CN101960246A - 复合式热交换器端部结构 - Google Patents

Abstract

一种热交换器，其具有设置在壳体内的管束，其中弹性端部结构至少部分横跨热交换腔室地以受压缩的、形成插塞的关系设置。该弹性端部结构包括在壳体的内壁与管束的周界之间延伸的一个或多个边界节段。边界节段包括具有不同压缩特性的材料的组合，以对边界节段提供增强的支承。

Description

复合式热交换器端部结构

技术领域

本专利的公开内容总体上涉及热交换器，并且更具体地涉及这样的热交换器——其结合有密封地封闭热交换器的弹性端部结构，所述热交换器适于沿管束长度方向提供反向流动的过渡区。

背景技术

热交换器可用于各种应用并且可包括多种不同的形式。仅举例来说，用于内燃发动机的油冷却器通常采取细长壳体的形式，该壳体包绕由基本离散的热交换器管组成的管束。管通常以大致六边形的图案堆设，使得每个管被多达六个其他管包绕。当然，也可利用其他图案。管束穿过导热翅片和/或导流挡板安装，并且可由设置在壳体内的挡板和导热翅片支承，以在通向壳体的进口与出口之间形成蜿蜒流路。

授权日为2007年7月17日、授予Amstutz等人的美国专利7,243,711中示出和描述了示例性现有技术的热交换装置。此参考文献中披露的热交换器的实施例具有适于提供高效冷却的结构。特别地，此参考文献披露了具有壳体的热交换器，该壳体限定一管束定位在其内的热交换腔室。管束由设置在限定图案中的多个管组成。所公开的实施例利用挡板设置来支承管束。管束、挡板和壳体限定一位于进口与出口之间的蜿蜒流路。该蜿蜒流路包括多个大致垂直于所述管的节段。这些节段通过流动方向改变窗分隔开。在流动方向改变窗处，管束与壳体隔开一相对较大的间距。在离开流动方向改变窗的位置处，管束与壳体隔开一小得多的间距。壳体的端部通过常规的技术——比如一包绕管束的管并延伸至壳体的弹性材料端部结构——塞住。这种设置适于密封热交换腔室以防在经受内部操作压力时泄漏。但是，随着内部压力和/或间距的增加，密封可能变得更加困难。因此，希望这样一种结构：其在管束与壳体之间的区域内为端部结构提供支承、同时保持良好的密封关系。

发明内容

在一方面，本公开内容描述了一种热交换器。该热交换器包括壳体，该壳体具有限定热交换腔室的一部分的内壁。包括多个管的管束设置在壳体内。至少一个弹性端部结构相对于形成管束的管的至少一部分成横交关系地、至少部分横跨热交换腔室地以压缩的、形成插塞的关系设置。该热交换器利用包括多个流动方向改变窗的蜿蜒流路。在流动方向改变窗处，管束的周界与内壁隔开一窗距。该弹性端部结构包括至少一个边界节段，该边界节段在内壁与管束的周界之间延伸。该边界节段包括至少第一区域，第一区域由特征在于第一弹性压缩模量的第一材料形成。该边界节段还包括至少第二区域，第二区域由特征在于第二弹性压缩模量的第二材料形成。第二弹性压缩模量大于所述第一弹性压缩模量。

在另一方面，本公开内容描述了一种组装热交换器的方法。该方法包括提供壳体，该壳体具有限定热交换腔室的一部分的内壁。该方法进一步包括提供包括多个管的管束、并将该管束设置在壳体内。使用至少一个弹性端部结构密封壳体，该弹性端部结构相对于管的至少一部分成横交关系地、至少部分横跨热交换腔室地以压缩的、形成插塞的关系设置。该端部结构包括设置在内壁与管束之间的至少一个边界节段。该边界节段包括具有弹性特性的至少第一材料和至少第二材料的组合，第一材料的特征在于第一弹性压缩模量，第二材料的特征在于第二弹性压缩模量。第二弹性压缩模量大于所述第一弹性压缩模量。

在另一方面，提供一种封装单元。该封装单元包括具有开口的结构。密封部件设置在该开口内。密封部件包括一内侧部分和至少一个边界节段。该边界节段包括具有弹性特性的至少第一材料和至少第二材料的组合，第一材料的特征在于第一弹性压缩模量，第二材料的特征在于第二弹性压缩模量。第二弹性压缩模量大于所述第一弹性压缩模量。

附图说明

图1是示出结合有与本公开内容一致的多区域弹性端部结构的示例性热交换器的示意图；

图2是示出图1的热交换器内的热交换腔室的剖视示意图；

图3是大致沿图2的线3-3截取的示意图，示出图1的热交换器的多区域端部结构；

图4是与图3类似的示意图，示出另一个多区域端部结构构造；以及

图5是与图3类似的示意图，示出另一个多区域端部结构构造。

具体实施方式

本公开内容涉及一种热交换器，其具有设置在带弹性端部结构的壳体内的管束，该弹性端部结构至少部分地跨越热交换腔室，以受压缩的、形成插塞的关系设置。该弹性端部结构包括在壳体的内壁与管束的周界之间延伸的一个或多个边界节段。边界节段包括多种材料的组合，所述材料具有不同的压缩特性、对边界节段提供增强的支承。

现将参考附图，其中在各个图中类似的参考标号表示类似的元件。图1示出示例性热交换器12，比如油冷却器等。在这方面，应该理解的是，尽管热交换器12示出为诸如可用在内燃发动机上的油冷却器的形式，但热交换器12决不限于这种构造或用途。相反地，与本公开内容一致的示例性热交换器12可采取多种形式并且可适于为用户所希望的许多应用。

在该示例性构造中，热交换器12包括带进口16和出口18的结构或壳体14。壳体14可利用公知材料以任何合适的方式制成。仅举例来说，一种合适的构造材料可以是机加工达到最终形式的铸铝。壳体14包括用于待冷却的油或其他流体的进口16和出口18。由多个管21形成的管束20(图2)安装在由壳体14限定的热交换腔室内。管21由铜或其他合适的导热材料形成并以本领域的技术人员众所周知的方式携带冷却流体。在操作中，热油或其他流体在进口16处进入热交换器12。流体然后沿着管束20移动并在出口18以较低的温度离开。

如图2中最好地示出，在示例性构造中，挡板23设置在沿壳体14长度的各位置处。挡板23包绕部分的管束20。挡板23与壳体14的内部截面大致一致并且部分但不完全地跨越由壳体14限定的腔室延伸。挡板23、管束20和壳体14因此限定一始于进口16且止于出口18的蜿蜒流路25。蜿蜒流路25包括大致垂直于管21延伸的节段。这些节段由流动方向改变窗30分隔。因此，壳体限定一管束20定位于其内的热交换腔室24。

结合参考图2和图3，壳体14包括沿其腔室长度43(图2)基本上一致的内壁22。内壁22的形状尺寸设计成以可滑动方式接纳管束20和挡板23。因此，示例性热交换腔室24可被视为具有腔室长度43，带有具有腔室宽度40和腔室高度42的一致横截面。管束20包括一周边管组26，其限定出与壳体14的内壁22分隔开的管束周界，在流动方向改变窗30处的分隔距离为窗距28、而在离开流动方向改变窗30处的分隔距离为间距27。窗距28一般大于间距27。间距27可与管束20内的管26之间的间距大致相同，尽管也可使用更大或更小的间距。在这方面，应该理解的是，间距27无需一致，并且该周边管组26的至少一些部件可接触内壁22。窗距设计成使得在流动方向改变窗20处蜿蜒流路25的截面可方便流动而没有不适当的限制，从而减小在操作期间热交换器12两侧的压降。如可以理解的那样，尽管示例性热交换器12和热交换腔室24示为具有大致六边形的截面，但同样可使用任何数量的其他构造。仅举例来说，这些其他构造可包括其他多边形形状、圆形形状、卵形形状等。

如所示的，热交换器12结合有具有压缩性能的示例性端部结构50以密封热交换腔室24。端部结构50横跨壳体14的内部，以受压缩的、形成插塞的关系设置。示例性端部结构50包括位于端部结构50的内部52处、与管21成包绕关系地设置的弹性材料基体。弹性材料基体包括位于该周边管组26内侧的部分。仅举例来说，且并非加以限制地，形成基体的弹性材料可包括弹性体，比如氯丁二烯、有机硅、EPDM(三元乙丙橡胶)、FKM(氟橡胶)、聚氨酯、HNBR(氢化丁腈橡胶)等。所示的示例性端部结构50还包括设置在管束20与壳体14的内壁22之间的一对边界节段56。如所示的，边界节段56与流动方向改变窗30的横截面尺寸基本上轴向对齐，以使得边界节段56的尺寸和形状与流动方向改变窗30的截面构造大致对应。但是，如果需要，同样可使用其他几何形状。在这方面应该理解的是，尽管所示的端部结构50包括一对边界节段56，但同样可以预期，端部结构50可包括设置在管束20周围不同位置处的不同形状和尺寸的任何数量的边界节段。

不论边界节段56的位置或形状如何，都可预期这些边界节段56中的一个或多个将是复合结构，所述复合结构包括特征在于其刚度大小不同的区域。特别地，边界节段56中的至少一个包括一个或多个模量减小的区域60，其由特征在于第一弹性压缩模量的材料如弹性体等形成。边界区段56还包括一个或多个模量增加的区域62，其由特征在于第二弹性压缩模量——该第二弹性压缩模量大于形成模量减小区域60的材料的模量——的材料形成。如本领域的技术人员应该理解的那样，压缩模量更高的材料更刚硬且在压缩加载条件下对弹性变形提供更大的阻力。因此，在相当的压缩水平时，模量减小区域60比模量增加区域62更容易实现较大的弹性变形。模量增加区域62可以是基本上不可压缩的或者相对于模量减小区域60而言具有有限的可压缩性。模量减小区域60和模量增加区域62可在边界节段56中的各位置处设置成大致彼此相邻的关系。

仅举例来说，在图3所示的设置中，模量减小区域60可由弹性材料形成。模量增加区域62可采取插入或模制在边界节段56中的开口内的插塞的形式，以使得模量减小区域60占据插塞之间的空隙以便基本上包绕插塞。模量减小区域60延伸至内壁22，从而在端部结构50与壳体14之间形成密封关系。在所示设置中，插塞设置成与管束20中的管21的图案大致对应的图案。但是，同样可利用任何数量的其他设置。根据一个构思，模量减小区域60可由与在内部52处包绕管21的基体材料相同的弹性体形成。但是，如果需要，同样可使用其他弹性材料。还可预期的是，如果需要，模量减小区域60可包括两种或更多种弹性体。插塞可由相对于模量减小区域60压缩模量增加的任何合适的材料形成。仅举例来说，合适的插塞材料可包括钢或其他金属、刚度增大的弹性体、木材、塑料、陶瓷等。插塞通过施加在端部结构50上的足够大的压缩力而被保持于适当位置，尽管如果需要也可使用粘合剂粘接和/或模制来保持稳定性。

还可预期的是，可利用任何数量的其他设置来提供热交换器端部结构边界节段中的可充分压缩的区域和压缩减少的区域的结合。仅举例来说，图4示出用于在壳体114内部中保持压缩关系的端部结构150的构造。应该理解的是，图4中与前面已标号的元件相对应的元件通过相似的参考标号表示，这些参考标号落在一100系列内。在图4所示的设置中，模量增加区域162的形式为定位在边界节段156中的插件。模量减小区域160占据与插件相邻的区域并且可基本上包绕插件。在所示设置中，插件的形状大致是梯形。但是，同样可利用任何数量的其他设置。此外，虽然示出的设置利用单个插件来形成模量增加区域162，但可预期的是，如果需要，可在边界节段156中使用多个插件。如所示的，模量减小区域160延伸至内壁122，从而在端部结构150与壳体114之间形成密封关系。模量减小区域160可由与包绕管121的基体相同的弹性体形成，尽管如果需要也可使用不同的弹性体。还可预期的是，如果需要，模量减小区域160可包括两种或更多种弹性体。插件可由相对于模量减小区域160压缩模量增大的任何合适材料形成。仅举例来说，这种材料可包括刚度增加的弹性体、金属、木材、塑料、陶瓷等。插件通过施加在端部结构150上的足够大的压缩力而被保持在适当位置，尽管如果需要也可使用粘合剂粘接和/或模制来保持稳定性。

图5示出了用于在壳体214内部以受压缩的关系保持的端部结构250的构造。应该理解的是，图5中与前面已标号的元件相对应的元件通过相似的参考标号表示，这些参考标号落在一200系列内。在图5所示的设置中，模量增加区域262通过在边界节段256中限定部位处的选择性的化学蚀变或添加而形成。模量减小区域260占据与模量增加区域262相邻的区域，并可基本上包绕模量增加区域262。在所示设置中，模量增加区域262大致是椭圆形的。但是，同样可利用任何数量的其他设置。模量减小区域260可延伸至内壁222，从而在端部结构250与壳体214之间形成密封关系。但是，如果需要，模量增加区域262也可接触内壁222以形成密封界面的一部分。模量减小区域260可由与包绕管221的基体相同的弹性体形成，尽管如果需要也可使用不同的弹性体。还可预期的是，模量减小区域260可包括两种或更多种弹性体。仅举例而言，根据一个实践，模量增加区域262可通过选择性地局部引入各种填料或其他添加剂、和/或通过在边界节段256中的局部位置处将交联剂或其他硬化剂引如到基础弹性体复合物中而形成。这些作用剂增加了局部刚度，从而增加了局部弹性压缩模量。

已发现在弹性端部结构边界区段中的各位置处设置模量增加区域有助于边界节段的支承。这种增加的支承有助于延长管束与壳体之间的距离和/或增加热交换腔室内的压力。在不受具体理论限制的情况下，可推理在边界节段中的各位置处设置模量增加区域有利于提高端部结构中的应力的均匀分布。由包绕壳体施加的压缩力因此导引通过端部结构，从而避免了低压缩区域、并因此给整个结构提供了改善的稳定性。

还可预期的是，与本公开内容一致的多区域密封元件可适用于不同于热交换器的环境。在这方面，这些装置可适用于任何数量的加压或未加压的封装单元中的密封结构。仅举例而言，这些封装单元可包括需要跨越结构开口的良好密封关系的各种储罐、化学反应器皿等。

工业实用性

从前面的说明，将容易地理解与本公开内容一致的热交换器或其他单元的工业实用性。在这方面，涉及热交换器的本公开内容实质上适用于任何以下热交换环境：其利用壳体内的管束并结合有弹性密封部件，其中密封部件的节段从管束的周界向外侧延伸。与本公开内容一致的热交换器可用来冷却流体，如水、油、空气等。这些热交换器可特别适用于其中利用穿过热交换器的蜿蜒流路进行热传递的环境。

在实践中，与本公开内容一致的热交换器可用于诸如工业设备、公路车辆等的环境中，其中空间受限并需要充分的冷却效率。在这些环境下，使用穿过壳体——该壳体结合有较大的流动方向改变窗——的蜿蜒流路可提供提高的冷却效率。弹性端部结构可用来有效地密封热交换腔室以防泄漏。在弹性端部结构的边界节段内结合和/或散布具有较高弹性压缩模量的材料，这提供了提高的稳定性，同时保持弹性端部结构与壳体之间的压缩周界密封关系。

除了在热交换器内使用以外，与本公开内容一致的密封元件实际上可在任何需要跨越大开口的可靠密封的结构中具有工业实用性。这可包括在任何其中需要可靠密封的储存或反应结构中使用。

Claims (10)

1.一种热交换器(12，112，212)，包括：

壳体(14，114，214)，其具有限定热交换腔室(24)的一部分的内壁(22，122，222)；

管束(20)，其包括多个设置在所述壳体(14，114，214)内的管(21，121，221)；

至少一个弹性端部结构(50，150，250)，其相对于所述多个管(21，121，221)的至少一部分成横交关系地、至少部分横跨所述热交换腔室(24)地以压缩关系设置；

所述至少一个弹性端部结构(50，150，250)包括至少一个设置在所述内壁(22，122，222)与所述管束(20)之间的边界节段(56，156，256)，所述至少一个边界节段(56，156，256)包括具有弹性特性的至少第一材料和至少第二材料的组合，所述具有弹性特性的第一材料的特征在于第一弹性压缩模量，所述第二材料的特征在于第二弹性压缩模量，所述第二弹性压缩模量大于所述第一弹性压缩模量。

2.如权利要求1所述的热交换器(12，112，212)，其中，所述具有弹性特性的第一材料是选自包括氯丁二烯、有机硅、EPDM、FKM、聚氨酯和HNBR的组的弹性体。

3.如权利要求1或2所述的热交换器(12，112，212)，其中，所述第二材料选自包括金属、弹性体、木材、塑料和陶瓷的组。

4.如权利要求1至3中任一项所述的热交换器(12，112，212)，其中，所述第二材料限定多个横跨所述至少一个边界节段(56，156，256)、与所述具有弹性特性的第一材料成图案关系地设置的模量增加区域(62，162，262)。

5.如权利要求4所述的热交换器(12)，其中，所述多个模量增加区域(62)包括多个插塞元件，并且其中所述具有弹性特性的第一材料至少部分地包绕所述插塞元件中的一个或多个。

6.如权利要求5所述的热交换器(12)，其中，所述插塞元件中的至少一个由选自包括金属、弹性体、木材、塑料和陶瓷的组的材料形成。

7.如权利要求6所述的热交换器(12)，其中，所述插塞元件中的至少一个由钢形成。

8.如权利要求1所述的热交换器(112)，其中，所述第二材料限定多个横跨所述至少一个边界节段(156)、与所述具有弹性特性的第一材料成图案关系地设置的模量增加区域(162)，所述多个模量增加区域(162)包括多个插件，所述具有弹性特性的第一材料至少部分地包绕所述插件中的一个或多个。

9.如权利要求8所述的热交换器(112)，其中，所述楔形插件中的至少一个由选自包括金属、弹性体、木材、塑料和陶瓷的组的材料形成。

10.如权利要求1所述的热交换器(212)，其中，所述第二材料限定多个横跨所述至少一个边界节段(262)、与所述具有弹性特性的第一材料成图案关系地设置的模量增加区域(262)，所述多个模量增加区域(262)包括具有弹性特性的第一材料的多个选择性地硬化的局部区域，所述选择性地硬化的局部区域相对于相邻的具有弹性特性的第一材料的区域具有提高的硬度。

Images