CN113661370A - 通用热交换器 - Google Patents

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CN113661370A CN201980095228.4A CN201980095228A CN113661370A CN 113661370 A CN113661370 A CN 113661370A CN 201980095228 A CN201980095228 A CN 201980095228A CN 113661370 A CN113661370 A CN 113661370A
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Abstract

具有优选但不限于由冲压工艺制造的多个板(101)的热交换器(100)，板被构造成容纳内部翅片(106)。板(101)还限定用于使至少两个流体流动的多个通道(102)。多个导管(103)流体联接到板(101)的第一端和第二端以允许流体流动。至少一个入口(104)联接到被构造成允许流体流动的所述多个板(101)的第一端，并且至少一个出口(105)联接到所述多个板(101)的第二端，其中各个流体在彼此不同的方向上流动，多个内部翅片(106)设置在多个板(101)中的每一个的表面上，用于增加第一流体和第二流体的表面积与体积比以实现预定的热性能。

Description

通用热交换器
技术领域
本发明总体上涉及热交换器。具体地，本发明涉及用于汽车的热交换器。更具体地，本发明涉及可用于低压应用以及高压应用的热交换器。
背景技术
电池在为所有类型的电动车辆提供动力方面发挥着重要作用。如今，各种应用对锂离子电池的需求不断增长，尤其是对于电动车辆来说，需要更可靠的电池热管理系统来控制电池温度。由于能量密度高、自放电率低和循环寿命长，锂离子电池是电动车辆的主要动力来源。锂离子电池在其应用期间的热安全性已成为主要问题。过去几年，研究人员和汽车制造商一直关注锂离子电池的冷却，因为这是电动车辆发展的主要障碍。
此外，电池的局限性之一是关于热控制。当电池在低温下工作时，由于电化学反应的抑制，功率输出会降低，而高温会加速腐蚀，从而导致电池寿命缩短。除此之外，电池组中的温度范围和均匀性是从EV电池组获得最佳性能的重要因素。锂离子电池局部温度过度升高会导致寿命周期缩短，并可能导致单个单元或整个电池组发生热失控。热失控是电池中的一种故障模式，如果电池中的热管理系统无效，则热失控可能会引起火灾和爆炸。因此，有必要为锂离子电池引入一种冷却方法，以确保其具有有效的热管理系统。锂离子电池的冷却方法有几种类型，例如空气冷却、液体冷却和使用相变材料等。空气冷却作为一种冷却方法被广泛使用，以确保锂离子电池安全、可靠且工作寿命长。此外，通过使用空气冷却方法可以提高电池模块内的温度均匀性。这种方法有其局限性，且适合于低能量密度的锂离子电池。如果电池具有高能量密度，则液体冷却系统可提供最有效的热管理。
在电动车辆中使用冷却器来冷却电池。冷却器是一种热交换器，其用于从电池中去除热量并将其传递给制冷剂以将热量散发到大气中。电动车辆(EV)中可使用水冷式冷凝器或W型冷凝器来进行车厢加热。它还增加了制冷剂回路中制冷剂的过冷却。IHX是一种液体到蒸汽的热交换器。IHX将热量从液态制冷剂(冷凝器后)传递到蒸汽制冷剂(蒸发器后)。IHX将冷凝器中的制冷剂过冷却至低于冷凝温度。它还可以防止液态制冷剂进入压缩机。此外，当今使用IHX是为了避免使用更少的制冷剂。与现有的管式IHX相比，板式IHX(内部热交换器)将提高效率和封装空间。板式IHX也可用于ICE汽车。
然而，这些热交换器面临着各种问题，例如车辆发动机室内部的可用有限空间、热性能要求高、非标准设计的开发时间较短、由于竞争导致的工具加工成本需求较少、作为为了更好的车辆性能和燃料效率的轻量化计划的一部分而减少部件重量、为了在市场上具有竞争力而降低部件成本、为了满足结构/完整性要求而开发大量子部件、重型部件。
发明内容
发明目的
本发明的目的是提供用于如下三种不同应用的通用热交换器设计：冷却器(低压应用)、W型冷凝器(高压应用)和板式IHX(高压应用)。
本发明的另一个目的是在板式热交换器应用(例如冷却器、W型冷凝器和板式IHX热交换器)中提供内部翅片。
本发明的另一个目的是提供内部翅片以增加冷却剂和制冷剂的表面积与体积比以获得高热性能。
本发明的另一个目的是提供容纳用于高压应用的内部翅片的板形状。
本发明的另一个目的是提供一种热交换器，其在冷却剂和制冷剂之间的逆流下工作以获得高热性能。
本发明的另一个目的是提供一种轻便且紧凑的热交换器，以获得更好的车辆性能和燃料效率。
本发明的另一个目的是提供具有新设计的冲压板以增加热交换器的膨胀和爆破压力。
本发明的另一个目的是提供一种在热交换器中没有内部泄漏或两个流体的混合的热交换器。
发明概述
本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括：多个板，所述多个板被构造成限定用于使至少两个流体流动的多个流动通道；多个导管，所述多个导管流体联接到板的第一端和第二端以允许流体流动；至少一个入口和至少一个出口，所述至少一个入口联接到被构造成允许所述流体流动的所述多个板的所述第一端，并且所述至少一个出口联接到所述多个板的所述第二端，其中每个流体在彼此不同的方向上流动，优选地，流体在彼此相反的方向上流动；多个内部翅片，所述多个内部翅片设置在所述多个板中的每一个的表面上，用于增加第一流体和第二流体的表面积与体积比以实现预定的热性能。
在一实施方式中，流体是制冷剂或冷却剂。
在一实施方式中，所述多个内部翅片是被构造成产生层流的非百叶窗的直波浪形翅片。优选地，内部翅片设置在板的平坦区域上。
在一实施方式中，所述多个板是能够在彼此堆叠的同时互锁的哑铃形冲压板。优选地，所述多个板具有预定的特定厚度。
在一实施方式中，加强件被置于热交换器的板之一中以用于高压应用。
在一实施方式中，所述板具有多个突起和多个翅片止动部。
在一实施方式中，通过改变具有公共芯的入口/出口连接，热交换器根据需要作为三种不同的热交换器(例如冷却器或W型冷凝器或板式IHX)工作。
附图说明
通过参考附图对示例性实施方式的以下描述，本主题的前述和进一步的目的、特征和优点将变得清楚，附图中相同的附图标记用于表示相同的元件。
然而，要注意的是，附图仅示出了本主题的典型实施方式，因此不应认为是对其范围的限制，因为本主题可以允许其他等同有效的实施方式。
图1示出了根据本主题的一个实施方式的具有两个流体流动方向的本发明的分解图；
图2(a)示出了根据本主题的一个实施方式的本发明的透视图；
图2(b)示出了根据本主题的一个实施方式的本发明的冷却器的分解图；
图2(c)示出了根据本主题的一个实施方式的本发明的W型冷凝器的分解图；
图2(d)示出了根据本主题的一个实施方式的本发明的板式IHX的分解图；
图3示出了根据本主题的一个实施方式的本发明的内部翅片；
图4(a)示出了根据本主题的一个实施方式的板之间的内部翅片的透视图；
图4(b)示出了根据本主题的一个实施方式的互锁的板的前视图；
图5(a)示出了根据本主题的一个实施方式的板的透视图；
图5(b)示出了根据本主题的一个实施方式的板的透视图；
图5(c)示出了根据本主题的一个实施方式的板的透视图；
图5(d)示出了根据本主题的一个实施方式的板的透视图；
图5(e)示出了根据本主题的一个实施方式的板的透视图；
图6示出了根据本主题的一个实施方式的板连同内部翅片的透视图；
图7示出了根据本主题的一个实施方式的堆叠的板连同内部翅片的剖视图；
图8(a)示出了根据本主题的一个实施方式的板连同突起和止动部；
图8(b)示出了根据本主题的一个实施方式的示出具有翅片止动部的板突起的截面X-X；
图9示出了用于高压应用的使用加强件的板。
具体实施方式
下面呈现了参考附图对本主题的各种实施方式进行的详细描述。
参考附图详细描述了本主题的实施方式。然而，本发明主题不限于这些实施方式，提供这些实施方式只是为了向本发明领域的技术人员更清楚地解释本主题。在附图中，相同的附图标记用于指示相同的部件。
说明书可以在多个位置提及“一”、“一个”、“不同的”或“一些”实施方式。这并不一定意味着每个这样的引用都针对相同的(一个或多个)实施方式，或者该特征仅适用于单个实施方式。不同实施方式的单个特征也可以组合以提供其他实施方式。
如本文所使用的，除非另有明确说明，否则单数形式“一”、和“该”也旨在包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。应当理解，当一个元件被称为“附接”或“连接”或“联接”或“安装”到另一个元件时，它可以直接附接或连接或联接到另一个元件，或者可以存在中间元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或多个的任一者和所有组合及布置。
附图描绘了仅显示一些元件和功能实体的简化结构，所有这些单元都是其实现方式可能与所示出的不同的逻辑单元。
图1示出了本发明的分解图，其中示出了热交换器(100)，热交换器(100)具有优选地但不限于由冲压工艺制造的多个板(101)，板被构造成容纳内部翅片(106)。板(101)还限定用于使至少两个流体流动的多个通道(102)。多个导管(103)流体联接到允许流体流动的板(101)的第一端和第二端。至少一个入口(104)连接到构造成允许流体流动的多个板(101)的第一端，并且至少一个出口(105)连接到所述多个板(101)的第二端，其中各个流体在彼此不同的方向上流动，多个内部翅片(106)设置在多个板(101)中的每一个的表面上，用于增加第一流体和第二流体的表面积与体积比以实现预定的热性能。在相反方向上流动的流体产生逆流。对于两个流体之间的逆流，入口端口-出口端口位于每个板的斜对角。从而两个流体在板的两侧反向流动。
热交换器(100)的这种特定构造专注于通过使用板和翅片(PAF)概念以及BCS、EVTMS回路和ICE汽车的逆流来开发三种热交换器。不断变化的要求和限制要求这些热交换器(100)的设计在热性能、制冷剂分布均匀性、非标准纵横比(HEX的宽度/高度)、变化的制冷剂流动结构(多通道)、开发时间和成本方面具有极大的灵活性.
图2(a)示出了本发明的透视图，该特定图示出了热交换器(100)的冷却器组件。板(101)堆叠在一起，这使得热交换器(100)非常紧凑。用户可以根据热交换器(100)的应用/热性能要求来改变板(101)。热交换器(100)的紧凑性质倾向于安装在任何中小型车辆中。
图2(b)、图2(c)和图2(d)示出了提供可用于不同压力应用的多功能热交换器(HEX)(100)的各种构造。通过简单地改变具有公共芯的入口/出口连接，将单一设计概念用于三种不同的热交换器应用。这意味着更少的库存、最低的浪费、高质量、更少的工具加工成本、更少的开发时间和成本，以及更少的设计、材料和工艺相关问题。两个流体之间的逆流用于实现最大的热传递。
热交换器 流介质-1 流介质-2
冷却器 低压低温制冷剂 低压高温冷却剂
W型冷凝器 高压高温制冷剂 低压低温冷却剂
板式IHX 低压低温制冷剂 高压高温制冷剂
图3示出了容纳在板(101)之间的内部翅片(106)。内部翅片(106)被设计成在板(101)之间容纳翅片(106)，这增强了耐高压能力。多个内部翅片(106)是非百叶窗的直波浪形翅片(106)，其被构造成产生层流。优选地，内部翅片(106)设置在板的平坦区域上。它们优选地通过冲压工艺形成。
图4(a)和图4(b)示出了板(101)之间的内部翅片(106)的透视图和前视图。板(101)被构造成容纳内部翅片(106)，板(101)形成为允许流体通过它们。板(101)也是互锁的，这避免了流体的泄漏和两个流体的混合。
图5(a)、图5(b)、图5(c)、图5(d)和图5(e)示出了根据本发明的一个实施方式的冲压板设计的透视图。这五种不同类型的板用于所有三种热交换器的开发。优选但不限于在冷却器、W型冷凝器和板式IHX的开发中使用0.3mm至1mm的板厚度，以使其成为轻便且紧凑的热交换器(100)，作为具有更好的车辆性能和燃料效率的未来热交换器(100)技术。通过简单地改变板(101)和翅片堆叠的数量或通过改变通道的数量，可以轻松实现不同的热性能要求。板(101)被构造成容纳内部翅片(106)。板(101)优选但不限于具有哑铃形的冲压板(101)，哑铃形的冲压板(101)能够在彼此堆叠的同时互锁。
图6示出了板连同内部翅片(106)。内部翅片(106)通常设置在板的平坦部分上。翅片(106)设置成使得它们完全位于板上提供的空间内。板(101)的互锁不会使内部翅片(106)的原始形状变形。板(101)具有通道以及允许流体流过它们的入口端口和出口端口。端口的性质是它可以根据其应用由止动部关闭。
图7示出了根据本主题的一个实施方式的堆叠的板(101)连同内部翅片(106)的剖视图。板(101)被构造成互锁，板(101)的哑铃形有助于板(101)堆叠并提供互锁。互锁的哑铃形的冲压板(101)用于增加热交换器的膨胀和爆破压力。它是通过优化内部翅片(106)和板的I/O孔之间的无支撑区域来实现的。
图8(a)示出了根据本主题的一个实施方式的板连同突起(107)和翅片止动部(109)。突起(107)用于增加热交换器的膨胀和爆破压力。翅片止动部(109)用于阻止翅片沿芯长度移动。
图8(b)示出了热交换器组件中板的截面图。图8(b)清楚地示出了突起如何钎焊到相邻的板，以通过减少承受压力载荷的板的无支撑区域来增加热交换器的膨胀和爆破压力。
图9示出了用于高压应用的具有加强件(108)的板。加强件和增加的厚度对于承受局部区域的高压载荷是必要的。对于W型冷凝器和板式IHX中的高压应用，加强件置于板(101)之一中，优选但不限于热交换器(100)的倒数第二个板中，以满足这两个热交换器的高爆破压力要求。
尽管已经参考特定实施方式描述了本发明，但是该描述并不意味着被解释为限制性的。在参考本发明的描述后，所公开的实施方式的各种修改以及本发明的替选实施方式对于本领域技术人员将变得清楚。因此，在不脱离本发明定义的精神或范围的情况下进行此类修改是可以预期的。

Claims (10)

1.一种热交换器(100)，包括：
多个板(101)，所述多个板(101)被构造成限定用于使至少两个流体流动的多个流动通道；
多个导管，所述多个导管流体联接到所述板的第一端和第二端以允许流体流动；
至少一个入口和至少一个出口，所述至少一个入口联接到被构造成允许所述流体流动的所述多个板的所述第一端，并且所述至少一个出口联接到所述多个板的所述第二端，其中，各个流体在彼此不同的方向上流动；
多个内部翅片，所述多个内部翅片设置在所述多个板中的每一个的表面上，用于增加第一流体和第二流体的表面积与体积比以实现预定的热性能。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述流体在彼此相反的方向上流动。
3.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述流体是制冷剂或冷却剂。
4.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个内部翅片是被构造成产生层流的非百叶窗的直波浪形翅片。
5.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述内部翅片设置在所述板的平坦区域上。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个板是能够在彼此堆叠的同时互锁的哑铃形冲压板。
7.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个板具有预定的特定厚度。
8.如权利要求1所述的热交换器，其中，加强件被置于所述热交换器的所述板之一中以用于高压应用。
9.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述板具有多个突起和多个翅片止动部。
10.如权利要求1所述的热交换器，其中，通过改变具有公共芯的入口/出口连接，所述热交换器根据需要作为三种不同的热交换器工作，所述三种不同的热交换器例如冷却器或W型冷凝器或板式IHX。
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