包括管芯的熱交換器的制作方法

本發明涉及一種熱交換器，該熱交換器包括具有用于流體的流體入口的入口箱，和具有用于所述流體的流體出口的出口箱，以及將所述入口箱和所述輸出箱連接在一起并形成用于所述流體的從所述入口箱至所述出口箱的多個流體流動路徑的管芯(core of tubes)，其中所述管屬于管的主組和輔助組。

現有技術

根據前文的熱交換器從專利US 4791982是已知的。在該專利中所披露的熱交換器是冷卻劑散熱器，其具有芯，該芯包含屬于管的主組和輔助組的管。在兩個組之間的管的尺寸上存在差異，這種差異主要用于流動分布，并因此提高特別是在低流速下的效率。

發明目的

現有技術的熱交換器的缺點在于，當涉及到多功能性時，它的技術概念是相當受限制的。因為它包括使用不同尺寸的管，它使得使用具有管插入孔口的集管板成為必要，對于每一個系列的熱交換器，該管插入孔口根據唯一的模式被設定尺寸和布局。這使得小型系列的熱交換器的生產效率低下，并且阻礙產品的多功能性。

針對這種背景，本發明的目的是改進已知的熱交換器，使得其生產被簡化并且特別是呈現更加有效和多功能。

發明概述

根據本發明，這通過根據前文的熱交換器得到實現，所述熱交換器的特征在于，所述入口箱和所述出口箱具有集管板，所述集管板形成芯接口并且包括用于管的主組和管的輔助組兩者的全部相同的管插入孔口，作為主組的成員的管是基管，并且作為輔助組的成員的管是適應管(adaptation tube)，該適應管與基管不同并且用于在熱交換器的關鍵區域中局部地改善熱交換器性能。

具有全部相同的管插入孔口的集管板的使用無疑使得有必要使用具有全部相同的外形的管，因為它們否則將不匹配集管板。然而，這已不成問題，因為管的特性可以在內部以不同的方式變化，例如通過選擇適當的管壁厚，通過提供凹處(dimple)或紊流器或通過使用不同的管插入件。因此，本發明使得通過相同的集管板但在選定位置處的不同的管例如來有效地生產小型系列的適合的熱交換器是可能的。

根據一個實施方案，為了延長熱交換器的壽命，管的所述輔助組包括適應管，適應管各自提供與由所述基管中的每一個提供的基本強度相比增強的強度，其中，所述適應管在熱交換器的應力水平趨向于比整個熱交換器的中等應力水平高的區域中使用。熱交換器的這樣的加固管是有用的區域是，例如大體上平行六面體的熱交換器芯的角部區域。

根據另外的實施方案，所述適應管可以通過具有超過基管的壁厚的壁厚來提供增強的強度。增加管壁厚度是增強強度的簡單方法，但是，如果管是金屬片管(這是本領域中的正常工藝)，則對于與第一組和第二組有關的管而言，需要分別使用不同規格的金屬片。

根據另外的實施方案，所述適應管通過包括布置在管開口中的加強插入件來提供增強的強度。提供加強插入也是增強強度的簡單方法，并且使利用具有相同壁厚的管成為可能。然而，生產、插入和緊固這樣的加強插入件將是應考慮的方面。

根據另外的實施方案，所述適應管通過包含比布置在所述基管中的紊流器硬的紊流器來提供增強的強度。在本領域中，在熱交換管的內部使用所謂的紊流器相當普遍。鑒于此，使用不同設計的紊流器來實現根據本發明的熱交換器是有吸引力的解決方案。

根據另外的實施方案，所述適應管通過包括內部加強肋來提供增強的強度。內部加強肋可以例如通過模壓相應地生產管的金屬片來提供。

根據另外的實施方案，所述適應管通過包含由全部平滑的管壁產生的特別耐用的管接縫來提供增強的強度。當制造由金屬片制成的管時，將產生沿著管延伸的釬接縫。如果初始片是全部平滑的并且沒有例如模壓的凹處的話，則使得該接縫更耐用。

根據另外的實施方案，所述熱交換器包括第一排的管和第二排的管，其中至少所述第一排的多個管屬于管的主組并且第二排的全部管屬于管的輔助組。例如，如果熱交換器是冷卻劑散熱器，該冷卻劑散熱器被螺栓固定到另一個單元，例如增壓空氣冷卻器，這助于穩定緊挨其的冷卻劑散熱器管排，那么像這樣的解決方案可能是有利的。

根據另外的實施方案，為了改善熱交換器的效率，管的所述輔助組包括適應管，適應管各自提供比由所述基管中的每一個提供的流動阻力低的流動阻力，其中，所述適應管布置在熱交換器的流體流動水平趨向于比整個熱交換器的中等流體流動水平低的區域中。熱交換器的低流動趨向于成為問題的區域主要是遠離流體進入或出口的區域，是在支架或類似物附近的區域，以及是流體入口的緊鄰的下方的區域。

根據另外的實施方案，所述適應管通過包括造成比布置在所述基管中的紊流器低的流動阻力的紊流器來提供較低的流動阻力。如之前指出的，熱交換管內部的紊流器是相當普遍的，并且，因此，使用不同設計的紊流器來實現根據本發明的熱交換器是有吸引力的解決方案。

根據另外的實施方案，所述適應管通過具有全部平滑的壁來提供較低的流動阻力，同時所述基管具有帶凹處的壁。在本領域中，凹處用于促進熱交換。然而，凹處也確實會造成一些額外的流動阻力，該額外的流動阻力可以通過全部平滑的管壁而有效地被避免。

根據另外的實施方案，所述熱交換器包括第一排的管和第二排的管，其中所述第一排的全部管屬于管的輔助組并且第二排的全部管屬于管的主組。例如，如果熱交換器的流體入口和流體出口傾向于促進穿過第二排的流動的話，像這樣的解決方案可能是有利的。

根據另外的實施方案，所述輔助組包括適應管，所述適應管各自提供比由所述基管中的每一個提供的流動阻力低的流動阻力，其中，所述適應管以在與基管混合的交替模式布置在熱交換器中。例如，如果穿過熱交換器的流體流動高度地依賴于通過熱交換器冷卻的發動機的轉速，像這樣的解決方案是有利的。在這樣的情況下，處于一定模式的交替的管幫助促進穿過整個熱交換器的流體的均勻流動。

根據另外的實施方案，所述適應管通過包括造成比布置在所述基管中的紊流器低的流動阻力的紊流器來提供較低的流動阻力。不同紊流器的優點已經在上面進行了討論。

根據另外的實施方案，所述適應管通過具有全部平滑的壁來提供較低的流動阻力，同時所述基管具有帶凹處的壁。如之前指出的，凹處引起一些額外的流動阻力，該額外的流動該阻力可以通過全部平滑的管壁而有效地被避免。

根據另外的實施方案，所述交替模式包括一排交替的基管和適應管。在一些情況下，以所表明的方式使管混合來獲得在所有流體流速下的最佳流體流分布顯示是有利的。

根據另外的實施方案，所述交替模式包括一排交替的兩個基管和一個適應管。再次地，這樣的解決方案的目的是優化熱交換器的性能，特別是在低流體流速到高流體流速下。

根據另外的實施方案，管的所述輔助組被細分成至少兩種不同設計的管。用于第二組的管的不同設計的管的使用還增強了根據本發明的熱交換器的多功能性。

附圖簡要說明

在附圖中，示意性示出了根據本發明的熱交換器的實施方案。在附圖中：

圖1是從后面看的視圖并且示出了冷卻劑散熱器的形式的熱交換器；

圖2至13是從上方看的視圖并且示出了圖1的冷卻劑散熱器的不同實施方案的集管板的部分；

圖14是從前面看的視圖并且示出了增壓空氣冷卻器形式的熱交換器；以及

圖15至圖20是從側面看的視圖并且示出了圖14的增壓空氣冷卻器的不同的實施方案的集管板的部分。

優選的實施方案描述

在下文，參照所具有的附圖，描述了本發明的優選的實施方案。在附圖中相同的參考符號表示相似的元件。

在圖1中，以后視圖示出了熱交換器1。所示的熱交換器1是冷卻劑散熱器，該冷卻劑散熱器具有頂部入口箱2和底部出口箱3。在這些箱之間是平行六面體的散熱器芯6，散熱器芯6包括多個豎直管7、8和在其間的翅片(未示出)。管7、8通過箱2、3的集管板9、10緊固地連接到箱2、3并且在沿著通過箭頭P圖示的流體流動路徑的途中被冷卻的同時，用于將來自入口箱2上的流體入口4的冷卻劑引導到出口箱3上的流體出口5。

在圖2至圖13中，更詳細地示出了熱交換器1的頂部板9的部分。在這些圖中，示出了當在頂部箱2內從上方看時的根據本發明的熱交換器1的不同實施方案。相對的或底部集管板10的相應的視圖通常是完全相同的，但不必是完全相同的。然而，在研究了本描述后，不管怎樣，本領域技術人員將知道如何最佳地實施本發明。

為了增強冷卻，冷卻劑散熱器的管7、8可包括凹處，凹處在圖2至圖13中示出，其中它們通常被描繪為12。在管7、8最終裝配成其扁平的形狀之前，凹處12通過沖壓管金屬片形成。如可在圖2至圖13中看到的，所述凹處12在管7、8內形成小的突出部。凹處12通過造成紊流影響管7、8的內部的流體流動，紊流對熱交換是有利的，但引發壓降。因此，為了產生最佳的熱交換器1，重要的是，調整熱交換器1使得熱交換最大化，同時壓降保持較低，特別是不同流速的流體沿所述流動路徑P流經管7、8時。

為了以有效的方式使其成為可能，根據本發明的熱交換器1的集管板9、10包括全部相同的管插入孔口11。在這些管插入孔口中，屬于不同設計的管的主組和輔助組的管7、8以緊固地方式被插入并且例如通過釬焊被固定。

屬于所述主組的管7，在此上下文中被稱為基管7，因為它們可以說滿足了熱交換器1的基本的熱交換需求。相反地，屬于所述輔助組的管8在此上下文中被稱為適應管8，因為它們用于在關鍵區域中局部改善熱交換器1的性能。其中根據本發明待被發現的這些關鍵領域以及它們如何被處理在下面通過僅與頂部集管板9有關的示例進行說明。

圖2至圖13的集管板9顯示，在圖中所示的熱交換器1的所有實施方案圖示了兩排冷卻劑散熱器。然而，這并不必須是這種情況，并且如此選定僅為了例示處在所要求保護的本發明的框架內的一些典型的布局方案。換句話說，單排管7、8或多排管7、8以及以相對于集管板9的另一種方式變化的管7、8也處在該范圍內。

圖2用于圖示端部部分，例如圖1的熱交換器1的左上部分。如可以看到的，在圖2中所示的全部20個管中，在右側的十四個(每排七個)描繪為7。因此它們是管的主組中的所謂的基管7，在這種情況下意味著，它們具有標準的管壁厚度和在內側上的凹處12。相反地，在左側的其余6個管(每排三個)是輔助組中的所謂的適應管8，在這種情況下意味著，它們具有更大的管壁厚度和在內側上的凹處12。適應管8幫助穩定熱交換器1的角部，在角部中，應力通常較高，但在一定程度上引發壓降。

圖3示出了沿集管板9某處的中間部分。此時對應于圖2的那些的一組8個適應管8(每排四個)布置在基管7當中。再次地，目的是穩定熱交換器1或可選地通過造成增加的壓降以限制流體流動，或者目的是以上兩者。

圖4和圖5也的確圖示了沿著集管板9的某處的中間部分。屬于主組和輔助組的管7和管8對應于上面所描述的那些，并且以交替的模式來布置，該交替的模式包括交替的一個基管7和一個適應管8的排或交替的兩個基管7和一個適應管8的排。通過造成不同的壓降，管7，8幫助遍布整個熱交換器1均勻地分布流動，特別在低流體流速下，這幫助改善效率。然而，對于熱交換器完整性而言，使用它們的較厚的規格，適應管8當然也是有益的。

圖6圖示了沿集管板9的任意部分，而圖7圖示了端部部分或角部部分，比如圖1的熱交換器1的左上端部分或角部部分。在兩個實施方案中使用了如前面相同類型的基管7和適應管8，即，基管7具有標準壁規格，并且適應管8具有較大的壁規格。在圖6的實施方案中，存在一排單獨的基管7和一排單獨的適應管8。基管排優選地布置成接近固體支持部，如增壓空氣冷卻器，其有助于承受外力，而熱交換器1的更加暴露的部分僅示出有加固管8。圖7的實施方案很相像，區別僅在于在熱交換器1的角部，如保持固定支架的(未示出)角部的少數幾個管包括牢固的適應管8。以這種方式，保持熱交換器的完整性，而沒有造成過度的壓降是可能的。

在圖8中，基管7再次由具有標準壁厚并例如沿集管板9布置在中間扇區的帶凹處的管形成。適應管8，其例如布置在集管板9的端部部分處，此時通過具有任意凹處的全部扁平管形成。這使得由于由箭頭13表示的平滑自然地釬焊縫，能夠加強管8。該種類型的適應管8使得可以加強結構，而不具有壓降增加或較厚的管壁厚，但在一定程度上減輕散熱。

在圖9所示的實施方案中，相同類型的管7，8如同在圖8中的實施方案一樣被使用。區別在于，此時存在一排具有僅帶有凹處的基管7和全部扁平的適應管8。如前所述，這樣的一排的方案可以用來影響流體流動，在加強的目的方面，或兩者。

圖10和圖11披露了實施方案，其示出了該組適應管8可包括一種以上的不同類型的適應管，如在圖10中兩種類型以及在圖11中三種類型。如同前面，存在標準的帶凹處的基管7，該基管7在圖10的實施方案中例如沿著熱交換器1的集管板9布置在中間部分，而在圖11的實施方案中也布置在中間部分，但僅布置在熱交換器1的兩排管中的一排中。在圖10中，其余管，也就是在討論中的集管板9的端部處的適應管8，包括八個外管8和六個中間管8兩者，該八個外管8具有非常厚的管壁，但還設置有凹處11，該六個中間管8具有不太厚的管壁和在所述外管8和所述基管7之間的凹處。在圖11中，帶凹處的基管7僅成一排布置在兩排熱交換器的集管板9的中間扇區中。在圖11所示的實施方案中，在基管7的左側且在同一排中存在具有更大的壁厚的帶凹處的適應管8。在緊挨著基管7的其它排中，存在全部平滑的適應管8，該全部平滑的適應管8具有對應于基管7中的一個的壁厚。另外，在緊挨著帶凹處的適應管8的其它排中，再次存在全部平滑的適應管8，但這些全部平滑的適應管8具有比緊挨著基管7的適應管8大的壁厚。圖10和圖11的實施方案共同地表明，當涉及到通過本發明優化熱交換器1時，存在較少限制，與是否人們希望改善機械強度或熱交換器的壽命，或改善熱交換器的效率或性能無關。

在圖12中，圖示了根據本發明的熱交換器1的另外的實施方案。如同前面，在12圖中所示的集管板9具有全部相同的管插入孔口12，在這些管插入孔口中，在兩排中的帶凹處的基管7緊固到八個(每排四個)適應管8的右側。這些可以是平滑的或是帶凹處的，但具有端部部分，該端部部分使加強管插入件14能夠插入。管插入件14適合于釬焊到管8并使所述端部部分顯著地變硬，而沒有太多地影響流體流動。

在圖13中，示出了的熱交換器1的集管板9的最后實施方案。基管7的種類和布置精確地對應于圖12的實施方案。因此，再次地，適應管8是不同的那些管。此次，它們通過包括內部加強肋15提供增強的強度，加強肋15可以正如凹處12一樣被沖壓。優選地，適應管8的加強肋15在管8的中央部分中相交并且通過釬焊接縫(未示出)互相連接。在流體流動上的影響可比得上帶凹處的基管7中的一個。換言之，這些適應管8的目的主要是結構上的目的。

在圖14中，以主視圖示出了熱交換器21。所示出的熱交換器21是增壓空氣冷卻器(CAC)，其具有左入口箱22和右出口箱23。在這些箱之間是平行六面體的CAC芯26，芯26包括多個水平管27、28和在其間的翅片(未示出)。管27、28通過集管板29、30緊固地連接到箱22、23并且在沿著由箭頭P所圖示的流體流動路徑的途中被冷卻的同時，用于將來自入口箱22上的流體入口24的增壓空氣引導到出口箱23上的流體出口25。

為了增強冷卻，CAC 21的管27、28通常設置有紊流器，紊流器旨在由釬焊到所述管內部的金屬片插入件來形成。在圖15至圖20中的附圖中，紊流器總體上由32、33來描繪并且示出為大體上波紋狀的。然而，在實際中，它們可以具有完全不同的形狀。因此在圖15至圖20中所示的變體應被看作僅僅是示例。

取決于溫度、壓力和幾何形狀，在CAC 21中穿過CAC的芯26的不同的管27、28的流體流動難以均勻分布。由于CAC 21中的相當高的溫度，這可能容易地導致結構失效。此外，在整體效率方面，低效率使用的管27、28的確較低。

為了減輕這些問題，CAC 21的箱22、23通常被形成使得它們從流體入口24或流體出口25逐漸變細，但是僅該措施并不真正足夠。因此，根據本發明的原理，甚至對CAC的熱交換器21而言，屬于管的兩個不同組的管27、28用于流量和溫度調整以及結構完整性。通過圖15至圖20中所示的實施方案圖示了這是如何做到的。

在圖15中，示出了圖14的左集管板29的部分。相對的右集管板30的對應的視圖通常是完全相同的，但不必是完全相同的。然而，在研究本描述后，不管怎樣，本領域技術人員將知道如何最佳地實施本發明。

集管板29包括許多相同的管插入孔口31，在管插入孔口31中，管27、28通過釬焊或焊接緊固地配合。在這種情況下，插入孔口31水平且成單排(一個在另一個的上方)布置。然而，它們還可以垂直地布置和/或成兩排或多排布置。

在圖15中，底部三個管是屬于管的主組所謂的基管27，而頂部三個管是所謂的適應管道28并且屬于管的輔助組。基管27和適應管28的不同之處在于它們包括不同形狀的紊流器32，33。基管27的那些紊流器32示出為寬的波紋狀圖案，這給予它們比適應管28的更窄的非波狀紊流器33低的散熱能力。在另一方面，由于紊流器33，適應管28造成更高的壓降，這使流體更容易通過基管27。換言之，適應管可以用來控制遠離CAC的部分(例如靠近流體入口24的高度加載的部分)的過度的流體流動。

圖16的實施方案非常類似于圖15的實施方案。不同之處僅在于，基管27的紊流器32的波狀輪廓正如適應管28的紊流器33一樣窄地是波狀的。然而，適應管28的紊流器33由較厚的金屬片制成，這導致兩種類型的管27、28之間的所需要的差異，其中額外的重點在耐用性方面上。

在圖17中，底部的三個管是對應于圖16的那些管的基管27。在頂部三個適應管28中，紊流器33與基管27的紊流器32十分相似，但具有彎曲的凸緣34，其使適應管28的短邊變硬。所述凸緣34的確幾乎不影響流體流動，這意味著該實施方案主要適合于延長CAC 21的關鍵區域中的壽命。

在圖18和圖19中，底部的三個管是屬于管的主組的基管27。正如前面的一些其它情況中，它們的不同在于，它們的紊流器32、33顯示不同寬的波狀輪廓。在這兩個圖中頂部三個管卻都是相同的并且包括同樣波狀輪廓的紊流器以及精確配合到適應管28中的管狀加強插入件35。加強插入件35的確影響流體流動，并導致增強的強度。因此根據圖18和圖19的實施方案的管27、28的使用在負載高的熱交換器區域(比如緊靠入口24)中是有利的。

在最后的圖20中，在底部存在三個基管27以及在頂部存在三個適應管28，根據本發發明的所有管27、28被插入集管板29的完全相同的管插入孔口31中。除了在適應管28中的該紊流器33稍微小一些的事實外，插入在兩種類型的管中的紊流器32，33是大體上相同的。這是由于適應管28具有比基管27大的壁厚。這在一定程度上限制流體流動，但會引起增強的總體強度。

本領域的技術人員應意識到，所描述的實施方案的變化在所附權利要求書的范圍內是可能的。