帶塗層的熱交換器的製作方法

2023-08-10 09:27:41

本文公開的標的大體上涉及熱交換器，且更具體來說，涉及上面具有塗層的熱交換器。

熱交換器廣泛地用於各種應用中，包括(但不限於)包括風機盤管機組的加熱和冷卻系統、各種工業和化學工藝中的加熱和冷卻、熱回收系統，和類似者(僅舉幾例)。用於將熱從一種流體傳遞到另一種流體的許多熱交換器利用一個或多個導管，在一種流體流動穿過所述導管的同時第二流體圍繞所述導管流動。來自所述流體中的一者的熱通過經過導管壁的傳導而傳遞到另一流體。許多配置還利用與導管的外部成熱傳導接觸的翅片以便提供可以跨其在流體之間傳遞熱的增加的表面區域、提高流過熱交換器的第二流體的熱傳遞特性，並且增強熱交換器的結構硬度。此類熱交換器包括微通道熱交換器和圓管板翅片(RTPF)熱交換器。

熱交換器的主要功能中的一者是以高效的方式將熱從一種流體傳遞到另一種流體。更高水平的熱傳遞效率允許熱交換器大小的減小，這可以實現減少的材料和製造成本，並且提供對利用熱交換器的系統(例如，冷藏系統)的效率和設計的增強。然而，提高熱交換器系統效率存在若干障礙。

舉例來說，用於熱交換器構造的許多金屬合金(例如，鋁合金)會經受腐蝕。位於海洋環境(尤其是海水或風吹的海水霧)中或靠近海洋環境的應用會產生對這些熱交換器有害的侵入性氯化物環境。此氯化物環境快速地導致釺焊接頭、翅片和製冷劑導管的局部和全面腐蝕。腐蝕模式包括電偶腐蝕、裂隙腐蝕和點狀腐蝕。腐蝕經由若干機制而損害熱交換器傳遞熱的能力，所述機制包括結構完整性和與製冷劑導管的熱接觸的損失。腐蝕產物還積聚在熱交換器外表面上，從而產生額外的熱阻層並且增加氣流阻抗。另外，由於導管穿孔和冷卻系統的故障，腐蝕最終導致製冷劑的損耗。常常使用聚合物塗層來保護熱交換器表面免受腐蝕和物理損壞。然而，許多聚合物是低效熱導體，且將它們用作保護性塗層可能會不利地影響熱傳遞效率。

另外，將熱交換器用作冷藏系統中的蒸發器常常遭受在熱交換器的組件(例如，熱交換器翅片和導管)的外表面上形成霜凍。這些熱交換器表面上的霜凍由於降低熱傳遞而不利地影響熱傳遞效率，這不利地影響冷藏系統的總效率。常常通過在除霜循環中操作冷藏系統來解決霜凍形成，這進一步降低系統效率。對冷藏系統的此類不利影響常常需要將熱交換器和其他系統組件設計成較大容量，從而導致增加的系統成本和複雜性，而且還增加操作成本來滿足系統性能要求。

鑑於以上和其他問題，在本領域中一直需要熱交換器設計和製造的新方法。

發明簡述

根據本發明的一個方面，一種用於將熱從第一材料傳遞到第二材料的熱交換器包括結構性熱傳遞部件，其具有與第一材料接觸的第一表面和與第二材料接觸的第二表面。所述熱交換器還在所述第一表面、所述第二表面上或在所述第一和第二表面上具有塗層。所述塗層包括分散在聚合物樹脂基質中的在至少一個尺寸上是納米級的填充物顆粒。

根據本發明的另一方面，一種熱傳遞系統包括熱傳遞流體循環環路，且所述熱傳遞流體循環環路包括上文描述的熱交換器。在此系統中，所述熱傳遞流體是與所述熱交換器接觸的上述第一材料或第二材料。此熱傳遞系統的實例是蒸汽壓縮熱傳遞系統，其包括：蒸發器熱交換器；壓縮機，其從所述蒸發器熱交換器接收熱傳遞流體；冷凝器熱交換器，其從冷凝器接收熱傳遞流體；以及膨脹裝置，其從冷凝器熱交換器接收熱傳遞流體並且將熱傳遞流體提供給蒸發器熱交換器。在此系統中，包括聚合物樹脂基質中的填充物顆粒的所述塗層可以安置在蒸發器熱交換器或冷凝器熱交換器的表面上。

附圖簡述

在說明書完結時的權利要求書中特別地指出且清楚地要求被視為本發明的標的。通過結合附圖進行的以下詳細描述，本發明的前述和其他特徵和優勢會顯而易見，附圖中：

圖1描繪示例性熱交換器的示意圖；

圖2描繪另一示例性熱交換器的示意圖；以及

圖3描繪帶塗層的熱交換器的表面的一部分的橫截面視圖的示意圖；

圖4描繪塗層中的填充物顆粒的示意性表示；

圖5描繪示例性熱傳遞系統的示意圖；

圖6描繪隨如本文中所描述的填充物熱導率而變的塗層的熱導率的曲線圖；

圖7描繪隨如本文中所描述的填充物表面處理而變的塗層的熱導率的曲線圖；以及

圖8描繪隨如本文中所描述的填充物定向而變的塗層的熱導率的曲線圖。

發明詳述

現在參看圖，在圖1中示出示例性RTPF(圓管板翅片)熱交換器。如圖1中所示，熱交換器10包括用於載運熱傳遞流體(例如，製冷劑)的一個或多個流迴路。出於闡釋的目的，熱交換器10示出為具有單個流迴路製冷劑導管，其具有通過導管彎頭150連接的入口線130和出口線140。入口線130通過180度導管彎頭150在熱交換器10的一端處連接到出口線140。然而，應該明白，可以依據系統的需要將更多的迴路添加到所述單元。舉例來說，雖然將導管彎頭150示出為連接兩個筆直導管區段的單獨組件，但所述導管還可以形成為單個導管件，在其中具有髮夾區段用於導管彎頭150，且此類髮夾導管的多個單元可以在開放末端處與u狀連接器連接，從而在『反覆』配置中形成連續的更長的流路徑。熱交換器10進一步包括一連串翅片160，其包括沿著流迴路的長度間隔的徑向安置的板狀元件，所述板狀元件通常使用過盈配合連接到導管。在一對端板或導管片170和180之間提供翅片160，且通過線130、140進行支撐以便界定氣流通道，經過調節的空氣通過所述氣流通道經過製冷劑導管且在間隔的翅片160之間通過。翅片160可以包括熱傳遞增強元件，例如散熱孔或紋理。

根據本文中所描述的實施例可以使用的另一類型的示例性熱交換器是微通道或小通道熱交換器。這些類型的熱交換器的配置大體上相同，其中主要差異是基於熱傳遞導管埠的大小而相當寬鬆地應用。出於便利起見，這種類型的熱交換器將在本文被稱作微通道熱交換器。如圖2中所示，微通道熱交換器20包括第一岐管212，其具有用於接收工作流體(例如，冷凍劑)的入口214和用於排出工作流體的出口216。第一岐管212流體地連接到多個導管218中的每一者，所述多個導管各自在相對的末端上與第二岐管220流體地連接。第二岐管220與多個導管222中的每一者流體地連接，所述多個導管使工作流體返回到第一岐管212以便通過出口216排出。隔離物223位於第一岐管212內以便分離第一岐管212的入口和出口區段。導管218和222可以包括用於運輸工作流體的通道(例如，微通道)。上文描述的二段工作流體流動配置僅是許多可能的設計布置中的一者。可以通過將隔離物223、入口214和出口216放置在第一岐管212和第二岐管220內的特定位置處而獲得單個和其他多段流體流配置。

翅片224在導管218與導管222之間延伸，如圖中所示。翅片224支撐導管218和導管222，且在導管218與導管222之間建立開放流通道(例如，用於氣流)，以便提供額外的熱傳遞表面並且增強熱傳遞特性。翅片224還向熱交換器結構提供支撐。翅片224在釺焊接頭226處結合到導管218和222。翅片224不限於圖2中示出的三角形橫截面，因為還可以使用其他翅片配置(例如，矩形、梯形、橢圓形、正弦形)。翅片224可以具有散熱孔或紋理以便提高熱傳遞。

熱交換器表面可以由各種材料形成，包括(但不限於)金屬合金，例如鋁或銅合金。舉例來說，製冷劑導管可以由基於鋁合金的核心材料製成，並且在一些實施例中，可以由選自1000系列、3000系列、5000系列或6000系列鋁合金的鋁合金製成。翅片可以由鋁合金基片材料製成，例如選自1000系列、3000系列、6000系列、7000系列或8000系列的鋁合金的材料。本文中所描述的實施例利用鋁合金來用於具有鋁合金導管的導管-翅片熱交換器的翅片，即，所謂的「全鋁」熱交換器。在一些實施例中，製冷劑流過的組件(例如，導管和/或岐管)可以由在電化學方面比製冷劑不流過的連接組件(例如，翅片)更加陰極的合金製成。這確保任何電偶腐蝕將出現在非流過組件中，而不出現在流過組件中，以便避免製冷劑洩漏。

當然，上文描述的RTPF和微通道熱交換器在本質上是示例性的，且描述被配置成用於使熱傳遞流體流過導管或通道的一種類型的熱交換器。也可以使用其他類型的熱交換器，例如附接到電子組件的被動式熱交換器，其向鄰近於所述組件的周圍空氣輻射熱。在圖3中示出結構熱交換器部件的一部分30的橫截面視圖。如圖3中所示，結構熱交換器部件310具有安置在上面的表面塗層320。表面塗層320包括填充物顆粒，其可以在聚合物樹脂基質或粘結劑中在至少一個尺寸上是納米級的，從而產生聚合物納米複合物。

用於基質的聚合物樹脂可以選自若干已知的聚合物樹脂中的任一者，包括(但不限於)聚氨酯、聚酯、聚丙烯酸酯、聚醯胺(例如，尼龍)、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚(對亞苯基)、聚苯醚、聚乙烯(包括交聯聚乙烯，即，PEX)、聚丙烯、聚四氟乙烯，以及以上各者中的任一者的混合物和共聚物。在一些實施例中，聚合物樹脂包括分子結構中的π軌道電子，其在與官能化的填充物顆粒組合使用時可以提高熱導率。此類π軌道電子可以由分子主鏈中的芳基(例如，苯基或亞苯基)提供，或者作為附接到聚合物主鏈的功能基。具有π軌道電子的聚合物的實例包括(但不限於)聚苯硫醚、聚芳醚酮(例如，聚醚醚酮，即，PEEK)、聚(對亞苯基)，和聚苯醚。

可以使用多種不同類型的填充物顆粒，包括(但不限於)陶瓷、玻璃、金屬間化合物、碳、有機物、混合物(例如，混合塑料，例如多面體低聚倍半矽氧烷(POSS))、前述各者的官能化衍生物，以及包括前述各者中的任一者的混合物。填充物的特定實例包括：碳納米管或納米片、石墨烯、巴基球、納米纖維、氮化硼納米管或納米片、雲母、粘土、長石、石英、石英巖、珍珠巖、硅藻巖、矽酸鋁(富鋁紅柱石)、合成矽酸鈣、熔融石英、鍛制氧化鋁、矽酸硼、硫酸鈣、碳酸鈣(例如，白堊巖、石灰石、大理石和合成的沉澱碳酸鈣)、滑石(包括纖維狀、模塊狀、針形和層狀滑石)、鈣矽石、鋁矽酸鹽、高嶺土、碳化矽、礬土、碳化硼、鐵、鎳、銅、連續和切碎的碳纖維或玻璃纖維、硫化鉬、硫化鋅、鈦酸鋇、鐵酸鋇、硫酸鋇、重晶石、TiO2、氧化鋁、氧化鎂、鋁、青銅、鋅、二硼化鋁、鋼、有機填充物(例如，聚醯亞胺、聚苯並噁唑)、聚(苯硫醚)、聚芳醯胺、聚芳醯亞胺、聚醚醯亞胺和聚四氟乙烯)。在一些實施例中，例如在其中分子結構聚合物樹脂包括π電子的實施例中，可以使用基團將填充物顆粒官能化，所述基團包括(但不限於)羧酸基團、氫氧化物基團、氧化物基團和胺基團，其將優先與聚合物樹脂相互作用以便減小顆粒與聚合物樹脂基質之間的界面熱阻。

如上文提及，填充物顆粒在至少一個方向上是納米級的。填充物顆粒可以具有各種配置、習性或形態，包括球體或橢球體形狀、纖維形狀、棒條形狀、細管形狀、小片形狀、長圓形狀和不規則形狀，且納米級尺寸可以是直徑、長度、寬度或厚度等，其取決於顆粒的配置、習性或形態。如本文所使用，術語「納米級」意味著顆粒具有小於1000nm、更具體來說小於500nm、更具體來說小於100nm、更具體來說小於50nm且更具體來說小於10nm的至少一個尺寸(即，在顆粒的相對側面上的表面之間的直線距離)。在一些實施例中，填充物顆粒可以具有1nm、更具體來說5nm的最小大小。聚合物樹脂基質和填充物顆粒的相對的量可以取決於塗層的目標性能特性而變化。填充物的示例性量被表達為基於總塗層體積的填充物顆粒體積百分比。所述範圍的示例性下端可以是0.5體積％，更具體來說1體積％。所述範圍的示例性上端可以是40體積％，更具體來說20體積％，更具體來說10體積％。

已經發現，在納米級水平下，聚合物樹脂基質的填充物顆粒與環繞顆粒之間的界面熱阻可以對塗層的整體熱導率具有意外顯著的效果，甚至對於具有高熱導率的顆粒也如此。在一些實施例中，聚合物樹脂基質的個別填充物顆粒與環繞顆粒之間的界面熱阻小於或等於7×10-7m2-K/W。在一些實施例中，聚合物樹脂基質的個別填充物顆粒與環繞顆粒之間的界面熱阻小於或等於7×10-8m2-K/W。在一些實施例中，聚合物樹脂基質的個別填充物顆粒與環繞顆粒之間的界面熱阻小於或等於7×10-9m2-K/W。納米級顆粒的熱導率自身也是相關的，且在一些實施例中，納米級顆粒的熱導率是至少30W/m-K。在一些實施例中，納米級顆粒的熱導率是至少300W/m-K。在一些實施例中，納米級顆粒的熱導率是至少3000W/m-K。

顆粒間距離和定向也可能對塗層的整體熱導率具有影響。在圖4中針對分散在聚合物基質420中的呈棒條/細管/纖維410的形式的納米級顆粒說明這些現象。較低的顆粒間距離DP-P傾向於提供增加的整體熱導率，和顆粒縱向在熱流方向上的對準。可以通過φp，p表徵被配置成棒條、細管、纖維或小片的顆粒的對準，其中值0表示顆粒的隨機對準，值1表示顆粒在熱流方向上的完全對準，且值-1/2表示垂直於熱流方向的顆粒的完全對準。在示例性實施例中，φp，p在具有大於0、更具體來說大於或等於0.1且更具體來說大於或等於0.2的較低水平的範圍內。φp，p的所述範圍的上端可以小於或等於1.0，更具體來說小於或等於0.7，且更具體來說小於或等於0.5。顆粒間距離大體上隨塗層中的顆粒的顆粒定向和負載水平而變。可以通過塗覆技術(例如，霧化噴塗、滴塗、靜電塗覆等)或通過在熱交換器表面上以垂直森林配置(這在本領域中已知)生長納米管且使用聚合物樹脂進行頂部塗覆來控制或影響顆粒的定向。用於塗層中的顆粒對準的其他方法可以是經由向未乾或另外未固化的樹脂在外部施加場(電場、磁場等)。可以通過連續或脈衝方式施加此類場以便向塗層賦予特定性質。另外，可以經由具有預對準的顆粒的傳遞膜或紙將對準的填充物植入到樹脂中，所述預對準的顆粒可以經由熱壓印或其他傳遞技術而傳遞到所述樹脂。

納米級顆粒填充物還可以向塗層提供表面粗糙度，其可以抵制在帶塗層的熱交換器表面上形成霜凍。在一些實施例中，所述塗層具有分層表面粗糙度，其中微米尺度粗糙度特徵上的納米尺度粗糙度會向所述表面賦予疏水或超級疏水性質，並且推遲霜凍在所述表面上的形成。在一個非限制性實例中，微米尺度粗糙度可以具有從大約5微米到大約100微米的範圍內的Ra值，且納米尺度粗糙度可以具有從大約250納米到大約750納米的範圍內的Ra值。

上文描述的熱交換器實施例可以用於各種類型的熱傳遞系統中，例如具有熱傳遞流體循環環路的熱傳遞系統。在圖5中以框圖形式示出具有熱傳遞流體循環環路的示例性熱傳遞系統500。如圖5中所示，壓縮機510給呈其氣態的熱傳遞流體加壓，這對流體進行加熱，並且提供壓力以便使熱傳遞流體在整個系統中循環。從壓縮機510退出的熱的經加壓的氣態熱傳遞流體流過管道515到達冷凝器熱交換器520，所述冷凝器熱交換器充當用於將熱從熱傳遞流體傳遞到周圍環境的熱交換器，從而將熱的氣態熱傳遞流體冷凝為經加壓的中等溫度液體。從冷凝器520退出的液態熱傳遞流體流過管道525到達膨脹閥530，在那裡壓力會減小。退出膨脹閥530的壓力減小的液態熱傳遞流體流過管道535到達蒸發器熱交換器540，所述蒸發器熱交換器充當用於從周圍環境吸收熱並且煮沸熱傳遞流體的熱交換器。退出蒸發器540的氣態熱傳遞流體流過管道545到達壓縮機510，因此完成熱傳遞流體環路。所述熱傳遞系統具有將熱從環繞蒸發器540的環境傳遞到環繞冷凝器520的環境的效果。熱傳遞流體的熱力學性質允許其在被壓縮時達到足夠高的溫度，使得其大於環繞冷凝器520的環境，從而允許將熱傳遞到周圍環境。熱傳遞流體的熱力學性質還必須具有在其膨脹後壓力下的沸點，其允許環繞蒸發器540的環境在蒸發液態熱傳遞流體的溫度下提供熱。

圖5中示出的熱傳遞系統可以用作空氣調節系統，其中冷凝器熱交換器520的外部與環繞外部環境中的空氣接觸，且蒸發器熱交換器540與將被調節的內部環境中的空氣接觸。另外，如在本領域中已知，還可以使用標準多埠開關閥在熱泵模式中操作所述系統，以便顛倒熱傳遞流體流動方向以及冷凝器和蒸發器熱交換器的功能，即，處於冷卻模式的冷凝器是處於熱泵模式的蒸發器，且處於冷卻模式的蒸發器是處於熱泵模式的冷凝器。另外，雖然圖5中示出的熱傳遞系統具有蒸發和冷凝階段來用於高度高效的熱傳遞，但還預期其他類型的熱傳遞流體環路，例如不涉及相變的流體環路，其例如為多環路系統，所述多環路系統例如為商用冷藏或空氣調節系統，其中非相變環路將與圖5一樣的蒸發/冷凝環路中的熱交換器中的一者熱連接到周圍外部環境或將被調節的內部環境。不管熱傳遞流體循環環路的特定配置如何，如本文中所描述的帶塗層的熱交換器可以安置在潛在腐蝕性環境中，例如海洋、海岸或工業環境。

在以下實例中進一步描述本發明。

實例

使用有效媒介方法使界面熱阻與整體熱導率相關來確定聚合物納米複合物的熱導率。通過將具有被基質顆粒環繞的單個碳納米管填充物顆粒(20,000nm×1nm的標稱顆粒大小)的周期性單元模型化而使用分子動力學確定界面熱阻。對填充物顆粒進行加熱，且在系統平衡時監視基質與填充物之間的溫度差。此溫度差用於確定界面阻力，在有效媒介近似中使用所述界面阻力來計算整體熱導率。在圖6中示出納米級顆粒材料的熱導率和顆粒與環繞聚合物樹脂基質之間的界面熱阻的不同組合的這些結果。如圖6中所示，界面阻力在確定複合物的熱導率中起關鍵作用。在填充物顆粒與基質之間的界面阻力較高時，高度熱傳導填充物顆粒對於提高熱導率不太有效。

圖7描繪填充物顆粒與聚合物樹脂基質之間的相互作用的效果的結果。如圖7中所示，具有載運π電子的亞苯基的含有亞苯基的聚合物樹脂(例如，聚苯硫醚樹脂)與碳納米管顆粒(20,000nm×1nm的標稱顆粒大小)的組合比與聚丙烯(其不具有亞苯基或π電子)的組合提供更高的整體熱導率。COOH官能化的碳納米管與聚苯硫醚聚合物樹脂基質的組合在所有負載水平下提供更高的整體熱導率。

圖8描繪聚苯硫醚聚合物(熱導率2W/m-K)基質中的碳納米管(20,000nm×1nm的標稱顆粒大小，熱導率300W/m-K)顆粒定向的效果的結果。通過實線表示CNT的隨機定向，通過虛線表示平行於熱流方向的CNT的定向，且通過點線表示垂直於熱流方向的CNT的定向。如圖8中所示，CNT在熱流測量方向上的縱向對準顯著地提高熱導率。

雖然已經結合有限數目的實施例詳細描述了本發明，但應該容易理解，本發明不限於這些公開的實施例。而是，可以修改本發明以便併入迄今為止未描述的任何數目的變化、更改、替代或等效布置，但是其與本發明的精神和範圍相稱。另外，雖然已經描述了本發明的各種實施例，但將理解，本發明的各方面可以包括所描述的實施例中的僅一些實施例。因此，將不把本發明看作為受到前述描述限制，而是僅受到所附權利要求書的範圍限制。