CN107614999A - 热交换器和热交换器箱体 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器，具有长方形的芯体，其具有在宽度方向上延伸的多个流体通道，和在所述流体通道之间交错的空气翅片。所述热交换器具有箱体，其定义在所述芯体的相对的端处的流体歧管，并通过在箱体之间的多个流体通道流体连接。每个所述箱体包含具有开放端部的挤压箱体段，和包围所述挤压箱体段的所述端部的端盖。所述箱体被组装并附接到所述芯体，使得每个端盖位于所述矩形芯体的四个角的每个角。

Description

热交换器和热交换器箱体
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年5月22日提交的美国临时申请号62/165，596的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
热交换器被用来将热能从第一温度(较高温度)的一股流体传递到第二温度(较低温度)的另一股流体。通常这样的热交换器被用于通过将热量传递到被引导至经过热交换器的冷空气流，而从诸如油、冷却剂等的过程流体中除去废热。
在某些应用中，待被冷却的过程流体也在显著大于热交换器周围的环境大气压力的操作压力下。作为结果，热交换器需要被设计成承受由经过热交换器的过程流体导致的压力。这可以是有挑战的，尤其是在热交换器被用在大型系统和机械，例如，建筑设备、农业机械等中的情况下。随着机器或系统的尺寸增大，过程流体的流率也增大，需要更大的热交换器来适应传热需求和流体流率。这样的更大的热交换器可能具有暴露于过程流体的压力下的相当大的表面区域，尤其是在箱体区域，并且作用于这些大表面的流体的压力可在热交换器结构中导致破坏性的机械应力。
本领域公知的这样的热交换器的一个例子如图1所示。热交换器101是条状和板式结构，并且能够用作例如挖掘机、轮式装载机、联合收割机等非公路车辆的油冷却器。由热交换器101冷却的油经过在热交换器芯体102中提供的多条通道，这些通道与用于在相对于油的交叉流动的方向上引导冷却空气经过芯102的通道交替。箱体103被提供在芯体102的任一端部，以将油引导向至芯体102或从芯体102引导出油，并且在每个箱体103提供入口/出口端口106以将热交换器101流体连接至油路。
箱体103的尺寸必须足够大，以便均匀地向各个通道分配油流。作为结果，在箱体内的相当大的表面区域暴露在油的典型高压下，并且必须被设计成能够承受这种压力。用于这种高压应用的典型箱体结构包含具有弧形(例如圆柱形)内部轮廓的挤压箱体段104，以均匀分配来自压力负荷的力。扁平端盖105被焊接至挤压箱体段104的端部以封闭箱体103的端部。这些扁平端盖105必须再设计，使得其厚度适合于承受在箱体103中的流体对其施加的压力。对于小批量制造，这样的箱体结构能够比加工铸铁箱体更经济。
即使当这样的热交换器已经设计成具有适用于承受预期应用的升高的操作压力的壁段，该作用在端盖上的力可能在换热器的剩余部分产生不希望的和有害的应力。因此，还有改进的空间。
发明内容
根据本发明的一个实施例，热交换器包含，矩形的芯体，其具有在宽度方向上延伸穿过芯体的流体通道和在所述流体通道之间交错的空气翅片。箱体端盖安装于所述芯体的四个角中的每一个处。第一和第二挤压箱体段安装在芯体的在宽度方向上的端部，其中第一挤压箱体段在箱体端盖中的第一和第二箱体端盖之间延伸并连接至第一和第二箱体端盖，并且所述第二挤压箱体段在箱体端盖中的第三和第四箱体端盖之间延伸并连接至第三和第四箱体端盖。第一挤压箱体段和第一和第二箱体端盖共同定义第一流体歧管，并且所述第二挤压箱体段和第三和第四箱体端盖共同定义第二流体歧管。所述流体通道提供在所述第一和第二流体歧管之间的流体通信。
在一些实施例中，流体通道中的至少一个在由第一和第二端盖之一定义的所述第一流体歧管的一部分与由所述第三和第四端盖之一定义的所述第二流体歧管的一部分之间延伸。
在一些实施例中，所述第一、第二、第三和第四箱体端盖均为相同的并且可替换的部件。
在一些实施例中，所述箱体端盖中的每一个提供所述热交换器的角安装部件。
根据本发明的另一实施例，一种用于热交换器的箱体端盖，包含第一开放平坦面，其具有通常矩形形状；第二开放平坦面，其被定向成垂直于所述第一开放平坦面，第一面和第二面共用一公共边缘。第二开放平坦面具有通常半圆形形状。内部容积通过所述第一和第二开放平坦面界定。
在一些实施例中，箱体端盖是用铝合金铸造的。在一些实施例中，箱体端盖包含安装孔，其延伸穿过箱体端盖。
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的热交换器的芯体的局部立体图。
图4是根据本发明的一些实施例的在图2的热交换器中使用的箱体的立体图。
图5是图4的箱体的分解立体图。
图6A和图6B是图4的箱体的端盖部分的立体图。
图7是表示图4的箱体中使用的挤压轮廓的平面图。
图8是根据本发明的一些实施例的在图2的热交换器中使用的箱体的部分立体图。
具体实施方式
在详细说明本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明不限于其应用于下列说明中所阐述的或在附图中示出的部件的构造和安排的细节。本发明能够具有其他实施方式或以多种方式实践或实施。同样，应当理解的是，在此使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应当被视为限制。“包含”、“包括”或“具有”及其变体的使用在此处意思是包含其后列出的条目及其等价物以及附加条目。除非另有规定或限制，术语“安装”、“连接”、“支持”和“联接”及其变体被广义地使用，并且包括直接和间接的安装、连接、支持和联接。另外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。
图2中示出本发明的热交换器1，并且热交换器1能够在用于诸如油冷却、发动机冷却液冷却、增压空气冷却等的高压应用的情况下提供相对于其他已知热交换器的耐久性优势。为了描述的目的，参照的热交换器1作为用于冷却发动机油的风冷式油冷却器，但是应当理解的是，本发明也能够在其他热交换器应用中找到适用性。
热交换器1是条状和板式结构，并且包含定义用于油流与冷却空气流的交替通道的钎焊的热交换器芯体2。如图3所示，芯体2是通过堆叠扁平隔板11形成的，该扁平隔板11通过长条9和短条10交替地间隔来定义交替的油通道8和空气通道7。长条9设置在热交换器1的相对的空气入口和出口面，由长条9界定的油通道8在热交换器宽度方向上延伸。短条10设置在热交换器1的相对的箱体端处，由短条10界定的空气通道7在热交换器深度方向上延伸，使得油通道8和空气通道7被配置成彼此垂直，形成错流换热方向。油插入件20被配置在油通道8中的隔板11之间，并且空气翅片21被配置在空气通道7中的隔板11之间。油插入件20和空气翅片21为其各自的流体提供通过额外的热交换器表面积实现的传热强化和流体紊流，以及为隔板提供结构支承以承受由流体施加的增压力。芯体2通过在堆叠的顶端和底端的侧板22界定。
短条10的平侧部、长条9的端部和隔板11的边缘以及侧板12的边缘在芯体2的每个箱体端共同形成通常平坦的壁13。入口和出口箱体3被焊接或另外连接至壁13来为流过油通道8的油提供入口和出口歧管装置。在图4-5中示出了代表性的箱体3，并且将参照这些图和图6-8更详细地描述箱体3。
为了承受由穿过热交换器1的油或其他加压流体施加的升高的压力，箱体3形成为焊接组件，最好是铝合金，尽管可以根据应用需求而使用其他金属替代。箱体3通常是盒状结构，其中三个侧面由挤压箱体段4提供，其轮廓在图7中所示。挤压箱体段4在纵向方向上延伸(在图5中由标记为“L”的双头箭头表示)并且包含一对间隔开的相对的侧面18，这对侧面18定义约等于热交换器芯体2的深度的箱体宽度，并由第三侧面19连接而形成盒状箱体的外围。流体入口或出口端口6延伸穿过侧壁18之一，尽管这样的端口6可以选择地延伸穿过侧壁19。圆柱表面16设置在箱体段4的内部并且沿长度方向L延伸，使得内部压力主要作为在箱体段4中的膜应力，而不是弯曲应力而被解决。当经过热交换器1的通道8的流体处于比环境压力显著升高的压力下，这样的结构可以为箱体3提供增强的耐久性。
挤压箱体段4的端部24通过一对端盖5盖住。端盖5优选地是类似于挤压箱体段4的合金的铸造部件，使得完整的箱体3可以通过冶金地连接(例如通过焊接)箱体段4和端盖5而制造。像这样将端盖5连接至箱体段4使得箱体3具有内部容积14来为油或其他流体提供需要的歧管装置。
端盖5具有第一开放面22(在图6A中以交叉阴影线方式示出)，其通常补充箱体4的挤压轮廓。像这样，面22通过半圆的弧形边缘定义，使得圆柱表面16连续至端盖5的长度。面22通过边缘25界定，其可以安置成直接抵接挤压箱体段4的端面24，并且焊接接头可以沿边缘25制造以将端盖5连接至端面24。
箱体3具有通常矩形外围边缘15，其界定箱体的开放端并且连接(例如焊接)至热交换器芯体2的面13，以在箱体与面13之间提供流体密封。矩形外围边缘15包含两个间隔与热交换器深度相对应的距离的长边缘，和两个间隔与热交换器总高度(即相对的侧板22之间的距离)相对应的距离的相对短的边缘。每个端盖5定义外围边缘15的短边缘之一和外围边缘15的两个长边缘的每一个的端部。作为结果，端盖5具有通过外围边缘15的这些部分定义的第二开放面23(在图6B中以交叉阴影线方式示出)。
第一开放面22和第二开放面23被定向成彼此垂直并且共享公共边缘29。应当理解的是，开放面22和23不是端盖5的物理面，而是代表端盖5的流体边界。此外，面22和23的公共边缘29不是物理边缘，而是由开放面22和23代表的两个流体边界的相交线。箱体内部容积14的一部分因此包含在每个端盖5中，并且通过这些开放面22和23界定。
通过将箱体3的圆柱表面16延伸入在箱体3的任一端的端盖5，挤压箱体段4在挤压方向(在图5中如“L”指示)上具有比热交换器1的总高度小的长度。箱体段4的长度小于热交换器的总高度的量通过对由端盖5提供的外围边缘15的长边缘的这些部分的延伸长度定义。可取的是，至少油通道8中的最外面的油通道通向由端盖5定义的箱体3的一部分。换句话说，在热交换器高度方向上的端盖5的尺寸优选至少等于短条10和长条9的组合高度。更优选的是，端盖5具有在那个方向上的至少是那个量的三倍的尺寸，使得在热交换器的每个端处的至少最外面的三个或多个油通道8通向由端盖5定义的箱体3的一部分。
众所周知，油冷却器、散热器、增压空气冷却器和其他在结构上与图1的热交换器101类似的热交换器容易具有由在箱体103内的升高的流体压力导致的故障。这种故障通常表现在箱体的端部，其中平坦的盖105遭受到由升高的压力导致的变形。相反的，本发明的铸造端盖5被认为是提供在箱体3的端部的改进的结构加固以改善这种压力敏感性。
安装部件12可以有利地与箱体端5结合，以向热交换器1提供在四个角的每一个处的结构安装位置。在附图中描绘的示例性实施例中，安装部件12包含在热交换器的深度方向上延伸穿过端盖5的圆柱孔。安装隔振器31可以从两端插入孔中，如在图8中所示。这样的安装隔振器31允许使用螺栓等(未图示)来实现热交换器1的安全结构附接，同时防止或抑制不良的冲击和/或振动传递到热交换器1。
隔振器31可以通过由钢或其他金属合金制造的刚性芯体32构造，刚性芯体32通过包胶注塑的弹性套筒33包围其长度的一部分。刚性芯体32具有中空的圆柱形形状，并且尺寸允许螺栓或类似的紧固件穿过。弹性套筒33的形状和大小与孔12的几何形状非常接近，使得隔振器31可以在其中被牢固地接收。抗旋转突出部35可以设置在弹性套筒33上并被容纳在端盖5的相应的槽部件30中，防止隔振器31在端盖5内旋转。隔振器31在弹性套筒33的盖部分34终止，盖部分34设置成在插入隔振器31时抵接端盖5的支持表面36。
隔振器31的刚性芯体32允许将热交换器1安全紧固至车辆框架或其他系统中。当热交换器1是一个比较大的尺寸，并且因此由于可以容纳在箱体3和流体通道8中的大量流体而具有非常大的重量时，这种安全安装特别需要。振动(例如能够由存在于车辆或系统内的发动机产生)通过弹性套筒33减弱，因此这些传递到热交换器1的不良振动减少。该振动的传递的减少可以增强热交换器1的耐久性寿命。
更优选的，端盖5是两侧对称的部件，因此，公共部件可以用在热交换器1的四个角的每一个。适应这样的单个部件的使用提供了规模经济并减少了热交换器1的整体费用。此外，公共端盖5可以用于不同高度的热交换器，由于箱体3的长度可以容易地通过调整将挤压箱体段4减少到的长度修改。这允许在热交换器尺寸上的极大的灵活性，由于热交换器1的整体高度另外容易通过增加或减少流体通道7、8的层数改变。
参照本发明的具体实施例，描述了本发明的某些特征和部件的各种替代。除了与上述各实施例相互排斥或不一致的特征、部件和操作方式之外，应当指出的是，参照一个具体实施例描述的其他特征、部件和操作方式适用于其他实施例。
如上所述的实施例和在图中所示的实施例仅通过示例给出，并且不打算作为本发明的概念和原则的限制。因此，具有通常本领域技术的人员会理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，部件及其配置和安排能够发生各种变化。

Claims (20)

1.一种热交换器，包括：
矩形的芯体，其具有在宽度方向上延伸穿过所述芯体的多个流体通道和在所述流体通道之间交错的空气翅片；
箱体端盖，其安装于矩形的芯体的四个角中的每一个处；
第一挤压箱体段，其安装在所述芯体的在所述宽度方向上的第一端，所述第一挤压箱体段在所述箱体端盖中的第一箱体端盖与第二箱体端盖之间延伸，并且连接至所述第一箱体端盖与所述第二箱体端盖；以及
第二挤压箱体段，其安装在所述芯体的在所述宽度方向上的第二端，所述第二端与所述第一端相对，所述第二挤压箱体段在所述箱体端盖中的第三箱体端盖与第四箱体端盖之间延伸，并且连接至所述第三箱体端盖与所述第四箱体端盖，
其中，所述第一挤压箱体段和第一和第二箱体端盖共同定义第一流体歧管，并且所述第二挤压箱体段和第三和第四箱体端盖共同定义第二流体歧管，所述多个流体通道提供在所述第一和第二流体歧管之间的流体通信。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，
所述多个流体通道中的至少一个在由所述第一和第二端盖中的一个定义的所述第一流体歧管的一部分与由所述第三和第四端盖中的一个定义的所述第二流体歧管的一部分之间延伸，并且其中，所述多个流体通道中的至少一个在由所述第一和第二端盖中的另一个定义的所述第一流体歧管的一部分与通过所述第三和第四端盖中的另一个定义的所述第二流体歧管的一部分之间延伸。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，
所述第一、第二、第三和第四箱体端盖均为相同的并且可替换的部件。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，
所述箱体端盖中的每一个提供所述热交换器的角安装部件。
5.一种用于热交换器箱体的箱体端盖，包括：
第一开放平坦面，其具有通常矩形形状；
第二开放平坦面，其被定向成垂直于所述第一开放平坦面并且与之共用边缘，所述第二开放平坦面具有通常半圆形形状；以及
内部容积，其通过所述第一和第二开放平坦面界定。
6.根据权利要求5所述的箱体端盖，其中，
所述箱体端盖是用铝合金铸造的。
7.根据权利要求5所述的箱体端盖，还包括：
安装孔，其延伸穿过所述箱体端盖。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，
所述第一挤压箱体段包含内圆柱表面，所述内圆柱表面在所述第一挤压箱体段的长度方向上延伸至第一端面和相对的第二端面，以在所述第一和第二端面上定义半圆形开口，并且其中，所述第一和第二箱体端盖各自包含延伸至定义半圆形边缘的盖面的内圆柱表面，其中，所述第一箱体端盖的所述半圆形边缘与所述第一端面的所述半圆形开口对齐，所述第二箱体端盖的所述半圆形边缘与所述第二端面的所述半圆形开口对齐以形成箱体。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，
所述第一箱体端盖的所述盖面接合所述第一端面并且所述第二箱体端盖的所述盖面接合所述第二端面。
10.根据权利要求9所述的热交换器，其中，
所述第一箱体端盖和所述第二箱体端盖中的每一个包含半圆形的斜切边缘，其中，所述半圆形的斜切边缘远离所述第一挤压箱体段的所述端面延伸以提供在所述第一挤压箱体段的所述端面与所述第一和第二箱体端盖之间提供间隙。
11.根据权利要求8所述的热交换器，其中，
所述第一和第二箱体端盖的所述内圆柱表面与所述第一挤压箱体段的内圆柱表面对齐，使得所述第一挤压箱体段的所述内圆柱表面延伸进入所述第一和第二箱体端盖。
12.根据权利要求8所述的热交换器，其中，
所述芯体包含在所述芯体的箱体端处的壁表面，所述壁表面围绕所述芯体的箱体端的外围延伸，并且其中，所述箱体包含接合所述壁表面的外围边缘。
13.根据权利要求12所述的热交换器，其中，
所述箱体包含邻近所述外围边缘的底部斜切边缘，所述底部斜切边缘远离所述芯体的箱体端延伸的，以在所述箱体与所述壁表面之间提供间隙。
14.根据权利要求8所述的热交换器，其中，
所述第一和所述第二箱体端盖各自具有端盖外围边缘部分，所述端盖外围边缘部分在横向于所述盖面的平面的平面上，其中，所述端盖外围边缘部分中的每一个在所述芯体的箱体端处与所述芯体的壁表面接合。
15.根据权利要求8所述的热交换器，其中，
所述第一和第二箱体端盖各自包含与所述盖面相对的盖端，所述盖端中的每一个具有凹槽。
16.根据权利要求15所述的热交换器，其中，
所述第一和第二箱体端盖各自包含至少一个安装部件。
17.根据权利要求16所述的热交换器，其中，
所述至少一个安装部件包含安置成围绕所述凹槽的两个臂。
18.根据权利要求13所述的热交换器，其中，
所述箱体在所述底部斜切边缘处焊接至所述芯体。
19.根据权利要求5所述的箱体端盖，其中，
所述箱体端盖包含盖端，并且其中，邻近于所述盖端的所述内部容积的横截面部分小于邻近于所述第二开放平坦面的所述内部容积的横截面部分。
20.根据权利要求5所述的箱体端盖，其中，
所述箱体端盖包含界定所述第二开放平坦面的面边缘，和界定所述第一开放平坦面的端盖外围边缘，其中，所述面边缘连接至所述端盖外围边缘以形成连续边缘。
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