CN108603729A - 热交换器和用于热交换器的芯 - Google Patents

Abstract

一种热交换器和用于热交换器的芯，该热交换器包括具有两个芯部段的热交换器芯，每个芯部段具有冷却剂流动通道。安装托架布置在芯部段之间，接合到每个芯部段。用于热交换器芯的壳体包括接合在一起以限定空气流动路径的多个壳体部段。安装托架被固定在多个壳体部段之间。

Description

热交换器和用于热交换器的芯

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年2月9日提交的美国临时专利申请第62/292,894号的优先权，该申请的全部内容以引用方式并入本文。

背景技术

增压空气冷却器与涡轮增压内燃发动机系统一起使用。在这样的系统中，来自燃烧排气的剩余能量通过排气膨胀涡轮被回收，并且回收的能量被用于压缩或“提升”正被供应给发动机的进入空气(称为“增压空气”)的压力。这提高了发动机的工作压力，从而增加了热效率并提供了更大的燃料经济性。

使用排气来压缩增压空气通常会导致空气温度显著升高。由于至少两个原因，这种温度增加可能是不希望的。首先，空气的密度与其温度负相关，因此当空气温度升高时，在每个燃烧循环中进入燃烧气缸的空气质量的量时较低的，导致发动机输出降低。其次，不希望的和/或有害的排放物如氮氧化物的产生随着燃烧温度的增加而增加。内燃发动机的排放水平受到严格控制，经常需要将进入燃烧室的空气的温度控制在相对接近环境空气温度的温度。结果，使用增压空气冷却器来冷却增压空气已经成为涡轮增压发动机的常见现象。

在一些应用中，使用液体冷却剂(例如发动机冷却剂)来冷却增压空气。使用液体冷却剂来冷却增压空气的增压空气冷却器可以直接安装到发动机上，并且在某些情况下可以直接位于发动机的进气歧管内。这种布置通常需要被安装在空气处理外壳内的金属热交换芯。将热交换芯固定在外壳内会带来挑战。在某些情况下，例如授予Brost等人的美国专利第8,016,025号中所示，整个芯通过外壳的大开口插入，并且芯的顶板密封该开口。然而，适当地密封这样一个大的开口可能是有问题的，并且仍然有改进的空间。

发明内容

根据本发明的一个实施例，用于热交换器的芯包括布置成形成第一堆叠部段的第一多个板对、布置成形成第二堆叠部段的第二多个板对以及布置在第一堆叠部段和第二堆叠部段之间的安装托架。冷却剂流动通道延伸穿过第一多个板对和第二多个板对中的每个板对。空气流动通道在相邻的板对之间延伸。安装托架包括接合到第一堆叠部段的终端的第一面，以及接合到第二堆叠部段的终端的、与第一面相反的第二面。

在一些实施例中，第一堆叠部段在堆叠方向上延伸第一高度尺寸。第二堆叠部段在堆叠方向上延伸第二高度尺寸，并且第一高度尺寸大于第二高度尺寸。在一些实施例中，第一高度尺寸与第二高度尺寸的比率不大于四。

在一些实施例中，第一和第二流体歧管延伸穿过第一堆叠部段。第一多个板对的冷却剂流动通道在第一和第二流体歧管之间提供流体连接。第三和第四流体歧管延伸穿过第二堆叠部段。第二多个板对的冷却剂流动通道在第三和第四流体歧管之间提供流体连接。在一些实施例中，第一和第三流体歧管彼此对准，并且在这些实施例中的一些实施例中，第一和第三流体歧管通过安装托架彼此直接流体连通。在一些实施例中，第二和第四流体歧管彼此对准，并且在这些实施例中的一些实施例中，第二和第四流体歧管通过安装托架彼此直接流体连通。

在一些实施例中，延伸穿过第一多个板对的冷却剂流动通道与延伸穿过第二多个板对的冷却剂流动通道流体平行。

在一些实施例中，每个板对包括第一成形板，其接合到第二成形板。第一堆叠部段还包括接合到安装托架的第一面的第一成形板中的另一个。第二堆叠部段包括接合到安装托架的第二面的第二成形板中的另一个。在一些这样的实施例中，第一和第二流体歧管延伸穿过第一堆叠部段、安装托架和第二堆叠部段。板对的冷却剂流动通道提供流体歧管之间的流体连接。附加的冷却剂流动通道布置在安装托架和接合到安装托架的成形板之间，并且在歧管之间提供附加的流体连接。

根据本发明的另一个实施例，一种用于在空气流和冷却剂之间传递热的热交换器包括接合在一起以限定穿过热交换器的空气流动路径的第一和第二壳体部段。第一热交换芯部段接纳在第一壳体部段内，并提供第一多个冷却剂流动通道。第二热交换芯部段接纳在第二壳体部段内，并提供第二多个冷却剂流动通道。安装板布置在第一和第二热交换芯部段之间并接合到第一和第二热交换芯部段。安装板的一部分固定在第一和第二壳体部段之间。

在一些实施例中，第一和第二热交换部段以及安装板是整体钎焊结构的一部分。在一些实施例中，安装板是平板。

在一些实施例中，第一和第二壳体部段由塑料材料形成。在一些这样的实施例中，壳体部段通过焊接过程接合。在一些实施例中，在焊接过程中形成的至少一些焊缝延伸穿过安装板。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的热交换器的透视图。

图2是图1的热交换器的部分分解透视图。

图3是根据本发明的另一个实施例的用于热交换器的芯的正视图。

图4是用于在图3的热交换芯中使用的板对的分解透视图。

图5是图3的热交换芯的部分分解透视图。

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，本发明的应用并不限于下列描述中提出或附图中示出的部件的具体构造和布置方式。本发明能够具有其他实施例，并且能够以多种方式实践或实施。另外，应当理解，本文所用短语和术语是用于说明的目的，而不应看作是进行限制。本文对“包括”、“包含”、或“具有”及其变型的使用旨在涵盖其后所列的项目及其等同物以及附加的项目。除非另行指定或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广义地使用且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械的连接或联接。

图1和2描绘了根据本发明的实施例的热交换器1。这种热交换器1可以特别地用作燃烧发动机系统内的增压空气冷却器，用于(仅作为示例)诸如汽车的车辆中。在这种应用中，压缩空气流(通常称为“增压空气”)在被输送到发动机的燃烧室之前温度降低，以便降低发动机排气中存在的环境有害污染物的浓度。

热交换器1包括壳体3。在一些特别有利的实施例中，例如图1和2所描绘的示例性实施例中，壳体3可以另外用作发动机的进气歧管的一部分，将压缩空气流分配到各个单独的燃烧室。压缩空气通过入口4被接收到热交换器1中，入口4流体联接到压缩机，例如涡轮增压器。涡轮增压器从发动机的排气流中回收否则被浪费的能量，利用这些能量来压缩进入的燃烧空气。压缩空气的较高密度增加了燃烧过程的功率输出，从而提高了发动机的整体能量效率。通过冷却压缩空气可以进一步提高能量效率，压缩空气在被压缩时通常会经历显著的温度升高。

热交换器1的壳体3还包括布置在热交换器1的热传递部段下游的多个空气出口5。在示例性实施例中，提供了三个这样的出口5。然而，应当理解，这种出口的数量可以根据应用的需要而变化。在一些应用中，更多的出口5可能是期望的，而在其他应用中，单个出口5或一对出口5可能是同样期望的或更期望的。在热交换器3用作发动机进气歧管的一部分的情况下，空气出口5的数量可以与发动机的燃烧气缸的数量相匹配，使得每个空气出口5将总空气流的一部分引导至相等数量的燃烧气缸。以这种方式，热交换器可以同时冷却压缩的增压空气，并且将其在燃烧气缸之间大致均匀地分配。

热交换芯2设置在壳体3内，以在通过热交换器1的压缩空气流和冷却剂之间传递热量。冷却剂通常是液体冷却剂，例如乙二醇和水的混合物。在一些情况下，可以使用替代类型的冷却剂，例如制冷剂。热交换芯被构造成提供大致密封的冷却剂流动路径和大致开口的空气流动路径，使得在入口4和(多个)出口5之间通过的空气经过芯2的热交换表面。

图2-5所示的示例性实施例的热交换芯2被构造为整体钎焊结构。在一些特别优选的实施例中，热交换芯2的部件具有铝合金构造，提供了轻质且易于钎焊的设计。冷却剂的流动通道设置在板对13内，板对13与褶皱状空气翅片14以交替的堆叠布置提供。板对13中的单个板对在图4中显示为分解组件。板对13包括第一成形板15和第二成形板16，它们在其周边密封地接合。成形板15和16的凹进部分协作以限定冷却剂通过板组件13的流动路径，该路径大体由箭头26表示。入口和出口孔口30设置在板15、16的隆起区域18中，以允许流体流入和流出板对13。

设置在板15、16上的面向内的成形特征23保持必要的间距，以允许冷却剂流过板组件13，以及在用作板组件13的冷却剂入口的那些孔口30和用作冷却剂出口的那些孔口30之间建立冷却剂流的路线。冷却剂可以被引导以在U形路径中流动，以提供冷却剂对于板对13的两次通过，如示例性实施例中所示。或者，通过将入口和出口孔口30布置在板的相对端，可以实现对于板组件的单次通过。在另外的实施例中，成形特征可以被布置成提供冷却剂对于板对13的两次以上的通过。某些成形特征23的形状和位置也可以被优化，以实现期望的冷却剂流的湍流，从而提高热传递速率。

在示例性实施例中，板15的成形特征23对应于板16的成形特征，使得两个板的成形特征直接邻接并彼此接合。在其它实施例中，可能希望至少一些成形特征23替代地延伸冷却剂通道的整个高度并直接接合相对板的平坦成形壁。在任何情况下，板15和16各自提供面向外的、大致平坦的壁29，布置在相邻的板对13之间的褶皱状翅片14可以固定到该壁上。成形凸片27和28可以可选地设置在板15、16中的一个或两个上，以在将芯2接合成整体结构之前，辅助保持褶皱状翅片14在相邻板对13之间的相对定位。

插置在板对和空气翅片的堆叠体内的是安装托架7，其用于将热交换芯2分成两个单独的热交换部段2A和2B，这两个热交换部段布置在安装托架7的两侧。安装托架7被构造为具有适当厚度的大致平坦的金属板，从而提供用于将热交换芯2固定在壳体3内的结构支撑。如图3中最清楚所示，安装托架7在芯2的长度方向上在任一侧上延伸通过板对和空气翅片的堆叠体。安装托架7的这些延伸允许安装托架7与壳体3接合，以将芯2固定在壳体3内。

安装托架7具有第一平表面20和与表面20相反的第二平表面21。具有板对13和褶皱状翅片14的子集的第一热交换部段2A被设置为在一个终端处接合到平表面20的堆叠体。类似地，具有板对13和褶皱状翅片14的另一子集的第二热交换部段2B被设置为在一个终端处接合到平表面20的堆叠体。

如图2的分解组装图中最清楚所示，壳体3可以由第一壳体部段3A和第二壳体部段3B构成。第一壳体部段3A和第二壳体部段3B在配合表面24处接合，配合表面24可以是(但不必是)平表面。在一些特别优选的实施例中，壳体部段3A和3B是模制的塑料部件，以实现轻质壳体，该壳体可以被构造成具有用于安装芯和集成在其中的气流管理系统的必要特征。在这样的实施例中，壳体部段3A、3B可以通过各种接合技术在配合表面24处接合，包括胶接、超声波焊接、振动焊接、机械紧固件等。在其它实施例中，壳体部段3A、3B可以由不同的材料构成，例如铸铝，其可以被类似地接合。在示例性实施例中，芯部段2A接纳在壳体部段3A内，且芯部段2B接纳在壳体部段3B内。

两个热交换部段2A和2B可以包括不同数量的重复层的板对13和褶皱状空气翅片14。在示例性实施例中，第一热交换部段2A具有七个板对13，而第二热交换部段2B仅具有三个这样的板对13。结果，芯部段2A的高度可以不同于芯部段2B的高度。通过安装托架7的放置，可以选择两个芯部段的相对高度，以将两个壳体部段3A、3B的配合表面24定位在期望的位置。可能特别希望将安装托架7定位成稍微靠近热交换芯2的中部，使得芯部段2A在堆叠方向上的高度不超过芯部段2B在堆叠方向上的高度的四倍，反之亦然。

壳体部段3A、3B优选地构造有内壁表面，该内壁表面在热交换芯2的前述长度方向上与板对和空气翅片的堆叠体的范围紧密一致。以这种方式，可以避免或最小化热交换器芯周围不希望的空气旁通以及由此产生的未冷却空气从热交换器1的输送。延伸部11设置在壳体部段3A、3B的侧面，以容纳安装托架7的延伸部。延伸部11设置有平面座置表面25，当壳体部段3A和3B接合在一起时，该平面座置表面25邻接安装托架7的表面20和21。开口12可以可选地设置在安装托架7中，并且相应的凸台31可以设置在一个或两个壳体部段的座置表面25上，以提供热交换芯2在壳体3内的精确对准和保持。可以在每个开口12内在壳体部段之间产生接头(例如通过超声波焊接)，以便通过使至少一些焊缝延伸穿过安装托架7来进一步固定芯2。

每个芯部段2A和2B中相邻的一个板对13的隆起特征18接合在一起以形成冷却剂歧管17，如图5的部分分解视图中最佳所示。延伸穿过板对13的每个冷却剂流动路径由此流体连接到歧管17，使得冷却剂可以从流体歧管17中的一个接收到板对中，并且在已经穿过板对13并且从穿过褶皱状翅片14的受热空气接收热量之后可以返回到另一流体歧管17。孔口19设置在安装托架7中，并且大致对应于孔口30，以允许冷却剂歧管17延伸热交换芯2的整个高度。以这种方式，穿过热交换部段2A的冷却剂流动路径布置成与延伸穿过热交换部段2B的冷却剂流动路径流体平行。

为了确保通过靠近安装托架7的那些褶皱状翅片14的空气得到充分冷却，可能还希望直接在安装托架7的位置处提供冷却剂流动路径。在示例性实施例中，如图5所示，这是通过在直接接合到安装托架7的表面20的芯部段2A的终端处提供附加成形板16，并且通过在直接接合到安装托架7的表面21的芯部段2B的终端处提供附加成形板15来实现的。由此提供了两个半高的冷却剂通道，在安装托架7的两侧各一个。这两个板15、16中的每一个板的成形特征23可以直接邻接并接合到成形板7，以便为冷却剂提供间隔。此外，可以穿过安装托架7设置孔口22，以允许安装托架7任一侧上的冷却剂之间的连通。这种连通通道可以确保冷却剂的更好分布。可以选择孔口22的形状以优化冷却剂连通，同时仍然为成形特征23提供附接表面并保持安装托架7的结构完整性。

热交换芯2的相对端在一端用顶板8覆盖，在另一端用底板9覆盖。冷却剂端口10设置在用顶板8覆盖的端部，并且流体连接到冷却剂歧管17。冷却剂端口10延伸穿过壳体3中的相应开口24，以允许流体连接到冷却剂系统。通过使用O形环或其它已知的密封解决方案，可以防止空气通过开口24的不希望的泄漏。

虽然冷却剂端口10示出为从热交换芯2的一端延伸，但是在一些替代实施例中，端口可以布置在相对端处。如果希望其中一个芯部段的冷却剂流动路径与另一个芯部段的冷却剂流动路径流体串联布置，则这种替代布置可能特别有益。这种流动布置可以通过移除与用作入口端口的冷却剂端口10相对应的一个孔口19来实现。接收到热交换芯中的流将仅分配到被设置在安装托架7的与入口端口10相同侧上的两个芯部段中的一个芯部段中的那些冷却剂流动路径。在穿过这些板对之后，冷却剂流被收集在相对的歧管17中，歧管17延伸穿过安装板的孔口19。冷却剂因此可以从该歧管17被引导到另一个热交换部段的板对中，并且可以通过连接到另一个歧管17的出口端口10从芯2移除。

在另一些实施例中，孔口19可以被完全去除，使得延伸穿过芯部段2A的冷却剂流动路径与延伸穿过芯部段2B的冷却剂流动路径完全分离。这样的实施例允许使用两种不同的冷却剂，来自压缩空气的热量可以被排出到这些冷却剂。冷却剂端口10可以设置在热交换芯2的每一端，以提供每种冷却剂进出该芯2的单独的入口和出口。

参照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不一致的特征、元件和操作方式之外，应当注意，参照一个特定实施例描述的替代特征、元件和操作方式适用于其它实施例。

以上描述和附图中示出的实施例仅作为示例给出，并不旨在限制本发明的概念和原理。因此，本领域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，元件及其构型和布置的各种改变是可能的。

Claims (20)

1.一种用于热交换器的芯，包括：

第一多个板对，其被布置成形成第一堆叠部段，冷却剂流动通道延伸穿过所述第一多个板对中的每个板对并且空气流动通道在所述第一多个板对中的相邻板对之间延伸；

第二多个板对，其被布置成形成第二堆叠部段，冷却剂流动通道延伸穿过所述第二多个板对中的每个板对并且空气流动通道在所述第二多个板对中的相邻板对之间延伸；和

安装托架，其被布置在所述第一堆叠部段和所述第二堆叠部段之间，所述安装托架包括被接合到所述第一堆叠部段的终端的第一面和被接合到所述第二堆叠部段的终端的、与所述第一面相反的第二面。

2.根据权利要求1所述的芯，其中，所述第一堆叠部段在堆叠方向上延伸第一高度尺寸，并且所述第二堆叠部段在堆叠方向上延伸第二高度尺寸，所述第一高度尺寸大于所述第二高度尺寸。

3.根据权利要求2所述的芯，其中，所述第一高度尺寸与所述第二高度尺寸的比率不大于四。

4.根据权利要求1所述的芯，还包括：

第一流体歧管和第二流体歧管，其延伸穿过所述第一堆叠部段，所述第一多个板对的所述冷却剂流动通道在所述第一流体歧管和第二流体歧管之间提供流体连接；和

第三流体歧管和第四流体歧管，其延伸穿过所述第二堆叠部段，所述第二多个板对的所述冷却剂流动通道在所述第三流体歧管和第四流体歧管之间提供流体连接。

5.根据权利要求4所述的芯，其中，所述第一流体歧管和第三流体歧管对准，并且所述第二流体歧管和第四流体歧管对准。

6.根据权利要求5所述的芯，其中，所述第一流体歧管和第三流体歧管通过所述安装托架彼此直接流体连通。

7.根据权利要求6所述的芯，其中，所述第二流体歧管和第四流体歧管通过所述安装托架彼此直接流体连通。

8.根据权利要求1所述的芯，其中，所述安装托架包括平板。

9.根据权利要求1所述的芯，其中，延伸穿过所述第一多个板对中的每个板对的所述冷却剂流动通道与延伸穿过所述第二多个板对中的每个板对的所述冷却剂流动通道流体平行。

10.根据权利要求1所述的芯，其中，所述第一多个板对和第二多个板对中的每一个包括被接合到多个第二成形板中的一个的多个第一成形板中的一个，所述第一堆叠部段包括不属于被接合到所述安装托架的所述第一面的板对的所述多个第一成形板中的另一个，并且所述第二堆叠部段包括不属于被接合到所述安装托架的所述第二面的板对的所述多个第二成形板中的另一个。

11.根据权利要求10所述的芯，还包括：

第一流体歧管和第二流体歧管，其延伸穿过所述第一堆叠部段、所述安装托架和所述第二堆叠部段，所述第一多个板对和第二多个板对的所述冷却剂流动通道提供在所述第一流体歧管和第二流体歧管之间的流体连接；和

附加的冷却剂流动通道，其布置在所述多个第一成形板中的所述另一个和所述安装托架之间以及所述多个第二成形板中的所述另一个和所述安装托架之间，所述附加的冷却剂流动通道提供所述第一流体歧管和第二流体歧管之间的附加的流体连接。

12.根据权利要求10所述的芯，其中，所述安装托架包括多个孔口，其延伸穿过所述安装托架以在被布置在所述多个第一成形板中的所述另一个和所述安装托架之间以及所述多个第二成形板中的所述另一个和所述安装托架之间的所述冷却剂流动通道之间提供流体连通。

13.一种用于在空气流和冷却剂之间传递热的热交换器，包括：

第一壳体部段和第二壳体部段，其接合在一起以限定穿过所述热交换器的空气流动路径；

第一热交换芯部段，其被接纳在所述第一壳体部段内，第一多个冷却剂流动通道延伸穿过所述第一热交换芯部段；

第二热交换芯部段，其被接纳在所述第二壳体部段内，第二多个冷却剂流动通道延伸穿过所述第二热交换芯部段；和

安装托架，其被布置在所述第一热交换芯部段和第二热交换芯部段之间并被接合到所述第一热交换芯部段和第二热交换芯部段，所述安装托架的一部分被固定在所述第一壳体部段和第二壳体部段之间。

14.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述第一热交换部段、所述第二热交换部段和所述安装托架是整体钎焊结构的一部分。

15.根据权利要求14所述的热交换器，其中，所述第一壳体部段和第二壳体部段由塑料材料形成。

16.根据权利要求15所述的热交换器，其中，所述第一壳体部段和第二壳体部段通过焊接过程被接合。

17.根据权利要求16所述的热交换器，其中，在所述焊接过程中形成的至少一些焊缝延伸穿过所述安装板。

18.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述安装托架包括平板。

19.根据权利要求13所述的热交换器，其中，所述第一多个冷却剂流动通道和第二多个冷却剂流动通道在第一流体歧管和第二流体歧管之间延伸，所述第一流体歧管和第二流体歧管各自延伸穿过所述第一热交换芯部段、所述第二热交换芯部段和所述安装托架。

20.根据权利要求19所述的热交换器，还包括：

第一冷却剂端口，其接合到所述第一热交换部段和第二热交换部段中的一个，并且流体连接到所述第一流体歧管以向所述第一流体歧管输送冷却剂流；和

第二冷却剂端口，其接合到所述第一热交换部段和第二热交换部段中的一个，并且流体连接到所述第二流体歧管以从所述第二流体歧管接收冷却剂流，其中，所述第一冷却剂端口和第二冷却剂端口各自延伸穿过所述第一壳体部段和第二壳体部段中的一个。