專利名稱:熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于汽車的熱交換器。
背景技術(shù):
如今,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在減少排放和燃料消耗方面的要求日益增加,為了滿足這些要求,需要采取很多措施,例如,加大增壓和更精確地對(duì)燃燒條件施加影響。對(duì)于汽車熱交換器而言,這就使運(yùn)行條件變得更高,例如,氣體和冷卻液壓力加大、溫度升高和流量增加。同時(shí),對(duì)比功率(Leistungsdichten)和使用壽命的要求也在提高。因此,有必要在局部上采用新的冷卻概念。這樣,在增壓空氣冷卻器中,傳統(tǒng)上使用的空氣/空氣冷卻器至少部分地被空氣/液體冷卻器所取代,以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的高增壓所要求的功率和比功率。在廢氣熱交換器中,在不斷提高的運(yùn)行條件下,例如壓力、溫度和比功率,廢氣再循環(huán)率也要不斷提高。這樣,在現(xiàn)代熱交換器中,機(jī)械負(fù)荷、特別是壓力和振動(dòng)在不斷增大。
待冷卻的第一介質(zhì)(通常是氣態(tài))和起冷卻作用的第二介質(zhì)(在這里通常是液態(tài))之間的溫差很大,使得第一介質(zhì)側(cè)和第二介質(zhì)側(cè)的部件的溫升不同。在廢氣熱交換器中,這種溫差可以達(dá)700K之上,在增壓空氣冷卻器中則可以達(dá)到300K。這樣,由于第一介質(zhì)側(cè)和第二介質(zhì)側(cè)之間的線膨脹不同,因此就產(chǎn)生了強(qiáng)烈的熱應(yīng)力。在運(yùn)行狀態(tài)迅速變化的情況下,不均勻的溫度分布(溫度突變)還會(huì)加大這種熱應(yīng)力。
由于熱交換器的比功率變大,因此冷卻液出現(xiàn)沸騰的危險(xiǎn)也在加大,這會(huì)使功率和使用壽命明顯降低。
最后,由于出現(xiàn)強(qiáng)烈腐蝕的介質(zhì),例如廢氣熱交換器中的廢氣所產(chǎn)生的冷凝水,所使用的工藝和材料受到很大的限制,在對(duì)比功率的要求不斷提高的情況下,這會(huì)導(dǎo)致更大的問題。因此,有必要提供一種長(zhǎng)期的技術(shù)方案,將足夠的流道內(nèi)外抗壓強(qiáng)度、避免沸騰和足夠的耐振動(dòng)激勵(lì)和熱應(yīng)力的強(qiáng)度相互結(jié)合起來。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)后的熱交換器。
這一目的由具有下述特征的熱交換器實(shí)現(xiàn)。下面還提供了優(yōu)選的實(shí)施形式。
本發(fā)明提供了一種熱交換器,它具有一個(gè)殼體和至少一個(gè)布置在殼體中的管,其中,在管和殼體之間和/或管之間設(shè)有結(jié)構(gòu)件(Strukturen)。第一介質(zhì)在管中穿流。第二介質(zhì)則在管之間和/或管和殼體之間的空隙中流動(dòng),在這些空隙中也布置著結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件通過在管的內(nèi)外壓力載荷方面進(jìn)行加強(qiáng)而提高了強(qiáng)度。此外,通過管和殼體之間的連接,在整個(gè)冷卻器的長(zhǎng)度內(nèi),第一介質(zhì)側(cè)和第二介質(zhì)側(cè)之間的熱應(yīng)力不斷均勻化,從而使管端部的應(yīng)力明顯減少。此外,結(jié)構(gòu)件可形成熱交換器內(nèi)的流體管路并對(duì)流體進(jìn)行分配。在這里,翅片板可以改善熱傳遞,從而使熱應(yīng)力能夠通過熱傳遞的改善而降低。通過加大傳熱面積,可以更好地使管冷卻,從而避免沸騰。這樣,從整體來說,這里的熱交換器的比功率比傳統(tǒng)的、不設(shè)有結(jié)構(gòu)件的熱交換器明顯提高。優(yōu)選地將形式為單獨(dú)的管、翅片板、帶球形突出物的板(Noppenbleche)的結(jié)構(gòu)板(Blechstrukturen)插入到熱交換器中作為結(jié)構(gòu)件。這個(gè)熱交換器可以為廢氣熱交換器或增壓空氣冷卻器,但也可以是其它熱交換器,例如另一個(gè)氣體-液體熱交換器,在這個(gè)熱交換器中,氣體通過管穿過用于冷卻的熱交換器(散熱器),或者液體-氣體熱交換器,在這個(gè)熱交換器中,冷的氣體通過管穿過用于加熱的熱交換器(加熱器),或者液體-液體熱交換器。管和/或殼體也可以相應(yīng)地帶有結(jié)構(gòu)以取代結(jié)構(gòu)板,也就是說,管的表面可以帶有翅片或球形突出物(Noppenartige)。結(jié)構(gòu)件的高度優(yōu)選為1mm到5mm,較好的是1mm到3mm,最好為1.5mm。結(jié)構(gòu)件的跨度(teilung)L優(yōu)選為結(jié)構(gòu)件高度h的0.1到6倍,最好為0.5到4倍。橫向跨度(Querteiiung)Q優(yōu)選為結(jié)構(gòu)件高度h的0.15到8倍,較好的是為0.5到5倍。在結(jié)構(gòu)區(qū)域中,管之間的流道高度和管中的流道高度的比例優(yōu)選為0.1到1,較好的是0.2到0.7。在結(jié)構(gòu)區(qū)域中,管之間的水力直徑優(yōu)選為0.5mm到10mm,較好的是1mm到5mm。
結(jié)構(gòu)件優(yōu)選與殼體和/或管固定連接,特別是釬接。在這里,特別是在熱交換器的大部分長(zhǎng)度內(nèi),固定連接沒有中斷,或者為了改善冷卻液的分配,固定連接出現(xiàn)了中斷。通過這種固定連接,將非常有效地提高外部抗壓強(qiáng)度(在第二介質(zhì)側(cè)的過壓),因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)件起到了系桿的作用,阻止了管出現(xiàn)凹陷。另外,結(jié)構(gòu)件吸收了在傳統(tǒng)的熱交換器中相當(dāng)不穩(wěn)定的管所出現(xiàn)的振動(dòng),并非常有效地使熱應(yīng)力變得均勻。另外,這種固定連接有助于管到結(jié)構(gòu)件的熱傳遞,從而改善了管的冷卻。此外,由于熱傳遞的改善,使管的數(shù)量得以減少,從而能夠降低制造成本。
至少部分的管優(yōu)選地由扁平管形成。在這里,從熱動(dòng)力學(xué)角度看,扁平管的傳導(dǎo)性明顯好于圓管,但是抗壓強(qiáng)度卻較低,因此必須對(duì)扁平管采取提高抗壓強(qiáng)度的措施,如本發(fā)明中在管外側(cè)的支承結(jié)構(gòu)。其中特別的是,扁平管具有一個(gè)大致為矩形的橫斷面,并且各角被倒圓。此外矩形管可以是一體式的。它們具有一個(gè)縱向焊縫,可以通過焊接,例如激光焊、摩擦焊和感應(yīng)焊等,或者釬接而成。矩形管也可以由焊接或釬接的半殼構(gòu)成。管也可以是其它任意形狀,例如橢圓形,和/或帶有焊接或釬接的突出部。另外,為了補(bǔ)償殼體和管以及位于它們之間的結(jié)構(gòu)件的公差,管可以略帶凸度。在管之中和/或之上也可以設(shè)置渦流器(小翅片)。為了生成渦流,管的表面(內(nèi)和/或外)也可以帶有結(jié)構(gòu)件。
結(jié)構(gòu)件優(yōu)選至少部分地具有一個(gè)不均勻的結(jié)構(gòu),這樣,可以有目的地將冷卻液輸入到關(guān)鍵區(qū)域,以避免過熱或沸騰。也可以通過取消部分的結(jié)構(gòu)件來相應(yīng)地提高冷卻液的輸入量。通過這個(gè)措施可以使熱交換器的壓力損失和冷卻液在熱交換器中的橫向分布得到優(yōu)化。帶有不均勻結(jié)構(gòu)的區(qū)域優(yōu)選地位于流體的進(jìn)口區(qū)和/或出口區(qū)。它們用于流體的導(dǎo)向,并將壓力損失保持在盡可能低的水平。
通過使結(jié)構(gòu)件至少一部分呈鋸齒狀,可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,并優(yōu)化冷卻液的流路。
為了簡(jiǎn)化熱交換器的結(jié)構(gòu),殼體優(yōu)選由兩部分或多部分構(gòu)成,特別是一個(gè)U形的半殼加上一個(gè)蓋板,在這里,一個(gè)水箱可以集成在蓋板之中。原理上也可以采用一體式結(jié)構(gòu),例如水箱可以在殼體上成型。
結(jié)構(gòu)件也可以布置在管本身之中,這樣,所有上述可以布置在管之間的結(jié)構(gòu),也可以集成到管之中。這種結(jié)構(gòu)件優(yōu)選地由翅片板或帶球形突出物的板形成,通過焊接、釬接或卡接與管相連。結(jié)構(gòu)件的高度優(yōu)選為1mm到5mm,較好為1mm到3mm,最好為1.5mm。結(jié)構(gòu)件的跨度L優(yōu)選為結(jié)構(gòu)件高度h的0.5到6倍。橫向跨度Q優(yōu)選為結(jié)構(gòu)件高度h的0.5到8倍。在結(jié)構(gòu)區(qū)域中,管之中的水力直徑優(yōu)選為0.5mm到10mm,較好的是1mm到5mm。
下面通過實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。其中,圖1是一個(gè)廢氣熱交換器的橫斷面圖,圖2是圖1中所示熱交換器的透視圖,圖3是一個(gè)翅片板透視示意圖,圖4是一個(gè)變型的翅片板的透視示意圖,圖5a-d是進(jìn)口區(qū)域的不同變型。
具體實(shí)施例方式
廢氣熱交換器1具有一個(gè)由兩部分構(gòu)成的殼體2和多個(gè)布置在殼體2中的管3。在管3之間以及殼體2和管3之間設(shè)置有作為結(jié)構(gòu)件的翅片板4,在這里,翅片板4按照上述實(shí)施例具有鋸齒狀結(jié)構(gòu),如圖3中所示,并將在后面對(duì)此詳細(xì)說明。在這里,管3是扁平管。
來自發(fā)動(dòng)機(jī)的、待冷卻的廢氣(氣態(tài)的第一介質(zhì))在管3中流動(dòng),而在圖2中,流動(dòng)方向由兩個(gè)實(shí)線畫出的箭頭表示。殼體2中布置著管3,并由一個(gè)U形的第一殼體部分2’和一個(gè)殼體蓋板2”構(gòu)成,其中,蓋板從上而下放置在第一殼體部分2’上。為使冷卻液(液態(tài)的第二介質(zhì))流入和流出,在殼體蓋板2”中設(shè)置了兩個(gè)冷卻液接管5,而在圖2中,順流模式中的冷卻液的流動(dòng)方向由虛線畫出的箭頭表示。穿流同樣也可以在逆流模式下進(jìn)行,這樣,冷卻液的流動(dòng)方向就是相反的。由于冷卻液在殼體2中流動(dòng),并圍繞著管3流動(dòng),所以翅片板4布置在冷卻液側(cè)。
在圖3中,冷卻液沿由實(shí)線畫出的箭頭所指示的方向可輕松地穿過具有直鋸齒結(jié)構(gòu)的翅片板4,而沿虛線畫出的箭頭所指示的方向則不容易穿過翅片板。通過改變縱向跨度L和橫向跨度Q以及翅片高度h可以影響介質(zhì)的流動(dòng)。除了直鋸齒外,還可以采用斜鋸齒。在各翅片板4的相應(yīng)結(jié)構(gòu)中,翅片板有助于將冷卻液有目的地送到特別關(guān)鍵的位置,為此,翅片板4至少一部分是不均勻的。
圖4中是翅片板的一個(gè)簡(jiǎn)易變型,它帶有沿直線延伸的翅片,其縱向跨度L為2.4mm,翅片或結(jié)構(gòu)件高度h為1.5mm。在這里,翅片板也可以由一個(gè)多孔板彎曲而成,這樣各波浪側(cè)壁由于帶孔而可被介質(zhì)穿過。
在一個(gè)圖未示的實(shí)施例中,一個(gè)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件被應(yīng)用到增壓空氣冷卻器上。
圖5a-d中是翅片板4形成的結(jié)構(gòu)的不均勻區(qū)域。它們使流體在流入時(shí)可以更好地分配。按照?qǐng)D5a所示的第一個(gè)變型,橫向分配管道通過成形加工或沖壓而成。按照?qǐng)D5b和5c中的變型,翅片板4的部分被切掉。圖5d所示的變型具有一個(gè)特殊的、在翅片板4上形成的分配器結(jié)構(gòu)。在出口側(cè)也可以設(shè)置一個(gè)與圖5a到5d中所示相同的不均勻的區(qū)域。
權(quán)利要求
1.用于汽車的熱交換器,帶有一個(gè)殼體(2)和至少一個(gè)布置在殼體(2)中的管(3),其特征在于,在管(3)和殼體(2)之間和/或各管(3)之間設(shè)有結(jié)構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器,其特征在于,該結(jié)構(gòu)件由布置在管(3)和殼體(2)之間和/或各管(3)之間的結(jié)構(gòu)板形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱交換器,其特征在于,結(jié)構(gòu)板是翅片板(4)、帶球形突出物的板或單獨(dú)的管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器,其特征在于,結(jié)構(gòu)件直接在殼體(2)和/或管(3)上形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換器,其特征在于,結(jié)構(gòu)件通過壓制形成。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,結(jié)構(gòu)件與殼體(2)和/或管(3)采用包括釬接的方式固定連接。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,至少一部分的管(3)是扁平管。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,管(3)在管的外側(cè)帶有起支承作用的球形突出物。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,管(3)的內(nèi)部和/或外部表面具有用來形成紊流的結(jié)構(gòu)件。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,結(jié)構(gòu)件(4)的至少一部分是不均勻的結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,結(jié)構(gòu)件(4)的至少一部分為鋸齒狀。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,殼體(2)由兩部分或三部分構(gòu)成。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,待冷卻的介質(zhì)在管(3)中流動(dòng),而冷卻液則在殼體(2)和管(3)及結(jié)構(gòu)件(4)之間的空隙內(nèi)流動(dòng)。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,熱交換器(1)的殼體(2)中的結(jié)構(gòu)件(4)布置在冷卻液一側(cè)。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,該結(jié)構(gòu)件布置在至少一個(gè)管的內(nèi)部。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的熱交換器,其特征在于,結(jié)構(gòu)件為至少一條翅片,而翅片是筆直的或波浪形的和/或帶有肋條。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到16中之一所述的熱交換器,其特征在于它用作汽車的廢氣熱交換器或增壓空氣冷卻器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于汽車的熱交換器(1),包括一個(gè)殼體(2)和至少一個(gè)布置在殼體(2)中的管(3)。該熱交換器的特征在于,在管(3)和殼體(2)之間和/或各管(3)之間設(shè)有結(jié)構(gòu)件(4)。
文檔編號(hào)F28F1/02GK1898519SQ200480038136
公開日2007年1月17日 申請(qǐng)日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月20日
發(fā)明者彼得·格斯克斯, 丹尼爾·亨德里克斯, 賴納·盧茨, 烏爾里?!っ諣? 延斯·里希特, 馬丁·申德勒, 米夏埃爾·施密特 申請(qǐng)人:貝洱兩合公司