CN106796089A - 带有加强的端头板的热交换器 - Google Patents

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CN106796089A CN201580035061.4A CN201580035061A CN106796089A CN 106796089 A CN106796089 A CN 106796089A CN 201580035061 A CN201580035061 A CN 201580035061A CN 106796089 A CN106796089 A CN 106796089A
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plate
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尤尔弗·伯格曼
阿诺德·孔泰
B-O·比耶松
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Titanx Engine Cooling Holding AB
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Abstract

本发明涉及一种热交换器(1)，其包括冷却剂壳体(10)和端头板(20)。端头板(20)通过包围边界(11)压接在冷却剂壳体的边界(11)的周围。端头板(20)设置有孔口(22)，每个孔口(22)接纳管(30)，管(30)用于引导来自封闭腔(50)的冷却剂或将冷却剂引导到封闭腔(50)。热交换器(1)还包括加强板(40)，加强板(40)在冷却剂壳体(10)的边界(11)上的两个相对的压接位置之间延伸，且加强板(40)在端头板(20)的关于封闭腔(50)的向外部分上延伸，其中加强板(40)在相对的位置处结合到端头板(20)的外表面部分，并且其中加强板(40)设置有包围由端头板(20)接纳的一个或多个管(30)的至少一个孔口(42)。

Description

带有加强的端头板的热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，且特别地涉及包括冷却剂壳体、端头板和用于从冷却剂壳体和向冷却剂壳体运送冷却剂的多个管的该类型的热交换器。本发明关注热交换器的加强，以便承受冷却剂壳体内的高压。
技术背景
热交换器用于各种应用中，例如空调、空气压缩机、燃气轮机、冰箱和汽车应用。用于汽车使用的热交换器可以是散热器或增压空气冷却器。
汽车和其它热交换器可以被构造成具有一对冷却剂壳体，这一对冷却剂壳体通过在冷却剂壳体之间引导冷却剂的芯部来连接。芯部通常由彼此相邻放置的多个管形成。管可以结合到端头板，端头板进而附接到冷却剂壳体。不同的部件通常被钎焊或焊接在一起。
以上例示的热交换器构造可用于冷却内燃机，其中发动机冷却剂循环穿过发动机缸体并且然后穿过热交换器，在那里冷却剂将热量传递给经过的空气。为了使穿过热交换器的空气流最大化，热交换器通常位于交通工具前部的空气吸入口处。
热交换器构造也可以设置在在发动机系统内，例如在涡轮增压器和发动机进气口之间，用于冷却空气。
冷却剂压力可以被控制。通过增加冷却剂压力，可以避免冷却剂的蒸发，并且冷却系统可以因此提高其冷却效率。但是，增加的冷却剂压力在系统的机械部件，例如热交换器上施加更高的压力。特别地，由于冷却剂压力重复地增加和降低，管、端头板和冷却剂壳体之间的连接部经受周期性应力。从长远来看，这可能导致冷却系统的疲劳和故障。对疲劳敏感的一个典型的区域是端头板与冷却剂壳体相互连接的连接部，因为波动的冷却剂压力导致相对弱的冷却剂壳体重复地改变尺寸，端头板必须适应这些改变。
该问题的一个解决措施是加强端头板以使其更刚性。JP126681提供了加强夹的示例，其设置在端头板上在管之间的位置处。夹的自由端被弯曲以遵循端头主体的形状并抵靠端头夹持。加强夹由设置在端头板上的接合单元保持。这些部分可以被钎焊到彼此。该解决措施需要改变端头板。此外，它需要复杂的装配过程，因为多个加强夹必须被定向且被安装在具有进入受限的空间内。
因此，在这些类型的热交换器中仍然存在关于提高部件的加强的需求。
发明概述
本发明的目的是提供一种改进的热交换器设计，特别是关于端头板的加强。
本发明的另一个目的是提供一种热交换器，其有利于生产过程并因此可以促进成本效率。
上述目的和其它目的通过根据权利要求1的热交换器实现。
当加压的冷却剂流动穿过封闭腔时，由于压力冷却剂壳体的壁趋于向外弯曲。特别地，侧壁趋于鼓胀。发明人已经发现冷却剂壳体和端头板之间连接部的部分，由于这种鼓胀，特别地经受疲劳。为了加固这种构造，提供了加强板。该加强板沿着端头板的端部部分结合到端头板，该端部部分包围冷却剂壳体的边界的自由边缘部分和外侧表面部分之间的角部。因此加固和加强了上面提到的弱的部分以提高其对疲劳的抵抗力。当热交换器被加压时，加强板限制冷却剂壳体关于端头板的位移。
不管加强板的设计如何，端头板可以以标准化的方式设计和制造，而不用考虑特定应用所需的加强。此外，加强板的装配可对装配线产生很小的影响。
加强板可以以与热交换器的其余部件相同的材料制成，即通常为铝合金。这意味着在结合热交换器的所有部件时通常使用的完全相同的钎焊工艺中，钎焊的均匀连接部可以沿着所有的接触面在加强板和端头板之间形成。因此，不需要额外的结合步骤，凭此加强板可以容易地集成在装配线中。
另外的特征和优点通过在所附的权利要求中公开的实施方案实现。
在一个实施方案中，加强板结合到由加强板的孔口围绕的一个或多个管。这增强了热交换器的整体刚性且进一步减小了与疲劳相关的故障的风险。
在另一个实施方案中，加强板可以布置成提供加强板和由加强板的孔口围绕的一个或多个管中的每一个之间的间隙。该特征可以是优选的，以便提供部件的易装配性。此外，由于间隙，公差变得不那么重要，从而有利于加强板的生产和加强板的装配。
无论加强板是否结合到管或提供加强板和管之间的间隙，加强板的孔口可以围绕仅一个管或围绕多个管。
在一个实施方案中，由冷却剂壳体的边界界定的开口是长形的。在这种情况下，加强板被布置成在冷却剂壳体的边界的长侧上的两个相对位置之间延伸。已经发现，沿着冷却剂壳体的边界的长侧的端头板的加强提供给热交换器整体加强，并且还提供了提高的扭转刚度。当加强板沿着长侧的中心区域定位时，情况尤其如此。
在一个实施方案中，管以多个平行的行布置。每行包括多个管。这些行在边界的长侧的方向上延伸。在这样的实施方案中，加强板可以布置成围绕每行中的至少两个相邻的管。通过该构造，加强板可以沿着任意多的沿长侧的管延伸。
附图简述
将参考示意性附图详细地描述本发明。
图1是符合本发明的典型热交换器的三维视图。
图2是根据第一实施方案冷却壳体和热交换器的芯部的一部分的视图。
图3是图2中构造的分解图。
图4a是朝向图2中构造的开口部分的侧视图。
图4b是沿图4a中的线A-A截取的横截面图。
图5a是朝向图2中构造的短侧的侧视图。
图5b是沿图5a中的线B-B截取的横截面图。
图6是根据第二实施方案冷却壳体和热交换器的芯部的一部分的视图。
图7是图6中构造的分解图。
详述
在图1中示出用于冷却剂和空气之间热交换的热交换器1。为了说明的目的，热交换器用本发明的加强板实现。热交换器1可以是用于在发动机冷却系统中使用的散热器或增压空气冷却器。冷却剂在由两个相对的冷却剂壳体10和在壳体之间延伸的多个管30形成的封闭系统中循环。该公开的实施方案提供有多个竖直地布置的管30。但是应当理解，具有所保持的功能的管可以水平地布置。管在至少一行中并排布置。可以提供多个平行的行，每行包括多个管。
端头板20附接到每个冷却剂壳体10以形成封闭腔。管30通过端头板上的孔口连接到封闭腔。
在操作期间，空气被允许从管30旁通过。为了优化热交换，管30设计成提供相对于其体积的大的面积。为了进一步提高热交换面积，可以在独立的管30之间布置华夫形(waffled)薄金属片70。也可以提供扰流器(turbulator)构件。
管30和端头板20优选地由金属例如铝制成。但是应当理解，也可以使用其它类型的材料。在铝的情况下，铝优选地是提供了有利于钎焊的表面处理的类型。
冷却剂壳体通常由塑料、复合材料或金属制成。
制造上述类型的钎焊式热交换器的典型工艺可简要说明如下：多个管被堆叠成具有或不具有形成华夫形薄金属材料的中间间隙。通过在该多个管的自由端的顶部上布置两个相对的端头板，将堆叠的多个管保持在一起。管被布置成这样延伸，其自由端穿过相对的端头板上的孔口。为了溶解不可避免的铝的自然表面氧化物，所得到的堆叠构造被彻底地去油且提供有焊剂(fluxing agent)。随后堆叠构造被进给穿过烤炉，在其中堆叠构造的所有连接表面被钎焊在一起以形成刚性的单元，该单元具有沿着所有接触表面的均匀的钎焊连接部。最后冷却剂壳体被布置在每个端头板的顶部并连接到每个端头板。冷却剂壳体通常通过端头板上的凸缘被夹紧在合适的位置，凸缘夹紧冷却剂壳体的外周边界。在结合冷却剂壳体和端头板之前在冷却剂壳体和端头板之间布置垫圈。所得到的夹紧的连接部通过如此压缩的垫圈的反作用力将实现流体密封。因此，提供了闭合的流体密封的系统，该系统允许流体从第一冷却剂壳体，经由多个管朝向第二冷却剂壳体的闭合循环。
在图2中示出形成热交换器1的流体侧的长形构造2的一部分的第一实施方案。该示出的部分形成长形构造2的端部。该部分被示出为截断以有利于理解该设计。该横截面代表构造2的沿着图1中冷却剂壳体10的任一个的任何部分。
构造2包括冷却剂壳体10、端头板20和多个管30。应当理解，这些部件可以采取在所附的权利要求的范围内的多种形式。
通过端头板20覆盖冷却剂壳体10的开口，冷却剂壳体10和端头板20形成封闭腔50。通过将管30的自由开口端布置成穿过端头板20延伸到封闭腔50，管30与封闭腔50连通。
本发明由加强板40界定。加强板40沿着端头板20的外表面布置且至少部分地与端头板20的外表面接触。外表面指的是背朝封闭腔50的表面。
现在将参考图3和图4a-4b公开本实施方案中的不同部件的结构细节以及其彼此的附接。
从冷却剂壳体10开始，冷却剂壳体10包括顶壁16和从顶壁16延伸的侧壁17。顶壁16和侧壁17界定冷却剂壳体10的碗形内部腔。侧壁17的端部形成外周边界，该边界界定冷却剂壳体10的开口。在该实施方案中，边界11是沿着冷却剂壳体10的周边在从封闭腔向外的方向上延伸的外周边沿。不言而喻，边界11可以具有在本发明的范围内的多种不同的设计。
冷却剂壳体10还设置有冷却剂进口或出口18。该进口/出口18布置成连接到非闭合的冷却剂循环系统。
冷却剂壳体10的开口由端头板20覆盖，以用于将冷却剂壳体10的封闭腔50隔开。提供端头板还用于连接管30，使得管30与封闭腔50连通。为此，端头板20设置有孔口22。每个孔口22接纳管30的自由开口端。
重要的是，端头板20和冷却剂壳体10之间的附接是密封的以便防止泄漏。为此，端头板20布置成压接(crimp)冷却剂壳体10的边界11。该压接通过端头板20的从主要部分21延伸的端部部分23在边界11上两个相对的位置处包围边界11的内侧表面部分12、自由边缘部分13、外侧表面部分14和外上表面部分15来实现。更准确地，端头板20沿着两个相对长的侧和沿着两个相对的短的侧压接边界11。因此，在该实施方案中，端头板20布置成在至少两个相对的位置处围绕边界压接。
在本发明的范围内的冷却剂壳体10的内侧表面部分12指的是边界11的构成冷却剂壳体10的内部包络表面的延长部分的表面部分。冷却剂壳体10的内部包络表面面向封闭腔50。
在本发明的范围内的冷却剂壳体10的外侧表面部分14指的是边界的构成冷却剂壳体10的外部包络侧表面的延长部分的表面部分。冷却剂壳体10的外部包络表面背朝封闭腔50。
在本发明的范围内的冷却剂壳体10的自由边缘部分13指的是边界的位于冷却剂壳体10的内部包络表面和外部包络表面之间的表面部分。
在本发明的范围内的边界的外上表面部分15指的是边界的背朝端头板20的表面部分。
包围指的是端头板20的端部部分23遵循冷却剂壳体10的表面部分，但是端头板20的端部部分23不必沿着冷却剂壳体的全部表面部分邻接该表面。因此，只要实现不漏流体的密封，端头板20的端部部分23和冷却剂壳体10的外侧表面部分14之间的接触沿着冷却剂壳体10的周缘可以是连续的或不连续的。必要时可以布置中间柔性密封。
在该公开的实施方案中，端头板20的端部部分23邻接边界11的两个相对的表面部分，该表面部分是内侧表面部分12、外侧表面部分14和外上表面部分15，以实现压接效果。应当理解，压接效果可以通过端头板20和其端部部分23的不同的构造来实现。例如，端头板20在每个相对的位置处可以包围仅自由边缘部分13和外侧表面部分14以使边界11的相对的位置朝向彼此挤压。换句话说，端头板20可以具有和夹子一样的形式和功能。对本领域的技术人员来说其它的构造也是明显的。
端头板20包括包围边界11的外上表面部分15的端部翼板24。该特征加强压接且因此进一步增加端头板20和冷却剂壳体10之间连接部的紧固性。通过布置在端头板20和边界11之间的未公开的垫圈，这种垫圈将通过压接被压缩，并且来自压缩的垫圈的反作用力将确保不漏流体的连接部和防止任何显著的移动。
在操作期间，当加压的冷却剂流动穿过封闭腔50时，由于压力冷却剂壳体10趋于向外弯曲。特别地，侧壁17趋于鼓胀。该弯曲通常是循环的，这意味着随着时间推移存在疲劳的风险。发明人已经确定端头板20上的两个弱的部分，其在高的冷却剂压力下特别地经受疲劳应力。第一部分是在主要部分21和端部部分23的第一部分之间的角部C1，端部部分23的该第一部分包围冷却剂壳体10的内侧表面部分12并且因此包围冷却剂壳体10的内部包络表面部分。第二部分是在端部部分23中的角部C2，角部C2包围冷却剂壳体10的自由边缘部分13和冷却剂壳体10的外侧表面部分14(即冷却剂壳体10的内部包络表面部分)之间的角部。此外，已经认识到，由于边界11在向外方向上被挤压，端部部分23的沿着冷却剂壳体10的外侧表面部分14(即外部包络表面部分)延伸的部分趋于向外弯曲。即使端部部分23不破裂，其将随着时间推移经受消耗，结果是压接变松因此使冷却剂壳体10和端头板20之间的连接部不密封。还存在循环应力导致端头板20和管30之间的钎焊连接部疲劳的风险。
为了加固这种设计，本发明提供了加强板40。加强板40包括形成底部的主要部分41和至少两个相对的端部部分43。
加强板40由冲压金属板形成，且优选地由与端头板20和管30相同的材料制成以有利于其之间的结合。
加强板40布置在端头板20的外表面上，且在冷却剂壳体10的边界11的两个相对的压接位置之间延伸。
至少在两个位置处：在边界11上的每一个压接位置处的一个位置，加强板40与端头板20接触并结合到端头板20。更准确地，加强板40布置成接触端头板12的端部部分23中的每一个并结合到端头板12的端部部分23中的每一个。连接部沿端部部分23的至少这样的部分被布置，该部分包围冷却剂壳体10的自由边缘部分13和边界11的外侧表面部分14之间的角部C2。
通过将加强板40结合到端头板20的该特定的部分，上面提到的弱的角部C1和角部C2被加固和加强，以增加其对由于冷却剂壳体10中高循环压力引起的疲劳的抵抗力。当冷却剂壳体10被加压时，加强板40限制端头板20和冷却剂壳体40的位移。受到限制的位移减小了冷却剂壳体10、端头板20和管30以及这些部件之间所有连接部上的应力。
加强板40的端部部分43是弯曲的以遵循端头板20的端部部分23的曲率。加强板40也可以沿着其它部分结合到端头板20。在该公开的实施方案中，存在通过示例形式的沿着加强板40的主要部分41和端头板20在端头板20和加强板40之间的连接部。
加强板40的相对的端部部分43的高度H可以变化。作为最低限度，加强板40应围绕端头板20的角部C2和至少沿着端头板20的端部部分23的部分延伸。然而，其不必一定具有与端头板20的端部部分相同的高度和延伸。
加强板40包括孔口42。在公开的实施方案中，每个孔口42围绕单个管30。在本发明的范围内的术语围绕指的是管30位于孔口42内，但管30不一定邻接加强板40，如将进一步示出的。但是在该实施方案中，加强板40布置成与每个管30接触并结合到每个管30。该特征增强热交换器的扭转刚度，且这样可以进一步增加相关的角部C1和角部C2的加强。
在该公开的实施方案中，孔口42具有外周边沿42a，该外周边沿42a为管30提供额外的支撑和接触表面。端头板20包括类似的外周边沿22a。
在端头板20和加强板40之间的接触表面中的连接部优选地是钎焊的均匀连接部，该连接部以与之前公开的当钎焊组成图1中热交换器的堆叠部件时使用的工艺步骤相同的工艺步骤形成。
在图5a中示出图2中构造2的朝向短侧端部的二维视图。在图5b中示出沿着线B-B截取的剖面图。
加强板40在冷却剂壳体10的边界11的长侧上的被端头板20压接的两个相对的位置之间延伸。当冷却剂壳体10的开口具有长形延伸，该长形延伸具有显著超过热交换器的厚度的长度时，加强板40的这种定位可以是有利的。已经发现，沿着冷却剂壳体10的边界11的长侧、特别是沿着长侧的中心区域的端头板20的加强提供了热交换器的强有力的加强。中心区域指的是加强板40围绕不位于长侧的端部(即邻近边界11的短侧)的管30。
在其它实施方案中(未公开)，加强板40也可以在冷却剂壳体10的边界11的短侧上的两个相对的位置之间延伸。
在图6和图7中示出形成热交换器1的流体侧的构造3的一部分的第二实施方案。与第一实施方案中示出的部件类似的部件设置有相同的参考编号。
构造3包括加强板60，加强板60具有与加强板40的第一实施方案略微不同的构造。加强板60包括形成底部的主要部分61和从主要部分61延伸的两个相对的端部部分63。
加强板60以与第一实施方案中的方式类似的方式结合到端头板。换句话说，加强板60结合到端头板20的端部部分23中的每一个。连接部沿着端部部分23的至少这样的部分被布置，该部分包围边界11的自由边缘部分13和外侧表面部分14之间的角部C2。类似于第一实施方案，端部部分63是弯曲的以遵循端头板20的端部部分23的曲率。
加强板60设置有孔口62。与第一实施方案相反，每个孔口62包围一对相邻的管30。在该实施方案中，管30位于多个行中，在示出的情况中是两行。这些行平行定位。每行包括多个管30。构造3的示出的部分示出每行中有三个管3。每行在边界11的长侧的方向上延伸，边界11提供冷却剂壳体10的长形开口。
加强板60在相邻的行中围绕相邻的管30。此外，单个加强板60设置有多个孔口62，该多个孔口62沿着行一起围绕多个管30。
加强板60区别于第一实施方案的加强板40还在于其不结合到管30。相反地，加强板60布置成在加强板60和被孔口62围绕的管30中的每一个之间提供间隙。该特征可以是优选的，以便有利于部件的装配。此外，加强板60的孔口62的公差可以被赋予减小的重要性。
上述两个公开的实施方案例示了在本发明的范围内是可行的加强板40和60的各种设计。不管加强板40、60的设计如何，端头板20可以以标准化的方式设计和制造，而不用考虑待被使用的加强板40、60的类型。
加强板可以在热交换器的装配期间被选择和添加，而对装配线的影响很小。
应当理解，多个加强板40、60可以沿着端头板20并排布置。加强板40、60可彼此接触地并排布置或被布置成具有中间距离。
通过以与热交换器的其余部分，冷却剂壳体除外，完全相同的材料制造加强板40、60，冷却剂壳体通常由塑料制成，加强板40、60不需要单独的结合步骤，但将在常规的钎焊步骤中被钎焊到与其接触的相邻元件上。此外，由于是与端头板20和管30相同的材料，加强板40、60将与热交换器的其余部分一起热移动，不导致对钎焊连接部的额外的应力。
应当理解，如上所公开的本发明的实施方案可以在所附的权利要求的范围内以不同的方式改变。例如，孔口42和62的数量及其几何形状可以根据管的类型及其几何形状而变化。另一个示例是边界可以采用任何合适的形式。应当理解，根据本发明的加强板可以用于任何类型的热交换器中，其中冷却剂壳体通过压接、钎焊、焊接或类似方式附接到端头板。

Claims (12)

1.一种热交换器，包括：
冷却剂壳体(10)，其具有界定开口的边界(11)；
端头板(20)，其布置成覆盖所述开口；
其中所述端头板(20)通过包围所述边界(11)上的至少两个相对位置处的自由边缘部分(13)、外侧表面部分(14)和外上表面部分(15)压接所述冷却剂壳体(10)的所述边界(11)；
由此用于冷却剂的封闭腔(50)通过所述冷却剂壳体(10)和所述端头板(20)被界定；并且
其中所述端头板(20)设置有孔口(22)，每个孔口(22)接纳管(30)，所述管(30)用于引导来自所述封闭腔(50)的冷却剂或将冷却剂引导到所述封闭腔(50)；
所述热交换器还包括：
加强板(40、60)，其在所述冷却剂壳体(10)的所述边界(11)上的两个相对位置之间延伸，并且所述加强板(40、60)在所述端头板(20)的关于所述封闭腔(50)的外侧上延伸；
其中所述加强板(40、60)在所述相对位置中的每一个处结合到所述端头板(20)的包围所述边界(11)的所述自由边缘部分(13)和所述外侧表面部分(14)之间的角部的外表面部分；并且
其中所述加强板(40、60)设置有围绕由所述端头板(20)接纳的一个或多个所述管(30)的至少一个孔口(42、62)。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述加强板(40)结合到由所述加强板(40)的孔口(42)围绕的一个或多个管(30)。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述加强板(60)布置成提供在所述加强板(60)和由所述加强板(60)的孔口(62)围绕的一个或多个管(30)中的每一个管之间的间隙。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中所述加强板(40)的至少一个孔口(42)中的每一个孔口围绕由所述端头板(20)接纳的仅一个管(30)。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中所述加强板(60)的至少一个孔口(62)中的每一个孔口围绕由所述端头板(20)接纳的多个管(30)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热交换器，
其中由所述边界(11)界定的所述开口是长形的；并且
其中所述加强板(40、60)布置成在所述边界(11)的长侧上的两个相对位置之间延伸。
7.根据权利要求6所述的热交换器，
其中所述管(30)以多个平行的行布置，每行包括多个管(30)；
其中所述行在所述边界(11)的长侧的方向上延伸；并且
其中所述加强板(40、60)围绕每行中的至少两个相邻的管(30)。
8.根据权利要求6或7中任一项所述的热交换器，其中所述加强板(40、60)布置在所述端头板(20)的相对于所述边界(11)的长侧的中心区域。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的热交换器，
其中所述管(30)具有长形横截面并且以相同定向布置，并且
其中所述加强板(40、60)沿着所述管(30)的长侧延伸。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器，其中所述加强板(40、60)通过钎焊结合到所述端头板(20)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的热交换器，其中所述端头板(20)还包围所述边界(11)上的所述两个相对的位置中的每一个处的内侧表面部分(12)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的热交换器，其中所述冷却剂壳体(10)包括顶壁(16)和从所述顶壁延伸的侧壁(17)，所述顶壁(16)和所述侧壁(17)界定所述冷却剂壳体(10)的碗形内部空间。
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