專利名稱：利用金屬絲網(wǎng)篩制造熱交換部件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換部件的制造方法，特別是一種使用金屬絲網(wǎng)篩制造熱交換部件的方法以及使用這種篩網(wǎng)的熱交換部件。
背景技術(shù)：
在正在進(jìn)行的節(jié)能努力中以及在許多熱力學(xué)系統(tǒng)中，交換器發(fā)揮著重要的作用。在任何熱交換器中，目標(biāo)均為在熱交換流體之間實(shí)現(xiàn)最大的熱交換，且同時使由所述熱交換器的流阻所導(dǎo)致的能耗最小。通常，人們還希望將所述熱交換器做的盡可能緊湊。最近，熱交換器技術(shù)的發(fā)展已主要集中在通過在更緊湊的熱交換器單元中增加熱負(fù)荷而實(shí)現(xiàn)更高的傳熱效率。以緊湊體積獲得高傳熱水平的一種有效方法為使熱流體和傳導(dǎo)材料表面之間的接觸面積比最大化。這一概念已促使由大表面積傳導(dǎo)性材料插入物，如金屬泡沫或金屬絲網(wǎng)所組成的低型板狀熱交換器的發(fā)展，其中，所述低型板狀熱交換器的外表面通過釬焊片而封閉。所述熱交換器中高度不規(guī)則的流路會增加熱流體的混合，并因此促進(jìn)至所述傳導(dǎo)性材料插入物和所述熱交換器外表面的熱傳遞。這種熱交換器的實(shí)例如美國專利號6305079和5983992所述。這種熱交換器的有效性極大地依賴于所述傳導(dǎo)性材料插入物的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。此夕卜，不同插入物結(jié)構(gòu)，如金屬泡沫、金屬絲網(wǎng)篩以及填料床等，都根據(jù)流的雷諾數(shù)的不同而具有不同的行為特征。例如，金屬泡沫熱交換器(MFHE)已廣泛使用于低溫、發(fā)電和許多其他需要高熱負(fù)荷去除的領(lǐng)域。它們相對廉價、在大批量生產(chǎn)時容易形成且能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)IOOOOmVm3的表面積-體積比。然而，制造金屬泡沫熱交換器所固有的困難是如何保持幾何形狀的一致性。另一個限制是，雖然模型假設(shè)了一種對準(zhǔn)好的結(jié)構(gòu)，但實(shí)際MFHE單元卻是隨機(jī)定位的，從而降低了直接傳導(dǎo)至所述外表面的可能性。諸如填料床(燒結(jié)的)等的結(jié)構(gòu)在傳熱-壓力損失比的方面超過其他熱交換器設(shè)計。雖然燒結(jié)金屬球的填料床可能在熱傳遞上更有效，但其受拉強(qiáng)度(用作壓力容器)卻遠(yuǎn)小于金屬絲網(wǎng)篩。在20世紀(jì)80年代末首次研究了將金屬絲網(wǎng)作為傳導(dǎo)性材料插入物在熱交換器中的使用。從那時起，考慮并測試了許多不同的網(wǎng)形，并取得的不同程度的成功。由于所述篩間的接觸最小，金屬絲網(wǎng)熱交換器(WMHE)在限制軸向傳導(dǎo)的同時可以促進(jìn)至所述外壁的直接熱傳導(dǎo)，因此WMHE比金屬泡沫熱交換器更有效率。鑒于WMHE是由已有的編織的金屬絲網(wǎng)篩織物所生產(chǎn)的，因此WMHE也更容易制造。這些熱交換器相對廉價并且可以很容易地由各種合金而制成。隨著制造能力的進(jìn)步，出現(xiàn)了采用更復(fù)雜的設(shè)計且因潛在高努塞爾數(shù)和低摩擦系數(shù)而具有吸引力的替代品。雖然這些結(jié)構(gòu)預(yù)期能提高傳熱效率，但與編織紡織品相比其在性能上的潛在微小增益可能仍不足以支持額外的制造成本。WMHE的制造方法包括折疊篩網(wǎng)以及將薄片釬焊至所述折痕的尖端。雖然能夠相對簡單地實(shí)現(xiàn)這些方法，但是，由于較小的接觸表面以及在每單位長度的最大折疊次數(shù)，其限制了至所述外壁的傳導(dǎo)。另一個更近的WMHE的制造方法是，燒結(jié)編織金屬絲織物的堆疊體、垂直于堆疊方向切割它們以形成薄的片狀體、并且通過在每一側(cè)釬焊薄金屬片而有效地封閉這些片狀體。這種方法所制造的WMHE可成功地承受IOOOOpsi以上的內(nèi)部壓力。但是這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，由于其高能耗，釬焊工藝非常昂貴，并會因此妨礙對WMHE的利用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)可通過使用金屬涂層封閉金屬絲網(wǎng)堆疊體的外表面而從所述金屬絲網(wǎng)堆疊體制造出一種特別有效的熱交換部件。這些涂層界定出用于使熱交換流體通過所述堆疊體空隙的流路。因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造熱交換部件的方法，包括從一堆金屬絲網(wǎng)篩堆疊體形成片狀體，其中所述片狀體具有 一對相對的外主表面，且在所述外主表面之間具有空隙；以及通過在所述片狀體的所述外主表面上沉積金屬涂層而封閉所述外主表面，其中，所述沉積的金屬涂層在它們之間界定出用于使熱交換流體延伸通過所述片狀體空隙的流路。需理解的是所沉積的涂層為以某種方式而涂上的涂層，例如以液體或粉末顆粒的形式，從而可在所述片狀體上原位形成所產(chǎn)生的金屬層。所述熱交換部件可以形成熱交換器的一部分，或者它也可以是另一需要強(qiáng)冷卻或加熱的部件的一部分。例如，用于渦輪中的定子則為特別合適的應(yīng)用。作為常規(guī)鑄造方式的替代，所述定子可由所述熱交換部件，即根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例由金屬絲網(wǎng)篩堆疊體而制成的且具有沉積金屬涂層的塊而制成。一種用于封閉所述金屬絲網(wǎng)片狀體的特別有前途且符合成本效益的方法為使用高材料沉積率的熱噴涂技術(shù)在所述外主表面上涂上致密涂層，，如脈沖氣動噴涂(PGDS)。P⑶S是一種熱噴涂技術(shù)，目前正在Centerline(Windsor)Ltd.(加拿大安大略省溫莎)進(jìn)行商業(yè)化。在PGDS中，使用電磁閥模仿通過可瞬間破裂的薄膜與低壓區(qū)(被被動部分)相分離的高壓區(qū)(驅(qū)動部分)的情況，從而沿圓柱形管向下發(fā)送沖擊波。由于沖擊波沿所述管向下移動，它會夾帶粉末顆粒并使其加速至能與冷氣體動力噴涂(CGDS)和HVOF (超音速火焰噴涂)中所觀測到的速度相匹配的速度。在沖擊時，所述顆粒會塑性變形并附至基板上以形成涂層。和CGDS—樣，P⑶S被認(rèn)為是一種固態(tài)工藝，其中，粉末顆粒的溫度始終被保持在其溶點(diǎn)以下。在 B. Jodoin、P. Richer>G. Berube>L. Ajdelsztajn、A. Erdi-Betchi 及M. Yandouzi所著的脈沖氣動噴涂工藝分析、開發(fā)和選取的涂層例，Surf. Coat. Technol.,201 (16-17)，2007，pp. 7544-7551中對所述P⑶S工藝進(jìn)行了更詳細(xì)的說明，其內(nèi)容經(jīng)引用納入本發(fā)明中。所述PGDS技術(shù)使用氦或氮作為工藝氣體，且由于其脈動特性，所述PGDS技術(shù)的特征在于與CGDS相比，其具有較低的氣體消耗率?？梢圆捎闷渌椒ㄒ孕纬蛇吔鐚?如視線沉積(line of sight deposition)或選擇性激光熔化。所述片狀體的制造方法包括形成編織的金屬絲網(wǎng)篩堆疊體、將其壓縮并燒結(jié)在一起、然后以垂直于所述篩平面的平面切割所述堆疊體。本領(lǐng)域技術(shù)人員需要理解的是本文所述垂直通常與所述篩的平面成直角，并且本發(fā)明并不要求有嚴(yán)格的正交性。所述粉末噴涂物可為具有球形形態(tài)以及直徑小于44 μ m粒度的鋼?？梢酝ㄟ^添加翅片以及用于所述熱交換器流體的集和輸送總管而將所述熱交換部件組裝成一個完整的熱交換器?；蛘?，如所指出的一樣，它可以形成另一需要加熱或冷卻的部件的一部分，如渦輪定子。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種熱交換部件，包括從金屬絲網(wǎng)篩堆疊體形成的片狀體，其具有一對相對的外主表面，且在所述外主表面之間具有空隙；以及在所述片狀體的每個外主表面上沉積的金屬涂層，其中，所述金屬涂層之間界定出用于使熱交換流體延伸通過所述片狀體空隙的流路。本發(fā)明還擴(kuò)展到包括這種部件的熱交換器。


下面將參考附圖且僅作為示例的方式更詳細(xì)地說明本發(fā)明。圖1為用于制造熱交換器部件的篩網(wǎng)堆疊體的橫截面；圖2為壓縮和燒結(jié)后的所述堆疊體的橫截面；圖3為涂有壓力邊界層的片狀體的橫截面；圖4a和4b為所涂涂層的顯微照片；圖5表示所述篩網(wǎng)中的粒子楔入效應(yīng)；圖6為包括用于形成熱交換器的總管和翅片的片狀體的橫截面；圖7為所述熱交換器的立體圖；圖8為圖7所示熱交換器的細(xì)節(jié)圖；圖9示出了總管；圖10為部分形成的熱交換器和總管；以及圖11為渦輪的剖視圖。
具體實(shí)施例方式為了制造根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱交換部件，將多個單獨(dú)的編織金屬絲網(wǎng)篩I相互放置在彼此的頂部以形成堆疊體2，如圖1所示。在一個實(shí)例中，每個網(wǎng)篩都由304型不銹鋼制成，其特征在于100目(每英寸100根金屬絲)的O.1Imm直徑的金屬絲相互垂直地編織成方形編織構(gòu)造。304型不銹鋼為市售T300系列不銹鋼奧氏體合金。它具有最低為18%的鉻和8%的鎳，且結(jié)合有最多為O. 08%的碳。需理解的是可以改變網(wǎng)格參數(shù)(網(wǎng)格大小、金屬絲直徑、方向和編織類型)。然后，將所述堆疊體高度壓縮至25至40%，且以某種方式將所述網(wǎng)格結(jié)合在一起以形成磚狀物3，如圖2所示。例如，可通過燒結(jié)或注入聚合物達(dá)成此目的，或簡單地將所述堆疊體插入固定結(jié)構(gòu)中以在制造所述部件時將網(wǎng)篩I保持在適當(dāng)?shù)奈恢?。在燒結(jié)的情況下，在壓縮所述網(wǎng)篩堆2后，將其放置于加熱至高溫的爐內(nèi)。所傳輸?shù)臒崮芘c壓縮壓力相結(jié)合，可以在網(wǎng)格方形結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生粘合。在注入聚合物的情況下，將聚合物注入所述堆2。一旦聚合物凝固，它就能使網(wǎng)狀體定型。然后，就可以去除所述聚合物，例如，加熱至高溫將其燒掉。在通過固定結(jié)構(gòu)壓縮所述網(wǎng)篩堆疊體2的情況下，需在去除所述固定結(jié)構(gòu)并進(jìn)行下一步驟前以涂覆金屬涂層的形式在所述磚狀物3的四側(cè)涂有壓力邊界層。以垂直于所述磚狀物主表面的平面切割所述磚狀物以形成片狀體的方式，從所述磚狀物3切出片狀體4?？梢允褂脦т徎蚪饎偸徎蚪饘俳z切割所述磚狀物以進(jìn)行小批量生產(chǎn)，以及使用金剛石繩鋸排切割所述磚狀物以進(jìn)行大批量生產(chǎn)。對于所述壓縮磚狀物的情況，每一切割之間需重新涂所述壓力邊界。所得到的如圖3所示的片狀體在所述切片上具有一對相對的主表面5和6，且片狀體內(nèi)在所述堆疊的編織網(wǎng)篩I的金屬絲間形成空隙7。所述片狀體的尺寸通常在下述范圍內(nèi)變化芯材寬度為2至12英寸，流長度為2至6英寸且所述片狀體厚度為O. 06至O. 2英寸。通過在所述片狀體的每個主表面5和6上涂上形成壓力邊界層的金屬涂層8和9，而封閉所述片狀體的所述主表面5和6。在本實(shí)施例中，是通過脈沖氣動噴涂的方式涂上所述金屬涂層，可是也可以使用其他方法，如噴涂、視線沉積(line of sight deposition)或選擇性激光燒結(jié)。通常，所述壓力邊界層可在O. 002至O. 015英寸間變化。形成所述邊界層所使用 的材料可以采用與所述芯材同樣的材料或完全不同的類型。邊界層的材料和厚度都取決于待容納流體的壓力。在這一點(diǎn)上，如果通過灌入或射入聚合物而形成所述芯材，可通過施加熱而去除所述聚合物，在這種情況下，即可將所述聚合物從所述磚狀物燒掉所述聚合物。一旦形成，可研磨和拋光所述邊界層以產(chǎn)生光滑的表面。在一個示例性實(shí)施例中，使用PGDS以下列參數(shù)涂覆所述壓力邊界以作為涂層
權(quán)利要求
1.一種制造熱交換部件的方法，包括 從金屬絲網(wǎng)篩堆疊體形成片狀體，其中所述片狀體具有一對相對的外主表面，且在所述外主表面之間具有空隙；以及 通過在上面沉積金屬涂層而封閉所述外主表面，所沉積的金屬涂層之間界定出用于使熱交換流體延伸通過所述片狀體空隙的流路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述網(wǎng)篩為編織的金屬絲網(wǎng)篩。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，所述網(wǎng)篩被壓縮在一起，且以垂直于各網(wǎng)篩平面的平面切割所述堆疊體以形成所述片狀體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述網(wǎng)篩被粘合在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過燒結(jié)將所述網(wǎng)篩粘合在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過注入聚合物而將所述網(wǎng)篩固定在一起，且在涂上所述金屬涂層后去除所述聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過固定結(jié)構(gòu)將所述篩固定在一起，直到涂上所述金屬涂層為止。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過熱噴涂技術(shù)涂上所述金屬涂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，從以一角度延伸向所述片狀體表面的噴嘴，以淺的入射角涂覆所述金屬涂層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述熱噴涂技術(shù)為脈沖氣動噴涂金屬粉末。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述金屬粉末為具有球形形態(tài)以及直徑小于44iim粒度的鋼。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過選擇性激光燒結(jié)涂覆所述金屬涂層。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至12任一項(xiàng)所述的方法，其中，交替間隔的網(wǎng)篩分別由低傳導(dǎo)性高強(qiáng)度材料和高傳導(dǎo)性低強(qiáng)度材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求I至13任一項(xiàng)所述的方法，其中，將所述熱交換部件形成為環(huán)形漸開線陣列。
15.一種制造熱交換器的方法，包括 從金屬絲網(wǎng)篩堆疊體形成片狀體，其中所述片狀體具有一對相對的外主表面，且在所述外主表面之間具有空隙；以及 通過在上面沉積金屬涂層而封閉所述片狀體的外主表面，所沉積的金屬涂層之間界定出用于使第一熱交換流體延伸通過所述片狀體空隙的第一流路； 將多個翅片附接至每個金屬涂層； 在所述片狀體相對的兩端設(shè)置總管以傳送和收集所述第一熱交換流體；以及 在熱交換用的所述翅片之間設(shè)置用于第二熱交換流體的第二流路。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述網(wǎng)篩為編織的金屬絲網(wǎng)篩。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法，其中，所述網(wǎng)篩被壓縮在一起，且以垂直于各篩平面的平面切割壓縮后的所述堆疊體以形成所述片狀體。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過燒結(jié)將所述篩粘合在一起。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18任一項(xiàng)所述的方法，其中，通過熱噴涂技術(shù)涂上所述金屬涂層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述熱噴涂技術(shù)為脈沖氣動噴涂金屬粉末。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述金屬粉末為具有球形形態(tài)以及直徑小于44iim粒度的鋼。
22.—種熱交換部件，包括 從金屬絲網(wǎng)篩堆疊體形成的片狀體，其中所述片狀體具有一對相對的外主表面，且在所述外主表面之間具有空隙；以及 沉積在所述片狀體的各外主表面上的金屬涂層，所述金屬涂層之間界定出用于使熱交換流體延伸通過所述片狀體空隙的流路。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱交換部件，其中，所述篩為編織的金屬絲網(wǎng)篩。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的熱交換部件，其中，交替間隔的網(wǎng)篩分別由低傳導(dǎo)性高強(qiáng)度材料和高傳導(dǎo)性低強(qiáng)度材料制成。
25.根據(jù)權(quán)利要求22至24任一項(xiàng)所述的熱交換部件，其中，所述片狀體包括切片，該切片通過以垂直于燒結(jié)后網(wǎng)篩堆疊體平面的平面切割所述燒結(jié)堆疊體得到。
26.根據(jù)權(quán)利要求22至25任一項(xiàng)所述的熱交換部件，其中，所述涂層由涂覆的鋼粉末制成，所述鋼粉末具有球形形態(tài)以及直徑小于44 y m的粒度。
27.根據(jù)權(quán)利要求22至權(quán)利要求26任一項(xiàng)所述的熱交換部件，其被形成為漸開線陣列。
28.—種熱交換器,包括 從金屬絲網(wǎng)篩堆疊體形成的片狀體，其具有一對相對的外主表面，且在所述外主表面之間具有空隙；以及 在所述片狀體的每個外主表面上沉積的金屬涂層，所述金屬涂層之間界定出用于使第一熱交換流體延伸通過所述片狀體空隙的流路；以及 在所述金屬涂層上的多個冷卻翅片，在它們之間界定出用于第二熱交換流體的流路。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的熱交換器，其中，交替間隔的網(wǎng)篩分別由低傳導(dǎo)性高強(qiáng)度材料和高傳導(dǎo)性低強(qiáng)度材料制成。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的熱交換器，其中，所述片狀體包括切片，該切片通過以垂直于燒結(jié)后網(wǎng)篩堆疊體平面的平面切割所述燒結(jié)堆疊體得到。
31.一種渦輪定子，包括由根據(jù)權(quán)利要求28至30任一項(xiàng)所述的熱交換部件所制成的渦輪葉片，其中，所述渦輪部件界定了用于使冷卻流體通過所述片狀體空隙的流路。
全文摘要
一種熱交換器部件，其通過從金屬絲網(wǎng)篩堆疊形成片狀體而制造出來，其中所述片狀體具有一對相對的外主表面，且在所述外主表面之間具有空隙。通過在所述片狀體的所述外主表面上沉積金屬涂層而封閉所述外主表面。所述沉積的金屬涂層在它們之間界定出用于使熱交換流體延伸通過所述片狀體空隙的流路。
文檔編號F28F1/44GK102985217SQ201180034126
公開日2013年3月20日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月4日
發(fā)明者埃里克·邁特, 安東尼·科貝爾, 格雷瓜爾·貝呂貝, 米歇爾·厚德 申請人:布雷頓能源加拿大有限公司, 埃里克·邁特