制造具有至少兩個流體流動回路的熱交換器模塊的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有至少兩個流體回路的熱交換器，所述至少兩個流體回路的每一者包括通道。
[0002]本發明更具體地涉及一種憑借由熱等靜壓(HIP)技術獲得的擴散焊接的該交換器的新制造方法。
[0003]已知的熱交換器包括一個或至少兩個內部流體循環通道回路。在具有單個回路的熱交換器中，熱交換在回路和回路所浸入的周圍流體之間進行。在具有至少兩個流體回路的交換器中，熱交換器在兩個流體回路之間進行。
[0004]存在有實施連續方法的已知化學反應器，少量的共反應物根據所述連續方法同時在第一流體回路的入口處被注入，化學反應器優選地設置有混合器，并且所獲得的化學產物在第一回路的出口處被回收。在這些已知的化學反應器中，一些化學反應器包括第二流體回路，所述第二流體回路通常被稱為實用回路并且其功能是或通過給該反應提供所需的熱或與此相反通過將該反應所釋放的熱排出而對化學反應進行熱控制。具有實用性的兩個流體回路的該化學反應器通常被稱為交換器/反應器。
[0005]本發明涉及僅具有熱交換功能的熱交換器的制造和交換器/反應器的制造兩者。因此，在本發明的上下文中的術語“具有至少兩個流體回路的熱交換器”意在被理解為僅具有熱交換功能的熱交換器和交換器/反應器兩者。
【背景技術】
[0006]現存的被稱為具有板的熱交換器具有針對被稱為具有管的熱交換器的明顯的優勢，特別是其熱性能的水平以及其由于表面面積和熱交換的體積之間的有利地高的比例的緊湊性。
[0007]已知的管式交換器例如為管殼式交換器，其中一束直管或一束以U形式或以螺旋形式彎曲的管固定至多孔板并且布置在腔(所述腔被稱為殼)的內部。在這些具有管和殼的交換器中，一種流體在管的內部流動，而另一種流體在殼的內部流動。這些管殼式交換器具有大的體積并且因此不太具有緊湊性。
[0008]已知的板式交換器更緊湊并且通過堆疊板而獲得，所述板包括通道并且組裝在一起。
[0009]通道通過沖壓板制成，若有必要，通過添加以鰭的形式折疊的板或通過制成槽而制成。利用機械手段或化學方法來執行該制造，所述機械手段例如通過銑削。化學制造通常被稱為化學蝕刻或電化學蝕刻。
[0010]將板彼此組裝在一起意在確保交換器的密封和/或機械強度，特別是在內側中流動的流體的壓力阻力。
[0011]數種組裝技術是已知的，并且根據所需的板式交換器的類型而使用。該組裝因此可以利用機械手段而獲得，所述機械手段例如拉動構件，所述拉動構件將堆疊保持夾緊在兩個厚剛性板之間，所述兩個厚剛性板布置在端部處。通道的密封通過將連接接合點壓平而獲得。該組裝還可以通過通常限于對板的外周的焊接來執行，這通常需要在焊接操作之后將該交換器插入到網格中，以便實現其相對于流體的壓力阻力。特別地對于添加有鰭部的交換器，所述組裝可以再次通過釬焊來獲得。所述組裝可以最終通過擴散焊接來獲得。
[0012]所提到的最后兩種技術使得交換器被制成，所述交換器關于機械強度是特別強大的。這是因為，由于這兩種技術，所述組裝不但在板的外周獲得，而且還在交換器的內側獲得。
[0013]具有通過擴散焊接而組裝的板的熱交換器具有接合點，所述接合點比通過釬焊而獲得的交換器的接合點在機械上甚至更強大，這因為不存在用于釬焊所需的附加金屬。
[0014]擴散焊接包括通過在熱狀態下將力施加至待組裝的組件達給定的時間期間而獲得固態的組件。所施加的力具有雙重功能:該力使得對接，也就是說，使待焊接的表面相接觸，并且其通過蠕變/擴散而便于消除接合點(交界面)中的殘余空隙。
[0015]該力可以通過單軸壓縮而施加，例如利用裝備有烤爐的壓力機(press)或簡單地使用布置在待組裝的堆疊的組件的頂部上的質量塊(masses)。該方法通常被稱為單軸擴散焊接并且在工業上用于制造板式熱交換器。
[0016]對單軸擴散焊接方法的明顯的限制涉及到以下的事實:其不允許待焊接的接合點相對于單軸壓縮力的施加方向的任何定向。
[0017]另一可替選的方法克服了該缺點。在所述另一方法中，所述力經由壓縮氣體被施加至密封腔。該方法通常被稱為熱等靜壓(Hot Isostatic Pressing，HIP)。相較于擴散焊接的單軸方法，通過HIP的擴散焊接的方法的另一優點是:其在工業規模上更廣泛地使用。這是因為HIP還用于鑄造組件的成批處理以及用于壓實的粉末。
[0018]具有通過當前已知的擴散焊接獲得的板的緊湊式交換器還具有明顯的缺點，所述缺點可以在下文中陳述。
[0019]第一主要的缺點是板的制造成本，特別是在具有裝配式通道的情況下。盡管相較于機械制造，化學蝕刻使得成本有一定程度的降低，但是所有的情況都是相對的:與給定長度相比，通過化學蝕刻制成的板式交換器的通道的成本大于管式交換器的通道的成本。而且，化學蝕刻具有多種缺點，例如不足的尺寸精度、對于擴散焊接是不利的對邊緣的倒圓，或由于已經使用的酸洗產品和遮蔽產品的殘留而對待組裝的表面的殘余污染。
[0020]具有已經通過擴散而焊接的板的緊湊式交換器的第二主要的缺點是，難以在所獲得的交界面接合點的機械強度、通道的可接受的變形以及結構材料的紋理的膨脹之間找到良好折中。
[0021]這是因為，在單軸擴散焊接的方法中，可以使用使通道輕微變形的低值的或甚至非常低值的力，只要該板具有良好的互相接觸并且所述低值的力通過焊接溫度的升高而補償以便消除交界面處的多孔性。這些情況不可避免地包括材料的紋理的膨脹，這針對其耐腐蝕性和機械性能可能是被阻止的。而且，在多種應用中，對于位于兩個流體回路之間的材料的紋理的數目超過最小值是至關重要的以便防止泄露的風險。
[0022]在使用HIP的擴散焊接方法中，堆疊的組件預先被封裝在密封容器中以便防止氣體透入到由待焊接的表面構成的交界面中。通常所使用的氣壓很高，所述氣壓大約從500bar到2000bar，通常為lOOObar。能夠實施HIP的工業腔的最小操作壓力本身在40bar和100bar之間。因此，在該壓力下焊接的接合點比起在較高壓力(例如，在lOOObar下)下獲得的那些接合點具有較小的耐久性，所有其它條件(材料、溫度、表面狀態等)還是同樣的。而且，在40bar和lOObar之間的該壓力對于具有大的通道密度的板來說甚至更大，也就是說，其接觸表面通過鄰近的板確定的板相較于總的可見表面是小的。這是因為，對于這種類型的板，甚至幾十bar的壓力可足以引起通道的不可接受的變形。一種可行的解決方案可以包括降低組件的溫度，從而該材料更耐壓力，但是這等同于進一步降低接合點的強度。另一可行的方案可以包括改變通道的構造以便使得堆疊更耐壓力，但是這等同于使得板式交換器不太緊湊。
[0023]應當注意的是，將焊接力傳遞至溝槽板堆疊中以不同方式執行，無論包含的是單軸擴散焊接方法還是利用HIP的擴散焊接方法。這是因為位于槽的下方的交界面的部分承受減小的焊接力，這由于焊接力僅僅經由位于每一槽的一側和另一側上的兩個肋或峽部(isthmuse)而傳遞。相反，針對該肋部而獲得了高的焊接力。交界面的質量因此可以從堆疊的一個位置到另一位置而改變。
[0024]而且，對于特殊需求的應用，必要的是能夠在堆疊的所有位置中控制交界面的質量，例如，該控制通過非破壞性的控制。除了在一些非常精確的情況下，例如，在向內非常輕微地彎曲并且其具有的尺寸足以允許超聲控制波通過的通道的情況下，通過當前可用的技術是不可行的。
[0025]已經已知了用于通過經由HIP的擴散焊接來制造熱交換器同時控制通道的幾何構造和交界面的質量的多種解決方案。在這些解決方案中的共同點是制造堆疊，從而可以在HIP循環期間使得通道敞開。以這種方式，壓縮氣體占據了通道的所有內部空間，并且因此它們不變形或非常小的變形。因此，可以在高壓下執行HIP。
[0026]第一已知的解決方案包括使用用于每一通道的管，并且在管的至少一端處以密封方式焊接至本身是密封的容器。每一管預先被插入到板的槽中，之后插入到相同的板的槽中的管被夾在可被開槽或可不被開槽且鄰近的另一板中。本申請的發明人之一已經實施了該解決方案[1]。先前的將每一管的至少一端密封焊接至密封容器的必經步驟本質上包括有限數目和密度的管。該解決方案的主要缺點在于，其包括交換器的能夠以管的形式制造的通道，其排除了復雜的形狀，例如不能通過彎曲而制成的快速改變方向的形狀。以這種方式，替代了復雜的形狀，通道以更為簡單并且不太緊湊的形式制成。也就是說，如在前文中所描述的，相較于具有通過根據現有技術的擴散而焊接的溝槽板的熱交換器，該第一已知的解決方案破壞了熱交換器的緊湊性。
[0027]第二已知的解決方案描述在專利申請W0 2006/067349中。這實質