用于使用液体冷却剂冷却压缩空气流的热交换器

摘要

一种用于使用液体冷却剂冷却压缩空气流的热交换器包括冷却剂流动板的堆叠，所述堆叠沿堆叠方向延伸。机壳包围冷却剂流动板的堆叠，以至少部分地限定压缩空气的流动路径。机壳包括：第一壁，第一壁大体布置在平行于堆叠方向的第一平面内；第二壁，第二壁结合到第一壁并且大体布置在垂直于堆叠方向的第二平面内；设置在第一壁的外表面上的冷却剂端口；设置在第二壁的内表面上的孔；以及冷却剂流动路径，冷却剂流动路径在冷却剂端口和孔之间延伸经过第一壁和第二壁的内部。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热交换器。

背景技术

增压空气冷却器与涡轮增压内燃机系统一起使用。在这样的系统中，来自燃烧废气的剩余能量通过废气膨胀涡轮被重新获取，并且重新获取的能量被用来压缩或者“增加”正被供应到引擎的、进来的空气(称为“增压空气”)的压力。这提高了引擎的工作压力，因此提高了热效率且提供了更好的燃油经济性。

使用废气压缩增压空气通常导致空气的温度的大幅增加。至少出于两个原因，这样的温度增加是不合需要的。第一，空气的密度与其温度反相关，因而当空气温度升高时，在每个燃烧循环中进入燃烧气缸的空气质量(mass)较低，导致引擎输出下降。第二，不合需要的和/或有害的排放(例如，氮氧化物)产量随着燃烧温度的增加而增加。内燃机的排放水平有着严格规范，使得有必要将进入燃烧室的空气的温度控制为与环境空气温度相对接近。因而，对于涡轮增压引擎来说，使用增压空气冷却器来冷却增压空气已经变得相对平庸。

在一些应用中，使用液体冷却剂(例如，引擎冷却剂)冷却增压空气。一些已知类型的液体冷却的增压空气冷却器包括金属核和壳体，所述金属核具有密封的液体通道，液体通道布置为与空气通道有热传递关系，所述壳体围绕所述核，以引导增压空气经过空气通道。

发明内容

根据本发明的实施例，一种用于使用液体冷却剂冷却压缩空气流的热交换器包括冷却剂流动板的堆叠，所述堆叠沿堆叠方向延伸。空气翅片布置在所述冷却剂流动板中相邻的冷却剂流动板之间，以为所述压缩 空气流提供经过所述热交换器的流动路径。冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管由冷却剂流动板的堆叠所限定。机壳包围冷却剂流动板的堆叠，以至少部分地限定压缩空气的流动路径，所述机壳包括：第一壁，所述第一壁大体布置在平行于所述堆叠方向的第一平面内；第二壁，所述第二壁结合到所述第一壁并且大体布置在垂直于所述堆叠方向的第二平面内；设置在所述第一壁的外表面上的冷却剂端口；设置在所述第二壁的内表面上的孔；以及冷却剂流动路径，所述冷却剂流动路径在所述冷却剂端口和所述孔之间延伸经过所述第一壁和所述第二壁的内部。密封件布置在所述孔和所述冷却剂流动板的堆叠之间，所述密封件提供在冷却剂端口与冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管中的一个之间的无泄漏的流体连通。

在一些实施例中，所述热交换器包括第二端口、第二孔，以及第二冷却剂流动路径，所述第二冷却剂流动路径在所述第二冷却剂端口和所述第二孔之间延伸经过所述第一壁和所述第二壁的内部。所述第二冷却剂流动路径与所述第一冷却剂流动路径分开。第二密封件提供在第二冷却剂端口与冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管中的另一个之间的无泄漏的连通。

在一些实施例中，所述第一壁和所述第二壁均形成为单个单一部件的一部分。在一些这样的实施例中，所述单个单一部件是成型的塑料部件，并且在其他实施例中，所述单个单一部件是铸造铝部件。在一些实施例中，所述冷却剂流动板的堆叠、所述空气翅片以及所述机壳通过铜焊接合件结合在一起，并且所述密封件由铜焊接合件提供。

根据本发明的另一实施例，一种用于使用液体冷却剂冷却压缩空气流的热交换器包括冷却剂流动板的堆叠，所述堆叠沿堆叠方向延伸。空气翅片布置在所述冷却剂流动板中相邻的冷却剂流动板之间，以为所述压缩空气流提供经过所述热交换器的流动路径。冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管由冷却剂流动板的堆叠所限定。机壳包围冷却剂流动板的堆叠，以至少部分地限定压缩空气的流动路径，所述机壳包括一个或多个面向外的表面；一个或多个面向内的表面；设置在该一个或多个面向外 的表面中的一个上的冷却剂端口；设置在该一个或多个面向内的表面中的一个上的孔；以及在所述冷却剂端口和所述孔之间延伸的冷却剂流动路径。所述冷却剂流动路径至少部分地位于该一个或多个面向内的表面与该一个或多个面向外的表面之间。密封件布置在所述孔和所述冷却剂流动板的堆叠之间，所述密封件提供在冷却剂端口与冷却剂入口歧管和冷却剂出口歧管中的一个之间的无泄漏的流体连通。

在一些实施例中，所述冷却剂流动路径包括：在大体平行于所述堆叠方向的方向上延伸的第一部分，以及在大体垂直于所述堆叠方向的方向上延伸的第二部分。在一些实施例中，所述冷却剂流动路径在所述冷却剂端口和所述孔之间包括至少一个右手转弯，并且在一些实施例中是至少两个右手转弯。

在一些实施例中，所述冷却剂流动板的堆叠、所述空气翅片以及所述机壳通过铜焊接合件结合在一起。在一些实施例中，所述密封件由铜焊接合件提供。

在一些实施例中，所述机壳包括第一形成的板金属部件和第二形成的板金属部件。第一形成的板金属部件具有第一端口接纳开口和第二端口接纳开口，以分别接纳所述第一冷却剂端口和第二冷却剂端口。所述第二形成的板金属部件具有第一孔和第二孔。所述第一形成的板金属部件和所述第二形成的板金属部件一起限定了第一冷却剂流动路径和第二冷却剂流动路径，第一冷却剂流动路径在所述第一冷却剂端口和所述第一孔之间延伸，所述第二冷却剂流动路径在所述第二冷却剂端口和所述第二孔之间延伸。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的热交换器的立体图。

图2是图1的热交换器的分解立体图。

图3是图1的热交换器的局部截面侧视图。

图4是图1的热交换器的选择部分的局部立体图。

图5是根据本发明的另一实施例的热交换器的立体图。

图6是图5的热交换器的分解立体图。

图7是一个组成部分的立体图，该组成部分用于构建图5的热交换器。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，要理解的是，本发明并不将其应用限制为以下描述中所列举的或者附图所示的构建细节及部件安排。本发明可以有其他实施例并且能够以多种方式实现或执行。同样要理解的是，本文使用的措辞和术语是用于描述的目的，而不应被视为限制。在本文中，“包括”、“包含”或“具有”等词及其变体的使用是指含有其后列出的项目及其等同物以及额外的项目。除非以其他方式指明或限定，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变体以广义的方式使用，并且包括直接和间接安装、连接、支撑和联接。另外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。

图1示出了根据本发明的实施例的热交换器1。热交换器1可以用作增压空气冷却器，以使用液体冷却剂冷却压缩空气流(还可以有其他目的)。热交换器1特别适于用在引擎系统中，例如用于车辆，并且可以直接或间接地联接至涡轮增压或超级增压引擎，以在将来自涡轮增压器或超级增压器的压缩的增压空气输送至引擎的进气歧管前，将这样的空气冷却。

热交换器1包括(最佳地如图2和3所示)金属的热交换核，热交换核形成为冷却剂板19的堆叠2，堆叠2插入机壳3。机壳3包括空气入口13和空气出口14，空气入口13可以联接至压缩空气源(例如，涡轮增压器或超级增压器出口)，空气出口14可以直接或间接联接至引擎的进气歧管。冷却剂板的堆叠2在空气入口13和空气出口14之间，位于机壳的面向内的表面所界定的内部容积内，使得从入口13到出口14经过热交换器1的压缩空气被引导经过堆叠2。

各个冷却剂板19中相邻的冷却剂板在其相对应的边缘处结合，以在堆叠2中形成冷却剂流动通道5，冷却剂流动通道5针对机壳3的内部 容积密封，以防止从其经过的空气与冷却剂的混合。空气翅片6布置在冷却剂板19之间并且结合至冷却剂板19，以提供空气经过热交换器1的流动渠道。以此方式，堆叠2提供了交替的冷却剂通道和空气通道，以促进从空气到冷却剂的热传递，因而冷却了空气。

冷却剂通道5在冷却剂歧管7之间延伸，冷却剂歧管7由各个冷却剂板19的向上翘的凸缘形成并且在冷却剂板19的堆叠方向上延伸，最佳地如图3所示。在示例性的实施例中，最佳地如图2的分解图所示，冷却剂歧管7a和冷却剂歧管7b设置在堆叠2的公共端，使得冷却剂流动通道5描绘了经过堆叠2的U形流动路径。在其他实施例中，歧管7可以设置在堆叠2的相对端。

冷却剂板的堆叠2在一端被安装板15盖住，安装板15的尺寸比冷却剂板19的尺寸稍大，使其外周向外延伸超过板19的占用空间。一旦堆叠2插入机壳3，安装板15的暴露的外周搁置在机壳3的顶表面16上。安装板15及顶表面16上的对应的安装件17可以用于在结构上将堆叠2固定至机壳3(例如，通过螺纹紧固件、铆钉，等等)。尽管未示出，密封件(例如，垫圈)可以设置在安装板15和顶表面16之间的界面处，以防止在该界面处的空气泄漏。可替换地，匹配的表面可以以其他方式密封(例如，通过粘合剂、焊接，等等)。

在一些特别优选的实施例中，堆叠2的组成部分(例如，冷却剂板19、空气翅片6和顶板15)由铝合金制成，并且铜焊在一起形成整块部件。

用于这样的目的的先前已知的热交换器已经包括了冷却剂端口(冷却剂端口形成为金属的热交换器核的一部分)，例如，通过将端口根部铜焊到顶部安装板中，以与冷却剂歧管连通。然而在特定的应用中，冷却剂端口以及相关的冷却剂管线的如此安置将是成问题的(所述冷却剂管线连接至端口，以便使热交换器与冷却剂系统互连)。例如，将其他引擎组成部分安置为与热交换器的特定部分直接相邻将使得冷却剂端口的安置变得困难。此外，需要在安装后保持对冷却剂端口的通路(例如，出于联接和分离冷却剂管线的原因(例如，可以是维修或日常保养所需))， 这会引起对冷却剂端口的可允许安置的限制。

在热交换器1中，这样的困难通过设置在机壳3的面向外的表面上的冷却剂端口4得到解决。通过有利地将冷却剂端口4安置在机壳3的侧面而不是延伸经过堆叠2的顶板15，显著地简化了将热交换器1包装到引擎系统中。在工作中，冷却剂26被从冷却剂系统接收到端口4a、4b中的一个，并且被导入冷却剂歧管7a、7b中相应的一个。相似地，冷却剂(在已经经过冷却剂通道5之后)被从冷却剂歧管7a、7b中的另一个传送至端口4a、4b中的另一个，以返回冷却剂系统。

冷却剂在端口4和歧管7之间的路由通过冷却剂流动路径11(冷却剂流动路径11延伸经过机壳3的壁的内部)来实现。对于图1的示例性实施例，这样的冷却剂流动路径11在图3的局部截面图中示出，示出了延伸经过其中一个端口4和相应的一个歧管7的截面。应当注意，图3的截面图同等地适用于端口4a、4b中的任一个及相应的歧管7a、7b。

如图3所示，将端口4连接至冷却剂歧管7的冷却剂流动路径11形成在机壳3中。例如，通过注塑成型、旋转成型、金属注入成型、砂模铸造、溶芯铸造、模铸，或者能够产生这样的终形的其他已知的制造方法，机壳3构造为单件。适于构成机壳3的材料包括但不限于结构塑料、铝合金，以及镁。

机壳3由所布置的若干外壁界定，因此壁的面向内的表面包围内部容积，具有用于插入堆叠2的通路，从而顶板15提供了完全包围内部容积(显然除了空气入口13和空气出口14)所需的余下的壁。为了防止出现空气在堆叠2周围的不合需要的旁路，对于围绕堆叠2的这些围壁而言特别理想的是布置为与堆叠2相对接近。相应地，机壳3包括大体布置在平行于冷却剂板19(形成堆叠2)的堆叠方向的平面内的壁9。壁9的如此布置实现了堆叠2的边缘到壁9的相对近的间隔，以使不合需要的空气旁路最小化。

应当理解的是，本文使用的术语“大体布置在平行于……”并不意味着暗示了所述壁完全平行于堆叠方向。制造企业可能会要求壁中包含出模角度，以确保从模具或模子中可靠地脱出。因此，壁可能从真正的 平行偏离5度，但仍然被认为是大体平行。

冷却剂端口4直接结合到壁9的面向外的表面。在示例性的实施例中，端口4与壁9一体形成，尽管在一些可替换的实施例中，端口4可以独立于壁9而形成并且接下来结合到壁9。虽然示例性的实施例示出了端口4a和4b在壁9上安置在彼此的旁侧，但是应当理解的是，本发明允许端口4沿着机壳3的外周有较宽的位置范围，并且在一些实施例中优选的是，仅有其中一个端口4布置在壁9上，端口4中的另一个布置在其他地方。

壁9结合到机壳3的另一壁8，壁8大体布置在垂直于冷却剂板19(形成堆叠2)的堆叠方向的平面内。术语“大体布置在垂直于……”并不意味着暗示了完全垂直。一般来说，壁8布置为与堆叠2的顶板15隔开均匀的距离，使得将机壳3与冷却剂板19中最底下的一个之间的空气旁路最小化。

如图3所示，冷却剂流动路径11延伸经过壁8和壁9的内部，以便为冷却剂提供端口4和歧管7之间连续的流动路径。以端口4作为热交换器1的冷却剂入口端口作为示例：冷却剂流26被接收到端口4中；转弯90度，从而沿着流动路径11的一部分在平行于堆叠方向的方向上流动；转弯90度，从而在垂直于堆叠方向的方向上流动；并且再次转弯90度，从而在平行于堆叠方向的方向上流动并且进入歧管7。孔10设置在壁8的内表面上，以允许冷却剂流在歧管7和流动路径11之间过渡。

冷却剂歧管7和流动路径11之间的无泄漏连接由布置在孔10处的密封件提供。在图3的示例性实施例中，该密封件通过可压缩垫圈12提供，该垫圈12部分地保持在围绕孔10的槽18中(在图4中详细示出)。随着核堆叠2插入机壳3以及顶板15固定到机壳3的顶表面16，垫圈12被压缩，从而在孔10周围形成密封。孔10的形状和尺寸与歧管7相对应，从而产生了流体密封，以防止冷却剂泄漏到机壳3中。

如图1和2所示，机壳3的壁沿其延展方向不需要具有均匀的厚度。换句话说，每个壁在其面向内的表面和面向外的表面之间可以具有变化的距离。特别有利的是，壁的厚度在冷却剂流动渠道11的区域中增加， 以提供冷却剂经过该渠道的足够的流通面积。

本发明的可替换的实施例在图5至图7中示出。在这些图中示出的热交换器101同样特别适合用作增压空气冷却器，以使用液体冷却剂冷却压缩空气流，并且可以在引擎系统中有着特别的功用。核堆叠102大体类似于先前描述的热交换器1的核堆叠2，除了在堆叠102中不存在顶板。

热交换器101与先前描述的热交换器1的主要区别是机壳的特殊构造。热交换器101具有机壳103，该机壳由若干结合在一起的金属部件制成。由金属板形成的第一部件121在三个侧面部分地围住核堆叠102，特别地，在堆叠102的顶部上(即，邻近于堆叠中的在核堆叠方向上的最后一个板)，以及在堆叠的两个相邻的侧面上(在平行于空气流经核堆叠102的方向上延伸)。由金属板形成的第二部件122同样在三个侧面部分地围住核堆叠102，特别地，在堆叠102的底部上，以及在前述两个相邻的侧面上。结合部件123接纳了部件121、122的沿两个相邻侧面的端，以将部件121、122结合为沿着两个相邻侧面的连续机壳。例如，通过铜焊、焊接等方式可以在这些部件之间产生气密密封的接合件。

应当理解的是，将核堆叠的特定端指定为“顶部”或“底部”仅仅是为了便于匹配图中示出的热交换器101的定向，而不是要求或暗示热交换器101在安装时的定向。

机壳103还包括布置在核堆叠102其余的两个侧面的一对相对的安装凸缘125。安装凸缘125具有框架结构，并且在核堆叠102的一侧限定了空气入口113，在另一相对端限定了空气出口114。机壳103的先前描述的组成部分(部件121、122和123)部分地接纳在入口113和出口114中，并且密封地结合到安装凸缘125，以提供在空气入口113和空气出口114之间延伸经过机壳103的密封的空气流动路径。

形成的部件120结合到部件121，并且部件120和121一起限定机壳103的壁108和109。壁108大体布置在垂直于核堆叠102的堆叠方向的平面内，而壁109布置在大体平行于核堆叠方向的平面内。沿着壁108和109的至少一部分，部件121限定壁的面向内的表面，而部件120 限定壁的面向外的表面。第一冷却剂流动路径111a和第二冷却剂流动路径111b布置在面向内的表面和面向外的表面之间。冷却剂端口104a接纳在孔124a中，孔124a设置在部件120的壁109部分中。孔110a设置在部件121的壁108部分中，并且布置为与堆叠102的歧管107a直接相邻。冷却剂流动路径111a提供了端口104a和孔110a之间的流体流动路径，以将冷却剂运送至歧管107a或从歧管107a运送。类似地，冷却剂端口104b接纳在孔124b中，孔124b设置在部件120的壁109部分中，孔110b设置在部件121的壁108部分中，与核堆叠102的歧管107b直接相邻。冷却剂流动路径111b提供了端口104b和孔110b之间的流体流动路径，以将冷却剂运送至歧管107b或从歧管107b运送。

特别有益的是将热交换器核102的各个组成部分(例如，冷却剂板和空气翅片)以及机壳103的至少一些组成部分以常见的铜焊方式结合在一起，以构成热交换器101。这通过由例如铝合金材料制造各个部件，以及在结合位置提供铜焊接合材料来实现。组装且固定好的部件接着可以在铜焊炉中提高到升高后的温度，以熔化铜焊合金并在再次固化前允许其填充部件之间的缝隙。这样，各种接合件(其是为冷却剂流和空气流提供经过热交换器101的独立的密封流动路径所需的)可以在单个操作中形成，使得热交换器101的组装更加经济。通过这样的铜焊操作，在机壳103的已形成的金属部件121与相邻的核堆叠102的板之间(在孔110和歧管107的区域中)形成的铜焊接合件可以提供必要的密封，以防止冷却剂流入空气流动路径，而无需附加的密封元件。

参照本发明的具体实施例描述了本发明的特定特征和元素的各种替换形式。存在特征、元素和操作方式的例外(与上述每个实施例彼此不包含或者不一致)，应当注意，参照一个特定实施例进行描述的可替换的特征、元素和操作方式能够应用于其他实施例。

仅通过示例的形式展示了上文描述及图中示出的实施例，并且这些实施例并不旨在限制本发明的概念和原理。这样，本领域普通技术人员将会理解的是，对元件及其配置可以进行多种改变，且不背离本发明的精神和范围。