CN101398274B - 经激光焊接的热交换器管组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于热交换器(10)的管组件(30)。该管组件具有第一U形不锈钢装配部件(36)和第二U形不锈钢装配部件(40)。此外，该管组件还具有至少一个将第一和第二U形管装配部件联接在一起的激光焊接接合部。该激光焊接接合部具有一基本沿该管组件的整个长度延伸的焊缝。

Description

经激光焊接的热交换器管组件
技术领域
本发明涉及热交换器管组件，更具体地涉及经激光焊接的不锈钢热交换器管组件。
背景技术
建筑和推土设备及许多其它类型的机械通常广泛应用于各种应用领域。通常这种机械由内燃机提供动力。为了使机械性能最优化，内燃机应尽可能高效率地工作。已经开发出多种提高内燃机效率的方法。其中的一种方法是在内燃机中结合涡轮增压器。该涡轮增压器可在空气进入内燃机进气口或燃烧室之前对空气进行压缩。向内燃机进气口供应压缩空气(增压空气)可使燃烧更加完全，从而降低排放、改善性能并提高内燃机效率。但是，对空气进行压缩还可能造成进气口空气温度升高。向内燃机进气口供应这种热增压空气会导致内燃机排放量不希望地增加。同时，由于内燃机通常已经产生大量的热量，向内燃机进气口或燃烧室添加热增压空气会提高内燃机的工作温度，从而导致内燃机部件的过度磨损。
可利用空气-空气后冷却器(ATAAC)通过在增压空气进入内燃机进气歧管之前对空气进行冷却来减少烟气及其它内燃机排放物。使用ATAAC还可降低燃烧温度，从而通过减小内燃机上的热应力而延长内燃机部件的寿命。
所述ATAAC可包括热增压空气可从其中通过的一个或多个管。该管外侧可置于对该管进行冷却的某种流体例如环境空气中。热增压空气在通过该管时与管壁接触。热量可从增压空气传递至管壁，然后从管壁传递到环境空气中，从而将热量从增压空气中除去。可向管壁的外表面增添外翅片以增大表面积，从而改善热增压空气和环境空气之间的热传递。
在一些传统的热交换系统中，ATAAC部件可完全由相同的材料制成。通常选择的一种材料包括具有所期望的传热性质的铝部件。作为示例，这些部件可包括管路、翅片、集管组件或歧管。但是，这种铝部件在工作环境中易被腐蚀，从而导致ATAAC的工作期限缩短，或需要额外的费用和/或停工时间以对ATAAC的故障部件进行维修。
授予Kiser等人的美国专利NO.5,730,213(以下称“Kiser”专利)公开了一种具有铝制冷却管的热交换器，该冷却管包括多个伸入管内表面的扰流波纹件(agitating dimple)。这些铝制冷却管在与各自的集管箱板相对的管端通过接合连接密封。在平行的铝制冷却管之间布置铝翅片以增强铝管的传热性能。
尽管Kiser专利中的热交换器可以冷却热气体，但是，该热交换器的设计利用了铝制冷却管，从而易于被流过该冷却管的气体腐蚀。特别地，流过该冷却管的气体中的腐蚀性成分可对该冷却管的壁和接合部进行腐蚀，从而导致不希望的空气泄漏。这种空气泄漏会对热交换器的冷却能力和结构整体性带来不利影响。此外，这种泄漏还会对与该热交换器流体连通的任何其它系统例如废气再循环系统或发动机进气系统带来不利影响。
本发明的目的是克服上述问题中的一个或多个。
发明内容
本发明一方面提供一种用于热交换器的管组件。该管组件包括第一U形不锈钢管装配部件和第二U形不锈钢管装配部件。此外，该管组件还包括将第一和第二U形管装配部件联接在一起的至少一个激光焊接接合部。该至少一个激光焊接接合部包括基本沿该管组件的整个长度延伸的焊缝。
本发明的另一方面提供一种制造用于热交换器的管组件的方法。该方法包括将第一装配部件成形为U形和将第二装配部件成形为U形。该方法还包括将该第一和第二装配部件相结合以使第一装配部件的至少一部分与第二装配部件的至少一部分相邻。该方法还包括通过使激光基本沿该第一和第二装配部件的相邻部分的整个长度聚焦(集中)而将该第一和第二装配部件紧固在一起。
附图说明
图1是根据本发明一示例性实施例的热交换器的概略图；
图2是根据本发明一示例性实施例的管和翅片的概略图；
图3是根据本发明一示例性实施例的管组件的概略图；以及
图4是根据本发明一示例性实施例的管组件的另一概略图。
具体实施方式
图1示出一示例性的热交换器10，该热交换器10用于促使热能从流体传递到环境空气、或传递到由一冷却剂源供给的冷却剂流体。在本发明中，热交换器10示出为空气-空气后冷却器(ATAAC)并对其进行说明。然而，本领域的技术人员应认识到，该热交换器10可以是该技术领域内已知的任何类型的热交换器，例如，散热器、废气再循环冷却器或液压油冷却器。此外，热交换器10可包括一进口歧管12、一出口歧管14和一核心组件16。
进口歧管12和出口歧管14可在为流体18提供一与热交换器10连通的路径的同时形成用于热交换器10的结构框架。应该理解，所述流体18可以是该技术领域中已知的任何类型的流体，例如空气、废气或液压流体。进口歧管12可包括一进口端20，而出口歧管14可包括一出口端22。流体18可通过进口端20进入热交换器10并被引导进入核心组件16。在横穿核心组件16并进行热交换后，流体18被从核心组件16引导至出口歧管14，并通过出口歧管14的出口端22排出。
核心组件16可促使热量从流体18传递至一冷却介质(未示出)。该冷却介质可以是该技术领域内已知的任何类型的冷却介质，例如空气、水、乙二醇或水/乙二醇混合物。核心组件16可包括一由集管24、侧板26、外翅片28构成的组件和管组件30。集管24可将管组件30连接到进口歧管12和出口歧管14。另外，集管24和侧板26可为核心组件16提供结构支承。此外，集管24可以设计成例如包含整件或单个部件。在另一示例性实施例中，集管24还可以设计成例如由模块部件制成，这些模块部件可装配在一起形成整个组件。
在图2所示的一个示例性实施例中放大示出了外翅片28和管组件30。管组件30可通过外翅片28隔开，该外翅片28可焊在各管组件30的外表面32上以增大其外表面面积从而有助于热传递。外翅片28可由薄金属条通过弯曲或其它方式形成为所希望的构型。其构型应考虑到使环境空气自由流过外翅片28，从而使得环境空气能够将管组件30和外翅片28的热量带走。外翅片28可具有多种不同构型，包括例如蛇形、锯齿形、百叶形和波形。图2中所示实施例示出大体呈“U形”样式的外翅片28。
图3示出形成管组件30的部件的示例性实施例。可将单独的部件接合在一起形成管组件30的整个管体34。在一些实施例中，单独的部件可包括具有连接侧(连接表面)38的第一U槽36和具有连接侧(连接表面)42的第二U槽40。此外，第一U槽36和第二U槽40均可通过整件薄规格不锈钢例如304或304L级不锈钢形成。“U”形的形成可通过弯曲方法或现有技术中已知的能够将整件不锈钢制成“U”形的任何其它方法来实现。应该理解，不锈钢能够抵抗流体18中所含的腐蚀成分可能造成的腐蚀。此外，薄规格不锈钢可在流体18流过管30时耐受时有的高温。尽管在图3的示例性实施例中仅示出了两个部件或U槽，但是需要时可利用两个或更多部件形成整个管体34以形成管组件30。
各管组件30还可包括一个或多个装置，例如扰流子44，以促进通过管组件30的流体18的混合。在管组件30内造成湍流流动将有助于流体18、管组件30及外翅片28之间的热传递。扰流子44可由相对较薄的金属材料条通过弯曲或其它方法形成所期望的构型，且被置于管组件30的内部46。制成扰流子44的金属材料可以是任何材料，例如不锈钢或任何其它能够抵抗流体18中所含的腐蚀成分、并能够在流体18流过管组件30时耐受有可能经受的高温的材料。各管组件30还可包括在与第一U槽36和第二U槽40内表面相邻的钎焊层48。该钎焊层有益于如下文所述在管组件30中形成刚性连接。
管体34可包装有扰流子44以形成管组件30。在一个实施例中，第二U槽40制造成略大于第一U槽36。扰流子44的一部分设置在第一U槽36的内部接纳区50内。例如通过将扰流子44的一部分和第一U槽36的一部分设置在第二U槽40的内部接纳区52内，可定位第二U槽40以封装扰流子44。
常规的焊接技术如高频感应焊接、挤压焊、弧焊或等离子焊不适用于进行薄规格不锈钢部件的联接，因为这些技术会沿部件表面造成不希望的扭曲变形。而这种扭曲变形将导致不希望的泄漏。但是，激光焊接操作可使得在不锈钢表面造成的扭曲变形最小，因而可用于联接连接表面38和42，以便于形成管组件30。应该理解，激光焊接操作可通过任何类型的激光(焊接)机例如脉冲YAG激光焊接机或二氧化碳激光(焊接)机来进行。此外，连接表面38和42可通过任何类型的激光焊缝例如搭焊缝、堆焊缝或能够在连接表面38和42之间形成气密密封的任何其它类型焊缝相互紧固。
在将连接表面38和42相互紧固时，可使来自激光焊接机的激光聚焦在图4所示的接缝边缘54。通过使激光聚焦在接缝边缘54，使连接表面38和42紧邻激光的部分熔化并相互结合而形成搭焊缝。应该理解，可以使激光基本沿连接表面38和42的整个长度聚焦，以产生连续的焊缝并最小化或阻止任何可能的泄漏。
在一可选实施例中，可使来自激光焊接机的激光聚焦在中央接缝部56。通过使激光聚焦在中央接缝部56，使连接表面38和42紧邻激光的部分熔化并相互结合而形成堆焊缝。应该理解，可以使激光基本沿连接表面38和42的整个长度聚焦，以产生连续的焊缝并最小化或阻止任何可能的泄漏。
一旦第一U槽36和第二U槽40通过激光焊缝相互紧固，即可进行钎焊操作以将扰流子44牢固地保持在第一U槽36和第二U槽40内。例如，钎焊可沿扰流子44的表面、钎焊层48、第一U槽36和第二U槽40的对接表面进行。可考虑在激光焊接操作完成后将管组件30与其它部件如集管24、侧板26和外翅片28一起装配到核心组件16中。然后，可将核心组件16放入钎焊炉中，在钎焊炉中形成很多钎焊接合部，包括例如扰流子44与第一U槽36及第二U槽40之间的钎焊接合部。需要时也可考虑将管组件30装配成不带扰流子44。
工业适用性
本发明的热交换器管可抵抗由流过该管的空气或气体中所含的腐蚀性成分引起的腐蚀问题。可用于制造该管的不锈钢材料能抗腐蚀。并且，不锈钢材料还能够在热气体流过该管时耐受可能经受的高温。
通过激光焊接法将薄规格不锈钢组件紧固在一起，可最小化或消除由于腐蚀和/或不好的接头(接缝)构造所造成的可能的泄漏。不锈钢材料可有效地抵抗由流过该管的气体中所含的成分导致的腐蚀。此外，利用激光焊接工艺将薄规格不锈钢部件紧固在一起可将这些部件的扭曲变形或结构恶化减小到最低程度。而这种扭曲变形或结构恶化将导致管内形成泄漏。
对本领域的技术人员而言，可以在不偏离本发明的范围的情况下对本发明的装置做出多种改良和变型。本领域的技术人员通过考虑本说明书中公开的内容也可得到其它实施例。本说明书和示例仅应被视为示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求以及等同方案限定。

Claims (8)

1.一种用于热交换器(10)的管组件(30)，该管组件包括：
第一U形不锈钢管装配部件(36)；
第二U形不锈钢管装配部件(40)；以及
将第一和第二U形管装配部件联接在一起的至少一个激光焊接接合部；其中，该至少一个激光焊接接合部包含一基本沿该管组件的整个长度延伸的焊缝，
其中所述第二U形不锈钢管装配部件的一表面(42)的至少一部分与所述第一U形不锈钢管装配部件的一表面(38)的至少一部分以接触的方式重叠。
2.根据权利要求1所述的管组件，其特征在于，所述第二U形不锈钢管装配部件比所述第一U形不锈钢管装配部件大，从而使得所述第一U形不锈钢管装配部件的至少一部分可装配到所述第二U形不锈钢管装配部件内。
3.根据权利要求2所述的管组件，其特征在于，所述焊缝沿第二U形不锈钢管装配部件的所述表面的边缘(54)延伸，并与第一U形不锈钢管装配部件的一表面的至少一部分重叠。
4.根据权利要求2所述的管组件，其特征在于，所述焊缝沿第二U形不锈钢管装配部件的所述表面的中央部分(56)延伸，并与第一U形不锈钢管装配部件的一表面的至少一部分重叠。
5.一种制造用于热交换器(10)的管组件(30)的方法，包括如下步骤：
将第一装配部件(36)成形为U形；
将第二装配部件(40)成形为U形；
将该第一和第二装配部件相结合使得第一装配部件的至少一部分与第二装配部件的至少一部分相邻；以及
通过使激光基本沿该第一和第二装配部件的相邻部分的整个长度聚焦而将该第一和第二装配部件紧固在一起，
其中，将第一和第二装配部件相结合包括使所述第二装配部件的至少一部分(42)与所述第一装配部件的至少一部分(38)以接触的方式重叠。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括使激光沿所述第二装配部件的与所述第一装配部件重叠的部分的边缘(54)聚焦。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括使激光沿所述第二装配部件的与所述第一装配部件重叠的部分的中央区(56)聚焦。
8.一种热交换器(10)，包括：
一进口歧管(12)；
一出口歧管(14)；以及
一核心组件(16)，该核心组件包括：
集管(24)；
侧板(26)；
外翅片(28)；以及
如权利要求1-4中任一项所述的管组件(30)。
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