CN103221773A - 热交换器组件和方法 - Google Patents

Abstract

描述和示出了一种热交换器组件及其维修方法，在一些实施例中，热交换器组件包括以端到端方式安装的一对核单元，以及位于该对核单元之间的流体池。每个核单元包括在核堆叠方向中彼此平行且间隔开的多个空气翅片，并且包括位于所述多个空气翅片之间并且与相邻的空气翅片相连结的多个平行设置的流体运送管。流体池包括密封地附着到一个核单元的顶盖板的第一末端和密封地附着到另一个核单元的顶盖板的第二末端。流体池可以被压接到相邻的核单元，并且可以完全位于所述核堆叠方向中的至少一个核单元的最外边界以内。

Description

热交换器组件和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年11月19日提交的、美国临时专利申请No.61/415,588的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

各种类型的热交换器已普遍用于将第一较热流体的热能传递到第二较冷流体。作为本领域众所周知的例子，通过使用液体冷却剂环路从引擎中移除废热，并且将废热传递到热交换器（即，散热器）中较低温度的空气流中，使得汽车或卡车中的内燃机在期望的温度中保持运转。这种散热器通常包括用于运送冷却剂经过该散热器的多个流体管道，其中环境空气位于所述管道的外表面之上，从而以对流的方式将热量从这些流体管道的外表面传递出去。

很清楚地是，为了维持所期望的引擎温度（有时也称为热负荷），散热器所需的热交换的速率随引擎的功率输出增加呈比例地增加。因此，大型的功率密集型机器（诸如，农业设备、建筑设备、采矿设备）需要大的散热器，以针对这些热负荷提供合适的排热表面面积。生产如此大尺寸的散热器可能是成问题的。

用于汽车和卡车的紧凑和高效的散热器通常以节约成本的方式制造，通过在炉内钎焊操作中冶金接合散热器的至少某些部分。但是，随着散热器尺寸的增加，可能达到了炉子的外形极限，那么可能不可避免地将要使用不太节约成本和/或生产出不太紧凑和低效的热交换器的其它构造方法。作为例子，在一些大型设备中，通过使用被插入环状密封件的大量的独立的翅片式热交换管来构造散热器。

发明内容

根据本发明某些实施例，一种热交换器组件包括以端到端方式安装的核单元对，以及位于所述核单元之间的流体池。每个核单元包括在核堆叠方向中彼此平行且间隔开的多个空气翅片。每个核单元还包括位于所述多个空气翅片中的相邻空气翅片之间并且与所述多个空气翅片中的相邻空气翅片相连接的多个平行设置的流体运送管。间隔开的第一顶盖板和第二顶盖板分别密封地容纳所述流体运送管的第一末端和第二末端。第一侧板和第二侧板与所述多个空气翅片中的最外侧的空气翅片相邻，以限定在核堆叠方向中的核单元的最外边界。所述流体池包括第一末端和与该第一末端相对的第二末端，所述第一末端密封地附着到所述核单元对中的一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的一个顶盖板，所述第二末端密封地附着到所述核单元对中的另一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的一个顶盖板。所述流体池完全位于所述核堆叠方向中的所述核单元对中的至少一个核单元的最外边界以内。

在一些实施例中，所述流体池通过压接连接密封地附着到所述核单元对中的至少一个核单元。在一些实施例中，还包括位于所述流体池与至少一个核单元的顶盖板之间的垫圈。

根据本发明某些实施例的热交换器组件还包括入口池和出口池中的至少一个池，其密封地附着到所述核单元对中的一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的另一个顶盖板。

在一些实施例中，所述热交换器组件包括在至少一个核单元的所述核堆叠方向中与所述第一核单元对相邻的第二核单元对。某些这样的实施例包括用于支撑所述第一核单元对和第二核单元对的结构框架。在一些实施例中，所述中央池和第一核单元对的流体运送管一起限定出第一流体流动路径，并且所述中央池和所述第二核单元对中的流体运送管一起限定出第二流体流动路径。所述第一流体流动路径和第二流体流动路径相对于穿过其间的流体为彼此平行设置。

根据本发明的某些实施例，热交换器包括第一核单元和第二核单元。每个核单元具有在经过该核单元的方向中延伸的一组基本平行的管。每个管具有彼此相对的第一末端和第二末端。顶盖连接到该组基本平行的管的第一末端以形成液密密封。池位于所述第一核单元与所述第二核单元之间，所述池具有相对的末端。所述第一核单元和第二核单元中的每个核单元的顶盖以液密连接的方式与所述相对的末端中的各个末端压接。所述池具有与所述第一核单元和第二核单元的多个基本平行的管的内部空间流体连通的至少一个内部空间。

根据本发明的另一实施例，一种维修热交换器的方法包括断开第一核单元对与第二核单元对的连接，所述第一核单元对和第二核单元对由共同的框架支撑。所述方法可以包括通过断开第一核单元对与第二核单元对的连接而终止在所述第一核单元对的多个管与所述第二核单元对的多个管之间的流体连通。所述方法还可以包括从所述框架中移除所述第一核单元对，同时保持所述第二核单元对在所述框架中的位置。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的热交换器组件的立体图。

图2是图1的热交换器组件所选部分的部分立体图。

图3是图1的III-III部分的部分立体细节图。

图4是沿图3的IV-IV线的部分截面图。

图5是用于图1的热交换器组件的池的立体图。

图6是根据本发明另一实施例的热交换器组件的立体图。

具体实施方式

在详细描述本发明的任何实施例之前，应该理解，本发明的应用不限于以下说明书阐述的或附图中示出的组件的构造和布置的细节。本发明还可以具有其它实施例，还可以以各种方式实现或实施本发明。同时，还应该理解，本文中所用的措辞和术语是用于描述的目的而不应被认为是限制性的。本文中“包含”、“包括”、“具有”及其变形的使用旨在包括其后列出的项目及其等同物、以及其它项目。除非另有规定或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”、“接合”及其变形含义宽泛且包括直接的和间接的安装、连接、支撑、接合。此外，“连接”和“接合”不限于物理的或机械的连接或接合。

图1示出了根据本发明一个实施例的热交换器组件1，并且该组件1包括以端到端的方式布置的第一核单元和第二核单元2。虽然图1的示意性实施例示出了两个这样的核单元，但是应该理解，热交换器组件1还可以包括额外的这样的核单元。额外的核单元2可以类似地彼此以端到端的方式进行安装，或者它们可以与图1示出的第一热交换核单元和第二热交换核单元2中的一者或两者进行端到端的安装。

每个核单元2包括管和翅片阵列3（更详细地示于图2中）、第一顶盖板和第二顶盖板5、第一侧板和第二侧板6。所述管和翅片阵列3包括多个空气翅片10和多个流体运送管11。所述空气翅片10彼此平行地安装，并且在核堆叠方向（由双端箭头A指示）中彼此间隔开，使得管11可以位于所述空气翅片10中相邻的空气翅片10之间以形成管和空气翅片交织的阵列。为了在热交换器组件1的操作期间对流经管11的流体与穿过空气翅片10的表面上的空气气流之间的热量传递产生较小的阻力，所述空气翅片10和管11可以在其接触位置彼此连结。可以通过钎焊、焊接、锡焊、胶粘、或热交换器领域已知的其它方法来实现这种连结。

所述空气翅片10或管11或其两者都可以由金属材料构成，包括但不限于铝、铜、钢等。可替换地，所述空气翅片10或管11或其两者都可以由非金属材料构成，例如，塑料。尽管在示意性实施例中未示出，但是在一些实施例中，所述流体运送管11可以包括内部带状物、插入件或其它特征体，以增加湍流并且由此增强热交换，以满足热交换器组件1的预期应用的特定需要。

图2示出的空气翅片10是蜿蜒形的，但是应该理解，还可以类似地使用现有技术中已知的其它类型的空气翅片。例如，在一些实施例中，空气翅片10可以具有方波形。在又一实施例中，空气翅片10可以是板翅片。所述空气翅片可以包括湍流特征体，包括但不限于百叶片、凸块、细缝、喷枪、弯管、或其组合。

每个热交换核2的第一顶盖板和第二顶盖板5在所述核单元2的管11的管轴线方向中彼此间隔开。每个顶盖板5包括沿堆叠方向A布置的多个管槽12（图4），所述多个管槽12与所述多个管11一一对应。每个管11的第一末端延伸到第一顶盖板5中的管槽12中的一个对应的管槽并且被该对应的管槽密封地容纳，每个管11的第二末端延伸到第二顶盖板5的管槽12中的一个对应的管槽并且被该对应的管槽密封地容纳。顶盖板5和管11的所述末端之间的密封可以通过钎焊、焊接、胶粘、或热交换器领域已知的其它连接和密封方式来实现。在一些实施例中，顶盖板5可以是冲压的金属零件。在其它实施例中，顶盖板5可以是注塑成型的塑料零件。在另外的实施例中，顶盖板5可以由其它材料构造，或可以由其它方法构造，或可以由其它材料和其它方法来构造。

每个核单元2的第一侧板和第二侧板6被设置成与该核单元2的空气翅片10的最外侧空气翅片相邻，以在核堆叠方向A中界定所述管和翅片阵列3。换句话说，核单元2的第一侧板和第二侧板6可以限定出核单元2在核堆叠方向A中的最外侧边界。侧板6可以在连接所述管和翅片阵列3时被用于在核堆叠方向A上施加压力负荷，以确保维持空气翅片10与管11中相邻的空气翅片和管之间的接触。在一些实施例中，侧板6被连接到最外侧的空气翅片10是有利的。仅举例说明，在一些实施例中，空气翅片10、流体运送管11、顶盖板5、侧板6可以都由铝或铝合金构成，并且可以在一个或多个钎焊操作中被结合在一起以形成核单元2。

图1的实施例还包括在热交换器组件1的相对末端处连接到顶盖板5的第一流体池7和第二流体池7。这些池7可以被用作用于流体流经热交换器组件1的流体运送管11的入口池和出口池。在热交换器组件1的操作期间，流体可以经由位于所述池7中的一个池上的端口8被该池7所接收，并且所述流体可以被分布到核单元2的流体运送管11，其中核单元2包括被连接到该池7的顶盖板5。在流经至少两个核单元2的管11之后，流体可以被接收到另一个池7，并且可以经由位于该另一个池7上的端口8被从热交换器组件1中移除。

为了防止操作期间出现不期望的流体从热交换器组件中泄露，可以在池7和对应的顶盖板5之间设置液密密封。在图3和图4的示意性实施例中，通过使用垫圈13来实现这样的密封，垫圈13沿着对应的顶盖板5的整个外周边延伸，并且被挤压于顶盖板5与对应的池7之间。通过沿顶盖板5的外周围布置的扣环14来维持压力负荷，使扣环14变形，以与沿池7的外周围的法兰16相接合。在将池7装配到顶盖板5的期间，可以向所述池和顶盖板施加负荷以挤压垫圈13，并且可以使扣环14变形以维持压力负荷。图3示出了在被如此变形之前，沿着顶盖板5的周围的多个这样的扣环14，而图4示出了在之后的变形情况下的一个扣环14。具有该特征的连接方式通常在本领域中被称为压接连接。当池7是由不借助于诸如焊接、锡焊、钎焊等传统冶金连接方法的材料构成（例如，当池7由塑料构成）时，这样的连接方式可以是特别期望的。另外，其它的连接方法对于许多应用可能是不适用的。仅举例而言，在许多情况下，使用螺栓、螺钉、或其它螺纹扣件是不现实的，这样的情况包括但不限于：当无法接近这些紧固件时，当局部的紧固点不适合于零件之间充分的或可靠的挤压连接时，当空间和组装上的局限使得使用紧固件和紧固件孔变得不可能时，和/或当使用挤压连接和压接连接方式能够使热交换器生产和组装费用更低时。

热交换器组件1还包括位于第一核单元和第二核单元2之间的中间流体池4。在图5中详细示出了这样的中间池4的一个实施例。该中间池4具有位于该池4的第一末端处的第一开口面15以及位于该池4的与第一末端相对的第二末端处的第二开口面15。在操作期间，流体能够从位于中间池4的上游（相对于流体流动方向）的核单元2经由第一开口面15流到该中间池4中，并且所述流体能够流出该中间池4并经由第二开口面15流入位于该中间池4的下游（相对于流体流动方向）的核单元2中。

中间池4内可以包含肋条17。这些肋条17可以用于通过作用于池壁上的流体压力所施加的负荷来加强中间池4，并且还可以对热交换器组件1提供结构支撑（例如，对易于相对于一个核单元2而旋转或倾斜另一核单元2的抵抗力）。额外地或可替换地，可以使用肋条17来防止中间池4中流体的至少部分的重新混合。图5中示出的肋条17被安装为使得一个肋条17位于每对相邻的管11之间。在本发明的其它实施例中，可以使用更少的肋条17，并且在一些实施例中可以完全不使用肋条17。

示意性实施例中的示意性中间池4包括分别沿着两个开口面15中的每个面延伸的第一法兰和第二法兰16，类似于图4中池7的法兰16。可以使用中间池4的至少一个法兰16，结合垫圈13，以通过之前参考图4所述的形成压接连接，在所述中间池4与沿相邻的开口面15布置的顶盖板5之间形成液密密封。此外，当中间池4是由塑料构成时，这样的连接方式可以是特别令人期望的，并且还发现这样的连接方式可特别用在其它接合方法不可用或不合适的多种应用中。

在中间池4与核单元2的这种接合中，中间池4位于之前所述的核堆叠方向的核单元2的最外边界以内是有利的。通过如此安置中间池4，可以在核堆叠方向A中将多个热交换器组件1设置成彼此紧邻。同样，利用所述中间池4和所述相邻的核单元2之间的压接连接（如上所述）实现了免维护的挤压连接，该连接不需要螺钉、螺栓、或其它单独的紧固件，在一个实施例中，同时还在核单元2之间提供强健且稳定的连接。

在根据本发明的热交换器组件的另一可选的实施例101中（如图6所示），在核堆叠方向A中彼此紧邻地布置多对核单元2。每对核单元2包括之前所述的被接合到核单元2的中间池（诸如图5的中间池4），以及被接合到该对核单元2的相对的末端的入口池和出口池（诸如图1的实施例示出的池7）。包括第一末端通道和第二末端通道102与第一侧通道和第二侧通道103的结构框架107被用于固定热交换器组件101中的多个核单元2的核单元对。

示出的结构框架107包括横跨于所述侧通道103之间的中央横条104，以加强热交换器组件101。另外，参考示出的实施例，举例而言，紧固件106用于将中央横条104固定到侧横条103，以及将中间池固定到中央横条104，并且将入口池和出口池固定到末端通道102。在图6的示意性实施例中使用的紧固件106是螺纹螺栓，但是应该理解，诸如螺钉、铆钉等各种紧固件都是同样可行的。位于中间池4和入口池及出口池中的安装孔9（在图1和图5中示出）被用于容纳紧固件106。在一些实施例中，紧固件106延伸完全穿过安装孔9且被固定到热交换器组件1的相对面；而在其它实施例中，紧固件106被直接固定到安装孔9。结构框架107可以可选地包括交叉杆105，以进一步加强热交换器组件101。

通过利用上述的热交换器组件1、101（如上所述，具有经由一个或多个中间池4以端到端方式接合的至少两个核单元2），总体的热交换器组件1、101实质上可以是模块化的。具体地，在一些实施例中，用户可以部分地对该系统进行分解，以按照需求移除、维护、修理、和/或替换所述核单元对2中的一个或多个核以及中间池4。在一些实施例中，可以实施这些操作而不需要分解或移除系统中的其它核单元2。

继续参考图6的热交换器组件101，流体池或中央池以及第一核单元对2中的流体运送管可以一起至少部分地限定出第一流体流动路径，中央池以及第二核单元2对中的流体运送管可以一起至少部分地限定出第二流体流动路径。类似地，中央池以及第三核单元2对中的流体运送管可以一起至少部分地限定出第三流体流动路径。可以将至少两个核单元对2的入口池安装在一起，使得它们各自的流体流动路径彼此平行。在一些实施例中，所述流体流动路径中的至少一个与所述流体流动路径中的至少另一个相串联。

如上所述的热交换器组件可以用作诸如建筑设备、农业设备、采矿设备等大型机器中所使用的引擎冷却剂散热器。在一些实施例中，这样的散热器用于将来自流经核单元的管的冷却剂流中的热量散热至位于空气翅片和管的外表面之上的空气流中。但是，应该理解，根据本发明的热交换器组件也可以用于其它应用中。

使用上述的热交换器组件可以实现多个优点。作为一个例子，使用高效的钎焊管和翅片核构造可以获得具有比能够为现有的钎焊炉所容纳的热交换器组件更大表面积的热交换器组件。热交换器组件可以由此由多个紧凑的核单元构成，所述核单元以最小的空气阻塞或旁路紧凑地组装在一起。作为另一个例子，当被损坏时，热交换器组件的独立的核部分可以被替换而不需要替换整个热交换器组件，因此减小了修理和更换的成本。

本文中，参考本发明的具体实施方式描述了对本发明的某些特征和构件的各种替换方案。除了与上述每个实施例互斥的或不一致的特征体、构件、操作方式之外，应该理解，参考某一具体实施例所描述的可替换的特征体、构件、操作方式也适用于其他实施例。

以上所述的实施方式和示出的附图仅用于示例而不用于限制本发明的概念和原理。这样，本领域技术人员应该理解，对构件及其配置和安装进行的不偏离本发明的精神和范围的各种改变都是可行的。

在随附的权利要求书中阐述了本发明的不同特征和优点。

Claims (21)

1.一种热交换器组件，其包括：

流体池；以及

以端到端方式安装的核单元对，所述流体池位于所述核单元对之间且具有与所述核单元对流体连通的内部，所述核单元对中的每个核单元包括：

多个空气翅片，所述空气翅片在核堆叠方向中彼此平行且间隔开，

多个平行的流体运送管，所述流体运送管位于所述多个空气翅片中的相邻空气翅片之间并且与所述多个空气翅片中的相邻空气翅片相连接，

间隔开的第一顶盖板和第二顶盖板，所述第一顶盖板和第二顶盖板分别密封地容纳所述多个平行的流体运送管的第一末端和第二末端；以及

第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和第二侧板与所述多个空气翅片中的最外侧的空气翅片相邻，以限定核堆叠方向中的每个核单元的最外边界；

其中，所述流体池包括第一末端和与该第一末端相对的第二末端，所述第一末端密封地附着到所述核单元对中的一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的一个顶盖板，所述第二末端密封地附着到所述核单元对中的另一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的一个顶盖板，所述流体池完全位于所述核堆叠方向中的所述核单元对中的至少一个核单元的最外边界以内。

2.根据权利要求1所述的热交换器组件，其中，所述流体池通过压接连接密封地附着到所述核单元对中的至少一个核单元。

3.根据权利要求1所述的热交换器组件，其还包括：入口池和出口池中的至少一个池，密封地附着到所述核单元对中的一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的另一个顶盖板。

4.根据权利要求3所述的热交换器，其还包括：入口池和出口池中的另一个池，密封地附着到所述核单元对中的另一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的另一个顶盖板。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其还包括：垫圈，所述垫圈位于所述流体池与所述核单元对中的一个核单元的第一顶盖板和第二顶盖板中的一个顶盖板之间。

6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，每个核单元是钎焊的铝的核单元。

7.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述流体池由塑料制成。

8.根据权利要求1所述的热交换器组件，其中，所述核单元对是第一核单元对，并且所述热交换器组件还包括：在所述核堆叠方向中与所述第一核单元对相邻的第二核单元对。

9.根据权利要求8所述的热交换器，其还包括：用于支撑所述第一核单元对和第二核单元对的结构框架。

10.根据权利要求8所述的热交换器组件，其中，所述流体池是第一流体池，所述热交换器组件还包括：第二流体池，其中所述第一流体池和所述第一核单元对中的多个平行的流体运送管一起至少部分地限定出第一流体流动路径，并且其中，所述第二流体池和所述第二核单元对中的多个平行的流体运送管一起至少部分地限定出第二流体流动路径。

11.根据权利要求10所述的热交换器组件，其中，所述第一流体流动路径和第二流体流动路径相对于穿过其间的流体为彼此平行设置。

12.根据权利要求10所述的热交换器组件，其中，所述第一流体流动路径和第二流体流动路径相对于穿过其间的流体为彼此串联设置。

13.一种热交换器，其包括：

第一核单元和第二核单元，每个核单元具有在贯穿于该核单元的方向中延伸的一组基本平行的管，每个管具有彼此相对的第一末端和第二末端以及顶盖，所述顶盖连接到该组基本平行的管的第一末端且对该组基本平行的管的第一末端形成液密密封；以及

位于所述第一核单元与所述第二核单元之间的池，所述池具有相对的末端，所述第一核单元和第二核单元中的每个核单元的顶盖以液密连接的方式与所述相对的末端中的各个末端压接，所述池具有与所述第一核单元和第二核单元的多个基本平行的管的内部空间流体连通的至少一个内部空间。

14.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述第一核单元和第二核单元的顶盖是变形的，以限定出与所述池的所述相对的末端的压接连接。

15.根据权利要求13所述的热交换器，其还包括：垫圈，所述垫圈被挤压在所述池的每个相对的末端与所述第一核单元和第二核单元的对应顶盖之间。

16.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述第一核单元和第二核单元是第一核单元对，并且所述热交换器还包括：与所述第一核单元对相邻的第二核单元对，其中，所述第一核单元对的一组基本平行的管在与所述第二核单元对的一组基本平行的管基本相同的方向中延伸。

17.根据权利要求16所述的热交换器，其还包括：延伸越过所述第一核单元对中的第一核单元和第二核单元对中的第一核单元的相邻末端且与所述相邻末端相连接的第二池。

18.根据权利要求17所述的热交换器，其中，所述第二池具有使所述第一核单元对中的第一核单元的一组基本平行的管和第二所述核单元对中的第一核单元的一组基本平行的管之间建立流体连通的内部。

19.根据权利要求13所述的热交换器，其还包括：

第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和第二侧板与所述第一核单元和第二核单元中的每个核单元的一组基本平行的管中的最外侧的管相邻。

20.根据权利要求19所述的热交换器，其中，所述池和所述第一核单元和第二核单元均具有相对于所述第一核单元和第二核单元的基本平行的管组横向延伸的宽度，并且其中，所述池的宽度不大于所述第一核单元和第二核单元的宽度。

21.一种维修热交换器的方法，所述方法包括：

断开第一核单元对与第二核单元对的连接，所述第一和第二核单元对由共同的框架支撑，所述第一和第二核单元对中的每对核单元包括：

第一核单元和第二核单元；

一组基本平行的管，该组管沿贯穿于所述第一核单元和第二核单元的方向延伸，每个管具有彼此相对的第一末端和第二末端；

顶盖，所述顶盖连接到该组基本平行的管的第一末端且对该组基本平行的管的第一末端形成液密密封；以及

位于所述第一核单元与所述第二核单元之间的池，所述池具有相对的末端，每个末端以液密连接的方式固定到与所述第一核单元和第二核单元的对应顶盖，所述池具有与多个基本平行的管的内部空间流体连通的至少一个内部空间；

通过断开第一核单元对与第二核单元对的连接而终止在所述第一核单元对的基本平行的管组与所述第二核单元对的基本平行的管组之间的流体连通；以及

从所述框架中移除所述第一核单元对，同时保持所述第二核单元对在所述框架中的位置。

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