CN110998211B - 热交换器管 - Google Patents

Abstract

一种用于热交换器的扁平管由单个金属材料片材制造。该金属材料片材具有第一边缘和第二边缘，该第一边缘和第二边缘布置成在管的一对宽壁之间彼此相邻。扁平区段从所述边缘延伸并且设置成彼此抵靠。布置在管的端部处的一对圆角壁将扁平区段连接到宽壁，并且所述一对圆角壁在由圆角壁的外表面界定的空间内通过焊缝连结。

Description

热交换器管

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月7日提交的美国临时专利申请第62/541,950号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

背景技术

通常使用薄金属结构来构造热交换器，通过该薄金属结构输送流体。在使成本和重量最小化的不断尝试中，用于构造这些结构的材料的厚度正不断减小。然而，这种材料厚度方面的减小也可能具有使热交换器的耐久性下降的不期望效果。

前述问题特别地可见于用在车辆热交换器(诸如散热器、冷凝器等)中的管中。这种热交换器管通常是由薄铝合金材料构成的扁平管。当这种热交换器布置在车辆的前部处时，管的面向外的端部可能暴露于石块和其它碎片。这样的物体对管的暴露端的冲击可能导致管壁被打破，导致热交换器故障，从而必需对其进行更换。

这种类型的管通常由被形成为管形状的单个材料片材构成。在管的形成中，通常将片材的端部置于一起并将其彼此对接焊接，以形成封闭的管壁边界。在这种构造中，管具有均匀的壁厚度，该壁厚度必须被选择得足够大，以当暴露于石块等时提供必要的耐用性。

在美国公开专利申请第2009/0218085号中公开了常规的焊接管构造的若干种替代方案。在这些替代构造中，钎焊的热交换器管由一个或多个材料片材构成，其中在管端处设置重叠的材料层，以增加在这些端部处的有效管壁厚度并且加强该管。然而，由于需要许多成形操作，或者需要组装多个材料片材，或者需要以上两者，因此这些构造都需要非常复杂的轧管机。此外，这些构造都仅依赖于钎焊连接来封闭管，并且因此缺乏焊接连结部的强度。

发明内容

根据本发明的一些实施例，用于热交换器的管由单个金属材料片材制造。该管具有一对相反的间隔开的宽壁，所述一对宽壁限定管的小尺寸，其中管的内部容积设置在所述一对宽壁之间。该管的圆角壁在管的第一端部处界定内部容积，并且在该端部处连接所述相反的宽壁。该金属材料片材具有第一边缘和第二边缘，该第一边缘和第二边缘被布置成在所述一对宽壁之间彼此相邻。第一扁平区段从第一边缘延伸，并且第二扁平区段从第二边缘延伸。第一扁平区段和第二扁平区段设置成彼此抵靠。第二圆角壁和第三圆角壁被布置在管的与第一端部相反的第二端部处。第二圆角壁将第一扁平区段连接到宽壁中的一个宽壁，而第三圆角壁将第二扁平区段连接到宽壁中的另一个宽壁。第二圆角壁区段和第三圆角壁区段通过布置在由第二圆角壁和第三圆角壁的外表面界定的空间内的焊缝连结。

在至少一些这样的实施例中，在管的第一端部处的圆角壁的外表面具有等于管的小尺寸的半径，并且第二圆角壁和第三圆角壁中的每一个的外表面具有等于管的小尺寸的一半的半径。

在至少一些实施例中，第一扁平区段和第二扁平区段通过钎焊连结部彼此连接。在一些这样的实施例中，第一扁平区段也通过钎焊连结部连接到宽壁中的一个宽壁，并且第二扁平区段也通过钎焊连结部连接到宽壁中的另一个宽壁。

在一些实施例中，管内部容积在第二端部处由金属片材的第一边缘和第二边缘界定。在其它实施例中，管内部容积在第二端部处由第二圆角壁和第三圆角壁界定。在一些实施例中，管的小尺寸等于金属材料片材的厚度的四倍。

在一些实施例中，焊缝被完全设置到与第二圆角壁的外表面和第三圆角壁的外表面相切的平面的一侧。在其它实施例中，焊缝在这种平面的两侧上延伸。

根据本发明的另一个实施例，一种制作热交换器管的方法包括以下步骤：将连续的扁平金属材料片材进给到轧管机中；对扁平金属材料片材的相反的边缘卷边，以形成一对圆角端部；将金属材料片材形成为圆筒形形状，从而使圆角端部彼此接触；在圆角端部之间产生焊缝；使圆筒形形状扁平化；以及将热交换器管与连续的扁平金属材料片材分离。

在至少一些实施例中，使边缘卷边、形成圆筒形形状和使圆筒形形状扁平化的步骤发生在轧管机的顺序布置的成形站中。在一些实施例中，焊缝在轧管机的焊接站中产生，该焊接站位于产生圆筒形形状的成形站的紧邻下游。

在一些实施例中，使圆筒形形状扁平化的步骤使金属材料片材的边缘彼此接触。在一些这样的实施例中，随后在边缘之间形成钎焊连结部。在其它实施例中，在扁平化步骤之后，边缘保持彼此稍微间隔开。在一些这样的实施例中，管在与连续的扁平金属材料片材分离之后被进一步扁平化，并且在一些实施例中，在进一步扁平化发生之前，将插入件插入管中。在一些实施例中，管被组装到热交换器芯中，并且通过芯的压缩来完成进一步扁平化的步骤。

附图说明

图1A是根据本发明的实施例的在制作热交换器管的过程中的成形步骤之后的金属材料片材的端视图。

图1B是在后续成形步骤之后的金属材料片材的端视图。

图1C是在产生焊缝之后的金属材料片材的一部分的详细端视图。

图1D是根据本发明的实施例的至少部分成品的热交换器管的端视图。

图1E是根据本发明的实施例的至少部分成品的热交换器管的另一个端视图。

图2是根据本发明的实施例的用于制作热交换器管的过程的示意图。

图3是根据本发明的实施例的被用于生产热交换器管的轧管机的成形和焊接站的局部透视图。

图4是根据本发明的实施例的采用热交换器管的热交换器的局部透视图。

图5是根据本发明的实施例的热交换器管的端视图。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述的或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够有其它实施例，并且能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解的是，本文中所使用的措辞和术语是为了描述的目的，并且不应被视为是限制性的。本文中对“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意指包含其后列出的项及其等同物以及附加项。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广义地使用，并且包含直接和间接的安装、连接、支撑和联接。进一步地，“连接”和“联接”不限于物理或机械的连接或联接。

在图1A至图1E中描绘了连续制造阶段中的扁平化的热交换器管1。如图1E中最佳所见，热交换器管1包括一对相反的间隔开的宽壁2。宽壁2的间距限定了由尺寸3表示的管1的厚度。该尺寸通常被称为管的“小尺寸”，因为其显著小于在图1E的平面中垂直于尺寸3测量出的管的宽度(即管的“大尺寸”)。

如图1E中所描绘的，管1的宽壁2可以被设置成平行的扁平壁。使壁2扁平且平行可以在将热交换器管1结合在成品热交换器芯(诸如图4中部分示出的热交换器芯)中时提供某些优点。然而，在某些实施例中，出于下文中将讨论的原因，最初生产具有如图1D中描绘的稍微弯曲的壁2的热交换器管可能是有利的。

热交换器管1可以至少部分地在轧管机101内形成，该轧管机101的操作在图2中以示意的方式示出。轧管机在本领域中通常被认为是如下机器，该机器通过沿着轧机的长度布置的一系列制造站由一个或多个连续的金属材料片材形成金属管。如图2中所描绘的，单个连续的金属材料片材110以片材卷(coil)111的形式提供，并且从该片材卷进给通过轧机101的站。轧机包括第一成形站102、第二成形站103、缝焊接站104、第三成形站105以及切断站106。然而，应该理解的是，在不偏离本发明的情况下，除了本文中具体描述的那些站之外，轧管机的站还可以包括上文没有提到的各种附加站。

在第一成形站102中，金属材料片材110的相反的边缘7和8中的每一个以朝向该片材的一侧折曲180°的方式被卷边，使得片材100的轮廓在离开站102时是如图1A中所描绘的那样。特别地，片材110的端部在站102的出口处均包括短的扁平区段9、10，该短的扁平区段9、10从片材的边缘7、8延伸，并且设置成与片材110的其余扁平部分平行且相邻。圆角壁11、12将扁平区段9、10连接到其余扁平部分。短区段9、10的长度可以变化，但是通常是片材110的总宽度的一小部分，并且通常是约一毫米或几毫米。在一些特别优选实施例中，片材110的端部被完全卷边或几乎完全扁平，如图1A中所描绘的实施例中的情况那样，使得圆角端壁11、12的外表面13、14具有约等于片材110的厚度(在图1A中被指示为尺寸“t”)的半径。在其它实施例中，扁平区段9、10与片材的其余部分稍微隔开，使得外表面13、14具有比片材110的厚度略大的半径。

端部11、12在成形站102内的成形通常用一系列辊或其它移动表面来完成，这些辊或其它移动表面与片材110接合，以使片材材料变形或操纵片材材料。可以优选的是，将成形操作分成若干个阶段，诸如将片材110的端部以第一角度(例如90°的角度)折曲的阶段，接着是将折曲的边缘折叠成与片材110的其余部分平行的另一个阶段。因此，应该理解的是，成形站102可以对应于一系列的独立成形操作，这些操作共同地将材料片材110从扁平片材转变成图1A中所描绘的形式。还应当进一步理解的是，相反的边缘7、8可以在成形站102内被同时卷边，或者边缘7、8中的一个边缘可以首先卷边，而边缘7、8中的另一个边缘可以随后卷边，成形站102被认为构成了这些成形操作的整体。

在离开第一成形站102之后，材料片材110进入第二成形站103，其中扁平片材被卷成如图1B中所描绘的圆筒形轮廓。特别地，将端壁11、12置于一起，使得外表面13、14彼此接触。由此，整个片材110呈现圆筒形形状。可以使用使片材110逐渐变形的一系列相对辊来执行这种成形操作，其中最后一组辊112(图3所示)使端壁11、12接触，并完成圆筒形形状。

缝焊接站104沿着轧管机101的长度布置在第二成形站103的紧邻下游，因此可以认为成形站103和焊接站104被共同布置(co-loated)，如图2所示。在焊接站104内，如图3中所示，焊头113用于在其中片材110的圆角端壁11、12接触的位置处产生连续焊缝15。如在描绘了离开焊接站104的圆筒形管轮廓的部分的图1C的详细视图中可以看出，焊缝15设置于在壁11、12的弯曲外表面之间自然形成的谷内。使焊缝如此定位，能够排除对随后研磨焊缝15的需要，这在扁平片材的两个边缘之间的传统对接焊接连结部中是经常需要的。

在焊接站104之后，现在呈圆筒形形式的片材110经过第三成形站105，其中该圆筒形形状被扁平化成诸如图1D和/或图1E中所示的形状。可以通过另一系列辊来执行站105中的成形操作，这些辊在与焊接连结部的两侧成约90°的位置处接合片材110的圆筒形表面，以便使圆筒形形状逐渐扁平化。作为该扁平化操作的结果，片材110呈现具有一对相反的宽壁2的扁平化的管轮廓，这对宽壁2在一个端部处由焊接的圆角端部11、12连结，而在相反的端部处由单个圆角壁5连结。

将圆筒形形状扁平化导致圆角壁11和12旋转，使得短的扁平区段9和10设置成彼此抵靠。焊缝15在扁平化操作期间保持完整，但是可以由于圆角壁的旋转而被稍微拉伸。

轧管机101的终点站106被配置为切断站，其中将单独的扁平管1从连续片材110切下。单独的扁平管1可以是成品的形式(如图1E中所描绘)，或者其可以是部分成品的形式(如图1D中所描绘)。在1E的成品形式中，相反的宽壁2是扁平的且彼此平行，并且被间隔开，以限定由附图标记3指示的管的小尺寸。在这种情况下，圆角壁5的外表面6具有等于管的小尺寸3的一半的半径，使得圆角壁5跨180°的总弧长。

可替代地，可以将管1以如图1D中所示的部分成品形式从轧管机101切断。在该部分成品形式中，相反的宽壁2稍微拱起，使得宽壁2之间的间距在宽壁的中心处比其在宽壁的两端处稍大。这种管形状能够在随后将扁平管1组装成热交换器中提供某些优势。

图4描绘了热交换器200的一部分，其使用了若干个根据本发明的实施例的管1。热交换器200包括一对相反的圆筒形集管201(仅示出一个)，其中间隔开的管槽沿着集管的长度以规则的间距延伸，以容纳管1的端部。波纹翅片203被布置在管1中的相邻的管之间，并且波纹翅片203的凸峰和凹谷通过钎焊连结部或类似的冶金连接而连结到管101的宽壁2，以确保热量从在管1的内部空间4内流动的流体到在管1的外表面上和在翅片203上流动的另一流体(通常是空气)的有效传递。应当理解的是，尽管在示例性实施例中描绘了圆筒形集管，但可替代地，可以使用扁平集管、椭圆形集管或其它形状的集管来构造热交换器200。

为了使在扁平管1的宽表面2与翅片201之间的接触面积最大化并且从而使传热速率最大化，特别期望的是宽表面2是扁平的并且彼此平行，如图1E中所描绘的那样。然而，在轧管机101内实现这样的扁平度可能具有挑战性。因此，可以特别优选的是，从轧管机101递送出如图1D中所示的形式的管1，其中宽表面2具有稍微凸形的弓形。在热交换器200的组装中，管1和翅片203通常被堆叠成交替的管和翅片的矩阵布置，该矩阵布置由在堆叠的底部和顶部处的侧板202界定。随后通过侧板202将压缩力施加到组装好的堆叠上，这具有进一步将管1扁平化成图1E的其最终期望形状的结果。然后可以将集管201组装到管端上，并且压缩芯可以被钎焊(例如在钎焊炉中)成一体式结构。

将焊缝15布置在由接触的圆角表面13、14形成的谷内允许将管端容易地组装到集管201的槽中。在特别优选实施例中，焊缝15完全位于与表面13和表面14相切的平面16(图5中示出)的一侧。这允许将管端平滑地插入槽中。此外，使焊缝15填充所述谷能够在管到集管的连接处提供更好的钎焊连结部，因为该谷不需要由钎焊合金填充。

生产具有如图1D中所示的形状的管1在期望管1内存在内部插入件17的情况下也能够是有益的。在图5中描绘了包含这种插入件17的管1的端视图。插入件17的存在能够提供管1内的提高的传热速率，因为插入件17通过较小的水力直径增加了传热系数，并且增加了用于内部流体的传热表面积。特别优选的是，当存在插入件17时，将插入件17钎焊到管1。在已经在轧管机101中生产具有形状(诸如图1D中所示的形状)的管1之后，将插入件17插入管1中。由于宽壁2的略微向外弓形，所以在将插入件17插入到管1时将经历的在插入件17的凸峰与宽壁2的内表面之间的摩擦阻力能够被大大减小，从而简化了制造过程。如前所述，随后可以在热交换器芯的压缩中实现插入件17与管壁2之间的期望的良好接触。插入件17在这种压缩期间提供了附加的功能，因为插入件17能够用作用于宽壁2的偏转的硬止动件，从而防止壁2的任何向内塌陷，否则这可能导致翅片203与管1之间的不良的钎焊连结部。

如图1E中最佳所见，其成品形式的管1在宽壁2之间提供了管内部容积4。管内部容积4在一个端部处由圆角壁5界定，而在相反的端部处由初始片材材料的边缘7和边缘8界定。作为结果，管壁在该端部处的有效厚度显著大于在管的其余部分上的厚度“t”。管1优选以共同的取向被组装到热交换器200中，使得圆角壁11和12都被布置在热交换芯的一个面上。这允许将热交换器200安装成使得端部11和端部12面向外。增加的有效厚度因此提供了对抗在热交换器200的操作期间可能发生的石块等的任何撞击的附加结构增强，从而在不牺牲热交换器的耐用性的情况下允许管1由更薄的材料构成。

通过在热交换器200的钎焊期间将接触的扁平区段9和10钎焊到彼此，能够进一步实现在与圆角壁11和12相对应的端部处的管的附加增强，使得在该管端处实现组合的熔焊和钎焊连结部。当材料片材110在变成管1的外表面的侧面上设有钎焊包覆材料层时，这种钎焊连结部能够被容易地实现。通常设置这种钎焊包覆层是为了供应必要的钎焊合金，用于将翅片203连结到管1以及用于将管端连结到集管201。因此，能够在无需任何附加钎焊材料的情况下提供坚固的加强管端。当钎焊包覆层被设置在片材110的两侧上时，能够通过在扁平区段9、10与宽壁2的内表面之间形成钎焊连结部来进一步加强管端。

参考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。除了与上述每一个实施例互斥或不一致的特征、元件和操作方式之外，应当注意的是，参考一个特定实施例描述的替代的特征、元件和操作方式可以应用于其它实施例。

以上描述的和附图中示出的实施例仅通过示例的方式呈现，并不旨在作为对本发明的构思和原理的限制。由此，本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在元件及其构造和布置方面可以进行各种改变。

Claims (7)

1.一种制作热交换器管的方法，包括：

将连续的扁平金属材料片材进给到轧管机中；

在所述轧管机的第一成形站中，对所述扁平金属材料片材的相反的第一边缘和第二边缘卷边，以分别形成第一圆角端部和第二圆角端部，在所述第一圆角端部与所述第一边缘之间形成片材的第一短扁平区段，并且在所述第二圆角端部与所述第二边缘之间形成片材的第二短扁平区段，所述第一圆角端部和所述第二圆角端部分别将所述第一短扁平区段和所述第二短扁平区段连接到片材的其余扁平部分，所述第一短扁平区段和所述第二短扁平区段被设置成与所述其余扁平部分平行且相邻；

在所述轧管机的第二成形站中，将所述金属材料片材成形为圆筒形形状，从而使所述第一圆角端部和所述第二圆角端部彼此接触；

在所述第一圆角端部和所述第二圆角端部之间产生焊缝；

在所述轧管机的第三成形站中，使所述圆筒形形状扁平化；以及

在所述轧管机的切断站中，将所述热交换器管与所述连续的扁平金属材料片材分离，

其中，使所述圆筒形形状扁平化的步骤导致所述金属材料片材的所述第一短扁平区段与所述第二短扁平区段彼此接触。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：在所述金属材料片材的所述第一边缘和所述第二边缘之间形成钎焊连结部。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：在所述金属材料片材的初始边缘中的第一初始边缘和所述管的第一宽外壁之间以及在所述金属材料片材的初始边缘中的第二初始边缘与所述管的第二宽外壁之间形成钎焊连结部。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊缝在所述轧管机的焊接站中产生，所述轧管机的所述焊接站位于所述轧管机内的所述第二成形站的紧邻下游。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

将插入件插入到所述热交换器管中；以及

在插入所述插入件之后，将所述热交换器管进一步扁平化。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，将所述热交换器管进一步扁平化的步骤通过压缩已经组装有所述热交换器管的热交换器芯来发生。

7.一种热交换器管，所述热交换器管通过根据权利要求1所述的方法来获得。

Images