CN1151207A - 三回路叠层板式热交换器 - Google Patents
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Abstract
一种叠层板式热交换器(10)，具有在板(18，20)之间形成的三种不同流体用的流体通道。第三流体(W)的通道与第一流体(R1)的每个通道和第二流体(R2)的每个通道的两侧相邻。通道的形成仅利用两种板表面构型(18，20)，通过将孔(26，28，30，32，34，36)周围的区域的形状做成形成一个环形平台(40，42，44，48，50，52，56，58)的系统而得到这些孔处相邻板的合适密封以形成三种流体用的入口和出口导管。为了改善将热交换器(10)安装在水平位置中的热传递，可以在第一流体(R1)和第二流体(R2)用的通道中形成挡板(134，136)以控制和引导流体。
Description
发明背景1.发明领域
本发明涉及叠层板式热交换器。本发明尤其涉及一种容纳三个独立流体回路的叠层板式热交换器，使得(例如)两个致冷剂回路可以以更加理想和有效的方式从单一的水回路传热，其中每个单独的致冷剂回路与至少是除了一条以外的全部水通道进行热接触。2.现有技术描述
如该技术的熟练人员已知的，一种叠层板式热交换器包括多块互相叠置的板，其表面的形状和间隔安置能在相邻板之间形成流体通道。板的周边被密封以防止流体泄漏，设有入口和出口孔，并选择性地密封，使得一种特定的流体仅仅流经所选的叠层中的流体通道。密封是通过钎焊、软钎焊或类似工艺完成的，或者有时候利用置于板之间并由将叠层保持在一起的外部压紧装置压紧的具有适当形状的垫片。为了最佳的热传递，通常使用逆流式流动，也就是一条通道中的流体沿与相邻通道中流体流动相反的方向流过叠层。
在致冷用途中，叠层板式热交换器通常用作致冷剂对水或油、致冷剂对空气以及致冷剂对致冷剂热传递的冷凝器、水冷却器、空气干燥器、油冷却器和其它装置。例如，在一般现有技术水冷却器中，单一致冷剂回路(即从一个源输送的)流过交替的流体通道，而单一水回路流过其余的流体通道，由此水和致冷剂交换热能。虽然这样的装置包括两个流动回路，一个用于致冷剂，一个用于水，但它们常被称为单回路冷却器；然而，为此处的描述清楚起见，热交换器将由容纳的流体回路总数来定义，例如，如果一种热交换器容纳一个致冷剂回路和一个水回路，那么它将被称为一种双回路交换器。出于此处说明的目的，通常将水冷却器作为讨论的标准，但可以理解，本发明可以用于液流或气流的其它组成。
现有技术已经开发了许多种双回路冷却器的设计。下面列举的美国专利中公开了这些设计中的若干例子：
Shimoya等人，No.5,137,082；
Bergqvist等人，No.4,987,955；
Pfeiffer，No.4,781,248；
Sacca，No.4,470,455；
Armes，No.3,240,268；及
Edwards等人，No.3,114,686。应当强调，所有这些现有技术装置都被设计来包含仅仅两个流体通路，通常为单独一个致冷剂回路和单独一个水或其它流体回路。
在许多用途中单独一个致冷剂回路是不够的，要求一个或多个附加的回路。在这样的多回路型式的水冷却器中，每个独立的致冷剂回路包括一台独立的致冷剂压缩机。如果一台压缩机失效，这种配置提供更好的部分载荷性能、更低的冷却器载荷性能和改善的可靠性及后备装置。对多致冷剂回路的需求导致某些现有技术水冷却器的发展，其中两个或更多个致冷剂回路作用在同一装置中的一个水回路上；例如，常规现有技术的管壳式热交换器可以制成具有两个或更多个流经不同组管子的致冷剂回路。Donaldson的美国专利No.4,002,201中公开了一种称为“多流体”装置的现有技术叠层板式热交换器；但是，Donaldson的装置包括两种液体和一种气体如空气，而气体流过在交替的带有液体的各对板之间形成的开放空间。这种Donaldson装置实际上只是一种双回路交换器，其中交替的流体通道已被实际分隔开，以形成一条供第三流体用的第三流体通道，该第三流体是气体；此种第三流体用的流体通道并非板叠层的整体部分，因此严格说来，Donaldson装置并非表示一种如术语被通常理解的叠层板式热交换器。该Donaldson装置不适合所有流体回路都包含液体的用途，如水冷却器的情况。
事实上，对于先有技术的叠层板式热交换器技术来说，在所有回路中都有液体介质的单独水冷却器或其它热交换器中包括两个或更多个致冷剂回路是一个持续和复杂的问题。现有技术的叠层板式热交换器的形状可以做成一种拟三回路水冷却器，方法是将两个双回路热交换器背对背地安置，使一个共用的水回路流过两个交换器。在这种配置中，一个致冷剂回路流过第一交换器，而第二致冷剂回路流过独立的第二交换器。这种方法在某些应用中是满足要求的，但是它的限制在于在任何点上只有一种致冷剂与水相接触。当两个致冷剂回路都操作时，该装置的工作令人满意，但是在大多数的水冷却器操作中，大多数时间只有一个致冷剂回路操作，在这些状况下，现有技术装置产生控制问题和潜在的冻结问题。例如，当只有一个回路用于对流经该装置的水保持一定的输出温度时，该工作致冷剂回路以极低的温度运行，因此在要求较高的压缩机功率之外还存在使接触该致冷剂的水结冰的风险。在另外的现有技术装置中产生类似的问题，其中一个水回路一分为二，使得50％的水流经一个热交换器而另外的50％流经第二个热交换器，这两部分水在两个交换器的下游流到一起；在任何一种现有技术多回路装置中相互的热力关系实际上都是相同的。
如果两个致冷剂回路与基本上所有流经冷却器的水都产生热传递接触，那么三回路水冷却器的现有技术试验中存在的问题都可以避免。
发明概述
本人开发了一种具有“交错的”流体回路的三回路叠层板式热交换器，其中两个流体回路与第三流体回路基本上全部发生热传递接触。在优选实施例中，根据本发明的热交换器的单块板以这样一种方式压纹制造，使得可以仅仅利用两种不同的构型容纳三个回路，从而更容易和更便宜地实施这些优选实施例。在其它实施例中，板中形成的任意选用的凸出部造成内部挡板，这些挡板在其相应的流体通道内限制和引导第一和第二流体流动，由此使热交换器能够在水平状态中操作而不是在垂直状态中操作。
根据本发明，本人提供一种三回路叠层板式热交换器，该交换器包括一个由至少六块外部尺寸均匀的基本上矩形的板组成的叠层，这些板以叠置的关系排列，相邻板的周边以流体密封的方式连接，每块板的表面的形状制成在该板和叠层中其它板之间形成通道，每块板有六个开通的孔口，这些孔口的尺寸和位置是这样的，使得在叠置的板中这些孔口对准而形成通过叠层的入口和出口导管，供第一、第二和第三流体中的每一种通过一个或多个通道，每对相邻的板围绕重复的四块相继板组内六个孔中的四个孔以流体密封的方式连接如下：a)第一和第二板在形成第一和第二流体用的入口和出口导管的孔处连接；b)第二和第三板在形成第一和第三流体用的入口和出口导管的孔处连接；c)第三和第四板在形成第一和第二流体用的入口和出口导管的孔处连接；d)第四板和后续四板一组的第一板在第二和第三流体用的入口和出口导管的孔处连接；围绕孔的板的形状做成这样，使得在相邻的板没有以流体密封的方式连接的地方一种流体从其入口导管流入相邻板之间的通道并从该通道流入该流体用的出口导管，由此当第一、第二和第三流体利用供每种流体用的相应的入口导管引入叠层时，第三流体将流经叠层中每个第一流体通道和每个第二流体通道两侧上的通道。
在一个水平安装的实施例中，每块板有一个纵轴和一个横轴，在一端的沿横向对置的第一和第二角落与在另一端的沿横向对置的第三和第四角落，第三和第四角落分别与第一和第二角落沿对角线对置，同时a)每块板中的第一和第二流体入口导管孔彼此邻接并安置在该板的第一角落附近；b)每块板中的第一和第二流体出口导管孔彼此邻接并安置在该板的第二角落附近；c)每块板中的第三流体入口导管孔安置在该板的一端在第一和第二流体入口导管孔与第一和第二流体出口导管孔之间；d)每块板中的第三流体出口导管孔安置在该板的对置端部处；e)每块第一和第三板的表面的形状做成形成一个波峰，该波峰从一端的边缘处的第一和第二流体入口导管孔与第三流体入口导管孔之间的一个点延伸到一个与对置端部间隔的点；f)每块第二和第四板的表面的形状做成形成一个波谷，其长度和位置相应于每个第一和第三板中的波峰；g)第一和第三板中的波峰的高度与第二和第四板中的波谷的深度是这样的，使得叠层中的每块第二和第四板中的波谷分别接触每块相邻的第三和第一板中的波峰，以形成一个控制和引导流体流动用的挡板。
在一个仅需要两种板构型的特别优选的实施例中，本人提供一种三回路叠层板式热交换器，该交换器包括一个由外部尺寸均匀的基本上矩形的板组成的叠层，这些板以叠置的关系排列，相邻板的周边以流体密封的方式连接，其特征在于：a)该叠层由一种第一构型的第一板与一种第二构型的第二板交替组成；b)叠层中顶部两块板下方的每块第一和第二板相对于叠层中其上方的第一或第二板分别转动180°；c)每个板有横轴和纵轴；d)每块板包括一个热交换部分，其中板表面具有波峰和波谷，它们分别位于间隔的平行的上下平面中；e)每块板具有在板中开出的第一、第二和第三对基本上圆形的孔，用于能够通过流体，每对孔中的一个孔靠近该板的一端，而每对孔中的另一孔靠近该板的另一端，第一对和第二对孔是这样安置的，使得其中心限定一个矩形的四角，该矩形相对于该板的纵轴和横轴是对称的，第三对孔的中心位于该板的纵轴上并与该板的横轴等距离；f)每块第一板的表面的形状做成这样，使得：i)第一对孔的每个孔有一个第一直径，而围绕每个孔的边缘的板表面形成一个环形平台，该环形平台位于平行平面的下平面中并具有第一宽度和离孔心的第一距离；ii)第二对孔的每个孔有一个第二直径，而围绕每个孔的板表面形成第一和第二环形平台，该第一环形平台位于平行平面的下平面中并具有第一宽度和离孔心的第一距离，该第二环形平台位于平行平面的上平面中并具有第二宽度和离孔心的第二距离，该第一和第二平台中的一个平台的内边缘是该孔的边缘，该第一和第二平台中的另一个平台的内边缘在该一个平台的外边缘的沿径向的外部，该板表面还形成一个区段，该区段连接该一个平台的沿径向的外边缘和该另一个平台的沿径向的内边缘；iii)第三对孔的每个孔有一个第三直径，而围绕每个孔的边缘的板表面形成一个环形平台，该平台位于平行平面的上平面中并具有第三宽度；g)每块第二板的表面的形状做成这样，使得：i)第一对孔的每个孔具有上述第二直径，而围绕每一个孔的板表面形成第一和第二环形平台，该第一环形平台位于平行平面的上平面中并具有上述第一宽度和离孔心的第一距离，该第二环形平台位于平行平面的下平面中并具有上述第二宽度和离孔心的第二距离，该第一和第二平台中的一个平台的内边缘是该孔的边缘，该第一和第二平台中的另一个平台的内边缘在该一个平台的外边缘的沿径向的外部，该板表面还形成一个区段，该区段连接该一个平台的沿径向的外边缘和该另一个平台的沿径向的内边缘；ii)第二对孔的每个孔具有上述第一直径，而围绕每个孔的板表面形成一个环形平台，该环形平台位于平行平面的上平面中并具有上述第一宽度和离孔心的第一距离；iii)第三对孔的每个孔具有上述第三直径，而围绕每个孔的边缘的板表面形成一个环形平台，该平台位于平行平面的下平面中并具有上述第三宽度；h)相邻板中平台的贴合表面以流体密封的方式结合在一起。
在一个特别适合于安装在水平位置中的双板实施例中，本人提供一种三回路叠层板式热交换器，该交换器包括一个由外部尺寸均匀的基本上矩形的板的组成的叠层，这些板以叠层的关系排列，相邻板的周边以流体密封的方式连接，其特征在于：a)该叠层由一种第一构型的第一板与一种第二构型的第二板交替组成；b)叠层中顶部两块板下方的每块第一和第二板相对于叠层中其上方的第一或第二板分别转动180°；c)每块板有横轴和纵轴；d)每块板包括一个热交换部分，其中板表面具有波峰和波谷，它们分别位于间隔的平行的上下平面中；e)每块板具有在板中开出的六个基本上圆形的孔，用于能够通过流体，这些孔包括在该板一个角落附近的彼此邻接的第一和第二孔、在该板的沿对角线对置的角落附近的彼此邻接的第三和第四孔，以及在该板的相应的对置两端处的第五和第六孔，第一和第四孔两者的中心离纵轴和横轴分别为第一和第二距离，第二和第三孔两者的中心离纵轴为第一距离而离横轴为第三距离，而第五和第六孔的中心位于纵轴上并离横轴等距离；f)每块第一板的表面的形状做成这样，使得：i)第一和第三孔的每个孔具有第一直径，而围绕每个孔的边缘的板表面形成一个环形平台，该平台位于平行平面的下平面中并具有第一宽度和离孔心的第一距离；ii)第二和第四孔的每个孔具有第二直径，而围绕每个孔的板表面形成第一和第二环形平台，该第一环形平台位于平行平面的下平面中并具有第一宽度和离孔心的第一距离，该第二环形平台位于平行平面的上平面中并具有第二宽度和离孔心的第二距离，该第一和第二平台中的一个平台的内边缘是该孔的边缘，该第一和第二平台中的另一个平台的内边缘在该一个平台的外边缘的沿径向的外部，该板表面还形成一个区段，该区段连接该一个平台的沿径向的外边缘和该另一个平台的沿径向的内边缘；iii)第五和第六孔的每个孔有一个第三直径，而围绕每个孔的边缘的板表面形成一个环形平台，该平台位于平行平面的上平面中并具有第三宽度；iv)该板表面包括沿纵向延伸的第一和第二波峰，其顶部位于平行平面的上平面中，该第一波峰位于第五孔与第一和第二孔之间并从最靠近第一和第二孔的板的第一端部延伸到一个离对置端部的距离为约三分之一板宽度的点，该第二波峰位于第六孔与第三和第四孔之间并从该对置端部延伸到一个离第一端部的距离为约三分之一板宽度的点，这些波峰平行于该板的纵轴并与该纵轴等距离；g)每块第二板的表面的形状做成这样，使得：i)每个第一和第三孔具有上述第二直径，而围绕每个孔的板表面形成第一和第二环形平台，该第一环形平台位于平行平面的上平面中并具有上述第一宽度和离孔心的第一距离，该第二环形平台位于平行平面的下平面中并具有上述第二宽度和离孔心的第二距离，第一和第二平台中的一个平台的内边缘是该孔的边缘，而第一和第二平台中的另一个平台的内边缘在该一个平台的外边缘的沿径向的外部，该板表面还形成一个区段，该区段连接该一个平台的沿径向的外边缘和该另一个平台的沿径向的内边缘；ii)第二和第四孔的每个孔具有上孔第一直径，而围绕每个孔的边缘的板表面形成一个环形平台，该平台位于平行平面的上平面中并具有上述第一宽度和离孔心的第一距离；iii)第五和第六孔的每个孔具有上述第三直径，而围绕每个孔的边缘的板表面形成一个环形平台，该平台位于平行平面的下平面中并具有上述第三宽度；iv)该表面包括沿纵向延伸的第一和第二波谷，其底部位于平行平面的下平面中，第一和第二波谷的位置和长度分别与上述第一和第二波峰的位置和长度相对应；h)相邻板中的贴合表面以流体密封的方式结合在一起。
从下述现有的某些优选实施例中可以明显地得出本发明的其它细节、目的和优点。
附图简述
附图中表示本发明的某些现有的优选实施例，其中：
图1是根据本发明优选实施例的一种叠层板式热交换器的透视图，其中在内部叠层中只使用两种板的构型，交换器的近端被断开以显示内部结构；
图2是在图1的断开处截取的图1结构的剖面图；
图3、4、5是图2的复制，阴影部分分别表示充满第一、第二和第三流体的流体通道；
图6是图2的热交换器中使用的两种板构型之一的平面图，其中央部分省去以缩短该图；
图7是沿图6中7-7线截取的截面图，以仿效的形式表示每个流体孔周围的板的剖面轮廓；
图8是类似于图6的平面图，但表示图2的热交换器中使用的两种板的构型中的第二种；
图9是沿图8中9-9线截取的剖面图，以仿效的形式表示每个流体孔周围的板的剖面轮廓；
图10是类似于图7的图，但表示图6的板的另一种构型；
图11是类似于图9的图，但表示图8的板的另一种构型；
图12是根据本发明第二实施例的一种热交换器的顶视图，在叠层中同样只包括两种板的构型，但在选定的流体通道中有两个内部挡板，以控制和引导流体流动；
图13是沿图12中通过第一和第二流体用的孔的13-13线截取的剖面图；
图14是沿图12中通过第二和第三流体用的孔的14-14线截取的剖面图；
图15是根据本发明的第三实施例的一种热交换器的顶视图，要求多于两种的板构型，并在选定的流体通道中有一个内部挡板，以控制和引导流体流动。
优选实施例的描述
参照附图，在图1中用10、在图12中用100而在图15中用150来总体表示一种三回路叠层板式热交换器的一种或另一种型式，该交换器是用一组互相叠置的基本上矩形的板制成的，这些板的周边以流体密封的方式连接在一起；一种典型的热交换器的总长度可以是其总宽度的两倍，其高度取决于叠置的板的数目。参照图1-11，热交换器包括一块盖板12、一块背板14、一块顶部密封板16和根据本发明的一叠层10块内板，用18、20、18R和20R标示。盖板12和背板14是扁平的，比其它板稍厚，以提供结构刚性。叠层中其它板每一块有一个向外向下扩口的周边裙部21，使得叠层中相邻的板将互相“嵌套”以达到最佳密封。叠层中内板的数目主要由热交换器中所需的冷却容量和流动容量决定；如后面要讨论的，本发明预定的功能至少需要六块这样的板，但通常此类热交换器可以在叠层中使用从20到多达120块的内板。图中示出的10块板的内部叠层是为便于例示本发明而选定的。每块板分别具有纵轴“A-纵轴”和横轴“A-横轴”。
本人的热交换器中使用的板的材料通常选自退火的304型或316型不锈钢与90/10铜/镍合金，虽然也可以使用其它材料如极软退火钛；选择特定的板材料被认为属于该技术的一般专业人员份内的事。同样，此处使用的术语“以流体密封的方式连接”指通过叠层板式热交换器技术中使用的若干种方法中任何一种的连接，如前面提到的钎焊、软钎焊、使用垫圈等等。本人优先使用一种真空钎焊工艺，其中将一层薄铜箔置于叠层中板的贴合表面之间，然后对叠层进行真空钎焊，由此使铜箔熔化在贴合的板表面上，形成流体密封的连接。在本说明书和后随的权利要求书中，术语“贴合表面”指真正贴合的或将在没有任何中间插入层情况下贴合的表面；严格说来，密封之后此种表面接触密封剂而非互相接触，但为了方便起见本人对密封前和密封后的两种此类表面均使用术语“贴合”。
图1至11表示一种三回路叠层板式热交换器，其中内部叠层是由仅具有两种不同构型的板组成的，它们在叠层内互相交替，其中交替的构型相同的板被倒转而形成三个流体回路。因此，第一构型的第一板18与第二构型的第二板20交替；字母“R”加在图中板号后面，表示该板已经从叠层顶部的初始取向转动180°(即端部对端部)，此种初始取向在图6和8中分别对板18和20示出。因此可以理解，在叠层中顶部两块板下方的每块第一和第二板18和20分别相对于叠层中在其上方的第一或第二板转动180°。
每块第一板18包括一个热交换部分22，而每块第二板20包括一个热交换部分24。在热交换部分中，板表面具有分别处于间隔的平行上下平面Pu和PL中的波峰和波谷；平面Pu和PL的位置对板18示于图7和图10中，对板20示于图9和图11中。在根据本发明的一种典型的交换器中，平面Pu和PL可以例如隔开3/32英寸；可以理解，能够在仅仅隔开3/32英寸的板之间形成热交换部分，但这些板必须是延性适宜的金属薄板，如该技术中公知的；本人可能在本发明的实施中使用的一种普通的板材料为0.016英寸厚，本人通常利用一种公知的方法如模具冲压或压纹法。在示出的实施例中，除了后面要更充分地叙述的每个端部围绕流体流动孔的区域外，板表面上的热交换部分都做成规则间隔的波纹形状。如图6和图8中所示，波纹形状的波峰和波谷成三部分的人字形图形横穿板18和20，纵轴上的方向变化点将板的宽度分成三部分。观察表示纵轴竖直的板18的图6，板18的波纹形状从左侧以与水平线成大约30°角度向下延伸达板宽度的1/3，然后以同一角度向上延伸板宽度的中央1/3，最后又向下延伸板宽度的其余1/3；图8中所示的板20的波纹形状其图形是板18图形的镜像。因此，当板18和20在叠层中交替时，在每块板中的波纹与下面的板中的波纹相交处上一块板的波谷接触下一块板的波峰，由此在相邻的板之间形成通道，这些通道使流体能够流动，但迫使流体流入非直线型路径，因为在波纹形状的接触点处形成了障碍；如该技术的专业人员所公知的，此种非直线型流动对最佳的热传输是最好的。虽然在先有技术的叠层板式热交换器中已经用过波纹形状，但它们通常为单人字图形，即横跨该板形成V形；但是，本人发现，对于本发明的优选的倒转双板实施例，需要一种将板的宽度分成奇数的相等部分的波纹图形；虽然本人优选了图示的三折人字图形，但另一种合适的图形是一种其中平行的波纹形状以与横轴成一定角度的不间断直线横跨该板的图形。其它表面构型当然也是可以的，只要它们在叠层的相邻的板之间形成流体通道。
如图6和图8中所示，每块板18和20有基本上圆形的第一对、第二对和第三对孔(对板18为26、28、30，对板20为32、34、36)通过该板以供流体通过，每块板总共有六个这样的孔。这些孔对于纵轴和横轴都是对称配置的，每对孔中的一个靠近该板的一端而每对孔中的另一个靠近该板的另一端。板18中的成对孔26、28和板20中的成对孔32、34的位置是这样的，使得它们的中心限定一个矩形的四个角，该矩形对于该板的纵轴和横轴都是对称的，而成对的孔30和36的位置使它们的孔心位于板的纵轴上并与横轴等距离。孔30和36分别离板18和20的横轴的距离不必等于孔26、28和32、34离同一横轴的距离，但这些距离可以方便地全都相等，图中示出的就是如此。如从图1至图5中明显可见的，在盖板12和顶部密封板14中同样开出尺寸和位置与板18和20中的孔相应的孔，而盖板12额外包括固定在每个孔上的配件38，用于连接到软管之类物件上以输送和流回流体。在装配好的热交换器中，孔在叠层中对准，以形成分别流过交换器的每种第一、第二和第三流体的入口和出口导管R1、R2和W。
根据本发明的三回路热交换器用于每种第一和第二流体(最普通的是致冷剂)与一种第三流体(通常为水)之间的热传递。如上所述，本人已经发现，为了使整体结构中的此种热传递最优化，第三流体通道必须与第一和第二流体通道交错。在本人发现的最实用配置中，根据本发明的热交换器是这样构造的，使得第一或第二流体的每个流体通道在其两侧有第三流体的流体通道，也即第一和第二两种流体的流体通道壁100％地与第三流体存在热传递接触。观察另一种方式，在图1至5中所示的实施例中，除了叠层的顶部和底部处的那些以外，每个第三流体通道在其一侧有一个第一流体通道而在其另一侧有一个第二流体通道；这样，在典型的情况下第一和第二流体为致冷剂，第三流体为水，而内部叠层包括20块或更多的板，本人的交换器使水与整个叠层中两种致冷剂实际上完全热接触，由此不仅当两种致冷剂均有效而且当仅仅一种致冷剂有效(例如当仅仅使用部分冷却容量时)也能使水得到的或给出的热传递变为最大。
本人发现，以下述方式在每块板中形成围绕孔的区域，仅使用两种内部叠层板构型就可以获得上述流动图形。
参照图2、6和7，板18围绕其流体孔26、28、30的构型如下：
每个孔26有一个第一直径D1，而围绕该孔的边缘的板表面形成一个环形的平台40，该平台40位于下平面PL中并具有第一宽度W1和距孔心的第一距离C1。每个孔28有一个第二直径D2，而围绕该孔的板表面形成两个环形平台42、44，其中之一42具有宽度W1和距孔心的距离C1并位于下平面PL中，而其中的另一个44具有第二宽度W2和距孔心的距离C2并位于上平面Pu中。在图1至图9中平台44的内边缘是孔28的边缘，平台42的内边缘在平台44的外边缘沿径向的外部，而板的表面形成一个连接平台42和44的相邻边缘的区段46。每个孔30有一个第三直径D3，而围绕该孔的边缘的板表面形成一个环形的平台48，该平台48具有第三宽度W3并位于上平面Pu中。
参照图2、8和9，板20围绕其流体孔32、34、36的构型如下：
每个孔32具有与板18中的孔28相同的直径D2，而围绕该孔的板表面形成两个环形平台50、52，其中之一50位于上表面Pu中并具有与板18中的平台40相同的宽度W1和距孔心的距离C1；围绕孔32的第二平台52位于下平面PL中并具有与板18中的平台44同样的宽度W2和距孔心的距离C2。在图1至图9中平台52的内边缘是孔32的边缘，平台50的内边缘在平台52的外边缘沿径向的外部，而板表面形成的区段54连接平台50和52的相邻边缘。每个孔34具有直径D1，而围绕该孔边缘的板表面形成一个环形平台56，该平台56具有宽度W1和距孔心的距离C1并位于上平面Pu中。最后，每个孔具有与板18中的孔30相同的直径D3，而围绕该孔的边缘的表面形成一个环形平台58，该平台58位于下平面PL中并具有如板18中的平台48一样的宽度W3。
做成上述形状的板18和20是通过冲压或该技术中公知的其它普通方法制成的。
在图1至5所示的热交换器的组装中，内部叠层如图示那样装配，也即从图2中叠层的顶部开始，使如图6中取向的板18位于顶部，在其下面是如图8中取向的板20，然后是旋转180°的板18(18R)，其下是旋转180°的板20(20R)，然后是如图6中取向的板18，如图8中取向的板20，以及同样重复图形的其它板，直到达到所要的板的数目。应当理解，虽然重复的叠层图形包括四块板，但最终叠层中板的数目可以不是用4除得尽的，也即叠层的末端可以是通过图形的部分路径，如图1至图5中的情况。在这样的组装之后，将顶部密封板16置于叠层上，而将一个环形垫圈60置于最下板20的孔34之下，以提供附加的结构强度并在这些位置上密封板20和背板14之间的空间。孔32或36的周围不需要此种垫圈，因为平台52和58位于下平面PL中并因此贴合板14。如图2中所示，顶部密封板16的形状做成位于板18中孔26上方以便围绕那些孔与板18的构型相匹配，从而当对组装的单元进行钎焊时提供合适的密封。在孔28和30上方不需要此种特定构型，因为平台48和44位于上平面Pu中，因此在组装成的单元中贴合板16的扁平表面。
当所有板被安置在叠层中，包括背板14和带有配件38的盖板12，将组件真空钎焊，以便以流体密封的方式连接所有贴合的表面。在图1至5的实施例中，此种连接例如形成于沿相邻板的周边裙部处，在盖板12和顶部密封板16之间，在背板14和贴合背板的最下板20的部分之间，以及在相邻内部叠层板的热交换部分的波峰和波谷相交和贴合处。对本发明最重要的是，在内部叠层的每对相邻板之间，在这些板的六个孔中四个孔的周围形成此种液密连接。例如，观看图1至图9，假定水冷却剂第一致冷剂R1为第一流体，第二致冷剂R2为第二流体而水W为第三流体，流体密封的连接如下：第一板18和第二板20利用板18中的平台40和42连接在对第一流体R1和第二流体R2形成导管的几个孔处，板18中的平台40和42分别贴合平台50和56。第二板20和第三板18R利用板20中的平台52和58连接在对第一流体R1和第三流体W形成导管的几个孔处，板20中的平台52和58分别贴合板18R中的平台44和48。第三板18R和第四板20R利用板18R中的平台42和40连接在对第一流体R1和第二流体R2形成导管的几个孔处，板18R中的平台42和40分别贴合板20R中的平台56和50。第四板20R和后继的一组四板中的第一板18利用板20R中的平台52和58连接在对第二流体R2和第三流体W形成导管的几个孔处，板20R中的平台52和58分别贴合板18中的平台44和48。然后通过内部叠层中的其余板重复平台连接图形。当然可以理解，在板并不以流体密封的方式连接的那些孔处，进入一个入口孔的流体流过在板之间形成的通道并经过相应的出口孔返回。
图3至图5表示根据本发明的图2的热交换器和其它热交换器中利用上述选择的孔的密封建立的流体流动图形。叠层内部由第一、第二、第三流体R1、R2、R3中的每一种流体占据的部分分别在图3、4、5中用斜线表示。对这些图的比较表明，在根据本发明的一种典型的水冷却器中为水的第三流体W流过的通道其两侧为第一流体R1和第二流体R2的每个通道，后两种流体在根据本发明的一种典型的水冷却器中为致冷剂。
图10和图11以仿效形式分别表示本发明优选的双板型式的板18和20中孔区域的替换构型。差异存在于板18的孔28和板20的孔32中，每块板中的其它孔区域在图7和10与图9和11之间没有变化。如前所述，在图7中平台44位于平台42的沿径向内侧，而在图9中平台52位于平台50的沿径向内侧。本人发现，在某些情况下最好颠倒孔28和32处平台的径向位置，这种颠倒示于图10和11中。例如，在图10中平台42在平台44的沿径向内侧，而在图11中平台50在平台52的沿径向内侧。也可以看出，在该替换的构型中，第二直径D2等于第一直径D1。
可以理解，虽然此处的图将所述的环状平台表示为相对于板的其它尺寸的特定宽度，但在本发明的实施中不需要特定的相对的平台宽度，这方面的唯一要求是各个平台如此处所述地贴合，从而围绕选择的孔完全形成流体密封的连接。例如，本人预定在本发明的范围内包括这样的热交换器，其中平台分别仅仅是孔周围的环形波峰或波谷的最高点或最低点，使得每种情况下平台贴合区基本上是一条圆环线。
重新参照图1，图1至图9的优选热交换器的功能在扁平位置或竖直位置两种位置中任何一种下都是最佳的，扁平位置就是使板的纵轴和横轴都处于水平位置，垂直位置就是使纵轴竖直而横轴水平。但是，在某些用途中，热交换器必须水平安装，其中纵轴为水平而横轴为竖直；在这种取向中，图1至9的实施例的孔的配置对于流过交换器的流体特别是第一和第二流体为致冷剂而第三流体为水时产生比最佳情况要差的流动图形。下述讨论将按照这样一种三回路水冷却器来进行，其中第一和第二流体为致冷剂而第三流体为水。
本人发现，可以对本发明的水平安装式水冷却器改进致冷剂流动图形，方法是将板的热交换部分的形状做成在致冷剂流体通道中形成挡板以控制和引导致冷剂的流动。图12至14表示一种在每个致冷剂通道内具有两个挡板的双板冷却器，而图15表示一种要求多于双板的构型而在每个致冷剂通道内包括单独一个挡板的冷却器。
先参照图12至14，热交换器100包括一个盖板112、背板114、顶部密封板116和一个由10块板118、120、118R、120R组成的内部叠层；如图1至5中一样，在板号后加“R”表示该板已经从叠层顶部处的初始取向转动180°。冷却器100的总体结构与图1和2中的热交换器10相似，但两者的流体导管位置不同，此外的不同还在于冷却器100包括上述挡板，这将在下面更具体地描述。
冷却器100中每个内板118、120、顶部密封板116和盖板112有六个通过它们开出的基本上圆形的孔，使流体能够通过。图10表示盖板112中孔的位置；第一和第二孔122、124互相邻近，靠近图12中板的右下角；第三和第四孔126、128互相邻近，靠近该板的沿对角线对置的角落；而第五和第六孔130、132位于板的相对两端。孔122和128的中心离纵轴和横轴的距离分别为第一和第二距离E1和E2；孔124和126的中心离纵轴为距离E1而离横轴为第三距离E3；而孔130和132的中心位于纵轴上并离横轴相等距离。板112的孔的位置在顶部密封板和每个内板118、120中是相同的；当板118和120转动180°时，保持此种配置的合适的孔的准直关系，如图13和14中明显可见的。
在图12至14中，致冷剂R1的入口和出口导管形成于孔的位置122和126处；致冷剂R2的入口和出口管形成于孔的位置124和128处，而水W的入口和出口管形成于孔的位置130和132处。
为了提供图3-5中所示的优选流体流动图形，板118和120的孔的密封构型(即孔周围的环形平台)分别与图2至图9中的板18和20的孔的密封构型相同，而平台位于与图7和图9中的Pu和PL相对应的两个平行平面之一中。因此，在孔的位置122和126的周围，板118的构型类似于板18的孔26的周围的构型而板120的构型类似于板20的孔32周围的构型；在孔的位置124和128的周围，板118的构型类似于孔28周围的板18而板120的构型类似于孔34周围的板20；在孔的位置130和132的周围，板118的构型类似于孔30周围的板18而板120的构型类似于孔36周围的板20。
为了控制和引导图12至14的冷却器中的致冷剂R1和R2，板118和120的形状做成在每个致冷剂流体通道中形成两个挡板134、136；挡板的位置和长度用虚线表示于图12中，而形成这些挡板的板构型以截面示于图14中。如这样示出的，每个板118的表面的形状做成包括沿纵向延伸的第一和第二波峰138、140，其顶部位于与图6和图8的平面Pu相应的上平行平面中。波峰138位于孔位置130和孔位置124之间并从最靠近这些孔的板的端部(即图12的后端部)延伸到一个与对置端部间隔板宽度的约三分之一距离。波峰140位于孔位置132和孔位置126之间并从最靠近这些孔的板的端部(即图12的左端部)延伸到一个与相对端部间隔板宽度的约三分之一距离。为了合适地定位，当这些板倒转时，波峰138和140平行于纵轴并与纵轴等距离。为了完成挡板结构，每块板120的形状做成包括第一和第二波谷142、144，它们的底部位于与图6和图8的PL相对应的下平行平面中，而且它们具有与板118中的波峰138和140分别相同的位置和长度。
由于板118和120的形状做成如上所述并如图13和14中所示，无论何时当板120位于板118上方时板118中的波峰138、140贴合板120中的波谷142、144，在产生此种贴合的每个流体通道中形成挡板134和136。图13和图14的叠层的流体流动截面图形与图3至图5中所示的相同，因此可以看出，对于图14的板构型形成挡板的贴合仅仅在致冷剂通道中产生，因此不影响水流通过冷却器。参照图12，当致冷剂在位置122和124处引入时，它们通过水平安装的叠层的流动遵从由箭头F指示的总路径。因此，挡板134和136控制和引导致冷剂R1和R2，使得它们与其通道壁的全范围并转而与它们邻接的水通道进行热交换接触。
虽然上述描述针对本发明的优选实施例，其中热交换器的内部叠层是由仅有两种不同表面构型的板叠置而成的，但可以理解，其它实施例处在本发明的范围之内。例如一种合适的内部叠层可以包括具有三种或更多种不同表面构型的板，每块板有六个通过板开出的孔，当交换器被组装后，这些孔的尺寸和位置形成通过叠层的入口和出口导管，用于第一、第二和第三流体中的每一种流体。对于根据本发明的合适功能，这种内部叠层必须包括至少六块板，而每对相邻的板必须围绕重复的每四块相继的板一组内的六个孔中的四个孔以流体密封的方式连接，使第一和第二板连接在用于第一和第二流体的入口和出口孔处，第二和第三板连接在用于第一和第三流体的入口和出口孔处，第三和第四板连接在用于第一和第二流体的入口和出口孔处，而第四板和后续的四块一组中的第一板连接在用于第二和第三流体的入口和出口孔处。如对于优选的双板实施例一样，这种替换的实施例通常预定以上述扁平的或垂直的位置安装。对于水平位置的用途，与图12中相似的在每个第一和第二流体通道中形成两个挡板的板构型当然会改进热传递。另外，一系列单个挡板可以有助于该目的。一种此类的热交换器150示于图15的顶视图中。如该图中所示，盖板中的六个孔以及每块内部叠层板中的那些孔相对于板的水平轴和横轴分别配置如下：分别用于第一和第二流体的入口152、154在靠近该板的第一角落处彼此邻接；分别用于第一和第二流体的出口156、158在靠近该板的横向对置角落处彼此邻接；第三流体用的入口孔160在孔152和156之间并位于该板的那些孔的同一端部；而第三流体用的出口孔162位于该板的孔160的对置端。四板重复的内部叠置图形中的每块第一和第三板的表面的形状做成形成一个波峰，该波峰沿横向位于孔152和160之间并从图15中板右端处的一个点纵向延伸到与对置端间隔的一个点，而四板图形中的每块第二和第四块的表面的形状做成形成一个波谷，该波谷的长度和位置与第一板和第三板中的波峰的长度和位置相对应；波峰的高度和波谷的深度是这样的，使得每块第二和第四板中的波谷接触每块相邻的第三和第一板中的波峰以形成一块挡板164，其位置在图15中用虚线示出。对于所述的构型，挡板沿图15中箭头F所示的总路径控制和引导第一和第二流体的流动，这提高了水平安装位置中热传递的均匀性，虽然还达不到如图12中双挡板配置那么高的程度。
虽然本人已经图示和描述了本发明的某些优选实施例，但明显可见，本发明不限于此，而可以在下述权利要求书的范围内以各种其它方式实施。
Claims (6)
1.一种三回路叠层板式热交换器，包括一个由至少六块外部尺寸均匀的基本上矩形的金属薄板组成的叠层，这些金属薄板以叠置的关系排列，相邻板的周边以流体密封的方式连接，该叠层有一个顶部和一个底部，其特征在于：
a)该叠层由一种第一构型的第一板与一种第二构型的第二板交替组成，从叠层顶部处的上面第一和第二板开始；
b)顶部第一和第二板两者处于第一位置，在顶部第一和第二板紧下方的第一和第二板两者处于从第一位置转动180°获得的第二位置，然后在叠层中每块第一和第二板相对于分别在其上方或下方的最近的第一或第二板转动180°；
c)每块板具有横轴和纵轴；
d)每块板包括一个热交换部分，其中该板表面位于间隔的平行上下平面之间；
e)每块板具有开通的基本上圆形的第一孔至第六孔，以提供流体通道，所述孔这样安置在每块板上，使得当相邻的第一和第二板两者处于所述第一或第二位置中时，第一板中的第一至第六孔与第二板中的相应的第一至第六孔分别对准，而当处于所述第一和第二位置之一中的第一板邻接处于所述第一和第二位置之另一位置中的第二板时，第一板中的第一、第二、第二、第四、第五和第六孔分别与第二板中的第四、第三、第二、第一、第六和第五孔对准；
f)每块第一板的表面的形状这样制造：
i)每个所述第一和第三孔具有第一直径，而每个所述孔的边缘周围的板表面形成一个位于所述平行平面的下平面中的环形平台，该平台具有第一宽度和离孔心的第一距离；
ii)每个所述第二和第四孔具有一个第二直径，而每个所述孔的周围的板表面形成第一和第二环形平台，该第一平台具有所述第一宽度和离孔心的第一距离并位于所述平行平面的下平面中，该第二平台具有第二宽度和离孔心的第二距离并位于所述平行平面的上平面中，所述第一和第二平台中的一个平台的内边缘是所述孔的边缘，所述第一和第二平台中的另一个平台的内边缘是所述一个平台的外边缘的径向外部，所述板表面还形成一个区段，该区段连接所述一个平台的外边缘和所述另一个平台的内边缘；及
iii)每个所述第五和第六孔具有一个第三直径，而每个所述孔的边缘的周围的板表面形成一个环形平台，该平台具有第三宽度，并位于所述平行平面的上平面中；
g)每块第二板的表面的形状这样制造：
i)每个所述第一和第三孔具有上述第二直径，而每个所述孔周围的板表面形成第一和第二环形平台，该第一平台具有上述第一宽度和离孔心的第一距离，并位于所述平行平面的上平面中，该第二平台具有上述第二宽度和离孔心的第二距离，并位于所述平行平面的下平面中，所述第一和第二平台中的一个平台的内边缘是所述孔的边缘，所述第一和第二平台中的另一个平台的内边缘是所述一个平台的外边缘的径向外部，所述板表面还形成一个区段，该区段连接所述一个平台的外边缘和所述另一个平台的内边缘；
ii)每个所述第二和第四孔具有上述第一直径，而每个所述孔的边缘的周围的板表面形成一个环形平台，该平台具有上述第一宽度和离孔心的第一距离，并位于所述平行平面的上平面中；
iii)每个所述第五和第六孔具有上述第三直径，而每个所述孔的边缘的周围的板表面形成一个环形平台，该平台具有上述第三宽度，并位于所述平行平面的下平面中；以及
h)相邻板中的贴合表面是以流体密封的方式结合的。
2.一种根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，相邻板中的所述贴合表面是用真空钎焊法结合的。
3.一种根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，在每块板中所述第一、第二和第五孔靠近该板的一端，所述第三、第四和第六孔靠近该板的另一端，所述第一、第二、第三和第四孔的中心限定一个矩形的四角，该矩形相对于该板的纵轴和横轴是对称的，而所述第五和第六孔的中心位于该板的纵轴上，并离该板的横轴相等距离。
4.一种根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，相邻板中的所述贴合表面是用真空钎焊法结合的。
5.一种根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于：
a)在每块板中所述第一和第二孔在靠近该板的一个角落处彼此邻接，所述第三和第四孔在靠近该板的沿对角线相反角落处彼此邻接，所述第五和第六孔分别位于该板的相反两端处，所述第一和第四孔两者的中心距该板的纵轴和横轴的距离分别为第一和第二距离，所述第二和第三孔两者的中心距该板纵轴为所述第一距离，而距该板横轴为第三距离，所述第五和第六孔的中心位于该板的纵轴上并与该板的横轴等距离；
b)每块第一板的表面包括沿纵轴延伸的第一波峰和第二波峰，它们的顶部位于所述平行平面的上平面中，所述第一波峰位于所述第五孔跟所述第一和第二孔之间，并从该板最靠近所述第一和第二孔的第一端部延伸到与该板的相反端部相隔约该板宽度三分之一距离的一个点处，所述第二波峰位于所述第六孔跟所述第三和第四孔之间，并从该孔的所述相反端部延伸到与该板的所述第一端部相隔约该板宽度三分之一距离的一个点处，所述波峰平行于该板的纵轴并与该纵轴等距离；以及
c)每块第二板的表面包括沿纵轴延伸的第一波谷和第二波谷，它们的底部位于所述平行平面的下平面中，所述第一和第二波谷的位置和长度分别对应于上述第一和第二波峰的位置和长度。
6.一种根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，相邻板中的所述贴合表面是用真空钎焊法结合的。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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