CN111981877B - 板式热交换器 - Google Patents

Abstract

一种板式热交换器，包括板对的堆叠件，其中在相邻的板对之间具有间隙，板对的堆叠件被布置成用以提供用于使第一流体穿过板对的内部容积的流路，同时允许第二流体流过板对的外表面。用于第一流体的至少一个圆柱形流体歧管延伸穿过板对。非平面盖布置在板式热交换器的一端处，以封闭圆柱形流体歧管。加强板布置在所述一端处在非平面盖与板式热交换器的端板之间。非平面盖相对于圆柱形流体歧管的中央轴线的位置被维持以便防止由于内部增压而导致板式热交换器的故障。

Description

板式热交换器

相关专利申请的交叉引用

本申请要求于2019年5月24日提交的美国临时专利申请第62/852,348号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本申请涉及热交换器。

背景技术

用于在流体流之间有效地传递热量同时维持那些流体流之间物理分离的热交换器是已知的。这种热交换器通常由具有高导热率的金属材料(诸如铝或铜的合金)构成。在一些情况下，一种或多种流体具有腐蚀性和/或处于高压下，从而需要使用诸如钛和不锈钢的材料。所有这些类型的热交换器都可以通过钎焊生产。

板式热交换器是这种热交换器的一种特定类型，并且被构造为板对(platepairs)的堆叠件，其中一种流体流过这些板对。这种热交换器有时用于高压应用中，其中经过板对的流体处于高压下。在这种应用中，在设计和建造热交换器时必须小心，以防止由于内部增压而导致热交换器的早期结构故障。这种热交换器特别容易因用于流体经过板对的流体歧管的位置处的内部压强而导致结构故障。

发明内容

板式热交换器包括板对的堆叠件，其中在相邻的对之间具有间隙，板对的堆叠件被布置成提供用于使第一流体经过板对的内部容积的流路，同时允许第二流体流过板对的外表面。用于第一流体的至少一个圆柱形流体歧管延伸穿过板对。非平面盖布置在板式热交换器的一端处以封闭圆柱形流体歧管。加强板布置在所述端处在非平面盖与板式热交换器的端板之间。

加强板结合到端板和非平面盖两者。结合可以通过钎焊、或通过焊接或通过其它已知的结合零件的方式进行。当结合通过钎焊完成时，则钎焊结合部可以与将板对钎焊在一起以形成堆叠件同时进行。

加强板在垂直于圆柱形流体歧管的中央轴线的平面内的位置可以通过端板的特征来固定。在一些情况下，端板的那些特征可包括围绕周边或端板内的圆形孔口设置的上翻凸缘，其中圆柱形流体歧管延伸穿过该圆形孔口。在其它情况下，端板可以设置有其它特征以固定加强板的位置。

加强板可以具有延伸穿过加强板的厚度的圆形开口。加强板在垂直于圆柱形流体歧管的中央轴线的平面内的位置可以通过这些特征来固定，使得加强板的圆形开口与圆柱形流体歧管轴向对准。加强板的外边界可以是圆形的，使得加强板是环形的。可替代地，加强板的外边界可以是不同的，包括但不限于正方形、长方形、六边形或八边形。

非平面盖在垂直于圆柱形流体歧管的中央轴线的平面内的位置可以通过加强板的特征来固定。加强板的那些特征可以包括背离端板延伸的突出部。与非平面盖的外周边相比，这些突出部中的每一个突出部可以更远离中央轴线定位。加强板可以设置有三个这种突出部，或者其可以设置有三个以上的这种突出部，诸如四个、五个、六个或更多个突出部。

加强板上的每一个突出部可以与圆柱形流体歧管的中央轴线间隔开相同的径向距离。单个加强板上的每一个突出部可以彼此与该加强板上的其它突出部等距地间隔开。

加强板上的突出部可以形成为半冲孔。可替代地，突出部可以以其它方式形成，包括但不限于冲压、成形、拉拔、切开、冲窝和其它金属成形操作。

非平面盖可以包括居中定位的圆顶部以及包围居中的圆顶部的平面部。非平面盖可以通过该平面部结合到加强板。平面部可以是环形的，或者可以具有其它形状。居中定位的圆顶部可以包括延伸到流体歧管中的第一弓形部以及包围第一弓形部并背离端板延伸的第二弓形部。

附图说明

图1是根据本发明的一些实施例的板式热交换器的立体图。

图2是图1的板式热交换器的某些特征的详细视图。

图3是图1的板式热交换器的一部分的局部截面立体图。

图4是示出了图1的板式热交换器的某些特征的截面图。

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，本发明的应用不限于以下描述中阐述的或附图中示出的构造细节和部件的布置。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或执行。同样，应当理解的是，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，且不应被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变体被广义地使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理或机械连接或耦接。

在图1中示出了板式热交换器1，并且在图2至图4中更详细地示出了板式热交换器1的各个特别重要的特征。板式热交换器在两种液体流之间的热传递中特别有用，特别是当这两种液体流中的一者处于高压下时。这种热交换器可以找到用处的一种特定应用是冷却内燃机中的变速器油或发动机油，并且出于示例性目的将描述板式热交换器在这种应用中的某些优点。然而，应当理解的是，板式热交换器1或具有这种特征的其它热交换器不限于在该特定应用中使用。

板式热交换器1被构造为板对2的堆叠件，每个板对2与相邻的板对2间隔开以在其间限定间隙。第一流体(例如，高压油)被引导流经板对2的内部空间，而第二流体(例如，发动机冷却剂)被引导流经板对2之间的间隙，从而流过板的外表面。

当两种流体流经板式热交换器1时，热能可以在它们之间传递。在一些情况下，第一流体处于比第二流体高的温度，并且板式热交换器1用于将热量从第一流体传递到第二流体，以便将第一流体冷却到期望的温度。在其它情况下，第一流体处于比第二流体低的温度，并且板式热交换器1用于将热量从第二流体传递到第一流体，以便将第一流体加热到期望的温度。板式热交换器1还可以用于通过将热量传递到第一流体或从第一流体传递热量来将第二流体冷却或加热到期望的温度。

板式热交换器1优选地被构造为金属部件的钎焊组件。可以使用多种金属来构造板式热交换器1，包括但不限于铝、钢、不锈钢和铜。在构造中所使用的至少一些组件可以具有应用到其上的钎焊合金包覆层，或者钎焊合金可以应用为单独的部件(例如，作为箔或糊料)，或者两者兼有。

板对2可以结合在一起以形成堆叠件，同时通过存在有形成到板中的向外面向的凹窝5而提供用于使第二流体流经的间隙。凹窝的图案可以使得向上面向的板的凹窝5邻接并且结合到相邻的向下面向的板的凹窝5。板式热交换器1可以被插入到第二流体所流经的腔中，从而第二流体可以被引导通过间隙并流过板表面。凹窝5的图案可以被调节以提供板对2的堆叠件的必要的结构完整性，以及提供第二流体的有益的湍流，以便增强流体之间的热传递速率。

扰流器3位于每对板对2中的流动空间内。扰流器3对于流体流来说是多孔的，以便允许第一流体流经扰流器3，同时仍为板对2提供结构支撑。每个扰流器3优选地由金属材料的薄片形成，以提供结合到板对2中的一个板的向内面向的表面的峰部和结合到板对2中的另一个板的向内面向的表面的谷部。扰流器3的一种特别有用的样式是切开偏置式扰流器(lanced-and-offset turbulator)，诸如图3中所示的扰流器。这种样式的扰流器允许流体在多个方向上流经该扰流器，并由于其湍流效应而提供高效的热传递。

除了增强热传递之外，扰流器3对于在结构上支撑每对板对2以抵抗内部增压特别有用。在一些特定的应用(包括一些油冷却应用)中，在板式热交换器的工作期间，经过板对2的内部容积的第一流体的工作压强(例如，液压油或变速器油或发动机油的流)可以是10bar或更高的压强。相反，流过板对2的外表面的流体的压强通常低得多，从而导致压差。该压差导致作用在板对的向内面向的表面上的净压力。在这种应用中，扰流器3提供了板对2之间的结构连接，该结构连接足以防止板对2的否则将由那些压力引起的压强循环故障。

用于第一流体的流体歧管6延伸穿过板对2的堆叠件，以允许第一流体进入和离开板式热交换器1的板对2。图3中所示的流体歧管6是圆柱形的，并且沿着板对2的堆叠高度延伸。流体歧管6至少部分地由板对2中的每个板的圆形孔口8限定。凸缘9围绕孔口8的周边在向外方向上延伸，使得相邻的板对2的凸缘9在板对2之间的空间中接合并结合在一起，以便使歧管6对于在板对之间流动的第二流体密封。圆柱形流体歧管6与板对2的内部流体容积直接流体连通，使得第一流体可以从流体歧管6中的用作入口歧管的一个流体歧管被引导到那些流体容积(以及位于其中的扰流器3)中，并且从流体容积被引导离开流体歧管6中的用作出口歧管的一个流体歧管。在流体歧管6的区域中从扰流器3切出对应的孔口，使得歧管不阻碍流体流。

流体歧管6在板式热交换器1的一端处敞开以将流体歧管6与用于第一流体的流动回路连接，并且在板式热交换器1的一端处封闭，该封闭端与敞开端相对。非平面盖11用于封闭该封闭端。如在图3和图4中最佳所见，非平面盖11在非平面盖11的中央部分上具有圆顶形状14。当板式热交换器1用于高压应用时，该圆顶形状允许盖8由相对较薄的金属片材料形成，同时维持抵抗由第一流体施加的压力的能力。

圆柱形流体歧管的半径(在图4中用R1表示)必须被定尺寸成足够大以确保第一流体被均匀地分布在各个板对2中。如果圆柱形流体歧管6的半径R1过小，则当第一流体从敞开端流向最接近于封闭端的板对时(或反之亦然)，第一流体经历的附加压降将导致第一流体分布不均，使得最接近于敞开端的板对2将比最接近于封闭端的那些板对2接收到更大部分的第一流体。这种分布不均会导致板式热交换器1的热交换效率的不期望的降低。因此优选的是，流体歧管6具有足够大的半径R1。

当板式热交换器1用于高压应用时，可能在盖11上施加很大的力。作用在该盖11上的压力等于流体歧管6内的流体的表压(即，该流体与外部压强之间的压差)乘以流体歧管6的横截面积。该横截面积(并因此，压力)与圆柱形流体歧管6的半径R2具有二阶(即，平方)关系。结果，流体歧管6可以成为板式热交换器1的结构弱点。

非平面盖11的圆顶形状比平面盖更能抵抗由于压力而导致的变形。当压力作用在圆顶形状14上时，合应力分解为沿着形状轮廓的弯曲方向作用的环向应力，而不是垂直于材料厚度定向的力。因此，非平面盖11可以由比(如果其是)平面盖明显更薄的材料制成，并且仍然抵抗由于压强载荷导致的变形。

非平面盖11沿着其周边被结合到板式热交换器1。由歧管6中的第一流体的压强施加在非平面盖11上的压力在该结合部处用作在圆柱形流体歧管6的中央轴线12的方向上作用的张力。该张力被扰流器3的在流体歧管6的区域中的那些部分抵抗，并且被在板对2之间的间隙中包围结合的凸缘9的环形垫片4抵抗，该环形垫片4将那些相邻的板对2结合在一起。

为了加强板对2中的最外一个板对的在圆柱形流体歧管6的区域中的薄材料，将加强板10结合到板式热交换器1的端板7，该端板7是位于封闭端处的最外板对2的向外面向的板。由于该最外板对2内的扰流器3将会加强该板对以抵抗来自背离流体歧管6的区域中的第一流体的内部压强载荷，因此仅在紧邻圆柱形流体歧管6的区域中需要较厚的加强板。因此，加强板10可以设置有具有内径R2和稍大的外径R3的环形形状，其中该内径R2略大于流体歧管6的半径R1。内径R2仅需要足够大以包围围绕该端板7的孔口8的周边延伸的凸缘9。

非平面盖11结合到加强板10，并且由非平面盖11上的压强载荷产生的张力通过该结合部传递到板式热交换器1。为了提供在其上分布张力的足够的支承表面，非平面盖11设置有包围圆顶中央部14的平面部15。平面部15是环形的，具有大于半径R2的内径R5，并且具有小于半径R3的外径R6。

圆顶部14包括：第一弓形部14a，该第一弓形部延伸到流体歧管6中；以及第二弓形部14b，该第二弓形部连接到平面部15并包围第一弓形部14a。第二弓形部14b在与第一弓形部14a相反的方向上呈圆顶形，即，背离端板7延伸。圆顶部14的这种轮廓允许在不牺牲任何结构刚性的情况下，设计出比其具有单个向外延伸的圆顶更低的高度。

如在图4的横截面中可见，圆顶形状14允许非平面盖11具有较大的自由度，以在垂直于中央轴线12的平面内移动。这具有在盖11与中央轴线12明显未对准的情况下使盖11结合至加强板10的潜力。特别地，向外弯曲的圆顶部14b在围绕与流体歧管6的中央轴线12相距径向距离R1和R2的区域中创建余隙区。此外，余隙范围设置在向内弯曲的圆顶部14a与端板7的上翻凸缘9之间。因此适应了非平面盖11沿着垂直于中央轴线12的平面的移位，直到圆顶部14a接触端板7的上翻凸缘9，或者平面部15的内边缘接触延伸超过加强板10的顶表面的上翻凸缘9的任意部分。

发明人已经发现，非平面盖11的旋转轴线与圆柱形歧管6的中央轴线12之间的未对准可以明显降低板式热交换器1承受反复的压强循环而不故障的能力。尽管不希望受到理论的束缚，但应当认为，非平面盖11的未对准导致通过环形平面部15与加强板10之间的结合部施加的拉伸载荷沿着圆柱形歧管6的周边的分配部转移到末端板对2的扰流器3的接近或处于径向距离R1处(即，接近被切入到扰流器3中以适应流体歧管6的孔口)的那些旋卷，而不是位于与中央轴线12相距在R5至R6之间的径向距离处的那些旋卷。这被认为会导致在那些旋卷中出现裂纹，从而导致扰流器3不能在该区域中充分执行其对板对2的结构支撑功能，并导致板式热交换器1的结构故障。

为了防止前述结构故障，在钎焊过程之前和钎焊过程期间，必须控制并维持非平面盖11沿着垂直于中央轴线12的平面的位置。特别期望的是，在不需要端板7本身提供任何附加的定位特征的情况下做到这一点，因为端板7优选地与所有其它板对2中的对应的后者相同。在图1至图4的示例性实施例中，这通过在特定位置处形成在加强板10中的一系列突出部13实现。突出部13从加强板10向外延伸，并且位于与中央轴线12相距径向距离R4处，该径向距离R4略大于径向距离R6。当非平面盖沿着垂直于中央轴线12的平面转移时，平面部15的外边缘将邻接突出部13中的至少一个突出部，使得移位被适当地限制。

每个突出部13与圆柱形歧管6的中央轴线12相距的径向距离R4被固定，并且以仅比圆柱形歧管6的半径R1略微大的加强板10的内径R2来维持。这导致加强板10和圆柱形歧管6的强制同心，这是因为端板7的上翻凸缘9将接合环形加强板10的内圆柱表面以防止加强板10的任何未对准。可以特别有利的是，在加强板10的该内圆柱表面与加强板10的接触到端板7的平面表面的相交部处的圆形边缘处设置圆角或倒角，以便容纳并屈曲上翻凸缘9的半径。

在示例性实施例中，在每个加强板10中设置总共三个突出部13，这是防止非平面盖沿着所述平面在任何方向上移位所必需的最少数目的这种突出部13。然而，应当理解的是，在其它实施例中可以存在三个以上的突出部。

在每个加强板10内，突出部13中的每一个突出部与突出部13中的其它突出部彼此等距地间隔开。如图2最佳所见，这通过使每个突出部与其它突出部13成120°的角度布置来实现。

形成突出部13的一种特别优选的方式是半冲孔。半冲孔是一种金属板成形工艺，其中，使用冲头和冲模来移位金属板的一部分而不完全剪切该材料，从而创建从材料表面延伸的突出部，该突出部的突出量小于材料厚度。如图4的截面图中所示，所得的突出部13没有或几乎没有形成圆角半径，因此防止了非平面盖11在移位到突出部13中时跨上并越过突出部13。

参考本发明的特定实施例描述了本发明的某些特征和元件的各种替代方案。除了相互排斥或与上述每个实施例不一致的特征、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特征、元件和操作方式可以适用于其它实施例。

上文描述的以及在附图中示出的实施例仅以示例的方式呈现，并且不旨在限制本发明的概念和原理。同样地，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，可以对元件及其构造和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种板式热交换器，包括：

圆柱形流体歧管，所述圆柱形流体歧管延伸穿过所述板式热交换器；

所述热交换器的端板，所述端板被布置所述在热交换器的一端处，所述端板具有圆形孔口以允许所述流体歧管延伸穿过所述端板；

非平面盖，所述非平面盖被布置在所述热交换器的所述一端处，以封闭所述圆柱形流体歧管；以及

加强板，所述加强板被布置在所述端板与所述非平面盖之间，并且被结合至所述端板和所述非平面盖，所述加强板在垂直于所述圆柱形流体歧管的中央轴线的平面内的位置通过所述端板的特征来固定，并且所述非平面盖在所述平面内的所述位置通过所述加强板的特征来固定；

其中，所述非平面盖包括居中定位的圆顶部和包围所述居中定位的圆顶部的平面部，所述非平面盖通过所述平面部结合到所述加强板。

2.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述加强板是环形形状。

3.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述端板的所述特征包括围绕所述圆形孔口的周边的上翻凸缘。

4.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述加强板的所述特征包括背离所述端板延伸的多个突出部，所述多个突出部被定位成与所述非平面盖的周边相比更远离所述中央轴线。

5.根据权利要求4所述的板式热交换器，其中，所述多个突出部中的每一个与所述中央轴线间隔开相同的径向距离。

6.根据权利要求4所述的板式热交换器，其中，所述多个突出部由三个突出部构成。

7.根据权利要求6所述的板式热交换器，其中，所述多个突出部中的每一个与所述多个突出部中的其它突出部彼此等距地间隔开。

8.根据权利要求4所述的板式热交换器，其中，所述多个突出部是半冲孔。

9.根据权利要求1所述的板式热交换器，其中，所述居中定位的圆顶部包括第一弓形部和第二弓形部，所述第一弓形部延伸到所述流体歧管中，所述第二弓形部包围所述第一弓形部并且背离所述端板延伸。

10.一种板式热交换器，包括：

圆柱形流体歧管，所述圆柱形流体歧管延伸穿过所述板式热交换器；

所述热交换器的端板，所述端板被布置所述在热交换器的一端处，所述端板具有圆形孔口以允许所述流体歧管延伸穿过所述端板；

非平面盖，所述非平面盖被布置在所述热交换器的所述一端处，以封闭所述圆柱形流体歧管；以及

加强板，所述加强板被布置在所述端板与所述非平面盖之间，并且被结合至所述端板和所述非平面盖，所述加强板在垂直于所述圆柱形流体歧管的中央轴线的平面内的位置通过所述端板的特征来固定，并且所述非平面盖在所述平面内的所述位置通过所述加强板的特征来固定；

其中，所述加强板的所述特征包括背离所述端板延伸的多个突出部，所述多个突出部被定位成与所述非平面盖的周边相比更远离所述中央轴线；

其中，所述多个突出部由三个突出部构成。

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