CN104075591A - 空气-空气热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空气-空气热交换器，其包括在热交换器的芯深度上延伸的第一和第二冷却空气流动通路。加热空气流动通路被布置于冷却空气流动通路之间，并在芯深度的第一百分比上延伸。导热隔板被布置于加热空气流动通路与每个冷却空气流动通路之间。第一结构增强段设置在隔板之间，并从冷却空气入口表面沿芯深度方向在芯深度的第二百分比上延伸。第二结构增强段被设置在隔板之间，并从冷却空气出口表面沿芯深度方向在芯深度的第三百分比上延伸。第一、第二、第三百分比的和大于100%。

Description

空气-空气热交换器

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年3月27日提交的美国临时专利申请第61/805712号的优先权，其全部内容以参引的方式合并于此。

背景技术

空气-空气热交换器通常使用周围空气来冷却热的工艺用气流。在用于内燃机***的所谓的增压空气冷却器中可以找到这种热交换器的特定示例。在这种***中，使用残留在废气流中的原本要被废弃的焓来压缩被释放到燃烧室中的空气。由这种压缩引起的相关联的对工艺用空气的加热是不合需要的，因为这导致受管控污染物的排放水平升高，以及加热空气的相对低的密度所引起的引擎热效率降低。因此，可取的是在将空气释放到燃烧室之前使压缩的工艺用空气冷却。

在用于增压空气冷却的空气-空气热交换器的一些传统构造中，热空气通过周围空气的流动而冷却，其中，周围空气沿交叉流动取向被指引向加热空气。在这样的热交换器的一种特定方式（通常被称作条-板式（bar-plate-style））中，使用平坦的板和条状物将用于两种流体的交替的流动通道交错，以在它们之间传递热量。由于加热空气波动的高温施加到热交换器上的应力，人们知道这种热交换器易遭受热疲劳。

发明内容

根据本发明的一个实施方案，提供一种空气-空气热交换器，其包括：从冷却空气入口表面到冷却空气出口表面延伸的第一和第二冷却空气流动通路。冷却空气入口表面和冷却空气出口表面之间的距离限定热交换器的芯深度。加热空气流动通路被布置在冷却空气流动通路之间，并在芯深度的第一百分比上延伸。导热隔板被布置于加热空气流动通路与每个冷却空气流动通路之间。第一结构增强段设置在隔板之间，并从冷却空气入口表面沿芯深度方向在芯深度的第二百分比上延伸。第二结构增强段设置在隔板之间，并从冷却空气出口表面沿芯深度方向在芯深度的第三百分比上延伸。第一、第二、和第三百分比的和大于100%。

在一些实施方案中，芯深度的一部分包括加热空气流动通路部分和第一结构增强段部分。在一些实施方案中，芯深度的一部分包括加热空气流动通路部分和第二结构增强段部分。在一些实施方案中，在加热空气流动通路的至少一部分中在隔板之间设置褶皱翅片结构，以及在一些实施方案中，褶皱翅片结构位于第一和第二结构增强段之间。

在一些实施方案中，第一、第二、第三段的和至少为115%。在一些这样的实施方案中，第二和第三百分比中的至少一个至少为12%。

根据一些实施方案，结构增强段中的至少一个包括第一、第二、第三和第四壁。第一壁从加热空气入口表面延伸到加热空气出口表面，并且从第一隔板延伸到第二隔板。第一壁的一个表面与冷却空气入口表面或冷却空气出口表面对齐。第二壁与第一壁分开，并且从加热空气入口表面延伸到加热空气出口表面，以及从第一隔板延伸到第二隔板。第三壁和第四壁与第一壁和第二壁连接，并且每个均包括被布置为与隔板中的一个抵靠的表面。用于加热空气流动通路的一个或多个流动通道被布置于壁之间。

在一些实施方案中，一个或多个流动通道包括通过一个壁而分开的第一和第二流动通道，该壁布置于第一和第二壁之间，并在第三和第四壁之间延伸。在一些实施方案中，第一壁的厚度比第二、第三和第四壁的厚度充分大。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的热交换器的立体图。

图2是示出图1的热交换器的选定的部分的局部立体图。

图3是图2的III部分的详细视图。

图4是用于图1的实施例中的长条状物的局部立体图。

图5是图1的热交换器的单个重复部分的侧视图。

具体实施方式

在对本发明的任何实施例进行详细说明之前，要理解的是，本发明不限于适用在以下说明中阐释或在附图中所图示的部件的具体构造和布置中。本发明能够实现其他实施例和以各种方式实施或实现。还要理解，在此使用的表述和术语是出于说明需要，而不应该认为是限制性的。在此，“包括”、“包含”、“具有”以及它们的各种变型的使用意在囊括其后所列出的项目及其等同项目以及额外的项目。除非另外指定或限制，都广义地使用术语“安装的”、“连接的”、“支撑的”、“联接的”及这些术语的变形，这些术语及其变形涵盖了直接和间接的安装、连接、支撑和联接。此外，“连接的”和“联接的”不限于物理或机械连接或联接。

在图1和2中图示出的根据本发明的一个实施例的一个空气-空气热交换器1，其包括布置于入口箱（tank）3和出口箱4之间的热交换芯2。空气-空气热交换器1作为增压空气冷却器尤其有用，其中，被压缩并加热的空气流在被释放到燃烧引擎的进口之前，由另一冷却器周围空气流冷却。

示例的热交换器1是条状物-板构造，其包括多个冷却空气流动通路10，多个冷却空气流动通路10与在一对侧板14之间的多个加热空气流动通路9交错以限定芯2。加热空气流动通路9在加热空气入口表面17与加热空气出口表面18之间延伸。如在图2中最佳可见地，加热空气入口表面17直接连接到入口箱3的开放端，使得加热空气流可以通过设置在入口箱3中的入口管5被接纳到入口箱3中，并且被指引通过加热空气流动通路9。以类似方式，加热空气出口表面18直接连接到出口箱4的开放端，使得已经通过加热空气流动通路9的加热空气，被接纳到出口箱4中，并且通过设置于出口箱4中的出口管6从出口箱4排出。加热空气入口表面17和加热空气出口表面18之间的间隔距离限定芯2的芯宽度。

冷却空气流动通路10在冷却空气入口表面7与冷却空气出口表面8之间延伸。冷却空气出口表面8详细地示出于图2中，并且，应该理解，冷却空气入口表面7与冷却空气出口表面8基本相似。冷却空气可以通过风扇、鼓风机、或其它类似的通风设备（未示出）从冷却空气入口表面7被指引通过冷却空气流动通道10到冷却空气出口表面8。可替换地，在一些实施例中，热交换器1可以结合到车辆中，车辆的运动引起冷却空气移动通过冷却空气流通道10。冷却空气入口表面7与冷却空气出口表面8之间的间隔距离限定芯2的芯深度。芯深度方向垂直于芯宽度方向，使得移动通过流动通路10的冷却空气与移动通过流动通路9的加热空气的流动取向交叉。

流动通路9、10中毗邻的通路通过相对薄的金属隔板19彼此分离。此外，流动通路9通过沿加热空气入口表面17和加热空气出口表面18之间的芯宽度方向延伸的条状物12来定界。类似地，流动通道10通过沿冷却空气入口表面7与冷却空气出口表面8之间的芯深度方向延伸的条状物13来定界。通常芯宽度方向比芯深度方向长很多，因此条状物12和13通常分别被称作“长条状物”和“短条状物”。

可以将薄金属褶皱翅片（fin）结构15设置在冷却空气流动通路10中，以向金属隔板19提供附加的结构支撑，并且增加通过热交换器1的加热空气与冷却空气之间的热传递比率。类似地，可以将薄金属褶皱翅片结构16设置在加热空气流动通路9中用于相同目的。在一些特别优选的实施例中，隔板19、长条状物12、短条状物13、侧板14、翅片15、16全部由铝合金构造，并且用铜焊焊接在一起，以限定热交换器芯2。

在将空气-空气热交换器1作为增压式空气冷却器的应用中，通过通路9的加热空气流的变化导致热和/或压力循环，热和/或压力循环对热交换器1产生重大的机械应力。这些应力会对热交换器1为入口管5和出口管6之间加热空气提供免泄漏流动路径的能力产生有害的影响。为了提高热交换器1在其经受这种应力时的耐用性，短条状物13常常被构造为具有细长的指状物29，以当热交换器1由于遭受的应力而变形时，提供一些有利的屈从。与之相对照，已经发现，优选的是让长条状物12沿冷却空气入口表面7和冷却空气出口表面8保持刚性。

发明者已经发现，对这种增压式空气热量交换器持续增长的要求是，要求同样增大长条状物12必须得提供的刚性结构支撑的距离。然而，长条状物12尺寸沿芯深度方向（即，从表面7,8开始）的这种增长，伴随着当增压空气流动通过加热空气流动通路9时招致的不合需要的压降的增大。这种压降的增大是当整个芯深度被保持为恒定时通路9的流动面积的对应下降的直接结果。尽管芯深度可以被增大以容纳更长的支撑带，热交换器尺寸的这种增大也是不合需要的。

为了改善上述压降增大的问题，本发明的长条状物12包括流动通道24，该流动通道24延伸穿过加热空气入口表面17和出口表面18之间的长条状物12。流动通道24允许芯深度尺寸的一部分同时被用作加热空气流动通路9的一部分，并用作结构支撑件。

如图5最佳所示出的，加热空气流动通路9（其包括通道24）在热交换器芯深度的一段26上延伸。优选地，最大化芯深度上该段26对应的百分比，以最小化通过热交换器1的加热空气压降。由长条状物12提供的结构增强段27从冷却空气入口表面7延伸进入芯深度。类似地，通过另一个长条状物12提供的结构增强段28从冷却空气出口表面8延伸进入芯深度。段26与段27及段28有重叠，使得芯深度上段26、27、28对应的百分比之和超过100%。

通过示例方式，在本发明的一个特定实施例中，热交换器的总芯深度为145mm。结构增强段——每个结构增强段沿芯深度方向延伸20mm的距离——设置在冷却空气入口表面和冷却空气出口表面处，使得两个结构增强段中的每一个在芯深度的大约14%上延伸。加热空气流动通路在135mm的宽度上或者芯深度的大约93%上延伸。因此，芯深度上空气流动通路和两个结构增强段中的每一个的对应百分比之和大约为121%。在某些有利的实施例中，芯深度百分比的总和至少为115%，在一些有利的实施例中，结构增强段中的每一个至少在芯深度的12%上延伸。

尽管附图中所示出的热交换器1示出在冷却空气入口表面7和冷却空气出口表面8处的相同的长条状物12，在其它实施例中，长条状物在它们所延伸占据的芯深度的百分比上可以不同。此外，在一些实施例中，段26与结构增强段27、28中的一个而不是两者有重叠。

长条状物12可以通过将铝压制成具有对应于芯宽度的长度的期望的形状而制成。在一些非常优选的实施例中，长条状物12包括壁20，该壁20具有与冷却空气入口表面7或者冷却空气出口表面8对齐的外部表面。壁20在加热空气入口表面17与加热空气出口表面18之间延伸，并且跨越定界加热空气流动通路9的两个隔板19之间的距离。长条状物12的另一壁21朝内沿芯深度方向与壁22隔开，同样地在加热空气入口表面17与加热空气出口表面18之间延伸，并且跨越两个隔板19之间的距离。通过壁22和23将壁21和20连接。壁22的一个表面被布置为抵靠隔板19中的一个，壁23的一个表面被布置为抵靠隔板19中的另一个。在壁20、21、22、23之间设置一个或多个流动通道24。长条状物12中可以包括一个或多个壁25（示出了一个）。一个或多个壁25位于壁20、21之间，并在壁22、23之间延伸以将壁20、21、22、23之间的空间细分成多个通道24（例如，图4中的两个通道24a和24b）。由此，可以在段27、28中提供一种相对刚性的结构以结构性地增强这些段，但同时在其中提供流动通路9的一部分。

可选地，可以在壁21的朝内（即朝离开壁20）的表面设置突起部26。突起部26可用于在长条状物12与容纳在加热空气流动通路9中的卷折的翅片结构16之间提供适当的间隔，以确保加热空气可以在壁21与卷折的翅片结构16的最外侧卷折部分之间流动。

可以优化壁20、21、22、23的厚度与壁25的数量和厚度，以提供所要求的结构支撑，同时最大化通道24的流动面积。例如，可以将壁20、21和25制作为其尺寸防止热交换器1在操作期间经受热和/或压力负荷时壁不合需要的弯曲。在一些实施例中，特别有利的是，最外侧壁20具有比壁21、22、23、25中的一个或多个充分大的厚度，以在热交换器1的最外侧表面提供更强的增强作用。在一个特别有利的实施例中，壁20的厚度是其它壁的厚度的5倍。

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代。除了与上述每个实施例互相排斥或不一致的特征、元件和操作方式外，应该注意，参考一个特定实施例描述的可替换的特征、元件和操作方式适用于其他实施例。

以上描述和附图图示的实施例仅通过示例方式被展示，并不意在作为对本发明的概念和原理的限制。因此，本领域普通技术人员应该理解，可以进行元件及其结构和布置的各种改变，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种空气-空气热交换器，包括：

平行布置的、间隔开的第一冷却空气流动通路和第二冷却空气流动通路，所述第一冷却空气流动通路和第二冷却空气流动通路从冷却空气入口表面延伸到冷却空气出口表面，所述冷却空气入口表面与所述冷却空气出口表面之间的距离限定热交换器芯深度；

加热空气流动通路，所述加热空气流动通路布置于所述第一冷却空气流动通路和所述第二冷却空气流动通路之间，并且在所述芯深度的第一百分比上延伸，所述加热空气流动通路沿垂直于所述芯深度的方向从加热空气入口表面延伸到加热空气出口表面，所述加热空气入口表面与所述加热空气出口表面之间的距离限定热交换器芯宽度；

在所述第一冷却空气流动通路与所述加热空气流动通路之间的第一导热隔板；

在所述第二冷却空气流动通路和所述加热空气流动通路之间的第二导热隔板；

布置于所述第一隔板和所述第二隔板之间的第一结构增强段，所述第一结构增强段沿所述芯宽度方向从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述冷却空气入口表面沿所述芯深度方向在所述芯深度的第二百分比上延伸；以及

布置于所述第一隔板和所述第二隔板之间的第二结构增强段，所述第二结构增强段沿所述芯宽度方向从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述冷却空气出口表面在所述芯深度的第三百分比上延伸，其中，所述芯深度的第一、第二和第三百分比的和大于100%。

2.根据权利要求1所述的空气-空气热交换器，其中所述芯深度的一部分包括所述加热空气流动通路部分和所述第一结构增强段部分。

3.根据权利要求1所述的空气-空气热交换器，其中，所述芯深度的一部分包括所述加热空气流动通路部分和所述第二结构增强段部分。

4.根据权利要求1所述的空气-空气热交换器，进一步包括在所述加热空气流动通路的至少一部分中布置于所述第一导热隔板和所述第二导热隔板之间的褶皱翅片结构。

5.根据权利要求4所述的空气-空气热交换器，其中所述褶皱翅片结构位于所述第一结构增强段和所述第二结构增强段之间。

6.根据权利要求1所述的空气-空气热交换器，其中，所述芯深度的第一、第二和第三百分比的和至少为115%。

7.根据权利要求6所述的空气-空气热交换器，其中，所述芯深度的第二和第三百分比中的至少一个至少为12%。

8.根据权利要求1所述的空气-空气热交换器，所述第一结构增强段包括：

第一壁，所述第一壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述第一隔板延伸到所述第二隔板，所述第一壁的一个表面与所述冷却空气入口表面对齐；

第二壁，所述第二壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述第一隔板延伸到所述第二隔板，所述第二壁与所述第一壁分开；

第三壁，所述第三壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且与所述第一壁和所述第二壁连接，所述第三壁的一个表面被布置为抵靠所述第一隔板；

第四壁，所述第四壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且与所述第一壁和所述第二壁连接，所述第四壁的一个表面被布置为抵靠所述第二隔板；以及

一个或多个流动通道，所述一个或多个流动通道布置于所述第一和第二壁之间以及所述第三壁和所述第四壁之间，所述加热空气流动通路包括所述一个或多个流动通道。

9.根据权利要求8所述的空气-空气热交换器，其中，所述一个或多个流动通道包括第一流动通道和第二流动通道，所述第一结构增强段还包括第五壁，所述第五壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面并且与所述第三和第四壁连接，所述第五壁被布置于所述第一壁和所述第二壁之间以将所述第一流动通道与所述第二流动通道分开。

10.根据权利要求8所述的空气-空气热交换器，其中，所述第一壁的厚度比所述第二、第三和第四壁的厚度充分大。

11.根据权利要求8所述的空气-空气热交换器，其中，通过在所述芯宽度上延伸的压制条状物提供所述第一、第二、第三和第四壁。

12.根据权利要求1所述的空气-空气热交换器，所述第二结构增强段包括：

第一壁，所述第一壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述第一隔板延伸到所述第二隔板，所述第一壁的一个表面与所述冷却空气出口表面对齐；

第二壁，所述第二壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述第一隔板延伸到所述第二隔板，所述第二壁与所述第一壁分开；

第三壁，所述第三壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且与所述第一壁和所述第二壁连接，所述第三壁的一个表面被布置为抵靠所述第一隔板；

第四壁，所述第四壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且与所述第一壁和所述第二壁连接，所述第四壁的一个表面被布置为抵靠所述第二隔板；以及

一个或多个流动通道，所述一个或多个流动通道布置于所述第一和第二壁之间以及所述第三壁和所述第四壁之间，所述加热空气流动通路包括所述一个或多个流动通道。

13.根据权利要求12所述的空气-空气热交换器，其中，所述一个或多个流动通道包括第一流动通道和第二流动通道，所述第一结构增强段还包括第五壁，所述第五壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面并且连接所述第三和第四壁，所述第五壁被布置于所述第一壁和所述第二壁之间以将所述第一流动通道与所述第二流动通道分开。

14.根据权利要求12所述的空气-空气热交换器，其中，所述第一壁的厚度比所述第二、第三和第四壁的厚度充分大。

15.根据权利要求12所述的空气-空气热交换器，其中，通过在所述芯宽度上延伸的压制条状物提供所述第一、第二、第三和第四壁。

16.一种空气-空气热交换器，包括：

平行布置的间隔开的第一冷却空气流动通路和第二冷却空气流动通路，所述第一冷却空气流动通路和第二冷却空气流动通路从冷却空气入口表面延伸到冷却空气出口表面，所述冷却空气入口表面与所述冷却空气出口表面之间的距离限定热交换器芯深度；

加热空气流动通路，所述加热空气流动通路布置于所述第一冷却空气流动通路和所述第二冷却空气流动通路之间，并且在所述芯深度的第一百分比上延伸，所述加热空气流动通路沿垂直于所述芯深度的方向从加热空气入口表面延伸到加热空气出口表面，所述加热空气入口表面与所述加热空气出口表面之间的距离限定热交换器芯宽度；

在所述第一冷却空气流动通路与所述加热空气流动通路之间的第一导热隔板；

在所述第二冷却空气流动通路和所述加热空气流动通路之间的第二导热隔板；

第一壁，所述第一壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述第一隔板延伸到所述第二隔板，所述第一壁的一个表面与所述冷却空气入口表面和所述冷却空气出口表面中的一个对齐；

第二壁，所述第二壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且从所述第一隔板延伸到所述第二隔板，所述第二壁与所述第一壁分开；

第三壁，所述第三壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且与所述第一壁和所述第二壁连接，所述第三壁的一个表面被布置为抵靠所述第一隔板；以及

第四壁，所述第四壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面，并且与所述第一壁和所述第二壁连接，所述第四壁的一个表面被布置为抵靠所述第二隔板，其中，所述加热空气流动通路的至少一部分位于所述第一壁和第二壁以及所述第三壁和所述第四壁之间。

17.根据权利要求16所述的空气-空气热交换器，其中，通过在所述芯宽度上延伸的压制条状物提供所述第一、第二、第三和第四壁。

18.根据权利要求16所述的空气-空气热交换器，其中，所述加热空气流动通路部分包括第一流动通道和第二流动通道，所述第一流动通道和所述第二流动通道通过第五壁彼此分开，所述第五壁从所述加热空气入口表面延伸到所述加热空气出口表面并且与所述第三和第四壁连接，所述第五壁被布置于所述第一壁和所述第二壁之间。

19.根据权利要求16所述的空气-空气热交换器，其中，所述加热空气流动通路部分是第一部分，其还包括在所述第一隔板和所述第二隔板中延伸的褶皱翅片结构，以限定在加热空气入口表面与加热空气出口表面之间的多个流动通道，所述多个流动通道包括所述加热空气流动通路的第二部分。

20.根据权利要求16所述的空气-空气热交换器，其中，所述第一壁的厚度比所述第二、第三、第四壁的厚度充分大。