專利名稱：用于波浪形散熱片熱交換器的改進的管材的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱交換器，更具體地說，涉及一種用于波浪形散熱片熱交換器的改進的管材，所述的熱交換器尤其是鋁熱交換器或其它釬焊成最終組件的熱交換器。本發明還涉及一種采用所述改進的管材的熱交換器和制造該熱交換器的方法。
背景技術：
在扁平或橢圓管/波浪形散熱片(serpentine fin)熱交換器的制造中，一個通常的步驟涉及交替布置具有波浪形散熱片的預先切成一定長度的直的扁平管。這樣就得到一個多層的夾層結構，其相對的兩側可夾以尾端件。該夾層結構形成于一個平坦的表面上，該表面對管材、散熱片和尾端件提供支撐，以便將它們置于一個單一的平面內。夾層組件位于一個夾具或固定件中，所述夾具或固定件用于通過釬焊操作使熱交換器構件保持平面布局，其中所有構件均冶金結合(metallurgically bonded)在一起。
因為在釬焊操作過程中使每一構件的每一部分都與平坦支撐表面保持接觸同時又保持有效的釬焊處理是不現實的，所以傳統上夾具或固定件僅在管材和波浪形散熱片的端部與它們配合。有賴于尾端件、散熱片和管材之間的摩擦接觸使所述構件保持平面結構。
不幸的是，該組裝方法并不總能夠按照預計的進行操作。本領域技術人員易于理解，將構件釬焊到一起，特別是在鋁或鋁合金的情況下，構件的溫度被向著釬焊溫度提高，所有的構件基本上都被軟化。對于通常厚度為管壁厚度的一半或更少的波浪形散熱片更是如此。因此，當散熱片軟化時，在管材之間可利用摩擦力將它們抓住的能力沿熱交換器的面在一處或多處喪失。當發生這種情況時，散熱片在它們的自重作用下下垂或下墜并且部分地或完全下墜或下降到所需的平面以下。在較輕微的情況下，基本上只影響熱交換器的外觀。即，熱交換器的運行效率或其被用于預定環境中的能力沒有被削弱。然而，外觀的不適當對于制造商是一個必須注意的損害，并且因此，這樣的熱交換器是不令人滿意的。
在其它的情況下，下墜得更為嚴重以至于熱交換器的從前到后的尺寸被增大到熱交換器不能被用于其預定的環境中的程度，這主要是因為其芯部的深度的增加。在這種情況下，由于在產生下墜的位置上翅頂的大部分與管材脫離接觸，散熱片側的熱交換顯著下降，所以效率也受到損害。
人們已經試圖解決這樣的問題，并且通常關注于在波浪形散熱片的波峰部設置一個凹槽。該凹槽通常被構造成與管材的一半的形狀相匹配，所述管材的一半的形狀是指將管材沿其主尺寸分開后的形狀。結果，在散熱片的兩個邊緣上，產生可在熱交換器內緊抱管子的前緣和后緣的舌狀部。當制造熱交換器構件的夾層結構時，由于所述舌狀物部分地置于熱交換器中的管子的前緣和后緣上，所以這些舌狀部防止波浪形散熱片從它們在管子之間的所需位置上下降。盡管這樣的方法對于其預定目的是有作用的，但在散熱片的波峰部形成適當的凹槽不是一個一點也不復雜的過程并且因此增加了制造成本。另外，如果由一個或更多的凹槽沒有形成或僅僅是部分地形成，則散熱片的扭曲將造成最終產品僅由于外觀而無法銷售。
本發明用于克服上述一種或多種問題。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種熱交換器，該熱交換器制造成本低，其包括扁平管和波浪形散熱片，其中避免了波浪形散熱片在釬焊過程中掉落或下垂的困難。
本發明的另一個主要目的是提供一種新的、改進的用于制造扁平管/波浪形散熱片熱交換器的管，其使得在制造過程中散熱片掉落的可能性被最小化或被消除。
本發明的另一個主要目的是提供一種用于制造扁平管/波浪形散熱片熱交換器的方法，其使得在制造過程中散熱片的下墜或掉落的可能性被最小化或被消除。
根據第一個所述目的，提供一種釬焊熱交換器，其包括一組扁平管段，所述扁平管具有相對的扁平側壁、連接所述側壁的間隔對置的端壁和至少一個內部通道列。端壁之間的距離顯著大于側壁之間的距離，并且這些距離分別確定了管子的主尺寸和副尺寸。一個脊位于各側壁上，并且從各側壁向外背離通道列凸出一個較短的距離，波浪形散熱片位于各所述管段之間且具有和與其相鄰的管段側壁釬焊在一起的波峰部。該波峰部由于所述脊而略微變形，從而使該脊在釬焊過程中將散熱片鎖定在所述管段之間。
在一個優選實施例中，所述管段、脊和散熱片是由鋁形成的。
優選地，形成所述管段的管是擠壓形成的。根據本發明的另一個方面，提供一種用于一種類型的熱交換器的管子，所述類型熱交換器在布置成一列的平行管之間具有波浪形散熱片。所述管為扁平管或橢圓管，具有相對的、扁平的、間隔開的側壁，所述側壁被相對的端壁連接起來，所述側壁之間的距離小于所述端壁之間的距離，而這兩個距離分別確定了管子的副尺寸和管子的主尺寸。其中設有至少一列延伸于端壁之間并且位于側壁內的通道。在各側壁的外部還設有一個長脊，其背離通道列向外延伸。所述脊適于與相鄰的波浪形散熱片的波峰部配合并使其略微變形，并且其高度不足以使散熱片從有關側壁上分開而妨礙在散熱片和側壁之間沿波峰部的基本上整個長度形成釬焊接縫。
同樣，在優選的實施例中，所述管為鋁擠塑管。
在一個實施例中，各脊呈棱形。
在一個優選實施例中，各脊包括在一個頂點處匯合的兩個側面，并且在一個更為優選的實施例中，該脊伸出有關側壁的距離以頂點為準測量在大約0.005英寸到大約0.05英寸的范圍內。
一個優選實施例還希望在頂點處的夾角約為90°。
在一個實施例中，所述脊大致位于管的端壁之間的中心處。
根據上述本發明的第三個主要目的，提供一種釬焊熱交換器的方法，包括下列步驟a)提供一個管列，其包括一組以預定位置關系間隔開的管段，其中所述管段具有面對相鄰管段的扁平側和沿所述管段長度延伸并從其扁平側向外延伸的脊；b)將波浪形散熱片定位于相鄰管段之間，使散熱片的波峰部與所述脊充分配合；c)減小管段之間的間隔，以便c-1)所述脊被推入所述波峰部以便將所述管段和散熱片摩擦鎖定在一起，c-2)使所述波峰部與扁平側充分對接。該方法還包括步驟d)使由步驟c-1)和c-2)制成的組件在釬焊溫度下保持足夠長的時間，以便將管段和散熱片釬焊在一起。
在一個優選實施例中，步驟a)包括提供擠壓鋁管的步驟。
根據一個優選實施例，步驟a)還包括提供一組直管段的作為管列的步驟。
在本發明一個更優選的實施例中，步驟a)包括提供單個管件的作為所述直管段的步驟。
本發明的一個優選實施例設想，所述脊形成具有散熱片配合頂點的棱形。
在本發明的一個更優選的實施例中設想，所述頂點從扁平側起延伸的距離在大約0.005英寸到大約0.05英寸的范圍內。
在一個更優選的實施例中，所述頂點具有約90°的夾角。
其它目的和優點將從下面結合附圖的說明中表現出來。
圖1是根據本發明制成的扁平管波浪形散熱片熱交換器的側視圖；圖2是根據本發明制成的管的剖視圖；圖3是所述管的一個局部放大剖視圖；圖4是大致沿圖5中的線4-4的剖視圖；圖5是大致沿圖4中的線5-5的剖視圖；圖6是大致沿圖5中的線6-6的局部放大剖視圖；以及圖7是說明構成本發明的一部分的方法中的一個步驟的圖示。
具體實施例方式
圖1中示出了一個根據本發明制成的并流式熱交換器形式的熱交換器的示范實施例。然而，應當理解，本發明可以同樣的效果應用于盤管熱交換器(serpentine heat exchanger)、并流/盤管混合式熱交換器，甚至用于運載熱交換流體的管繞成被波浪形散熱片間隔開的同心環的熱交換器。圖1中所示的熱交換器包括大體相互平行且相互間隔開的第一和第二聯管箱和水箱(header and tank)結合組件10、12。當使用聯管箱和水箱結合組件時，通常，其由設有用于接收管列14的對準槽的管構成，所述管延伸于聯管箱和水箱組件10、12之間且與內部流體連通。然而，應當注意，可以用裝有水箱的單獨的聯管板(header plates)取代聯管箱和水箱結合組件10、12。
在并流型實施例中，管14是相互間隔且相互平行的單獨的管件。在相鄰管之間的間隙中，采用傳統的波浪形散熱片16，并且其傳統地從一個聯管箱和水箱組件10延伸向另一個聯管箱和水箱組件12。
盡管在圖1中未示出，但通常設有與最末端的管14夾住一個波浪形散熱片16的尾端件，并且其延伸于聯管箱和水箱組件10、12之間。
轉到圖2，放大詳細表示出了一個管14的截面。該管是所謂的扁平管或橢圓管，其具有相對的側壁18、20，所述側壁18、20相互間隔開且分別具有外表面22、24。在外表面22、24之間的距離傳統上被認為是所述管的副尺寸。
管14還包括連接側壁18、20的拱形端壁26、28。該端壁26、28，尤其是它們的外表面的相互最為遠離的點所間隔的距離傳統上被認為是該管的主尺寸。
一組通道30延伸于端壁26、28之間并位于側壁18、20之間。通道30被內腹板32分開，所述內腹板32在管14內部提供熱交換表面，對管14提供抵抗在通道30內流動的流體的內壓的強度。在所示結構中，腹板32的壁與側壁18、20的內部以大約90°合并在一起，從而形成一個長形空間，其由于較小的液力直徑而進一步增強了熱傳遞。
至于液力直徑，各通道30的液力直徑最好為0.07英寸或更小，以便使效率最大化。優選地，通道的液力直徑為0.040英寸或更小以便進一步使效率最大化。然而，特別應當注意的是，當主要關心的并不是熱傳導效率時，可采用較大的液力直徑。
管14是通過在管14的長度方向上延伸的長脊36的存在而完成的。脊36之一位于側壁18、20的各外表面22、24上。大體上，該脊36沿所述管的主尺寸位于中心位置，即，在如圖2所示的采用三個腹板32的結構中，所述脊36與中心或第二腹板對齊并相對設置，當如圖所示散熱片16壓向所述脊36時，所述中心或第二腹板用于支撐側壁18、20。
圖3表示一個典型的脊36的放大圖。可以看到其大體呈棱形，即，由兩個平直的面匯合于一個頂點44所確定。因此，該頂點44相對較尖銳。優選地，表面40、42與外表面22、24大致成45°角，并且頂點44具有90°的夾角。
在通常情況下，各脊36的高度在大約0.005英寸到大約0.050英寸的范圍內。
現在轉到圖4～6，將說明脊36與波浪形散熱片16的實現本發明的目的的相互作用。特別參考圖4和5，可以看到管14的外表面22、24分別與一個波浪形散熱片16，即，相鄰的波浪形散熱片相鄰接。參考圖5，更具體地，可以看到表面22、24與波浪形散熱片16的波峰部50相鄰接。同時，脊36向內壓入波峰部50。如圖4的區域52中所示，波峰部略微變形，而外表面22、24保持其原始形狀。圖5是一個放大的剖視圖，表示各波峰部50中以標號54標出的變形。該波峰部通過釬焊結合到兩個外表面22、24上，其中釬焊材料的焊腳由標號56表示。轉到圖6，其表示管側壁20的一個界面的放大剖視圖，尤其示出了該側壁的外表面與散熱片16的波峰部50，以及肋36之一與散熱片16的波峰部50的界面。從圖中可以看出，一個釬焊合金薄層58沿著外表面24與波峰部50的界面延伸。另外，在波峰部50的變形部分52處，釬焊材料60填充在脊36的側部40、42之間的任何空間中，以便在各波浪形散熱片16的各波峰部50和相鄰的管14之間提供密封、均勻、熱傳導效率良好的結合。
前面已概括地間接提到，脊36的作用是使波浪形散熱片16的波峰部50進行非常小的變形，從而鎖住管14和散熱片16，使它們即使當散熱片16在釬焊溫度下被軟化時也不能相對運動。更具體地說，以夾層的關系連同端板(如果采用的話)組裝管14的散熱片16的通常過程如下。交替布置散熱片16和管14，散熱片16可以是具有圖7中標號62所示放熱縫的百頁式散熱片。這樣得到的管14和散熱片16的多層夾層結構可以被置于側板64之間，或者如果需要可以省略側板。在任何一種情況下，由箭頭66所指出的作用于在圖7中所示的實施例中的側板的壓縮力作用于所述組件。該壓縮力減小管段14之間的間隙，使脊36被推入波峰部50中，達到前面所述的變形和管14與散熱片16之間的摩擦鎖定。如果需要，在端板64上也可以采用脊36。由壓縮力產生的空間上的減小也使得波峰部50與側壁14和16的平直的外側22、24牢固的鄰接。這可以由一個傳統的夾具或釬焊固定件來實現，所述夾具或釬焊固定件隨后被放置在一個釬焊爐中將組件釬焊在一起，以便形成圖4、5和6所示的構件結構。這樣可以沿著各波峰部50的整個長度在兩個平直的外表面22、24和波峰部50的兩側40、42上提供良好的釬焊連接。因此，可以在散熱片16和管14之間獲得優異的熱傳導性能。
最重要的是，即使在釬焊過程中散熱片16被軟化并且傾向于從管14、散熱片16和端板64(如果采用)的組裝平面中向下垂，但由于脊36和由此在散熱片16波峰部中產生的變形52，使得這種情況不會發生。即，脊36和變形52在它們的界面上形成靜配合。從而，所謂的“散熱片掉落”被最小化或被完全消除。因此，由于散熱片掉落而造成不能使用的熱交換器的數量被顯著減少，從而提供一種更經濟的制造工藝和更有效和/或更美觀的熱交換器。
在一個優選實施例中，管14為擠塑管，并且更優選地為擠塑鋁管。雖然在一些情況下，釬焊合金可以被置于管14的外側壁22、24上，但在通常的情況下，散熱片16在兩側外覆釬焊合金以便提供焊腳56(圖5)和釬焊合金層56、60(圖6)。然而，本發明可適用于采用被釬焊在一起的非鋁基金屬的系統，也適用于非擠塑管。例如，由金屬帶材軋制成型形成的管也可以在帶材成型時和/或加工為管之前形成肋36。
在側部40、42之間于頂點處希望形成一個相當大的夾角，例如在示范性的實施例中所示的約90°的角，以使脊36不會由于彎曲而塌陷，而如果采用一個相當小的夾角則這種塌陷可能會產生。
同時還希望各脊的高度，即，各頂點54和相應的外表面22、24之間在與表面22、24成直角的方向上的距離在前述的0.005英寸到0.050英寸之間。如果脊的高度太短，則散熱片波峰部50中的變形52的形成不足以實現所需的摩擦鎖定。相反，如果脊36的高度太大，則與脊36配合的點處的變形太大以至于波峰部50離開外表面22、24，在這種情況下，可能導致因這種分離而造成的熱傳導效率差。另外，過大的脊的高度將減少散熱片側的自由流動區域，在散熱片側造成較高的壓降和/或降低散熱片側的熱交換效率。
從上面所述易于看出，根據本發明制成的管和采用這種管的熱交換器解決了前述的問題，包括在散熱片的頂點中形成凹槽并使凹槽的尺寸接納管的整個一側的方案中的問題。因此，本發明不僅提供一種在制造中不必擔心散熱片掉落的改進的熱交換器，它還提供了一種用于制造這種熱交換器的新的改進的管和制造熱交換器的改進的方法。
權利要求
1.一種用于熱交換器的管，所述熱交換器在布置成一列的平行管之間具有波浪形散熱片，所述管包括一個扁平管，其具有由相對的端壁相互連接起來的扁平的、間隔開的、相對置的側壁，所述側壁之間的距離小于所述端壁之間的距離，分別確定了管的副尺寸和管的主尺寸；所述管中的至少一列通道，延伸于所述端壁之間并且位于所述側壁內；和，一個在各所述側壁的外部上的長脊，其背離所述通道列向外延伸；所述脊適于與一個相鄰的波浪形散熱片的波峰部配合并使該波峰部略微變形，所述脊的高度不足以將所述波峰部從相關側壁的外部分離開而妨礙在散熱片和側壁之間沿波峰部的大體整個長度形成釬焊接縫。
2.如權利要求1所述的管，其中該管為鋁擠塑管。
3.如權利要求2所述的管，其中各所述脊為棱形。
4.如權利要求2所述的管，其中各所述脊包括兩個交匯于一個頂點的側面。
5.如權利要求1所述的管，其中各所述脊伸出相關側壁的距離在大約0.005英寸到大約0.05英寸的范圍內。
6.如權利要求5所述的管，其中各所述脊包括兩個交匯于一個頂點的側面。
7.如權利要求6所述的管，其中在所述頂點處的夾角約為90°。
8.如權利要求1所述的管，其中所述脊大體位于所述端壁之間的中心。
9.一種釬焊熱交換器，包括一組扁平管段，所述扁平管具有相對的扁平側壁、連接所述側壁的間隔對置的端壁和至少一個內部通道列，端壁之間的距離顯著大于側壁之間的距離，分別確定了管子的主尺寸和副尺寸；一個脊位于各側壁上，并且從各側壁向外背離通道列凸出一個較短的距離；和波浪形散熱片位于各所述管段之間且具有和與其相鄰的管段側壁釬焊在一起的波峰部，該波峰部由于所述脊而略微變形，從而使該脊在釬焊過程中將散熱片鎖定在所述管段之間。
10.如權利要求9所述的熱交換器，其中所述管段、所述脊和所述散熱片是由鋁形成的。
11.如權利要求10所述的熱交換器，其中所述管段是擠壓制成的。
12.如權利要求11所述的熱交換器，其中各所述脊伸出相關側壁的距離在大約0.005英寸到大約0.05英寸的范圍內。
13.如權利要求12所述的熱交換器，其中各所述脊包括兩個交匯于一個頂點的側面。
14.如權利要求13所述的熱交換器，其中在所述頂點處的夾角約為90°。
15.如權利要求9所述的熱交換器，其中所述脊基本位于所述端壁之間的中心。
16.如權利要求16所述的熱交換器，其中所述管段是由所述管的單獨管件形成的。
17.一種釬焊熱交換器的方法，包括下列步驟a)提供一個管列，其包括一組以預定位置關系間隔開的管段，其中所述管段具有面對相鄰管段的扁平側和沿所述管段長度延伸并從其扁平側向外延伸的脊；b)將波浪形散熱片定位于相鄰管段之間，使散熱片的波峰部與所述脊充分配合；c)減小管段之間的間隔，以便c-1)所述脊被推入所述波峰部以便將所述管段和散熱片摩擦鎖定在一起；并且c-2)使所述波峰部與扁平側充分鄰接；和d)使由步驟c-1)和c-2)制成的組件在釬焊溫度下保持足夠長的時間，以便將管段和散熱片釬焊在一起。
18.如權利要求17所述的方法，其中步驟a)包括提供一個擠塑鋁管的步驟。
19.如權利要求18所述的方法，其中步驟a)包括提供一組直管段作為管列的步驟。
20.如權利要求19所述的方法，其中步驟a)包括提供單個管件的作為所述直管段的步驟。
21.如權利要求20所述的方法，其中步驟a)包括將所述脊形成具有散熱片配合頂點的棱形。
22.如權利要求21所述的方法，其中步驟a)包括使所述頂點從所述扁平側起延伸的距離在大約0.005英寸到大約0.05英寸的范圍內。
23.如權利要求22所述的方法，其中步驟a)包括使所述頂點具有約90°的夾角。
24.如權利要求21所述的方法，其中步驟a)包括使所述頂點具有約90°的夾角。
全文摘要
通過在管(14)的外側(22)、(24)設置長的、相對較尖銳的脊(36),消除具有夾有波浪形散熱片(16)的扁平管(14)的熱交換器在制造過程中散熱片掉落的問題。所述脊(36)在散熱片(16)的波峰部形成變形(52),在釬焊過程中,該變形(52)將散熱片(16)和管(14)鎖定在一起,從而防止這種掉落。
文檔編號F28F1/30GK1366169SQ0114380
公開日2002年8月28日 申請日期2001年12月13日 優先權日2000年12月13日
發明者J·達林·斯威格, 安德魯·J·德羅夏 申請人:穆丹制造公司