CN105387742B - 热交换器、用于热交换器的箱体和用于制造箱体的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于热交换器的箱体包括挤压的箱体部分，挤压的箱体部分具有大体上恒定的挤压轮廓，大体上恒定的挤压轮廓在纵向方向上从第一箱体端部向第二箱体端部延伸。平坦的第一端盖靠近第一箱体端部连结到挤压的箱体部分，平坦的第二端盖靠近第二箱体端部连结到挤压的箱体部分。挤压的箱体部分、第一端盖和第二端盖可以一起至少部分地限定箱体内部体积。平坦的第一端盖和第二端盖都布置成和纵向方向成非垂直角度。

Description

热交换器、用于热交换器的箱体和用于制造箱体的方法
背景技术
热交换器被用来将热能从一个具有第一较高温度的流体流转移到另一个具有第二较低温度的流体流。这种热交换器经常被用来通过将废热转移到被引导流经热交换器的更凉的空气流将废热从诸如油、冷却剂等的工艺流体中移除。
在某些应用中，待冷却的工艺流体的工作压强还比热交换器周围的环境大气压强高很多。因此，将热交换器设计成承受由于流经热交换器的工艺流体引起的压力变得很必要。这变得有挑战，特别是在热交换器被用在大型系统和机器(例如，建筑装备、农业机械等)的情况下。随着机械或系统的尺寸增加，工艺流体的流速也增加，这迫使更大的热交换器来适应热转移要求和流体流速。这种更大的热交换器可以具有暴露于工艺流体(特别是箱体区域中的工艺流体)的压强的非常大的表面区域，并且作用在这些大表面的流体压力能导致热交换器结构中的破坏性机械应力。
图1中描述了本领域已知的这种热交换器的示例。热交换器101具有条和板的构造，并且可以被用作例如用于非公路用车(例如，挖掘机、装载机、联合收割机等)的油冷却器。待被热交换器101冷却的油经过设置在热交换器芯102内的多个通道，这些通道与用于冷却空气的通道交替，冷却空气按照错流于通过芯102的油的方向被引导。箱体103设置在芯102的两端以便使油在箱体103和芯102之间往返，并且每个箱体103设置有入口端口/出口端口106，以便将热交换器101和油回路流体联接。
箱体103的尺寸必须足够大以便平均地将油流分配到各个通道。因此，箱体内的非常大的表面区域被暴露到油的通常很高的压强下，并且必须设计成能够承受这样的力。用于这样的高压强应用的典型的箱体构造包括挤压的箱体部分104，箱体部分104具有弓形的(例如，圆柱形的)内部轮廓以便平均地分配由于压强载荷引起的力。平整的端盖105焊接到挤压的箱体部分104的端部，以便关闭箱体103的端部。而且，这些平整的端盖105也必须设计成具有适合承受由箱体103中的流体施加到其上的压力的厚度。因为制造体积小，所以这样的箱体构造比经过工具加工的铸造箱体更经济。
发明人已发现即使当这样的热交换器已经设计成具有适合承受预定的应用的提高的工作压强的壁部分时，作用在端盖上的力仍能导致热交换器的剩余部分中的不希望的且有损伤的应力。因此，仍然存在改进的空间。
发明内容
在本发明的一些实施例中，用于热交换器的箱体包括挤压的箱体部分、平坦的第一端盖、以及平坦的第二端盖；箱体部分具有大体上恒定的挤压轮廓，挤压轮廓在纵向方向上从第一箱体端部向第二箱体端部延伸；平坦的第一端盖靠近第一箱体端部连结至挤压的箱体部分；平坦的第二端盖靠近第二箱体端部连结至挤压的箱体部分。挤压的箱体部分和第一端盖和第二端盖一起至少部分地限定箱体内部体积。平坦的第一端盖和第二端盖都布置成和纵向方向成非垂直角度。
在一些实施例中，第一端盖从第一箱体端部至少部分地凹陷，并且第二端盖从第二箱体端部至少部分地凹陷。一些实施例包括至少一个安装孔，安装孔延伸通过挤压的箱体部分，而不穿过箱体内部体积，并且在一些这样的实施例中，安装孔位于平坦的第一端盖和第一箱体端部之间。
一些实施例中，大体上恒定的挤压轮廓包括圆柱形内表面和相对的、大体上平坦的第一外表面和第二外表面，第一外表面和第二外表面通过大体上平坦的第三外表面连结，第三外表面垂直于大体上平坦的第一外表面和第二外表面。平坦的第一端盖和第二端盖中的每个包括和圆柱形内表面的圆锥截面相对应的椭圆边缘。
在本发明的一些实施例中，制造用于热交换器的箱体的方法包括：挤压箱体部分，箱体部分具有在纵向方向上延伸的大体上恒定的挤压轮廓；沿着纵向方向将挤压的箱体部分切割成预定长度；由一片材料制成平整的端盖，每个平整的端盖具有相对的第一面和第二面，第一面和第二面被材料的厚度隔开；在挤压的箱体部分的其中一个预定长度内插入平整的第一端盖，使得纵向方向和平整的第一端盖的相对的第一面和第二面成非零角度；在挤压的箱体部分的这个预定长度内插入平整的第二端盖，使得纵向方向和平整的第二端盖的相对的第一面和第二面成非零角度；以及将平整的第一端盖和平整的第二端盖连结至挤压的箱体部分。
在本发明的一些实施例中，热交换器包括多个流体流通道和箱体；流体流通道平行地从壁延伸；箱体密封地连结至壁，以一起限定箱体体积。箱体体积的内表面暴露于来自流经多个流体流通道的流体的压力。箱体包括挤压的箱体部分、平坦的第一端盖和平坦的第二端盖；挤压的箱体部分具有大体上恒定的挤压轮廓，大体上恒定的挤压轮廓在纵向方向上从第一箱体端部向第二箱体端部延伸；平坦的第一端盖靠近第一箱体端部连结至挤压的箱体部分，并且布置成和壁成非垂直角度；并且平坦的第二端盖靠近第二箱体端部连结至挤压的箱体部分，并且布置成和壁成非垂直角度。
附图说明
图1是现有技术的热交换器的立体图；
图2是根据本发明的实施例的热交换器的立体图；
图3是图2的热交换器局部被切掉的立体图；
图4是根据本发明的一些实施例的图2的热交换器中使用的箱体的立体图；
图5是图4的箱体中使用的示出挤压轮廓的平面图；
图6是图4的箱体中使用的端盖的平面图；
图7是图2的热交换器的一部分的示意的平面截面图。
具体实施方式
在详细讲解本发明的任何实施例之前，将理解的是，本发明在其应用时不限于以下说明中提出的或附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施例，并且能够采用多种方式实践或实施。还将理解的是，这里使用的用语和术语是为了描述，并且不应该被认为是限制。文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用旨在囊括其后列出的条目及其等同物和另外的条目。除非另有特定或限制说明，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变体使用了其广泛意思并且囊括直接和间接的安装、连接、支撑和联接。而且“连接”和“联接”不限制于物理的或机械的连接或联接。
图2、图3和图7中示出了体现了本发明的热交换器1，并且相对于其它已知的热交换器，当热交换器1在诸如油冷却、增压空气冷却等的高压强应用中使用时可以提供耐久性的优点。为了阐述的目的，将参照这样的热交换器1：用于冷却机油的用空气冷却的油冷却器，但是应该理解的是本发明也可适用于其他热交换器应用。
热交换器1具有条和板的构造，其具有铜焊的热交换器芯2，热交换器芯2限定了用于油和冷却空气流动的交替的通路。从图3中可知，通过堆叠平整的隔板11形成芯2，长条9和短条10交替地分隔隔板11，以限定交替的油通路8和空气通路7。长条9布置在热交换器1的相对的空气入口面和出口面处，长条9界定油通路8，油通路8在热交换器的宽度方向上延伸。短条10布置在热交换器1的相对的箱体端，短条10界定空气通路7，空气通路7在热交换器的深度方向上延伸，从而油通路8和空气通路7布置成彼此垂直，形成了错流(cross-flow)的热交换方向。油插入物20布置在油通路8中的隔板11之间，空气翅片21布置在空气通路7中的隔板11之间。油插入物20和空气翅片21通过额外的热交换表面区域和用于它们相应的流体的湍流提供了增强的热转移，还提供了对隔板的结构支撑以便承受流体施加的压力。芯2由堆叠的顶端和底端处的侧板22界定。
短条10的平整侧面、长条9的端部、以及隔板11和侧板22的边缘在芯102的每个箱体端部一起构成了大致平坦的壁13。入口和出口箱体3焊接在壁13上以提供用于让油流过油通路8的入口管道和出口管道。有代表性的箱体3的细节在图4-图6示出，并且现在将参照这些图和图2、图3和图7更加详细地描述。
为了承受由经过热交换器1的油或其它增压的流体所施加的增加的压力，箱体3由焊接组件构成，优选地由铝合金焊接组件构成，但是如果应用有要求，可用其它金属代替。箱体3具有盒状构造，具有由挤压的(extruded)箱体部分4提供的三个侧面，挤压的箱体部分4的轮廓(profile)在图5中示出。挤压的箱体部分4在纵向方向上(图4中通过标记有“L”的双端箭头指示)延伸，并且包括一对隔开的相对的侧面18，其将箱体的宽度限定成大约等于热交换器芯2的深度，这两个侧面18通过第三侧面19连结，从而形成盒状箱体的外围。流体的入口或出口端口6设置成通过其中一个侧壁18，但是这样的端口6还可以可替代地设置成通过侧壁19。圆柱形表面16设置在箱体部分4的内部，并且沿着长度方向L延伸，从而内部压力在箱体部分4上主要分解成薄膜应力，而不是弯曲应力。当流经热交换器1的通道8的流体的压强比环境压强高很多时，这样的结构可以为箱体3提供增强的耐久性。
箱体3还包括一对平坦的端盖5，端盖5布置在挤压的箱体部分4的相对的端部15处。平坦的端盖5布置成不和挤压的箱体部分4的纵向方向垂直。尤其从图7中可知，可以用角度θ来表示偏离垂直面的偏移，并且至少在一些优选的实施例中，偏离垂直面的偏移至少为55°。可以通过采用例如激光切割或水射流切割的方式从一片金属材料上切割出希望的轮廓来经济地生产平坦的端盖5。考虑到圆柱形表面16被从垂直面偏移希望角度的平面分割，端盖5的希望的轮廓可以包括椭圆边缘24，椭圆边缘24和挤压的箱体部分4的圆柱形表面16的圆锥截面相对应。这样的轮廓将使端盖5和挤压的箱体部分4能够以希望的角度可重复地和紧密配合地对齐，从而允许通过焊接或其它相似的连结工艺连结端盖5和箱体部分4。在一些实施例中，通过在箱体4的面朝内的一侧上(即，最后面向箱体3的内部体积4的一侧上)放置焊珠17简化端盖5和挤压的箱体部分4的焊接。
发明人发现，将端盖5布置成和挤压的箱体部分4的纵向方向呈这样的非垂直角度致使在箱体安装壁13处流插入物20内箱体的拉应力减少。当内部体积14中的流体向端盖5的平整表面的施加压力时，这些压力引起壁13中在纵向方向L上的拉应力。发明人发现，当端盖被定向为垂直于纵向方向时(如现有技术中的热交换器101)，这样的拉应力能引起插入物20的结构疲劳，并且因此不能保持流通道8的形状，从而导致热交换器的压强故障。在过去这样不理想的结果通过在垂直的端盖和内部箱体壁之间增加多个加固板(gusset)来处理。然而，这样增加的部件给制造过程带来了不希望的成本和复杂度。
通过使端盖5呈角度，作用在端盖的面上的压力(通过图7中标记有“P”的箭头指示)与纵向方向L呈角度，该角度的值和端盖5被定向的角度θ相同。那些压力施加在热交换器1上的合成应力将包括一个分量，该分量在纵向方向作用在壁13内并将有损伤的拉应力施加到插入物20上，压力的那个分量随着角度θ的增加而减小。通过计算分析，发明人已确定和具有加固的垂直的端盖的设计相比，插入物20的合成应力(已知是关于箱体增压箱体的弱点)大大减少了。
在本发明的一些实施例中，热交换器101的安装特征被结合到箱体3的印迹中。可以在挤压的箱体部分3中机器加工出安装孔12(例如通过钻孔、铣孔(mill)等其他机器加工工艺)。有利地这样的安装孔12可以位于端盖5和箱体部件3的对应端部15之间的三角区域中，从而安装器件可以穿过安装孔12，而不需要穿过箱体3的内部体积14，因此避免了流体通过安装孔12泄漏的可能性。在一些优选的实施例中，安装孔12穿过挤压的箱体部分4的两个侧壁18，从而安装器件(例如，螺栓等)可以穿过箱体3以便固定热交换器101。在一些实施例中，圆柱管可以通过安装孔12插入并焊接到箱体3，以便提供进一步安装支撑。
参照本发明的特定实施例描述了本发明的某些特征和元件的多种可替代方案。除了互不包括上述每个实施例的或与上述每个实施例不一致的特征、元件和操作方式之外，应该注意到参照一个特定实施例描述的可替代的特征、元件和操作方式可应用到其他实施例。
上面描述的和图中示出的实施例只通过示例的方式展示，而不限制本发明的构思和原理。照此，具有本领域普通技能的人员将理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对元件及其配置和布置进行多种修改。

Claims (20)

1.一种用于热交换器的箱体，用于减小在箱体安装壁处流插入物内的拉应力，包括：
挤压的箱体部分，所述挤压的箱体部分具有大体上恒定的挤压轮廓，所述大体上恒定的挤压轮廓在纵向方向上从第一箱体端部向第二箱体端部延伸；
平坦的第一端盖，所述第一端盖靠近所述第一箱体端部在所述挤压的箱体部分内连结至所述挤压的箱体部分；以及
平坦的第二端盖，所述第二端盖靠近所述第二箱体端部在所述挤压的箱体部分内连结至所述挤压的箱体部分，
所述挤压的箱体部分、所述第一端盖和所述第二端盖一起至少部分地限定箱体内部体积，其中，所述平坦的第一端盖和所述平坦的第二端盖都布置成和所述纵向方向成非垂直角度；
大体上平坦的箱体安装壁；以及
位于所述大体上平坦的箱体安装壁处的流插入物，
其中所述箱体被焊接到所述壁上。
2.根据权利要求1所述的箱体，其中，所述第一端盖至少部分地从所述第一箱体端部凹陷，所述第二端盖至少部分地从所述第二箱体端部凹陷。
3.根据权利要求1所述的箱体，还包括至少一个安装孔，所述至少一个安装孔延伸通过所述挤压的箱体部分，而不穿过所述箱体内部体积。
4.根据权利要求3所述的箱体，其中，所述至少一个安装孔位于所述平坦的第一端盖和所述第一箱体端部之间。
5.根据权利要求1所述的箱体，其中，所述大体上恒定的挤压轮廓包括圆柱形内表面和相对的、大体上平坦的第一外表面和第二外表面，所述第一外表面和所述第二外表面通过大体上平坦的第三外表面连结，所述第三外表面垂直于所述大体上平坦的第一外表面和第二外表面，并且其中所述平坦的第一端盖和所述平坦的第二端盖中的每一个包括椭圆边缘，所述椭圆边缘和所述圆柱形内表面的圆锥截面相对应。
6.根据权利要求5所述的箱体，还包括至少一个安装孔，所述安装孔延伸通过相对的、大体上平坦的第一外表面和第二外表面。
7.根据权利要求6所述的箱体，其中，所述至少一个安装孔位于所述平坦的第一端盖和所述第一箱体端部之间。
8.根据权利要求1所述的箱体，其中，所述平坦的第一端盖和所述平坦的第二端盖中的每一个的面向内的面偏移垂直于所述纵向方向的方向成至少55度的角度。
9.根据权利要求1所述的箱体，其中，所述平坦的第一端盖和所述平坦的第二端盖通过位于所述箱体内部体积的焊接连结件连结至所述挤压的箱体部分。
10.一种制造用于热交换器的箱体的方法，包括：
挤压出箱体部分，所述箱体部分具有大体上恒定的挤压轮廓，所述大体上恒定的挤压轮廓在纵向方向上延伸并限定出所述箱体的圆柱形内表面；
沿着所述纵向方向将挤压出的箱体部分切割成预定长度；
由一张材料制成平整的端盖，每个平整的端盖具有相对的第一面和第二面，所述第一面和所述第二面被所述材料的厚度隔开，并且每个端盖包括椭圆边缘，所述椭圆边缘和所述圆柱形内表面的圆锥截面相对应；
在挤压的箱体部分的其中一个预定的长度内插入平整的第一端盖，使得所述纵向方向和所述平整的第一端盖的相对的第一面和第二面成非垂直角度；
在挤压的箱体部分的所述其中一个预定的长度内插入平整的第二端盖，使得所述纵向方向和所述平整的第二端盖的相对的第一面和第二面成非垂直角度；以及
将所述平整的第一端盖和所述平整的第二端盖连结至所述挤压的箱体部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述平整的第一端盖和所述平整的第二端盖连结至所述挤压的箱体部分包括：在所述第一端盖和所述挤压的箱体部分之间形成焊珠，以及在所述第二端盖和所述挤压的箱体部分之间形成焊珠。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第一端盖和所述第二端盖的第一面被定向为倾斜地面向彼此。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，插入平整的第一端盖的步骤包括：将所述平整的第一端盖的边缘放置成从挤压的箱体部分的所述其中一个预定的长度的第一端面部分地凹陷，并且其中，插入平整的第二端盖的步骤包括：将所述平整的第二端盖的边缘放置成从挤压的箱体部分的所述其中一个预定的长度的第二端面部分地凹陷。
14.一种热交换器，所述热交换器包括多个流体流通道和箱体，所述多个流体流通道平行地从壁延伸，所述箱体密封地连结至所述壁以便一起限定箱体体积，所述箱体体积的内表面暴露在来自流经所述多个流体流通道的流体的压力下，所述箱体包括：
挤压的箱体部分，所述挤压的箱体部分具有大体上恒定的挤压轮廓，所述大体上恒定的挤压轮廓在纵向方向上从第一箱体端部向第二箱体端部延伸；
平坦的第一端盖，所述第一端盖靠近所述第一箱体端部连结至所述挤压的箱体部分，并且布置成和所述壁成非垂直角度；以及
平坦的第二端盖，所述第二端盖靠近所述第二箱体端部连结至所述挤压的箱体部分，并且布置成和所述壁成非垂直角度。
15.根据权利要求14所述的热交换器，其中，所述第一端盖至少部分地从所述第一箱体端部凹陷，并且所述第二端盖至少部分地从所述第二箱体端部凹陷。
16.根据权利要求14所述的热交换器，其中，所述箱体还包括至少一个安装孔，所述安装孔延伸通过所述挤压的箱体部分，而不穿过箱体内部体积。
17.根据权利要求16所述的热交换器，其中，所述至少一个安装孔位于所述第一箱体端部和所述第一端盖之间。
18.根据权利要求16所述的热交换器，其中，所述至少一个安装孔包括第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔位于所述第一箱体端部和所述第一端盖之间，所述第二安装孔位于所述第二箱体端部和所述第二端盖之间。
19.根据权利要求14所述的热交换器，其中，所述大体上恒定的挤压轮廓限定了所述箱体的圆柱形内表面，并且其中，所述平坦的第一端盖和所述平坦的第二端盖中的每个包括椭圆边缘，所述椭圆边缘和所述圆柱形内表面的圆锥截面相对应。
20.根据权利要求14所述的热交换器，其中，所述平坦的第一端盖和所述平坦的第二端盖通过位于所述箱体体积中的焊接连结件连结至所述挤压的箱体部分。
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