CN113227545B - 用于冷却多个流体的热交换器 - Google Patents

Abstract

一种热交换器，其具有与基板结合的嵌套壳体的堆叠，并且包括延伸穿过该堆叠的两个冷却剂歧管和四个流体歧管。冷却剂歧管沿堆叠方向在堆叠的整个长度上延伸。两个流体歧管沿着堆叠方向从堆叠的一端延伸到中间位置，而另外两个流体歧管从堆叠的另一端延伸到所述中间位置。流体传输导管从基板的与堆叠相反的一面穿过所述堆叠延伸到堆叠的与基板相反一端处的流体歧管，以将流体传输到在堆叠的该端部处的那些流体歧管之间延伸的流体流通路，和从在该堆叠的该端部处的那些流体歧管之间延伸的流体流通路传输流体。

Description

用于冷却多个流体的热交换器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月27日提交的美国临时专利申请第62/771,769号的优先权，其整个内容通过引用在整体上并入本文。

技术领域

本发明涉及液体-液体热交换器，特别是涉及在液体冷却剂流与两个或更多个液体流之间传递热的热交换器。这种类型热交换器包括但不限于油冷却器。

背景技术

已知将流体温度调节成高于最小阈值、低于最大阈值或者在由最小阈值和最大阈值界定的期望范围内的热交换系统。这样的热交换系统通常包括一个或多个热交换器。车辆动力系特别需要这样的热交换系统，以适当地调节诸如冷却剂、发动机油、变速箱油之类的工作流体的温度。

已知通过嵌套板的堆叠构成的热交换器，诸如用于汽车应用的液体冷却油冷却器。这样的油冷却器通常由相对刚性的安装基板构成，并且使得至少一种流体(通常是油)的入口和/或出口穿过所述基板会是有利的。

在一些情况下，可能期望使用单个热交换器来冷却两个或更多个流体流，诸如两个或更多个不同和/或液压分离的油流。在这样情况下，多个流体流在各流体流的期望入口位置、出口位置及热交换器内的流动通路之间的布线(routing)会是复杂的，从而导致成本增加和/或传热效率降低。

发明内容

本发明的至少一个目的在于提供一种能够在液体冷却剂流和两个或更多个流体之间传递热量的热交换器，其具有流体在流体入口和流体出口以及热交换器内的流体流动通路之间的改进的布线。

根据本发明的至少一些实施例，具有结合到基板的嵌套壳体堆叠的热交换器包括延伸穿过堆叠的两个冷却剂歧管和四个流体歧管。冷却剂歧管沿堆叠方向从其中安装有基板的第一端延伸过堆叠的整个长度，并延伸到其中帽板被结合到堆叠的第二端。两个流体歧管沿着堆叠方向从第一端延伸到中间位置，而另两个流体歧管从第二端延伸到所述中间位置。

冷却剂歧管通过在堆叠的嵌套壳体之间形成的冷却剂流通路被在堆叠内流体连接。另外，流体流通路形成在堆叠的嵌套壳体之间，并与冷却剂流通路交错。从第一端延伸到中间位置的两个流体歧管由布置在第一端与中间位置之间的那些流体流通路流体连接。从第二端延伸到中间位置的两个流体歧管由布置在第二端与中间位置之间的那些流体流通路流体连接。

至少一个流体传输导管从基板的与嵌套壳体堆叠相反的一面延伸到布置在堆叠的第二端与中间位置之间的一个流体歧管。在一些实施例中，流体传输导管包括第一段和第二段。第一段沿嵌套壳体堆叠的堆叠方向延伸。在一些实施例中，第二段形成到帽板中。在一些这样的实施例中，第二段至少部分地由帽板中的细长凸起限定。在一些这样的实施例中，所述细长凸起具有弧形截面。

在一些实施例中，布置在堆叠的第一端与中间位置之间的流体歧管中的一个或两者延伸穿过基板。

在一些实施例中，两个流体传输导管从基板的与嵌套壳体堆叠相反的面延伸。流体传输导管中的每一个从基板的所述面延伸到布置在堆叠的第二端与中间位置之间的两个流体歧管中的一个。

在一些实施例中，布置在堆叠的第一端和中间位置之间的流体歧管中的一个与布置在堆叠的第二端和中间位置之间的一个流体歧管对准。在一些这样的实施例中，每一个流体歧管与另一个流体歧管对准。

在一些实施例中，彼此对准的那些流体歧管被流动屏障分离开。在至少一些实施例中，流动屏障形成到一个或多个嵌套壳体中。在一些特定实施例中，流动屏障由堆叠中的两个连续的壳体形成。

在至少一些实施例中，冷却剂歧管和流体歧管由嵌套壳体的对准的孔口形成。在一些实施例中，所述孔口被布置在壳体的拐角处。

在一些实施例中，壳体具有包括长方向和短方向的矩形形状。在至少一些这样的实施例中，流体传输导管被布置在堆叠的在长方向上的相反两端处。

根据本发明的一些实施例，延伸通过嵌套壳体堆叠的流体传输导管至少部分地由壳体的对准的孔口限定。所述对准的孔口中的每个孔口由与相邻壳体的上翻凸缘嵌套的上翻凸缘包围。

附图说明

图1是根据本发明一些实施例的热交换器的透视图。

图2是图1的热交换器的另一透视图。

图3是图1的热交换器的透视图，其被剖切以示出某些内部细节。

图4是图1的热交换器的局部透视图，其被剖切以示出其它内部细节。

图5是图4的部分V-V的细节图。

图6是图1的热交换器的分解图。

具体实施方式

在详细解释本发明任何实施例之前，应理解，本发明的应用不限于在以下说明中阐述或在附图中例示的部件的构造和布置细节。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。而且，应理解，本文使用的措辞和术语是为了说明目的，而不应视为是限制性的。本文使用的“包括…”、“包含…”或“具有…”及其变体旨在涵盖其后列出的项和其等效物和附加项。除非另有规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变体是在广泛意义上使用，涵盖直接和间接安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。

图1至图6中所示的热交换器1是油冷却器，其被构造用以在液体冷却剂流与两个单独的油流之间交换热量。两个单独油流中的一个或两者可以是发动机油流。可替选地，两个单独油流中的一个或两者可以是变速箱油流。在一些应用中，两个单独的油流中的一个或两者可以是用于冷却电动车辆或混合动力电动车辆中的部件的介电油。但是，应理解，热交换器1可以用于在液体冷却剂流与任何两个其它流体流之间传递热量，并且待冷却的流体不必要是油流。

热交换器1使用嵌套的壳体3构造成，壳体3由诸如铝、铜、钢等导热材料的薄片材冲压而成。壳体3嵌套在一起以形成沿堆叠方向30延伸的堆叠2。壳体3各自设有上翻的周边凸缘27，以实现期望的嵌套布置。周边凸缘27以一定角度布置，以便在堆叠2组装时，在相邻的壳体3之间提供用于流体流的空间。这些空间交替地限定穿过热交换器1的冷却剂流通路8和流体流通路9。冷却剂流通路8和流体流通路9沿着堆叠方向30彼此交错，从而热量可以在流体之间通过薄导电壳体高效传递。

嵌套壳体3通过钎焊接合到堆叠2中的相邻壳体。为了实现钎焊，形成壳体3的材料优选在片材的一侧或两侧上设有钎焊合金包覆层。在钎焊操作期间，已组装的热交换器1被加热到钎焊合金变为液体的温度，然后冷却以使钎焊合金固化，并在多个部分之间产生液密接头。由此，能够在壳体3之间沿周边凸缘27产生接头。另外，壳体3可在壳体的平坦表面上设有凹处(dimples)28，以便在相邻壳体之间提供附加的钎焊接头。这些凹处28由于提供了冷却剂和/或流体流的有益湍流而进一步提高了传热率。

已组装的堆叠2沿堆叠方向从第一端部21延伸到第二端部22。基板4被布置在端部21处，并且基板4的顶面25被接合到堆叠2的端部21，优选地在与将壳体3结合在一起的同一钎焊操作期间进行该结合。类似地，帽板5被设置在端部22处，并在该端部处结合到堆叠2。

壳体3以大致矩形形状形成，具有长方向31和短方向32。应理解，方向31和32被称为“长”和“短”，是为了容易描述附图中所示的热交换器1。壳体在两个方向上具有相等尺寸也是同样可行的。冷却剂歧管和流体歧管被设置在堆叠2的四个拐角处，用以提供到冷却剂流通路8和流体流通路9的流体连通。这些歧管通过使用布置在壳体3的拐角处的孔口17形成。孔口17位于壳体3的局部变形区域内，使得相邻壳体3的变形区域沿着孔口17的周边结合在一起，以在歧管和相邻壳体之间的交替的流体空间之间提供流体连通。

在堆叠拐角的其中两个拐角处，孔口17限定从第一端部21延伸到第二端部22的冷却剂歧管10。冷却剂歧管10被冷却剂流通路8流体连接。两个冷却剂端口6被布置在帽板5上，每个冷却剂端口6与冷却剂歧管10中的一个流体连通。热交换器1可以经由这些端口6连接到冷却剂回路(未示出)，使得在热交换器1的运行期间，冷却剂流可以被引导通过热交换器的冷却剂流通路8。由此，冷却剂歧管10中的一个将起到冷却剂入口歧管的作用，并且对应的一个冷却剂端口6将是冷却剂入口端口。冷却剂歧管10中的另一个将起到冷却剂出口歧管的作用，并且对应的一个冷却剂端口6将是冷却剂出口端口。

流体歧管12和流体歧管14布置在第三拐角处，流体歧管12用于两个流体流中的与冷却剂交换热量的一个流体流，流体歧管14用于两个流体流中的与冷却剂交换热量的另一流体流。流体歧管12和14沿着堆叠方向30彼此对准，并且被一对嵌套壳体3液压分离开，从所述一对嵌套壳体3的该拐角处取消孔口17。在其位置中，产生屏障18以维持两个流体流的期望液压隔离。包括屏障18的所述一对嵌套壳体3沿堆叠方向30布置在第一端部21和第二端部22之间的中间位置处。流体歧管12从第一端部21延伸到该中间位置，并且流体歧管14从第二端部22延伸到该中间位置。

以类似方式，流体歧管13和流体歧管15布置在第四拐角处。流体歧管13从第一端部21延伸到中间位置，并且流体歧管15从第二端部22延伸到中间位置。歧管13、15同样被屏障18分离，屏障18布置在位于该中间位置处的所述一对壳体3中的所述拐角中。

如图5中最佳示出的，屏障18由属于所述一对壳体的两个壳体3形成。但是，在一些实施例中，屏障18可以替选地由壳体3中的仅单个壳体3形成，而另一壳体3在所述拐角处设有孔口17。

流体歧管12和流体歧管13由限定在壳体3之间的流体流通路9的第一子集连接，该第一子集是位于堆叠2的第一端部21与中间位置之间的那些流体流通路9。同样地，流体歧管14和流体歧管15由限定在壳体3之间的流体流通路9的第二子集连接，该第二子集是位于堆叠2的第二端部22与中间位置之间的那些流体流通路9。所述冷却剂流通路8中的一个冷却剂流通路8被限定在包括屏障18的所述一对壳体的两个壳体3之间，并且这一个冷却剂流通路8与第一子集中的一个流体流通路9交换热量，并且与第二子集中的一个流体流通路9交换热量。

针对特定应用，屏障18沿着堆叠方向30的位置可以根据需要来调节。在一些实施例中，使屏障18布置在端部21、22之间的中间会是优选的，使得第一子集中的流体流通路9的量与第二子集中的流体流通路9的量相等。在其它实施例中，可能优选的是，流通路9的一个子集比另一子集具有更多的流通路，以适应更高流量和/或适应更高传热率。

流体歧管12、13中的任一个可以起用于第一流体流的入口歧管的作用，而流体歧管12、13中的另一个起出口歧管的作用。类似地，流体歧管14、15中的任一个可以起用于第二流体流的入口歧管的作用，而流体歧管12、13中的另一个起出口歧管的作用。流体流中的一个或两者可以沿与冷却剂流通过冷却剂流通路8的方向相反的方向，流过流体流通路9的对应子集。替选地，流体流中的两者可以沿与冷却剂流共同的方向流动。

在示例性的热交换器1中，冷却剂歧管10沿着每个壳体3的在长方向31上延伸的第一公共边缘布置，并且流体歧管12-15沿着每个壳体3的在长方向31上延伸的第二公共边缘布置。在其它实施例中，可能优选的是，冷却剂歧管10替代地被布置在沿对角相对的拐角处，并且流体歧管12-15也被布置在沿对角相对的拐角处。

孔23和24设置在基板4的底面26上，第一流体和第二流体分别流过孔23和24。底面26是基板4的第二面，该第二面与第一面(即，顶面25)相反，因此背向堆叠2。通过将孔23、24布置在该底面26上，可以通过经由基板4对热交换器1的结构性安装来实现流体流的流体连接。为此，基板4可以设有安装孔，机械紧固件可以插入到这些安装孔中。在车辆应用中，当热交换器1被设置用于冷却两个单独的油流时，这种安装布置可能尤其有益。在这样的应用中，热交换器1可以固定至发动机、变速箱或车辆的其它部分并且可以从它们直接接收油流，并且可以将油流直接返回到发动机、变速箱或车辆的其它部分。尽管未示出，但是应理解，可以围绕孔23、24设置垫圈或其它流体密封件。

用于第一流体流的孔23可以布置成与流体歧管12和13直接连通，如图3和图4中所示。这允许易于将流体通过孔23中的一个孔导引到歧管12、13中的一个歧管，并且从歧管12和13中的另一个歧管通过孔23中的另一孔返回。

由于用于第二流体流的歧管14和15与基板4间隔开，并且通过歧管12和13与基板4分离开，所以设有一对流体传输导管16以在歧管14、15和孔24之间导引流体。在图4的截面图中示出了在一个孔24与歧管15之间提供流体流的第一流体传输导管16。应理解，在另一孔24与歧管14之间提供流体流的第二流体传输导管在设计上是类似的，并布置在热交换器1的相反端处。

如图4中所示，流体传输导管16包括沿堆叠方向30穿过堆叠2延伸的第一段。所述第一段至少部分地由壳体3的对齐的孔口19限定。每一个孔口19由与周边凸缘27类似的上翻凸缘20围绕，使得当壳体3堆叠在一起时，相邻壳体的凸缘20嵌套以形成穿过堆叠2的流体导管，该流体导管被与流通路8和流通路9两者液压密封分开。

流体传输导管16的第二段沿着帽板5延伸，以在流体传输导管16的所述第一段和流体歧管14或15之间提供流体连通。细长凸起7形成到帽板5中，从而至少部分地限定所述第二段。细长凸起7设有弧形截面，以促进具有最小压降的流体流，并提供增大的压力阻力。第二流体在流动至流体传输导管16的所述第一段和最上部壳体的孔口17/从流体传输导管16的所述第一段和最上部壳体的孔口17中流出时，在凸起7和最上部壳体3的顶表面之间穿过。

为了使对在流体流通路9内的流体流的任何阻碍最小化，限定流体传输导管16的所述第一段的孔口19可以沿着在短方向32上延伸的边缘布置在壳体3的孔口17之间。

孔24被布置成与孔口19成直线。在一些情况下，可能期望或必需将孔24布置在沿着面26的其它位置中。作为示例，流体流端口在接口部分上的位置可指示放置在特定位置中。在这样情况下，流体传输导管16可以包括以非直线方式延伸穿过基板4的附加段。可能尤其有利的是，基板4由多个板件构造成，以提供这样的流动路线。

虽然将孔口19示出为圆形，但是在一些实施例中，可能更优选的是孔口19(以及相关联的凸缘20)具有另一形状。例如，该形状可设置为使得穿过流体传输导管16的第一段的流截面面积最大化。

应理解，虽然本文参考的热交换器1用途主要集中于通过向冷却剂传递热量来冷却第一流体和第二流体，但是也能够使用热交换器1来将热量从冷却剂传递到流体中的一个或两者。

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选方案。应注意，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，参考一个特定实施例描述的可替选特征、元件和操作方式可应用于其它实施例。

上文描述和附图中例示的实施例仅通过示例方式呈现，并不旨在限制本发明的构思和原理。因此，本领域技术人员应明白，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以对元件及其构造和布置做出各种改变。

Claims (12)

1.一种热交换器，包括：

嵌套壳体的堆叠，所述嵌套壳体的堆叠沿堆叠方向从第一端延伸到第二端；

基板，所述基板布置在所述第一端处，所述嵌套壳体的堆叠被安装到所述基板的第一面；

帽板，所述帽板布置在所述第二端处，并结合到所述嵌套壳体的堆叠；

第一冷却剂歧管和第二冷却剂歧管，所述第一冷却剂歧管和所述第二冷却剂歧管从所述第一端到所述第二端延伸穿过所述嵌套壳体的堆叠；

多个冷却剂流通路，所述多个冷却剂流通路形成在所述堆叠的嵌套壳体之间，以流体连接所述第一冷却剂歧管和所述第二冷却剂歧管；

多个流体流通路，所述多个流体流通路形成在所述堆叠的嵌套壳体之间，所述多个流体流通路与所述多个冷却剂流通路交错；

第一流体歧管和第二流体歧管，所述第一流体歧管和所述第二流体歧管沿着所述堆叠方向从所述第一端穿过所述嵌套壳体的堆叠延伸到所述第一端和所述第二端之间的中间位置，所述第一流体歧管和所述第二流体歧管由位于所述第一端和所述中间位置之间的那些流体流通路流体连接，附加地，所述第一流体歧管和所述第二流体歧管从所述第一面穿过所述基板延伸到所述基板的与所述第一面相反的第二面；

第三流体歧管和第四流体歧管，所述第三流体歧管和所述第四流体歧管从所述第二端穿过所述嵌套壳体的堆叠延伸到所述中间位置，所述第三流体歧管和所述第四流体歧管由位于所述第二端与所述中间位置之间的那些流体流通路流体连接；以及

第一流体传输导管和第二流体传输导管，所述第一流体传输导管和所述第二流体传输导管从所述第一面穿过所述基板延伸到所述第二面，并且从所述第二面分别延伸到所述第三流体歧管和所述第四流体歧管，所述第一流体传输导管和所述第二流体传输导管中的每一个包括第一段和第二段，所述第一段沿所述堆叠方向延伸穿过所述嵌套壳体的堆叠，所述第二段形成到所述帽板中。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一流体传输导管的所述第二段和所述第二流体传输导管的所述第二段各自至少部分地由形成到所述帽板中的细长凸起限定。

3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，所述细长凸起具有弧形截面。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第三流体歧管与所述第一流体歧管对准，所述第四流体歧管与所述第二流体歧管对准。

5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述第一流体歧管和所述第三流体歧管被第一流动屏障分开，所述第二流体歧管和所述第四流体歧管被第二流动屏障分开，所述第一流动屏障和所述第二流动屏障中的每一个形成到所述嵌套壳体中的至少一个壳体中。

6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一冷却剂歧管、所述第二冷却剂歧管以及所述第一流体歧管、所述第二流体歧管、所述第三流体歧管和所述第四流体歧管各自由所述嵌套壳体的对准的孔口限定。

7.根据权利要求6所述的热交换器，其中，所述嵌套壳体具有矩形形状，并且其中，所述孔口被布置在所述嵌套壳体的拐角处。

8.根据权利要求7所述的热交换器，其中，所述嵌套壳体中的每一个具有长方向和短方向，并且其中，所述第一流体传输导管的所述第一段和所述第二流体传输导管的所述第一段布置在所述堆叠的在所述长方向上的相反两端处。

9.根据权利要求8所述的热交换器，其中，所述第一流体传输导管的所述第一段布置在所述第一冷却剂歧管与所述第一流体歧管和所述第三流体歧管之间，并且其中，所述第二流体传输导管的所述第一段被布置在所述第二冷却剂歧管与所述第二流体歧管和所述第四流体歧管之间。

10.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一流体传输导管的所述第一段与所述第二流体传输导管的所述第一段各自至少部分地由所述嵌套壳体的对准的孔口限定，所述孔口中的每个孔口由与相邻壳体的上翻凸缘嵌套的上翻凸缘围绕，以将所述第一段与所述多个冷却剂流通路和所述多个流体流通路液压分离开。

11.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个流体流通路包括位于所述第一端与所述中间位置之间的第一量的流体流通路和位于所述第二端与所述中间位置之间的第二量的流体流通路，其中，所述第二量等于所述第一量。

12.根据权利要求1所述的热交换器，进一步包括：

冷却剂入口端口，所述冷却剂入口端口布置在所述帽板上，并与所述第一冷却剂歧管和所述第二冷却剂歧管中的一个流体连通；以及

冷却剂出口端口，所述冷却剂出口端口布置在所述帽板上，并与所述第一冷却剂歧管和所述第二冷却剂歧管中的另一个流体连通。