CN110741219A - 热传递装置及其制造方法 - Google Patents

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J·马蒂尼
G·J·克莱尔
J·拉普西克
M·克罗马兹尼克
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Abstract

本发明涉及一种用于在第一流体和第二流体之间进行热传递的装置(1)。所述装置(1)包括组件(2)，该组件包括：管构件(3、3a、3b、3c、3d)，其构造成使得被所述第一流体穿过；一个或多个管底部(5、5a、5b)，其具有穿透的开口(6、6a、6b)；以及一个或多个密封构件(7、7a、7b)，其具有穿透的开口(8、8a、8b)。所述管构件(3、3a、3b、3c、3d)形成为分别包括第一非变形区域(15a、15b、15c、15d)以及一个或多个第二变形区域(16a、16b、16c、16d)，所述第二变形区域布置在所述管构件(3、3a、3b、3c、3d)的端部上。所述密封元件(7、7a、7b)分别布置在所述管构件(3、3a、3b、3c、3d)的所述第二区域(16a、16b、16c、16d)的外表面与所述管底部(5、5a，5b)的所述穿透的开口(6、6a，6b)的外周的边缘之间。所述管构件(3、3a、3b、3c、3d)形成为扁平板管以具有流动通路，该流动通路构造成使得由所述第一流体穿过。在此情况下，所述流动通路被一个或多个内部结构构件彼此分开。所述扁平板管由金属制成。所述管构件(3、3a、3b、3c、3d)在所述第二区域(16a、16b、16c、16d)中具有在垂直于纵向方向(x)对准的平面内扩展的截面。本发明还涉及用于制造所述装置(2)的系统和方法。

Description

热传递装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种热传递装置，特别是用于机动车中的热传递装置。在此，热优选在作为第一流体的冷却剂(例如水或水和乙二醇的混合物)与作为第二流体的空气之间传递。该装置包括用于传导第一流体的管元件和至少一个管板的组件，该管板具有供管元件穿过管板的通道孔。
此外，本发明涉及用于制造热传递装置的系统和方法。
背景技术
现有技术中已知的用于将热从冷却剂回路的冷却剂传递至周围空气的冷却剂-空气热交换器应用在所谓的高温冷却剂回路中，用于排出内燃机的热。由铝制成的冷却剂-空气热交换器包括：固定在管板中的许多管；以及穿过压接接头布置的散热片和侧部元件以及冷却剂收集器。这些不同的元件必须组装到热交换器中。平行取向并排列成矩阵的管用于在收集器之间传导液体冷却剂。布置在管的端部的两侧上的冷却剂收集器通常借助乙烯丙烯二烯单体密封元件(缩写为EPDM密封件)相对于管或管板密封。管、管板、散热片和侧部元件或者被制作成采用插塞方法的所谓的插塞冷却器，或者被完全焊接成所谓的焊接冷却器。
在保护气氛(缩写为CAB或保护气氛钎焊)中使用焊接方法时，管和散热片的基体相互连接，并且如果合适的话，还连接到作为收集器的金属元件的管板。在插塞方法中，通过使用机械组装程序或基体和收集器的MA避免了相邻结构金属零件的熔接(welding)或焊接(soldering)。
从冷却剂吸收热的空气沿管的外侧流动，并因此在管之间流动。布置在管之间的外侧上的散热片或肋用于增大空气侧热传递面积，从而提高热传递能力。
已知的冷却剂-空气热交换器对于快速改变冷却剂的温度具有不足的连续服务能力。在极端应用情况下，冷却剂-空气热交换器可能会迅速冷却到-20℃至-10℃范围内的温度，并且由于冷却剂回路中阀门的快速打开，可能会充入120℃的温度下的冷却剂。冷却剂-空气热交换器在此经受极端的温度变化并且经受热冲击。由于各个管的延时热膨胀，会产生极高的材料应力。
同时，由于它们在管和管板之间作为收集器的元件的摩擦支承连接，插塞冷却器具有抵抗冷却剂温度变化的高抵抗能力；但是，由于它们在管和散热片之间的摩擦锁定连接，它们的冷却能力也比焊接的冷却器低。另一方面，由于管和管板之间的刚性焊接连接，焊接的冷却器在温度变化以及其中所包含的各个管的热膨胀下的耐久性有限。
DE 10 2015 113 905 A1公开了一种热交换器以及一种用于制作并组装热交换器(尤其是一种用于机动车辆的、具有机械安装的收集器的气流热交换器)的方法。热交换器包括多个平行的金属管和多个金属肋的全金属结合的基体。管包括具有椭圆形横截面形式的热传递部分，其在每种情况下均具有两个相对的较长边和两个较短边。至少一个管在第一端部上借助绕管的第一端部延伸的至少一个柔性元件与第一收集器连接，以提供密封并允许机械接合的管和收集器之间的由于基体的热膨胀和收缩的相对移动。
在此，通过使用将管和散热片焊接而不焊接管板随后将管板在压配合作用下插入到管上并且密封在密封件中的方法，描述了插塞冷却器和焊接冷却器的制作方法的协同作用。由于在焊炉中进行焊接过程期间暴露于高于600℃的温度导致材料性能下降，管(特别是端部区域中)不能永久承受为了确保在管的整个圆周上密封配合的要求通过压配合密封而施加的反作用力。
现有技术中已知的热交换器及其制造方法限于使用管，特别是熔接管，管的宽度大约为10mm至11mm以便承受密封压力。具有更大宽度的热交换器或基体例如由若干管层或管平面构成。
应用于机动车辆中的热交换器的传统铝管是熔接的或折叠的，并且是硬焊的。但是，因为具有较大宽度的管往往会鼓起和塌陷，在高压脉冲负载期间尤为如此，所以熔接管只能制作成最大宽度在14毫米至20毫米范围内。
需求和发展趋势现在导致实施具有更大宽度(例如，最大宽度为40mm)的熔接管，以满足对形成在管中的流动通路的循环稳定性和清洁度的更高需求以及对热传递的不断提高的要求，流动通路的循环稳定性和清洁度例如会被助熔剂的残留物削弱。为了获得足够的耐久性，必须使用内部中央结构元件来构建内部压力高达4bar的铝制扁平管。
正在研究仅具有一个管平面、挤压的、带凸缘的或熔接的B-管的热交换器。过去，利用管与冷却剂收集器之间的压配合将由于流横截面的B形形式而被称为B-管的B-管应用于热交换器由于密封件与管之间在B-管的接缝处的泄漏失败了。
发明内容
技术问题
本发明要解决的问题是提供一种用于在两种流体之间(特别是在作为冷却剂的液体流体和空气之间)进行有效热传递的装置以及一种用于制造和组装该装置的方法。即使在较大的温度变化下，热交换器也要具有最大的不渗透性，这意味着热交换器要具有高的抗热冲击性。热交换器应能够以最小的结构尺寸或最小的安置空间要求传递最大的热容量。此外，热交换器应具有最小的重量以及最小的生产和材料成本。
技术方案
通过具有主要方面的特征的主题解决了该问题。在其他方面中规定了进一步的研发。
该问题通过根据本发明的用于第一流体和第二流体之间的热传递的装置得以解决。该装置包括供传导第一流体的管元件与至少一个具有通道孔的管板以及至少一个具有通道孔的密封元件的组件。管元件在每种情况下均形成有第一非变形区域和至少第二变形区域，第二变形区域布置在管元件的一端。
根据本发明的理念，管元件均被引导穿过通道孔。在此，密封元件在每种情况下均布置在管元件的第二区域的外表面与管板的通道孔的边框的边缘之间。通过间隔的密封元件，至少一个管板与通道孔的连接是流体不可渗透的。管板和密封元件的每个通道孔的形式以及管元件的外部形式彼此对应。在此，一个管元件有利地穿过通道孔，使得在每种情况下精确地向一个管元件的每一端分配一个通道孔。
管元件在每种情况下均形成为具有流动通路的金属扁平管，流动通路用于传导第一流体(特别是冷却剂)穿过流动通路。在此，流动通路借助至少一个内部结构元件彼此分开。在第二区域中，管元件的横截面在垂直于纵向取向的平面中外扩。
因此，管元件包括：第一非变形区域，其是传递热的区域，在该区域中，第二流体(特别是空气)的流动绕管元件循环；以及第二变形区域，其是有利地与管板连接的区域。
根据本发明的第一另选实施方式，管元件具有B形横截面。内部结构元件在此由形成为腹板的两个柄脚来实施，所述柄脚具有作为中央结构元件的连接区域。
所述连接区域优选包括在所述管元件的上侧沿所述纵向轴线从第一端延伸至第二端的间隙，并且所述间隙借助焊缝被至少部分地封闭。所述焊缝可以从所述管元件的所述第一端连续地延伸至所述第二端，或仅仅形成在所述管元件的所述至少一个第二区域中。
根据本发明的第二另选实施方式，所述管元件形成为具有多个内部结构元件的多通路扁平管，所述内部结构元件形成为腹板，所述腹板在每种情况下均将用于传导所述第一流体的两个相邻布置的流动通路分开。所述管元件的所述横截面形成为仅在所述流动通路的区域中外扩。
根据本发明的进一步研发，所述管元件在最大外扩区域中具有在3.0mm至5.6mm范围内的高度，并且在所述连接区域中具有在1.5mm至2.1mm范围内的高度。所述管元件的总宽度有利地在20mm至55mm的范围内，特别是在20mm至26mm的范围内。
根据本发明的第三另选实施方式，所述管元件包括在上侧和下侧上沿所述纵向方向延伸的至少一个槽，或者所述管元件包括布置在上侧和下侧上的均具有连接区域的凹口点。通过所述连接区域中的至少一个熔接接合而形成所述内部结构元件。所述管元件的熔接接合有利地或者是连续的或者形成为有凹槽的点焊图案。
所述连接区域优选地终止于距所述管元件的至少一个端部的预定距离处，使得所述第二区域具有平坦的上侧以及平坦的下侧。
本发明的另一有利实施方式包括：所述管板形成为热传递装置的收集器的侧壁元件。
所述热传递装置可以有利地形成有具有通道孔的两个管板以及具有通道孔的两个密封元件。所述管板在每种情况下均与所述管元件流体不能渗透的连接，其中所述通道孔在每种情况下均形成为在形式上与所述管元件的外部形式对应，并且每个管元件布置成第一端被引导穿过形成在第一管板中的通道孔，第二端被引导穿过形成在第二管板中的通道孔。
所述管元件优选地形成直线，并且有利地由铝合金形成。
根据本发明的进一步的研发，所述管元件在所述组件内以一排或多排排列。
一排所述管元件优选彼此相邻且平行地布置，并且其宽边朝向彼此，使得在每种情况下，在直接相邻布置的管元件之间布置有用于所述第二流体(尤其是空气)的一个流动路径。
在相邻布置的管元件的所述流动路径中，有利地布置有散热片或肋以改变流动横截面和/或扩大用于热传递的面积。所述散热片或肋优选由铝合金形成。
本发明的有利实施方式使得根据本发明的热传递装置能够用作冷却剂回路中的冷却剂-空气热交换器，特别是在机动车辆的发动机冷却剂回路中的冷却剂-空气热交换器。
还借助根据本发明的用于制造具有以上特征的在第一流体与第二流体之间传递热的装置的系统来解决所述问题。该系统包括：用于将管元件的组件与间隔开的散热片结合的焊接工具；以及用于将所述管元件的端部外扩以便将所述管元件与管板连接的机构。所述焊接工具形成有保持框架，该保持框架具有用于在端面处保持所述管元件的至少一个管固定元件以及布置在所述管固定元件上的插入元件。所述管元件能以所述端面的敞开的横截面插到所述插入元件上。用于使所述管元件的端部外扩的所述机构由具有引导元件和外扩元件的冲压元件形成或者由销元件形成，以便用第一端穿入所述管元件的所述端面的所述敞开的横截面。
与所述外扩元件或所述销元件连接的所述引导元件在此间隔开，并且对应于所述管元件的布置取向。所述销元件由基部元件固定并在第二端处经由连接元件彼此联接，该第二端形成在所述第一端的远侧。所述引导元件与所述外扩元件连接，并且所述外扩元件与所述冲压元件连接。
根据本发明的进一步的研发，所述管固定元件在所述管元件(的纵向方向上能移动地布置在所述保持框架上。所述管固定元件有利地穿过形成有细长孔的螺栓连接固定在所述保持框架上，所述螺栓连接特别形成为铆钉或螺栓或螺钉。
本发明的另一优选实施方式包括所述销元件经由诸如铆钉或螺栓或螺钉之类的紧固元件与连接元件连接。
此外，借助根据本发明的用于制造具有以上特征的在第一流体与第二流体之间传递热的装置的方法解决了所述问题。该方法包括以下步骤：
在每种情况下形成具有B形横截面以及连接区域的管元件，所述连接区域在上侧上具有间隙，通过铣削和折叠并且借助熔接特别是激光熔接闭合所述间隙并使所述上侧的表面平坦来形成所述管元件；或者形成具有槽并在所述槽内进行熔接的管元件；
通过焊接将多个管元件连接成组件；
使所述管元件、密封元件和管板的所述组件相对于用于使所述管元件的端部外扩的机构对准，其中
所述密封元件接触所述管板，并且所述密封元件和所述管板的通道孔彼此对应，
所述管元件的第二可成形区域穿过所述通道孔伸出，并且
在所述管元件的所述第二可成形区域的敞开端面的方向上布置冲压元件的引导元件或销元件的端部，其中沿一个方向取向的所述引导元件和所述外扩元件或所述销元件沿所述管元件的纵向方向取向，并且为每个流动通路均分配带有外扩元的引导元件件或者分配销元件；
沿运动方向移动所述冲压元件或所述销元件，其中，将引导元件或销元件引入每个流动通路中，并且所述冲压元件或所述销元件在每种情况下均在所述流动通路内居中，并且所述外扩元件或所述销元件使所述管元件的所述流动通路的横截面变宽，其中所述管元件的壁在每种情况下均压靠所述管板的通道孔的边框，并且所述密封元件布置在所述管元件的所述壁与所述管板的所述通道孔的所述边缘之间；并且
将除所述冲压元件或所述销元件移出所述管元件。
技术效果
总之，根据本发明的热传递装置及其制造包括多种优点：
通过使用宽度大于11mm的管元件，在可用的管轮廓体系内扩展CAB/MA制造原理的应用；
以最小的结构尺寸或最小的安置空间要求传递最大的热容量，这意味着以可传递的热容量与构建体的体积的最佳比率传递，特别是管元件允许通过形成单个管排来增加热容量，同类装置是用至少两排管来实施的；从而
降低复杂性和材料支出，并降低生产成本，
重量最小，
即使在较大的温度变化下也具有最大的不渗透性，这意味着对热冲击的高抗性，并且
即使在高压脉冲负载下也可以进行应用和操作。
附图说明
基于以下参考附图对实施例的描述，本发明的实施方式的其他细节、特征和优点将变得明显。附图中描绘了：
图1a以分解图详细示出了热传递装置，该装置具有带有间隔开的散热片的管元件、管板以及密封元件的组件和作为单独部件的收集器；
图1b：有呈安装状态以及呈各个部件状态的管元件与管板和密封元件的组件；
图2a：立体图中的管元件，该管元件形成为具有B形横截面并具有连接区域的扁平管，该B形截面具有形成为腹板的两个柄脚；
图2b和图2c：根据图2a的管元件的连接区域，该连接区域具有焊缝；
图3a和图3b：立体图和俯视图中的根据图2a的管元件，该管元件在管端部处部分外扩；
图4a至图4d：立体图和俯视图中的根据图2a的管元件，该管元件在管端处外扩；
图5a：立体图中的形成为具有腹板的多通路扁平管的管元件；
图5b至图5d：立体图以及横截面图并且在管元件的外扩最终状态中的根据图5a的具有用于在外扩过程中将管端外扩的冲压元件的管元件；
图5e：立体图中的管端处外扩的根据图5a的管元件；
图6a至6d：以立体图以及横截面图均示出了管元件，该管元件形成为具有连接区域以及在纵向方向上延伸并布置在两侧上的槽的扁平管；
图7a和7b：在安装状态以及各个部件状态下热传递装置的详细视图，该热传递装置具有管元件的根据图2a至图4d的管元件、管板以及密封元件的组件；
图8a至图8c：在安装状态以及各个部件状态下热传递装置的详细视图，该热传递装置具有根据图5a至图5e的管元件、管板以及密封元件的组件；
图9a至9e：立体图中作为焊接工具的保持框架，该焊接工具用于将管元件的组件与间隔开的散热片结合，并详细示出了形成在保持框架上的管固定元件，其上形成有插入元件；
图10a至10e：在安装状态以及各个部件的状态下热传递装置的详细视图，该热传递装置具有管元件、管板以及密封元件的组件和用于为了将管板安装在管元件的组件上使端部外扩的机构；
图11a至11f：描绘了用根据图10b至图10e的机构将管端外扩以及将管板安装在管元件的组件上。
具体实施方式
图1a和1b示出了热传递装置的管元件3(特别是扁平管)与管板5和密封元件7的组件2。在图1a中，以分解图示出了热传递装置1的详细视图，该热传递装置1具有管元件与间隔开的散热片4、管板5以及密封元件7的组件2和作为单独部件的收集器9。当使用冷却剂作为流体时，收集器9也称为冷却剂收集器。在图1b中，以安装状态及各个部件状态描绘出了管元件3与管板5和密封元件7的组件2。
根据功率需求，由扁平管3构建的组件2实施成单排或多排组件，并且在尺寸上是可缩放的，这表示尤其是在长度或宽度上是可缩放的。图1a中示出的管元件3布置成两排，而图1b示出了管元件3的单排组件2。
彼此相邻并平行对准的管元件3以其宽边彼此面对的方式布置在一排内，使得在每种情况下在直接相邻的管元件3之间形成用于流体(特别是空气)的一条流动路径。在此，在每种情况下，流动路径均在管元件3之间延伸。一排的管元件3彼此平齐布置，并且在每种情况下均在两个收集器9之间延伸。管元件3的内部容积与收集器9的内部容积相连。
在流动路径中并且因此在相邻布置的管元件3的间隔中，布置有用于改变流动横截面和/或用于扩大热传递面积的元件。散热片4形成为用于改变流动横截面和/或用于扩大热传递面积的元件。另选地，也可以应用肋。像管元件3一样，散热片4优选地由非常好的导热体的材料实施，例如铝合金。
在组装状态下，在组件2的端面或窄边处设置有管板5，在每种情况下管板5还可以用作收集器9的侧壁元件。在此，端面是这样的侧面，管元件3的端部朝该侧面取向。管板5均形成为呈基本上矩形金属(特别是铝合金)片材的形式的深拉拔件、冲压件或液压成形件。在此，金属板应理解为金属的平轧机成品。通过液压成形(也称为高压金属成形)可以理解为在封闭的成形模具中借助于压力形成片材，该压力例如通过模具中的水-油乳液而产生。
拐角附近被修圆的管板5以及密封元件7包括用于接纳管元件3的通道孔6、8。管板的通道孔6和密封元件的通道孔8彼此对应并且与管元件3的外部尺寸相对应，以便在各个管元件3和管板5之间建立流体不可渗透的连接。
布置在收集器9的彼此面对的侧面上的管板5与管元件3固定连接。由于密封元件7，固定连接在每种情况下均被视为技术上不可渗透的零泄漏连接。管板5垂直于管元件3取向，在管元件3的窄边处布置在组件2上。
图2a至2c均以立体图示出了形成为具有B形横截面以及连接区域14a的扁平管的管元件3a，该B形截面具有形成为腹板的两个柄脚12、13。作为柄脚12、13的结合区域的连接区域14a在管元件3a的上侧10a沿纵向方向x从第一端延伸至第二端。管元件3a的下侧11a完全形成平坦的。
管元件3a的流动横截面在由宽度方向y和高度方向z跨越的平面中取向。根据图2a的管元件3a具有例如0.22mm的壁厚度，25.2mm的宽度和大约1.5mm的高度。在此，管元件3a的宽度形成为可以达40mm。
在形成有B形横截面的管元件3a的上侧10a上第一柄脚12与第二柄脚13的连接区域14a包括形状基本为圆形的小间隙，该小间隙的直径约为0.18mm。使用专门压缩的密封元件7，在管元件3a的整个长度上延伸的间隙非常难于相对于管板5密封。在该间隙附近，不能确保充分压缩密封元件7，因此泄漏的可能性很大。
为了相对于管板5密封管元件3a，管元件3a的上侧10a，至少在与管板5连接的附近是平坦的。在通过借助管制造机铣削和折叠形成管元件3a之后，通过熔接(特别是激光熔接)来加工连接区域14a。在这个过程中，间隙得以闭合。为了随后在CAB过程中焊接组件2，将表面层或涂层的材料与基础材料或芯材沿连接区域14a在熔接表面上彼此混合。焊缝表面对CAB过程具有抵抗力，并且在CAB过程期间不会溶解。
能仅在管元件3a的端部区域中就地进行激光熔接，因此也可以在管板5上的接触区域内进行，在该处，用密封件7相对于管板5密封管元件3a或者将管元件3a焊接至管板5。也可以沿管的整个长度连续进行激光焊接。
以这种方式熔接的管元件3a(特别是在焊缝附近)具有半径平滑过渡的表面，并形成为尽可能是平坦的。图2b和图2c中示出了图2a的管元件3a的具有焊缝的连接区域14a。在根据图2b的连接区域14a的形成中，焊缝的缝线最大超过根据图2c的管表面0.075mm，而焊缝的缝线最大落在根据图2c的连接区域14a的形成中的管表面之下-0.075mm。借助于焊缝，表面光滑的管表面能够实现密封元件7的充分压缩并且由此能够实现管元件3a相对于管板5的密封。
管元件3a的B形横截面的中间中的柄脚12、13在每种情况下均用作肋或腹板，以促进相对于管板5密封而必须施加的密封压力。B-缝肋支撑使得能够使用最大总宽度在20mm至25mm范围内的管元件，并且与现有技术的已知扁平管的情况相比具有更大的宽度。
图3a和3b以立体图和俯视图示出了图2a的管元件3a，该管元件3a在管端至少部分地外扩。在熔接形成为具有B形横截面的扁平管的管元件3a的连接区域14a之后，并且在使上侧10a的表面变平之后，在每种情况下管元件3a在管端附近处均外扩，导致变形，使得由两个柄脚12、13和管元件3a的壁限定的两个流动通路从基本矩形的横截面形式变为椭圆形的横截面形式。仅在连接区域14a中，横截面几乎保持不变。柄脚12、13的两侧的流动通路的椭圆形横截面形式对外部压力(特别是对压缩的密封元件7施加的压力)具有很高的抵抗力。
现在，至少部分外扩的管元件3a具有例如约24.3mm的总宽度，最大外扩区域中高度为约3.7mm。
图4a至4d以立体图和俯视图示出了图2a的管元件3a处于最终外扩状态下的管端。在根据图3a和图3b的管元件3a的至少部分外扩之后，在每种情况下，在管端的已经预先变形的区域中使管元件3a达到其最终外扩。在此，尤其上侧10a和下侧11a的边缘在高度方向z上变形，从而导致外扩的横截面。在此，管元件3a包括：作为热传递区域的第一非变形区域15a，在该区域中流体围绕管元件3a流动；以及作为变形以及与管板5连接的区域的第二变形区域16a。
管元件3a的管端处的变形壁连续地形成而无破裂。变形的形式一方面增加了结构管壁的厚度和强度，另一方面用于管板5中的通道孔6内的加强和密封。
现在，处于最终外扩状态的管元件3a例如总宽度约为24.4mm，最大外扩区域中的高度约为5.6mm。几乎不变的连接区域14a中的高度约为1.5mm。
图5a以立体图示出了形成为具有腹板17的多通路扁平管的管元件3b。除根据图2a至图4d的形成为具有B形横截面的扁平管的管元件3a外，该形成为挤压管的管元件3b代表热传递装置1的单排组件2的另选实施方式，具有平坦上侧10b和平坦下侧11b。挤压的管元件3b的在高度方向z上取向并支撑管壁抵抗外部压力的内部腹板17用作肋，特别用于支持为了相对于管板5密封而施加的密封压力。吸收压缩的密封元件7的反作用力的腹板17将管元件3b的流动横截面分成多个室。根据图5a的管元件3b具有例如0.22mm的壁厚度，25.9mm的宽度和约2.1mm的高度。
仅仅在腹板17之间的区域中在管端处管壁或流动通路或室的流动横截面的外扩(特别是在高度方向z上)是可能的。
在图5b至图5d中以立体图以及横截面图并且在管元件3b的外扩端部的状态中描绘了图5a的具有冲压元件18b的管元件3b，冲压元件18b用于在描述的外扩过程中将管端外扩。
在外扩管壁或流动通路的流动横截面的过程中，形成有引导元件20b和外扩元件21b的冲压元件18b布置在管元件3b的端面处，使得在每种情况下均沿共同方向取向的引导元件20b和外扩元件21b沿管元件3b的纵向方向x取向。在此，为每个流动通路分配了带有外扩元件21b的引导元件20b。
运动方向19沿根据图5b的纵向方向x延伸，当沿运动方向19移动冲压元件18b时，引导元件20b被引入到每个流动通路中，使得冲压元件18b在管元件3b内(特别是在流动通路内)居中。随着沿运动方向19的连续移动，外扩元件21b在端面处到达管元件3b的壁。因为冲压元件18b在外扩元件21b附近具有比每种情况下的流动通路的横截面更大的尺寸(尤其是在高度方向z上)，所以在外扩元件21b穿入到流动通路中期间，流动通路的横截面外扩。管元件3b的壁在流动通路的区域中变形，从而导致流动通路在高度方向z上膨胀，并导致流动通路外扩。在外扩过程结束时，冲压元件18b沿根据图5c的运动方向19从管元件3b撤回。
现在，管元件3b形成有：作为热传递区域的第一非变形区域15b，在该区域中流体围绕管元件3b流动；以及作为变形以及与管板5连接的区域的第二变形区域16b。
在外扩的最终状态下，管元件3b现在在最大外扩的区域中具有例如约3.0mm的高度。几乎不变的连接区域中的高度约为2.1mm。
特别是由于内部肋结构的形成，管元件3a、3b使得装置1的单排组件2能够具有更深的热传递芯，这在传统上只能利用多排热传递芯来实现。在此，利用管元件3a、3b的单排组件2，装置1能够具有大于11mm的宽度。
此外，由于在组件2的至少一侧上形成的管元件-密封元件-管板的柔性的、非刚性连接，由管元件3a、3b形成的装置1具有非常高的抗热震性。
在图6a至图6d中以立体图以及横截面图示出了管元件3c、3d，该管元件3c、3d形成为具有连接区域14c、14d以及在纵向方向x上延伸并布置在两侧(即上侧10c、10d以及下侧11c、11d)上的槽的扁平管。
均通过在管元件3c，3d内形成在连接区域14c、14d中的熔接连接来实现满足高内部压力脉冲要求所需的内部结构。通过在管元件3c、3d的表面上具有熔接连接的槽或凹口点来描绘中央结构元件(特别是用于在内部压力下在管元件3c、3d的高度方向z上的竖直刚度的中央结构元件)。在此，槽可以在第一区域15c、15d内连续地形成为根据图6a和图6b的热传递区域，或者不连续地形成为根据图6c和图6d的热传递区域(特别是凹槽点焊图案)。
槽终止于距管端的预定距离处，以便在管端的作为变形区域的第二区域16c、16d中提供平坦上侧10c、10d以及平坦下侧11c、11d，用于被引导穿过管板5中的通道孔6的管元件3c、3d与管板5的连接。管元件3c、3d的内部熔接连接在管端区域之间延伸，以使得能够将管元件3c、3d机械安装在管板5上。
此外，管元件可以形成有或多个槽或/或凹槽点焊图案，多个槽意味着数量大于一个。
形成为熔接的扁平管的管元件3c、3d与传统管元件相比，在宽度y方向上的尺寸更大，并且这也可以满足热传递的更高要求。此外，与具有B形横截面的扁平管中相比(这意味着与折叠和焊接的管元件相比)，内部清洁度更高，因为在熔接过程中不需要助熔剂。
在现有技术的在宽度方向y上的尺寸至少为20mm的机动车热交换器中，最经常使用的是扁平的硬焊铝管。但是，折叠管元件的内部焊接需要内部熔融。助熔剂的残留物则是冷却剂回路的主要污染源。例如，当用于燃料电池系统中时，仅使用经过特殊清洁处理的熔接管元件。
在图7a和图7b以及图8a至图8c中，以组装状态及各个部件示出了热传递装置1的详细视图，该热传递装置1具有根据图2a至图4d的管元件3a、管板5a以及密封元件7a的组件2，或者具有根据图5a至图5e的管元件3b、管板5b以及密封元件7b的组件2。
图7a特别示出了管元件3a的组件2，该管元件3是由经过熔接和变形的具有B形横截面的外扩扁平管形成的，这些管元件布置成被引导穿过通道孔6a，8a而放置在管板5a以及密封元件7a中。由于管元件3a的外扩，管元件3a利用布置在管元件3a与管元件3a的通道孔6a的边缘之间的密封元件7a与管板5a固定地且流体不可渗透地连接。
在图8a中，特别公开了由变形外扩的多通路扁平管形成的管元件3b的组件2，该管元件3b已经穿过通道孔6b、8b而放置在管板5b和密封元件7b中。
由于管元件3b外扩，管元件3b利用布置在管元件3b与管板5b的通道孔6b的边缘之间的密封元件7b与管板5b固定且流体不可渗透地连接。
组件2还包括形成在管元件3a、3b之间的散热片4。
在图9的a)至图9的e)中，以立体图在每种情况下示出了作为焊接工具的保持框架22，该保持框架用于将管元件3的组件与间隔开的散热片4结合，并详细示出了形成在保持框架22上的管固定元件23，其上形成有插入元件24。
具有间隔开的散热片的管元件3固定在保持框架22内，使得组件可以例如在焊炉中被整体焊接在一起，并且各个部件可以相互连接。在每种情况下，具有相同长度的管元件3均布置成单排并在端面处齐平。
管元件3在端面处借助管固定元件23保持。在此，管元件3以敞开的横截面放置在形成于管固定元件23上的插入元件24上。这样做是为了避免管元件3移动(特别是横向于纵向方向移动)。为了抵消由于热膨胀引起的长度变化，管固定元件23沿纵向方向可移动地布置在保持框架22上。管固定元件23例如穿过与保持框架22上的细长孔螺栓连接而固定。
在焊接过程之后，可以从保持框架22移除管元件3和散热片4的组件，该组件作为热传递装置的没有管板或收集器的焊接芯。
在图10的a)至图10的e)中，除了热传递装置的详细视图，还以组装状态及各个部件示出了管元件3、管板5以及密封元件7的组件2和用于使管元件3的端部外扩的机构处于安装状态及各个部件的状态，该机构用于将管板5安装在管元件3的组件上。
图10的b)中描绘出了用于使管元件3的端部相对于管板5和密封元件7外扩的机构的组件。在此，显而易见的是销元件25的形成，该销元件25的第一端穿入到管元件3的端面中，管元件3的该端面伸出穿过管板5和密封元件7的通道孔6、8。销元件25彼此间隔开并且取向成与通道孔6、8相对应，并穿过基部元件26固定。这也在图10的c)中示出。根据图10的d)，由基部元件26保持的销元件25在第二端处经由连接元件27彼此联接，该第二端在第一端的远侧。
在根据图10的e)的分解图中特别清楚的是，销元件25经由紧固元件28与连接元件27连接，该紧固元件28可以例如形成为铆钉、螺栓或螺钉。
图11的a)至f)中示出了关于用根据图10的b)至e)的机构使管元件3的端部外扩的方法以及将管板5安装在具有散热片4的管元件3的组件上的过程的图示。
在熔接形成为具有B形横截面的扁平管的管元件3a之后，或者在焊接形成有槽的管元件3c、3d之后，或者在焊接管元件3(在此列出以集体地包括管元件3a、3c，3c，3d和形成为挤压的多通路扁平管的管元件3b)之后，获得具有散热片的管元件3的组件作为结合单元。通过焊接而安装热传递芯。管元件3在端部处不变形。
还根据图10的b)，在开始外扩管元件3的端部时，将密封元件7和管板5布置在用于外扩的机构上。在此，销元件25穿过密封元件7和管板5的通道孔6、8伸出。
根据图11的a)，随后，销元件25的第一自由端布置在管元件3的端面上，这是指布置在管元件3的待被外扩的端部上。但是，在图11的a)中，示出了沿与运动方向19相反的方向已经再从管元件3中移除了销元件25的状态。每个销元件25均包括前边缘，该前边缘形成为用于当焊接的热传递芯接近时捕获管元件3。关于形成为多通路扁平管的管元件3b的相似描绘在图5b中显见，其中每个外扩元件21在自由端均包括引导元件20b。
每个销元件25均形成有限位器29，限位器29界定外扩元件21并标记销元件25在运动方向19上插入到管元件3中的结束。在此形成为台阶的限位器29抵靠在现在外扩并变形的管元件3的端面上，这在图11的b)中特别清楚地示出。
图11的c)示出了被引导穿过管板5和密封元件7的通道孔6、8与管元件3的端面连接的销元件25的布置。为了更好地表示，管板5和密封元件7从外扩的管元件3的端部位置移出。相比之下，图11的d)示出了用于使管元件3的端部外扩的机构的端部位置。在外扩并变形的管元件3的附近，密封元件7布置在管元件3和管板5之间，密封元件7在管元件3的整个圆周上完全包围管元件3。
用于使管元件3的端部外扩并由此在管元件3和管板5之间产生柔性且流体不可渗透的连接的方法通过根据图11的e)从管元件3移除销元件25来完成，并且通过根据图11的f)移除基部元件26来完成。
用于将管元件3与管板5连接的方法确保了将管元件3布置在通道孔6、8的精确位置中，并且以此方式获得了确定且稳固的流体不可渗透的连接。为了确保充分、确定并可靠地压缩密封元件7，预设特定的外扩量作为管元件3的端部扩展。其中，密封元件7的压缩在10％至50％的压缩范围内，其中，在利用密封元件7将管板5安装在管元件3上之后，直接获得压缩的主要部分。例如，管元件3在高度方向z上最大外扩达+0.2mm，并且在宽度方向y上(并因此在广度方向上)最大外扩达+0.1mm。
通过管元件3的端部外扩，提供了管壁的进一步的结构增强。在此，管壁连续地成形而没有破裂。
工业实用性
本发明提供一种用于两种流体之间的有效热传递的装置，尤其是作为冷却剂的液体流体和空气之间，并提供一种用于制造和组装该装置的方法。

Claims (27)

1.一种用于在第一流体和第二流体之间进行热传递的热传递装置(1)，该热传递装置包括组件(2)，该组件具有：
用于传导所述第一流体的管元件(3、3a、3b、3c、3d)，其在每种情况下均形成有第一非变形区域(15a、15b、15c、15d)以及至少一个第二变形区域(16a、16b、16c、16d)，所述第二变形区域布置在所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的端部；
具有通道孔(6、6a、6b)的至少一个管板(5、5a、5b)以及具有通道孔(8、8a、8b)的至少一个密封元件(7、7a、7b)，其中所述密封元件(7、7a、7b)在每种情况下均布置在所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的所述第二变形区域(16a、16b、16c、16d)的外表面与所述管板(5、5a、5b)的所述通道孔(6、6a、6b)的边框的边缘之间，
其中，作为扁平管的所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)：
形成有用于引导所述第一流体的流动通路，其中，所述流动通路借助至少一个内部结构元件彼此分开，并且
由金属形成，并且所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的横截面在所述第二变形区域(16a、16b、16c、16d)中在垂直于纵向方向(x)取向的平面内外扩。
2.根据权利要求1所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3a)具有B形横截面，其中，所述内部结构元件由形成为腹板的两个柄脚(12、13)形成，所述柄脚具有作为中央结构元件的连接区域(14a)。
3.根据权利要求2所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述连接区域(14a)包括在所述管元件(3a)的上侧(10a)沿所述纵向轴线(x)从第一端延伸至第二端的间隙，并且所述间隙借助焊缝被至少部分地封闭。
4.根据权利要求3所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述焊缝形成为从所述管元件(3a)的所述第一端连续地延伸至所述第二端，或者仅仅形成在所述管元件(3a)的所述至少一个第二变形区域中。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3a)的下侧(11a)在整个区域上平坦地形成。
6.根据权利要求1所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3b)形成为具有多个内部结构元件的多通路扁平管，所述内部结构元件在每种情况下均形成为腹板(17)，所述腹板将用于传导所述第一流体的两个相邻布置的流动通路分开。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3a、3b)的横截面形成为仅仅在所述流动通路的区域中外扩。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3a、3b)在最大外扩区域中具有在3.0mm至5.6mm范围内的高度，并且在所述连接区域(14a)中具有在1.5mm至2.1mm范围内的高度。
9.根据权利要求2至8中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3a、3b)的总宽度在20mm至55mm的范围内，特别是在20mm至26mm的范围内。
10.根据权利要求1所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3c)包括在上侧(10c)和下侧(11c)上沿所述纵向方向(x)延伸的至少一个槽，或者所述管元件(3d)包括布置在上侧(10d)和下侧(11d)上的均具有连接区域(14c，14d)的凹口点，并且通过所述连接区域(14c，14d)中的至少一个熔接连接而形成所述内部结构元件。
11.根据权利要求10所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3c)的所述熔接连接形成为连续延伸。
12.根据权利要求10所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3d)的所述熔接连接形成为凹槽点焊图案。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述连接区域(14c、14d)形成为终止于距所述管元件(3c、3d)的所述至少一个端部预定距离处，使得所述第二变形区域(16c、16d)具有平坦的上侧(10c、10d)以及平坦的下侧(11c、11d)。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管板(5、5a、5b)形成为所述热传递装置(1)的收集器(9)的侧壁元件。
15.根据权利要求14所述的热传递装置(1)，其特征在于，两个管板(5、5a、5b)形成有通道孔(6、6a、6b)，并且两个密封元件(7、7a、7b)形成有通道孔(8、8a、8b)，其中所述管板(5、5a、5b)在每种情况下均与所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)流体不能渗透地连接，并且所述通道孔(6a、6b、8、8a、8b)均形成为在形式上与所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的外部形式对应，并且每个管元件(3、3a、3b、3c、3d)布置成第一端被引导穿过形成在第一管板(5、5a、5b)中的通道孔(6、6a、6b)，第二端被引导穿过形成在第二管板(5、5a、5b)中的通道孔(6、6a、6b)。
16.根据权利要求1至15中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，由所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)形成的所述组件(2)形成为单排或多排组件。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)由铝合金形成。
18.根据权利要求16或17所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)在一排中彼此相邻且平行地取向，并且其宽边朝向彼此，使得在直接相邻布置的管元件(3、3a、3b、3c、3d)之间在每种情况下形成用于所述第二流体的流动路径。
19.根据权利要求18所述的热传递装置(1)，其特征在于，在相邻布置的管元件(3、3a、3b、3c、3d)的所述流动路径中布置有散热片(4)或肋以改变流动横截面和/或扩大用于热传递的面积。
20.根据权利要求19所述的热传递装置(1)，其特征在于，所述散热片(4)或肋由铝合金形成。
21.一种根据权利要求1至20中的任一项所述的热传递装置(1)用作冷却剂回路中特别是机动车辆的发动机冷却剂回路中的冷却剂-空气热交换器的用途。
22.一种用于制造根据权利要求1至20中的任一项所述的热传递装置(1)的系统，该系统包括：用于将管元件(3、3a、3b、3c、3d)的组件与间隔开的散热片(4)结合的焊接工具；以及用于将所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的端部外扩以便将所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)与管板(5、5a、5b)连接的机构，其中
所述焊接工具形成有保持框架(22)，该保持框架具有用于将所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)保持在端面上的至少一个管固定元件(23)以及形成在所述管固定元件(23)上的插入元件(24)，其中，所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)能以所述端面的敞开横截面插到所述插入元件(24)上，
用于使所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的所述端部外扩的机构由具有引导元件(20b)和外扩元件(21b)的冲压元件(18b)形成或者由销元件(25)形成，以便用第一端穿过所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的所述端面的所述敞开横截面，
其中，与所述外扩元件(21b)关联的所述引导元件(20b)或者所述销元件(25)对应于彼此间隔开的所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的布置取向，并且所述销元件(25)由基部元件(26)固定并在第二端处经由连接元件(27)彼此联接，该第二端形成在所述第一端的远侧。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，所述管固定元件(23)在所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的纵向方向(x)上能移动地布置在所述保持框架(22)上。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述管固定元件(23)在每种情况下均经由形成有细长孔的螺栓连接固定地布置在所述保持框架(22)上。
25.根据权利要求22至24中的任一项所述的系统，其特征在于，所述销元件(25)经由紧固元件(28)与所述连接元件(27)连接。
26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述紧固元件(28)形成为铆钉或螺栓或螺钉。
27.一种制造根据权利要求1至20中的任一项所述的热传递装置(1)的方法，该方法包括以下步骤：
形成均具有B形横截面以及连接区域(14a)的管元件(3a)，所述连接区域(14a)在上侧(10a)上具有间隙，通过铣削和折叠并且借助熔接特别是激光熔接闭合所述间隙并使所述上侧(10)的表面平坦来形成所述管元件(3a)；或者形成具有槽并在所述槽内进行熔接的管元件(3c、3d)；
通过焊接将多个管元件(3、3a、3b、3c、3d)连接成组件；
使所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)、密封元件(7、7a、7b)和管板(5、5a、5b)的所述组件相对于用于使所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的端部外扩的机构对准，其中
所述密封元件(7、7a、7b)接触所述管板(5、5a、5b)，并且所述密封元件(7、7a、7b)和所述管板(5、5a、5b)的通道孔(6、6a、6b、8、8a、8b)彼此对应，
所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的第二可成形区域(16a、16b、16c、16d)穿过所述通道孔(6、6a、6b、8、8a、8b)伸出，并且
在所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的所述第二可成形区域(16a、16b、16c、16d)的敞开端面的方向上布置冲压元件(18b)的引导元件(20b)或销元件(25)的第一端，其中在每种情况下均沿一个方向取向的所述引导元件(20b)和所述外扩元件(21b)或者所述销元件(25)沿所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的纵向方向(x)取向，并且为每个流动通路均分配带有外扩元件(21b)的引导元件(20b)或分配销元件(25)；
沿运动方向(19)移动所述冲压元件(18b)或所述销元件(25)，其中，将引导元件(20b)或销元件(25)插入每个流动通路中，并且所述冲压元件(18b)或所述销元件(25)在每种情况下均在所述流动通路内居中，并且所述外扩元件(21b)或所述销元件(25)使所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的所述流动通路的横截面外扩，其中所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的壁在每种情况下均压靠所述管板(5、5a、5b)的通道孔(6、6a、6b)的边框，并且所述密封元件(7、7a、7b)布置在所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)的所述壁与所述管板(5、5a、5b)的所述通道孔(6、6a、6b)的边缘之间；并且
从所述管元件(3、3a、3b、3c、3d)移除所述冲压元件(18b)或所述销元件(25)。
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