热交换器及其本体以及用于形成热交换器本体的方法

摘要

一种热交换器，包括由轻金属或轻金属合金构成的热交换器本体，其中本体包括在烟道和火焰接收空间的相对侧面的两部分，所述两部分基本上限定所述烟道和火焰接收空间，烟气的主流方向位于火焰接收空间的入口侧和烟道的出口侧之间，每个部分包括延伸进入两部分之间的空间的第一系列肋以及在火焰接收空间延伸的第二系列肋，第一系列肋具有基本上垂直于烟气的主流方向的长度方向，从而限定了在火焰接收空间和出口之间的烟气的曲折流路，而在相对两部分的第二系列肋之间提供了一个开放空间。该热交换器本体相对于具有相当容量的已知热交换器减少了对机械加工和/或材料损失的需求。本发明还涉及一种用于形成热交换器本体的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热交换器。

背景技术

由轻金属例如铝或铝合金构成的热交换器本体是本领域众所周知的，并且 通常采用失芯技术铸造而成。这样的热交换器本体的各种实施例通过例如荷兰 贝尔费尔德的德扬技术全球能源方案有限公司(Dejatech BV，Belfeld，NL)是 已知的。这样的热交换器本体已经用在不同制造商的许多不同的加热应用中， 例如中央供暖和卫生用水加热应用。铸造提供了相对高的设计自由度，但它在 加工、处理和机械加工中是昂贵的。此外这样的生产方法是劳动密集型，并导 致相对多的垃圾和材料消耗。

WO2010/098666公开了一种采用轻金属挤压制造的热交换器。在该公开中 热交换器本体的两部分是被挤压制成的，每个部分都包括壁和作为间隔壁的一 系列肋，用于形成烟道段或管道段。这两部分彼此连接，肋彼此面对。为了形 成在管道的段之间的连接，中间壁的端部通过机械加工移除，以形成连续的烟 道。燃烧器与管道的一端连接，然而排气口安装在管道的相对端。在这个公开 中不同段中的烟气的主流方向平行于两部分的挤压方向。

根据WO2010/098666的热交换器优于铸造热交换器之处在于挤压过程相对 简单，没有芯必须要移除，如果需要，组装之前对两部分的清洗相对简单。此 外，热交换器的热容量能够简单地通过切割不同长度的用于形成两部分的挤压 外形而进行选择。在挤压后对机械加工的需求，尽管与铸造热交换器相比是有 限的，仍然是显著的。此外，由于大部分肋的缘故，两部分需要被移除，仍然 消耗相对多的材料。而且气体和管道壁的接触不总是最佳的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种供选择的热交换器，或者一种供选择的热交换 器本体。目的在于提供一种采用对各部分进行挤压的方式形成的热交换器本体。 目的在于提供一种热交换器本体，该热交换器本体相对于所述的具有相当容量 的已知热交换器减少了对机械加工和/或材料损失的需求。本发明额外地或供选 择的目的在于提供一种热交换器，该热交换器具有由轻金属构成的本体，该本 体具有高换热容量/容积比。本发明额外地或供选择的目的在于提供一种热交 换器，该热交换器具有由轻金属构成的本体，轻金属能够以简单和可靠的方式 制造，例如使用WO2010/098666中所述的结合技术。

采用根据这个发明的热交换器和/或热交换器本体和/或方法，这些目的中的 至少一个能够分别地或相结合地实现。

在本发明的一个方面，热交换器由两个部分限定，这两个部分通过挤压制 造，并且包括具有肋的内壁，肋从内壁延伸，热交换器的两部分限定平行于肋 的长度方向的挤压方向，其中在装配条件下，在两部分之间特别是肋之间限定 出烟道，烟道具有沿基本上垂直于挤压方向的方向延伸的主流方向。

在本发明的一个方面，热交换器由两个部分限定，这两个部分通过挤压制 造，并且每个部分包括具有肋的内壁，肋从内壁延伸，热交换器的两部分限定 平行于肋的长度方向的挤压方向，其中在装配条件下，在两部分之间特别是肋 之间形成火焰接收空间，火焰接收空间具有沿基本上垂直于挤压方向的方向延 伸的主流方向。火焰接收空间连接至烟道，例如在之前段落中所描述的，并且 在相对的方向上变宽，相对两部分的肋被间隔开，这样在肋之间提供了一个自 由的和无障碍的空间。

在一个方面，根据这个发明的热交换器包括热交换器本体，该热交换器本 体由轻金属或轻金属合金构成，其中本体至少包括烟道和火焰接收空间，其中 本体包括在烟道和火焰接收空间的相对侧面的两部分，所述两部分基本上限定 所述烟道和火焰接收空间，其中烟道和火焰接收空间限定在火焰接收空间的入 口侧和烟道的出口之间的烟气主流方向，其中每个所述部分包括延伸进入所述 两部分之间空间的第一系列肋，并且具有基本上垂直于烟气主流方向的长度方 向，从而限定在所述火焰接收空间和所述出口之间的烟气的曲折流路，以及在 所述火焰接收空间延伸的第二系列肋，其中在相对两部分的所述第二系列的肋 之间提供一个开放空间。

在一个方面，本发明的方法能够通过挤压形成至少两部分而限定，每部分 具有内壁，平行肋从内壁延伸，这两部分以内表面面对彼此放置，并且由端部 连接，这样所述两部分基本上限定烟道和通向所述烟道的火焰接收空间，其中 烟道和火焰接收空间限定在火焰接收空间的入口侧和烟道出口之间的烟气主流 方向，该烟气主流方向基本上垂直于两部分的挤压方向。在实施例中，可将两 部分连接起来，这样肋限定在所述火焰接收空间和所述出口之间的烟气的曲折 流路，并且其中在火焰接收空间中的所述相对两部分的肋之间提供一个开放空 间。

附图说明

在下面参照附图的描述中将对本发明作进一步地阐述，其中：

图1以立体图示意地示出了部分分解的热交换器；

图2示出了用于例如根据图1热交换器的热交换器本体的两部分的侧视图；

图3是根据本发明的热交换器的水管的概略部分，水管与加热回路相连； 以及

图4是供选择的实施例的概略部分的侧视图。

具体实施方式

在这个说明中，仅通过举例的方式公开和描述了热交换器及其部件以及设 置在其中的加热回路的不同实施例。在这些实施例中，相同或相似部件采用相 同或相似的参考标记。所示实施例的部分组合也被认为已经在此公开。在这个 说明中，热交换器可以认为是用于在来自燃烧器的经加热的烟气和流动通过所 述热交换器内的一个或多个水通道的水之间进行热交换的交换器。优选地，提 供火焰接收空间，能够将燃烧器插入其上和/或内部，这样所述经加热的烟气在 使用过程中在所述热交换器内积极的产生。可供选择地，燃烧器能够至少部分 地集成在热交换器中，例如通过挤压、铸造和/或机械加工。这样的热交换器尤 其但不是排他性地适于家用和商用加热系统，例如锅炉和中央加热系统，例如 用于空间加热和/或饮用水加热系统。

在下面的说明中，可能与挤压部件的机械加工结合起来的挤压将被描述为 用于制造这样的热交换器的部件的有利的手段。然而，这些部件的一些或全部 也能够通过铸造制造，例如但不限于注塑成型、打磨或其他失芯模制或铸造等 可与机械加工结合起来，例如但不限于磨削、车削、铣削、钻削和类似已知的 机械加工方法。

在这个说明中，轻金属至少认为是包括不含铁的金属和不含铁的金属合金， 具有小于4500kg/m³的密度。优选的材料是铝和铝合金。

在这个说明中，像顶部和底部和侧面的术语仅用作参照，并不限制热交换 器或其部件在使用中的可能位置。在这个说明中，顶部和底部用作限定在图1、 2和4中，其中所示的火焰接收空间在顶部，气体出口在底部。

在这个说明中，像基本上和大约的术语指示尺寸或方向上的轻微偏差，它 们涉及的偏差是允许的，例如小于20％，更优选地小于15％，例如直到10％。

在这个说明中，结合应当认为是在两个或多个部件之间使用弹性粘合剂形 成粘合连接。特别适合的是胶粘剂或粘合剂，其在固化后仍然是柔性的、弹性 可变形的。优选地，粘合剂耐热达120℃以上的温度，优选地150℃以上，更优 选地170℃以上。可使用胶粘剂，其耐热高达180℃或以上。可使用胶粘剂，其 具有在大约-4℃和+120℃之间的使用温度范围，优选地在大约-20℃和+150℃之 间，更优选地在大约-40℃和+170℃之间，甚至更优选地在至少-55℃和+180℃或 更高(例如PSI S406)之间。温度范围应当被认为是，胶粘剂在这个温度范围 内保持至少大部分它的弹性和结合特性，这样在热交换器中结合至少保持耐压 性以及流体和气体的密封性。在本文中耐压性被认为是至少抵抗在2bar以上的 邻接空间中压力，优选地4bar以上，更优选地至少到10bar。所需的耐压性可以 高达20bar或以上。1bar是100000帕斯卡或0.1兆帕。根据ASTM C794，可以 对粘附于表皮作出参照。

弹性粘结剂，例如胶合剂或粘结剂应当认为是如下一种剂，在固化后在使 用过程中其具有高屈服强度和高屈服极限。这意味着它能够在断裂前延伸到相 对高的程度。优选地弹性是这样的，屈服极限大于大约300％，优选地大于大约 400％，更优选地大于大约550％，特别优选地大约650％或更高。优选地，在热 交换器的使用过程中在温度范围之上保持这个高屈服极限。屈服极限能够例如 根据ASTMD412测量。

粘合剂可以是硅树脂或弹性体的基底胶，优选地在大约室温下固化为类似 橡胶的成分，其为水密和气密。由所述粘结剂形成的结合层优选地是耐压性达 至少大约4bar，更优选地达大约10bar，甚至更优选地达大约20bar或以上，其 中粘合剂优选地用于部件的未涂底漆金属上。这样的粘合剂的例子是道康宁 (Dow Corning)7091，其具有在-55和+180℃之间的正常的使用温度范围，大 约680％的屈服极限。

可以进行屈服极限、耐压性和温度范围的各种组合。

Dow7091粘合剂/密封剂是高性能、中性固化硅树脂，其在室温下 固化至牢固的、有弹性的橡胶，适于在此描述的使用情况。Dow Corning7091 从-55℃至180℃(-67℃至356°F)保持弹性和稳定，是单组分、非凹陷的密封 剂。它能具有86ppi的撕裂强度和大约363psi的拉伸强度。这个粘合剂仅以实 施例的方式提供，不应当认为以任何方式限制范围。

通过使用这样的弹性粘合剂，热交换器的部件能够彼此连接，形成流体特 别是水和气体的密封，不必添加垫片、密封件等，这将在很大的温度范围上保 持流体和气体的密封。而且，这样的密封相对便宜，对相对高的压力有耐压性。 此外，由于高弹性可以避免连接在一起的不同部件的不同膨胀率和方向所带来 的问题。

可选择的或附加的结合，可以使用其他连接技术和材料，例如但不限于焊 接、螺纹、螺母和螺栓、夹合。

图1以示意地的立体图示出了本发明公开的热交换器1，包括第一部分2 和相对的第二部分3。在图2中，热交换器1的本体1A的两部分2、3以侧视 图示出，在所示位置中它们将要彼此连接。在这个实施例中如侧视图所看到的， 本体基本上是Y形，具有位于下方第部分5的烟道4和位于上方第二部分7 的火焰接收空间6。第一部分具有宽度，特别是平均宽度W1，该平均宽度小于 上方第二部分7的平均宽度W2。如图1所指示的，热交换器特别是烟道4和火 焰接收空间6具有主流动方向，由箭头8指示，从火焰接收空间的入口侧9延 伸到位于本体1A的相对侧的烟道的出口10，因此在图1、2和4中是从顶部到 底部。火焰接收空间被认为是指一个空间，在使用过程中来自燃烧器13的火焰 和/或经加热的烟气被引入其中，其中燃烧器13可安装在热交换器本体1A上或 插入热交换器本体1A中，特别地插入所述空间6中，和/或至少部分地由本体 1A形成。在图1中通过实施例示出了燃烧器13，按照已知的方式其具有基本上 矩形、平的燃烧器表面13A。根据例如本体和用于热交换器和/或连接至热交换 器的加热系统的热需求/容量来选择燃烧器的整个尺寸。

进一步地，在烟道4中限定用于使气体以所述主方向8流动的曲折流路， 以增强气体和两部分2、3之间的接触和接触时间。为此目的，两部分2、3的 每一个具有一系列肋11，从相关部分2、3的内壁12以相对部分3、2的方向延 伸。每个肋11具有长度方向L，该长度方向基本上垂直于主流动方向8且基本 上平行于相关部分2、3的内壁12。肋具有高度方向H，该高度方向基本上垂直 于内壁12和长度方向L。在优选的实施例中，两部分2、3通过挤压制造，长 度方向L平行于挤压方向延伸，由箭头E指示。优选地，主流动方向8也垂直 于所述挤压方向E。一些或全部的肋可基本上垂直于所述内壁12延伸，或一些 或全部的肋可与所述壁12成不同的角度。

在实施例中示出了第一部分5，该第一部分可具有基本上矩形的侧面视图， 在每个部分2、3包括第一系列肋11，两部分2、3中一个部分的肋在相对部分 3、2的第一系列肋的肋11之间延伸，反之亦然。从而获得通过烟道4的所述曲 折流路，迫使气体Z字形通过管道4。在第一部分5的下方部分5A中，肋11 的高度可以是相同的，然而在第一部分的上方部分5B中，高度H可以在空间6 的方向上减小。从而在流8的方向上、烟道4中上方部分5B中气体温度相对高 的位置处，流路的有效横截面将大于温度较低的下方部分。从而气体和两部分2、 3特别是肋11之间的热交换得到进一步地增强。

可以理解的是，特别地，当两部分被挤压，肋将是封闭元件，具有垂直于 长度方向的横截面，该横截面是连续的并且在长度方向上是相同的。在实施例 中所示的横截面基本上是三角形或梯形，尽管也可以是其他形状和尺寸。它们 在内壁12处具有底部，而在相对端处具有顶部11A，其中底部16优选地比顶 部11A更厚。

在本体1A的上方第二部分7中，在每个部分提供第二系列的肋11，再次 分别地从第一和第二部分2、3的内壁部分12A延伸。如图所示，空间6由此在 远离管道4的方向上变宽，即在与主流动方向8相对的、朝向入口9的方向上。 第二系列的肋11在管道4的方向上具有增加的高度H，这样最靠近入口9的肋 最低，距入口9最远的第二系列肋11最高，尽管优选地仍然低于第一系列的最 低的肋11的高度。从而在由第二系列肋11的顶部11A限定的两个假想平面V 之间的空间6A比同样的空间6甚至变得更宽。从而当气体和/或火焰更进一步 进入本体1A中时，肋同气体和/或火焰之间的接触增强。

从气体的主流动方向8上看，在下方第一部分5中的相对两部分的邻近肋 11可大部分地重叠，例如重叠多达50％、60％或甚至75％或更多。这意味着气 体的流路将迫使气体靠近肋的底部部分或底部16、靠近这些肋所连接的相关内 壁12而通过。这些底部部分16将提供用于气体和肋之间的热传递的最大部分。

在图4中示出了可选择的实施例，具有如图1和2所示的相同的基本形状 和形式，但是，其中第一系列肋11即在下方第一部分5中定位成形成成对肋11， 每对肋都包括第一部分2的肋11和相对第二部分3的肋11，具有相面对的顶部 表面11A，该顶部表面可以是平的或由相对尖的边缘形成或具有任何其他形状。 在每对肋的顶部表面11A之间形成用于气体流动通过所述管道4的通道15。如 图所示，这些通道15不是直接在彼此下方，也就是说它们不是直线的，从而形 成用于气体通过管道4的曲折流路。在实施例中所示的管道15可选择地更靠近 一个部分的壁12和另一个部分3的壁12而设置。不同的定位显然也是可以的。 垂直于主流动方向8的通道15的横截面例如逐渐地或分段地、朝向出口10减 小，以影响通过管道的、在热交换过程中的气体流动，从而冷却气体。

如在实施例中所示的内壁12可与外壁14连接，例如通过一系列的壁部件 17，这些壁部件优选地平行于肋11延伸，这样优选地两部分2、3仍然能眵整 体挤压作为整块。在内壁12和外壁14之间形成水管道部段18，例如在所述壁 部分17之间封闭形成。这些水管道部段18互相连接以形成一个或多个水管道 19，这些水管道沿着烟道4和/或火焰接收空间6延伸。如将要讨论的，这些水 管道部段18能够在两部分2、3中和/或通过端部20、21彼此连接。

图3示意性地示出了水管道19的一部分，在这种情况下，包括四个部段18， 在水进口22和水出口23之间限定出曲折流路。如图1和3所示，在热交换器1 中，提供本体1A的两个相对侧和端部20、21，把烟道4、空间6和部段18的 相对侧封闭起来。这些端部可以例如结合或胶合至两部分2、3，从而在端部20、 21和两部分2、3之间形成既牢固又有充分弹性的连接，并形成有充分柔性和耐 压的、水和气密封的连接。在图2中，每个部分2、3包括7个这样的部段18， 在图4中包括9个部段18。然而任何数量的这样的部段都是可以的。如图3所 示的许多中间壁部段18，端部被取走，例如通过铣或锯，这样在壁部段18和邻 近端部20、21之间获得通道24。可选择地，这些通道24靠近第一和第二端部 20、21设置，这样水管道以Z字型式弯曲，提供由箭头W指示的流路。优选 地，水的主流动方向与气体的主流动方向8逆流。

在这个实施例中，第一端部20包括入口管25和出口管26，加热回路28 的返回管线27和供给管线28能够以任何合适的方式分别地连接至入口管25和 出口管26。在所示的实施例中示意性地示出了用于空间加热的回路28，包括例 如任意数量的散热片29和用于使水循环通过回路28和热交换器1的泵30。端 部20也可挤压，并且进口管25和出口管26可设计成在热交换器本体1A的任 意一侧连接至水管道19。如果需要的话，可在所述管道25、26中设置合适的止 挡件，以关闭管道的开口端。

在一个可选择的实施例中，一个或两个端部20、21设置有用于连接两部分 2、3的的水管道19的部段18和/或所述两部分2、3之间的各部段的部分。在 后面的例子中，水管道19可围绕本体1A的周围形成，例如螺旋式。

如图1和2所示的，为了增大热交换表面，在一些或全部的部段18中可设 置小的肋31或类似物。

根据本发明的热交换器具有超越现有技术的优点，其几乎不需要机械加工 来形成烟道4和火焰接收空间6。当挤压两部分2、3时，仅需要切割已挤压的 外形的合适长度Lb，在此之后本体1A可以被组装。如果将形成例如如图3所 示的水管道，那么仅是通道需要通过机械加工提供，仅导致非常有限的材料损 失。不需要铸造、芯制或成形工具。此外，还发现挤压具有表面粗糙度更低和 表面硬度更大的优点。

如图1和4所示，可在出口10上设置闭合元件33，用于将热交换器连接至 排气(未示出)，还用于接收任何来自烟道4的冷凝物，以例如通过冷凝出口34 排出。

根据本发明的热交换器1特别是其本体易于以非常经济的方式、非常有限 的材料损失制造。通过选择本体的长度Lb容易选择热交换器1的容量。

本发明决不限于在本说明书中所示的和/或所描述的实施例。在权利要求范 围内它可以有很多变形，至少包括以组合或排列的形式，实施例的及其所示部 件的部件和元件的所有组合。例如两部分2、3中的一个或两个可制成具有各自 的通道部分，一个在另一个上面或者彼此紧挨着，用于连接至各自的水或其他 介质回路。此外，第一和/或第二部分可具有其他横截面，并能够例如具有较大 或较小倾斜的壁，用于提供更大或更小的空间6。各部分2m、3、20、21能够 通过不同的方式彼此相连，例如螺纹、紧固件、夹子、焊接等。还可以使用其 他粘合剂，例如两个或更多成分的粘合剂。此外，结合层的均匀厚度和通过连 接从而形成的热传导特性能够通过如WO2010/098666中公开的间隔件来实现， 或者采用另一种方式，例如通过胶合工具和模具，用于在结合过程中部件的精 准定位，和/或通过提供连接至两个部件的热传导元件，例如但不限于针、条或 类似物，优选地是插在被结合部件之间的或插到被结合部件上的金属元件，使 所述结合连接交叉。不同部件的形状和尺寸，还有位置，在所附权利要求的范 围内是可以改变的。尽管挤压是用于各部分2、3的有利的制造方法，但是它们 也可以至少部分地不同地制造，例如通过铸造和/或机械加工。两个部分2、3 作为单独的部分形成，优选地是整块。可选择地，它们可作为一个元件一体形 成，在这种情况下，所述部分之间的一部分连接壁将不得不被移除，用于形成 入口和/或出口9、10。此外，在每个第一和第二部分2、3中，可提供比所示出 的更多或更少的通道部段18，然而通道部段、燃烧器和排气口可设置在不同的 位置。例如，燃烧器可部分地或整个地设置在空间6的内部。在权利要求的范 围内，认为这些或其他改变和修改已被公开。