ENFRIADOR DE AIRE DE CARGA Y MÉTODO PARA FABRICARLO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con intercambiadores de calor, y más particularmente con enfriadores de aire de carga para motores de combustión interna y métodos para fabricarlos. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Por cualquier variedad de razones, los sistemas de motores de combustión interna son los que experimentan un aumento en el uso de turbinas alimentadoras o sobrealimentadores . Como es bien conocido, una turbina alimentadora incluye una rueda de turbina que es accionada por los gases del escape del motor y que a su vez accionan un compresor giratorio. Un sobrealimentador incluye un compresor giratorio que es accionado directamente por el motor o por un motor que por último es activado por el motor. En cualquier caso, el compresor giratorio comprende aire de combustión antes de su admisión a las cámaras de combustión del motor de combustión interna. Cuando se usa una turbina alimentadora, el sistema recupera parte de la energía residual que resulta cuando se permite que los gases de escape se gasten de manera incompleta para expandirse sin un trabajo de ejecución. Ambos tipos de sistemas proporcionan porcentajes de compresión más altos que son obtenibles por la geometría del mismo motor de combustión interna y que permite la combustión de cantidades mayores de combustible para cualquier condición de operación dada para proporcionar un aumento en la potencia del motor. Se ha observado desde hace mucho tiempo que cuando el aire de combustión entrante se comprime mediante un compresor giratorio, se calienta simultáneamente, lo cual a su vez, significa que se densidad disminuye. De modo que a cualquier presión dada, una unidad de volumen de aire caliente de una turbina alimentadora o sobrealimentador contiene una cantidad menor de oxigeno disponible para la combustión que los que podria un volumen idéntico de aire frió a la misma presión. Este factor, a su vez, establece una limitación en la cantidad de combustible que puede se quemado en cualquier ciclo de operación dado de un motor de combustión interna, que a su vez, limita el rendimiento del mismo. En consecuencia, el llamado enfriador de aire de carga, particularmente para aplicaciones a vehículos, se introduce entre las etapas del compresor o entre el lado del compresor de la turbina alimentadora o sobrealimentador y el múltiple de admisión (o equivalente) para el motor de combustión interna. El aire de combustión caliente de la turbina alimentadora o sobrealimentador, se hace pasar a través del enfriador de aire de carga al motor. Al mismo tiempo, el aire ambiente se hace pasar a través del enfriador de aire de carga en un recorrido de flujo aislado del aire de combustión, pero en una relación de intercambio térmico con el mismo. Se obtiene el enfriamiento del aire de combustión para aumentar la densidad del aire de combustión para
• proporcionar por último una cantidad mayor de oxigeno por 5 carga de aire al motor para soportar la combustión de una mayor cantidad de combustible, auiítentando el rendimiento del motor. Los enfriadores de aire de carga operan en un ambientes relativamente llenos de esfuerzos. La temperatura
10 del aire de carga en la admisión del enfriador de aire de
• cara típicamente esta en el intervalo de 202.40 a -292.60°C (400 a -500°F) en tanto que el exterior del enfriador de aire de carga esta sometido a temperaturas ambientales . Como resultado, pueden estar presentes considerables esfuerzos
15 térmicos. Más específicamente, los enfriadores de aire de carga típicos incluyen una pluralidad de tubos separados
• generalmente paralelos con los cabezales en los extremos opuestos para formar un núcleo. Las piezas laterales se
20 extienden a lo largo de un lado del núcleo. Además, cuando el aire caliente del aire de carga fluye a través de los tubos, pero no en contacto con las piezas laterales, los tubos tienden a alargarse mientras que las piezas laterales no lo hacen. Este problema generalmente se ha resuelto aunque el
25 uso de hendiduras que se extienden a través de las piezas laterales dividen cada pieza lateral en dos elementos separados que pueden separarse cuando los tubos se alargan como resultado de la expansión térmica. Esta solución ha sido exitosa para minimizar y/o eliminar fallas en las conexiones del tubo con el cabezal. Sin embargo, esto es poco para las fallas que ocurren en otra parte. En otros casos, particularmente en donde se emplean tubos extremadamente largos, como por ejemplo en radiadores para locomotoras, el tubo que recibe las férulas han sido dispuestos en ranuras en los cabezales y un elastómero moldeado a precisión alrededor de cada férula y luego soldado a las férulas. Esto' da como resultado una construcción de tubo flotante en donde los tubos y las férulas pueden moverse en relación con los cabezales como resultado de la naturaleza flexible del elástomero en las conexiones del tubo con el cabezal pero no resuelve todos los problemas. Específicamente, los enfriadores de aire de carga convencionales tienen cabezales opuestos que reciben a los tubos, y se aplican los tanques a los cabezales en los lados de los mismos de manera opuesta a los tubos. Particularmente, en la entrada de la conexión del tanque y el cabezal, en donde se introduce el aire caliente del compresor giratorio de la turbina alimentadora o sobrealimentadores, debido a que es más grande el área superficial del tanque, el tanque es más capaz de disipar el calor rechazado por el mismo desde el aire de carga entrante que lo que puede el cabezal. Puesto que en el caso usual, los cabezales y los tanques se alargan,
• el hecho que el tanque sea capaz de disipar más calor que el 5 cabezal da como resultado una expansión térmica desigual en la dirección de alargamiento de los dos, que resulta en fallas en la conexión del cabezal y el tanque. La presente invención se dirige para superar uno o más de los problemas anteriores . 10 BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN • Es un objeto principal de la invención proporcionar un novedoso y mejorado enfriador de aire de carga y el método para fabricarlo. Más específicamente, es un objeto de la invención
15 proporcionar una novedosa y mejorada construcción de enfriador de aire de carga, en donde la expansión térmica se efectúa casi de manera igual en el tanque y el cabezal de entrada para eliminar el esfuerzo en el punto en donde se unen mutuamente los dos, asi como un método para fabricar tal
20 enfriador de aire de carga. Una modalidad ejemplar logra el objeto anterior en relación con el enfriador de aire de carga para usarse en un motor de combustión interna que incluye un par de cabezales separados. Las ranuras de los tubos separados se localizan en
25 cada uno de los cabezales, estando las ranuras de un cabezal en alineación con las ranuras del otro cabezal para recibir los extremos de los tubos correspondientes . Se proporcionan un par de tanques, uno para cada cabezal, y se unen de manera metalúrgica al cabezal correspondiente en un lado del mismo. Una pluralidad de tubos alargados, uno para cada ranura correspondiente del cabeza, se extienden entre los cabezales y tienen extremos opuestos recibidos en las ranuras correspondientes en los cabezales asociados. Los extremos de los tubos se hacen pasar a través de cuando menos el cabezal de entrada dentro del tanque correspondiente y se hacen pasar a un lado del cabezal de entrada, al cual esta unido el tanque. Se emplea una unión metalúrgica del tipo fluido para asegurar los extremos de los tubos y se proporcionan los extremos correspondientes de las ranuras y aletas para extenderse entre los extremos adyacentes de los tubos y para estar en una relación de intercambio térmico con los mismos.
Se proporcionan tanques con entradas de aire de carga y salidas de aire de carga según sea apropiado y un cuerpo elastomérico resistente al calor se une a un lado del cabezal de entrada opuesto a los tubos en una relación circundante y en contacto con los extremos de los tubos en este punto, mientras que permite la comunicación fluida entre los extremos de los tubos y el interior del tanque, que se une a este cabezal. En consecuencia, el cabezal es aislado por un cuerpo elastomérico y opera a la temperatura del enfriador que pudiera ser el caso en otras circunstancias, la temperatura del enfriador es aproximadamente la misma en la que opera el tanque, de manera que los dos experimentan una expansión térmica aproximadamente igual, eliminando asi los esfuerzos térmicos en su superficie de contacto o interface. Las ranuras en los cabezales pueden estar circundadas o no por pestañas y se puede proporcionar un cuerpo de un material elastomérico no solo en el cabezal de entrada, sino también en el cabezal de salida. El elastómero de preferencia es un elastómero a base de silicón y es de tipo liquido que se cura a la temperatura ambiente. Además, el elastómero de preferencia es de un tipo que puede ser fluido de manera que puede ser curado in-situ sobre el cabezal al cual se aplica. Se contempla que los cabezales pueden tener pestañas de reborde y que el cuerpo elastomérico se extiende substancialmente a lo largo de toda la longitud del cabezal entre las pestañas de reborde. De acuerdo con la invención, también se proporciona un método para fabricar un enfriador de aire de carga para un motor de combustión interna. El método comprende los pasos de: (a) ensamblar una pluralidad de tubos alargados a dos cabezales separados, cada uno tiene un tubo que recibe a las ranuras, de manera que los extremos de los tubos se extienden por lo menos a través de uno de los cabezales pasando a un lado de los mismos; (b) formar uniones metalúrgicas herméticas al fluido entre los tubos y los cabezales; (c) aplicar un elastómero curable cuando menos a un lado de un cabezal para cubrir substancialmente el mismo, mientras que permite que los extremos de los tubos permanezcan abiertos; (d) curar el elastómero; (e) unir de manera metalúrgica un tanque por lo menos a un cabezal sobre un lado del mismo; y (f) proporcionar una entrada de aire de carga en el tanque . De conformidad con una modalidad preferida de la invención, el elastómero es un elastómero que puede ser fluido el paso (c) es efectuado al fluir el elastómero sobre un lado del cabezal. También se contempla que el elastómero sea curable a la temperatura ambiente, de modo que el paso (d) puede efectuarse a la temperatura ambiente. La invención también contempla que se realice el paso de proporcionar una entrada de aire de carga antes del paso de unir los tanques a los cabezales y que los pasos de las uniones sea efectúen mediante soldadura o soldadura fuerte. Otros objetos y ventajas llegarán a ser evidentes a partir de la siguiente especificación tomada en conexión con los dibujos que se acompañan. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en elevación de un enfriador de aire de carga fabricado de acuerdo con la invención; La Figura 2 es una vista fragmentaria ampliada de una forma del cabezal que puede emplearse con la invención; La Figura 3 es una vista fragmentaria en secciones del cabezal de la Figura 2 con los tubos ensamblados al mismo y con una capa de un elastómero aplicada sobre el mismo; La Figura 4 es una vista similar a la Figura 3 pero que emplea una construcción para el cabezal diferente; La Figura 5 es una vista fragmentaria de planta de una forma del cabezal que puede emplearse para fabricar la modalidad de la Figura 4; La Figura 6 es una vista similar a la Figura 5 pro que muestra otra forma de un cabezal que puede usarse para fabricar la modalidad de la Figura 4; y La Figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra los pasos del método para fabricar el enfriador de aire de carga. DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS En la Figura 1 se ilustra una modalidad ejemplar de un enfriador de aire de carga fabricado de acuerdo con la invención. Se observará que el enfriador de aire de carga es básicamente convencional, excepto en lo que respecta a la extensión de los tubos a través de las placas del cabezal y en cuanto a la aplicación de un elastómero al cabezal. Con
# esto en la mente, uno asi se describirá ahora. 5 El enfriador de aire de carga incluye un tanque que se forma típicamente de aluminio. Los tanques 10, 12 se alargan desde la parte superior a la inferior como se ilustra en la Figura 1 y tienen aberturas rectangulares respectivas (no se muestran) que substancialmente se extienden a lo largo
10 de la longitud del tanque respectivo 10, 12 , pero no en toda
• la longitud del mismo. Como se observa en la Figura 1, en sus extremos superiores, los tanques 10, 12 incluye lumbreras de aire de carga 14, 16. Una de las lumbreras 14, 16, por ejemplo, la lumbrera 14 puede ser una lumbrera de entrada y
15 típicamente será conectada a la salida del compresor giratorio de la turbina alimentadora o sobrealimentador con el que se usa el enfriador de aire de carga. La lumbrera
• restante, por ejemplo, la lumbrera 16 será conectada a la entrada del aire de combustión del motor de combustión
20 interna con el cual se usará el enfriador de aire de carga. Las aberturas rectangulares antes mencionadas en los tanques 10, 12 se cierran por las respectivas placas del cabezal 18, 20 que será descrito con mayor detalle en lo sucesivo en la presente. Una pluralidad de tubos aplanados,
25 alargados y separados 22 se extienden entre las placas del cabezal 18, 20 y en una comunicación fluida con los tanques 10, 12 por medio de las ranuras que van a ser descritas en las placas del cabezal 10, 20. Las aletas 24 están dispuestas entre los extremos adyacentes de los tubos 22 y en una relación de intercambio térmico con los mismos. Como se ilustra en la Figura 1, las aletas 24 son aletas de serpentina pero se pueden usar aletas de placa en lugar de las mismas. Los lados opuestos del núcleo formado por las placas de cabezal 18, 20, los tubos 22 y las aletas 24 incluyen un conjunto de las aletas 22 a las cuales una placa lateral 26 se une de manera metalúrgica. Las placas laterales 26 se construyen de manera convencional, de manera que no se interconectan rígidamente con los cabezales 18, 20, permitiendo así un diferencial de expansión térmica entre los tubos 24 y las placas laterales 26. Volviendo ahora a la Figura 2, se ilustra una forma de los cabezales 18, 20. El cabezal 18, 20 esta en la forma de un canal poco profundo, que esta para indicar que el mismo incluye un recodo colindante por las patas 30 y 32 que actúa como rebordes que se extienden a lo largo de los bordes del recodo 28 a lo largo de toda la longitud del cabezal correspondiente 18, 20. Las ranuras de los tubos 34 se forman en el recodo 28 y se alargan para recibir de manera ajustada a los tubos aplanados 24. Las ranuras de los tubos 34 se extienden generalmente transversales a la dirección de alargamiento de cada uno de los cabezales 28 y 20. Las ranuras de los tubos 34 en el cabezal 18 se alinean con las ranuras de los tubos 34 en el cabezal 20 para recibir a los correspondientes extremos de los tubos 22. Volviendo ahora a la Figura 3, se ilustra la incorporación del cabezal de la Figura 2 en el intercambiador de calor de la Figura 1. Como se observa en la misma, los tubos 22 tienen sus extremos 36 que se extienden pasando la superficie 38 del recodo 28 entre las patas 30, 32 una corta distancia. En el caso usual, la distancia será en el orden aproximado de 1/4", aunque la distancia final seleccionada, en parte, dependerá del tamaño del tanque así como del tamaño del mismo enfriador de aire de carga. Deseablemente, los extremos de los tubos 36 están expuestos pero no se extienden hasta ahora en los tanques 10, 12, como en la interface con un el flujo de aire en los mismos. Inmediatamente los extremos adyacentes 36 de los tubos 22 se unen de manera
• metalúrgica, por ejemplo, mediante soldadura fuerte, alrededor de sus periferias como se muestra con el número de referencia 40. Para este fin, los tubos de preferencia serán formados de aluminio así como también serán revestidos con latón. Adherido a la superficie 38 esta un cuerpo de un material elastomérico 42. El material elastomérico 42 es resistente a la temperatura y en una modalidad preferida, no se degradará a temperaturas hasta de 312°C (600°F) . Como una consecuencia, el material elastomérico resistirá fácilmente las temperaturas de 202 a 257°C (400-500°F) del aire de carga entrante a través de la entrada 14 al cabezal 10. El elastómero 42 está en contacto y circundante, pero no con los extremos de los tubos 36, permitiendo así la comunicación fluida entre los extremos de los tubos y el interior del tanque 14. Mientras que muchos tipos de elastómeros tendrán un rendimiento satisfactorio, se prefiere que el elastómero 42 sea un elastómero/adhesivo a base de silicón y aún más preferible, que sea un elastómero que pueda fluir y se pueda curar y de mayor preferencia que sea un elastómero que se pueda curar a la temperatura ambiente. Uno de tales elastómeros se identifica como Superflex™ 596 un Adhesivo/sellador de Silicón, Grado Industrial con una Baja Volatilidad y de Alta Temperatura (312°c (600°F)) y disponible por Loctite Corporation de Rocky Hill, Connecticut. El cuerpo del elastómero 42 se extiende entre las patas 30 y 32 substancialmente a lo largo de toda la longitud del cabezal 18 y se adhiere de manera adhesiva al mismo. Sin embargo, se pueden usar elementos de sujeción mecánicos. Este sirve como un aislante para evitar el contacto directo del aire de carga entrante con el cabezal de entrada 18 con la consecuencia que este último operará a una temperatura del enfriador según podría ser el caso en otras circunstancias. Como resultado, cualquier diferencial de expansión térmica entre el cabezal 18 y el tanque asociado 10 se minimiza o elimina conjuntamente para reducir 5 substancialmente el esfuerzo en sus puntos de unión mutua. En algunas modalidades, las ranuras de los tubos 34 pueden estar -rodeadas por rebordes 50, los cuales se extienden en la dirección del tanque, es decir, hacia arriba entre las patas 30 y 32, como se ilustra en la Figura 4.. En
10 este ejemplo, los tubos 22 se unen de manera metalúrgica como
• se muestra en 52 con los rebordes 50 mediante soldadura fuerte. La unión metalúrgica resultante proporciona un sello hermético al fluido en la interface de los tubos 22 y los rebordes 50. 15 Un cuerpo 54 del mismo elastómero usado en la formación del cuerpo 42 se localiza en la superficie 54 del recodo 28 desde el cual los rebordes 50 se extienden El
• cuerpo se extiende sobre las partes superiores o los extremos de los rebordes 50 y abarca los tubos 22 en el punto en donde
20 emergen arriba de los rebordes 50. Con referencia a las Figuras 5 y 6, en algunos ejemplos, los rebordes 50 estarán separados desde las patas 32 como se ilustra en la Figura 5, en tanto que en algunos ejemplos, los extremos de los rebordes 50 estarán
25 substancialmente en contacto colindante con las patas 30 y 32, como se muestra en la Figura 6. Como es bien conocido, la orientación de los rebordes en relación con las patas 30, 32, mostrados en la Figura 6, generalmente es la preferida, ya que para cualquier configuración dada de un tubo 22, un núcleo más delgado puede producirse. Por otro lado, con la práctica de la invención, debido a los extremos de los rebordes 50 están en una colindancia substancial con las patas 30, 32, es necesario depositar el elastómero 54 entre cada uno de las ranuras de los tubos 34. En contraste, en la modalidad de la Figura 5, en donde el elastómero es un elastómero que puede fluir, este puede fluir entre los extremos de los rebordes y las patas 30, 32, en caso que su viscosidad no sea lo bastante grande, simplificando su aplicación. El método general de la invención se ilustra en la
Figura 7 en una forma de bloque e incluye un paso representado por un bloque 60, en donde los tubos, los cabezales y las aletas se ensamblan en modelo o lo similar, en una forma convencional, de manera que los extremos de los tubos se extienden a través del cabezal de entrada 18, y opcionalmente, también a través del cabezal de salida 20. El ensamble del tubo, el cabeza y el montaje resultante de llevar a cabo los pasos mostrados en el bloque 60, posteriormente, se somete a un proceso de unión metalúrgica para unir de manera metalúrgica los tubos con los cabezales y las aletas con los tubos. Este paso es mostrado por el bloque 62, y típicamente, comprende un paso de soldadura, pero no siempre se incluye este paso. También es posible que las uniones pueden lograrse mediante soldadura o soldadura con cautín o una combinación con soldadura fuerte, soldadura y cautín. Como resultado de llevar a cabo el paso indicado en el bloque 62, se origina un núcleo que incluye los cabezales, tubos y aletas unidos conjuntamente de manera metalúrgica. En este punto, se realiza el paso de la aplicación del elastómero mostrado en el bloque 64. El elastómero se aplica al costado del tanque del cabezal de entrada 18, o al costado del tanque del cabezal de entrada 18 y al cabezal de salida 20, en caso que se quiera. Los puntos de la aplicación del elastómero, en gran parte, dependerá del tipo de cabezal seleccionado, asi como también de la viscosidad del elastómero que puede fluir. Es necesario que el elastómero cubra el recodo 28 del cabezal asociado 18 o 20 y se una con el mismo, substancialmente a lo largo de toda su longitud y se extienda entre las patas 30 y 32 y los rebordes 50, en caso que estuvieran presentes. Una vez que se ha aplicado el elastómero, se puede llevar a cabo el paso de curación mostrado en el bloque 66. Como se menciono previamente, es preferible que el elastómero sea del tipo que se curará a la temperatura ambiente, permitiendo así que el núcleo con el elastómero aplicado simplemente es fraguado aparte por un periodo de tiempo relativamente corto, por ejemplo, en 24 horas, hasta que la curación se efectúe. Una vez que ha ocurrido, los tanques 10, 12 puede ser aplicados respectivamente a los cabezales 18, 20, en una forma convencional y unidos de manera metalúrgica con los mismos. Nuevamente, esta operación típicamente comprenderá la soldadura con cautín o soldadura fuerte y más típicamente la soldadura. En este aspecto, el elastómero 42, 54 no será alterado por el proceso de unión y cualquier calor que acompañe al proceso a causa de su resistencia a la temperatura. De lo anterior, se apreciará que el enfriador de aire de carga tendrá un cabezal con un lado de entrada que se aisla del aire de carga a alta temperatura que entre al enfriador de aire de carga, de manera que la expansión térmica del cabezal durante la operación se aproximará al tanque al cual esta fijo. De manera que los esfuerzos térmicamente inducidos en donde el tanque 10 se une al cabezal 18 se reducen o eliminan substancialmente todos. Como una consecuencia del uso de la invención, las deficiencias en las velocidades han sido substancialmente reducidas. Se sometieron a pruebas de ciclos términos y posteriormente de presión a tres enfriadores de aire de carga, dos elaborados de acuerdo con la invención y uno sin el cuerpo de elastómero. Los ciclos térmicos comprendieron la introducción de aire a 51.15°C (125°F) al enfriador de aire de carga, elevando la temperatura del aire a 257.40°C (500°F, y luego se redujo la temperatura del aire a 51.15°C (125°F) . Cada ciclo se llevo a cabo en un minuto y se repitió por lo 5 menos 40,000 veces mientras que el aire a 51.15°C (125°F) seguía fluyendo a través del exterior del enfriador de aire de carga. Las pruebas de presión comprendieron las aplicación de aire a 35 psig al interior del enfriador de aire de carga,
10 interrumpiendo la introducción de aire presurizado y
• observando la presión interna después de 15 segundos. No deberá perderse más de 0.21 kg/seg2(4.0 psi) o el enfriador de aire de carga se considerará como subnormal. En una prueba, el enfriador de aire de carga
15 elaborado de acuerdo con la invención no mostró ninguna perdida de presión cuando la se probo la presión durante 44,600 ciclos. En otra prueba, un enfriador de aire de carga
• elaborado de acuerdo con la invención experimento solo una perdida de presión de 0.035 kg/seg2 (0.5 psi) . En este caso,
20 las fugas que aparecieron se deben debido a las fallas en la formación metálica de los tubos 22, en lugar de cualquier falla de la interface del cabezal/tanque. El enfriador de aire de carga convencional experimento una perdida de presión de 0.21 kg/seg2 (4.0 psi) después de haberlo sometido
25 ligeramente a ciclos térmicos durante 40,000 veces. Se observaron múltiples fracturas del cabezal en este enfriador de aire de carga. Los beneficios del uso del elastómero son, en consecuencia, aparentes.