CN101796286B - 热交换器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热交换器(23)及其制造方法。热交换器(23)包括具有两个相对的宽侧壁和两块集管板的冷却剂壳体，集管板分别为进气箱(21)和排气箱(22)的集管板并钎焊到宽侧壁上。管(1)在两块集管板之间平行穿过冷却剂壳体延伸，所述管(1)钎焊到所述集管板的孔内。冷却剂壳体(14)具有两个相对的窄侧壁(24，25)，窄侧壁紧密安装到宽侧壁和集管板上，并与所述宽侧壁和集管板共同限定第一冷却剂箱(26)和与该第一冷却箱(26)相对的第二冷却剂箱(27)。每个气箱(21，22)包括整流罩(15)，该整流罩(15)分别紧密安装并钎焊到所述集管板中的一个上并具有进气口和排气口。两个窄侧壁(24，25)中的至少一个焊接到所述宽侧壁和所述集管板上，以封闭冷却剂壳体。

Description

热交换器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种热交换器，例如用于涡轮增压内燃机或增压式内燃机的水冷式中冷器，此外，本发明还涉及一种该热交换器的制造方法。 
背景技术
现有技术文献EP 1 707 911 A1公开了一种热交换器，该热交换器包括具有冷却剂入口和冷却剂出口的冷却剂壳体，该冷却剂壳体呈长方体形状，其具有两个对置的宽侧壁和两个对置的窄侧壁，该窄侧壁与所述宽侧壁紧密配合并钎焊到该宽侧壁上，在两个所述窄侧壁之间，气管平行穿过所述冷却剂壳体，所述窄侧壁分别构成进气箱和排气箱的集管板(header plates)，所述气管与所述集管板上的孔紧密配合并钎焊到该孔上。 
该公知的热交换器因其明显区别于其它现有技术方案的有利的热交换器设计，而表现出在其平行穿过热交换器壳体的气管上仅有微小的气压下降，而在所述其它现有技术方案中则替代地使得冷却剂管平行地穿过气箱。但是明显地，该公知的热交换器主要设计为仅适用于内燃机的轻型涡轮增压或增压。这源自于以下事实，即其所描述的实施方式具有由塑料制成的气箱整流罩，而塑料并不是一种适于承受大型涡轮增压或增压中所遇到的温度值的材料。此外，用于将所述气箱整流罩固定于所述冷却剂壳体的方法为将所述集管板的凸片机械弯折到所述气箱整流罩上，这表明除了用于所述热交换器的其它部件的钎焊和焊接方法之外，还具有第三种固定方法，并且也意味着需要有衬垫以实现气密性。 
由于冷却剂泄漏进内燃机的进气口会导致内燃机的严重损坏，因此除了气密性之外，冷却剂的密封性也是用于内燃机涡轮增压或增压的热交换器的 主要问题。根据EP 1 707 911 A1的现有技术的热交换器，其通过在最终的机械弯折作业之前采用钎焊和熔焊工艺将冷却剂壳体形成为整体封闭而注意到了确保冷却剂的密封性。但是，该金属薄板和塑料材料的混合使用确实使得即使仅发生微小的水液渗漏，其维修也是相当困难的，这是因为即便进行的仅是这种微小故障的维修，其产生的焊接热量也可能破坏所述塑料材料的完整性。 
WO 2007/031274公开了另一种所述类型的热交换器，该热交换器具有集管板，该集管板包括圆周槽或圆周凸缘，该环形槽或环形凸缘与所述冷却剂壳体的其余壁部和所述气箱配合。沿圆周方向的安装导致在热交换器的装配过程中沿多个方向要求具有较高的精度，并意味着在所述冷却剂壳体的所有其它部件安装到位之前，至少最后的集管板不能进行安装。因此，不能预先进行所述集管板和所述管之间的密封性检测。此外，在钎焊过程中，特别是在优选方式下的熔炉钎焊过程中(其中整个单元被加热到超过钎焊材料的熔化温度)，因材料的膨胀会导致尺寸变化，由此带来的不可避免的缩卷现象会因精密公差而导致较大的渗漏风险。 
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是消除上述公知热交换器的缺点，并提出一种新颖的热交换器，该热交换器容易制造，能够承受高温，并且维修方便。 
根据本发明，本发明的目的通过如下一种热交换器实现，该热交换器包括具有两个相对的宽侧壁和两块集管板的冷却剂壳体，其中所述两块集管板分别为进气箱和排气箱的集管板，并且钎焊到所述宽侧壁上。管在所述两块集管板之间平行地穿过所述冷却剂壳体延伸，所述管钎焊到所述集管板上的孔内，其中，该集管板呈凹槽形状并具有纵向凸缘，该纵向凸缘在所述宽侧壁上延伸并钎焊到该宽侧壁上，其中，所述冷却剂壳体具有两个相对的窄侧壁，该窄侧壁紧密安装到所述宽侧壁和所述集管板上，并与该宽侧壁和集管板共同限定第一冷却剂箱以及与该第一冷却剂箱相对的第二冷却剂箱，其中每个所述气箱包括整流罩，该整流罩分别紧密安装并钎焊到所述集管板中的一个上并分别具有进气口或排气口。所述两个侧壁中的至少一个焊接到所述宽侧壁和所述集管板上，从而封闭所述冷却剂壳体。
该种集管板易于形成，例如通过铝型材材料形成，并且在将该集管板与所述宽侧壁钎焊在一起的同时为所述宽侧壁提供精确的支撑。根据本发明，通过也钎焊所述空气整流罩，从而以非常简单的方式完成钎焊单元，该钎焊单元包括空气箱和冷却剂壳体的主要部件。该钎焊单元能够进行密封性检测，只有具有密封性，才通过将至少一个剩余侧壁焊接到所述冷却剂壳体上来封闭该冷却剂壳体。以此方式封闭的热交换器完全由耐热性材料制成，该能够焊接的材料应当能够进行所需的小维修。 
优选地，所述空气整流罩具有侧凸缘，该侧凸缘在所述集管板的纵向凸缘上延伸并钎焊到该纵向凸缘上，所述侧凸缘仅覆盖所述纵向凸缘的一小部分，因此能够触及所述纵向凸缘和所述宽侧壁之间的接合部位，以进行检修。此外，所述侧凸缘使得钎焊更容易，并且明显地，与位于下方的集管板的凸缘相比，该更窄的侧凸缘能够方便地进行冷却剂渗漏的检测和维修。 
根据一种优选实施方式，所述空气整流罩的侧边缘之间具有邻近于其端部的平直区域，该平直区域对应于所述集管板的没有孔的部分，并且该平直区域钎焊到所述集管板的没有孔的部分上。这种空气整流罩使得钎焊更加容易，并且形成了确保气密性的简单方法，而无需任何衬垫。 
所述气管为扁平管，优选地，该扁平管具有面对穿过所述冷却剂壳体的主冷却剂流向的狭长侧，并且该扁平管沿所述主冷却剂流向设置有至少三组平行的气管组，每个所述气管组具有至少三个气管，所述气管组的宽度对应于所述进气口的直径。设计为具有这些参数的热交换器具有非常狭窄的单元形状，该非常狭窄的单元易于靠近内燃机的进气口安装，而不会与内燃机舱中的其它部件干涉。针对更大的内燃机的尺寸调整，其也能够容易地通过加 长所述气管的长度、将所述气管组增加到更多的数量和/或另外增加额外的气管组而实现。 
根据第一可选择的实施方式，所述第一冷却剂箱具有冷却剂入口和冷却剂出口，所述第一冷却剂箱在所述冷却剂入口和冷却剂出口之间通过隔板分隔成冷却剂进入部和冷却剂排出部，所述隔板从所述冷却剂进入部将冷却剂流沿着波纹形紊流器引导到所述第二冷却剂箱，冷却剂流从该第二冷却剂箱沿着所述波纹形紊流器流动到所述冷却剂出口部。该可选择的实施方式形成非常紧凑的热交换器，该热交换器具有位于同一冷却剂箱上的冷却剂入口和冷却剂出口，这在大多数情形下简化了安装。 
根据第二可选择的实施方式，第一冷却剂箱具有冷却剂入口和冷却剂出口，通过三个隔板，所述第一冷却剂箱在所述冷却剂入口和冷却剂出口之间被分隔成冷却剂进入部、第二冷却剂偏置部以及冷却剂排出部，所述第二冷却剂箱被分隔成第一冷却剂偏置部和第三冷却剂偏置部，在所述三个隔板中，位于所述第一冷却剂箱中的第一隔板将冷却剂流从所述冷却剂进入部沿着波纹形紊流器引导到所述第一冷却剂偏置部，位于所述第二冷却剂箱中的第二隔板将冷却剂流沿着所述波纹形的紊流器引导到所述第二冷却剂偏置部，并且位于所述第一冷却剂箱中的第三隔板将冷却剂流沿着所述波纹形紊流器一道所述第三冷却剂偏置部，冷却剂流从该第三冷却剂偏置部沿着所述波纹形紊流器流动到所述冷却剂排出部。该第二可选择的实施方式也形成了非常紧凑的热交换器，该热交换器具有位于同一冷却剂箱上的冷却剂入口和冷却剂出口，这在大多数情形下简化了安装。此外，该实施方式通过使得所述冷却剂反复地经过所述气管而充分发挥了所述冷却剂的冷却能力。 
优选地，所述紊流器的波纹部分的片材具有压纹式偏置结构，以增强所述冷却剂流的紊流扰动。所述偏置结构用于增强所述冷却剂与所述紊流器之间的相互作用，并因此提高热交换效率。 
根据优选实施方式，所述集管板和所述空气整流罩的凸缘形成紧密配合，该紧密配合在进行钎焊时将热交换器的需要钎焊的部件装配在一起，这显然在热交换器的生产上具有较大的优点。 
根据本发明，还提供一种上述热交换器的制造方法，所述热交换器包括冷却剂壳体。所述制造方法包括如下步骤：通过固定框架或通过钎焊所涉及的部件之间的紧密配合，将全部可钎焊部件装配结合成一个单元；通过在钎焊炉中加热所述单元，而对所述单元进行钎焊；去除所述固定框架；如果钎焊的单元合格的话(if at hand)，则将至少一个侧壁钎焊到所述单元上，以封闭所述冷却剂壳体。 
根据本发明的方法是一种非常容易的方法，因为其仅包括两个固定步骤：即第一钎焊步骤和第二焊接步骤。这极大地简化了生产，并具有避免焊接有缺陷的钎焊单元的额外优点，该有缺陷的钎焊单元在以后无论如何是必须废弃的。此外，明显地，根据本发明的方法另外的优点在于，在钎焊之前，通过固定框架或钎焊所涉及的部件之间紧密配合，仅须将能够钎焊的部件固定一次。 
附图说明
附图中显示了本发明的优选实施方式，在附图中： 
图1是显示内部具有内部紊流器的气管的侧视图； 
图2是显示集管板的立体图； 
图3是显示宽侧壁或盖板的立体图； 
图4是显示外部紊流器的立体图； 
图5是显示预先组装的热交换器芯体的立体图，其中该预先组装的热交换器芯体包括集管板、盖板、气管以及外部紊流器； 
图6是显示气箱整流罩的立体图； 
图7是显示钎焊状态的热交换器芯体的立体图，其中该热交换器芯体还 包括气箱整流罩； 
图8是显示完整的热交换器的立体图，其中该热交换器的顶部和底部分别焊接有窄侧壁或盖板； 
图9是显示波纹形的外部紊流器的侧视图； 
图10是显示通过根据本发明优选实施方式的热交换器的冷却剂通道的实施例的立体图；以及 
图11是显示盖板、集管板以及气箱整流罩之间的详细连接结构的剖面图。 
具体实施方式
在附图中，图1显示内部具有内部紊流器2的气管1。气管1由复合铝片制成，以能够进行钎焊，并且在沿着气管的纵向管缝进行电焊之前，将该气管1成形为具有长方形或椭圆形截面。在气管1的内部具有内部紊流器2，该内部紊流器2由铝片制成，并且在将该内部紊流器填塞进气管1之前，使得内部紊流器2沿其纵向方向形成为波纹形。 
图2所示的集管板3由复合铝型材件制成，以能够进行钎焊。该集管板3沿其纵向边缘具有两个相对的凸缘4，5，并且在其纵向边缘之间具有扁平的中心部6。该中心部6上冲压形成有与气管1精确配合的长方形或椭圆形的孔7。所述冲压工艺形成从扁平的中心部6凸出的凸沿8，以用于支撑气管1。虽然图示的凸沿8在背向凸缘4，5的一侧凸出是优选方案，但是该凸沿8也可以在集管板3的扁平中心部6的任一侧凸出。 
图3所示的盖板10由复合铝片制成，以能够进行钎焊。该盖板10为矩形形状，其四个边角部位具有冲压形成的突起(beads)11，并且盖板10还具有沿其相对的上边缘和下边缘延伸的肋条12。该突起11和肋条12使得装配更加容易，这将在下文阐述。 
图4显示外部紊流器13的一部分，外部紊流器13也由复合铝片材料制 成。该外部紊流器13形成为波纹形，并且在该外部紊流器13上具有所谓的偏置结构，以增加对冷却剂流的扰动。外部紊流器13及其波纹形和偏置结构将在下文结合图9的详细视图进行更详细的描述。 
图5显示预先装配的热交换器芯体14，该热交换器芯体14包括两块集管板3、两块盖板10、二十根气管1、以及位于这些气管1之间和气管1与盖板10之间的外部紊流器13。该预先装配的热交换器芯体14还未进行钎焊，即该热交换器芯体14必须通过一些类型的框架(未显示)或者通过该芯体14所包括的部件之间的紧密配合而便利地结合在一起，上述突起11用作集管板的凸缘4，5的限位挡块。 
图6显示气箱整流罩15，该气箱整流罩15由能够钎焊的复合铝片材料制成。气箱整流罩15为冲压件，该冲压件具有圆形的进气口或出气口16以及连接到该进气口或出气口16上的漏斗形部分17。该漏斗形部分17通向凹槽18，该凹槽18通过其自身的凸缘19，20(尽管该凸缘19，20没有集管板的凸缘4，5宽)精确地装配在集管板的凸缘4，5上。该装配的目的将在下文阐述。漏斗式凹槽18具有相对的端部，该相对的端部也精确地装配到集管板3的构件上，更明确地说，装配到集管板3的中心部6的椭圆孔7以外的平直端部9上，以形成进气箱21和排气箱22(参见图10)。气箱整流罩的两个凸缘19，20以及平直部分用于紧密钎焊到集管板的相应的构件上，为此需要将空气整流罩15安装到图5所示的热交换器芯体组件14上，并通过所述框架或紧密配合而固定到位。 
图7显示最终钎焊状态的热交换器芯体14，其中气箱整流罩1安装到该热交换器芯体14上。所述钎焊优选地以在钎焊炉中一次通过工艺(one shotprocess)进行，“一次通过(one shot)”意味着全部钎焊(即甚至气管1内部和外部的紊流器2，13的钎焊)仅在钎焊炉中的一个滞留时段内进行。在钎焊之后，需要检测热交换器芯体14与空气整流罩15，的气密性。如果存在泄漏，则将其废弃，而不进行最终的焊接工艺步骤。 
图8显示最终的热交换器23，该最终的热交换器23上焊接有顶部盖板24和底部盖板25(参见图11)。顶部盖板24和底部盖板25由铝片材料制成，该顶部盖板24和底部盖板25的尺寸使得该顶部盖板24和底部盖板25适于安装在顶部水箱26和底部水箱27内，并封闭该顶部水箱26和底部水箱27，顶部水箱26和底部水箱27由水管1的上方和下方的侧盖板10和集管板3形成。顶部盖板24具有冷却剂入口28和冷却剂出口29，并邻接侧盖板10顶部的肋条12。底部盖板25完全平直，并邻接侧盖板10底部的肋条12(也可以邻接盖板3上的相应的肋条)。在上述邻接的位置上，将顶部盖板24和底部盖板25最终焊接到热交换器23上，从而完成热交换器23的制造。 
为了进一步披露本发明的一些其它方面，图9至图10显示了上述实施方式的其它细节。 
图9显示待钎焊到气管1的外部和/或盖板10的内部的波纹形外部紊流器13的细节结构。可以看出，紊流器13通过将金属片冲压成波纹并且偏置结构31而形成。偏置结构31的目的在于增强冷却剂的紊流扰动，从而提高效率。 
图10是显示通过根据优选实施方式的热交换器23的冷却剂通道32(参见图中箭头)的实施例的立体图，其中，外部紊流器13的一部分显示为平面区域，以使得图面清楚。冷却剂通道32通过与上文引用的现有技术文件相似的方式限定，该冷却剂通道通过偏置隔板33，34，35限定，其中在顶部冷却剂箱26中具有两个偏置隔板33，35，在底部冷却剂箱27中具有一个偏置隔板34。因此，使得冷却剂流32经过气管1的次数不少于四次，这在热交换效率方面是相当有利的，并且使得冷却剂流32起始并终止于一个相同的冷却剂箱26。明显地，即使仅在顶部冷却剂箱26的中心设置一个隔板，也至少会确保冷却剂流起始并终止在相同的冷却剂箱内。 
最后，图11显示了本发明优选实施方式的另一细节结构。该图11为显示盖板10、集管板3以及空气整流罩15之间的连接结构的放大俯视剖面图。 可以看出，盖板10布置在集管板3的凸缘4，5的内侧，该凸缘4，5在盖板10上延伸并钎焊到该盖板10上。空气整流罩15的凸缘19，20在集管板的凸缘4，5的外侧钎焊到集管板3上。但是，空气整流罩的凸缘19，20没有集管板的凸缘4，5宽，这意味着空气整流罩15与集管板3之间的钎焊焊缝以及集管板3与盖板10之间的钎焊焊缝均能够被看见，因此如果需要在一定程度上能够进行维修，例如在无法获得备用零件的情形下。 
对于本领域技术人员明显的是，根据本发明优选实施方式的热交换器23以逆流方式工作，即进气口和冷却剂入口位于热交换器23的相对侧上。此外，同样明显地，如果钎焊的部件预涂熔剂，即在装配之前涂覆有熔剂，则将使得钎焊更为可靠。这当然是因为以下事实，即将预先装配的热交换器23浸入熔剂中并不能容易地使所有部件全部由熔剂润湿。最后，用于顶部盖板24和底部盖板25的焊接工艺优选地为公知的CMT(Cold Metal Transfer)焊接工艺，CMT焊接工艺代表着冷金属转移，并且产生的热量极小，因此不会对钎焊焊缝形成不利影响。 

Claims (12)

1.一种热交换器(23)，该热交换器(23)包括：
冷却剂壳体(14)，该冷却剂壳体呈长方体形状，并具有两个相对的宽侧壁(10)和两块集管板(3)，该两块集管板分别为进气箱(21)和排气箱(22)的集管板，并分别钎焊到所述宽侧壁(10)上；
管(1)，该管(1)在所述两块集管板(3)之间平行地穿过所述冷却剂壳体(14)延伸；
所述管(1)钎焊到所述集管板(3)上的孔(7)内，其特征在于，
所述集管板(3)呈凹槽形状，并具有纵向凸缘(4，5)，该纵向凸缘(4，5)在所述宽侧壁(10)上延伸并钎焊到所述宽侧壁(10)上，而且，所述冷却剂壳体(14)具有两个相对的窄侧壁(24，25)，该窄侧壁紧密安装到所述宽侧壁(10)和所述集管板(3)上，并与所述宽侧壁(10)和集管板(3)共同限定第一冷却剂箱(26)和第二冷却剂箱(27)，该第二冷却剂箱(27)与所述第一冷却剂箱(26)相对，
其中，所述进气箱(21)和排气箱(22)分别包括整流罩(15)，所述整流罩(15)分别紧密安装并钎焊到所述集管板(3)中的一个上并分别具有进气口或排气口(16)，以及
其中，所述两个窄侧壁(24，25)中的至少一个焊接到所述宽侧壁(10)和所述集管板(3)上，从而封闭所述冷却剂壳体(14)。
2.根据权利要求1所述的热交换器(23)，其中，所述整流罩(15)具有侧凸缘(19，20)，该侧凸缘在所述集管板(3)的纵向凸缘(4，5)上延伸并钎焊到该纵向凸缘(4，5)上。
3.根据权利要求2所述的热交换器(23)，其中，所述侧凸缘(19，20)仅覆盖所述集管板(3)的纵向凸缘(4，5)的小部分，从而能够触及所述纵向凸缘(4，5)与所述宽侧壁(10)之间的接合部位，以进行检查或维修。 
4.根据权利要求2或3所述的热交换器(23)，其中，所述整流罩(15)的侧凸缘(19，20)之间具有邻近所述整流罩(15)端部的平直区域，该平直区域对应于所述集管板(3)的没有孔的部分(9)，并钎焊到该没有孔的部分(9)上。
5.根据权利要求1所述的热交换器(23)，其中，所述管(1)为扁平管，该扁平管具有面对穿过所述冷却剂壳体的主冷却剂流向的狭长侧，并且该扁平管设置为沿所述主冷却剂流向具有至少三个平行的管组，每个所述管组具有至少三个所述管(1)，所述管组的宽度基本对应于所述进气口(16)的直径。
6.根据权利要求1所述的热交换器(23)，其中，所述第一冷却剂箱(26)具有冷却剂入口(28)和冷却剂出口(29)，该第一冷却剂箱(26)在所述冷却剂入口(28)和冷却剂出口(29)之间通过隔板分隔成冷却剂进入部和冷却剂排出部，所述隔板设置为从所述冷却剂进入部将冷却剂流沿着波纹形紊流器(13)引导到所述第二冷却剂箱(27)，冷却剂流从该第二冷却剂箱沿着所述波纹形紊流器(13)流动到所述冷却剂出口部。
7.根据权利要求1所述的热交换器(23)，其中，所述第一冷却剂箱(26)具有冷却剂入口(28)和冷却剂出口(29)，通过三个隔板(33，34，35)，该第一冷却剂箱(26)在所述冷却剂入口和冷却剂出口之间被分隔成冷却剂进入部、第二冷却剂偏置部以及冷却剂排出部，所述第二冷却剂箱(27)被分隔成第一冷却剂偏置部和第三冷却剂偏置部，所述第一冷却剂箱(26)中的第一隔板(33)将冷却剂流从所述冷却剂进入部沿着波纹形紊流器(13)引导到所述第一冷却剂偏置部，位于所述第二冷却剂箱(27)中的第二隔板(34)将冷却剂流沿着所述波纹形紊流器(13)引导到所述第二冷却剂偏置部，并且位于所述第一冷却剂箱(26)中的第三隔板(35)将冷却剂流沿着所述波纹形紊流器(13)引导到所述第三冷却剂偏置部，冷却剂流从该第三冷却剂偏置部沿着所述波纹形紊流器(13)流动到所述冷却剂排出部。
8.根据权利要求6或7所述的热交换器(23)，其中，所述波纹形紊流器(13)的片材具有压纹式偏置结构，以增强所述冷却剂流的紊流扰动。
9.根据权利要求2或3所述的热交换器(23)，其中，所述集管板的纵向凸缘(4，5)和所述整流罩的侧凸缘(19，20)形成紧密配合，以在钎焊时将可钎焊的热交换器的部件装配固定。
10.一种制造根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器的方法，所述热交换器(23)包括冷却剂壳体(14)，其特征在于，该方法包括如下步骤：
将全部可钎焊部件装配成一个单元；
通过在钎焊炉中加热所述单元，从而对该单元进行钎焊；以及
将至少一个侧壁(24，25)钎焊到所述单元上，以封闭所述冷却剂壳体(14)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在进行钎焊时，所述单元通过固定框架结合在一起。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，在进行钎焊时，所述单元通过所述可钎焊部件中的一些部件上的凸缘(4，5，19，20)的紧密配合而结合在一起。 
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