CN101568790B - 具有旁路的热交换器 - Google Patents

Abstract

一种由中心部分形成的具有外部旁路的热交换器，该中心部分包括多个堆叠的管状构件和基本上平行于该中心部分定位的波纹旁路管。第一组流动通道限定在管状构件内，用于第一流体流动通过其，当管状构件堆叠在一起以形成中心部分时，在相邻的管状构件之间限定出第二组流动通道。一对外部端板密封地附连到该堆叠的管状构件的横向端壁部分上和旁路管的端部上，从而形成具有外部旁路的热交换器，该外部旁路包括能以单一操作被钎焊或接合在一起的单个单元。

Description

具有旁路的热交换器

技术领域

本发明涉及热交换器，特别地，涉及具有集成旁路管的热交换器。

背景技术

具有内燃机的机动车辆一般在车辆的排气系统中配备排气冷却器或排气元件，以允许在一定工作条件下冷却和/或再循环排气。该排气元件具有用于从发动机接收排气的入口和用于将排气再循环回到发动机进气口或排气线中的其它部件的出口。一般地，排气元件包括在该排气元件的入口和出口之间延伸的排气管，和通常平行于所述在排气元件的入口和出口之间的排气管安装的热交换器。与排气元件的入口或出口连通的调节或流动转向装置引导排气流动通过排气管或通过热交换器到出口。当排气被引导通过热交换器时，排气被冷却且热量通常传递到发动机冷却剂。除了冷却排气外，这类热传递在低温条件下是有利的，因为其允许车辆中的冷却系统快速达到最佳工作温度，而且被加热的冷却剂可用于预热车辆的其它流体或区域。排气元件可形成为热交换器和旁路封闭在共用壳体内的“内部旁路”系统，或形成为热交换器和旁路彼此独立而没有共用壳体的“外部旁路”系统。

Rinckel的美国专利No.6,141,961公开了一种包括主排气管和旁路的排气元件。在该实施例中，旁路由平行于主排气管安装并在该主排气管之外的热交换器组成。该主排气管由通过波纹管连接以为主排气管提供一些扩张的两个独立管状部分形成。用于关闭主排气管和用于调节设置用于气体通过旁路的横截面积的可移动设备布置在排气元件的入口端。该可移动设备容纳在具有第一端和第二端的发散转接器内，该第一端用于连接到排气供给或入口上，该第二端用于与主排气管的入口和旁路的入口连接。为了容纳主排气管和热交换器或旁路部分的独立的端部，转接器包括有效地将转接器的第二端划分成两个独立开口的中央支撑件，两个独立开口中的一个用于接收主排气管的入口端，另一个用于接收旁路的入口端。该支撑件的横截面通常为“发夹”的形式，当转接器安装到其端部上时，该“发夹”允许主排气管和旁路以其平行关系基本上夹紧在一起。会聚转接器设置在主排气管和旁路的出口端，用于将排气引导流向大气中。

Rinckel的排气元件的整体结构稍微有些复杂，因为主排气管和旁路通过具有相当复杂结构的转接器保持在一起。更具体地说，如上所述，发散转接器形成有复杂的发夹式支撑件，该支撑件必须在排气元件能被(很可能通过钎焊)连接在一起之前设置在主排气管和旁路的端部上。部件的整个装配相当麻烦，并且很难实现在主排气管和旁路的端部与发夹支撑件之间的适当的密封或结合，这可能影响排气元件的综合性能并可能增加失效的可能性。

以Behr GmbH & Co.KG的名义的国际专利申请公开WO2005/111385公开了一种用于内燃机的热交换器，该热交换器具有用于来自发动机的排气通过的第一细长流动通道和与该第一流动通道相邻地布置的也用于排气通过的第二流动通道或旁路。第一和第二流体通道容纳在共用的壳体和端盖或支架内，该端盖或支架装配到壳体的端部，将第一和第二流动通道在其内保持就位。因此，该热交换器可以被分类为内部旁路系统类。通过与壳体连通的管路提供介质，比如冷却剂，用于在第一流动通道内的排气和该介质之间的热交换。具有调整阀元件的阀门通道与第一和第二流体通道的入口端相通，用于调节或调整流经第一或第二流体通道的排气的量。采用内部旁路布置，很难将第二或旁路通道与第一流动通道进行绝热，从而当两个通道通常与介质或冷却剂接触时，两者之间不产生热交换。

发明内容

在本发明中，一对外部端板密封地附连到多个堆叠的管状构件的横向端壁部分上和设置成通常平行布置的旁路管的端部上，从而形成具有外部旁路的热交换器，该外部旁路包括能以单一操作被钎焊在一起的单个单元。

根据本发明，提供一种热交换器，该热交换器包括多个堆叠的管状构件，所述管状构件限定穿过其的第一组流动通道。该管状构件具有位于其每一端的凸起部分。该凸起部分在其内限定相应的入口孔和出口孔。每个堆叠的管状构件的相应的入口孔和出口孔连通以限定用于第一流体流动通过第一组流动通道的入口歧管和出口歧管。该管状构件具有在堆叠的管状构件中接合在一起的相对的周边凸缘部分，以在相邻的管状构件之间限定用于第二流体流动通过热交换器的第二组流动通道。该管状构件还具有限定密封表面的横向端壁部分。波纹状旁路管大致平行于所述多个堆叠的管状构件设置。该波纹状旁路管暴露于外界空气中并具有相对的端部，该相对的端部限定用于额外的第二流体流动通过其的开口端。该热交换器还包括一对分别地位于堆叠的管状构件和波纹状旁路管的端部的外部端板。每个端板具有限定用于允许第二流体流过第二组流动通道的第一开口的周边壁。该周边壁密封地附连到所述多个堆叠的管状构件的横向端壁部分上，并且每个端板限定密封地附连到波纹状旁路管的端部部分中的一个上的第二开口。

附图说明

现在参照附图，以举例的方式说明本发明的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的热交换器的优选实施例的透视图；

图2是图1所示热交换器的侧视图；

图3是沿图2所示剖面线3-3的热交换器的中心部分的剖视图；

图4是形成构成附图1-3所示的热交换器的中心部分的板对或管状构件的一部分的下板的内视图；

图5是形成构成热交换器的中心部分的板对或管状构件的一部分的上板的内视图；

图6是图4中圆6所示的下板的一角的放大透视图；

图7是图1所示的热交换器的顶板的顶视图；

图8是图7所示的顶板的下侧的透视图；

图9是图1所示热交换器的底板的顶视图；

图10是图9所示底板的下侧的透视图；

图11是形成图1所示热交换器的旁路部分的旁路管的透视图；

图12是图11所示旁路管的侧视图；

图13是图11和12所示旁路管的顶视图；

图14是图1所示热交换器的端板的透视图；

图15是图14所示端板的端视图；以及

图16是图1所示热交换器的右端视图。

具体实施方式

参照附图，图1中示出根据本发明的优选实施例的热交换器10。热交换器10由中心部分12和旁路部分14组成。中心部分12由多个堆叠的管状构件16形成，所述管状构件16限定通过其的用于第一流体(比如冷却剂)流动通过热交换器10的第一组流动通道18(参见图3)。在相邻的管状构件16之间限定有用于第二流体(比如排气)流动通过热交换器10的第二组流动通道20。紊流器21可以位于第二组流动通道20内以增强热交换。虽然管状构件16可由单个管状元件形成，但是它们也可以由上板和下板22、24形成，因此它们也可以被称为板对。管状构件16(或板对)在其每个端部处具有凸起部分26、28(参见图4)。在一个优选实施例中，凸起部分26、28两者均位于管状构件16的纵轴线29的一侧上。凸起部分26、28具有相应的入口孔或出口孔30(参见图3)，从而当管状构件16堆叠在一起时，该入口/出口孔30相通以限定入口歧管和出口歧管32、34。中心部分12的顶板36设置有用于流体流入和流出入口歧管和出口歧管32、34的入口接头和出口接头40、42。底板38没有形成在其内的凸起部分或入口/出口孔，因此封闭了入口/出口歧管32、34。旁路部分14由基本上平行于中心部分12的底板38定位的波纹状旁路管44形成。旁路管44具有限定用于附加的第二流体流动通过其的开口端的端部部分46、48。一对外部端板50、52将中心部分12和旁路部分14以它们的间隔开关系作为单个单元保持在一起。

当管状构件16利用板对形成时，上板和下板22、24在结构上一般相同。但是，当组装热交换器10的中心部分12时，交替的板相对于相邻板倒置并旋转180度。换句话说，板面对面地放置，因此凸起部分26、28在每个板对中对准。这一点在考虑到图4和5时将能够理解，该图4和5显示了以蝴蝶形式打开的上板和下板22、24。

现在参考附图3至5，每个板22、24具有大致平面的中央部分54。如上所述，凸起部分26、28定位在板的纵轴线29的一侧上，并延伸稍微超出该大致平面的中央部分54的边界一个距离d，从而使得板22、24的一个边缘呈轻微的C形轮廓。凸起部分26、28从板22、24的大致平面的中央部分54向外突出一个等于第二组流动通道20的一半高度的距离。在围绕凸起部分26、28的板22、24的周缘的周围延伸的第一凸缘部分56、58形成在与大致平面的中央部分54和凸起部分26、28两者不同的平面内。当考虑到板对的上板22(参见图3)时，第一凸缘部分56被视为相对于大致平面的中央部分54的凹陷；然而，当考虑到下板24时，第一凸缘部分58相对于板24的大致平面的中央部分54升高。因此，当板22、24以其交替的面对面的关系堆叠时，第一凸缘部分56、58接触从而将板22、24的大致平面的中央部分54间隔开，并在板22、24之间限定出第一组流动通道18，如图3所示。形成在与凸起部分26、28相同平面内的第二凸缘部分60、62沿板22、24的纵向边缘延伸并围绕其拐角略微延伸。第二凸缘部分60、62在末端可以是可选择的向外突出的舌片66，如图6所示。在任何情况下，凸缘部分60、62的远端67将端板50、52保持在它们之间以使得热交换器10稍微能自固定。侧壁63分别在凸缘部分58、62和56、60之间延伸。侧壁63终止于端壁部分64，该端壁部分64封闭了第二组流动通道20的一小部分。当板22、24堆叠在一起时，并不是封闭第二组流动通道20的最小部分的端壁部分64，而是第二组流动通道20具有开口端，该开口端用于流体流动通过其。

再次参考图3，当考虑上板22时，第二凸缘部分60相对于大致平面的中央部分54和第一凸缘部分56两者升高，并且如上所述，该第二凸缘部分60大致位于与凸起的凸起部分26、28相同的平面内。然而，当考虑下板24时，第二凸缘部分62被视为相对于大致平面的中央部分54和第一凸缘部分58的凹陷。当上板和下板22、24以其面对面的关系堆叠时，板对的上板22的第二凸缘部分60接触相邻板对中的下板24的第二凸缘部分62，上板22的凸起部分26接触相邻板对中的下板24的相应的凸起部分26。相邻板对中的相应的凸起部分26和第二凸缘部分60、62之间的接触用于间隔开相邻的板对，从而限定在它们之间的第二组流动通道20。板22、24之间的接触还提供合适的连接或配合表面以保证当板22、24接合在一起时它们具有足够的密封。

在一个优选实施例中，第二组流动通道20具有位于其内的紊流器21。该紊流器一般由拉制金属网或任何其它合适的材料形成，以产生起伏的流动通道，该起伏的流动通道在流动中产生混合或紊流从而增加热交换。就第一组流动通道18而言，上板和下板22、24可以具有形成在其大致平面的中央部分54内的向内设置的、间隔开的配合凹窝或突出部68。凹窝68用来在第一组流动通道18内产生流动紊流或混合以加强热交换，并且特别是在热交换器10的钎焊过程中还保持流动通道的高度并支撑平面部分54，以及增加热交换器的强度。大致平面的中央部分54还可以形成有从板22、24的拐角周围的凸起部分26、28开始的向内设置的肋70，以便将流体的流动从入口歧管32(或34)引导或导向至大致平面的中央部分54，以及从大致平面的中央部分54引导或导向至出口歧管34(或32)。

入口歧管和出口歧管32、34形成为管状构件16或板对并堆叠在一起。当管状构件16或板对堆叠在一起时凸起部分26、28中的入口孔或出口孔30对准并相互接触，从而在第一组流动通道18之间建立流体连通。可以理解，入口歧管和出口歧管32、34是可以互换的，所需要的是流体从歧管32或34中的一个通过第一组流动通道18流动至另一个歧管32、34。

顶板36(参见图3、7和8)用作最上面的板对的上板或热交换器10的中心部分12中的顶部管形构件16’。顶板36具有与构成中心12的板22、24的大致平面的中央部分54相似的大致平面的中央部分72。然而，顶板36形成有仅一个围绕顶板36的周缘延伸的凸缘部分74，以便当顶板36与其相关联的下板24堆叠一起从而在它们之间产生其中一个流动通道18时对应于下板24的第一凸缘部分58(参见图3)。相对的横向端壁76(参见图8)形成在顶板36的每个端部处，所述横向端壁76以相对于凸缘部分74基本上90度从该凸缘部分74向上延伸。当装配中心部分12和旁路部分14时，该端壁76提供用于抵靠端板50、52的平坦表面，以下将作详细说明。同样，顶板36没有与中心板22、24中建立的凸起部分相同的凸起部分26、28，而是装备有用于容纳入口接头和出口接头40、42的固定件78、80。顶板36还可以形成有如上所述与中心板22、24相关的向内设置的凹窝82和引导肋84。

底板38(参见图3、9和10)用作最下面的板对的下板或底板或者底部管形构件16″，且结构与顶板36相似，其也具有大致平面的中央部分86且仅具有围绕板38的周缘延伸的第一凸缘部分88。当第一凸缘部分88与最下面的上板22的第一凸缘部分56堆叠在一起从而在它们之间产生其中一个流动通道18时，该第一凸缘部分88接触该最下面的上板22的第一凸缘部分56(参见图3)。但是，因为底板38封闭入口歧管和出口歧管32、34，所以底板38并不具有任何形成在其内的凸起部分26、28。正如顶板36，相对的横向端壁90(参见图10)形成在板38的每一端处。端壁90以相对于凸缘部分88基本上90度向下延伸。当装配中心部分12和旁路部分14时，端壁90提供用于抵靠端板50、52的平坦表面，以下将作详细说明。底板38还可以形成有如上所述与中心板22、24相关的向内设置的凹窝92和引导肋94。

现在参考附图11至13，热交换器10的旁路部分14由具有开口端或端部46、48的波纹管44形成。波纹或肋96从管44的壁98向外突出并为管提供挠度，从而该管能响应于其在它的各种工作条件下所经历的温度变化而膨胀和收缩。根据优选实施例，波纹管44由液压成型形成，虽然也可采用任意合适的制造方法。

为了形成热交换器10，中心部分12和旁路部分14被端板50、52相互大致平行地并间隔开地保持，该端板50、52分别位于堆叠的管状构件16和旁路管44的端部，并因此在外部附连在中心部分12和旁路部分14上。端板50、52(参见图14和15)由具有顶杆100、两个侧杆102和底杆104的大致矩形框架构成。横杆106在每个端板50、52内限定两个分开的开口108、110，第一开口108比第二开口110大。顶杆100、横杆106和在它们之间的侧杆102的部分形成密封地附连在管状构件16的横向端壁部分64和横向端壁76和90上的周边壁，并且还限定第一开口106。横杆106、底杆104和在它们之间的侧杆102的部分限定第二开口110。第一组侧舌片112从顶杆100的端部横向突出超过侧杆102。第二组侧舌片114从侧杆102横向突出，基本上平行于第一组侧舌片112并与其间隔开，该第二组侧舌片114位于横杆106的略微上方。第一和第二组间隔开的侧舌片112、114之间的距离d1对应于热交换器10的中心部分12的高度(参见图15和16)。端板50、52的宽度，或侧杆102的最外边缘之间的距离，对应于构成中心部分12的管状构件16的端部处的凸缘远端67之间的距离。

顶板横向端壁和底板横向端壁76、90以及管形构件的横向端壁部分64位于同一平面内，并形成连续的周边密封表面，该连续的周边密封表面以搭接结构附连到端板的周边壁上。

当装配热交换器10时(参见图16)，端板50、52的侧杆102容纳在限定在突出的远端67之间的空间内。顶杆100邻接中心部分12的顶板36的端壁76，第一组侧舌片112坐落在从中心部分12延伸的最上面的第二凸缘部分60、62的端部上。第二组侧舌片114定位在最下面的第二凸缘部分60、62的端部的下面，横杆106邻接底板38的端壁90。第二凸缘部分60、62，或至少这些凸缘部分的突出舌片66，由此通过侧舌片112、114保持在适当位置，从而再次使得热交换器10稍微地能自固定。因此，中心部分12被端板50、52有效地保持在两组侧舌片112、114之间。但是，在热交换器10被钎焊后，由于在钎焊过程中端板50、52和管状构件16之间的差异膨胀和收缩，侧舌片112、114可能不能终止接触第二凸缘部分60、62或舌片66。

随着端板50、52就位，板50、52内的第一开口108允许流体流过位于管状构件16之间的第二组流动通道20。端板50、52的侧杆102和管状构件16的端壁部分64之间的表面接触，以及顶杆100和顶板36的端壁76之间的表面接触，还有横杆106和底板的端壁90之间的表面接触提供了在钎焊或任何其它合适的连接过程中形成在各部件之间的良好的面对面结合或密封接合。

就热交换器10的旁路部分14而言，端板50、52内的第二开口110的形状形成为对应于波纹状旁路管44的端部46、48的形状，从而当旁路管44插入在第二开口110内时在旁路管44的外壁98和端板50、52之间产生密配合。由横杆106的宽度决定的两个开口108、110之间的间距使得旁路管44与中心部分12的底板38适当地间隔开，如果需要的话。选定横杆106的宽度以使旁路管44上的波纹96根据需要或者接触中心部分12的底板38或者与中心部分12的底板38间隔开。如果波纹96与底板38间隔开，这将提供热交换器10的两个部件12、14之间的隔热。如果波纹96接触板38，这将提供用于中心部分12的强度或支撑。如果波纹96中的一个或多个接触底板38，则波纹96或者必须牢固地钎焊到底板38上或者根本不钎焊到板38上，因为如果钎焊接头没有坚固到足以承受不同的热膨胀，则旁路管44和中心部分12之间的不同的热膨胀可带来问题。可在钎焊处理过程中通过利用合适的抗湿剂来防止将波纹96钎焊到底板38上。

虽然已参照优选实施例对本发明进行了说明，但是本领域的普通技术人员应该理解到本发明不局限于所述的确切的实施例，而是可以做出变型或修改，而不脱离在此公开的本发明的范围。比如，根据热交换器的具体应用，第一和第二组流动通道18、20的高度可以根据所涉及流体的类型而变化。可以去除使得热交换器自固定的侧舌片112、114和板的突出舌片66。中心板可以以其它方式被紧固以用于钎焊处理。没有由凹窝板对形成的管状构件16，板22、24可以具有光滑的中央平面部分54，其它热交换加强设备，比如紊流器，可以用于第一组流动通道中。还有，凸起部分26、28可定位在管状构件16内的其它位置。因此，可以理解本申请所公开的热交换器适合于各种应用。

Claims (20)

1.一种热交换器，包括：

多个堆叠的管状构件，所述管状构件限定通过其的第一组流动通道，所述管状构件具有位于其每一端的凸起部分，所述凸起部分限定相应的入口孔和出口孔，所述堆叠的管状构件中的每一个的相应的入口孔和出口孔连通以限定用于第一流体流动通过第一组流动通道的入口歧管和出口歧管，所述管状构件具有在所述堆叠的管状构件中接合在一起的相对的周边凸缘部分，以在相邻的管状构件之间限定用于第二流体流动通过所述热交换器的第二组流动通道，所述管状构件具有限定密封表面的横向端壁部分；

波纹状旁路管，所述波纹状旁路管大致平行于所述多个堆叠的管状构件设置，所述波纹状旁路管暴露于外界空气中并具有相对的端部部分，该相对的端部部分限定用于额外的第二流体流动通过其的开口端；

一对外部端板，所述一对外部端板分别设置在所述堆叠的管状构件和所述波纹状旁路管的端部，每个端板具有限定用于允许所述第二流体流过所述第二组流动通道的第一开口的周边壁，所述周边壁密封地附连到所述多个堆叠的管状构件的所述横向端壁部分上，每个端板限定密封地附连到所述波纹状旁路管的端部部分中的一个上的第二开口。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述波纹状旁路管的相对的端部位于所述端板的第二开口内。

3.如权利要求2所述的热交换器，其中，所述凸起部分位于所述管状构件的纵轴线的一侧上。

4.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个堆叠的管状构件形成有多个间隔开的、向内设置的凹窝。

5.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个堆叠的管状构件具有向内设置的肋，用于引导所述第一流体从所述入口孔通过所述第一组流体通道流动至所述出口孔。

6.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述横向端壁部分封闭所述第二组流动通道的一部分，所述端板的周边壁与所述管状构件的所述端壁部分交叠以形成搭接。

7.如权利要求1所述的热交换器，还包括位于限定在所述相邻的管状构件之间的第二组流动通道内的紊流器。

8.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述管状构件的端部具有从其上向外延伸的间隔开的突出的舌片，所述端板容纳在所述舌片之间。

9.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述管状构件由细长的板对形成。

10.如权利要求9所述的热交换器，其中，每个板包括：

大致平面的中央部分，所述凸起部分位于所述板的纵轴线的一侧上并延伸略微地超过所述大致平面的中央部分的边界，所述凸起部分位于与所述大致平面的中央部分不同的平面内；

第一凸缘部分，该第一凸缘部分围绕所述板的周缘形成，从该板的边缘向内设置，所述第一凸缘部分位于与所述大致平面的中央部分和所述凸起部分不同的平面内；

第二凸缘部分，该第二凸缘部分沿所述板的纵向边缘形成，所述第二凸缘部分位于与所述凸起部分相同的平面内。

11.如权利要求10所述的热交换器，其中，每个板倒置并相对于相邻板旋转180度以形成板对。

12.如权利要求10所述的热交换器，其中，所述大致平面的中央部分包括间隔开的向内设置的凹窝。

13.如权利要求10所述的热交换器，其中，所述大致平面的中央部分包括向内设置的引导肋，用于引导所述第一流体从所述入口孔在纵向上通过所述第一组流体通道流动至所述出口孔。

14.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述波纹状旁路管与所述堆叠的管状构件间隔开。

15.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述波纹状旁路管的至少一个波纹与所述堆叠的管状构件接触。

16.如权利要求15所述的热交换器，其中，所述波纹状旁路管的所述至少一个波纹被钎焊到所述堆叠的管状构件上。

17.如权利要求15所述的热交换器，其中，所述波纹状旁路管的所述至少一个波纹不被钎焊到所述堆叠的管状构件上。

18.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个堆叠的管状构件包括顶部管状构件和底部管状构件，所述顶部管状构件和底部管状构件分别包括顶板和底板，所述顶板和底板包括与所述管形构件的横向端壁部分位于相同平面内的相对的横向端壁，所述端壁分别密封地附连到端板的周边壁上。

19.如权利要求18所述的热交换器，其中，所述顶部和底部板横向端壁以及所述管形构件的横向端壁部分形成连续的周边密封表面，该周边密封表面以搭接结构附连到所述端板的周边壁上。

20.如权利要求10所述的热交换器，其中，所述外部端板具有以定距间隔开的横向突出的侧舌片，所述管状构件的所述第二凸缘部分由所述侧舌片保持就位。

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