專利名稱：熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于機(jī)動(dòng)車的熱交換器，其包括至少一個(gè)用于第一介質(zhì)經(jīng)過的熱傳導(dǎo)導(dǎo)管，熱傳導(dǎo)多孔結(jié)構(gòu)的覆蓋件，其連接到該導(dǎo)管的外側(cè)上以便包圍該導(dǎo)管的第二介質(zhì)經(jīng)過。本發(fā)明還涉及設(shè)置有這種熱交換器的機(jī)動(dòng)車。本發(fā)明還涉及一種應(yīng)用布置在機(jī)動(dòng)車上的熱交換器的方法。此外，本發(fā)明還涉及用于制造這種熱交換器的方法。
背景技術(shù)：
為了在兩種介質(zhì)之間獲得可能的最大程度的傳熱，已知的是，在導(dǎo)管的外側(cè)上設(shè)置翅片，第二介質(zhì)圍繞翅片流動(dòng)，(即翅片管式熱交換器)。這種熱交換器在工業(yè)、機(jī)動(dòng)車、和家用場(chǎng)合中大量地應(yīng)用。這些結(jié)構(gòu)的特征在于圍繞這些翅片的流動(dòng)是層流，并且這些翅片的尺寸和翅片之間相互距離是第二介質(zhì)中的邊界層的厚度的許多倍。已知的是，邊界層的厚度沿流動(dòng)方向增大，其中這種流動(dòng)在特定點(diǎn)的位置處變?yōu)槲闪?雷諾數(shù)＞300,000)。例如在空氣在大氣壓下并且氣流速度為例如10m/s的數(shù)量級(jí)的情況下，由此所需的距離大約為0.5米。當(dāng)用于第一介質(zhì)的導(dǎo)管的直徑和翅片長(zhǎng)度小于該周邊長(zhǎng)度時(shí)，該流動(dòng)是層流，其中在第二介質(zhì)中的邊界層具有數(shù)量級(jí)為0.1-0.4毫米的厚度。已知的是，第二介質(zhì)在該邊界層之外的部分與導(dǎo)管和流動(dòng)圍繞的翅片不相互影響，并且由此對(duì)于傳熱而言沒有貢獻(xiàn)。這顯著地限制與圍繞導(dǎo)管或沿翅片的層流的熱量傳遞。
除了上述的熱交換器之外，與前序部分所述類型對(duì)應(yīng)的熱交換器在現(xiàn)有技術(shù)中也是已知的。這種熱交換器在法國(guó)專利FR 2414081(UOPInc.)中進(jìn)行了描述，其中多孔結(jié)構(gòu)由石墨泡沫材料制成。這種多孔的三維結(jié)構(gòu)可理解成立方體的或六邊形的格柵，其中節(jié)點(diǎn)通過熱傳導(dǎo)絲相互連接。由于在這種結(jié)構(gòu)中具有大量的絲，因此總的熱交換區(qū)域整體上明顯增大。然而，從UOP的該專利獲知的熱交換器具有多個(gè)缺點(diǎn)。該已知的熱交換器的明顯缺點(diǎn)在于，熱量從第一介質(zhì)傳遞到第二介質(zhì)(和反向的傳遞)是相對(duì)低效的。因?yàn)榭紫兜某叽缦鄬?duì)較小，所以第二介質(zhì)的主要部分沿覆蓋件流動(dòng)，而不是流經(jīng)覆蓋件，這在總體上明顯地使得傳熱降低。特別是在第二介質(zhì)的流速較低的情況下，即在機(jī)動(dòng)車中的情況下通常達(dá)到大約20m/s，該傳熱的效率與上述的常規(guī)翅片的傳熱效率大致相當(dāng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的用于機(jī)動(dòng)車的熱交換器，使用該熱交換器可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的更高效冷卻。
因此本發(fā)明提供了一種前序部分所述類型的熱交換器，該熱交換器具有以下的特征，該多孔結(jié)構(gòu)的每英寸的孔隙數(shù)(ppi)大致在20-50之間，并且該多孔結(jié)構(gòu)的厚度大致在2-8毫米之間。該每英寸的孔隙數(shù)優(yōu)選為在25-30ppi之間。與現(xiàn)有技術(shù)相比，每英寸的孔隙數(shù)明顯地降低，這實(shí)現(xiàn)更好地流經(jīng)該覆蓋件，因此在第一介質(zhì)與第二介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)更高效的傳熱。因?yàn)樵O(shè)置在機(jī)動(dòng)車內(nèi)的熱交換器容易發(fā)生氣流以較低的流速自由地流入(達(dá)到每秒大約20米)，所以圍繞該導(dǎo)管的最佳邊界層厚度在大約0.4-0.5毫米之間。如果孔隙直徑大于該邊界層厚度的兩倍，則第二介質(zhì)與多孔結(jié)構(gòu)之間的相互影響通常將不進(jìn)一步增加。因此，該孔隙優(yōu)選為限定為1.0毫米，這相當(dāng)于大約25ppi，并且所制成的孔隙直徑優(yōu)選為不小于0.8毫米，這相當(dāng)于30ppi。在每英寸的孔隙數(shù)小于20或小于至少25的情況下，則熱交換器對(duì)應(yīng)于常規(guī)的翅片結(jié)構(gòu)。如UOP專利所述的那樣大于50ppi，則流動(dòng)阻力將增加，如上所述，從而使得第二介質(zhì)的主要部分圍繞多孔結(jié)構(gòu)流動(dòng)，而不是流經(jīng)該多孔結(jié)構(gòu)。通過使用厚度大致在2-8毫米之間的多孔結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)熱交換器的最佳構(gòu)形，其中多孔結(jié)構(gòu)由多個(gè)疊置的孔隙層構(gòu)造成。
該熱傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)由金屬泡沫材料制成。金屬泡沫材料具有導(dǎo)熱性非常好的優(yōu)點(diǎn)，由此可使得第一介質(zhì)與第二介質(zhì)之間的熱交換達(dá)到最大。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，由以下金屬即銅、鎳、和鋁中的至少一種制成。此外，可構(gòu)想到由合金來制造金屬泡沫材料。該覆蓋件優(yōu)選為設(shè)置有耐腐蝕的金屬或金屬氧化物，以便通過防止或至少減緩熱交換器的性能降低從而增加該熱交換器的耐用性。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該多孔結(jié)構(gòu)的絲厚度至少大致在15-90微米之間，特別在20-70微米之間，更特別的是在30-60微米之間。這種絲厚度可進(jìn)一步增加第一介質(zhì)與第二第二之間的傳熱的效率。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，該導(dǎo)管的水力外直徑相當(dāng)于最大10毫米。由于由水力直徑來描述，因此該導(dǎo)管可采取各種幾何形狀。除了柱形導(dǎo)管之外，可使用翅片狀的導(dǎo)管或其它方式形成的導(dǎo)管，其中該水力直徑不超過10毫米的限制。
該覆蓋件的面對(duì)該導(dǎo)管的側(cè)面至少大致地與該導(dǎo)管全部熱接觸。由此可使得在導(dǎo)管與多孔結(jié)構(gòu)之間的傳熱或第一介質(zhì)與第二介質(zhì)之間的傳熱最優(yōu)化。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該覆蓋件借助熱傳導(dǎo)裝置連接到該導(dǎo)管上。該熱傳導(dǎo)裝置例如可由熱傳導(dǎo)的膠、熱傳導(dǎo)的糊劑、(軟焊)焊膏、或熱傳導(dǎo)的金屬層等形成?？梢酝ㄟ^各種方式例如借助蒸氣沉積或電鍍沉積過程來設(shè)置該熱傳導(dǎo)裝置。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，該覆蓋件由至少一個(gè)圍繞該導(dǎo)管螺旋纏繞的材料帶構(gòu)造成。因此可以以相對(duì)簡(jiǎn)單的方式充分地使用圍繞導(dǎo)管布置的相對(duì)窄的金屬帶。
該熱交換器優(yōu)選為包括多個(gè)相互聯(lián)接的導(dǎo)管，以便增加總體傳熱。在特別的優(yōu)選實(shí)施例中，該導(dǎo)管定位成彼此間隔一距離，其中導(dǎo)向件布置在該導(dǎo)管之間，以便將該第二介質(zhì)引導(dǎo)到該覆蓋件。在此的導(dǎo)向件可具有各種形式的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還涉及一種設(shè)置有這樣的熱交換器的機(jī)動(dòng)車。
本發(fā)明還涉及一種應(yīng)用布置在機(jī)動(dòng)車中的這種熱交換器的方法，其包括以下步驟A)輸送相對(duì)暖的第一介質(zhì)經(jīng)過該導(dǎo)管；和B)輸送相對(duì)冷的第二介質(zhì)經(jīng)過該覆蓋件，以便冷卻該第一介質(zhì)。在優(yōu)選實(shí)施例中，該相對(duì)冷的第二介質(zhì)至少大致地由氣流特別是空氣流形成。在特別的優(yōu)選實(shí)施例中，依據(jù)步驟B)的輸送相對(duì)冷的氣流經(jīng)過該覆蓋件是在流速至少大致在0-20米/秒時(shí)進(jìn)行的。
此外，本發(fā)明還涉及一種制造這種熱交換器的方法，其包括以下步驟A)在導(dǎo)管的外側(cè)上布置焊料；B)在封裝該焊料時(shí)圍繞該導(dǎo)管布置覆蓋件；C)使得該焊料液化；和D)使得該焊料固化。在依據(jù)步驟D)的使得熔化的焊料固化的過程中，導(dǎo)管與多孔結(jié)構(gòu)之間形成實(shí)際的粘接，其中可使得導(dǎo)管與多孔結(jié)構(gòu)的面對(duì)該導(dǎo)管的側(cè)面之間的接觸程度最大化。
在優(yōu)選實(shí)施例中，通過加熱該焊料來進(jìn)行依據(jù)步驟C)的使該焊料液化?？砷g接地例如通過瞬時(shí)和持續(xù)非常短的時(shí)間地施加電壓來加熱該焊料，但是還可以直接地通過增加該焊料的周圍溫度加熱該焊料。然而還可構(gòu)想出應(yīng)用其它的方法例如感應(yīng)焊接或化學(xué)焊接從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管與多孔結(jié)構(gòu)的相互粘接。
本發(fā)明還涉及一種制造這種熱交換器的方法，其包括以下步驟A)使得導(dǎo)管與多孔結(jié)構(gòu)接觸；和B)借助電和/或化學(xué)沉積過程使得該導(dǎo)管和該多孔結(jié)構(gòu)相互粘接。


參照非限定性的實(shí)施例的下列描述并結(jié)合附圖，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖1示意性地示出了依據(jù)本發(fā)明的熱交換器的導(dǎo)管，該導(dǎo)管由金屬泡沫材料覆蓋；圖2a和2b分別示出了常規(guī)熱交換器和本發(fā)明的熱交換器中的第二介質(zhì)的邊界層；圖3示出了本發(fā)明的熱交換器的另一變型；和圖4是常規(guī)翅片結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的熱交換器之間傳熱的比較的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了作為示例的導(dǎo)管3的一部分，第一介質(zhì)例如水流經(jīng)該導(dǎo)管3。導(dǎo)管3由熱傳導(dǎo)的三維結(jié)構(gòu)4覆蓋，該三維結(jié)構(gòu)4例如是本領(lǐng)域已知的金屬泡沫材料(metal foam)，例如空氣的第二介質(zhì)2圍繞該導(dǎo)管3流動(dòng)。該金屬泡沫材料在此采取帶8的形式，該帶螺旋地圍繞該導(dǎo)管纏繞。金屬泡沫材料與導(dǎo)管的連接可借助本領(lǐng)域已知的手段來實(shí)現(xiàn)，例如借助熱傳導(dǎo)的膠、熱傳導(dǎo)的糊劑、軟焊過程、或粘接劑和熱傳導(dǎo)的金屬層的蒸氣沉積，或電鍍沉積過程。在此重要的是，在三維結(jié)構(gòu)與導(dǎo)管的壁之間形成良好的熱接觸。優(yōu)選為使用熱傳導(dǎo)的金屬化合物，優(yōu)選為是鎳、銅、或鋁基的。還可使用耐腐蝕的金屬和金屬氧化物層施加到覆蓋件4上，這取決于實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)合。該金屬泡沫材料包括熱傳導(dǎo)的材料，優(yōu)選為鎳、銅、鋁、或合金的材料。該金屬泡沫材料包括以上材料的層的組合。該金屬泡沫材料具有大于或等于90％的容積孔隙。該金屬泡沫材料的ppi(每英寸的孔隙)在20-63之間，并且優(yōu)選為35。
圖2a示出了常規(guī)熱交換器中的邊界層。該層流邊界層在此由虛線9示意地表示。該邊界層具有0.1-0.4毫米的厚度。
在圖2b中，由虛線10示意地表示實(shí)際的邊界層，該虛線10實(shí)際上與三維結(jié)構(gòu)4的外周邊重合。因此可通過改變?cè)摳采w件的厚度來改變?cè)搶?shí)際的邊界層的厚度。在此的限制因素是在該覆蓋件的結(jié)構(gòu)中和經(jīng)過該覆蓋件的結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)。通過正確地確定該結(jié)構(gòu)的尺寸(ppi、類型、和金屬量)，利用圍繞導(dǎo)管的層流可使得傳熱增加5-10倍。因?yàn)槿S結(jié)構(gòu)的開口的尺寸與邊界層具有相同程度的數(shù)量級(jí)，所以由該結(jié)構(gòu)占據(jù)的空間可最佳地用于熱量的傳遞，因此在相同的傳熱情況下該被覆蓋的導(dǎo)管的直徑小于使用翅片所占據(jù)的空間。與常規(guī)的熱交換器比較，由此可實(shí)現(xiàn)25-50％的空間節(jié)省。以下的表格示出了熱量從單個(gè)薄壁鋁管(300×7毫米)傳遞給空氣流的傳熱增加，其中水(F)流經(jīng)該鋁管，該鋁管覆蓋了2毫米厚度的銅泡沫材料層，其具有96％容積孔隙和35ppi的結(jié)構(gòu)。
表1

該表示出了在相同的空氣流速(v)下如果管覆蓋有本發(fā)明的金屬泡沫材料，則對(duì)于從第一介質(zhì)(水)傳遞給第二介質(zhì)(空氣)的熱量(Gtot)有明顯的提高。
圖3示出了大量的平行導(dǎo)管3的通常結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)管依據(jù)本發(fā)明進(jìn)行覆蓋，并且布置在兩個(gè)用于第一介質(zhì)例如水的集管3a和3b之間。因?yàn)檫@些導(dǎo)管3占據(jù)較小的空間，所以可高效地在導(dǎo)管3之間布置導(dǎo)向件7，該導(dǎo)向件沿多孔的金屬覆蓋件引導(dǎo)第二介質(zhì)例如空氣。
圖4示出了在常規(guī)翅片結(jié)構(gòu)(線a)和本發(fā)明的熱交換器(線b)之間的傳熱(G)的曲線比較，其中當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)沿?zé)峤粨Q器或流經(jīng)熱交換器時(shí)氣體(v-氣體)的流速是不同的。常規(guī)的翅片結(jié)構(gòu)由外徑7毫米、長(zhǎng)度1米的柱形導(dǎo)管構(gòu)造成。依據(jù)應(yīng)用于現(xiàn)有的機(jī)動(dòng)車(特別是大眾牌汽車)的熱交換器，在此的該導(dǎo)管設(shè)置有870個(gè)18.5×11.5毫米的翅片。在該實(shí)施例中，本發(fā)明的熱交換器由相同的外徑7毫米、長(zhǎng)度1米的柱形管構(gòu)造成。具有5毫米厚度且2kg/m2密度的銅泡沫材料的覆蓋件圍繞該管布置。在此的銅泡沫材料具有大約35的ppi。在所述曲線圖中所示的氣流速度是沿翅片和經(jīng)過銅泡沫材料的流速，并且不是氣體自由流入的速度。其中，該氣體的移動(dòng)方向至少大致垂直于液體流經(jīng)該導(dǎo)管的移動(dòng)方向(以便進(jìn)行冷卻)。該曲線圖清晰地示出了依據(jù)本發(fā)明的熱交換器的傳熱明顯高于常規(guī)翅片結(jié)構(gòu)的傳熱。該曲線圖特別著眼于較低的氣流速度，這是因?yàn)槠渲荚趹?yīng)用于機(jī)動(dòng)車中的熱交換器。特別正是在這種較低的氣流速度下，機(jī)動(dòng)車的發(fā)動(dòng)機(jī)借助本發(fā)明的熱交換器比借助常規(guī)的翅片結(jié)構(gòu)可更好地且更高效地被冷卻。線b在氣流速度位于1-2m/s之間時(shí)是最佳的，由此與現(xiàn)有技術(shù)相反，機(jī)動(dòng)車非常慢地行進(jìn)時(shí)可以借助本發(fā)明的熱交換器以較高效的方式進(jìn)行冷卻。目前看來，機(jī)動(dòng)車非常慢地行進(jìn)時(shí)的高效和簡(jiǎn)化的冷卻是一個(gè)(重要的)問題。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于在此所述和所示的，而且可在權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)進(jìn)行許多變型。
權(quán)利要求
1.一種用于機(jī)動(dòng)車的熱交換器，其包括至少一個(gè)用于第一介質(zhì)(1)經(jīng)過的熱傳導(dǎo)導(dǎo)管(3)，以及熱傳導(dǎo)的多孔結(jié)構(gòu)(4)的覆蓋件(4)，其借助該導(dǎo)管(3)的外側(cè)連接到該導(dǎo)管(3)上，以便包圍該導(dǎo)管(3)的第二介質(zhì)(2)經(jīng)過，其特征在于，該多孔結(jié)構(gòu)(4)的每英寸的孔隙數(shù)大致在20-50之間，并且該多孔結(jié)構(gòu)的厚度大致在2-8毫米之間。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，該熱傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)(4)由金屬泡沫材料制成。
3.如權(quán)利要求2所述的熱交換器，其特征在于，該金屬泡沫材料由以下金屬即銅、鎳、和鋁中的至少一種制成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于，該覆蓋件設(shè)置有耐腐蝕的金屬。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，該多孔結(jié)構(gòu)(4)的絲厚度至少大致在15-90微米之間。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，該導(dǎo)管(3)的水力直徑相當(dāng)于最大10毫米。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，該覆蓋件的面對(duì)該導(dǎo)管(3)的側(cè)面至少大致地與該導(dǎo)管(3)全部熱接觸。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，該覆蓋件借助熱傳導(dǎo)裝置連接到該導(dǎo)管(3)上。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，該覆蓋件由至少一個(gè)圍繞該導(dǎo)管(3)螺旋纏繞的材料帶(8)構(gòu)造成。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的熱交換器，其特征在于，該熱交換器包括多個(gè)相互聯(lián)接的導(dǎo)管(3)。
11.如權(quán)利要求10所述的熱交換器，其特征在于，該導(dǎo)管(3)定位成彼此間隔一距離，其中導(dǎo)向件(7)布置在該導(dǎo)管(3)之間，以便將該第二介質(zhì)(2)引導(dǎo)到該覆蓋件。
12.一種設(shè)置有如上述權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的熱交換器的機(jī)動(dòng)車。
13.一種應(yīng)用布置在機(jī)動(dòng)車中的如上述權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的熱交換器的方法，其包括以下步驟A)輸送相對(duì)暖的第一介質(zhì)(1)經(jīng)過該導(dǎo)管(3)；和B)輸送相對(duì)冷的第二介質(zhì)(2)經(jīng)過該覆蓋件，以便冷卻該第一介質(zhì)(1)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，該相對(duì)冷的第二介質(zhì)(2)至少大致地由氣流特別是空氣流形成。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，依據(jù)步驟B)的輸送相對(duì)冷的氣流經(jīng)過該覆蓋件是在流速至少大致在0-20米/秒時(shí)進(jìn)行的。
16.一種制造如上述權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的熱交換器的方法，其包括以下步驟A)在導(dǎo)管(3)的外側(cè)上布置焊料；B)在封裝該焊料時(shí)圍繞該導(dǎo)管(3)布置覆蓋件；C)使得該焊料液化；和D)使得該焊料固化。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，通過加熱該焊料來進(jìn)行依據(jù)步驟C)的使該焊料液化。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，間接地通過施加電壓來加熱該焊料。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，直接地通過增加該焊料的周圍溫度加熱該焊料。
20.一種制造如上述權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的熱交換器的方法，其包括以下步驟A)使得導(dǎo)管與多孔結(jié)構(gòu)接觸；和B)借助電和/或化學(xué)沉積過程使得該導(dǎo)管和該多孔結(jié)構(gòu)相互粘接。
全文摘要
一種用于機(jī)動(dòng)車的熱交換器，其包括至少一個(gè)用于第一介質(zhì)(1)經(jīng)過的熱傳導(dǎo)導(dǎo)管(3)，以及熱傳導(dǎo)的多孔結(jié)構(gòu)(4)的覆蓋件(4)，其借助該導(dǎo)管(3)的外側(cè)連接到該導(dǎo)管(3)上，以便包圍該導(dǎo)管(3)的第二介質(zhì)(2)經(jīng)過。
文檔編號(hào)F28F13/00GK1666082SQ03815594
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月29日
發(fā)明者安德烈斯·穆澤拉爾 申請(qǐng)人:安德烈斯·穆澤拉爾