公開了一種用于裝配熱交換器的方法。
文檔編號F28D9/00GK1813166SQ200480018306
公開日2006年8月2日 申請日期2004年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月30日
發(fā)明者P·S·奧尼爾, 老·D·P·赫爾德, T·J·戈德里 申請人:環(huán)球油品公司