用于换热器的传感器组件的制作方法

用于换热器的传感器组件
1.相关申请的交叉引用本技术请求享有于2019年8月23日提交的序列号为62/890,895的美国临时申请的权益，其全部内容通过引用以其整体并入在本文中。
技术领域
2.本公开涉及包括传感器组件的板、芯体和/或换热器。


背景技术：

3.至少一些常规的换热器可被分类成两类：管式换热器和板式换热器。通过堆叠多个板来制造板式换热器，所述板被配置成使得两种流体(一种相对热，而另一种相对冷)可在由板限定的交替通道之间通过。经堆叠的板被接纳在外壳内，该外壳具有用于所述两种流体的合适的入口和出口。提供了密封件，并且由壳体和板限定的内腔被包封，并且在使用换热器时不能从壳体的外部接近该由壳体和板限定的内腔。


技术实现要素：

4.在至少一些实施方式中，一种用于换热器的板至少部分地限定换热器的用于工作流体的流动通道，板邻近于流动通道限定孔口，并且孔口具有设置在该孔口中的传感器组件。传感器组件包括被安装到孔口的本体，以及固定在本体内的温度传感器和压力传感器中的至少一种，并且本体部分地形成用于工作流体的流动通道。
5.在至少一些实施方式中，传感器组件包括应变仪。并且应变仪可被安装到本体的壁，该壁部分地形成用于工作流体的流动通道。在至少一些实施方式中，传感器组件包括电阻温度检测器(rtd)或热电偶。
6.在至少一些实施方式中，板包括围绕本体的周边延伸的密封件，该密封件定位于本体与板之间，并且被配置成防止工作流体在本体与板之间侵入到孔口中。
7.在至少一些实施方式中，本体的壁对于液体是不可透过的并且限定流动通道的部分。壁可包括较薄部分，该较薄部分限定流动通道的部分并且响应于流动通道内的流体压力而弯曲。
8.在至少一些实施方式中，本体包括凸缘，并且本体由螺母在孔口内固定到板，其中板被捕获在凸缘与螺母之间。本体可包括侧壁，该侧壁被接纳通过孔口并且包括螺纹，螺母被接纳在该螺纹上。
9.在至少一些实施方式中，本体包括限定流动通道的部分的端面和在端面的与流动通道相对的侧部上的腔，并且其中压力传感器和温度传感器中的至少一种被接纳在腔中。在至少一些实施方式中，本体包括限定流动通道的部分的端面，并且其中端面与限定流动通道的部分的板的邻近侧部齐平或在5mm以内齐平。
10.在至少一些实施方式中，一种网络化换热器包括多个板，所述多个板包括定位在多个板的端部处的端板，每个板限定流动通道，该流动通道被配置成使第一流体和第二流
体在板之间以交替方式循环，其中端板限定孔口，该孔口具有设置在该孔口中的传感器组件，该孔口定位成邻近于由端板部分地限定的流动通道，其中传感器组件包括至少部分地在孔口中安装到板的本体，以及固定在本体内的温度传感器和压力传感器中的至少一种，本体部分地形成用于工作流体的流动通道；以及与温度传感器和压力传感器中的至少一种通信的电子器件模块，该电子器件模块被配置成与外部网关和通信网络中的一种通信。
11.在至少一些实施方式中，换热器还包括包围多个板的壳体，并且其中，端板被接纳在多个板中的一个与壳体之间，其中，第一流体或第二流体中的一种接触端板的内侧并且其中，流体不接触端板的外侧，并且其中，传感器组件暴露于端板的外侧并相对于端板的内侧密封。
12.在至少一些实施方式中，本体被接纳在孔口中并且被密封到端板，其中，本体的端面连同端板的内侧一起限定流动通道的部分，并且其中，本体具有腔，所述温度传感器和压力传感器中的至少一种被接纳在该腔中。端面对于通过该端面的流体流可为不可透过的。
13.在至少一些实施方式中，一种用于设有垫片的板式换热器的芯体包括多个板，所述多个板包括定位在多个板的端部处的端板，每个板限定被配置成使第一流体和第二流体在板之间以交替方式循环的流动通道。端板限定孔口，该孔口具有设置在该孔口中的传感器组件，孔口被定位成邻近于由端板部分地限定的流动通道。传感器组件包括被安装到孔口的本体，以及被固定在本体内的温度传感器和压力传感器中的至少一种，本体部分地形成用于工作流体的流动通道。
14.在至少一些实施方式中，本体被接纳在孔口中并且被密封到端板，其中，本体的端面连同端板的内侧一起限定流动通道的部分，并且其中，本体具有在端面的与流动通道的相对的侧部上的腔，其中所述温度传感器和压力传感器中的至少一种被接纳在该腔中。在至少一些实施方式中，端面对于通过该端面的流体流是不可透过的。
附图说明
15.将参照附图来阐述某些实施例的以下详细描述和最佳模式，在所述附图中：图1是示例性板型换热器的主视图；图2是图1的换热器的侧视图；图3是用于图1的板型换热器的传热板的一个实施方式的主视图；图4是用于图1的板式换热器的端板的一个实施方式的透视图；图5是用于传热板(诸如图4的端板)的传感器组件的分解透视图；以及图6是图4和5的传感器组件的分解剖视图。
具体实施方式
16.提供了换热器的示例性说明，该换热器便于经由安装在换热器内的一个或多个传感器远程监测一种或多种操作状态。例如，多个板可限定换热器的用于(一种或多种)工作流体的流动通路。板中的一个可为至少部分地限定流动通道中的一个的端板。板可限定邻近于流动通道的孔口，并且可具有设置在孔口中的传感器组件。传感器组件包括安装到孔口的本体，以及固定在本体内的温度传感器和压力传感器中的至少一种。本体部分地形成用于工作流体的流动通道。因此，设置在传感器组件中的一个或多个传感器可测量或确定
与换热器的工作流体相关联的操作参数。
17.更详细地参考附图，图1和2示出了换热器10的一个示例，该换热器10包括外壳体12和包括多个换热板16的内芯体14(图2
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经由壳体的部分断裂截面示出)或板组。换热器10被示出为具有基本上矩形的芯体14的板式换热器，但其他形状和配置也是可能的。壳体12可包括第一入口18、第一出口20、第二入口22和第二出口24。第一流体可被经由第一入口18接纳到壳体12中，并且经由第一出口20从壳体中离开。第二流体可被经由第二入口22接纳到壳体12中，并且经由第二出口24从壳体中离开。流体可以任何方便的方式通过芯体14的居间或插入的板16与彼此处于热传递连通。例如，入口18,22和出口20,24可由可焊接到壳体12的一个或多个壁的导管限定，并且所述壁可被夹紧或焊接在一起以限定至少基本上完整的封壳。
18.内芯体14或板组可包括多个传热板16，所述传热板16大体上可为平坦且矩形的，但可使用其他形状。板16可被夹紧在一起，例如通过部分限定壳体12的可移动壁17夹紧在一起。芯体14的内部布置和构造，包括板组，可基本上如在6,516,874号美国专利中所公开的那样，该美国专利的公开内容通过引用的方式以其整体并入在本文中。通常，多个盒体(cassette)可位于壳体内，其中每个盒体由密封在一起(例如，通过焊缝或(一个或多个)垫片密封在一起)的两个传热板16构造。在形成盒体过程中，传热板16中的一个可旋转180度和/或翻转，使得板中的一个被叠加在另一个上。这引起每个传热板16的波纹以固定角度彼此交叉，并且也限定流体所流动通过的板之间的流动通路。板组14由堆叠在一起的多个盒体组成，并且可被布置成使得流体在每对邻近板之间的空间中流动。在至少一些实施方式中，第一流体流动通过每隔一个板16之间的空间，而第二流体流动通过其他板之间的空间。例如，在将板a,b,c,d和e在一起夹成板组的情况下，第一流体将在板a和b之间以及板c和d之间流动。在本例中，第二流体将在板b和c，以及板d和e之间流动。因此，流体在板组的至少内部板(在简单示例中为板b、c和d)的两个相反侧(可称为前和后)上流动，并且在所描述的示例中，不同的流体在这些板的相反的前侧和后侧上流动，以改善流体与板之间的热传递。
19.现在转向图3，换热器10的每个板16可为大体上矩形的薄金属片，诸如不锈钢或钛。板16可包括在板的相反侧上的平行的第一侧边缘28和第二侧边缘30，以及在板的相反端处的平行的第一端边缘32和第二端边缘34。侧边缘28,30限定板16的长度并且纵向地或平行于板16的纵向中心线36延伸，并且端边缘32,34限定板16的宽度并且横向、垂直于纵向中心线36延伸。从板16的第一端32朝向第二端34，板可包括：第一开口38，该第一开口38用作与第一入口18连通的用于第一流体的入口端口，该第一流体可为传热流体(例如水)；发散流体分配区40；中间或传热区42；汇聚流体收集区44；以及第二开口46，该第二开口46用作与第一出口20连通的用于传热流体的出口端口。入口开口38可位于第一端边缘32和第一侧边缘28两者邻近但与所述第一端边缘32和第一侧边缘28两者间隔开，使得入口开口位于第一端边缘32和第一侧边缘28的拐角或交界48附近并且由板16包封(即开口38不延伸通过板的边缘)。通过这种方式，可利用适当的密封件(例如，焊缝/垫片)来防止传热流体从板组14泄漏。板16还可包括分别邻近于第一端边缘32和第二侧边缘30的第三开口50，以及分别邻近于第二端边缘34和第二侧边缘30的第四开口52。第三开口50和第四开口52可分别相对于第一开口38和第二开口46关于中心线36成镜像。可提供第三开口50和第四开口52以便于使用处于不同定向的相同板设计来提供在本文中所描述的流动路径(例如，以与用于第二
流体(有时被称作温度由换热器改变的工作流体)的第二入口22和第二出口24连通)。如在图3中所示出的那样，在至少一些实施方式中，用于密封件或垫片的通道54外接第三开口50和第四开口52以提供围绕这些开口的周向连续密封件，该密封件被设计成防止流体流进入这些开口。
20.如以上所指出的那样，流体被限定在邻近的板16之间的空间中流动，其中所述空间由形成在板中的非平面特征(在本文中被称为波纹56)限定。波纹56可被形成为经拉伸或经压入的通道，所述经拉伸或经压入的通道在从板16的前侧观察时是凹入的而在从后侧观察时是凸出的，或反之亦然。板16的周边/边缘28-32可保持平坦或保持呈平面，以便于经由如上所指出那样的焊缝和/或垫片在周边处将邻近板密封在一起。参考平面58可被限定成平行于中心线36并且可包括板16的周边，如在图3中所示出的那样，并且波纹56可按照所期望的那样在一个或两个方向上延伸远离平面58。
21.如在图2和4中最佳地看到的那样，板组14可具有端板16'，该端板16'被定位于板16的堆叠的端部处。端板16'可设有传感器组件100，这在图4、5和6中最佳地看到。如将在下文进一步描述的那样，传感器组件100大体上可提供对与板组14和/或换热器10的操作相关联的多种操作状态、参数和/或测量值的监测。如在图2中所示出的那样，传感器组件100可与电子器件盒102通信，例如通过接线104。尽管电子器件盒102被示出为附接到/邻近于换热器10，但在一些示例中，电子器件盒102可远离换热器10，并且可与换热器10或其构件(例如，传感器组件100)无线通信。电子器件盒102大体上可与本地网络或与换热器10的安装设施或位置相关联的其他通信机制通信。备选地，传感器组件100可被配置成允许无线通信，例如通过一个或多个无线发射器和/或天线(未示出)。在任一情况下，电子器件盒102大体上便于维护人员监测换热器10，且因此可远程监测换热器10的性能。仅举例来说，如将在下文进一步论述的那样，可监测换热器10内的温度和/或压力，诸如换热器10的(一种或多种)工作流体中的温度和/或压力。此外，还可监测换热器10的跨过(一种或多种)工作流体的压降。
22.电子器件盒102可将关于由传感器组件100感测的参数的数据传输到中央办公室、客户设施、计算机、平板电脑或其他手持装置等，以允许远程或更容易且更方便地现场分析换热器10的性能或内部状态。电子器件盒102可使用ac电源、经由电池(未示出)或以任何其他方便的方式供电。在一个示例中，电子器件盒102可被配置成将性能数据无线地(例如，经由蓝牙或wifi连接)传输到本地网络。因此，电子器件盒可经由与安装有换热器10的设施相关联的网关或本地网络将性能数据发送到远程监测设施。在另一个示例中，电子器件盒102可被配置成直接"与云"通信，例如，使用蜂窝网络等。不论实施方式，与换热器16相关联的性能数据可远程获得，与换热器10相关联的非现场服务人员可访问所述性能数据。
23.在一些示例中，可通过传感器组件100来提供温度传感器和压力传感器，并且可便于监测换热器10中的温度和压力随时间的变化。可使用所收集的温度和压力数据来预测何时维护或替换换热器10的构件可为有益的。例如，可使用温度和压力数据(例如通过提供换热器10的性能下降的指示，所述性能下降可能是由于例如换热器内的结垢或污染)来确定何时需要维护。更确切地说，可基于从由传感器组件100测量的压降和/或基于从所预测的用于换热器10的温度差确定的预测流速来安排维护。可通过温度/压力数据来观测换热器10随时间的性能，并且因此可使用所述换热器10随时间的性能来确定最佳的维护间隔和/
或时间。
24.现在转向图4-6，更详细地描述了传感器组件100和到端板16'上的安装。端板16'可包括波纹56'，所述波纹56'与板组中的邻近板16(图4中未示出)协作，为第一流体和/或第二流体提供流体流路径。也就是说，端板16'的内侧16a大体上形成换热器10的用于(一种或多种)工作流体中的一种的封壳和流动路径的部分。流体不流动于并且不存在于板的与邻近于壳体12的壁相对的侧部上。这提供了开放且干燥的空间，一条或多条线104(图2和6)或组件的其他电气构件可被接纳在该空间中或对该空间开放，而不暴露于液体。
25.传感器组件100可采取仪器"圆盘(puck)"的形式，其在穿过端板提供的开口内固定到端板16'。传感器组件100可被放置成同端板16'的内面16a一起接触换热器10的工作流体(例如，第一流体或第二流体)。在图4中所示出的示例中，形成在端板16'中的孔口110大体上接纳传感器组件100。可利用环或螺母114来将传感器组件112的本体部分112固持在端板16'上。本体部分112可在本体部分的中心轴线方向上相对薄，特别是相对于端板16'的内面16a，使得传感器组件100不会显著突出到换热器10的工作流体中。在至少一些实施方式中，本体112的端面112a可与端板的内侧16a的邻近部分齐平或在5mm以内齐平，以在壁(例如端面)112a与内侧16a的紧邻部分之间提供无阶梯过渡，或在它们之间提供最小(1mm或更小)的阶梯。换热器10的工作流体和操作因此可相对地不受传感器组件100的存在干扰。在至少一些实施方式中，端面112a限定了用于工作流体的流动通道的部分，并且可为实心的，即没有孔口或空隙，并且对于液体是不可透过的，使得液体不会流动通过端面112a。因此，存储在端面112a后面的电子器件或其他构件可通过端面112a和围绕本体112的周边的任何密封件，或以其他方式在本体与板16'之间相对于流体屏蔽。本体112可包括头部113，该头部113包括端面112b，并且径向向外延伸超过设有外螺纹且大体上圆柱形的侧壁112b，以提供面向与端面112b相对的方向的环形凸缘115。在组装中，侧壁112b被接纳通过孔口110，并且包括用于螺纹联接螺母114的螺纹，其中端板16'被捕获在凸缘115与螺母114之间，如在图4和6中最清楚地示出的那样。可提供o形环124、垫片或其他密封件以便于提供防止端板16'的内侧16a上的工作流体通过孔口110泄漏的流体密封的密封件。
26.传感器组件100可设有方便用于或期望用于确定换热器10的操作参数的任何传感器或电子器件。传感器组件100可被配置成确定与换热器10相关联的压力，例如，在换热器内循环的第一流体和第二流体中的一者或两者的压力。例如，如在图6中最佳地示出的那样，本体112可在腔128内承载压力传感器(例如应变仪)116，该腔128被限定在侧壁112b内并且在一端处由端面112a包封。应变仪116可被定位在端面112a的后侧上，诸如端面112的向腔128开放的较薄部分122上，并且该较薄部分122被构造成弯曲或以其他方式响应于作用在端面112a的该部分122上的工作流体压力，以允许确定工作流体的压力中的变化。例如，端面可响应于在(a)邻近于端面112a的第一流体或第二流体与(b)端板16'的相对侧上的外部环境之间的压力差而弯曲。压力差也可作用在端板16'上，其中应变仪116大体上在端板16'内起作用为测压元件(load cell)或压敏元件(pressure cell)。应变仪116因此可检测或测量本体112和/或端板16'的应变。在一个示例中，应变仪116是圆形隔膜应变仪116。应变仪116还可与处理器和/或存储器通信，所述处理器和/或存储器经校准以例如根据由应变仪116测量的应变来确定邻近于传感器组件100的(一种或多种)流体的压力。在图5和6中示出的示例中，提供了印刷电路板(pcb)118，其包括处理器和计算机可读存储器(例
如非瞬态计算机可读存储器)，该计算机可读存储器包括被配置成在由处理器执行时经由应变仪116确定压力的指令。
27.传感器组件100还可测量温度，例如邻近于端板16'并且作用在端面112a上的流体的温度。如在图6中最佳地看到的那样，温度传感器(通过非限制性示例的方式，其可为电阻温度检测器(rtd)或热电偶120)可被接纳在本体112的腔128中。rtd 120也可与pcb 118通信。因此，pcb 118大体上可从rtd 120接收与温度相关的信号，并且从应变仪116接收与压力相关的信号。
28.传感器组件110的内部位置(即在端板16'上，其中本体112接触换热器10的(一种或多种)工作流体)大体上便于将传感器组件100改装到现有的换热器。更确切地说，可通过利用示例性端板16'来替换现有的端板以将传感器组件100安装在现有换热器中。以前的监测换热器性能的途径需要在单元的流体入口或出口处安装传感器，并且由于对板组14外部的管道的影响，改装的机会受到限制。外部电子器件，例如电子器件模块或盒102，也可相对容易地安装在换热器10上，例如安装到壳体12的可移动盖上。用于电子器件并且包括到装置的电力的线104可穿过换热器壳体12的壁(例如在图2中所示出的壁12')和/或芯体14的可移动壁17，通向由端板16'的外侧和壳体12限定的干燥室。以此方式，线104不在液体内并且不需要是耐液体的，并且线104所穿过的穿过壳体(例如，穿过壳体壁和/或限定芯体14的部分的结构的壁)的(一个或多个)开口不需要密封以防压力下的液体(认识到的是，开口可如所期望的那样包括灰尘/碎屑屏蔽件或密封件)。因此，无论是在新建的换热器中还是在经改装的单元中，传感器组件和相关的线都可方便且容易地安装。
29.在本文中公开的本发明的形式构成当前的优选实施例，并且许多其他形式和实施例也是可能的。在本文中不期望提到本发明的所有可能的等同形式或衍生物。应理解，在本文中使用的用语仅为描述性的，而非限制性的，且可在不脱离本发明的精神或范围的情况下作出各种变化。