CN104395683A - 具有冷却器块的热交换器以及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器，例如一种间接式空气冷却器，其中，所述空气(例如是内燃机的被压缩的填充空气)例如通过直接彼此互连的至少两级中的液体冷却，所述两级形成在冷却器块中，冷却器块设置在壳体内，其中，在所述冷却器块中设置有例如用于液体的流动路径以及例如所述填充空气的流动管道，其中，所述填充空气进入所述壳体并顺序流过至少两级中的流动管道。

Description

具有冷却器块的热交换器以及生产方法
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为DE102012008700.4、申请日为2012年4月27日的德国专利申请的优先权，该德国专利申请的全部内容通过引用合并于此。
背景技术
本发明涉及一种热交换器。
发明内容
本发明涉及一种热交换器，例如一种间接式空气冷却器，其中，所述空气(例如是内燃机的压缩的填充空气)例如通过直接彼此相连的至少两级中的液体冷却，所述两级形成在冷却器块中，该冷却器块设置在壳体内，其中，在所述冷却器块中设置有例如用于液体的流动路径以及例如用于所述填充空气的流动管道，其中所述填充空气进入所述壳体并顺序流过所述至少两级中的流动管道。
安装在机动车辆上的填充空气式冷却器通过一种冷却液体来冷却填充空气，该冷却器通常被称为间接空气冷却器，与直接空气冷却器相反，直接空气冷却器是指，例如填充空气是通过风扇使环境空气传输通过冷却器的方式被冷却。
所使用的冷却液体被冷却空气直接冷却，并接着用于引擎冷却以及其他冷却用途，最近也逐渐用于(间接)填充空气冷却。
填充空气被冷却至较低的温度是通过多级间接冷却结构实现的。GB2 057 564 A提出一种两级填充空气冷却结构，其中一级中的冷却液体从冷却液体回路中被提取，以用来冷却内燃机。对于另一级，使用被进一步冷却的并来自于单独冷却回路的冷却液。在所述引用文献中，为实现两级，提供了两个热交换器，这两个热交换器布置为直接彼此邻近，并且填充空气顺序地流经这两个热交换器。在所述引用文献中，没有提供热交换器结构设计的细节信息。
在EP 2 412 950 A1(附图1至5以及说明书18和19段)中，为实现多级，同样提供了两个热交换器，这两个热交换器一个安装在另一个的后面，并且接着装配形成焊接的集成单元。对于焊接过程，该单元必须借助辅助设备进行固定，这是不利的。该单元具有用于冷却液体的、非常大体积的且连接至管道板的收集罐，这导致所述单元占据了大量的安装空间。该焊接的单元插入壳体内，填充空气流进该壳体，并且所述填充空气在已经流经热交换器的流动管道后流出该壳体。所述引用文献对应于权利要求1的前序部分。
本发明的主要目的是形成一种具有简单结构特征的热交换器，也就是说，具有易于制造的结构特征的热交换器。
根据本发明，所述目的是通过具有权利要求1的特征的热交换器实现的。
根据权利要求21的一种热交换器也实现了所述目的。
根据本发明，用于生产具有冷却器块的热交换器的生产方法具有权利要求22的步骤。
根据本发明，权利要求1中的热交换器的基本特征在于，在至少两级中具有流动路径以及流动管道的冷却器块由板的单个叠层形成。
提供板的单个叠层改进并简化了冷却器块的可生产性，因为冷却器块不需要从多个块组装而成。板的不可分割的形式相应地消除了由块形成单元时的相互连接，并因此至少减少了如现有技术中必须的辅助设备的费用。本发明也提出了一种更加紧凑的热交换器，因为例如不再需要用于液体的大体积的收集罐。
所述板是变形的板，这些板被布置在板对中。所述流动路径形成在板对中。所述流动管道形成在板对之间并且优选地填充有冷却肋片。
所述流动路径是“闭合”的流动路径，这将被理解为意味着形成板对的两个板的边缘被连接并以一种环绕的方式闭合。与之相反的，流动管道是一种“开放”的类型，这将被理解为意味着，例如，空气可以自由地进入冷却器块一侧的流动管道，并在流经管道后从冷却器块的相对侧离开。
在本文的上下文中，应该认为存在板的单个叠层，即使每个板对中仅有一个板为不可分割的形式。第二个板可以是多个部分的(例如两部分)的形式。每个板对中的那个不可分割的板确保了板的叠层的固有连接，因此可类似地达到上述效果，即所述块不需要彼此连接以形成单元。
如果在流动路径中有优选是薄片的紊流器，则是优选的，所述薄片例如在油冷却领域是公知的并通常被称为“切开且偏置的翅片”。所述薄片有一个具有相对高的压力损失的通流方向，以及与该方向垂直的、具有相对低的压力损失的通流方向。
然而，以下情况也是可能的，板的变形部分作为紊流发生器伸入第一级的流动路径，并且“切开且偏置的翅片”形式的薄片仅被设置在第二级的流动路径中。
插入的紊流器也可以完全省去。
如果板的单个叠层由专门的不可分割的变形板形成，则两级或者更多级优选地被至少一个板的变形部分开。因此，第一级的至少一个流动路径以及第二级的流动路径设置在相同的板对中。
在本发明的一个实施例中，填充空气(例如)以近似交叉流的方式流过具有较高温度的液体的级(第一级)，并且(例如)以相对于液体近似逆流的方式流过具有较低温度的级(第二级)。
申请人对本实施例中的热交换器进行的仿真计算已经得出了热交换率相对于现有技术有显著的增加。
一种根据权利要求1所述的热交换器，所述热交换器可被用在更进一步的领域，具有由被放置在板对中的板的叠层构成的冷却器块，所述冷却器块具有流动路径和流动管道，该热交换器的特征在于，在板上至少具有一个选定的外周区域，该区域具有在向上弯曲的板边缘上的伸长结构，在一个板上的所述伸长结构延伸到下一个板对中的板的边缘，由此形成热交换器的基本平滑的边缘。所述伸长结构允许板的叠层更容易地结合在一起，因为所述板通过所述伸长结构彼此集中。
一种热交换器的生产方法，所述热交换器具有由板组成的冷却器块，所述板形成板对，所述板组装形成板的叠层，从而形成流动路径以及流动管道，该方法的特征在于，所述板被设置在至少一个选定的外周区域内，该区域具有在向上弯曲的板边缘上的伸长结构，所述板组装形成叠层的方式使得所述伸长结构在所述外周区域中形成冷却器块的基本平滑的轮廓。
为了避免重复，从属权利要求限定的更进一步的技术特征没有进行描述。此外，接下来的本发明的优选的示例性实施例描述了进一步的技术特征以及效果，并参照附图说明。
附图说明
图1示出了热交换器的侧视图(第一示例性实施例)。
图2示出了图1的俯视图。
图3示出了图2的截面A-A。
图4示出了图1至3的热交换器的另一侧视图。
图5示出了图2的截面B-B。
图6示出了图2的截面D-D。
图7示出了图2的截面C-C。
图8以热交换器的俯视图示出了第二示例性实施例的原理。
图9示出了所使用的薄片的立体图。
图10示出了图1至8的两级热交换器在壳体内的布置。
图11示出了类似于图8的修改的示例性实施例。
具体实施方式
示例性实施例中的热交换器是间接式填充空气冷却器。关于所提出的热交换器的其他使用以及可能的应用在理论上也是可行的。例如，用作废气再循环冷却器或用作填充空气和废气的混合的冷却器是可以想到的。此外，所述热交换器可以不仅仅局限于在机动车辆上使用。
内燃机(未示出)的被压缩的填充空气LL通过彼此直接相连的至少两级A、B中的液体冷却。所述级A、B形成于布置在壳体2中的冷却器块1中。所述冷却器块1具有上盖板12，上盖板12在整个外周上突出超过板30的叠层3以及冷却肋片21，使所述冷却器块1可以通过上盖板12伸出的边缘固定到壳体2的插入开口23的边缘22(图10)。在冷却器1中设置有液体的流动路径10以及填充空气的流动管道20。所述填充空气以图2、8和10中的方框箭头所示的方向进入所述壳体2中，并顺序地流过所述两级A、B中的所述流动管道20。
从图示中可看出，在所述至少两级A、B中具有流动路径10和流动管道20的所述冷却器块1由板30的单个叠层3构成。
也可看出，所述流动路径是“闭合”的流动路径10，这将被理解为意味着形成板对31的两个板30的板边缘被连接并以一种环绕的方式闭合。相比之下，所述流动管道20是一种“开放”的形式，这将被理解为意味着空气可以自由地进入所述冷却器块1的流动管道20的一侧，并从冷却器块1的另一侧离开。
第一级A中的液体的温度比流过第二级B的液体温度高。第一级A中的液体可以从冷却剂回路(未示出)中提取，所述冷却剂回路用于给内燃机(同样未示出)冷却。所述第二级B中的冷却器液体以已知的方式从一个独立的冷却回路中提取。
在最终离开壳体2并且可供内燃机的增压使用之前(图10)，进入壳体2的填充空气首先流过液体温度较高的级A，并接着流过液体温度较低的级B。
所述板30设置在所述叠层3的板对31中(已经提及)。闭合的流动路径10形成在板对31中。开放的流动管道20位于所述板对31之间，所述流动管道优选地由冷却肋片占据。波纹状的冷却肋片21连续不断地延伸经过至少两级A、B并包含在板30的叠层3之间(图3和图7)。
在不那么优选的实施例中，所述冷却肋片21被许多向外的板变形部分(钉)所代替，这些变形部分伸入所述流动管道20中。
在图1至7的示例性实施例中，薄片11设置在两级A、B的闭合流动路径10中。所使用的薄片11可在图9中看出。所述薄片是“切开且偏置的翅片”。对于具有偏置的波浪侧面的波纹状的肋片来说，这是一个国际通用术语，通道13位于所述波浪侧面中。这在例如油冷却领域是已知的。这样的“翅片”允许在横向和纵向方向上的通流或流体的通道，其中出现的压力损失dp由于所述肋片11的设计而有所不同。所述通流或通道也可以受到对通道13的尺寸的适当配置以及通道13之间的间隔的影响。
如图8所示的示例性实施例中，将描述更多细节，其中在第一级A的流动路径10a中不再使用薄片11。替代地，钉33表示仅仅象征性地形成在板30中，所述钉延伸进入流动路径10a并用于在液体中产生紊流。钉33优选地配置于流动路径10的整个长度上，即使这些钉仅仅表示在所述长度的开头和最后三分之一处。所述薄片11设置在第二级B中。
在示例性实施例中，所有的板30形成不可分割的板。板30的这个不可分割的形式形成板30的单个叠层3。
在示出的示例性实施例中，也是每级A、B都只有单个流动路径10的情况。在使用不可分割的板30的情况下，流动路径10的间隔或A、B级的间隔是通过纵向方向延伸的珠状物或者板对31的一个板30的变形结构32实现的(图7)。这样的珠状物32可能形成在每个板对31的两个板30中，所述珠状物显示出流动路径10的一半的高度并且彼此相互连接(未示出)。
每个板对31的其中一个板30也可能是多部分的形式，使得每个流动路径10可以由每个板对31的不可分割的板30的一部分及一单独的板组成，所述单独的板是第二多部分板的一部分。在这里，珠状的纵向延伸的变形部分32将会被舍弃，或者被第二多部分板的板部分的互相邻接的长边缘所替代。这同样没有描绘在示出的示例性实施例中；相反，仅仅在图7中用由一椭圆突出显示的虚线箭头表示，这种情况下长边缘的互相邻接将会出现。叠层3的有利的不可分割的形式在本实施例中保持，其没有更加详细地被示出。
板30具有被轴环围绕的进口和出口开口4、5、6、7。所述板30设置在叠层3中，使得延伸经过叠层3的进口和出口管道40、50、60、70通过所述轴环形成。所述轴环在每种情况下均桥接所述流动管道20，且所述开口在流动方面与所述流动路径10彼此连接。这在图3、5、6的截面图中特别清楚地示出。
板30具有四个这样的带有轴环的开口4、5、6、7。在图8的示例性实施例中，所述四个开口大概设置在板30的四个角上。
在示例性实施例中，所述开口为环形开口4、5、6、7。开口截面的形状或所得到的管道截面的形状不必是环形，也可以根据需要而形成。
在图1至7的示例性实施例中，三个开口4、6、7设置在板30的一个窄侧上，第四开口5设置在相对窄侧的角上。这也就定义了经过级A、B级中的流动路径10a，10b的流动。液体在板纵向方向上以近似直线的路径流过第一级A的流动路径10a。第二级B的流动路径10b中的液体在板的纵向方向上通过至少一个向外的路径以及一个回流路径，也就是近似U形的流动路径。相应地，填充空气以与液体近似呈交叉流动的方式流过第一级A和第二级B。
对于图8的示例性实施例，填充空气LL同样地近似以交叉流动的方式流过第一级A(具有较高温度的液体)，并且填充空气相对于液体以近似逆流的方式流过第二级B(其中液体具有较低的温度)。为了以最简单的可能的方式实现近似逆流方式中的通流，在每种情况下，一个管道8、9设置在第二级B的闭合流动路径10b中，位于薄片11的两个边缘与板30中的流动路径10b的两个边界之间，其中液体基本流进一个管道9，以相对于填充空气近似逆流的方式流过薄片11，并通过另一个8流出。在板上设置流动障碍12，该流动障碍迫使流动以近似逆流的配置方式流过管道8、9以及薄片11。管道8和9具有非常低的流动阻力，这是为了在流体最终在流动障碍12的迫使下以一种相对于填充空气LL近似逆流的配置方式流过薄片11之前很容易地分配到整个长度上。通过上文已经讨论的薄片11的配置方式、流动障碍12的配置方式以及管道8、9的配置方式，可以限定是发生纯粹的逆流还是仅仅发生近似的逆流。
图5中的标注的目的是表示液体的通风或者排气的可能性(如果在一个示例性实施例中，冷却器块1特定侧组成顶侧的话)。
在图11的示例性实施例中(该实施例与图8的示例性实施例相似)，薄片11已被完全省略掉。替代的是，在板的横向方向上延伸的平行的珠状物34已经形成到板30中，特别是形成到用于形成流动路径10b的那些板区域中。这产生了在珠状物34之间的闭合流动路径10b中的流动路线35。这样一个替代的配置方式(然而已经以高度图示的方式示出)允许在闭合流动路径10b中的液体与开放流动管道20中的填充空气LL之间“真正的”逆流。
在涉及第一个示例性实施例的图1至6中，还提供了一个至少有特性的板设计，其特征是板30的至少一个选定的外周区域设有向上弯曲的板边缘301的裙状伸长结构300(图7)。在图中，提供了两个选定的外周区域，在每种情况下，这两个选定的外周区域均包围板30的相对的窄侧(包括邻近的拐角半径)并伸入板30长侧。这里，所有的板30或每种情况下每个板对31中仅有一个板30可以设有这样的伸长结构300。在叠层3中，伸长结构300伸到下一个板对31的板30的边缘并稍微覆盖所述边缘。
在外观方面，这样的实施例与所谓的无壳体板式热交换器的板边缘设计是相似的，其中在后者的情况下，边缘设计在整个外周的周围延伸，并且在此处，所述边缘只在选定的外周区域上延伸。
这样的设计的主要目的是在目前的情况下，通过这种设计可以在焊接的(或焊缝的，或熔接的)热交换器上，在热交换器的冷却器块1的伸长结构300中产生基本直的或者平滑的轮廓K。这样的优点是，位于冷却器块1的边缘(轮廓K)与壳体2的内部之间的动力衰减空气旁路可以更加容易地被抑制甚至完全避免。基本平滑的轮廓K可以从图1和图3至6中看出。还可以看出，在选定的外周区域，流动管道20不是上文描述的开放的流动管道20。特别地，所述流动管道由伸长结构300在外周区域内关闭。
然而，所述实施例也具有相对于完全不同的热交换器应用(例如，那些不需要壳体2以及那些没有热交换器级A、B的应用)的其他优点。例如，板30可以更加容易地装配形成叠层3，因为伸长结构300在叠层3的形成过程中起到定中心的作用。因此，类似地提供一种热交换器，例如一种冷却空气自由流过的水冷式冷却器，这种冷却器布置在机动车辆的前部区域并能够实现前文提到的目标，特别是能够利用简单的手段提供一种容易制造的热交换器。
本发明人提供了一种制造成本低，性能优异且占据安装空间小(也就是非常紧凑)的热交换器，还提供了相应的生产方法。

Claims (22)

1.一种利用液体来冷却填充空气的热交换器，包括：
至少两级(A、B)，所述两级彼此直接相连并形成在冷却器块(1)中，所述冷却器块设置在壳体(2)中，其中所述冷却器块(1)中设置有用于液体的流动路径(10)以及用于所述填充空气的流动管道(20)，其中所述填充空气进入所述壳体(2)并顺序流过所述至少两级(A、B)的流动管道(20)，并且其中在所述至少两级(A、B)中具有所述流动路径(10)和所述流动管道(20)的所述冷却器块(1)由板(30)的单个叠层(3)构成。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述流动路径是封闭的流动路径(10)并且所述流动管道(20)是开放的管道。
3.根据权利要求1和2所述的热交换器，其中所述液体在所述至少两级的其中一级(A)中的温度比在所述至少两级的另一级(B)中的温度高。
4.根据权利要求1、2和3所述的热交换器，其中进入所述壳体(2)的所述填充空气在接下来离开所述壳体(2)之前，优选地首先流过所述至少两级中具有较高温度的液体的一级(A)然后再流过两级中具有较低温度的液体的另一级(B)。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的热交换器，其中所述板(30)设置在板对(31)中，所述封闭的流动路径(10)位于所述板对中。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的热交换器，其中用于所述填充空气的所述开放的流动管道(20)设置在所述板对(31)之间。
7.根据权利要求1和6所述的热交换器，其中冷却肋片(21)位于所述开放的流动管道(20)中，所述冷却肋片优选地连续延伸经过所述至少两级(A、B)并包含在板(30)的所述单个叠层(3)中。
8.根据以上权利要求中的一项所述的热交换器，其中“切开且偏置的翅片”形式的薄片设置在所述至少两级(A、B)的所述闭合的流动路径(10a、10b)中。
9.根据以上权利要求1至8中的一项所述的热交换器，其中作为紊流发生器的板的变形部分伸入所述第一级(A)的所述流动路径(10a)中，并且所述“切开且偏置的翅片”形式的薄片(11)设置在所述第二级(B)的所述流动路径(10b)中。
10.根据权利要求1所述的热交换器，其中所有的板(30)是不可分割的板。
11.根据权利要求1和10所述的热交换器，其中所述至少两级(A、B)中的每一级都具有至少一个流动路径(10a、10b)，其中所述至少两级(A、B)被所述板对(31)的至少一个板(30)中的变形部分(32)所分开。
12.根据以上权利要求1至9中的一项所述的热交换器，其中每个板对(31)的其中一个板(30)是多部分的形式，使得每个流动路径(10)由每个板对的不可分割的板(30)的一部分和一单独的板构成，所述单独的板是每个板对的多部分板的一部分。
13.根据以上权利要求中的一项所述的热交换器，其中所述板(30)具有被轴环围绕的进口和出口开口(4、5、6、7)，其中所述板以这样一种方式设置在所述叠层(3)中，即，延伸穿过所述叠层的进口和出口管道由所述轴环形成，其中所述轴环每种情况下均桥接所述流动管道(20)并且所述开口在流动方面连接所述流动路径(10)。
14.根据权利要求1和13所述的热交换器，其中所述板(30)具有至少四个带有轴环的这样的开口。
15.根据权利要求14所述的热交换器，其中所述至少四个开口大致设置在所述板(30)的角区域上。
16.根据权利要求14所述的热交换器，其中三个开口位于所述板(30)的一个窄侧上，而第四个开口位于相对的窄侧上的角区域中。
17.根据权利要求1至15中至少一项所述的热交换器，其中所述填充空气以近似交叉流的方式流过具有较高温度的液体的(第一)级(A)，并相对于所述液体以近似逆流的方式流过具有较低温度的液体的第二级(B)。
18.根据权利要求1至15和17中至少一项所述的热交换器，其中在每种情况下，一个管道(8、9)设置在所述第二级(B)的流动路径(10b)中，位于薄片(11)的两个边缘与板(30)中的流动路径(10b)的两个边界之间，其中所述液体，例如，基本流入一个管道(8)，相对于所述填充空气以近似逆流的方式流过所述薄片(11)，例如，并通过另一个管道(9)流出。
19.根据权利要求18所述的热交换器，其中流动障碍(12)设置在所述板中，所述流动障碍迫使流动以近似逆流的方式经过所述管道(8、9)以及所述薄片(11)。
20.根据权利要求1至16中的一项所述的热交换器，其中所述填充空气，例如，相对于液体以近似交叉流的方式流过所述第一级(A)和所述第二级(B)，例如，其中所述液体，例如，在板的纵向方向上在近似直线的路径中流过所述第一级(A)的流动路径(10a)，并且在所述第二级(B)的流动路径(10b)上，所述液体在板的纵向方向上通过至少一个向外的路径以及一个回流路径。
21.一种热交换器，包括：
由布置在板对(31)中的板(30)的叠层(3)组成的冷却器块(1)，所述冷却器块具有流动路径(10)和流动管道(20)，其中在所述板(30)上具有至少一个选定的外周区域，所述外周区域在向上弯曲的板边缘(301)处具有伸长结构(300)，其中在叠层(3)的一个板(30)上所述伸长结构(300)延伸到下一个板对(31)的板(30)的边缘，使得冷却器块(1)的基本上平滑的轮廓(K)形成在所述外周区域中。
22.一种制造热交换器的方法，包括：
由板(30)形成冷却器块，所述板形成板对，所述板装配形成板的叠层(3)，使得形成流动路径(10)和流动管道(20)；
在至少一个环形区域中对所述板(30)在向上弯曲板边缘(301)处设置伸长结构(300)；以及
组装所述板以形成所述叠层(3)以如下的方式进行，即，所述伸长结构(300)在至少一个外周区域中形成基本平滑的冷却器块(1)的轮廓(K)。
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