專利名稱：熱交換器板、具有熱交換器板的板式熱交換器以及用于制造板式熱交換器的方法
技術領域：
本發明涉及一種熱交換器板，設有該熱交換器板的板式熱交換器以及用于制造該板式熱交換器的方法。本發明還具體涉及具有陶瓷板的板式熱交換器。
背景技術：
在用于在不相互接觸且禁止混合在一起的兩種流體或氣態介質之間交換一定熱量的熱交換器或換熱器中，通常使用所謂的板式熱交換器或板式換熱器，其中用于在兩種介質之間交換熱量的區域是通過堆疊所謂的熱交換器板或換熱器板而形成的，所述熱交換器板或換熱器板被像包裹一樣彼此抵靠著放置或被放置在彼此的頂部上，其中緊挨著的熱交換器板在其間建立流動空間，并且緊挨著的流動空間在流動方面彼此分開，并且分別分配給兩種介質中的一種。因此，這里堆疊或包裹內的奇數接連著的(consecutive)流動空間運載第一介質，并且堆疊或包裹內偶數接連著的流動空間運載第二介質，從而沒有任何混合。熱量經由分別界定(border)并且分隔流動空間的熱交換器板進行交換，使得熱交換器板用作流動空間的邊界壁，并通過設置相應的墊圈相對于彼此密封。已知熱交換器板由例如金屬制成，使得包括多個熱交換器板的熱交換器的構造能夠被熔接或釬焊，作為其結果，釬焊或熔接焊縫同時也用作墊圈。依照其制造成本、重量和物理化學特性，金屬熱交換器板有時并不是有利的。
發明內容
本發明的目的在于指出一種用于板式熱交換器的熱交換器板、板式熱交換器本身以及用于制造熱交換器板的方法，其中可以在特別高度的可靠度和機械穩定性的條件下以尤其有效的方式實現熱交換。本發明的目的是根據本發明借助于關于用于板式熱交換器的熱交換器板的獨立權利要求1中的特征、根據本發明借助于關于板式熱交換器的獨立權利要求17中的特征、以及根據本發明借助于關于制作用于板式熱交換器的熱交換器板的方法的獨立權利要求18中的特征來實現。有利的進一步發展是從屬權利要求的相應的目的。因此，本發明的一方面涉及替代常規提供的金屬材料，提供一種陶瓷材料、并且具體地是SiC材料或碳化硅材料、作為用于板式熱交換器的熱交換器板的材料。本發明的另一方面涉及通過使所提供的流動管道布置結構的部分或全部的流動管道部分地或完全地具有管道腹板(web)，而在給定該類型材料的選擇的情況下，確保熱交換器板的機械穩定性，所述管道腹板形成通道壁，所述管道壁完全地或部分地界定管道溝槽。這些管道腹板機械地使流動管道布置結構的流動管道穩定，并且因此使作為整體的板基材穩定，尤其是在它們在使用期間和被一體形成到板式熱交換器中時與其它熱交換器板相互作用的情況下，并且允許特定的熱交換器板以基本扁平的形式抵靠于另一緊挨著的熱交換器板，使得由流動介質施加的壓力不能夠致使下方的陶瓷材料中的板破裂。
重點放在能夠根據本發明實現的以下方面板基材，并且因此熱交換器板能夠呈現任何、即甚至常規的形狀和尺寸，使得尤其是板基材的總體高度和總體寬度、并且因此根據本發明的熱交換器板的總體高度和總體寬度不受限制。關于所要提供的流動管道，能夠依據應用面積而設置在根據本發明的熱交換器板中的最小管道深度，例如在所謂的微型熱交換器或微型換熱器中也在大致0. 2mm范圍內。當根據本發明的熱交換器板在板式熱交換器中被利用時，可使用具有墊圈的布置結構。然而，這不是強制的，因為僅通過將緊挨著的換熱器板放置在彼此的正好頂部上也能夠建立相互密封，其中熱交換器板在過程中相互支撐，例如具體在于板的后側依次接觸堆疊中板的前側。管道腹板也能夠抵靠管道腹板，后側也能抵靠管道腹板等。根據本發明的熱交換器板的幾何構造和其流動管道結合多個根據本發明的熱交換器板在板式熱交換器中的布置結構使得可以實現熱交換介質或流體的分流，例如還在具 有多個通路和/或熱交換流體的多個分流方面實現。燒結碳化硅材料或SSiC材料能夠在所有或部分板基材設計中使用。該材料選擇的特別優勢在于增加的機械穩定性，并且增加化學惰性。所述板基材的最小層厚Dmin和/或平均層厚Dm能夠在在約2mm至約4mm的范圍之間，具體地約3mm或更小，優選地約2mm。所形成的管道腹板使得可以相應地減小熱交換器板的厚度，而不會造成任何機械不穩定。在缺少由流動管道的相應的管道腹板提供的機械穩定性時，如果熱交換器板由陶瓷材料制成，則需要高得多的層厚來使熱交換器板穩定。這會致使重量和體積上升，因此在相同的熱交換水平下使得更大的設備和更高的成本成為必要。板基材的層厚Ds在管道腹板的區域中能夠大于板基材的最小層厚Dmin和/或板基材的平均層厚Dm，由此大致滿足以下關系Ds ^ Dmin或大致滿足以下關系Ds 彡 Dm。流動管道的管道溝槽的底板的高度處，流動管道的管道溝槽的底板的局部寬度Bb與流動管道的管道腹板的底部的局部寬度Bsb——均垂直于流動管道的局部方向測量——能夠展現約為1:4的比值Bb:Bsb，由此大致滿足以下關系Bb: Bsb=IO: 4。在背對流動管道的管道溝槽的底板的一側上，流動管道的管道溝槽的底板的局部寬度Bb與流動管道的管道腹板的高臺(plateau)的局部寬度Bsp——均垂直于流動管道的局部方向測量一能夠展現在約為10:3的范圍內的比值Bb:Bsp，由此大致滿足以下關系10:4 ^ Bb:Bsp ^ 10:2或優選地大致滿足以下關系Bb: Bsp=IO: 3。在流動管道的管道溝槽的底板高度處的流動管道的管道腹板的底部的局部寬度Bsb與在背對流動管道的管道溝槽的底板一側上的流動管道的管道腹板的高臺的局部寬度Bsp—均垂直于流動管道的局部方向測量一能夠展現范圍從約1:1至約4:2、優選地為約4:3的比值Bsb:Bsp，由此大致滿足以下關系4:2 ^ Bsb:Bsp ^ 1:1或優選地大致滿足以下關系Bsb:Bsp=4:3。流動管道的通道壁包括與相對于流動管道的管道溝槽的底板的法向形成的角度a，所述角度a范圍從大于0°至小于30°，優選地在約15°，由此大致滿足以下關系0°〈 a 彡 30°或優選地大致滿足以下關系 =15°。流動管道的管道溝槽的底板的局部寬度Bb—垂直于流動管道的局部方向測量——與流動管道的管道溝槽的深度t——垂直于流動管道的管道溝槽的底板測量——能夠展現范圍從約10:10至約10:4、優選地為10:4的比值Bb: t，由此大致滿足以下關系 10:10 ^ Bb:t ^ 10:4或優選地大致滿足以下關系Bb:t=10:4。在關于板厚的管道幾何形狀方面，在構造根據本發明的熱交換器板期間通過各種幾何布置結構來實現剛剛描述的措施(measures)，結果是，以相對低的體積和/或重量實現了尤其有利的機械特性。能夠設置供給或移出開口，所述供給或移出開口從上側到底側穿透板基材并且向板基材的上側供給或從該上側移出第一熱交換流體Fl，其中流動管道布置結構被設計成將第一熱交換流體Fl從供給開口傳輸到移出開口。流動管道布置結構中的所有或部分流動管道能夠展現多波動行進部。波動方向U可沿由板基材限定的表面或平面延伸和/或局部和/或平均地垂直于由相應的流動管道限定的流動方向延伸。相應的流動管道的波動形狀可以是選自包括鋸齒形狀、交替梯形形狀、波浪形狀、正弦形狀及其組合的組中的形狀。板基材的后側或底側能夠展現具有多個相應的流動管道的用于第二熱交換流體F2的第二流動管道布置結構。從上側到底側穿透板基材的第二供給和移出開口能夠設置成向板基材的后側或底側供給或從之移出第二熱交換流體F2，其中第二流動管道布置結構被設計成從第二供給開口向第二移出開口傳輸第二熱交換流體F2。根據本發明的熱交換器板能夠被設計成在前側或上側和后側或底側方面關于沿板基材延伸的對稱軸線S以180°旋轉對稱。板基材能夠基本上具有矩形形狀。這里，供給和移出開口能夠形成在矩形形狀的相對的第一邊上的一優選地短邊上的區域中，具體地形成在角部區域中。第一和/或第二熱交換流體Fl、F2流動的方向和/或流動管道延伸的主方向能夠基本上沿矩形形狀的相對的第二邊——優選地長邊延伸的方向形成。當根據本發明的多個熱交換器板相互作用、即被一起排成堆疊或包裹時，上述措施(measures)使得可以實現不同的流動幾何形狀。本發明的另一方面還提供同樣地具有多個(n個)根據本發明的熱交換器板的板式熱交換器，其中熱交換器板被設計和布置成使得各前一熱交換器板j = 1，…，n-1的板基材的后側或底側與相應的緊挨著的熱交換器板j+1，j = 1，…，n-1的板基材的前側或上側直接相對地放置或與直接抵靠于后者，或特別地具有插置(interspersed)的密封布置結構；熱交換器板j = 1，-,n的排列和/或特別地密封布置結構的建立導致在流動方面上彼此分開的直接連續的流動通過空間R1，…，Rn+1形成或被形成；緊挨著的流動通過空間Rj, Rj+1, j = 1，…，n在流動方面上成對分開；且相應的隔一個相鄰的流動通過空間Rj, Rj+2, j = 1，…，n在流動方面上成對連結在一起，且各分配給一熱交換流體F1、F2，并設計成允許相應的分配的熱交換流體F1、F2從相應的供給開口流到相應的移出開口。本發明的另一方面還提供一種用于制造板式熱交換器的熱交換器板的方法，該方法具體地包括以下步驟提供或形成板基材，該板基材包含或由SiC材料或碳化硅材料構成，并具有前側或上側和后側或底側；在板基材的前側或上側上形成具有多個流動管道的流動管道布置結構，其中流動管道布置結構中的一些或全部流動管道完全或部分地制造有管道腹板，所述管道腹板界定管道溝槽并且形成管道壁。板基材能夠包含或由燒結碳化硅材料或SSiC材料構成。流動管道布置結構的流動管道能夠被設計成展現完全或部分多波動行進部(progression)。波動方向U能夠被設計成沿由板基材限定的表面或平面中延伸和/或局部和/或平均地垂直于由流動管道限定的流動方向延伸。波動形狀能夠是選自包括鋸齒形狀、交替梯形形狀、波浪形狀、正弦形狀及其組合的組中的形狀。將基于附圖解釋這些和其它方面。
圖1A展示描繪根據本發明的熱交換器板的實施例的前側的示意性俯視圖。圖1B展示描繪圖1所示根據本發明的熱交換器板的實施例的后側的示意性俯視圖。圖2A、2B展示類似于圖1和2的根據本發明的熱交換器板的另一實施例，其中主流動管道具有不同的幾何形狀。圖3、4展示描繪根據本發明的熱交換器板的兩個實施例的前側的示意性俯視圖，該兩個實施例被設計成類似于圖1A和2A的實施例，但供給管道的管道腹板展現相對圖1A和2A不同的幾何形狀。圖5、6展示描繪根據本發明的熱交換器板的橫截面圖，以示出管道幾何形狀的橫截面。圖7展示描繪根據本發明的熱交換器板的堆疊的分解圖，這種類型可設置在板式熱交換器內。圖8A-8D展示描繪圖7所示熱交換器板的堆疊或包裹的示意性側視圖，其中示意了用于兩種所提供的流動介質的流動條件。
圖9展示描繪根據本發明的板式熱交換器的實施例的示意性側視圖，其展現根據本發明的熱交換器的堆疊或包裹。圖10AU0B展示示意性地描繪根據本發明的熱交換器板的另一實施例的俯視圖和橫截面圖。
具體實施例方式下文將描述本發明的各實施例。本發明的所有實施例與其技術特征和特性可根據需要且無限制地以彼此獨立的方式或以隨機匯集的方式組合。下文結合附圖用相同的附圖標記標示結構和/或功能上相同、類似或等同作用的特征或元件。不會在每種情況下重復這些結構或構件的詳細描述。首先總體參照附圖。本發明還具體涉及具有多個根據本發明熱交換器板I的板式熱交換器100或板式換熱器100。具體地，這里提供用于構造根據本發明的熱交換器板I的單片設計的陶瓷材料。單片陶瓷材料對撓曲載荷高度敏感。這是先前已經大大地排除使用單片陶瓷材料來構造板式熱交換器100中的熱交換器板I的原因，因為用于陶瓷熱交換器板且具體地用于SSiC熱交換器板I中的流動腔室的各種結構概念并不在熱交換器板I的大面積上提供支撐作用。由于在相應的流動腔室暴露于流體壓力期間，由內部壓力載荷導致的撓曲載荷，這在先前已導致板破裂。該問題根據本發明通過設計具有所謂的管道腹板20s的流動管道20k來解決，所述管道腹板20s形成管道壁20w，所述管道壁20w在其方面(on their part)完全或部分地界定流動管道布置結構20的流動管道20k的管道溝槽20r。確切地是，管道腹板20s具體地依靠所述管道腹板20s有助于在板式熱交換器100中相對于彼此地支撐根據本發明的多個熱交換器板I的布置結構的事實而使熱交換器板I的結構固有地穩定，所述熱交換器板I由陶瓷材料、且尤其由SiC或SSiC材料構成。現將詳細參照附圖。圖1展示熱交換器板I或換熱器I的第一實施例的示意性俯視圖。后者主要由板基材10構成，板基材10也簡稱為用于熱交換器板I的基材10，并且包含或由至少一種陶瓷材料10’、優選的是SiC材料或碳化硅材料10’構成，并且還優選地包含或由至少一種燒結碳化硅材料10’或SSiC材料10’構成。用于熱交換器板I的基材10具有板結構，該板結構具有前側或上側IOo和后側或底側IOu ;然而，這些能夠恰恰對于相應的應用具體地具有等同的地位，并且還能夠具有類似或甚至相同的結構。下面將首先描述根據本發明的熱交換器板I的基材的所謂的前側或上側10o。首先設置的是第一流體Fl的供給開口 2、第一流體Fl的移出開口 3、用于第二流體F2的供給開口 2’以及用于第二流體F2的移出開口 3’。所有開口 2、2’、3、3’都形成在板基材10的邊緣或角部區域。用于第一流體Fl的供給開口 2形成在圖1A所示的視圖的左上角。用于第一流體Fl的移出開口 3形成在左下角。然而，用于第一流體Fl的移出開口 3能夠被定位成與用于第一流體Fl的供給開口 2對角線方向相對，即在圖1A所展示的視圖中的右下角中。在圖1A的實施例中，用于第二流體F2的供給開口 2’形成在右上角的區域中，而用于第二流體F2的移出開口 3’形成在右下角的區域中。然而，用于第二流體的移出開口3’也能夠被定位成與用于第二流體的供給開口 2’對角線方向相對，即在圖1A所示附圖中的左下角的區域中。用于相應的流體的相應的供給開口和移出開口均相對于板基材10的縱向排列彼此相對地放置。在圖1A所示的布置結構中，它們另外地相對于短邊k被布置在板基材10的相應的左側或右側上。此外，一方面兩個供給開口 2、2’和另一方面兩個移出開口 3、3’相對于板基材10的縱向邊緣I或長邊I彼此相對，使得尤其當將多個根據本發明的熱交換器板10組合在板式熱交換器100內時實現逆流過程；這將再下文更詳細地進行說明。用于第一流體的供給開口 2和移出開口 3通過用于前側IOo并且用于第一流體Fl的主墊圈6而被包含或定界在板基材10的上側IOa上，使得用于第二流體F2的供給開口2’和移出開口 3’位于用于上側IOo的主墊圈6的外側。除了用于第一流體Fl的供給開口 2和移出開口 3之外，設置在用于前側IOo的主墊圈6的內側的還有用于流動管道20k的布置結構20，所述布置結構20也被稱為管道布置結構20或流動管道布置結構20。設置在該通道布置結構20中的多個流動管道20k在基材10的表面或上側IOo上延伸，具體來說多個單獨的管道20k在板基材10的上側IOo上、在用于上側IOo的主墊圈6內側形成一種浮凸。管道20k主要在用于第一流體Fl的供給開口 2和移出開口 3之間延伸。整個管道布置結構20被劃分成主管道布置結構或主熱交換管道布置結構21，該布置結構21位于用于第一流體的供給開口 2與移出開口 3之間的中部并且與后者稍微間隔開，并且由主管道21k或主熱交換管道21k形成。供給或分布管道布置結構22或分布管道22k或者管束、合并或移出管道布置結構23與用于第一流體Fl的供給開口 2和移出開口 3緊挨著并且與主管道布置結構21直接連接和/或與之相鄰，其中所述供給或分布管道布置結構22具有分布管道22k，所述管束、合并或移出管道布置結構23具有多個管束、合并或移出管道23k。在運行期間，第一流體Fl經由供給開口 2供給，并且被以可實現方式在板基材的上側IOo上引入并且在那里進行分布。該分布由鄰接用于第一流體Fl的供給開口 2的供給和分配管道布置結構22的分布管道22k操縱。供給和分配管道布置結構22的分配管道22k將第一流體Fl運載延續到主管道布置結構21或主熱交換管道布置結構21的主管道21k或主熱交換管道21k中。主管道21k和主管道布置結構21在設計上比供給和分配管道布置結構22相對更長，從而導致在管道20k中流動的第一流體Fl在其中保留更長的時間，使得產生與板基材10的強烈熱傳遞。主管道21k然后過渡到所謂的集束管道23k，該集束管道23k也能夠被稱為移出管道23k或合并管道23k，并且該集束管道23k容納來自主管道21k的第一流體Fl并將該第一流體Fl通到用于第一流體Fl的移出開口 3，然后該第一流體Fl在從用于第一流體Fl的供給開口 2開始流動通過整個管道布置結構20的管道20k之后，通過所述移出開口 3再次退出管道布置結構20，并且因此退出根據本發明的熱交換器板I的基材的上側10o。由于用于第一流體Fl和用于上側IOo的主墊圈6，第一流體Fl在從供給開口 2流動到移出開口 3的同時不到達該主墊圈6外側的外部區域，并且因此不到達用于第二流體F2的供給開口 2’和移出開口 3’的區域。此外，用于第二流體的供給開口 2’和移出開口 3’展現第一和第二輔助墊圈4-1或4-2，所述第一和第二輔助墊圈4-1或4-2通過在其邊緣區域中向外包絡用于第二流體F2的供給開口 2’和移出開口 3’而再次密封用于第二流體F2的供給開口 2’或移出開口 3’。因此，用于第一流體Fl的供給開口 2和移出開口 3與用于第二流體F2的供給開口 2’和移出開口 3’在流動方面彼此分開或隔離，使得第一和第二流體Fl或F2在板基材的上側IOo上不混合在一起。用于第一流體Fl的供給開口 2和供給和分配管道布置結構22共同形成用于基材的前側IOo或用于第一流體Fl的供給或分配區域7，所述供給和分配管道布置結構22具有分配管道22k或供給管道22k。主管道布置結構21或主熱交換管道布置結構21以其主管道21k或主熱交換管道21k形成位于板基材10的上側IOo上的或用于根據本發明的熱交換器板I的第一流體Fl的主熱交換區域或主熱傳遞區域9。因而，用于第一流體Fl的移出開口 3與具有集束管道23k、合并管道23k或移出管道23k的管束和移出管道布置結構形成用于根據本發明的熱交換器板I的板基材10的前側IOo或用于第一流體的所謂的管束和移出區域8。在圖1A上的俯視圖中示出的布置結構關于所標出的對稱軸線X嚴格地軸向對稱。至少在一方面用于第一流體Fl的供給開口 2和用于第二流體F2的移出開口 3’與用于第一流體Fl的移出開口 3和用于第二流體F2的供給開口 2’關于也標出的對稱軸線y嚴格軸向對稱地布置。基材10的外部形狀以關于軸線X和y嚴格地軸向對稱的方式布置，且基本上被成形為類似具有圓角的細長矩形，并且長邊I與短邊k的高寬比在約2:1的范圍內。在圖1A上所描繪的布置結構中，供給管道22k或分配管道22k以I對I布置或分配方式直接過渡到主管道21k，并且主管道21k又以I對I布置方式過渡到集束管道23k或移出管道23k。圖上的管道中空空間20r或管道溝槽20r被描繪為白的或亮的，而構成管道壁的管道腹板20s被示出為黑的或暗的。因此，在圖1A上的布置結構中的管道20k作為整體由相應的供給管道22k、直接分配的主管道21k和直接分配給其的移出管道23k形成。主管道21k這里被成形為類似具有三角形基本圖案的鋸齒或曲折線。然而，也可考慮其它實施例。關于來自圖1A的布置結構的關鍵因素在于，管道布置結構20整體并且管道20k具體地包括所謂的管道腹板20s,所述管道腹板20s形成管道溝槽20r的管道壁20w。確切地是，從流體動力或流控動力學觀點看，這些管道腹板20s在用于第一流體Fl的供給開口2的區域中產生特殊的機械穩定性。一方面，固有地平坦設計的板基材10的機械穩定性由溝槽20r和腹板20s的凹陷順序而固有地穩定。然而，板式熱交換器100中的堆疊的根據本發明的熱交換器板I的多個板基材10之間的相互作用還具有使緊挨著的基材10在管道腹板20s的區域上被相互支撐的效果。該雙重的機械穩定或加固性使得可以使用板基材10的陶瓷基材材料10’，所述陶瓷基材材料10’固有地在根據本發明的撓曲應力方面不能承受強載荷，所述陶瓷基材材料10’具體地是所謂的碳化硅材料或SiC材料的形式，并且具體地是燒結碳化硅材料或SSiC材料的形式，而不必要增加根據本發明的熱交換器板I的板基材10的板厚度或層厚度DS，這是由于腹板結構，即管道的溝槽20r和管道20k的腹板20s的凹陷順序連同通過使管道20k的腹板20s直接抵靠在相鄰熱交換器板I構成的板堆疊中而導致的相互支撐作用產生相對于彼此更高的剛度和穩定性，使得在根據本發明的熱交換器板I的板基材10上的撓曲應力不超過可能的最大值，即使當第一流體Fl在伴隨的高壓下通過用于第一流體Fl的供給開口 2被引入時也是如此。從來自圖1A上的布置結構的基材10的上側IOo方向看，圖1B展示示出相同的基材10的后側IOu或底側IOu的結構的一種虛線圖。為此原因，用點或虛線描繪所有的結構。這里提供的用于后側IOu的、用于第二流體F2的主墊圈6’以及用于第一流體Fl的供給開口 2或移出開口 3的第一和第二輔助墊圈4-1’和4-2’的在后側IOu方面的布置結構關于對稱軸線X嚴格地軸向或鏡像對稱，且通過比較，圖1A上所示的關于用于第一流體Fl的主墊圈6和用于第二流體的輔助墊圈4-1和4-2在前側IOo方面的相應布置結構關于對稱軸線y嚴格地軸向或鏡像對稱。這里主墊圈6’包絡用于第二流體F2的供給開口 2’和移出開口 3’，將用于第一流體Fl的供給開口 2和移出開口 3在流動方面上與相應的第一和第二輔助墊圈4-1’和4-2’向外分離，并且其內部展現在根據本發明的熱交換器板I的板基材10的后側IOu上的用于第二流體F2的管道布置結構20’或流動管道布置結構20’。因此，用于板基材10的后側IOu或底側IOu的布置結構基本上對應于圖1A所示的用于板基材10的前側IOo的布置結構。因而，其間形成用于后側IOu或第二流體F2的供給區域V或分配區域7’、管束區域8，或移出區域8’、以及主熱交換區域9’或主熱傳遞區域9’，具體地是，在根據本發明的熱交換器板I的板基材10的后側IOu上，通過用于第二流體F2的供給開口 2’與具有用于第二流體F2的供給管道22k’或分配管道22k’的供給管道布置結構22’或分配管道布置結構22’的相互作用、通過具有用于第二流體F2的主管道21k’或主熱交換管道21k’的主管道布置結構21 ’或主熱交換管道布置結構21’、或通過用于第二流體F2的移出開口 3 ’與具有用于第二流體F2的集束、合并或移出管道23k’的集束管道布置結構23’、合并管道布置結構22’或移出管道布置結構24’的相互作用來形成。其它方面，相應地適用根據圖1關于前側IOo所陳述的內容。除了圖1A和IB上用于第一流體I的主管道21k和用于第二流體F2的主管道21k’和相應的腹板20s、20s’展現鋸齒或曲折形狀，而在根據圖2A和2B的實施例中呈波形，具體地是正弦曲線行進部的類型的波形之外，圖2A和2B所示的布置結構對應于圖1A和IB的布置結構。所有的管道形狀基本上都是可想到的，即例如具有任何橫向波動，即在基材10的上側IOo或底側IOu的平面中延伸，并且在根據本發明的熱交換器板I的板基材10的前側IOo和/或后側IOu的XY平面內具有波動方向U。波動本身致使在管道20k、20k’內流動或涌動的流體F1、F2停留更長的時間，并且因此導致與基材10的材料10’更緊密的熱交換。圖3和4展示描繪用于根據本發明的熱交換器板I的兩個另外的實施例的基材10的上側IOo的俯視圖。在它們的結構方面，管道20k、20k’的主管道21k、21k’這里基本上一方面對應于圖1A、B上的布置結構中的管道，另一方面對應于圖2A、B上的布置結構中的管道，即它們展現鋸齒或波浪形狀。與圖1A至2B上的布置結構相反，圖3和4上的布置結構展現不再與主管道21k、21k’I對I對應的供給管道22k、22k’和移出管道23k、23k’。而是，管道腹板20s、20s’——具體地22s、22s’、23s、23s’——這里在設計上大大擴展，使得供給管道22k、22k’和移出管道的總體數量少于主管道21k、21k’的數量。然而，如果腹板20s、20s’、22s、22s’、23s、23s’進行擴展，則這里在用于第一介質的供給開口 2和移出開口 3的區域中機械穩定性被進一步增加，并且相應地對于在后側IOu上的、用于第二介質的供給開口 2’和3’亦是如此。圖5和6展示穿過根據本發明熱交換器板I的兩個實施例的基材10的剖切局部視圖，具體地是以圖1A至4的布置結構為基礎沿方向Y觀察到的視圖。圖5和6上所示的布置結構展現了用于管道20k、20k’、具體地是主熱交換管道布置結構21、21’，即主管道21k、21k’的橫截面的各種可能實施例。 在圖5所示的布置結構中，相應的管道20k、20k’的相應的管道溝槽20r、20r’和相應的管道腹板20s、20s’具有大致矩形或四方形形狀，并展現相對于彼此基本相同的構造。例如，這里相應的管道底板20b、20b’形成用于下方的基材的最小層厚度Dmin的水平高度。腹板或管道腹板20s、20s’以形成管道溝槽20r、20r’的深度t的高度放置在其上，該深度t對應于流動管道20k、20k’的管道溝槽20r的底板20b、20b’的寬度Bb，但是也對應于在底板20b、20b’的高度處的管道腹板20s、20s’的寬度Bsb，并且還對應于腹板20s、20s’的高臺20sp、20sp’的局部寬度Bsp。管道201、20k’的幾何形狀給予管道壁20w、20w’垂直設計。為相應的管道腹板20s、20s’的底部和管道腹板20s、20s’的高臺20sp、20sp’選擇相同的寬度，其中Bsp=Bsb。相比而言，圖6上的實施例中的管道腹板20s、20s’的底部和管道腹板20s、20s’的高臺20sp、20sp’這樣選擇，S卩產生用于管道腹板208、208’、朝向背對管道底板2013、2013’的一側的漸縮的行進部，其中相應的管道壁20w、20w’的傾斜角α不為0°，使得Bsb>Bsp。圖7展示根據本發明的具有多個熱交換器板I或lj，j = 1，…，η的板式熱交換器100的布置結構100’的示意性和透視分解圖，其被布置成彼此覆蓋或重疊以類似堆疊(stack) 110，并且交替地產生用于第一流體Fl的流動空間Rl、R3、R5…或用于第二流體F2的流動空間R2、R4、R6、…。還指示出的是根據本發明的緊挨著的熱交換器板I或lj，j=l，…，η的間隙或流動空間R1、R2、R3…相對于相應的第一和第二流體F1、F2的分配。箭頭指示相對于向前流動和返回流動的流動狀態，即流入和流出。該圖中未指示相應的墊圈6、4-1、4-2和各種管道布置結構20、20’。圖8A至8D示意性地展示在圖7上布置結構100’中呈現的關于第一和第二流體Fl和F2的流動狀態的剖切側視圖和俯視圖。這里專門地示出用于第一和第二流體Fl、F2的第一和第二輔助墊圈4-1、4-2、4-1’、4-2’。從圖7至8D提供的信息顯而易見的是，將根據本發明的多個換熱器板I或lj，j=1，. . .，n串在一起并且使其相互連接產生用于第一和第二流體Fl和F2的交替的流動空間的排列，其中在直接連續的熱交換器板I或lj，j = 1，. . .，η之間的接連著的奇數間隙R1、R3、R5……形成用于第一流體Fl的流動空間R1、R3、R5……，而在直接連續的熱交換器板I或I j，j = 1，· · ·，η之間的接連著的偶數間隙R2、R4、R6……形成用于第二流體F2的流動空間R2、R4、R6……。
因為主墊圈6、6’和輔助墊圈4-1、4-2、4-1’、4_2’具有太厚的構造，所以圖8A至8D上的描繪在這里不是按比例的；然而，這用于示意幾何狀態和流動狀態。圖9展示具有組合成堆疊110的多個根據本發明的熱交換器板I或I j，j = I，...，η的根據本發明的板式熱交換器100的布置結構100’的更實際描繪的示意性局部剖切側視圖。由多個根據本發明的熱交換器板I或lj，j = 1，...，11組成的堆疊110這里經由相應的螺紋接頭130而被夾緊在兩個夾緊板120或夾緊裝置120之間，使得在各個根據本發明的熱交換器板I或lj，j = 1，. . .，η之間相互作用期間，在前述附圖中描述的狀態作·為整體發生。圖1OA和IOB描述包含或由陶瓷基材10構成的根據本發明的熱交換器板I的另
一實施例。這里根據本發明的熱交換器板I也具有大致矩形構造，但長邊與短邊I或k之間的比率約為4:1。其它方面，是結合圖2A、2B和4以及6描述的狀態。這意味著實際的主熱交換管道21k、21k’被大致成型為波浪形狀，且在一方面供給和移出管道22k、22k’、23k、23k’與另一方面主熱交換管道21k、21k’之間不存在I對I的對應或分配，且下方的流動管道20k、20k’的腹板20s、20s’——具體地意味著22s、22s’、23s、23s’——具有梯形橫截面，并且具有遠離相應的管道底板20b、20b’漸縮的行進部。附圖標記列表I 根據本發明的熱交換器板、換熱器板Ij 給定根據本發明的多個j = 1，…，η熱交換器板、換熱器板的布置結構的根據本發明的熱交換器板、換熱器板2 供給開口(第一流體Fl)2’ 供給開口(第二流體F2)3 移出開口(第一流體Fl)3’ 移出開口(第二流體F2)4-1 第一輔助墊圈(前側IOo/用于供給開口、第二流體F2)4-1’第一輔助墊圈(后側IOu/用于供給開口、第一流體Fl)4-2 第二輔助墊圈(前側IOo/用于供給開口、第二流體F2)4-2’第二輔助墊圈(后側IOu/用于供給開口、第一流體Fl)6 主墊圈(前側IOo/第一流體Fl)6’ 主墊圈(后側IOu/第二流體F2)7 供給區域/分配區域(前側IOo/第一流體Fl)V 供給區域/分配區域(后側IOu/第二流體F2)8 管束區域/移出區域(前側IOo/第一流體Fl)8， 管束區域/移出區域(后側IOu/第二流體F2)9 主熱交換區域/主熱傳遞區域(前側IOo/第一流體Fl)9’ 主熱交換區域/主熱傳遞區域(后側IOu/第二流體F2)10 熱交換器板10的基材、板基材10’板基材的材料、陶瓷材料、SiC或SSiC材料
IOo 基材10的上側/前側IOu 基材10的底側/后側20 管道布置結構/流動管道布置結構(前側IOo/第一流體Fl)20’管道布置結構/流動管道布置結構(后側IOu/第二流體F2)20b, 20b’ 管道底板20k, 20k’流動管道、管道、熱交換管道20p，20p，管道高臺20r，20r’ 管道溝槽20s, 20s’ 管道腹板20w，20w’ 管道壁21，21’主熱交換管道布置結構、主管道布置結構21b, 21b’ 管道底板21k, 21k’主熱交換管道、主管道21p，21p’ 管道高臺21r，21r’ 管道溝槽21s, 21s’ 管道腹板21w，21w’ 管道壁22，22’供給管道布置結構/分配管道布置結構22b，22b’ 管道底板22k，22k’ 分配管道22p，22p’ 管道高臺22r，22r’ 管道溝槽22s, 22s’ 管道腹板22w，22w’ 管道壁23，23’管束布置結構/移出管道布置結構23b，23b’ 管道底板23k，23k’集束管道、合并管道、移出管道23p，23p’ 管道高臺23r，23r’ 管道溝槽23s, 23s’ 管道腹板23w，23w，管道壁100 根據本發明的板式熱交換器或板式換熱器100’根據本發明的板式熱交換器100或板式換熱器100的布置結構110 包括多個熱交換器板I或換熱器板I的堆疊120 夾緊板、夾緊布置結構130 螺紋裝置、螺紋接頭、夾緊螺釘Fl 第一流體、第一熱交換流體F2 第二流體、第二熱交換流體k 板基材10的短邊
I 板基材10的長邊t 管道20k、20k’或管道溝槽20r、20r’的深度U 波動方向
權利要求
1.一種用于板式熱交換器(100)的熱交換器板(I),-具有板基材(10)，所述板基材(10)包含或由SiC材料(10’)或碳化硅材料(10’)構成，并且所述板基材(10)具有前側或上側(IOo)和后側或底側(IOu),-其中，至少所述板基材(10)的所述前側或上側(IOo)包括流動管道布置結構(20)，所述管道布置結構(20)具有多個流動管道(20k)，并且-其中，所述流動管道布置結構(20)中的流動管道(20k)中的一些或全部完全或部分地設有管道腹板(20s)，所述管道腹板(20s)界定管道溝槽(20r)并且形成管道壁(20w)。
2.根據權利要求1所述的熱交換器板(I)，其中，所述板基材(10)包含或由燒結碳化硅材料(10’ )或SSiC材料(10)構成。
3.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，所述板基材(10)的最小層厚Dmin和/或平均層厚Dm的范圍在約2mm和約4mm 之間，具體地量度為約3mm或更小,優選地約2mm。
4.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，在管道腹板(20s)的區域中的所述板基材(10)的層厚Ds大于所述板基材(10) 的最小層厚Dmin且/或大于所述板基材(10)的平均層厚Dm，由此大致滿足以下關系 Ds ^ Dmin 或大致滿足以下關系 Ds ^ Dm。
5.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，在所述流動管道(20k)的管道溝槽(20w)的底板(20b)的高度處，所述流動管道 (20k)的管道溝槽(20w)的底板(20b)的局部寬度Bb與所述流動管道(20k)的管道腹板 (20s)的底部的局部寬度Bsb——均垂直于所述流動管道(20k)的局部方向測量——展現約為1:4的比值Bb:Bsb,由此大致滿足以下關系 Bb:Bsb=10:4。
6.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，在背對所述流動管道(20k)的管道溝槽(20r)的底板(20b)的一側上，所述流動管道(20k)的管道溝槽(20r)的底板(20b)的局部寬度Bb與所述流動管道(20k)的管道腹板(20s)的高臺(20sp)的局部寬度Bsp——均垂直于所述流動管道(20k)的局部方向測量——展現約為10:3的比值Bb: Bsp,由此大致滿足以下關系 10:4 ( BbiBsp ( 10:2 或優選地大致滿足以下關系 Bb:Bsp=10:3。
7.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，在所述流動管道(20k)的管道溝槽(20r)的底板(20b)高度處的所述流動管道 (20k)的管道腹板(20s)的底部(20sb)的局部寬度Bsb與在背對所述流動管道(20k)的管道溝槽(20r)的底板(20b)的一側上的所述流動管道(20k)的管道腹板(20s)的高臺(20sp)的局部寬度Bsp——均垂直于所述流動管道(20k)的局部方向測量——展現范圍從約1:1 至約4:2、優選地為4:3的比值Bsb:Bsp,由此大致滿足以下關系 4:2^ Bsb:Bsp ^1:1 或優選地大致滿足以下關系 Bsb:Bsp=4:3。
8.根據權利要求1至6中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，流動管道(20k)的管道壁(20w)包括與相對于所述流動管道(20k)的管道溝槽 (20r)的底板(20b)的法向形成的角度α，所述角度α范圍從大于0°至小于30°，優選地約為15°，由此大致滿足以下關系 0° <α 彡 30°或優選地大致滿足以下關系 α=15°。
9.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，所述流動管道(20k)的管道溝槽(20r)的底板(20b)的局部寬度Bb——垂直于所述流動管道(20k)的局部方向測量——與所述流動管道(20k)的管道溝槽(20r)的深度 t——垂直于所述流動管道(20k)的所述管道溝槽(20r )的所述底板(20b)測量——展現范圍從約10:10至約10:4、優選地為10:4的比值Bb: t，由此大致滿足以下關系 10:10 彡 Bb:t 彡 10:4 或優選地大致滿足以下關系 Bb:t=10:4ο
10.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，-其中，供給開口和移出開口(2、3)被設置成用于向或從所述板基材(10)的上側(IOo) 供給第一熱交換流體或從該上側移出第一熱交換流體(F1)，所述供給開口和移出開口(2、 3)從所述上側(IOo)到所述底側(IOu)穿過所述板基材(10ο)，并且-其中，所述流動管道布置結構(20)被設計成從所述供給開口(2)到所述移出開口(3) 傳輸所述第一熱交換流體(Fl )。
11.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，-其中，所述流動管道布置結構(20)的流動管道(20k)的全部或部分具有多波動行進部，并且-其中，波動方向(U)在由所述板基材(10)限定的表面或平面中延伸，且/或所述波動方向(U)垂直于局部和/或平均地由相應的所述流動管道(20k)限定的流動方向。
12.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，相應的流動管道(20k)的波動的形狀能夠是選自包括鋸齒形狀、交替梯形形狀、 波浪形狀、正弦形狀及其組合的組中的形狀。
13.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，其中，所述板基材(I)的后側或底側(In)展現具有多個相應的流動管道(20k’)的、用于第二熱交換流體(F2 )的第二流動管道布置結構(20 ’)。
14.根據權利要求13所述的熱交換器板(1)，-其中，第二供給開口和移出開口(2’、3’)被設置成向所述板基材(10)的所述后側或底側(IOu)供給所述第二熱交換流體或或從其移出所述第二熱交換流體(F2)，所述第二供給開口和移出開口( 2 ’、3 ’)從所述上側(IOo)到所述底側(IOu )穿過所述板基材(10 )，并且 -其中，所述第二流動管道布置結構(20)被設計成用于從所述第二供給開口(2’)到所述第二移出開口( 3 ’)傳輸所述第二熱交換流體(F2 )。
15.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，所述熱交換器板被設計成在所述前側或上側(IOo)和所述后側或底側(IOu)方面關于在所述板基材(10)中延伸的對稱軸線(S) 180°旋轉對稱。
16.根據前述權利要求中的一項所述的熱交換器板(I)，-其中，所述板基材(10)基本上具有矩形形狀，-其中，所述供給開口和/或移出開口(2，2’，3，3’)被形成在所述矩形形狀的相對的第一邊上的——優選地短邊上的——區域中，并且-其中，所述第一和/或第二熱交換流體(F1，F2)流動的方向和/或所述流動管道 (20k, 20k’ )延伸的主方向基本上沿所述矩形形狀的相對的第二邊——優選地長邊——延伸的方向形成。
17.—種板式熱交換器(100),-具有多個根據權利要求1至16中的一項所述的熱交換板(I; lj, j = I,…，n),-其中，所述熱交換板(I; lj，j = I，…，η)被以如下方式設計和布置-各上述熱交換器板(I; Ij = 1，…，η-1)的板基材(I)的后側或底側(IOu)與相應的緊挨著的熱交換器板(l;lj+l，j = 1，…，n-1)的板基材(I)的前側或上側(IOo)直接相對地放置或抵靠于相應的緊挨著的熱交換器板(l;lj+l，j = 1，…，n-1)的板基材(I)的前側或上側(IOo),或具有插置的密封布置結構(6，4-1，4-2)，-熱交換器板(I; Ij = 1，…，η-1)的排列和/或特別地所述密封布置結構(6，4-1，4-2) 的建立導致在流動方面彼此分開的直接連續流動通過空間(R1，…，Rn+Ι)形成，-緊挨著的流動通過空間(Rj, Rj+1, j = I,…，η)在流動方面成對地分開,并且 -各隔一個相鄰的流動通過空間(Rj，Rj+2, j = 1，…，n-1)在流動方面成對地連結在一起，其分別分配給一熱交換流體(Fl，F2)并且被設計成允許相應地分配的熱交換流體(F1， F2)從相應的供給開口(2，2’)流動到相應的移出開口(3，3’)。
18.一種用于制造板式熱交換器(100)的熱交換器板(I)的方法，所述方法具有以下步驟-提供或形成板基材(10)，所述板基材(10)包含或由SiC材料(10’)或碳化硅材料 (10’)構成，并且所述板基材(10)具有前側或上側(IOo)和后側或底側(IOu),-在所述板基材(10)的所述前側或上側(IOo)上形成流動管道布置結構(20)，所述流動管道布置結構(20)具有多個流動管道(20k)，-其中，所述流動管道布置結構(20)中的所述流動管道(20k)中的一些或全部完全或部分地制造有管道腹板(20s)，所述管道腹板(20s)界定管道溝槽(20r)并且形成管道壁 (20w)o
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述板基材(10)包含或由燒結碳化硅材料(10 )或SSiC材料(10 ’)構成。
20.根據前述權利要求18或19中的一項所述的方法，-其中，所述流動管道布置結構(20)的流動管道(20k)被設計成展現完全或部分多波動行進部，-其中，波動方向(U)被設計成在由所述板基材(10)限定的表面或平面中延伸，且/或所述波動方向(U)垂直于局部或平均地由所述流動管道(20k)限定的流動方向。-其中，特別地是，所述波動的形狀是選自包括鋸齒形狀、交替梯形形狀、波浪形狀、正弦形狀及其組合的組中的形狀。
全文摘要
本發明涉及一種熱交換器板(1)，涉及該熱交換器版(1)的制造以及涉及根據本發明的熱交換器板(1)在板式熱交換器(100)中的使用。所提供的板基材(10)至少在其頂側(10o)上形成有流動管道布置結構(20)，該流動管道布置結構(20)具有多個流動管道(20k)，其中所述流動管道(20k)中的一些或全部在其整個延伸部上或在若干部分上具有管道桿(20s)，該管道桿(20s)形成管道壁(20w)，該管道壁(20w)界定各相應流動管道(20k)的管道通道(20w)。
文檔編號F28F21/04GK103026164SQ201180032777
公開日2013年4月3日 申請日期2011年6月9日 優先權日2010年6月30日
發明者馬庫斯·弗蘭茲, 馬蒂亞斯·賴茨 申請人:西格里碳素歐洲公司