燒結金剛石熱交換器設備的製作方法
2023-04-23 05:31:16 1
專利名稱：燒結金剛石熱交換器設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳熱材料的改進。更具體地，本發明涉及用於熱交換器和再生器的燒結金剛石材料的使用。
背景技術：
熱交換器用於許多應用中，包括供熱單元，冷卻單元，引擎，和許多其它應用。例如，熱交換器用於斯特靈引擎中，例如在美國專利No. 7，076，941(僅作為示例)中所述。這樣的斯特靈引擎還使用具有專用熱交換器的再生器。典型地，這樣的引擎在其熱交換器和再生器中使用傳熱材料，例如鋁，銅，黃銅，或不鏽鋼。雖然這些熱交換器適於一些應用，但需要具有更高導熱率的改進的熱交換器。更高的導熱率導致更有效的傳熱和減小的能量損失。此外，導熱材料需要具有高的熱擴散率以有效傳導熱能。仍然需要改進的熱交換器和再生器，其比過去的熱交換器和再生器具有更高的導熱率。
發明內容
本發明涉及使用由燒結的天然或合成金剛石粉末或顆粒而構建的熱交換材料。合成金剛石的製造歷史已有超過半個世紀。在一種製造過程中，天然金剛石銀在58000大氣壓下在1500攝氏度下被安置在室中。天然金剛石的銀在石墨和催化劑的熔融溶液中浴處理。碳沉積在金剛石銀上。利用這種過程，僅在幾天中就可生長出三克拉金剛石。通過這種和其它方法，每年製造出超過100噸合成金剛石。這些合成金剛石用於各種工業和商業應用中。例如，合成金剛石用於鑽頭、切割刀刃和磨輪中。金剛石顆粒，例如，天然或合成金剛石微塵，是一些這種應用中的副產品，可獲得各種不同尺寸的金剛石微塵。這些微塵可為利用天然或合成金剛石的過程的副產品。燒結金剛石微塵可通過各種尺寸的顆粒製成，從極細的粉末至更粗的顆粒。例如，金剛石微塵可來自商業可得的源，其顆粒尺寸在0.025微米至100微米的範圍。例如，在這些尺寸範圍內的金剛石微塵可購自新澤西州的Advanced Abrasives Corporation of Pennsauken。金剛石微塵的費用通常取決於金剛石塵粒的尺寸，粉末越細，則其越便宜。因此，細粉末可用於形成許多所希望的形狀和構造。金剛石是任意材料中導熱係數最高的材料之一。燒結金剛石具有接近8瓦/釐米。C的導熱係數，使其成為理想的換熱介質。使用不規則形狀的顆粒使得所形成或完成的燒結金剛石換熱材料的表面積增大。燒結金剛石的過程涉及將細粉末或顆粒安置在模具中。然後，模具被安置在超高溫壓具中，並在幾百磅/平方英寸範圍內的壓力下被加熱到在2000華氏度範圍內的溫度。在此溫度和壓力下，金剛石粉末熔合到一起。在本發明的範圍內，在燒結之後，將金剛石粉末與其它材料(例如碳化硼、碳化矽或其它材料)混合。在此使用的燒結金剛石可以是指純燒結金剛石，或者是指還包括與金剛石粉末混合的其它材料的燒結金剛石。金剛石可為天然的或合成的。
燒結金剛石材料可形成為多種所希望的形狀，包括管，網，篩，盤，顆粒，或其它可能的形狀。在必要時，可在完成的燒結金剛石換熱材料中形成通路，以允許流體流動穿過。 例如，如果燒結金剛石形成為盤，則流體通路可直接形成在盤中。燒結金剛石可形成為各種形狀，這取決於所需應用。例如，燒結金剛石可適用於再生器或斯特靈引擎。再生器是在斯特靈引擎的特定循環過程中的臨時熱量儲存器。被加熱的流體沿一個方向流動穿過，熱量傳到再生器材料。相對較冷的流體沿另一方向流動穿過再生器，並將當被加熱流體流動穿過時所留下的熱能吸收。在本發明一個示例性實施例中，金剛石材料可形成為類似於篩材料的圓盤。本領域技術人員應理解，盤不需要為圓形，而是可採取多種不同形狀。材料可被製成為類似於線篩換熱材料的薄盤。在這種情況下，篩狀盤將通過薄隔離層(具有用於流體流動的孔)分離， 隔離層將防止熱量從再生器一端傳導到另一端。在一個示例性實施例中，盤的厚度將在1/8 英寸的量級上。在另一實施例中，燒結金剛石材料可被形成為燒結金剛石材料的小的不規則件。 這些不規則件可填裝在各隔離盤之間的空間中，流體流將在這些件之間和周圍。當用於熱交換器時，金剛石顆粒可形成為具有穿過其中的兩個流動通路的形狀。 在熱交換器中使用兩組通路是公知的。當流體流動穿過一組通路時，熱量傳到換熱材料。然後，熱量傳到流動穿過另一組通路的流體。這兩組通路相互隔離，使得兩種流體流不會相互混合O在一個示例性實施例中，一種再生器包括殼體。所述殼體包括多個燒結金剛石元件，所述多個燒結金剛石元件具有穿過其中的流體通路。多個隔離元件分隔在各所述燒結金剛石元件之間，也具有穿過其中的流體通路。所述隔離元件的流體通路與所述燒結金剛石元件的流體通路流體連通。所述燒結金剛石元件可包括不規則形狀的金剛石塵粒，其燒結在一起而使得所述燒結金剛石元件是多孔的。可替代地或另外地，所述燒結金剛石元件可包括多個盤，其相鄰安置在各所述隔離元件之間。所述燒結金剛石元件可由例如在 0. 001至500微米之間的金剛石顆粒製成。在一個示例性實施例中，所述燒結金剛石元件通過以下方式製成將金剛石顆粒安置在模具中，使所述顆粒承受如在現有金剛石燒結技術中已知的高溫和高壓。在一些示例性實施例中，每個所述燒結金剛石元件和每個所述隔離元件具有穿過其中(例如，穿過所述燒結金剛石元件和所述隔離元件的中心)的開口。隔離材料可安置在所述燒結金剛石元件和每個所述隔離元件的開口中的每一個內。在本發明的另一示例性實施例中，一種熱交換器包括容納多個燒結金剛石元件的殼體。所述多個燒結金剛石元件具有與其相關聯的第一和第二流體通路，所述第一和第二流體通路相互獨立。燒結金剛石元件可例如為通過燒結金剛石構建的篩。可替代地或另外地，燒結金剛石元件可被製成為燒結金剛石的盤，其具有穿過其中的通路。在另一實施例中，所述燒結金剛石元件包括多個燒結金剛石的管。一種流體通路穿過所述管，第二種流體通路處於所述多個管之間。在另一示例性實施例中，所述燒結金剛石元件包括多個第一管和多個第二管。所述多個第一管形成所述第一流體通路，所述多個第二管形成所述第二流體通路。
本發明的實施例和應用通過所附的非限制性附圖被例示。附圖用於例示出本發明思路的目的，其可能未按比例繪製。圖1是本發明一實施例的分解透視圖； 圖2是圖1發明方案的另一分解透視圖； 圖3是本發明另一實施例的透視圖4是圖3發明方案的前視圖； 圖5是本發明另一實施例的透視圖； 圖6是本發明另一實施例的端視圖； 圖7是圖6發明方案的前視圖； 圖8是本發明另一實施例的剖視圖； 圖9是本發明另一實施例的剖視圖； 圖10是本發明另一實施例的剖視圖； 圖11是圖10發明方案的端視圖； 圖12是本發明另一實施例的端視圖； 圖13是圖12發明方案的剖視圖； 圖14是本發明另一實施例的端視圖； 圖15是圖14發明方案的剖視圖； 圖16是燒結金剛石模製設備的簡化示意圖； 圖17是燒結金剛石頂模具的簡化示意圖； 圖18是燒結金剛石底模具的簡化示意圖； 圖19是另一燒結金剛石頂模具的簡化示意圖； 圖20是另一燒結金剛石底模具的簡化示意圖21是燒結金剛石頂模具和底模具的側剖視圖的簡化示意圖，其中頂模具和底模具被示為相互分離；
圖22是燒結金剛石頂模具和底模具的側剖視圖的簡化示意圖，其中所示頂模具和底
模具合在一起；
圖23是進行模製後燒結金剛石管的側剖視圖的簡化示意圖；和圖M是模製燒結金剛石的過程的簡化示意圖。
具體實施例方式為了使本領域技術人員更全面地理解本發明，以下描述將呈現出具體細節。不過， 公知的元件可能不再詳細顯示或描述以避免不必要地模糊本公開內容的重點。因此，描述和附圖被認為是示例性的，而不是限制性的。圖1至11例示出本發明的各種實施例。參見圖1和2，其顯示出例示本發明一個實施例的熱交換器10的分解圖。熱交換器10包括殼體12。殼體12顯示為立方形構造，這僅用於例示目的。本領域技術人員應理解，殼體12可被製成為多種可能的形狀。殼體12 具有壁14、16、18、20，所顯示的具體構造也是用於例示目的。燒結金剛石管22安置在殼體 12內。燒結金剛石管22的長度和直徑是設計選擇的問題，取決於針對具體應用的傳熱、流量和壓力和溫度要求。管22通過面板M和沈保持就位，面板MJ6具有供管22延伸穿過的孔觀。流體(未示出)可沿箭頭30方向流動穿過管22。壁14和18分別具有流體孔 32和34。流體可沿箭頭36方向流入和流出孔32和34。當流體流動穿過管22時，熱量傳到或傳自管22。穿過孔32和34的第二隔離流體流沿管22行進和在各管22之間行進。這種流體流吸取或傳輸熱量於管22，這取決於在管22內及其周圍流動的流體的相對溫度。由於管22由燒結金剛石製成，因而形成高效的熱交換器。圖3和4顯示出熱交換器的另一示例性實施例50。殼體52顯示為立方形的構造， 這僅用於例示目的。殼體52可被製成為多種可能的形狀。殼體52具有壁M、56、58、60，所顯示的具體構造也是用於例示目的。燒結金剛石管62安置在殼體52內。燒結金剛石管62 的長度和直徑是設計選擇的問題，取決於針對具體應用的傳熱要求。管62通過壁56和60 保持就位，壁56和60具有供管62延伸穿過的孔68。流體(未示出)可沿箭頭70方向流動穿過管62。端74和78分別具有流體孔82和84。流體可流入和流出孔82和84。當流體流動穿過管62時，熱量傳到或傳自管62。穿過孔82和84的第二隔離流體流沿管62行進和在各管62之間行進。這種流體流吸取或傳輸熱量於管62，這取決於在穿過管62和在其周圍流動的流體的相對溫度。圖5顯示出熱交換器的另一示例性實施例150。殼體152顯示為立方形的構造，這僅用於例示目的。本領域技術人員應理解，殼體152可被製成為多種可能的形狀。殼體152 具有壁154、156、158、160，所顯示的具體構造也是用於例示目的。燒結金剛石管162和163 安置在殼體152內。燒結金剛石管162和163的長度和直徑是設計選擇的問題。管162通過壁156和160保持就位，壁156和160具有供管162延伸穿過的孔168。類似地，管163 延伸穿過端174和178，端174和178具有延伸穿過其中的孔169。流體(未示出)可沿箭頭170方向流動穿過管162。第二隔離流體流沿箭頭171方向的流動穿過管163。如果流動穿過管162的流體比流動穿過管163的流體具有更高的溫度，則熱量傳導到流動穿過管 163的流體。如果流動穿過管163的流體比流動穿過管162的流體具有更高的溫度，則熱量傳導到流動穿過管162的流體。由於管162和163和殼體由燒結金剛石製成，因而傳熱效率很高。圖6和7例示出根據本發明的示例性實施例的再生器210。本領域技術人員應理解，所顯示的再生器210的具體構造僅用於例示目的，各種其它再生器構造也是可行的。外殼體212設置有法蘭214和216。根據具體應用，殼體可由金屬(例如鋁、黃銅或鋼)製成。 在這種示例性實施例中，法蘭214和216包括螺孔218，用於將再生器210附接到其它系統部件。再生器210包括由任何適合隔離材料製成的隔離層220。隔離材料的選擇將取決於再生器210所用的應用，並且可包括例如聚合物或陶瓷材料。提供燒結金剛石換熱介質230。 在此所示實施例中，燒結金剛石換熱介質230顯示為一系列環232。環232通過隔離材料 234分離，以防止沿以線240所示流體流的方向傳熱。由於燒結金剛石換熱介質230具有這種高導熱係數，因而在沒有隔離材料234的情況下，熱量將會從再生器210的一端242快速傳播到相反端對4。燒結金剛石換熱介質230和隔離材料234是多孔的，使得流體(未示出) 可沿線MO的方向流動。如本領域技術人員所知，再生器通過沿一個方向(例如方向240A) 流動的被加熱流體而工作。被加熱流體流動穿過燒結金剛石換熱介質230並及其熱量傳導到燒結金剛石換熱介質230。在另一個循環中，相對較冷的流體沿方向MOB流動。相對較熱的燒結金剛石換熱介質傳熱至沿方向MOB流動的較冷流體。在一些應用中，提供隔離芯 250而使得再生器的直徑匹配於系統中的其它部件，而不需提供額外的再生容量。圖8例示出使用燒結金剛石換熱介質330的另一實施例的再生器310。外殼體312 設置有法蘭314和316。同樣根據具體應用，殼體可例如由金屬(例如鋁、黃銅或鋼)製成。 再生器310包括由任何適合隔離材料製成的隔離層320。隔離材料的選擇將取決於再生器 310所用的應用，並且可包括例如聚合物或陶瓷材料。提供燒結金剛石換熱介質330。在這種所示實施例中，燒結金剛石換熱介質330顯示為填裝在隔離材料334之間的一定量的顆粒332，以防止沿以線340所示流體流的方向傳熱。顆粒332的尺寸使得在各顆粒332之間存在空間336。空間336允許流體在各顆粒332之間和周圍流動。隔離材料334是多孔的，以允許流體流動穿過隔離材料334。隔離芯350被提供用於一些應用中。圖9例示出根據本發明示例性實施例的另一實施例的再生器410。外殼體412設置有法蘭414和416。再生器410包括由任何適合隔離材料製成的隔離層420。提供燒結金剛石換熱介質430。在這種所示實施例中，燒結金剛石換熱介質430顯示為多層燒結金剛石篩432。篩432由隔離材料434分離，以防止沿以線440所示流體流的方向傳熱。由於燒結金剛石換熱介質430具有這種高導熱係數，因而在沒有隔離材料434的情況下，熱量將會從再生器410的一端442快速傳播到相反端444。提供隔離芯450以調節再生器410的容量。圖10和11例示出根據本發明的示例性實施例的另一實施例的再生器510。外殼體512設置有法蘭514和516。再生器510包括由任何適合隔離材料製成的隔離層520。提供燒結金剛石換熱介質530。在這種所示實施例中，燒結金剛石換熱介質530顯示為燒結金剛石的線狀篩532。線狀篩532由隔離材料534分離，以防止沿以線540所示流體流的方向傳熱。如果需要，則提供隔離芯450用於具體應用。圖12和13例示出根據本發明的示例性實施例的另一實施例的再生器610。提供外殼體612以裝容再生器610的內部部件。再生器610包括燒結金剛石換熱介質630。在這種所示實施例中，燒結金剛石換熱介質630顯示為燒結金剛石管632。管632的各部分可通過隔離材料(未示出)(例如，玻璃纖維隔離材料或其它隔離材料)分離，以防止沿以線 640所示流體流的方向傳熱。流體從再生器610 —端流動穿過管632和穿過隔離材料而至另一端，如本領域技術人員易於認識到的那樣。圖14和15例示出根據本發明的示例性實施例的另一實施例的再生器710。提供外殼體712以裝容再生器710的內部部件。再生器710包括燒結金剛石換熱介質730。在這種所示實施例中，燒結金剛石換熱介質730顯示為燒結金剛石螺旋732。螺旋732的各部分可通過隔離材料(未示出)(例如，玻璃纖維隔離材料或其它隔離材料)分離，以防止沿以線740所示流體流的方向傳熱。流體從再生器710的一端流動穿過各部分的螺旋732和穿過隔離材料而至另一端，如本領域技術人員易於認識到的那樣。圖16是燒結金剛石模製設備810的簡化示意圖。模製設備810包括安裝到板813 的頂模具812和安裝到板815的底模具814，板815進而安裝到基底824。所述設備包括用於將頂模具812和底模具814壓到一起的機構820，所示僅用於例示的目的，其例如由手柄 816致動。本領域技術人員應易於認識到，燒結金剛石所需的壓力比通過手動可產生的壓力大得多。還提供熱源818用於燒結過程。同樣，本領域技術人員應易於認識到，用於所述過程所需的溫度將需要比所示系統複雜得多的加熱系統。在設想中，金剛石材料(未示出)被安置在底模具814中，在壓力下使頂模具812與底模具814合在一起。頂模具812和底模具814通過熱源818被加熱以燒結金剛石材料。圖17和18例示出頂模具812和底模具814。頂模具812具有銷830。底模具具有柱形腔832。在所述銷的外直徑與所述腔的內直徑之間的差值確定通過模具812和814 形成的燒結金剛石管的壁厚。圖19和20例示出另一實施例的頂模具912和底模具914。頂模具912具有銷 930。底模具具有線篩形狀的腔932。銷930的尺寸與腔932的尺寸之差確定通過模具912 和914形成的燒結金剛石篩的線尺寸。圖21至23例示出本發明的模具812和814的剖面的示意圖。頂模具812具有銷 830。底模具814具有柱形的腔832。銷830在尺寸上適於裝配在腔832內而使得在燒結過程之後形成管834。圖21例示出頂模具812與底模具814分離。圖22例示出頂模具812 嵌套在底模具814內。圖23例示出底模具814，其中，頂模具812被移除，且在腔832中形成管834。圖M呈現出模製過程的示意圖。燒結金剛石微塵870和可選的粘合劑872利用混合過程(通過筒874呈現)混合。混合後的材料876通過注射成型設備880被注入底模具 878中。頂模具882被下壓到底模具878中，混合後的材料876在施加壓力的同時被加熱。 這種燒結過程是本領域中公知的。應理解，本發明的這些示例性實施例僅為示例性的，在不脫離本發明範圍的情況下，本領域技術人員可設計出上述實施例的許多變例。
權利要求
1.一種用於在往複流體流與蓄熱介質之間交換熱能的再生器，包括殼體；蓄熱介質，其包括處於所述殼體內的多個燒結金剛石元件，所述多個燒結金剛石元件具有貫穿其中的流體通路；多個隔離元件，其處於所述殼體內並且分隔在各所述燒結金剛石元件之間，所述隔離元件具有穿過其中的流體通路，所述隔離元件的流體通路與所述燒結金剛石元件的流體通路流體連通。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件包括不規則形狀的金剛石塵粒，其燒結在一起，從而使得所述燒結金剛石元件是多孔的。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件包括多個盤，其相鄰安置在各所述隔離元件之間。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件包括多個板，其相鄰安置在各所述隔離元件之間。
5.如權利要求1所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件包括多個管，其相鄰安置在各所述隔離元件之間。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件由0.001至500微米之間的金剛石顆粒製成。
7.如權利要求1所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件通過以下方式製成將金剛石顆粒安置在模具中，將所述顆粒加熱到足以使所述顆粒熔合到一起的溫度。
8.如權利要求7所述的設備，其中，所述模具具有以線狀篩形式成形的腔。
9.如權利要求7所述的設備，其中，所述模具具有以管的形式成形的腔。
10.如權利要求1所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件具有穿過其中的開口，每個所述隔離元件具有穿過其中的開口，並且所述設備進一步包括處於所述燒結金剛石元件和每個所述隔離元件的開口中每一個內的隔離材料。
11.如權利要求10所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件中的開口和所述隔離元件的開口基本上穿過所述燒結金剛石元件和所述隔離元件的中心。
12.一種用於在第一流體流與第二流體流之間交換熱能的熱交換器，包括殼體；處於所述殼體內的多個燒結金剛石元件，所述多個燒結金剛石元件具有與其相關聯的第一流體通路和與其相關聯的第二流體通路，所述第一流體通路與所述第二流體通路隔
13.如權利要求12所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件包括多個燒結金剛石的管，所述第一流體通路穿過所述多個管，所述第二流體通路處於所述多個管之間。
14.如權利要求12所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件包括多個第一管和多個第二管，所述多個第一管形成所述第一流體通路，所述多個第二管形成所述第二流體通路， 所述多個第一管和所述多個第二管嵌入燒結金剛石塊體中。
15.如權利要求12所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件由0.001至500微米之間的的金剛石顆粒製成。
16.如權利要求12所述的設備，其中，所述燒結金剛石元件通過以下方式製成將金剛石顆粒安置在模具中，將所述顆粒加熱到足夠溫度以使所述顆粒熔合到一起。
17.如權利要求12所述的設備，其中，所述模具具有以管形狀的腔。
18.一種用於在往複流體流與蓄熱介質之間交換熱能再生器，包括 殼體；隔離芯；蓄熱介質，其包括處於所述殼體內的多個燒結金剛石元件並且包圍著所述隔離芯，所述多個燒結金剛石元件具有穿過其中的流體通路；多個隔離元件，其處於所述殼體內並且分隔在各所述燒結金剛石元件之間，所述隔離元件具有穿過其中的流體通路，所述隔離元件的流體通路與所述燒結金剛石元件的流體通路流體連通。
全文摘要
本發明提供了一種由燒結金剛石構建的熱交換介質。該介質可形成為各種希望的形狀，例如，管，篩，網，顆粒，或類似形狀。燒結金剛石形成熱交換器或再生器的傳熱介質。
文檔編號F28F21/02GK102245996SQ200980149067
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月3日 優先權日2008年12月9日
發明者P. 霍夫曼 G., J. 伊德 R. 申請人:更新熱力學有限責任公司