CN106574827A - 热交换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于将热量从热气体传递到流体的热交换器，其包括两个或更多个波纹翅片结构，其限定了多个热气体流动通道。所述多个热气体流动通道中的每一个在大致直线的第一方向上延伸。流体管道包括外壁，所述外壁至少部分地结合到所述波纹翅片结构中的至少两个上。流体管道限定了多个连续布置的用于流体从其中流过的流动通路。所述多个流动通路中的每一个在大致垂直于所述第一方向的方向上引导所述流体。

Description

热交换器及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年6月30日提交的申请号为62/018,947的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及热交换器，并且具体地涉及用于加热和/或冷却高压流体的紧凑型热交换器。

背景技术

热交换器用于在两种(或多种)流体之间传递热能，同时保持流体之间的隔离。这种装置通常通过为每种流体提供分离的通道或流体流动路径来操作。来自较热的流体的热能被对流地传递到引导流体通过的通道或流动路径，被传递(通常通过热传导)到引导较冷的流体通过的流动路径的通道中，并且对流地传递到该流体中。

已知当流体中的一种处于增加的压力时会导致某些挑战。作用在通道壁(引导加压流体通过)上的增加的流体压力经常要求使用尺寸相当小的通道，以便保持可接受的低水平的机械应力。然而，这种小的通道尺寸同样减少了可用于实现期望的热传递的表面积的量，导致需要增加这种通道的长度和/或数量来满足性能需求。这种增加导致成本、尺寸和制造复杂性的增加，并且在需要紧凑型热交换器的应用中可能是特别有挑战性的。仅作为示例，这样的应用包括制冷系统、用于燃烧发动机的燃料加热、用于燃料电池系统的蒸发器、朗肯循环废热回收蒸发器等。

发明内容

根据本发明的一些实施例，一种用于将热量从热气体传递到流体的热交换器，其包括：壳体，其限定了热交换器的内部容积；热气体流动路径，其从热气体入口延伸穿过壳体进入热气体出口。流体入口和流体出口接合到壳体，并且多个流体管道延伸穿过流体入口和流体出口之间的内部容积。每个流体管道限定了在流体入口和流体出口之间的液压分离且连续的流动路径。

在一些实施例中，由流体管道限定的流动路径是非平面的。在一些这样的实施例中，这些流动路径中的每一个在流动路径的长度的至少大部分上是螺旋的形状。在一些实施例中，壳体限定了纵向轴线，并且每个非平面的流动限定了平行于纵向轴线并且从纵向轴线偏移的螺旋轴线。

在一些实施例中，至少壳体、流体入口、流体出口和流体管道在共同的钎焊操作中接合在一起。在一些实施例中，壳体由多个部件构成，这些部件在共同的钎焊操作中与流体入口、流体出口和流体管道接合。在一些实施例中，热交换器包括沿热气体流动路径布置并接合到流体管道的延伸表面。

根据本发明的另一个实施例，一种用于将热量从热气体传递到流体的热交换器，其包括两个或更多个波纹翅片结构以及流体管道，该波纹翅片结构限定了沿大致直线的第一方向延伸的热气体流动通道，流体管道的外壁至少部分地结合到波纹翅片结构中的至少两个上。流体管道限定了多个连续布置的流动通路，用于流体穿过流体管道。每个流动通路被布置为在大致垂直于第一方向的方向上引导流体。在一些这样的实施例中，流动通路以相对于第一方向的不大于两度的倾斜角定向。

在一些实施例中，热交换器包括第一翅片结构，其布置在第二翅片结构和第三翅片结构之间。连续的流动通路交替地布置在第一翅片结构和第二翅片结构之间、以及第一翅片结构和第三翅片结构之间。在其它实施例中，热交换器包括第一波纹翅片结构，其形成为由第一内径和第一外径界定的环形形状；以及第二波纹翅片结构，其形成为由第二内径和第二外径限定的环形形状，其中第二外径小于第一内径。连续布置的流动通路布置在第二外径和第一内径之间。在一些这样的实施例中，所述流体管道是为流体提供液压并联回路的若干流体管道中的一个，并且每个流体管道具有接合到翅片结构的外壁。在一些实施例中，每个流体管道限定螺旋形流动路径。

根据本发明的另一个实施例，一种用于热交换器的流体连接件，包括：连接器主体，其具有可钎焊的外表面；流体歧管，其位于连接器主体内；以及外部可进入的端口连接件，其流体连接到歧管。流动管道进入通道在连接器的外表面和歧管之间延伸，并且钎焊合金腔至少部分地与外表面和歧管之间的每个进入通道相交。

根据本发明的另一个实施例，一种制造热交换器的方法，其包括：在热交换器壳体内布置流动管道；使每个管道的端部延伸穿过壳体的壁中的孔隙；将端部插入连接器主体；并且在共同的钎焊操作中，将流动管道接合到连接器主体并将连接器主体接合到壳体。在一些实施例中，该方法包括在钎焊之后对流体管道和连接器主体之间的接合处执行泄漏测试，并且如果发现泄漏路径，则将另外的钎焊糊状物放置到钎焊合金腔中并且重新钎焊热交换器。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的热交换器的立体图。

图2是示出了图1的热交换器的选择部分的立体图。

图3A、3B和3C是以组装的渐进阶段示出图1和图2的热交换器的立体图。

图4是根据本发明另一实施例的热交换器的立体图。

图5是示出图5的热交换器的选择部分的立体图。

图6是示出图5的热交换器的选择部分的另一立体图。

图7是示出图5的热交换器的选择部分的平面图。

图8是图5的热交换器的局部剖视立体图。

图9是图5的热交换器的局部剖视图。

图10是示出图5的热交换器的选择部分的局部立体图。

图11是图5的热交换器的另一局部剖视图。

图12是示出了根据本发明的另一实施例的热交换器的部分的平面图。

图13是示出了图12的热交换器的选择部分的立体图。

图14是在图5的热交换器的一些实施例中使用的部件的分解立体图。

图15是图14的部件的局部剖视图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明在其应用中不限于在下面的描述中阐述的或在附图中示出的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或执行。此外，应当理解，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应被认为是限制性的。本文中“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”及其变形的使用意在囊括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”，“连接(connected)”，“支撑”和“耦接(coupled)”及其变形被广义使用并且囊括直接和间接安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理或机械连接或耦接。

根据本发明的一个实施例的热交换器1在图1-3中示出。热交换器1构造成能够将热能从热气体传递到流体。在一些优选实施例中，流体作为加压液体进入热交换器1，并且在所述流体穿过热交换器1时通过从同时穿过热交换器1的热气体接收的热量而汽化或在一些情况下部分汽化。在其它实施例中，流体作为加压液体进入热交换器1，并作为加热的液体离开热交换器1。仍在其它实施例中，流体作为低压液体或作为气体进入热交换器1。

热交换器1包括界定了热交换器1的内部容积的壳体10。在壳体10中提供热气体入口11和热气体出口12，并且热气体流动路径在热气体入口11和热气体出口12之间延伸穿过热交换器1。在图1的实施例中，热气体入口11和热气体出口12示出为布置在壳体10的相对的端处的法兰安装件。然而，应当理解，取决于使用热交换器1的应用，热气体入口和出口的其它布置可以同样合适或者更合适。

示例性壳体10由接合在一起以限定热交换器1的内部容积的若干分离零件构成。入口和出口扩散器14将入口11和出口12接合到壳体的基本上为矩形的中心部分上，其中热气体和流体之间的热传递发生在所述中心部分。壳体10的基本上为矩形的中心部分由顶板18、底板17、侧板19(在图1中仅一个是可见的，但是应当理解，类似的侧板19位于热交换器1的相对的侧)和角柱15、16构成。两个流体入口/出口端口13接合到壳体10，以允许流体进入和离开热交换器1，入口/出口端口13中的一个作为入口，另一个作为出口。

图2示出了热交换器1，其中壳体的某些部分被移除，以便于描述热交换器1的内部细节。现在将参照该图以及参考图3A-C解释所示出的实施例的某些方面，图3A-C描绘了在组装和构造的各个阶段的热交换器1。

待由热气体加热的流体途经若干流体管道2传送穿过热交换器1，所述流体管道延伸穿过壳体10的内部容积。在图2的实施例中示出了三个这样的流体管道2，但是应当理解，流体管道2的数量可以根据应用的需要而增加或减少。在图3A中示出了流体管道2中单独的一个，并且它的特征在于连续的管道壁7在间隔开的端部4之间延伸并且限定了用于流体穿过管道的非平面流动路径。示例性实施例的管道壁7具有环形形状的横截面，以便提供非常适于升压操作的设计，但是应当理解，可以替代地采用其它横截面形状。每个流动管道2限定多个流动通路5，其布置成允许流体以串联方式流过。流动通路5交替地布置在两个间隔开的平行平面中，具有接合连续流动通路2的弓形弯曲部分6，从而产生非平面流动路径。

波纹翅片结构3附加地在热交换器1中提供，并且同时为了结构稳定性和改善的热传递而接合到流体管道2上。波纹翅片结构3中的每一个包括通过侧面接合的交替的波峰和波谷，并且可以通过翅片轧制工艺形成连续的金属片而构造。虽然未示出，但是可以可选地在波纹翅片结构的侧面上提供表面增强特征，例如百叶窗、矛状杆、凸起等，以进一步改善热传递。每个波纹翅片结构限定了沿热交换器1的纵向方向延伸的一系列热气体流动通道8。

如图3B所示出的，可以优化给定流体管道2的流动通路5中的布置在一个共同平面中的那些流动通路5与该流体管道2的流动通路5中的布置在另一公共平面中的那些流动通路5之间的间隔，以允许将波纹翅片结构3中的一个插入在该间隔内，并且流体管道2的外壁7接触到或几乎接触到波纹翅片结构3的波峰和波谷。这种流动管道和波纹翅片结构组合可以布置成堆叠，其中附加的波纹翅片结构3布置在相邻的组合之间，以及在堆叠的上方和下方。整个堆叠可以通过例如钎焊接合在一起以形成整体式热交换器芯体。作为这种接合的结果，每个流动通路5的外壁7被接合到一个波纹翅片结构3的波峰和另一个波纹翅片结构的波谷。一般来说，如果根据本发明的这种实施例的热交换器中存在N个流体流动管道，则存在(2N+1)个波纹翅片结构。

角柱15和16间隔开，以便基本上阻止热气体绕过热气体流动通道8周围，以及为流体管道2的弯曲部分6提供空间。实心角柱16布置在芯体的相对的两个拐角处，而包含流体歧管(未示出)的角柱15布置在另外两个相对的拐角处。在每个角柱15中设置对应于流体管道2的端部4的流体管道连接孔23，并且流体管道2的端部4容纳在其中，并且接合到角柱15，以便为通过热交换器1的内部容积的流体提供密封的流动通道。

在顶板18和底板17中提供对准孔隙20，以便于容易进行热交换器1的组装。孔隙20的尺寸和位置设置成对应于在角柱15和16的端部处提供的突起21和22。在每一角柱15的一端提供有中空突起22，提供有该中空突起22的一端对应于该角柱15的流体端口13(图1的实施例中的顶板18端)。在角柱15的相对的端以及角柱16的任一端提供实心突起21。虽然实心突起21不需要延伸超出顶板18或底板17的表面，但是可以优选地使得中空突起22更长，以便有助于将端口13组装到该突起22。中空突起22允许位于角柱15内的歧管和流体端口13之间的流体连通。

在一些优选实施例中，至少图2所示出的热交换器1的那部分在共同的钎焊操作中接合在一起。一般来说，钎焊操作通常包括将组装的金属部件加热到接近但小于金属的熔融温度的温度。熔融温度比基底金属低的钎焊合金在这种加热之前在那些各种部件之间需要接合处的区域中被施加到组件上，在高温下熔化并流动以在接合位置润湿金属表面。在组件冷却时，液化的钎焊合金凝固，在那些润湿的位置产生冶金接合处。已知各种钎焊合金组分用于不同的基底金属，例如钢、铝、铜及它们的合金。钎焊合金可以以各种形式提供，例如作为一个或多个部件上的镀层，作为糊状物，作为喷雾，作为单独的薄片，或以一些其它形式，根据待钎焊的基底金属而变化。如此处所用，术语“共同的钎焊操作”是指所示部件之间的接合处在相同的钎焊操作中制造而成。

在至少一些实施例中，热交换器1由奥氏体不锈钢材料构成，并且使用镍-铬钎焊合金进行钎焊。这种钎焊合金的非常薄的片材被组装在流体管道壁7和波纹翅片结构3的波峰或波谷之间。以糊状物的形式的钎焊合金被施加在流动管道连接孔23上和延伸穿底板17的对准孔隙20的对准突起21上。在将组件加热到钎焊温度时，钎焊合金回流以产生如前所述的钎焊接合处。在流体管道2和波纹翅片结构3之间提供的钎焊合金通过毛细作用流动，以额外地在流体管道2的相邻通道5之间形成接合处，提供更刚性和坚固的结构。热交换器1的附加部件可以在钎焊之后组装。例如，顶板18、侧板19和扩散器14可以焊接到合适的位置。流体入口和出口配件13可以提供为两部分配件，其中一个部件被焊接到顶板18合适的位置，并且另一个部件通过机械螺纹连接。然而，在一些实施例中，这些附加部件中的至少一些可以在钎焊操作中接合。

根据本发明的另一个实施例的热交换器101在图4中示出。热交换器101提供了优于热交换器1的某些优点，因为其更适合于在共同的钎焊操作中接合所有部件。热交换器101同样包括壳体110，在壳体110中限定了用于热气体通过的内部容积，热气体入口111布置在壳体110的一端部并且热气体出口112布置在壳体110的相对的端部。在某些实施例中(例如，当期望热气体横穿通过热交换器的偶数数量的通路时)，热气体入口111和热气体出口112可以布置在热交换器的共同的端部。仍在其它实施例中，热气体入口和/或出口布置在壳体110上除端部之外的位置上。

热交换器101还包括接合到壳体110的两个端口113。如稍后将更详细描述的，在端口113之间提供流体连接件，使得端口113中的一个可以用作流体入口，并且另一个端口113可以用作流体出口。根据应用的要求，热交换器101可以通过使位于最靠近热气体出口112的一个流体端口113用作流体入口而以逆流操作模式操作，或者通过使得位于最靠近热气体入口111的一个流体端口113用作流体入口而以并流操作。

热交换器101的壳体110包括在中心定位的在任一端接合到扩散器114的壳体圆筒124。流体连接件130接合到扩散器114，以提供流体端口113。

流体管道102在流体连接件130之间延伸，以提供穿过热交换器101的多个流体流动路径，用于将被通过其中的热气体加热的流体。如图5中最佳地示出，流体管道102再次为穿过壳体110的内部容积的流体限定了非平面流动路径。在示例性实施例中，提供了三个这样的流体管道102，但是应当理解，更多或更少的这样的流体管道102可以根据应用的需要来决定使用。

多个流动管道102被缠绕在一起成为圆柱形形状，使得每个流动管道102限定一螺旋状流动路径，所述螺旋流动路径穿过壳体圆筒124的主要部分。在这样做时，流体管道102的每个完全的360°盘旋限定了流动通路105，所述流动通路105用于基本上与穿过热交换器101的热气体成横向流动定向的流体。换句话说，当热气体流沿大致平行于壳体圆筒124的轴线的纵向方向移动时，穿过任何流动通路105的流体总是在大致垂直于该纵向方向的方向上移动。

在许多应用中，特别是那些其中沿着流体管道102移动的流体处于升压的应用中，期望具有尺寸小的流动通道，从而使得通过流体压力施加在流体管道102上的结构负载最小化。通过提供横截面为圆形的流动通道，使得管壁106的横截面为环形，可以进一步使这种结构负载最小化。无论流动通道的横截面是否为圆形，通道的尺寸可以通过其水力直径来量化，该水力直径被计算为流动面积的四倍除以湿周，并且具有长度单位。对于圆形通道，水力直径等于实际直径，而对于非圆形通道，水力直径是显示流动面积与湿周的当量比的圆形通道的直径。在本发明的一些优选实施例中，流体管道102具有不大于一毫米的水力直径。

然而，出于耐压目的而使通道的尺寸最小化的需求时常与为了便于将热量传递给穿过通道的流体而使通道壁的表面积最大化的需求冲突。随着通道尺寸减小，保持通道表面积需要增加通道的长度。然而，在固定容积内大幅度地增加通道长度是成问题的。通过使得流动通道具有相当小的横截面但是相当长的长度，热交换器101的非平面流体管道提供了对该问题的解决方案。每个流动通路105在纵向方向上仅占据热交换器101的长度的一小部分，并且对于每个流动管道102，许多这样的流动通道可以彼此串联地提供，以便能够实现必要长的通道长度。此外，相邻的流动通道105可以彼此直接并排放置，以实现紧凑性，而不阻挡热气体在流体管道壁106的表面上的流动。

热交换器101的设计通过允许流动通路105的总数(例如可用的总长度除以流体管道壁106的外部尺寸)在多个流体管道102中分布，而不影响可用于热传递的总表面积，提供了调整压降的灵活性。增加这种流体管道102的数量同时减少了每个管道的长度和管道中的流体速度，并且因此将导致所引起的压降的显著降低。如图7中最佳所示，流动通路105的最大数量可以通过使相邻的流动通路彼此直接接触来实现。这种紧凑的布置允许每个流动通路105被布置成基本上与废气流成横向流动定向，该废气流沿箭头109所示的方向(即，沿热交换器的纵向方向101)移动。当流体穿过流动通路105中的一个时，穿过管道102的流体流动的瞬时方向大致垂直于热气流的方向，但是由于倾斜角(θ)，它将稍微不同于真正的垂直布置。在一些优选实施例中，倾斜角θ不大于两度。

如图5所示的缠绕在一起的流动管道102的一个潜在缺点是，热气体流不可以利用管壁106的外表面的一部分来进行对流热传递，该管壁的该部分代替地与另一流动管道102的管壁106紧密接触。为了解决可能导致的对热传递的潜在有害影响，可以有利地在位于由流体管道102形成的圆柱的径向外侧的环内提供波纹翅片结构103a，并且在位于该圆筒径向内侧的环内提供波纹翅片结构103b。波纹翅片结构103a、103b最初可以形成为类似于图2的实施例的波纹翅片结构3的平面结构，并且随后可以形成为环形形状。波纹翅片结构103b的波峰和波纹翅片结构103a的波谷可以结合到管壁106，以便提供减小的热传递阻力，使得波纹翅片结构103a、103b可以有效地作为热气体的延伸的热传递表面。如前所述，每个波纹翅片结构限定了沿热交换器101的纵向方向(即，由箭头109指示的方向)延伸的一系列热气体流动通道108。

在本发明的一个实施例中，热交换器101的部件在一个钎焊操作中被组装和接合以形成完整的热交换器101。这种共同的钎焊操作在壳体110的部件之间、在流体管道102和流体连接件130之间以及在流体管道102和波纹翅片结构103a、103b(如果存在)之间产生必要的接合处。

为了组装热交换器101，波纹翅片结构103a形成为环形形状并插入到壳体圆筒124中。波纹状翅片结构103a的尺寸调整可以可选地在插入之后通过利用与波纹状翅片结构103a具有轻微过盈配合的圆筒机械地调整环形形状的内径来进行。这种尺寸调整操作产生的波纹翅片结构103a的内径更均匀，并且使得波纹的波谷稍微变平，以增加可用于波纹翅片结构103a和流体管道102之间的接合处的表面积。

已经缠绕成如图5所示出的圆柱形的流体管道102被插入波纹翅片结构103a的中心处。钎焊合金可以在插入流体管道102之前或在插入流体管道102的同时作为薄片被放置在波纹翅片结构103a和流体管道102之间。或者，钎焊合金可以作为喷雾或糊状物被施加在波纹翅片结构103a的波谷上，或施加在管壁106的外表面上或施加它们两者上。在具有相容性的金属合金的一些实施例中，钎焊合金可以作为镀层施加到一些金属表面上。

波纹翅片结构103b形成为环形形状并且插入由流体管道102形成的圆筒的中心。钎焊合金可以以类似于针对波纹翅片结构103a所描述的方式插入在波纹翅片结构103b的波峰与流体管道102之间。中心芯体128插入到波纹翅片结构103b的中心处，并且其尺寸可设置成与波纹翅片结构103b具有轻微的过盈配合，使得波纹翅片结构103b的波峰紧紧地压靠流体管道102。中心芯体128可以是实心圆筒或在一端或两端具有盖的中空圆筒。

在一些实施例中，可以优选地选择各种部件的具体合金组分以确保在钎焊时部件之间更好的结合。例如，壳体圆筒124可以由具有比内部部件的热膨胀系数略低的热膨胀系数的合金构成。当组件被加热到钎焊温度时，内部部件将比壳体圆筒124热膨胀更大的百分比，从而确保在旨在通过钎焊合金接合的部件之间保持紧密接触。作为一个非限制性示例，壳体圆筒124可以由409级铁素体不锈钢构成，而内部部件(例如波纹翅片结构103a和103b，流体管道102和中心芯体128)由316级不锈钢构成，所述316级不锈钢构的热膨胀系数大约为409级不锈钢的1.5倍。

在钎焊操作中流体管道102的端部104与流体连接器130的连接可能是特别成问题的。当钎焊合金在钎焊温度下液化时，流体管道102的小的内部尺寸使得它们特别容易被钎焊合金阻塞。在本发明的一些实施例中，流体连接器130已经设计成具有特定特征，以防止这种堵塞，并允许流体管道102在与待接合的其它部件的共同的钎焊操作中经济地接合到流体连接器130。

具体参考图8和9，所示出的流体连接件130包括具有可钎焊外表面的连接器主体135。连接器主体135可以例如由与壳体110的其余部分类似的合金构成。在连接器主体135内设置有与流体端口113连接的流体歧管131，流体端口113作为用于流体流的入口或出口。流体歧管要么用于将流体分配到多个流体管道102(在流体连接器130提供流体入口端口的情况下)或者要么从多个流体管道102接收流体(在流体连接器130提供流体出口端口的情况下)。多个流动管道进入通道133(每个对应于多个流体管道102中的一个)从连接器主体135的外表面延伸到流体歧管131。流动管道进入通道133的尺寸设定为稍大于管壁106的外部尺寸，使得钎焊合金可以在钎焊时通过毛细作用流动以填充间隙空间，从而将管壁106接合到连接器主体135上。在一些优选实施例中，流体管道102的管壁106和流动管道进入通道133的横截面均是圆形的，以便于组装并且促进均匀的钎焊接合处。

可以进一步在连接器主体135内提供钎焊合金腔132。钎焊合金腔在连接器主体135的外表面和歧管131之间的位置处与流动管道进入通道133中的每一个部分地相交。在连接器主体135的外表面上提供钎焊合金腔132的外部可进入的开口134。虽然示例性实施例将开口134放置在不同于与流动管道进入通道133相交的该表面的连接器主体135的外表面上，但在一些替代实施例中，它们可以是相同的外表面。然而，优选的是，钎焊合金腔132的开口134在连接器130组装到壳体110之后是可进入的。

在热交换器101组装时，并且优选地在热交换器101的部件的共同的钎焊操作之前，将扩散器114组装到壳体圆筒124上。如图9中最佳地示出，壳体圆筒124具有扩口端，其尺寸设计成容纳扩散器114的端部。优选地，在扩口端和扩散器114之间提供一些间隙，使得钎焊合金(例如，其可以以糊状物的形式施加在接合处)可以通过毛细作用吸到该间隙中，以在部件之间提供冶金接合处。在将扩散器114组装到圆筒124中时，流体管道102的端部104可以穿过壳体110的孔隙126，在这种情况下孔隙126在扩散器114内提供。

可以通过将流体管道102的端部104(其已经通过穿过孔隙126而可接近，以便处在壳体110的外部)插入相应的流动管道进入通道133中使得端部104驻留在歧管131内，而将流体连接器130组装到壳体110上。与此相应，连接器主体135的外表面设置为与壳体110的相应表面127靠近或抵靠。示例性实施例的相应表面127通过形成到扩散器114中的凹陷提供。在这些表面之间施加钎焊合金，使得连接器130可以在共同的钎焊操作中接合到壳体110，从而另外将孔隙126与外部环境封闭隔绝以防止热气体在操作时通过孔隙126泄漏。

在共同的钎焊操作之前，钎焊合金糊状物通过开口134分配到钎焊合金腔132中。优选地，钎焊合金糊状物在将流体管道102组装到流体连接器130之后进行分配，以便避免在流体管道102插入流体连接器130时糊状物堵塞敞开的端部104。最佳如图9所示，钎焊合金腔132定位成防止其被插入的流体管道102阻塞。流动管道进入通道133布置成使得所有这样的通道133的质心轴在一平面中对齐。钎焊合金腔132平行于该平面延伸，但是从该平面偏移，以确保腔132在其整个长度上不被完全阻塞，即使腔132的横截面小于流动管道进入通道133的横截面。这使得钎焊合金腔132保持足够小的内部容积，以避免过多的钎焊合金，否则会导致流体管道102的堵塞。

在本发明的一些实施例中，热交换器101使用如前所述的单个共同的钎焊操作制造，并且在钎焊之后，沿着入口和出口端口113之间的流体流动路径测试热交换器101的泄漏。由于沿着流体流动路径产生的仅有的接合处是在流体连接件130和流体管道102之间形成的那些，因此在泄漏测试指示了泄漏路径的情况下，可以通过将附加的钎焊合金糊状物(例如，具有比最初使用的钎焊合金糊状物略低的熔点的钎焊合金糊状物)引入钎焊合金腔132中并且重新钎焊热交换器101来修复热交换器101。在泄漏测试时没有指示泄漏路径的情况下，钎焊合金歧管开口134可以永久密封(例如通过焊接)，以进一步密封流体流动路径，防止可能的泄漏。当沿着该流动路径循环的流体如果发生泄漏而存在危险时，这种过程可以是特别有益的。

在本发明的一些优选实施例中，如图10所示出的，热交换器101的流体管道102在流动通路105和一个或两个流体连接件130之间提供有柔性部分125。可以通过使在波纹翅片结构103a、b和流体连接130之间延伸的流体管道102的长度显著大于它们之间的实际距离来提供柔性部分125。在一些实施例中，柔性部分125可以提供为超过流体管道102结合到波纹翅片结构的区域的螺旋轮廓的附加延伸部。例如，这种柔性部分125可以防止流体管道102和流体连接器130之间的钎焊接合处上的过度应力(作为热循环事件的结果)。

在本发明的一些实施例中，如图11所示出的，波纹翅片结构103a、b和管壁106之间的钎焊接合处的完整性可以通过添加布置在管壁106和波纹翅片结构103a、b之间的薄金属垫片129来改善。垫片129的存在可以防止钎焊合金损失到流体管道102的相邻通路105之间的缝隙中，这种损失可能导致剩余的用于波纹翅片结构103a、b和管壁106的结合的钎焊合金不足。金属垫片129在插入之前可以形成为圆柱形形状，并且钎焊合金可以作为单独的片、喷雾、涂层、镀层或其它形式在每个垫片129的任一侧上提供。在钎焊操作时，波纹翅片结构103a、b和管壁106以及金属垫片129被钎焊在一起以形成结合的单元。作为另外的益处，金属垫片可以部分地符合管壁106的表面，从而通过提供额外的侧向热扩散来减小穿过结合的接合处的热阻。

根据本发明的热交换器201的替代实施例在图12和图13中示出。热交换器201再次使用螺旋缠绕的流动管道202，但是避免使用波纹翅片结构。这种设计的优点在于降低了制造的复杂性和材料成本，尽管代价是由于缺少用于热气体的延伸的传热表面而导致每单位体积的传热减少。与图4-7的实施例相反，热交换器201的流动管道202相对于彼此移位，使得任两个螺旋轴线不重合。如图12中最佳地示出，流体管道202可布置用来填充壳体圆筒210(类似于先前描述的实施例的壳体圆筒110)的内部容积。这种布置基本上将流体管道202的整个外表面暴露于穿过热交换器201的气流，并且在流体管道202的重叠盘管之间提供用于热气体的多个流动通道。杆240延伸穿过螺旋盘管以便保持流体管道202的相对布置。每个这样的杆240位于由流体管道202限定的两个螺旋体的内部，并且位于另外两个螺旋体的外部，使得保持了四个流体管道202的定位。虽然图12和13的示例性实施例中的每一个具有四个流体管道202，但是应当理解，可以提供更多或更少的这种管道。通常，当存在杆240时，杆240优选地布置成使得每个杆240位于至少两个螺旋体的内部并且位于至少一个螺旋体的外部。

热交换器201的外壳体210通常可具有与热交换器101的外壳体110类似的设计，包括例如扩散器114和流体连接件130。在热交换器201内缺乏波纹翅片结构避免了产生除了流体管道202的端部和流体连接件130之间的接合处之外的内部的钎焊接合处的需要。这允许整个流体管道202是柔性的，实现了结构坚固的设计。

图4-6的实施例的中心芯体128的另外的结构在图14-15中示出，并且被标识为128'。如图14的分解立体图所示出的，中心芯体128'包括具有大致圆柱形形式的金属套筒301，套筒301的两端是敞开的。狭缝302沿着套筒301的长度纵向延伸。作为示例，套筒301和狭缝302可以通过锯切或切割管来形成，或者通过将平板形成为圆柱形而不接合自由边缘来形成，从而导致形成狭缝302。优选地，套筒301的外径略小于由波纹翅片结构103b的波谷形成的内径，使得套筒301在组装时容易地插入到热交换器的中心部分。

一旦套筒301已经插入，端盖303插入套管301的开口端，以使套管301径向扩张。这种径向扩张将芯体128'设置成抵靠波纹翅片结构103b的波谷，从而确保待钎焊的表面之间的良好接触。最佳如图15的局部剖视图所示出的，端盖303可以沿其周边提供一系列倾斜台阶304。随着端盖303被插入，倾斜台阶304沿径向方向逐渐地扩张狭缝套管301。套筒301的面向内的表面和台阶304之间的摩擦可以确保端盖303在钎焊操作中保持在套筒301内。

在一些实施例中，倾斜台阶304可以用具有足够小的角度的连续锥形表面来代替，以允许通过摩擦力保持端盖303。另外地或附加地，可通过使用一个或多个机械紧固件来保持端盖303的定位。以示例的方式，螺栓可以插入穿过在每个端盖303中提供的孔，并且螺母可以紧固到螺栓的螺纹端，以在插入后保持端盖的定位。在一些这样的实施例中，螺栓可以由具有比套筒更低的热膨胀系数的材料构造，使得端盖在钎焊过程中被进一步拉入套筒中，由此进一步扩张套筒以确保待接合的部件保持接触。在其它替代实施例中，端盖可以设计成在套筒301的长度的大部分上延伸，并且可以提供有斜面，该斜面参与并用作楔子，以在径向方向上扩大套筒301。

参考本发明的具体实施例描述了本发明的某些特征和元件的各种替代方案。除了与上述每个实施例相互排斥或相互违背的特征、元件和操作方式之外，应当注意，参考一个特定实施例描述的替代特征、元件和操作方式是适用于其它实施例的。

上面描述和在附图中示出的实施例仅以示例的方式给出，并且不意在作为对本发明的概念和原理的限制。因此，本领域的普通技术人员将理解，在不脱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各种改变。

Claims (44)

1.一种用于将热量从热气体传递到流体的热交换器，其包括：

两个或更多个波纹翅片结构，其限定了多个热气体流通道，所述多个热气体流动通道中的每一个沿大致直线的第一方向延伸；和

流体管道，其具有外壁，所述外壁至少部分地结合到所述波纹翅片结构中的至少两个波纹翅片结构上，并且限定了多个连续布置的流动通路，所述流动通路用于流体流过其中，该多个流动通路中的每一个沿大致垂直于第一方向的方向引导所述流体。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述流体管道的所述外壁具有环形横截面。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个连续布置的流动通路中的每一个相对于所述第一方向以一倾斜角定向，所述倾斜角不大于两度。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述两个或更多个波纹翅片结构包括第一波纹翅片结构、第二波纹翅片结构和第三波纹翅片结构，其中所述第一波纹翅片结构布置在所述第二波纹翅片结构和所述第三波纹翅片结构之间，所述多个流动通路中的连续通路以交替的方式布置在所述第一波纹翅片结构和第二波纹翅片结构之间、以及所述第一波纹翅片结构和第三波纹翅片结构之间。

5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述多个流动通路被布置成在所述第一波纹翅片结构和所述第二波纹翅片结构之间的流动通路的第一平面阵列中，以及被布置成在所述第一波纹翅片结构和第三波纹翅片结构之间的流动通路的第二平面阵列中，所述第一平面阵列和所述第二平面阵列中的每一个中的所述流动通路以并排关系布置，所述流动通路中的相邻流动通路至少部分地结合在一起。

6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述流体管道是第一流体管道，并且所述多个流动通路是第一多个流动通路，所述热交换器还包括第二流体管道，所述第二流体管道具有外壁，该外壁至少部分地与所述波纹翅片结构中的至少两个接合，并且限定了串联布置的用于所述流体流过其中的第二多个流动通路，所述第二多个流动通路中的每一个沿大致垂直于所述第一方向的方向引导所述流体，所述第一流体管道和所述第二流体管道提供了用于所述流体穿过所述热交换器的液压并联回路。

7.根据权利要求6所述的热交换器，其中，所述第二多个流动通路中的每一个邻近于并且至少部分地结合至所述第一多个流动通路中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述两个或更多个波纹翅片结构包括第一波纹翅片结构、第二波纹翅片结构、第三波纹翅片结构、第四波纹翅片结构和第五波纹翅片结构，其中，所述第一波纹翅片结构布置在第二波纹翅片结构和第三波纹翅片结构之间并且所述第四波纹翅片结构布置在所述第三波纹翅片结构和所述第五波纹翅片结构之间，所述第一多个流动通路中的连续的流动通路以交替的方式布置在所述第一波纹翅片结构和所述第二波纹翅片结构之间以及所述第一波纹翅片结构和所述第三波纹翅片结构之间，并且所述第二多个流动通路中的连续的流动通路以交替的方式布置在所述第三波纹翅片结构和所述第四波纹翅片结构之间以及所述第四波纹翅片结构和所述第五波纹翅片结构之间。

9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，所述第一多个流动通路被布置成在所述第一波纹翅片结构和所述第二波纹翅片结构之间的流动通路的第一平面阵列中以及在所述第一波纹翅片结构和所述第三波纹翅片结构之间的流动通路的第二平面阵列中，所述第二多个流动通路被布置成在所述第三波纹翅片结构和所述第四波纹翅片结构之间的流动通路的第三平面阵列中以及在所述第四波纹翅片结构和所述第五波纹翅片结构之间布置的流动通路的第四平面阵列中，所述第一平面阵列、第二平面阵列、第三平面阵列和第四平面阵列中的每一个中的所述流动通路以并排关系布置，所述流动通路中的相邻的流动通路至少部分地结合在一起。

10.根据权利要求1所述的热交换器，其还包括：

第一金属垫片，其插置在所述流体管道和所述波纹翅片结构中的所述至少两个波纹翅片结构中的第一个之间，所述第一垫片至少部分地结合到所述流体管道的所述外壁和所述波纹翅片结构上，以将所述流体管道的所述外壁结合到所述波纹翅片结构上；和

第二金属垫片，其插置在所述流体管道和所述波纹翅片结构中的所述至少两个波纹翅片结构中的第二个之间，所述第二垫片至少部分地结合到所述流体管道的所述外壁和所述波纹翅片结构上，以将所述流体管道的所述外壁结合到所述波纹翅片结构上。

11.根据权利要求10所述的热交换器，其中，所述第一金属垫片和所述第二金属垫片至少部分地与所述流体管道的所述外壁的形状一致。

12.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述两个或更多个波纹翅片结构包括：

第一波纹翅片结构，其形成为由第一内径和第一外径界定的环形形状，所述多个热气体流动通道的第一子集布置在所述第一内径和所述第一外径之间；和

第二波纹翅片结构，其形成为由第二内径和第二外径界定的环形形状，所述第二外径小于所述第一内径，所述多个热气体流动通道的第二子集布置在所述第二内径和第二外径之间，其中所述多个连续布置的流动通路布置在所述第二外径和所述第一内径之间。

13.根据权利要求12所述的热交换器，其中，所述流体管道是多个流体管道中的一个，所述多个流体管道中的每一个具有外壁，该外壁至少部分地接合到所述第一波纹翅片结构和所述第二波纹翅片结构，并且所述外壁限定了连续布置的用于流体流过其中的多个流动通路，所述多个流体管道提供了用于流体穿过热交换器的液压并联回路。

14.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述多个流体管道中的每一个的连续布置的所述多个流动通路限定了螺旋流动路径。

15.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述多个流动通路中的每一个邻近于并至少部分地结合至所述多个流体管道中的不同的一个的至少一个流动通路。

16.根据权利要求13所述的热交换器，其还包括：

壳体，其围绕所述两个或更多个波纹翅片结构和所述多个流体管道，所述壳体在热气体入口和热气体出口之间延伸；

第一流体连接器，其在第一位置处接合到所述壳体，所述第一位置在所述两个或更多个波纹翅片结构与所述热气体入口和热气体出口中的一个之间，所述第一流体连接器提供流体入口；和

第二流体连接器，其在第二位置处接合到所述壳体，所述第二位置在所述两个或更多个波纹翅片结构与所述热气体入口和热气体出口中的另一个之间，所述第二流体连接器提供流体出口，其中所述多个流体管道的每一个的一端接合到第一流体连接器入口，并且所述多个流体管道中的每一个的另一端接合到所述第二流体连接器，使得用于所述流体的液压并联回路在所述流体入口和所述流体出口之间延伸。

17.根据权利要求16所述的热交换器，其中，所述多个流体管道中的每一个包括柔性部分，所述柔性部分在所述波纹翅片结构与所述流体入口和所述流体出口中的一个之间，所述热柔性部分具有的长度基本上大于所述波纹翅片结构与所述流体入口和所述流体出口中的一个之间的距离。

18.根据权利要求12所述的热交换器，其还包括布置在所述第二内径内的中心芯体，其中所述中心芯体的外表面设置成与所述第二波纹翅片结构接触。

19.根据权利要求18所述的热交换器，其中，所述中心芯体包括：

大体圆柱形的套筒，其具有在所述中心芯体的纵向方向上延伸的狭缝；

第一端盖，其插入到所述套筒的第一开口端中；和

第二端盖，其插入到所述套筒的与所述第一开口端相对的第二开口端中，其中所述第一端盖和第二端盖的插入使所述套筒扩张，以使所述中心芯体的所述外表面被放置成与所述第二波纹翅片结构接触。

20.一种用于将热量从热气体传递到流体的热交换器，其包括：

壳体，其限定了所述热交换器的内部容积；

热气体流动路径，其从热气体入口延伸穿过所述壳体到热气体出口；

流体入口，其接合到所述壳体；

流体出口，其接合到所述壳体；和

多个流体管道，其延伸穿过所述内部容积，所述流体管道中的每一个限定了所述流体入口和所述流体出口之间的液压分离且连续的流动路径。

21.根据权利要求20所述的热交换器，其中，所述多个管道中的每一个限定了非平面流动路径。

22.根据权利要求21所述的热交换器，其中，所述非平面流动路径中的每一个在所述流动路径的长度的至少大部分上是螺旋的。

23.根据权利要求22所述的热交换器，其中，所述壳体限定了纵向轴线，每个所述非平面流动路径限定了平行于所述纵向轴线并偏离所述纵向轴线的螺旋轴线。

24.根据权利要求23所述的热交换器，其中，所述螺旋轴线中的每一个与所述纵向轴线间隔开共同的距离，并且其中任两个所述螺旋轴线不重合。

25.根据权利要求22所述的热交换器，其还包括多个杆，所述杆中的每一个位于螺旋体的至少两个的内部并且位于所述螺旋体的至少一个的外部。

26.根据权利要求20所述的热交换器，其中，所述壳体、所述流体入口、所述流体出口和所述多个流体管道在共同的钎焊操作中接合。

27.根据权利要求20所述的热交换器，其中，所述多个流体管道中的每一个具有不大于一毫米的水力直径。

28.根据权利要求20所述的热交换器，其中，所述壳体限定了所述热气体入口和所述热气体出口之间的长度尺寸，所述壳体在该长度尺寸的大部分上具有圆柱形形状。

29.根据权利要求20所述的热交换器，其中，所述壳体包括多个部件，其中所述壳体的所述多个部件、所述流体入口、所述流体出口和所述多个流体管道在共同的钎焊操作中接合。

30.根据权利要求20所述的热交换器，其中，所述流体入口包括用于所述多个流体管道的歧管，所述歧管位于所述壳体的外部。

31.根据权利要求20所述的热交换器，其还包括多个延伸表面，所述延伸表面沿着所述热气体流动路径布置，并且接合到所述多个流体管道，以促进将热量从所述热气体传递到所述流体。

32.一种用于热交换器的流体连接件，其包括：

连接器主体，其具有能够钎焊的外表面；

流体歧管，其位于所述连接器主体内；

外部可进入的端口连接件，其流体地耦接到所述流体歧管；

多个流动管道进入通道，其在所述外表面和所述歧管之间延伸；和

钎焊合金腔，其至少部分地与所述外表面和所述歧管之间的所述多个流动管道进入通道中的每一个相交。

33.根据权利要求32所述的流体连接件，其中，所述多个流动管道进入通道中的每一个在横截面上是圆形的。

34.根据权利要求32所述的流体连接件，其中，所述多个流动管道进入通道的质心轴在一平面中对齐，并且其中所述钎焊合金腔偏离该平面。

35.根据权利要求32所述的流体连接件，其中，所述多个流动管道进入通道在第一纵向方向上延伸，并且所述钎焊合金腔在垂直于所述第一纵向方向的第二纵向方向上延伸。

36.一种制造热交换器的方法，其包括：

在热交换器壳体内部布置多个流动管道；

使所述多个流动管道中的每一个的端部延伸穿过所述壳体的壁内的孔隙；

将所述端部插入连接器主体中；和

在共同的钎焊操作中，将所述多个流动管道接合到所述连接器主体，并将所述连接器主体接合到所述壳体。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述共同的钎焊操作密封所述孔隙，以防止在所述壳体的内部和所述壳体的外部之间穿过的泄漏路径。

38.根据权利要求36所述的方法，其还包括在所述共同的钎焊操作之前将钎焊糊状物放置到所述连接器主体的钎焊合金腔中。

39.根据权利要求38所述的方法，其还包括：

对所述多个流动管道和所述连接器主体之间的接合处执行泄漏测试；和

如果所述泄漏测试指示存在泄漏路径，则将另外的钎焊糊状物放置到所述钎焊合金腔中并且重新钎焊所述热交换器。

40.根据权利要求39所述的方法，其还包括：如果所述泄漏测试指示没有泄漏路径，则永久密封所述钎焊合金腔的开口。

41.根据权利要求36所述的方法，其中，所述壳体是多个部件，所述多个部件在共同的钎焊操作中接合在一起。

42.根据权利要求36所述的方法，其还包括：在所述热交换器壳体内部布置第一波纹翅片结构和所述第二波纹翅片结构，其中所述多个流体管道在所述共同的钎焊操作中至少部分地接合到所述第一波纹翅片结构和所述第二波纹翅片结构上。

43.根据权利要求42所述的方法，其还包括：

在所述多个流体管道和所述第一波纹翅片结构之间布置第一金属垫片；和

在所述多个流体管道和所述第二波纹翅片结构之间布置第二金属垫片，其中所述多个流体管道通过所述第一金属垫片至少部分地接合到所述第一波纹翅片结构，并且所述多个流体管道通过所述第二金属垫片至少部分地接合到所述第二波纹翅片结构。

44.根据权利要求42所述的方法，其还包括：

将大体圆柱形的套筒布置在所述热交换器壳体内部；和

将第一端盖和第二端盖插入到所述大致圆柱形套筒的相对的开口端中，以在共同的钎焊操作之前径向扩张所述套筒使其与所述第一波纹翅片结构和所述第二波纹翅片结构中的一个接触。