專利名稱：一種導熱性能各向異性的復合型材的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合型材，特別涉及一種導熱性能各向異性的復合型材。
上述間壁式逆流熱交換器在工作時，在其任一橫截面處的熱流體與冷流體之間存在一定的溫差，稱為傳熱溫差，是表示熱交換器性能的重要指標之一。傳熱溫差小，則熱交換器的熱力學不可逆損失小，換熱效率高。
熱交換器的高溫端7和低溫端8之間的溫差表示其工作溫度范圍，由它所在的工作流程決定。由于這個溫差，使構成熱交換器的結構材料內部產生從熱端到冷端的縱向導熱，或稱為縱向漏熱，其方向如圖4中的D所示。如果冷熱端之間的溫差大而換熱器長度小，則縱向漏熱可能成為高效換熱器中主要的不可逆損失之一，導致?lián)Q熱器效率下降，工作流程的能耗增加，運行成本上升。
此類熱交換器中，間壁是一個重要的組成元件，用于形成流體通道，分隔不同的流體，并組成換熱器的完整結構。對于間壁，主要有以下三個要求第一，為了滿足隔離兩股流體，承受壓差，防止流道之間泄漏的要求，間壁應無縫隙，具材料及結構應具有足夠的強度；第二，作為高溫與低溫兩股流體之間熱量橫向傳遞的一個不節(jié)，固體間壁應選用導熱系數高的材料，同時在兼顧強度、工藝及成本等因素的前提下減小厚度，以降低其導熱熱阻；第三，由于固體間壁在熱交換器高、低溫端之間構成縱向漏熱通道，增加了熱損失，降低換熱器效率，因此又希望采用導熱系數低的材料，以減小漏熱損失；其中的第二和第三項，對材料導熱性能的要求是相互矛盾的。
本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明提供的導熱性能各向異性的復合型材，其特征在于由導熱系數相差4倍至1萬倍的至少兩種不同導熱材料間隔排放組合而成，該導熱性能各向異性的復合型材至少在一個方向上的導熱系數低于其它方向上的導熱系數，相鄰的不同導熱系數的材料之間緊密連接，形成完整而無泄漏的壁面；該導熱性能各向異性的復合型材為薄板型導熱性能各向異性的復合型材；所述薄板型導熱性能各向異性的復合型材為平板型、弧形或異形薄板型導熱性能各向異性的復合型材；該導熱性能各向異性的復合型材為管型導熱性能各向異性的復合型材；所述管型導熱性能各向異性的復合型材為圓形截面的直圓管型、彎圓管型，或異形截面直管型、彎管型導熱性能各向異性的復合型材。
該導熱性能各向異性的復合型材在用作高效換熱器的固體間壁時，可以在需要高效地傳遞熱量的方向上具有高導熱系數，而在希望抑制漏熱的方向上具有足夠低的導熱系數，即高熱阻，從而降低換熱器的不可逆損失，提高換熱器的熱效率。
對流傳熱方向C 縱向漏熱萬向D高導熱系數材料H低導熱系數材料L橫向(壁面厚度方向，高導熱系數)X縱向(低導熱系數)Y
如果采用高導熱性能的材料如純銅作間壁，其導熱熱阻所產生的傳熱溫差極小，遠小于固體間壁兩側的對流換熱溫差，從冷、熱流體之間換熱的角度來看是理想的選擇，但同時間壁材料的縱向導熱熱阻也很小，若熱交換器冷熱端溫差大，則縱向漏熱會明顯增不可逆損失，降低熱交換器效率。
如果象傳統(tǒng)的方法，采用低導熱材料如不銹鋼做間壁，雖然可以把熱交換器冷熱端之間的縱向漏熱損失減小至微不足道的程度，但是在兩股流體之間橫向換熱的環(huán)節(jié)中卻造成了無法接受的大熱阻，使換熱溫差明顯增大，同樣會使熱交換器效率下降。
如果象傳統(tǒng)的方法，通過盡可能地減薄熱交換器間壁的厚度，可以同時減小橫向導熱熱阻和增大縱向導熱熱阻，一舉兩得，但間壁厚度的減小卻要受到熱交換器結構強度及剛度等因素的制約，不可能減至太薄。在高效熱交換器可行的間壁厚度范圍內，減小橫向導熱熱阻和增大縱向導熱熱阻這兩個要求常常是難以同時滿足的。
用本發(fā)明提供的導熱性能各向異性的復合型材作固體間壁時，可在需要增強換熱的間壁厚度方向上具有高導熱系數，因此橫向導熱熱阻極小，而在固體間壁沿熱交換器的軸線方向上，則具有足夠低的導熱系數，其縱向導熱熱阻遠高于橫向導熱熱阻，足以抑制縱向導熱所引起的不可逆損失及熱效率下降。
實施例2圖2給出了一種圓管形狀的導熱性能各向異性復合型材沿管軸線的縱剖面圖。本實施例的圓管型導熱性能各向異性的復合型材，與實施例1類似，由導熱系數相差4～10000倍的兩種不同導熱材料間隔排放組合而成，相鄰的不同導熱系數的材料之間緊密連接，形成完整而無泄漏的壁面。對于管狀的結構，可以采用不同材料的環(huán)，交錯迭置，或者以不同材料的絲，并行繞成螺旋形結構，然后以適當的方法連接如焊接，形成完整的管結構。該導熱性能各向異性的圓管形狀復合型材，在其管軸線方向即Y方向的導熱系數低于圓管厚度方向即X方向上的導熱系數，因此作為熱交換器的間壁使用時，其厚度方向即X方向的高導熱系數可以強化間壁兩側之間的換熱，而軸線方向即Y方向的低導熱系數可以抑制換熱器的縱向漏熱，有利于減小不可逆損失，提高換熱器效率。
實施例3圖3-1、3-2和3-3為本發(fā)明三種實施例的結構示意圖。
如圖3-1所示的復合板材的縱剖面，說明兩種不同導熱系數的材料的細絲可以取不同的截面形狀和尺寸，形成復合薄板，以強化不同方向上導熱性能的差異，即在X方向上更接近高導熱材料的導熱系數，而在Y方向上更接近低導熱材料的導熱系數。
如圖3-2所示，可以用低導熱材料制成網狀結構，在網眼處填充高導熱材料的微顆粒，經過適當碾壓與融合，形成僅在厚度一個方向上為高導熱系數，而在平面的所有方向或管材表面的圓周方向與軸向上都是低導熱系數的各向異性復合型材，其中淺色部分L表示低導熱材料，深色部分H表示高導熱材料。或如圖3-3所示，在有密集小孔的低導熱材料薄板L上，以高導熱材料的微顆粒填充小孔并使其與板融合，同樣可以形成厚度方向高導熱，平板的平面方向低導熱的復合板材。
導熱各向異性材料的形狀也不限于平板或空心管，可以使用例如電、化學或真空濺射沉積等多種方法，制作成各種形狀與尺度的復合型材，以滿足不同使用條件下的各種特殊要求。這種復合型材結構也不局限于用做熱交換器的間壁，同樣可以用于其它各種要求材料在不同方向上具有不同導熱系數的場合。
導熱各向異性復合型材由至少兩種材料組成，但并不僅僅局限于使用金屬材料，根據不同場合的具體要求，也可以采用其他材料，如玻璃，陶瓷，硅，塑料，橡膠等非金屬材料，甚至采用金屬與非金屬的組合，但無論采用哪種材料組合及連接方法，都應保證不同材料之間的可靠連接，使其在指定的工作和存儲條件下，特別是在承受壓差和不同溫度下或較大溫差下工作時，不會因為機械應力或者熱應力過大，出現影響使用性能的泄漏乃至斷裂。
權利要求
1.一種導熱性能各向異性的復合型材，其特征在于由導熱系數相差4-10000倍的至少兩種不同導熱材料間隔排放組合而成，該導熱性能各向異性的復合型材至少在一個方向上的導熱系數低于其它方向上的導熱系數，相鄰的不同導熱系數的材料之間緊密連接，有完整而無泄漏的壁面。
2.按權利要求1所述的導熱性能各向異性的復合型材，其特征在于該導熱性能各向異性的復合型材為薄板型導熱性能各向異性的復合型材。
3.按權利要求2所述的導熱性能各向異性的復合型材，其特征在于所述薄板型導熱性能各向異性的復合型材為平板型、弧形或異形薄板型導熱性能各向異性的復合型材。
4.按權利要求1所述的導熱性能各向異性的復合型材，其特征在于該導熱性能各向異性的復合型材為管型導熱性能各向異性的復合型材。
5.按權利要求4所述的導熱性能各向異性的復合型材，其特征在于所述管型導熱性能各向異性的復合型材為圓形直徑的直圓管型、彎圓管型或異形直徑直管型、彎管型導熱性能各向異性的復合型材。
全文摘要
本發(fā)明涉及的導熱性能各向異性的復合型材，由導熱系數相差4－10000倍的至少兩種不同導熱材料間隔排放組合而成，該復合型材至少在一個方向上的導熱系數低于其它方向上的導熱系數，相鄰的不同導熱系數的材料之間緊密連接，形成完整而無泄漏的壁面；該復合型材為薄板型復合型材；所述薄板型為平板型、弧形或異形；該復合型材為管型復合型材；所述管型復合型材為圓形的直圓管型、彎圓管型或異形直管型、彎管型；該導熱性能各向異性的復合型材在用作高效換熱器的固體間壁時，可以在需要高效地傳遞熱量的方向上具有高導熱系數，而在希望抑制漏熱的方向上具有足夠低的導熱系數，即高熱阻，從而降低換熱器的不可逆損失，提高換熱器的熱效率。
文檔編號B32B3/20GK1396430SQ011204
公開日2003年2月12日 申請日期2001年7月16日 優(yōu)先權日2001年7月16日
發(fā)明者周一欣, 劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所