双板热交换器 【技术领域】
本发明涉及一种具有双板类型的板式热交换器。 更具体地，本发明涉及双板热 交换器，其中泄漏可以比类似现有技术的双板热交换器更容易地进行检测，并且其中获 得了热交换流体之间的改进的热接触。 而且，本发明的板式热交换器适于利用高速生产 技术进行生产，例如与挤压相比不施加其它生产步骤。背景技术
板式热交换器在两种或多种流体之间进行热交换。 在大多数板式热交换器中， 多个堆叠的板组件将流体隔开，每个板组件具有热传递部分和围绕边缘部分。 在一些情 形中，必须特别小心地操作以免一种热交换流体泄漏到另一热交换流体的流径中。 例 如，在这样的热交换器中情况就是如此，即用于利用非饮料流体加热或冷却饮料流体的 热交换器，用于处理关键流体的热交换器以及其中两种流体的混合将导致不期望的化学 反应的热交换器。 在这些情形中，通常使用双壁类型的热交换器。 在双壁热交换器中， 分隔热交换流体的板组件的每一个包括两个结合在一起的板。 对于铜焊的热交换器，一 些区域的铜焊必须避免。
为了能够检测一个板的泄漏，各个板通常以这样的方式结合在一起，即泄漏流 体允许在板之间向着板组件的边缘部分流到例如它可以被检测到的位置。 泄漏的快速检 测要求板间安置有足够间隔以允许泄漏流体容易地流向检测位置。 另一方面，为了提供 热交换流体之间的足够有效的热交换，期望将板安置得尽可能靠近。 相应地，之前已经 进行了各种尝试以设计出将这两个要求都考虑进去的双壁热交换器。
US 5,291,945 公开双壁热交换器的一个例子，包括限定板组件之间的流动空间的 多个板组件。 每个板组件包括两个嵌套的板，该两个嵌套的板大致被挤压为相同形状并 且彼此紧靠，但仍允许在板之间进行的热交换流体泄漏通过板之一的孔到达板组件的边 缘部分。 这种热交换器的缺点在于，从泄漏发生直到泄漏流体在边缘部分被检出所耗费 的时间相对较长，因为板彼此紧靠着。
US 6,662,862 公开热交换器的另一个例子，其中，相邻板形成双壁板单元。形成 在一个板中的脊和谷安置为适于并几乎接触另一板的相应的脊和山谷，除了在适于安置 为与相邻的双壁板单元接触的某些点处。 在这些点上，双壁板单元的板安置为在它们之 间具有一定距离以为了避免在双壁板单元的板之间不想要的铜焊材料，因为这将引入阻 塞板之间形成的流径的危险，从而防止可能的泄漏被检出。 发明内容
本发明的一个目的是提供一种双壁热交换器，其中可能的泄漏可以比相似的现 有技术的热交换器更快速地被检出。
本发明的另一目的是提供一种双壁热交换器，其中热交换流体之间的热传递， 特别地以效率 / 每千克进行衡量，与相似的现有技术热交换器相比得以改善。本发明的又另一目的是提供一种双壁热交换器，其中在操作过程中热交换流体 的压力损失与相似的现有技术热交换器相比减少了。
本发明的又再一目的是提供一种双壁热交换器，其与相似的现有技术的热交换 器相比能够更成本有效以及更加有效率地进行生产。
本发明的又还一目的是提供一种双壁热交换器，其可以生产为具有比相似的现 有技术热交换器更薄的材料，同时维持甚至提高热交换器强度。
根据本发明的第一方面，上面的以及其它的目的通过提供一种板式热交换器而 实现，该板式热交换器包括形成用于至少两种热交换流体的流径的一堆板组件，每个板 组件是包括第一板和第二板的双壁结构的，第一和第二板的每一个包括边缘部分和中心 热交换部分，其中 ：
第一板的中心热交换部分设置有第一表面图案，其具有限定距离第一板的板平 面第一距离的多个第一凸出区域和限定距离所述板平面第二距离的多个第二凸出区域， 所述第二距离小于所述第一距离，以及
第一板和第二板结合为以使得组合起来的凸出区域形成安置在第一板和第二板 之间的流径，该流径流体连接到板的边缘部分。
板组件是双壁结构的，也就是每个板组件包括两个结合在一起的板，如上所 述，相应地，本发明的板式热交换器适于用在避免热交换流体之间的交叉污染很重要的 场合。
每一板包括边缘部分和中心热交换部分。 边缘部分安置为大致圆周围绕中心热 交换部分。 热交换流体之间的热传递经由板的中心热交换部分进行。
边缘部分流体连接到周围。 这样，经由流径流动的泄漏流体最终将经由边缘部 分离开热交换器，从而允许可视地检测泄漏。 边缘部分可以完全开孔的，也就是，整个 边缘部分可以与周围流体连通。 在这种情形中，能够在相关流径抵达边缘部分的位置处 检测泄漏。 或者，边缘部分可以为或包括一个或多个流道，每个流道设置有一个或多个 提供到周围的流体连通的开孔。 安置在第一板和第二板之间的流径的每一个然后流体连 通到边缘部分的流道中的至少一个。 在这种情形中，可能的泄漏能够在开孔之一的位置 处进行可视检测。
第一板的中心热交换部分设置有第一表面图案。 第一表面图案具有多个第一凸 出区域和多个第二凸出区域。 第一凸出区域限定距离板平面的第一距离，第二凸出区域 限定距离板平面的第二距离，第二距离小于第一距离。 这样，第一表面图案包括两种类 型的凸出区域，从板平面凸出两个不同的距离。
第一板和第二板结合为以使得相组合的凸出区域形成流径。 该流径流体连接到 板的边缘部分。 从而，在板之一中在至少部分地与凸出区域重叠的位置发生泄漏的情形 下，泄漏流体被允许经由一个或多个流径流到板的边缘部分，从而允许泄漏被检出。
同时，第一板的不是凸出区域的部分可以安置为紧密接触第二板从而提供沿着 板组件的相对侧面流动的热交换流体之间的良好的热接触。 第一板和第二板甚至可以在 对应这些部分的位置铜焊在一起，从而提高热交换流体之间的热传递。
这样，本发明的板式热交换器保证可能的泄漏能够毫无折扣地被迅速检出，或 者甚至同时改善热交换流体之间的热传递。而且，第一凸出部分和第二凸出部分限定从第一板板平面两个不同的距离的事 实允许热交换流体直接沿着热交换器的整个长度和 / 或宽度流动，因为流体将能够沿着 由第二凸出区域限定的区域流动。 因此跨过板式热交换器的热交换流体的压力损失能够 得以最小化。 这是一种优点，因为在热交换器用于供水系统例如区域供热系统的情形 中，在终端用户处的高压因此得以保持。 在热交换器用于冷却回路或热泵回路的情形 中，泵所需要的工作减小。 这样，流速能够在通道中增大，从而在相同或更低的压降下 产生更好的热传递。
第一凸出区域可有利地为在第一板上安置为期望图案的多个凹坑 (dimple) 的形 式，第二凸出区域可以是通道形式的，每个通道互连两个或更多凹坑。
第二板的中心热交换部分还可以设置有例如与第一板的表面图案大致相同的表 面图案，或者不同的表面图案。 作为一种替代，第二板可以大致为平的，在该情形下， 安置在板之间的流径通过第一表面图案的凸出区域唯一限定。 这将在下面进一步详细描 述。
凸出区域可以形成鱼骨形 (herringbone) 图案。 根据该实施例，相邻板组件可以 有利地安置为以使得在相邻板的鱼骨形图案在相反方向倾斜的意义上来说相邻的板组件 相对于彼此 180 度旋转。 从而凸出区域限定在板组件之间的空间，在该空间中热交换流 体可以流动。 但是，因为第一凸出区域比第二凸出部分从第一板的板平面延伸更远的距 离，所以热交换流体将被允许跨过由第二凸出部分构成的鱼骨形图案部分，从而热交换 器的压力损失与现有技术的具有鱼骨形表面图案的板式热交换器相比降低。 第一板和第二可以利用铜焊技术有利地结合。 根据该实施例，铜焊材料，例如 铜、铜镍合金、镍或者其它适当的铜焊材料，优选地为薄片形式，在选取的位置处安置 在第一板和第二板之间。 当热交换器已经组装好时，它优选地在适当的烘箱中被加热到 足以熔化铜焊材料的温度，板因此铜焊在一起。 应当理解，该工艺是以板之间的流径不 被阻塞的方式进行的。 这将在下面进一步描述。
作为一种替代，第一板和第二板可以利用其它技术例如胶粘结合在一起。
第一板和第二板可以在不是凸出区域的区域中铜焊在一起。 根据该实施例，大 致安置在由板限定的板平面中的第一板和第二板的部分通过铜焊材料结合。 从而可以保 证板在这些区域牢固地保持在一起，从而提供在板组件的相对侧面上流动的热交换流体 之间的热接触。 而且，铜焊材料本身典型地进一步改善热传递。 这样，根据该实施例， 提供一种热交换器，其中热交换流体之间的热传递与相似的现有技术的热交换器相比得 到实质上的改善。
应当注意到，凸出区域的尺寸和形状应当设计为以使得铜焊材料不进入和阻塞 由凸出区域形成的流径。
凸出区域的组合区域可以构成第一板的总面积的至多 80％，例如在 20％ -50％ 的范围，例如大致 40 ％。 应当注意到，流径应当最小化但是必须足够大以避免紧隙铜 焊，也就是避免铜焊材料进入流道，从而阻塞流道。
根据该实施例，可以保证经由板的非凸出区域进行充分的热传递。
第一距离，也就是距离第一板的板平面的距离，其由第一凸出区域限定，可以 是在 0.2 毫米 -3 毫米范围内，例如在 0.4 毫米 -2 毫米范围内，例如在 0.5 毫米 -1 毫米范
围内，例如大致 0.6 毫米。 因为在很多情形下第一距离限定相邻板组件之间的距离，从而 限定用于热交换流体的流径的尺度，所以第一距离将通过这些流径的期望尺寸从而通过 意在的应用进行确定。
替代地，或者额外地，第二距离，也就是距离由第二凸出区域限定的第一板的 板平面的距离，可以是在 0.1 毫米 -2.5 毫米范围，例如在间隔 0.2 毫米 -2 毫米范围，例如 在 0.25 毫米 -1 毫米范围，例如在 0.3 毫米 -0.5 毫米范围，例如在大约 0.4 毫米。 但是， 该距离将取决于热交换器的尺寸以及跨过热交换器的设计压降。
应当注意到，第一距离以及第二距离应当优选地足够大以保证铜焊材料将不会 进入和阻塞由凸出区域限定的流径，从而潜在地防止有效的泄漏检测。
第一凸出区域可以在第一板上安置为大致六边形图案。 以这种方式安置第一凸 出区域具有以下优点 ：相邻第一凸出区域之间的距离可以最小化，同时优化没有凸出的 板组件的区域，也就是实际传递热的区域。 因此保证了对应相邻第一凸出区域之间的距 离的预定的最小尺寸的泄漏可以被检出，同时优化热交换流体之间的热传递。
第一凸出部分可以有利地为安置为在 110-145 度范围内，例如大致 120 度的相互 角度。 如上所述，第一凸出区域可以有利地为凹坑形式，第二凸出区域可以为互连凹 坑的通道的形式。 在优选实施例中，这样的凹坑可以安置为大致六边形图案，同时通道 互连凹坑以使得形成鱼骨形图案。
两个相邻第一凸出区域之间的平均距离可以在 0.5 毫米 -5 毫米范围内，例如 0.7 毫米 -4 毫米范围内，例如 1 毫米 -3 毫米范围内，例如大致 1.9 毫米或大致 2.9 毫米。 如 上所述，两个相邻第一凸出部分之间的平均距离可以用作用于最小可检测泄漏的指标。 在许多国家有标准的法律要求，即在双壁热交换器中必须可以检测出具有大于 2 毫米直 径的泄漏。 以它们的相互距离不超过 2 毫米的方式安置第一凸出区域将保证该要求得以 实现，因为具有大于 2 毫米直径的泄漏必须与至少一个第一凸出区域重叠，从而来自泄 漏的流体泄漏进入由凸出区域限定的流径并被引导到边缘部分，在该边缘部分泄漏可以 被检出。
第二板的中心热交换部分可设置有表面图案，该表面图案具有限定距离第二板 的板平面的第三距离的多个第三凸出区域和限定距离所述板平面的第四距离的多个第四 凸出区域，所述第四距离小于所述第三距离。
根据这个实施例，第一板以及第二板设置有限定距离相关板的板平面的不同距 离的凸出区域的表面图案。 第一板的凸出部分和第二板的凸出部分优选地配合形成板之 间的流径。
作为一种替代，第二板可以为大致平面的。
第一板和第二板可以结合为以使得第一凸出区域安置在对应第三凸出区域的位 置而第二凸出区域安置在对应第四凸出区域的位置，第一板的凸出区域与第二板的凸出 区域相比大致在相反方向凸出，并且使得相组合的凸出区域形成流体连接到板的边缘部 分的流径。
根据该实施例，第二板大致为第一板的镜像。 这使得非常容易制造热交换器。
第三凸出区域可以在第二板上安置为大致六边形图案。 上面关于安置为大致六
边形图案的第一凸出区域提出的评述在此可同样适用。
热交换器可以在热交换流体的入口 / 出口附近的位置进一步设置有其它的泄漏 保护。 这样的漏泄保护可以有利地为例如由安置在每个入口 / 出口周围的分隔槽形成的 分隔带的形式。 仅通过涉及的入口 / 出口流入或流出热交换器的热交换流体被允许进入 分隔带中。 在分隔带中，有利地提供隔开空间，该空间在正常操作条件下不能由任何热 交换流体到达。 为该空间提供泄漏通风孔，该通风孔仅能在泄漏情形下由交换流体到 达，并且通过流体连接泄漏通风孔和周围，泄漏检测可以有效地得以执行。 其它的泄漏 保护可以有利地为 EP 0974036 中描述的类型， EP 0974036 公开内容在此被引用作为参 考。
根据本发明的第二方面，上面以及其它目的通过提供一种制造根据本发明的第 一方面的板式热交换器的方法而得以实现，所述热交换器包括多个双壁结构的板组件， 所述方法包括步骤 ：
提供多个板，所述板是成对方式的适于形成双壁板组件，
通过安置在相邻板之间的铜焊材料片堆叠所述多个板，以及
加热堆叠的板到足以熔化铜焊材料的温度。 应当注意到，本领域技术人员将容易地认识到，结合本发明的第一方面描述的 任何特征还可以与本发明的第二方面相结合，反之亦然。
本发明的第二方面涉及一种制造根据本发明的第一方面的板式热交换器的方 法。 相应地，应当理解，上面描述的板式热交换器的所有特征，包括形成在每个板组件 的至少一个板上的第一表面图案和在板组件的板之间形成的流径，同样存在于根据本发 明的第二方面的方法得到的热交换器中。
根据所述方法，热交换器以非常简单的方式进行制造，也就是，简单地通过堆 叠板，在板之间有铜焊材料，然后加热堆叠的板以为了熔化铜焊材料，从而将板铜焊在 一起。 这样，不需要繁琐的额外的制造步骤，例如在堆叠板组件之前形成板组件，并且 制造步骤因此最小化。 第一表面图案的特定设计，尤其是第一和第二凸出区域，使得这 成为可能，因为这防止紧隙铜焊，如上所述。
加热步骤可以利用烘箱执行，或者它可以以任何其它适当方式进行。
铜焊材料可以有利地为铜。 或者，它可以是铜镍、镍或者其它的适当铜焊材 料。
提供多个板的步骤可以包括挤压至少一些板以获得第一表面图案，该第一表面 图案具有限定距离板平面的第一距离的多个第一凸出区域和限定距离所述板平面的第二 距离的多个第二凸出区域，所述第二距离小于所述第一距离。 这是获得期望表面图案的 非常容易的方式。 根据一个实施例，形成板组件的两个板中的仅仅其中之一可以被挤压 以在其上形成表面图案，所述组元的另一板大致为平面的。 或者，优选地，两个板都可 以被挤压以在其上形成图案。 所述板可以有利地安置为以使得凸出区域在相反方向凸 出，如上所述。
第一表面图案可以有利地通过单一挤压步骤提供，也就是整个表面图案可以在 一个挤压步骤中获得。
替代地，或者额外地，提供多个板的步骤可以包括在每个板上冲压至少一个入
口开孔和至少一个出口开孔。 冲压步骤优选地与挤压步骤分开执行。 但是，也能够想 到，挤压步骤和冲压步骤可以在一个步骤中执行。 附图说明 现将参照附图更详细地描述本发明，其中 ：
图 1 是根据本发明的实施例的用于板式热交换器的板组件的板的透视图 ；
图 2 是图 1 的板的细节 ；
图 3a 和 3b 是根据本发明的实施例的用于板式热交换器的板组件的第一板的沿着 两个不同方向的横截面示意图 ；
图 4a 和 4b 是根据本发明的实施例的用于板式热交换器的板组件的第二板的沿着 两个不同方向的横截面示意图 ；
图 5 是包括三个具有图 1 所示类型的板的板组件的板式热交换器的沿着图 2 所示 的线 Y1-Y1 剖开的横截面视图 ；
图 6 是包括三个具有图 1 所示类型的板的板组件的板式热交换器沿着图 2 所示的 Y2-Y2 剖开的横截面视图 ；以及
图 7 是包括三个具有图 1 所示类型的板的板组件的板式热交换器沿着图 2 所示的 线 X-X 剖开的横截面视图。
具体实施方式
图 1 是根据本发明的实施例的用于板式热交换器的板组件的第一板 1 的透视图。 板 1 设置有两个大的开孔 2，其适于连接到用于热交换流体的入口或出口。 板 1 包括边缘 部分 3 和中心热交换部分 4。
板 1 的中心热交换部分 4 设置有表面图案，该表面图案包括安置为大致六边形图 案的多个凹坑 5 和多个管道部分 6，每个管道部分互连两个凹坑 5 或者互连凹坑 5 和边缘 部分 3。 凹坑 5 以及管道部分 6 从板 1 在从纸张平面出来的方向凸出。 管道部分 6 进一 步安置为以使得凸出区域 5、6 的鱼骨形图案得以形成。
在热交换器的组装过程中，板 1 铜焊到另一板以为了沿着在图 1 中不可见的侧面 形成双壁板组件。 另一板在它也设置有相似的凹坑表面图案和管道部分的意义上对应如 图 1 所示的板 1，凹坑和管道部分安置在对应第一板的凹坑 5 和管道部分 6 的位置的位置 处，但是在相反方向凸出。 这样，两个板的凹坑 5 和管道部分 6 相结合形成安置在板之 间的流道，并且每一个形成到边缘部分 3 的流径。 铜焊材料被允许进入并不对应凹坑 5 或管道部分 6 的区域 7 处的板之间。 从而获得在双壁板组件的两侧上流动的热交换流体 之间的良好热传递。 以这种方式形成双板组件，它们能够被认为是具有内部通道的传统 的单板。 这将在下面进一步详细描述。
凹坑 5 比管道部分 6 在从纸张平面出来的方向更加凸出。 这允许当热交换器已 经组装时热交换流体通过对应管道部分 6 的区域。 这将在下面进一步详细描述。
图 2 是图 1 的板的细节。 从图 2 可以清楚看出，凹坑 5 比管道部分 6 在从纸张 出来的方向更加凸出。
图 3a 和 3b 是根据本发明的实施例的用于板式热交换器的板组件的第一板 1 的横截面示意图。 图 3a 示出沿着与板 1 的凹坑 5 和平的区域 7 但是不是管道部分相交的方向 上的板 1 的横截面。 从图 3a 可以看出，平的区域 7 大致与由虚线表示的板平面 8 平齐。 边缘部分 3 同样能够看到。
图 3b 示出板 1 沿着与凹坑 5 以及管道部分 6 相交的方向的横截面。 从图 3b 可 以看出，管道部分 6 安置在距离板平面 8 的一定距离处，并且凹坑 5 比管道部分 6 从板平 面 8 凸出更多。
图 4a 和 4b 为沿着对应如图 3a 和 3b 所示方向的方向上的第二板 9 的横截面的示 意图。 这样，在图 4a 中，所述方向与凹坑 5 和平的区域 7 相交，在图 4b 中，所述方向 与凹坑 5 和管道部分 6 相交。 可以看出，第二板 9 的凹坑 5 和管道部分 6 在大致与其中 第一板 1 的凹坑 5 和管道部分 6 凸出的方向相反的方向凸出。 而且，凹坑 5 和管道部分 6 安置在板 1、9 的相应位置处。 这样，当第一板 1 和第二板 9 结合时，组合两个板 1、9 的凹坑 5 和管道部分 6 形成适于向着边缘部分 3 引导泄漏流体的流径。
图 5 是包括三个具有如图 1 所示类型的板 1、9 的板组件的板式热交换器 10 沿着 如图 2 所示的线 Y1-Y1 剖开的横截面视图。 板 1a 和 9a 形成第一双板，板 1b 和 9b 形成 第二双板，板 1c 和 9c 形成第三双板。 每一双板的板 1、9 之间形成流径 11。 这些流径 11 适于将可能的泄漏流体向着板 1、9 的边缘部分 3 引导用于检测。 每个双板在对应凹坑 5 的位置铜焊到其相邻的双板。 进一步地，双板在平行于 板的平面 180 度取向。 这类似于标准热交换器。 从而，用于第一热交换流体的第一通道 12 和用于第二热交换流体的第二通道 13 得以形成。 显然，凹坑 5 限定到板平面 8 的距 离，其大于由管道部分 6. 限定的距离。 从图 5 还可以清楚看出，热交换流体被允许经由 由管道部分 6 限定的区域通过流径 11。 从而，跨过热交换器 10 的压力损失与相似的现有 技术的热交换器相比减少。
图 6 是如图 5 所示的板式热交换器 10 的横截面视图，但是是沿着图 2 所示的线 Y2-Y2 剖开的。 这样，在图 6 中，横截面是沿着仅与平的区域 7 相交的方向。 可以看 出，在第一通道 12 中流动的第一热交换流体和在第二通道 13 中流动的第二热交换流体沿 着这个横截面彼此非常靠近地安置，从而提供两种流体之间的良好的热接触，并从而提 供良好的热传递。 而且，每个双板的板 1、9 在平的区域 7 铜焊在一起，从而更进一步提 高跨过每个双板的热传递。
图 7 是图 5 和 6 的板式热交换器 10 的横截面视图，但是是沿着图 2 所示的线 X-X。 这样，在图 7 中，横截面是沿着与凹坑 5、管道部分 6 和平的区域 7 相交的方向。 应当注意到，板 9a 和 1b 以及板 9b 和 1c 分别在对应凹坑 5 的位置铜焊在一起。 而且， 板 1a 和 9a、1b 和 9b 以及 1c 和 9c 分别在对应平的区域 7 的位置铜焊在一起。
尽管图 5 和 7 仅仅是示意图，但是凹坑 5 和管道部分 6 具有如图 5 和 7 所示的大 致方形形状是期望的。 当将它们制造为大致方形时，管道在铜焊工艺过程中将不会充填 铜焊材料，从而保证可靠的且良好的性能热交换器。