CN105190219A - 壳管式热交换器及端盖的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种壳管式热交换器、一种端盖及其制造方法。该壳管式热交换器(1)包含一壳体及附装至该壳体(5)的一端的至少一端盖(1)。端盖(100)包含：一塑料本体或塑料复合本体(105)；以及一金属板构件(110)，被该塑料本体包覆，以为该塑料本体提供结构刚性。

Description

壳管式热交换器及端盖的制造方法

本发明系关于一种壳管式热交换器、一种用于一壳管式热交换器的端盖、以及一种制造用于一热交换器的一端盖的方法。较佳的实施例可特别应用于壳管式热交换器及在海洋环境或其它腐蚀性环境中使用的热交换器。

在现有技术中，壳管式热交换器本身已众所习知，且可购得此等热交换器的诸多类型。现在，参照图1所示的实例简要阐述一壳管式热交换器的运作；图2A显示图1所示热交换器的纵向剖视图；以及图2B显示图1所示热交换器的分解图。热交换器1包含：一外部壳体，具有一大致圆柱形壳体5的形式；以及二端盖，固定于壳体5的各端上。壳体5在一端处具有一入口11，并在另一端处具有一出口12。入口11及出口12通常被称为壳体侧端口或喷嘴。在壳体5中设置有一管组(tubestack)13。管组13包含自壳体5的一端纵向延伸至另一端的多个管14。管14在其任一端处由一管板15固定，管14延伸穿过管板15并被管板15固定。此系用于将管14保持于定位上并与壳体5的内表面形成一密封接合。因此，管14提供一系列贯穿壳体5的通道，该等通道系密封地与由壳体侧端口、入口11及出口12提供的贯穿壳体的导管隔离。管组13中可包含一或多个挡板16，以引导壳体侧流体沿管14来回流动，使提高速度及热传递效率。挡板16亦用于支撑管14并防止振动。

端盖10包含多个大致圆形的板，沿板的周边分布有多个相间的螺栓孔。端盖10经由螺栓19而被螺接至位于壳体5任一端处的凸缘，螺栓19旋入位于凸缘的端部中的螺纹孔20。一O型密封环22设置于端盖10与位于壳体5的端部处的凸缘21之间，以助于将端盖密封至壳体5。端盖具有内螺纹端口24，内螺纹端口24提供与管组13中的管流体连通的一入口25及一出口26。此等端口通常被称为管侧端口。

一管组13可系为浮动的以最小化热应力，或可具有一波纹管(bellows)构造。在运作中，欲被冷却的流体经由壳体侧端口11及12而泵送入壳体5。用于冷却的流体经由管侧端口25、26而泵送入管14。管14于流经管14的一种流体与流经管14外部的另一种流体之间提供热传递表面。因此，可于二种流体之间进行热交换。

端盖亦可具有一贯穿其的螺纹孔28，一泄放塞(drainplug)旋入螺纹孔28中。藉由将泄放塞29自端盖10旋出，流体可自贯穿热交换器1的管侧通道得到泄放。

一壳管式热交换器1的此基本实例的诸多变型为人们所习知。举例而言，管侧流体可形成多于一个的管侧通路。在此种情形中，端盖10其中之一或二者皆可提供一通路分隔器(passdivider)，以使不同通路上的流体彼此隔离。

壳管式热交换器1常常用于一腐蚀性环境中。举例而言，壳管式热交换器1可与船用引擎(marineengine)一起使用，以冷却与引擎相关联的各种流体。图3系为一典型配置，其显示用于冷却一船用引擎500的各种热交换器1的位置。如箭头501所示，海水经由管侧端口25、26泵入。如箭头502所示，来自位于引擎500上的排放歧管(exhaustmanifold)及油冷却器的欲被冷却的流体经由各热交换器1中的壳体侧端口11、12而泵入一闭合环路中，以藉由流经热交换器1中的管14的海水得到冷却。

如将理解，利用海水作为一冷却流体意味着贯穿热交换器1的管侧导管必须系为耐腐蚀的。端盖10系为可移除的，以使管组13受损或被腐蚀时，可移除或更换管组13。目前，已知可用黄铜(brass)制造端盖10以抵抗腐蚀。图4A及图4B显示如现有技术中所知由黄铜制成的一端盖的一实例。因其所显示出的耐海水腐蚀性，特别较佳地系使用含有40％锌及1％锡的海军黄铜(navalbrass)。然而，使用黄铜作为一材料价格相对昂贵，故使用一种更便宜的替代性材料将有所帮助。

铸铁(castiron)端盖有时与淡水一起使用，即出于腐蚀考虑，不与污水或海水一起使用。在要求较低的应用中，已知可使用塑料端盖，例如玻璃填充耐纶(glassfillednylon)。然而，在诸多应用中，在泵入热交换器时施加于壳体侧流体上的压力意味着塑料端盖并不适合，此乃因塑料端盖可因施加于其上的压力而变形或破裂。此外，由塑料制成的入口的强度可能不足以支撑与用于将流体引导至热交换器的管侧的外部管的耦合。

需要一种如下端盖，该种端盖对高要求应用提供足够的强度及刚性，同时保持对例如海水的耐腐蚀性，且相较于使用传统材料(例如黄铜)更为廉价。具体而言，对于海水入口及泄放塞，使用黄铜连接系为较佳的。所使用的材料需要在螺栓孔的区域上具有充足的刚性。在高达30巴(bar)或更大的压力下，端盖不应绕O型环密封面发生偏转。

根据本发明的一第一态样，提供一种壳管式热交换器，该壳管式热交换器包含一壳体及附装至该壳体的一端的至少一端盖，该端盖包含：

一塑料本体或塑料复合本体；以及

一金属板构件，被该塑料本体包覆，以为该塑料本体提供结构刚性。

塑料的使用使得端盖的成本降低，并使得端盖对其中腐蚀性流体(例如，海水)流经热交换器的应用具有耐腐蚀性。金属板构件为塑料本体提供结构刚性，且意味着端盖可应对高于塑料自身所能应对的压力。金属无需具有耐腐蚀性，此乃因其可被塑料完全封闭、或至少大部分被塑料封闭，使金属板的至少将与腐蚀性流体接触的部分被遮蔽。藉此，以较低的成本形成端盖，相较于现有技术中用于壳管式热交换器的端盖，该端盖能够应对更高的压力且具有耐腐蚀性。

较佳地，该金属板的厚度位于0.5毫米(mm)至3mm之间。

较佳地，该金属板在该端盖的径向范围的大部分上延伸。

较佳地，该金属板构件系由压制成型的钢材(pressedsteel)形成，该压制成型的钢材视需要具有一锌涂层。

较佳地，该金属板构件系大致圆顶形状，该大致圆顶形状在其周边处具有一凸缘，该凸缘的位置对应于该端盖与该壳体间的承靠面。

在一实施例中，该端盖具有一密封面，该密封面用于承靠该壳体，该壳体具有二或更多个螺栓孔以用于将该端盖螺接至该壳体，其中该承靠面在该等螺栓孔之间弯曲，使当该端盖被螺接至该壳体时该承靠面抵靠该壳体而承受弹性偏压。端盖的弹性意指弯曲部分“有弹性地”抵靠该壳体，以在更远离螺栓孔且因此并非较不直接地由螺栓连接夹紧的区域中形成一更佳的密封。弯曲程度较佳地平稳增加至在大致位于各螺栓孔之间居中位置处达到一最大高度。较佳地，弯曲部分被设置成在端盖的周边周围保持一大致类似的密封压力。此意味着对于一给定夹紧力，端盖能够有利地应对更大的压力。

在一实施例中，该端盖包含至少一个金属嵌件，该金属嵌件适于容置一扣件并被该塑料本体包覆。相较于直接连接至塑料材料，无论出于何种原因，此皆提供使端盖达成更稳固及可靠的连接的方式。

在一实施例中，至少一个金属嵌件系为一端口构件，用于为该热交换器的管侧提供一入口。

在一实施例中，该端口构件具有内螺纹以用于连接。

在一实施例中，至少一个所提供的金属嵌件具有一带螺纹连接以用于容置一泄放塞。

较佳地，至少一个金属嵌件包含一金属套管，该金属套管在该端盖的一承靠部中具有一贯穿孔，其中一带螺纹扣件藉由该金属套管将该端盖夹紧至该热交换器的该壳体。此有助于在不对端盖及承靠面的外周边周围的塑料材料造成损坏的情况下，达成一更大的夹紧力。

在一实施例中，至少一个金属套管以机械方式与该金属板构件互锁。此有助于在制造期间使该金属套管保持稳定，且有助于将来自螺栓连接的力自螺栓导向至该金属板，进而减小该塑料材料上的应力。

在一实施例中，至少一个金属套管在其外表面的至少一部分周围具有一圆周槽，且其中该金属板构件在其周边处具有至少一个被切除部，该至少一个被切除部用以以机械方式与该圆周槽互锁。此系为一种使套管与板互锁的较佳方式。

在一实施例中，该塑料本体被包覆成型(overmoulded)至该金属板构件及/或至少一个金属嵌件。

在一实施例中，该金属嵌件系由黄铜形成。

根据本发明的一第二态样，提供一种用于制造一如上所述壳管式热交换器的方法，该方法包含：将该金属板构件定位于一注射成型工具中，并将塑料包覆成型于该金属板构件上。

较佳地，该热交换器包含至少一个金属嵌件，该至少一个金属嵌件适于容置一扣件并被该塑料本体部分地包覆，该方法包含：在将塑料成型于该嵌件及该金属板构件上之前，将该至少一个金属嵌件定位于一暗销(dowel)上，以将该嵌件精确定位于该注射成型工具中。

在一实施例中，该等金属嵌件包含多个金属套管，该等金属套管在该端盖的该承靠部中提供多个贯穿孔，以用于藉由穿过该等金属套管的多个带螺纹扣件将该端盖夹紧至该热交换器的该壳体，该方法包含：在成型该塑料之前，将该等金属套管以机械方式与该金属板构件互锁。

根据本发明的一第三态样，提供一种用于一壳管式热交换器的端盖，该端盖包含：

一塑料本体；

一金属板构件，被该塑料本体包覆以为该塑料本体提供结构刚性。

在实施例中，该端盖包含以上所述任何实施例的附加特征。

当穿过热交换器的管侧被腐蚀时，例如在用于冷却一船用引擎或类似物的一热交换器中使用海水作为一冷却流体时，将各实施例用于热交换方法可具有特定优势。

应理解，在本文中被表达为提供于“一个实施例中”或被表达为“较佳”的任何特征可与任何一或多个其它此种特征以及本发明的任何一或多个态样相组合地提供。

现在，将参照附图以举例方式阐述本发明的实施例，在附图中：

图1显示现有技术中的一壳管式热交换器；

图2A显示图1所示的一热交换器的纵向剖视图；

图2B显示图1所示热交换器的一分解图；

图3显示用于冷却一船用引擎的热交换器；

图4A及图4B分别显示在现有技术中用于一热交换器的一端盖的剖视图及平面图；

图5A及图5B分别显示根据本发明的一实施例，一端盖的一实例的前端视图及后端视图；

图6A及图6B分别显示图5A及图5B所示端盖的端口嵌件的纵向剖视图及平面端视图；

图7A及图7B分别显示用于图5A及图5B所示端盖中的泄放塞的嵌件的纵向剖视图及平面端视图；

图8A及图8B分别显示用于图5A及图5B所示泄放塞的一嵌件的纵向剖视图及平面端视图；

图9A显示图5A及图5B所示端盖的平面图；

图9B显示自后侧观察到的端盖；

图9C及图9D显示端盖的剖视图；以及

图10显示用于图5A及图5B所示端盖的一压制成型的钢材的立体图。

图5A及图5B显示根据本发明一实施例的一端盖100的实例。图5A显示自前侧观察所得的一立体图，且图5B显示自后侧观察所得的一立体图。端盖100可例如与图1至图3所示的壳管式热交换器1一起使用。如熟习此项技术者应理解，已知壳管式热交换器的诸多类型，且本发明的端盖100可经修改以与利用众所习知的原理的不同热交换器设计一起使用。

端盖100系为一大致圆顶状构件，以附装至或覆盖热交换器的壳体5的一端，且具有一管侧端口101，管侧端口101可视需要并依端盖100附装至壳体5的哪一端而被用作一入口或开口。参照图5B，其显示自后侧(即自壳体侧)观察到的端盖100，端盖100具有一中央圆顶部106，中央圆顶部106被位于圆顶部105的周边周围的一密封面107环绕，密封面107承靠热交换器10的壳体的端部并与壳体的该端部形成一密封。端盖100具有三个贯穿密封面107的螺栓孔102，用于将端盖100螺接至热交换器1的壳体5。端盖100亦具有一可选孔，以用于容置一泄放塞103。

继续参照图5B，端盖100的后部具有一内唇108，用于容置热交换器1的管组。端盖100的后部亦具有邻近端口101的一中央肋109，中央肋109自中央圆顶部106的表面朝向壳体5延伸，并有助于引导流经热交换器1的流体。

端盖100包含一薄金属构件110，薄金属构件110成型于一塑料本体或塑料复合本体105中。较佳地，对该塑料成型使用玻璃填充耐纶(glassfillednylon；GFN)来形成塑料本体105。可使用50％的GFN或任何其它适当的成型塑料或塑料复合材料。图10显示薄金属构件110。薄金属构件100具有一圆顶状中央部及一平面周边凸缘，该平面周边凸缘对应于整个端盖100的圆顶形状106及密封面107。薄金属构件110较佳地系为一压制成型的低碳钢(mildsteelpressing)，该低碳钢视需要涂覆有锌以具有改良的耐化学性。嵌件115、120、125成型于塑料中，以对端盖100中的各种孔101、102、103进行加强。

管侧端口101具有一内螺纹嵌件115，内螺纹嵌件115成型于端盖100的塑料本体中。图6A及图6B显示嵌件115。如图所示，嵌件115包含一具有内螺纹117的大致管状本体116，以提供与入口端口101的内螺纹连接。管状本体116具有一凸缘端118及多个轴向肋119，以助于将嵌件115固定于成型塑料本体中的定位上。嵌件115较佳地系由黄铜或某些其它牢固、耐腐蚀性的材料制成。

类似地，泄放塞103具有一嵌件120，嵌件120包含具有一带螺纹内表面122的一大致管状本体121。本体121亦在一端处具有一凸缘123，并视需要具有肋或其它外部特征，以助于防止嵌件120在成型塑料中移动。图8A及图8B显示该等嵌件。嵌件120较佳地系由黄铜或某些其它牢固、耐腐蚀性的材料制成。

亦为螺栓孔102提供增强嵌件125。图7A及图7B显示嵌件125的平面图及剖视图。嵌件125包含一大致管状本体126，大致管状本体126延伸贯穿螺栓孔102。嵌件125亦在本体126中具有一或多个圆周槽，此等圆周槽可有助于使嵌件125在成型塑料本体中保持于定位上。嵌件125较佳地系由金属制成。

再次参照图10，圆顶状金属嵌件110的厚度较佳处于0.5毫米至3毫米之间，在本实例中厚度为1.5毫米，且具有半径为5毫米的一底部凸缘111，底部凸缘111对应于端盖100的密封面以提供额外支撑。凸缘111较佳地具有切口部112，以支撑螺纹孔嵌件125。切口部112在薄金属构件110中形成大致半圆形的插入物，该等插入物配合于嵌件125中的槽127中。此使得来自螺栓连接的力能够经由螺栓孔嵌件125而传递至圆顶状钢材构件110，藉此使应力分布于整个端盖100上。

圆顶状构件110亦具有额外的切口部113，切口部113对应于管侧端口嵌件115及泄放塞嵌件120的位置，使此等嵌件可穿过构件110突出。

图9A及图9B分别显示自前侧及自后侧观察到的端盖的平面图，且图9C及图9D显示沿线A-A及B-B截取的剖视图。该等图显示塑料本体中各种嵌件的位置。

参照图9B，密封面107较佳地系为大致平坦的，但在各螺栓孔102间的区域107a中沿朝向壳体5的方向略微向外弯曲。如此一来，当盖100被螺栓夹紧至热交换器1的壳体5时，弯曲部107a贴靠热交换器1的壳体而承受弹性偏压。此有助于在端盖100的整个周边周围形成一良好密封，尤其系在密封面107的更远离螺栓的夹紧力的区域中。

为制造端盖100，圆顶状金属构件110及用于螺栓孔、泄放塞嵌件及管侧端口的五个嵌件115、120、及125可被装配于一注射成型工具内，然后该六部件被完全包覆于一塑料成型(较佳地一50％玻璃填充耐纶)中，以形成端盖100。该注射成型工具中的精密暗销用于固定该等螺栓孔嵌件，以提高螺栓孔圆圈的准确性。可对管侧端口入口嵌件115及泄放塞嵌件120使用另外一些暗销。如上所述，圆顶状构件110较佳地与螺栓孔嵌件125上的圆周槽127啮合，且藉此而固定于注射成型工具中。

藉此，提供一种就制造而言相对简单及廉价、且仍具有使用一完全海军黄铜端盖的优点的端盖100。具体而言，为端口嵌件115及泄放塞嵌件120提供黄铜连接及较佳地海军黄铜连接。此有助于在海水经由此等端口而泵入热交换器1的管中时防止腐蚀，并有助于对热交换器1的外螺纹连接提供一强的耐腐蚀性螺纹连接。同时，使相对昂贵的黄铜的使用最小化。由压制成型的钢材110来加强对端盖的主体所用的塑料。压制成型的钢材110为端盖100提供塑料自身无法提供的刚性。端盖100因此可被用于高压力应用中(例如，在较佳实施例中，操作压力高达20巴且经30巴测试)，而不会绕壳体的O型环密封面发生偏转。较佳地与压制成型的钢材110互锁的螺栓孔嵌件125的配置会在螺栓孔夹紧部的周围提供刚性，并使应力分布于整个端盖100。因此，本发明的较佳实施例提供一种成本低且制造简单的端盖100，该端盖100可用于高压力、高腐蚀性应用，例如用于船用引擎或类似物的热交换器中。

已具体参照所例示的实例阐述了本发明的实施例。然而，应理解，在本发明的范围内，可对所述的实例作出各种变型及润饰。

Claims (19)

1.一种壳管式热交换器，包含一壳体及附装至该壳体的一端的至少一端盖，该端盖包含：

一塑料本体或塑料复合本体；以及

一金属板构件，被该塑料本体包覆，以为该塑料本体提供结构刚性。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该金属板该端盖的径向范围的大部分上延伸。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，该金属板由一压制成型的钢材形成，该压制成型的钢材视需要具有一锌涂层。

4.如权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其特征在于，该金属板构件为大致圆顶形状，该大致圆顶形状在其周边处具有一凸缘，该凸缘的位置对应于该端盖与该壳体间的密封面。

5.如权利要求1至4中任一项所述的热交换器，其特征在于，该端盖具有一密封面，该密封面用于承靠该壳体，该壳体具有二或更多个螺栓孔以用于将该端盖螺接至该壳体，其中该承靠面在该等螺栓孔之间弯曲，使当该端盖被螺接至该壳体时该承靠面抵靠该壳体而承受弹性偏压。

6.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，包含至少一个金属嵌件，该金属嵌件适于容置一扣件并被该塑料本体包覆。

7.如权利要求6所述的热交换器，其特征在于，至少一个金属嵌件为一端口构件，用于为该热交换器的管侧提供一入口。

8.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，该端口构件具有内螺纹以用于连接。

9.如权利要求7或8所述的热交换器，其特征在于，至少一个所提供的嵌件具有一带螺纹连接以用于容置一泄放塞。

10.如权利要求6至9中任一项所述的热交换器，其特征在于，至少一个金属嵌件包含一金属套管，该金属套管在该端盖的一承靠部中具有一贯穿孔，其中一带螺纹扣件藉由该金属套管将该端盖夹紧至该热交换器的该壳体。

11.如权利要求10所述的热交换器，其特征在于，至少一个金属套管以机械方式与该金属板构件互锁。

12.如权利要求11所述的热交换器，其特征在于，至少一个金属套管在其外表面的至少一部分周围具有一圆周槽，且其中该金属板在其周边处具有至少一个被切除部，该至少一个被切除部用以以机械方式与该圆周槽互锁。

13.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，该塑料被包覆成型至该金属板构件及/或至少一个金属嵌件。

14.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，该嵌件由黄铜形成。

15.一种制造如前述权利要求中任一项所述的壳管式热交换器的方法，该方法包含：将该金属板构件定位于一注射成型工具中，并将塑料包覆成型于该金属板构件上。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该热交换器包含至少一个金属嵌件，该至少一个金属嵌件适于容置一扣件并被该塑料本体部分地包覆，该方法包含：在将塑料成型于该嵌件及该金属板构件上之前，将该至少一个金属嵌件定位于一暗销上，以将该嵌件精确定位于该注射成型工具中。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该等金属嵌件包含多个金属套管，该等金属套管在该端盖的该承靠部中提供多个贯穿孔，以用于藉由穿过该等金属套管的多个带螺纹扣件将该端盖夹紧至该热交换器的该壳体，该方法包含：在将塑料成型之前，将该等金属套管以机械方式与该金属板构件互锁。

18.一种用于一壳管式热交换器的端盖，该端盖包含：

一塑料本体或塑料复合本体；

一金属板构件，被该塑料本体包覆以为该塑料本体提供结构刚性。

19.如权利要求18所述的端盖，包含如权利要求2至14中任一项所述的附加特征。