CN104169671A - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器，例如一种间接式空气冷却器，在该冷却器中，空气，例如用于一种内燃机的压缩的充气空气，通过例如流体冷却的方式来被冷却，其中该热交换器由堆叠的板的对构成，其具有两个纵向边沿和两个横向边沿，板对之间布置有翅片，且该堆叠被布置于一壳体内，例如空气流围绕该散热片流动并又离开该壳体，其中所述空气由在该板对中流动的流体所冷却，其中该流体通过至少一个入口流入该板对，并且通过至少一个出口被导出。

Description

热交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年3月28日提交的德国专利申请DE102012006346.6的优先权，该德国专利申请的全部内容以引用的方式合并于此。
背景技术
本发明涉及一种热交换器。
发明内容
本发明涉及一种热交换器(例如一种间接式空气冷却器)在该热交换器中，空气(例如用于内燃机的压缩的充气空气)通过例如流体来被冷却，其中该热交换器由堆叠的板的对构成，板之间布置有翅片，且该堆叠布置在有空气流入的壳体内，空气流经该翅片并且流出，其中，所述空气由在板对中流动的流体所冷却，该流体经由至少一个入口被导入该板对，并且经由至少一个出口被导出，其中该入口和出口位于板的共同边沿，且空气大致在该边沿的方向上流经所述翅片。
通常将安装在机动车辆中并且通过冷却流体来起到冷却充气空气作用的充气空气冷却器称为间接式空气冷却器，以与直接式空气冷却器形成对照，当风扇传送环境空气经过冷却器来冷却示例性充气空气时使用直接式空气冷却器这一术语。
采用的冷却流体直接由冷却空气冷却，然后用于冷却引擎以及用于其他冷却目的，且其最近也被较大程度地用于(间接式)充气空气的冷却。
知晓的是，如果介质被以逆流的方式传导通过热交换器则热传递效率最高(DE29809080U1)。然而，取决于空气冷却器(热交换器)的位置以及其他限制条件，逆流中的通流并非总能实现。入口和出口的位置事实上很少以优选的通流能够发生的方式限定，或者说优选的通流的实现通常在设计和构造方面需要极高的复杂性。
所以，有时将所称逆流或者通常将交叉逆流选择为，例如，至少一个介质具有一蜿蜒路径的情形。交叉逆流的实例可以在DE102006048667A1中找到。该文献被用于形成开始时描述的权利要求1的前序部分。
本发明的目的在于以简单的结构特征来构造所描述的热交换器，也就是说，这些结构是便于制造的，以此方式，所述热交换器提供相对高的效率。
解决该问题的方法是获得一具有专利权利要求1的特征的热交换器。
根据本发明的一个主要方面，提供了流体可以在大致平行于空气流动方向和/或共同边沿的路径上被导入板对的入口区域和/或出口区域，进而相对于示例性的空气大致以交叉流流经至少一第一管道，且进而相对于该空气大致以逆流该板对的最大热交换区域，从而大致以交叉流方向上流过至少一个第二通道，回到该出口。
优选地，存在至少一个入口侧流动路径和入口侧第一管道，以及至少一个出口侧第二管道和出口侧流动路径。在这两个流动路径中，优选的流体大体上在空气流动方向上流动。通过将入口和出口布置在板的拐角处，流动路径的长度可被最小化。根据本发明，流体的全部流量通过通道的相当大的一部分长度而不是通过通道的全长。在流体进入至少一个第一通道不久，一部分流体已经相对于空气以逆流经由波浪状的内翅片而流过板对。这也可同样应用于通向出口侧流动路径的至少一个第二管道。这些管道具有相对低的流动阻力，因此板上远离出口的区域也充分涉及热交换。这些管道的横截面几何形状可以相应地设计以达到充分的热交换。
板上的最大热交换区域配置有波浪状的内翅片。该波浪状的内翅片可以实施为切开的或偏置的翅片，例如用在油冷却领域或其他领域。在这样的翅片中，波浪边沿的一部分被设置为左右交替偏置。在这些偏置的部分之间存在缺口或切口。它们可允许纵向方向上的通流。如果该方向受阻，也可以在横向方向上形成通流。该纵向方向平行于这里的波浪边沿的方向。在当纵向方向发生通流时，板对内的内翅片相比于在横向方向上具有明显小的压力损失。
该波浪状的内散热片的波浪的走向优选地相对于板的纵向方向横切，因此流体可在纵向上沿偏置的波浪边沿以相对小的阻力流动。明显较大的阻力存在于波浪的走向方向，如上所述，该方向相对于波浪边沿的方向横切，因为流体在波浪状边沿中须流经多个缺口或切口，并且在此过程中也要经历流动方向上的多次变化。通过流动屏障，大致上全体流量流过靠近入口和出口所形成的一个流动路径。由于该流动屏障被设置为与该横向边沿大体平行，因此在流动路径中，流体逆流于示例性的空气。这是可接受的，因为由包括流动路径的入口和出口区域部分所占据的面积部分所占整个热交换区域的比例是很小的。该比例通常不会明显超过15％，优选是3％到12％。该流动屏障也位于相对靠近板对的一条横向边沿的位置，也即上文所述的共同边沿的位置。在该流动屏障的相对的端点处具有连接至管道的液压连接。在该板对的其他横向边沿上，最好不设置这样的流动路径或管道，因此该流体无法避开，或者说迫使流体进入穿过内翅片的路径，该路径具有更大的压力损失，且被设置于相对于空气流逆流的位置。
申请人通过模拟计算得出，本发明提出的该热交换器的热交换率相比于现有技术有显著提高。
本发明将参考附图以示例性的实施例的方式进行描述。本发明的进一步特征将在接下来的说明中找到，所述特征或被包含在独立权利要求中，或能在随后被证明是重要的。
附图说明
图1示出了该热交换器的立体图(没有示出壳体)。
图2示出了一类似的立体图，在板对和翅片的堆叠上具有一盖板。
图3示出了由板和翅片形成的堆叠，其中上板对中的一个板被移除以使该板对的内部可见。
图4和5示出了形成一板对的两个板。
图6示出了带有内翅片的板部件的立体图。
图7示出了该热交换器设置处于一合适的壳体内的视图。
图8和图9示出了改型的板的构造。
具体实施方式
在该热交换器的立体图(图1)中(该热交换器在本示例性的实施例中为间接式空气冷却器)，入口4和出口5被设置在金属板1的右手侧的边沿处，该边沿因而在这里称为“公共”边沿E。该入口4被设置在远离该热交换器的空气流入侧“AAir”的一端。另一方面，该出口5被设置在离该充气空气的流入侧较近的位置，该充气空气以三条粗箭头表示。入口和出口连接器具有附图标记40和50。在这些实施例中，该入口和出口具有圆形的横截面。除了上述充气空气外，还可以存在充气空气和废气的混合，或者完全是内燃机(未示出)的废气。
本发明值得一提的优点是，入口4和出口5可以位于相对的边沿上，然后这些边沿将构成该“公共”边沿E，而不改变通流，因此可以比以往更好地应对结构上的限制。在该示出的示例性的实施例中，这些边沿E为板1的横向边沿。板1的两条平行的纵向边沿定位为大致垂直于该横向边沿，其中，这里用到的这些术语仅仅是用于在边沿之间进行区分，任何情况下都不意味着示例性的实施例中所示的纵向边沿一定比横向边沿要长。这些边沿可以具有相同的长度。横向边沿也可以比纵向边沿要长。在示例性的实施例中所示的边沿呈直线且因此板1大体上显示为矩形的这一事实，并不是解决所声称的技术问题的重要先决条件。边沿的形状也可以是弧形的或者以一些除直线外的其他方式实现。
在所示的示例性实施例中，板1具有在该共同边沿E处的切口8，该共同边沿E在图1中显示为右手侧的横向边沿。切口8的深度比入口和出口区域10的深度稍小。入口和出口4、5的位置大体上位于板1的中心纵向轴线15与它们的纵向边沿之间的中心。入口侧的流动路径11从入口延伸至第一管道12，该第一管道12设置在板对1a、1b的一个纵向边沿的内边沿区域内。在其他纵向边沿的内边沿区域内，有至少一个第二管道13，该管道通向出口侧的流动路径11并进一步通向出口5。
在所示的示例性实施例中，管道12、13均始终具有同样的横截面。管道12、13具有低流动阻力，换言之，管道12,13的至少一部分横截面没有流动障碍等。因此，如上文所述，在所示的示例性实施例中存在大体上为矩形的板，流动路径11和管道12、13也被置于大体上相对于彼此垂直的位置。
在实施例(未示出)中，入口和出口4、5也被设置在共同边沿E处但却是在板1的拐角附近，结果流动路径11的长度变得几乎为零。换句话说，流体可几乎直接进入第一管道12且从第二管道13几乎直接进入出口5。应当认为专利权利要求1也覆盖了这样的实施例，即便这些实施例只具有极短的流动路径11。没有理由不将(例如)入口4布置在拐角处并且仅仅将出口5定位在大体上所示位置，反之亦然。因此，只有特别显著的出口侧的流动路径11将是存在的，而入口侧的流动路径11的长度接近零或者说几乎不可见。设计者因此具备多个可用选项，以使热交换器能够适应强加于该设计者的安装位置上的限制，而不必非要接受动力上的损失。应当认为专利权利要求1的范围也覆盖了这样的实施例。
流动路径11优选地由形成板对的板1中的珠结构实现，从图4和5的图示可明显地看出。也可以采用插在或锡焊(或铜焊或焊接)在板对上的柱来替代珠。在所示的示例性的实施例中，珠或柱构成上文中提及的流动屏障6。这些附图示出了两个板1的平面图，这两个板1形成板对1a、1b，具有插在其中的内翅片14，但没有在此详细显示翅片14。
图5所示的板1b沿其纵向轴线15转动180度且定位在图4中的板1a上。两个珠会在板对1a、1b中一个支撑在另一个上并且随后连接。相应地，它们的高度也大体上为形成板对1a、1b的两个板1之间距离的一半。内翅片14的高度也必须对应于该距离。另外，板1a和1b用它们的边沿一个支撑在另一个上并且以密封的方式彼此连接。在该示例性的实施例中，它们具有弯曲的边沿。
现有技术中已知有各种其他的边沿构造。可用这些边沿构造替代本发明的边沿。
板对1a，1b的入口和出口开口4、5具有颈圈41、51，颈圈41、51在上板1a上向上突出，在下板1b上向下突出。在这些颈圈处发生与相邻的板对1a、1b的连接。位于板对之间的且连接板对的密封环也可以替代这样的颈圈41，51。在未示出的实施例中，板1中只有一个板具有珠，该珠的高度需要相应地增大，也就是说应当相应于内翅片14的高度。当然，整个的堆叠，即板对和位于其间的翅片2彼此连接，优选地是金属性连接，例如通过在锡焊(或者铜焊或者焊接)炉中以锡焊(或者铜焊或者焊接)的方式连接。流体流过的锡焊(或者铜焊或者焊接)的内散热片14位于每一板对1a、1b之间。
由于上述内翅片14可具有小于板1的尺寸(由于管道12、13的结构，内翅片***板1)，因此该内翅片14的位置是不确定的，这是不利的。通过在板1的拐角处形成向内突出的凸节或类似形状的元件16并且作为内翅片14的止动件，可实现该内翅片14在该板1内的正确定位。因此，热交换器的预装配性提高。通过这种方式，也可以防止不期望的流体分流，或者至少很大程度上抑制该分流。
在附图3、4和5中，已提到过的入口和出口区域由附图标记10来表示。这里，该区域占到总热交换区域的大约12％。由于所述入口和出口区域对换热的贡献不大，因此要将其设置得尽量小。在图3中，两个箭头表明波浪状的内翅片14优选地以如下方式***板对1a、1b，即，流体以纵向方向流过板对时的压力下降dp比横向方向发生通流时明显低。流体会因该特殊的设计而被迫地采取横向方向的流动路径，且相应地相对于“AAir”的方向逆流流经板对1a、1b。
图6示出了位于板1内的内翅片14的一部分立体图。可以看到该波浪状的内翅片14的一些细节。在热交换器内的波浪结构的走向为横向，也即明显更高的压力下降dp的方向。在沿波浪状边沿17的方向上看去，在波浪状边沿17内有左右交替偏置布置的开口或切口18。管道12，13的宽度由流动屏障6的远端以及板的纵向边沿所确定。也如图6所显示，管道12的窄带是完全畅通的。
根据本发明的实施例(未示出)，整条管道12、13是自由式设计的。在其他的实施例中(未示出)，内翅片14的纵向边沿直接延伸至板1的纵向边沿，因此整个通道的横截面被内翅片14的一部分所占据。由于上述的截面指向低压力下降dp的方向(对应于管道的方向)，因此仍保持了管道12，13的功能。也可以用内翅片14的一部分将一个管道的横截面完全盖住，而另一个通道完全畅通。
如已知的热交换器那样，要被冷却的压缩的充气空气“AAir”流经一开口进入壳体3，前述的由板对1a、1b和散热片2构成的堆叠(没有展示更多的细节)位于该壳体中(图7)。壳体3可以是内燃机的进气歧管。根据本发明的方案，该充气空气相对于在板对中流动的流体以逆流的方式流过波浪状的翅片2，该充气空气在此过程中被极其有效地冷却。同样根据本发明的方案，该充气空气的流动方向是流体的入口4和出口5所在的共同边沿E的方向，或者在示例性的实施例中是板1的横向边沿的方向。因此，该冷却后的充气空气经由该壳体3的另一个开口离开热交换器，以能够为内燃机(未示出)充气。从图2中可看见盖板9的突出边沿9.1，其作为堆叠的终点并且金属连接至该堆叠，例如，突出边沿9.1可利用已知的方式附接壳体3中的板堆叠，因此作为壳体3内的装配开口的封闭件。
图8示出板1上具有的延长孔来作为入口和出口4、5。流体路径11几乎被集成在该延长孔内，因为在一定程度上在共同边沿E的方向上形成流体导路，在其他示例性的实施例中的流动路径中也是这样的情况。在未示出的实施例中，入口和出口4、5具有其他不同的孔形状。这些孔形状也可以包括不对称的孔形。反过来，图9显示了圆形的板孔4、5，但流动屏障6是改型的。

Claims (13)

1.一种热交换器，例如一种间接式空气冷却器，在该热交换器中，空气，例如用于内燃机的压缩的充气空气，例如通过流体来冷却，
其中该热交换器由堆叠的板(1)的对(1a、1b)构成，板之间布置有翅片(2)，且该堆叠被布置于一壳体(3)内，例如空气流进该壳体，空气围绕该翅片(2)流动并离开该壳体(3)，
其中所述空气由在该板对(1a，1b)中流动的流体所冷却，其中流体通过至少一个入口(4)流入该板对，并且经由至少一个出口(5)被导出，
其中该入口(4)和出口(5)位于板(1)的一共同边沿(E)处，并且示例性的空气大致在该共同边沿(E)的方向上流动，
其中示例性的流体能够在至少一个流动路径(11)上并且至少在一定程度上大致在该共同边沿(E)的方向上自所述入口(4)导入所述板对(1a、1b)的入口区域和/或出口区域(10)，并且进一步大致相对于所述示例性的空气以交叉流穿过至少一第一管道(12)，且进而大致相对于该空气以逆流穿越所述板对(1a、1b)的最大热交换区域从而穿过该板对，以从而大致相对于所述示例性的空气以交叉流流经至少一个第二通道(12)，且流到所述出口(5)。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中第一和第二通道(12、13)被设置为大致垂直于所述流动路径(11)和/或所述共同边沿(E)。
3.根据权利要求1和2所述的热交换器，其中所述共同边沿(E)优选构成板的两条横向边沿的其中之一。
4.根据权利要求1至3所述的热交换器，其中垂直于所述共同边沿(E)的方向为纵向方向。
5.根据在先权利要求之一所述的热交换器，其中第一和第二通道(12、13)形成在板对(1a、1b)的内边沿区域中，具有低流动阻力并且优选走向为大致彼此平行。
6.根据在先权利要求所述的热交换器，其中入口和出口区域(10)和所述至少一个流动路径占据有效热交换区域面积的不超过15％，优选是3％到12％的范围内。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其中相对于空气大致以逆流通过板对的最大热交换区域的流体流经布置在所述板对内的内翅片(14)。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其中所述内翅片为波浪设计，并且在其波浪边沿(17)(切开的或偏置的翅片)上具有偏置的切口(18)，因此所述内翅片既允许在波浪边沿方向上的通流又允许相对于波浪边沿方向的横向通流。
9.根据权利要求7和8所述的热交换器，其中所述内翅片最好以这样的方式布置在板对内：所述波浪平行于所述板的横向边沿延伸，其中在两个纵向边沿的方向上具有相对低的流动阻力(dp低)，且在该横向边沿的方向上具有相对高的流动阻力(dp高)。
10.根据权利要求1所述的热交换器，其中至少一个流动屏障(6)大致在所述板对的共同边沿(E)的方向上延伸，靠近于所述入口和所述出口；该流动屏障(6)使得从所述入口到所述第一管道以及从所述第二通道到所述出口的流动路径可用。
11.根据权利要求10所述的热交换器，其中所述流动屏障(6)是通过在所述板对中的至少一个板中的珠或通过***的柱来实现的。
12.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述板(1)具有在所述入口(4)和所述出口(5)之间的切口(8)。
13.根据在先权利要求之一所述的热交换器，其中所述流动路径(11)要么临接于所述入口和/或出口(4、5)，要么通过成形结合在一起。
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