CN109791022A - 包括用于减轻温度变化的装置的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器，其包括在诸如空气的第一流体和诸如液体的第二传热流体之间进行热交换的至少一个束(2)以及用于接收所述热交换束的框架(3)，所述框架至少部分地覆盖所述热交换束，其中，所述束包括多个板(12)，所述多个板形成用于所述第二传热流体的流通管线的部分，板堆叠且两个相邻板之间具有间隔，所述间隔允许流动通过该束的第一流体通过。根据本发明，提供了至少一个热存储装置(28)，其形成用于减轻温度变化的装置并且配置成在所述热交换束(2)的其中一个板(12)附近容纳相变材料。

Description

包括用于减轻温度变化的装置的热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，彼此进行热交换的流体通过该热交换器流通。本发明更具体地涉及一种板式热交换器，第一流体在该板式热交换器中流通以有助于加热和/或冷却通过该交换器的第二流体。
背景技术
这种类型的热交换器具有提供在两个流通流体之间的热交换的功能。因此，热交换器允许通过与传热的第二流体的热交换来冷却或加热第一流体，该第一流体例如空气。根据流体的性质，热交换器可以是空气/空气或空气/液体类型。空气/液体交换器的热性能通常好于空气/空气交换器的热性能，因为将选择具有高于空气的热容量的传热液体。
在汽车工业领域中，车辆的热流和能量流的热管理或控制旨在优化车辆运行中的每个阶段的发动机温度，以及车辆内部区域的加热和冷却。为了实现这一点，使用了复杂的温度控制和调节设备。
在机动车辆内燃机的特定领域中，增压空气的热管理通过操作被称为“增压空气冷却器”或“CAC”、也称为“水增压空气冷却器”或“WCAC”的空气/液体热交换器获得。通过压缩而升温的增压空气通过液体传热制冷剂的作用在进入发动机汽缸之前被冷却。然而，在发动机冷起动阶段期间，可需要在增压空气进入发动机之前加热发动机的增压空气。在那种情况下，热交换器的操作是反向的。则热交换器不再用于冷却，而是用于使用传热流体加热增压空气，该传热流体经由热加热回路被加热。
取决于要执行的应用，传热流体的若干状态温度的控制产生许多和各种温度变化。这些被称为热冲击的热现象使热交换器承受高机械应力。在包括由多个堆叠板构成的热交换芯束的板式热交换器的情况下，所涉及的流体的温度的快速变化在一个板或一组板内产生不同的伸长。这些伸长导致制造板的材料逐渐疲劳，并且可进行直到导致它们破裂，从而导致容纳在板内的传热流体泄漏。
发明内容
本发明的目的是创建一种克服上述缺点的热交换器。为此，本发明提出了一种能够通过限制温度尖峰和/或温度梯度来减轻大的温度变化的热交换器。本发明还涉及一种用于制造所述热交换器的方法，该热交换器包括用于减轻温度变化的装置。
由此，本发明的一个主题是一种热交换器，其包括至少一个热交换芯束以及用于接收该热交换芯束的框架，所述热交换芯束在诸如空气的第一流体和诸如液体的传热第二流体之间进行交换，所述框架至少部分地覆盖所述热交换芯束，所述芯束包括多个板，所述多个板形成用于所述传热第二流体的流通的管道的部分，板堆叠且两个相邻板之间具有间隔，以便为通过芯束的所述第一流体留下通道。根据本发明，所述热交换器包括至少一个热存储装置，其配置成在芯束的其中一个板附近容纳相变材料。
形成用于减轻温度变化的装置的热存储装置可以包括由导热材料(优选金属材料)制成的壳体，所述壳体的壁界定中空的内部腔室，所述内部腔室填充有所述相变材料。可以特别规定，用于制造热存储装置的壳体的导热材料是铝。
可以规定，接收相变材料的接收壳体相对于所述热交换芯束的板根据所述板的伸长方向至少在所述板的其中一个端部处布置。
根据本发明的一个特征，接收相变材料的接收壳体有利地至少在热交换芯束的其中一个端部处布置，以便与传热第二流体进行热交换。
根据本发明的另一特征，可以规定，热存储装置与热交换芯束的一个或多个板直接热接触。
所述设备还可以包括一个或多个以下特征，其单独或组合地被考虑：
-所述热存储装置由接收所述热交换芯束的接收框架的其中一个壁形成，特别地由热交换芯束的接收框架的纵向端壁形成；
-所述热存储装置在与接收热交换芯束的接收框架分开制造的直立部中形成到其中一个壁，直立部附接至所述壁并固定在至少一个所述板附近；
-所述相变材料可以包括含有无机化合物的材料，所述无机化合物例如有机盐和水的合金；
-所述相变材料可以包括含有有机化合物的材料，所述有机化合物诸如石蜡和脂肪酸；
-所述相变材料可以包括含有共晶化合物的材料；
-所述相变材料可以包含含有植物来源化合物的材料；
-所述相变材料以液体形式结合到所述内部腔室中；
-所述相变材料以聚合复合材料的形式结合到所述内部腔室中，特别是以片的形式；
-所述相变材料的相变温度为50℃至100℃；
-所述相变材料的临界点温度为70℃；
-所述相变材料的热吸收速率和热释放速率为30至180秒。
本发明还涉及一种用于制造如刚刚阐述的热交换器的方法，在该方法中，或者通过构造热交换芯束的接收框架的壁或者通过将附接部件钎焊到接收框架来制造用于接收相变材料的壳体，所述接收壳体例如通过组装两个冲压件来制造，在该两个冲压件之间限定内部腔室，该内部腔室中容纳相变材料，所述壳体在其至少一个壁上具有至少一个填充孔，然后，相变材料经由填充孔沉积在接收壳体的内部腔室中，并且填充孔通过粘接或者替换地通过拧上盖子而被密封。
附图说明
本发明的其它特征和优势将通过阅读以下以非限制性说明性示例给出的描述和通过研究附图变得更清楚地显见，在附图中：
-图1是根据本发明第一实施例的热交换器的各部件的透视图，其中用于减轻温度变化的装置布置在热交换芯束的接收框架的端壁中；
-图2是图1的热交换器的侧视图，特别地使得可以看到热交换芯束由多个堆叠的板和多个插置在这些板之间的翅片形成；
-图3是图2的细节，其示意性地描绘了热交换器的危险区域，在该热交换器中，板在流体温度快速变化时易于破裂，所述用于减轻温度变化的装置布置在该危险区域中；以及
-图4是类似于图2的侧视图，其示出了实施例的替代形式，其中，所述用于减轻温度变化的装置布置在相应热交换器的不同区域中。
具体实施方式
在这些附图中，基本相同的元件具有相同的附图标记。
本发明涉及一种热交换器，在该热交换器中布置有至少一个用于减轻温度变化的装置，该装置由包括至少一种相变材料的热存储装置形成。
图1描绘了板式热交换器1的第一示例性实施例，其中，热交换芯束2布置在接收框架3内，该接收框架3具有由底壁4、顶壁6、以及两个侧向端壁(近端壁8和远端壁10)限定的盒子的形式，所述近端壁8和远端壁10将所述底壁和顶壁在其彼此面对的纵向端部处连接在一起。
热交换芯束2包括交替堆叠的多个板12和多个翅片14，翅片14在堆叠的板12中形成通道，使得空气可以跨过所述芯束通过。
接收框架3至少部分地覆盖所述热交换芯束2。接收框架3的顶壁6和底壁4平行于当芯束2容纳在框架中时板12的伸长方向从收集器16面向彼此地延伸，流体入口/出口管17和18通入到该收集器16中，所述流体入口/出口管17和18分别允许液体进入热交换芯束2以及允许该液体在从一个板流通到另一板之后离开。该框架3在侧部敞开以留下用于空气的通道，该空气通过与从一个板流通到另一板12的液体的热交换而被加热或冷却。为此，板由面向彼此定位的两个片12a、12b(图1中可见)形成，并且这两个片在它们之间限定内部回路20，在该内部回路20中，液体在一个柱和另一柱之间被夹带，该液体在板内部从一个纵向端部流动到另一个纵向端部，如图1所描绘的堆叠结构的顶板上所示。每个板12在一个纵向端部处由远端壁10支承并在相对的纵向端部处由近端壁8支承。每个板包括一对孔21，它们分别与凸缘22侧接，凸缘22从板的相应面背离地延伸出来，所述板堆叠成使得凸缘22的连结部形成定位在入口/出口管17和18的延续部中的两个液体流通柱23，液体交替地通过流通柱23和在板内部流通。
可以理解的是，翅片14形成第一流通通道，其允许第一流体(特别是空气)通过热交换器，而板12和它们的夹带回路20在热交换芯束内部限定用于传热第二流体的第二流通通道。在热交换器1是应用于增压空气冷却器的被称为WCAC的所谓的“空气-水”型交换器(即，其中第一流体(空气)与传热第二流体(水)进行热交换的交换器)的情况下，水优选是冷却回路的水，通常是含有乙二醇的水。
在沿这些板流通的液体温度突然变化的情况下，板的纵向端部处的区域——即被称为“板的头部”的区域24和被称为“板的脚部”的区域26——代表板12的脆弱区域。
如图1所示，诸如空气的第一流体沿热交换芯束2的横向方向沿着由翅片14形成的第一通道(箭头F1和F2)通过，并且经由入口管17(箭头F3)到达交换器并经由出口管18(箭头F4)离开交换器的第二流体沿着第二通道、主要是纵向地、从收集器16流通到相对的远端壁10。因此，两种流体的流通是以交叉流发生的。当到达交换器的热空气(箭头F1)要被冷却以使其冷着离开(箭头F2)时，冷液体(箭头F3)被引入到交换器中，冷液体从该交换器重现为热的(箭头F4)。
形成第一通道的扰动翅片14有助于扰动跨过交换器的空气流并增加交换表面面积。第一流体和传热第二流体之间的热交换跨过形成板12的片发生。举例来说，这些板中的一个的厚度可以是0.5mm的量级。
热交换器1还包括至少一个热存储装置28，其形成用于减轻温度变化的装置。所述热存储装置28在该第一实施例中形成在接收框架3的远端壁10处，即与入口嘴17和出口嘴18相对的端壁，与热存储装置28相关联的所述壁是中空的，以便界定填充有至少一种相变材料的内部腔室30。因此，远端壁10形成用于接收相变材料的壳体。
根据本发明，可在热交换器1内(更具体地在热交换芯束2的板12的纵向端部处)出现的温度的巨大变化通过插入在热存储装置28的内部腔室30中的相变材料的作用而减轻。“相变材料”或“PCM”具有能够随着它们逐渐相变以热的形式存储能量的特定特征。根据本发明，选择相变材料PCM，使得在热交换器内获得的温度范围内，它表现出固/液转变。当根据其初始温度而被加热或冷却的相变材料达到其相变温度时，它相对于其当下环境存储或释放能量。当其温度升高以到达相变温度并因此在所述例子中从固态转变为液态时，相变材料取决于其质量和对于每种材料特定的潜热特性而吸收确定量的热。相反，当温度需要下降以达到相变温度并因此从液态转变为固态时，相变材料转变，释放之前存储的能量。
在所示的实施例中，填充有相变材料的所述内部腔室30直接形成在热交换芯束2的接收框架3的壁中，特别是在远端壁10中，使得界定该腔室的至少一个边缘与热交换芯束2的板12直接热接触。以这种方式，板和相变材料之间的热交换特别有效且在时间上是快速的。与板直接接触的接收壳体的壁有利地设置有用于接收所述板的装置，这在图中不可见。
应当理解，在不脱离本发明背景的情况下，可以规定壳体与远端壁分离，内部腔室由用作壳体的直立部中的凹陷形成，该直立部抵靠该远端壁，且或者在热交换芯束的接收框架内侧附接以便与内部有传热流体流通的板直接接触、或者在接收框架外侧附接。后一种替代选择特别容易实现，在该选择中，温度变化通过相变材料和板之间的间接热传导来减轻。
现在将描述热交换器1在水以非常高的温度流通通过交换器的板以加热在交换器的翅片之间通过的空气的应用中的应用的一个例子。形成传热第二流体的水升高到非常高的温度，例如180°，并且至少升高到高于热存储装置28中使用的相变材料的熔点的温度。容纳相变材料的热存储装置28通过直接热传导与通过板束流通的所述高温传热流体交换热能。因此，容纳在热存储装置28的内部腔室30中的相变材料被加热，直到其达到其固/液相变温度并熔化。在该固/液转变期间，相变材料在热存储阶段吸收热。因此，随着液体温度升高，液体的一些热能被相变材料吸收，并且热存储装置28不释放由传热流体输送的热能。因此，热尖峰变得平滑，从而减小了对板12的创伤，特别是对其纵向端部的创伤。如果传热液体的温度过度降低，特别是如果传热流体的温度处于低于相变材料的熔点的温度，则可产生热释放阶段，其中由相变材料以热的形式存储的潜在能量被释放到存在于与热存储装置直接接触的板的端部的传热液体。在该释放阶段，相变材料的相态的变化对应于材料的凝固。这些能量存储和释放回路通过平滑温度变化并由此限制温度尖峰和温度梯度而减轻温度变化。
根据所选择的一个例子，相变材料可选自单独或组合考虑的以下材料中的一个：
-无机化合物，如无机盐和水的合金，
-有机化合物，如石蜡和脂肪酸，
-共晶化合物，
-植物来源的化合物。
相变温度的相变温度范围可以特别地为50℃至100℃的量级，并且在这里描述的应用中有利的是提供等于70℃的PCM相变温度。
应当理解，该临界点相变温度可以在不脱离本发明范围的情况下从一个应用到另一个应用而变化，并且这里仅以举例的方式给出70℃的值。另一方面，应该注意的是，相变材料的特征可还在于能量吸收速率和能量释放速率，并且可有利的是，对于所提及的汽车应用类型，相变材料的该热吸收速率和热释放速率为30至180秒。因此，这样的值对传热流体的温度变化提供了高水平的响应性，其可以根据车辆的热管理要求而导致经常变化。
现在将描述用于制造根据本发明的热交换器的方法。所述方法包括创建热存储装置28的第一步骤。在下文中，将更具体地描述壳体的创建，该壳体具有容纳相变材料的内部腔室，该壳体直接形成在热交换器的接收框架的壁中。将容易地对第一步骤进行适应性变化，以便潜在地创建具有独立直立部形式的壳体，该直立部支承该内部腔室并且随后附接到框架的相关联壁。
在该第一步骤中，内部腔室30形成在远端壁10内，例如通过组装两个冲压件。壳体由传导材料制成，优选地为铝。以这种方式，目的是促进在通过热交换芯束2的板12流通的传热流体与容纳在壳体内的相变材料之间的热交换。内部腔室30具有根据应用、热交换器1的尺寸、和减弱所述热交换器内的热冲击的需要(即，根据要提供以便减轻传热液体的温度变化的相变材料的量)而限定的形状和容积。
壳体在形成其的冲压件的至少一个上具有至少一个孔，该孔允许相变材料被引入中空的内部腔室30中。
如先前潜在地设想的，在内部腔室布置在由单独制造的直立部形成的壳体中的替代形式中，该壳体通过钎焊到热交换芯束2的接收框架3而组装在远端壁上。
在随后的步骤中，填充热存储装置28的中空的内部腔室30。相变材料PCM通过限定填充孔的开放区域而沉积在其中。然后需要通过粘接或者替代地通过拧上盖子来密封填充孔。
前面的描述试图解释本发明如何能够实现其所述目标并且特别地如何能够提供一种热交换器，其中通过内置于热交换器中的装置减轻了过高和过于突然的温度变化，该装置易于制造、安装简单且特别有效。
然而，本发明并非仅限于符合参照图1至3明确描述的实施例的热交换器。举例来说，在不脱离本发明范围的情况下，可以修改减轻温度变化的热存储装置的安装位置。
图4示出了热交换器101的这种替代形式的实施例，其中在这种情况下，热存储装置128容纳在接收框架103的近端壁108附近，在热交换芯束102和相关联的接收框架的高度的至少一部分上，在该近端壁108和至少一个板112之间。如图所示，该热存储装置128可以采用设置在板之间的各壳体128a、128b的形式，以部分地取代热交换翅片114。还可以提供单个壳体，该单个壳体在高度方向上面向多个板延伸，然后所述多个板可以直接固定到存储装置。根据本发明，容纳在一个或多个壳体128a、128b中的相变材料PCM通过存储然后释放热能而使得可以减轻在板内流通的传热流体的温度变化。

Claims (12)

1.一种热交换器(1)，包括至少一个热交换芯束(2)以及用于接收热交换芯束的框架(3)，所述热交换芯束在诸如空气的第一流体和诸如液体的传热第二流体之间进行交换，所述框架至少部分地覆盖所述热交换芯束，所述芯束包括多个板(12)，所述多个板形成用于所述传热第二流体的流通的管道的部分，板堆叠且在两个相邻板之间具有间隔，以便为通过芯束的所述第一流体留下通道，其特征在于，所述热交换器包括至少一个热存储装置(28、128)，其形成用于减轻温度变化的装置并且配置成在热交换芯束(2)的其中一个板(12)附近容纳相变材料。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，形成用于减轻温度变化的装置的热存储装置(28、128)包括由导热材料制成的接收壳体，所述接收壳体的壁界定中空的内部腔室(30)，所述内部腔室填充有所述相变材料，所述导热材料优选金属材料。
3.如前述权利要求所述的热交换器，其特征在于，用于制造热存储装置(28、128)的壳体的导热材料是铝。
4.如权利要求2和3中任一项所述的热交换器，其特征在于，相变材料以液体形式或者以聚合复合材料的形式被结合到所述内部腔室(30)中。
5.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述热存储装置(28、128)相对于所述热交换芯束(2)的板(12)根据所述板的伸长方向至少在所述板(12)的其中一个端部处布置。
6.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述热存储装置(28、128)与所述热交换芯束(3)的至少一个所述板(12)直接热接触。
7.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述热存储装置(28、128)由接收热交换芯束(2)的接收框架(3)的其中一个壁形成。
8.如权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述热存储装置(28、128)形成在直立部中，所述直立部与接收热交换芯束(2)的接收框架分开制造并且附接到该接收框架(3)的其中一个壁。
9.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述相变材料的相变温度为50℃至100℃。
10.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，相变材料的热吸收速率和热释放速率为30至180秒。
11.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述相变材料是含有有机化合物的材料，所述有机化合物诸如石蜡和脂肪酸。
12.如前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述相变材料是含有植物来源化合物的材料。
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