殼管式熱交換器及端蓋的制造方法
【專利說明】殼管式熱交換器及端蓋的制造方法
[0001]本發明系關于一種殼管式熱交換器、一種用于一殼管式熱交換器的端蓋、以及一種制造用于一熱交換器的一端蓋的方法。較佳的實施例可特別應用于殼管式熱交換器及在海洋環境或其它腐蝕性環境中使用的熱交換器。
[0002]在現有技術中，殼管式熱交換器本身已眾所習知，且可購得此等熱交換器的諸多類型。現在，參照圖1所示的實例簡要闡述一殼管式熱交換器的運作；圖2A顯示圖1所示熱交換器的縱向剖視圖；以及圖2B顯示圖1所示熱交換器的分解圖。熱交換器I包含:一外部殼體，具有一大致圓柱形殼體5的形式；以及二端蓋，固定于殼體5的各端上。殼體5在一端處具有一入口 11，并在另一端處具有一出口 12。入口 11及出口 12通常被稱為殼體側端口或噴嘴。在殼體5中設置有一管組(tube stack) 13。管組13包含自殼體5的一端縱向延伸至另一端的多個管14。管14在其任一端處由一管板15固定，管14延伸穿過管板15并被管板15固定。此系用于將管14保持于定位上并與殼體5的內表面形成一密封接合。因此，管14提供一系列貫穿殼體5的通道，該等通道系密封地與由殼體側端口、入口 11及出口 12提供的貫穿殼體的導管隔離。管組13中可包含一或多個擋板16，以引導殼體側流體沿管14來回流動，使提高速度及熱傳遞效率。擋板16亦用于支撐管14并防止振動。
[0003]端蓋10包含多個大致圓形的板，沿板的周邊分布有多個相間的螺栓孔。端蓋10經由螺栓19而被螺接至位于殼體5任一端處的凸緣，螺栓19旋入位于凸緣的端部中的螺紋孔20。一 O型密封環22設置于端蓋10與位于殼體5的端部處的凸緣21之間，以助于將端蓋密封至殼體5。端蓋具有內螺紋端口 24，內螺紋端口 24提供與管組13中的管流體連通的一入口 25及一出口 26。此等端口通常被稱為管側端口。
[0004]一管組13可系為浮動的以最小化熱應力，或可具有一波紋管(bellows)構造。在運作中，欲被冷卻的流體經由殼體側端口 11及12而栗送入殼體5。用于冷卻的流體經由管側端口 25、26而栗送入管14。管14于流經管14的一種流體與流經管14外部的另一種流體之間提供熱傳遞表面。因此，可于二種流體之間進行熱交換。
[0005]端蓋亦可具有一貫穿其的螺紋孔28，一泄放塞(drain plug)旋入螺紋孔28中。藉由將泄放塞29自端蓋10旋出，流體可自貫穿熱交換器I的管側通道得到泄放。
[0006]一殼管式熱交換器I的此基本實例的諸多變型為人們所習知。舉例而言，管側流體可形成多于一個的管側通路。在此種情形中，端蓋10其中之一或二者皆可提供一通路分隔器(pass divider)，以使不同通路上的流體彼此隔離。
[0007]殼管式熱交換器I常常用于一腐蝕性環境中。舉例而言，殼管式熱交換器I可與船用引擎(marine engine) —起使用，以冷卻與引擎相關聯的各種流體。圖3系為一典型配置，其顯示用于冷卻一船用引擎500的各種熱交換器I的位置。如箭頭501所示，海水經由管側端口 25、26栗入。如箭頭502所示，來自位于引擎500上的排放歧管(exhaustmanifold)及油冷卻器的欲被冷卻的流體經由各熱交換器I中的殼體側端口 11、12而栗入一閉合環路中，以藉由流經熱交換器I中的管14的海水得到冷卻。
[0008]如將理解，利用海水作為一冷卻流體意味著貫穿熱交換器I的管側導管必須系為耐腐蝕的。端蓋10系為可移除的，以使管組13受損或被腐蝕時，可移除或更換管組13。目前，已知可用黃銅(brass)制造端蓋10以抵抗腐蝕。圖4A及圖4B顯示如現有技術中所知由黃銅制成的一端蓋的一實例。因其所顯示出的耐海水腐蝕性，特別較佳地系使用含有40%鋅及I %錫的海軍黃銅(naval brass) 0然而，使用黃銅作為一材料價格相對昂貴，故使用一種更便宜的替代性材料將有所幫助。
[0009]鑄鐵(cast iron)端蓋有時與淡水一起使用，S卩出于腐蝕考慮，不與污水或海水一起使用。在要求較低的應用中，已知可使用塑料端蓋，例如玻璃填充耐綸(glass fillednylon)。然而，在諸多應用中，在栗入熱交換器時施加于殼體側流體上的壓力意味著塑料端蓋并不適合，此乃因塑料端蓋可因施加于其上的壓力而變形或破裂。此外，由塑料制成的入口的強度可能不足以支撐與用于將流體引導至熱交換器的管側的外部管的耦合。
[0010]需要一種如下端蓋，該種端蓋對高要求應用提供足夠的強度及剛性，同時保持對例如海水的耐腐蝕性，且相較于使用傳統材料(例如黃銅)更為廉價。具體而言，對于海水入口及泄放塞，使用黃銅連接系為較佳的。所使用的材料需要在螺栓孔的區域上具有充足的剛性。在高達30巴(bar)或更大的壓力下，端蓋不應繞O型環密封面發生偏轉。
[0011]根據本發明的一第一態樣，提供一種殼管式熱交換器，該殼管式熱交換器包含一殼體及附裝至該殼體的一端的至少一端蓋，該端蓋包含:
[0012]一塑料本體或塑料復合本體；以及
[0013]一金屬板構件，被該塑料本體包覆，以為該塑料本體提供結構剛性。
[0014]塑料的使用使得端蓋的成本降低，并使得端蓋對其中腐蝕性流體(例如，海水)流經熱交換器的應用具有耐腐蝕性。金屬板構件為塑料本體提供結構剛性，且意味著端蓋可應對高于塑料自身所能應對的壓力。金屬無需具有耐腐蝕性，此乃因其可被塑料完全封閉、或至少大部分被塑料封閉，使金屬板的至少將與腐蝕性流體接觸的部分被遮蔽。藉此，以較低的成本形成端蓋，相較于現有技術中用于殼管式熱交換器的端蓋，該端蓋能夠應對更高的壓力且具有耐腐蝕性。
[0015]較佳地，該金屬板的厚度位于0.5毫米(mm)至3mm之間。
[0016]較佳地，該金屬板在該端蓋的徑向范圍的大部分上延伸。
[0017]較佳地，該金屬板構件系由壓制成型的鋼材(pressed steel)形成，該壓制成型的鋼材視需要具有一鋅涂層。
[0018]較佳地，該金屬板構件系大致圓頂形狀，該大致圓頂形狀在其周邊處具有一凸緣，該凸緣的位置對應于該端蓋與該殼體間的承靠面。
[0019]在一實施例中，該端蓋具有一密封面，該密封面用于承靠該殼體，該殼體具有二或更多個螺栓孔以用于將該端蓋螺接至該殼體，其中該承靠面在該等螺栓孔之間彎曲，使當該端蓋被螺接至該殼體時該承靠面抵靠該殼體而承受彈性偏壓。端蓋的彈性意指彎曲部分“有彈性地”抵靠該殼體，以在更遠離螺栓孔且因此并非較不直接地由螺栓連接夾緊的區域中形成一更佳的密封。彎曲程度較佳地平穩增加至在大致位于各螺栓孔之間居中位置處達到一最大高度。較佳地，彎曲部分被設置成在端蓋的周邊周圍保持一大致類似的密封壓力。此意味著對于一給定夾緊力，端蓋能夠有利地應對更大的壓力。
[0020]在一實施例中，該端蓋包含至少一個金屬嵌件，該金屬嵌件適于容置一扣件并被該塑料本體包覆。相較于直接連接至塑料材料，無論出于何種原因，此皆提供使端蓋達成更穩固及可靠的連接的方式。
[0021]在一實施例中，至少一個金屬嵌件系為一端口構件，用于為該熱交換器的管側提供一入口。
[0022]在一實施例中，該端口構件具有內螺紋以用于連接。
[0023]在一實施例中，至少一個所提供的金屬嵌件具有一帶螺紋連接以用于容置一泄放塞。
[0024]較佳地，至少一個金屬嵌件包含一金屬套管，該金屬套管在該端蓋的一承靠部中具有一貫穿孔，其中一帶螺紋扣件藉由該金屬套管將該端蓋夾緊至該熱交換器的該殼體。此有助于在不對端蓋及承靠面的外周邊周圍的塑料材料造成損壞的情況下，達成一更大的夾緊力。
[0025]在一實施例中，至少一個金屬套管以機械方式與該金屬板構件互鎖。此有助于在制造期間使該金屬套管保持穩定，且有助于將來自螺栓連接的力自螺栓導向至該金屬板，進而減小該塑料材料上的應力。
[0026]在一實施例中，至少一個金屬套管在其外表面的至少一部分周圍具有一圓周槽，且其中該金屬板構件在其周邊處具有至少一個被切除部，該至少一個被切除部用以以機械方式與該圓周槽互鎖。此系為一種使套管與板互鎖的較佳方式。
[0027]在一實施例中，該塑料本體被包覆成型(overmoulded)至該金屬板構件及/或至少一個金屬嵌件。
[0028]在一實施例中，該金屬嵌件系由黃銅形成。
[0029]根據本發明的一第二態樣，提供一種用于制造一如上所述殼管式熱交換器的方法，該方法包含:將該金屬板構件定位于一注射成型工具中，并將塑料包覆成型于該金屬板構件上。
[0030]較佳地，該熱交換器包含至少一個金屬嵌件，該至少一個金屬嵌件適于容置一扣件并被該塑料本體部分地包覆，該方法包含:在將塑料成型于該嵌件及該金屬板構件上之前，將該至少一個金屬嵌件定位于一暗銷(dowel)上，以將該嵌件精確定位于該注射成型工具中。
[0031]在一實施例中，該等金屬嵌件包含多個金屬套管，該等金屬套管在該端蓋的該承靠部中提供多個貫穿孔，以用于藉由穿過該等金屬套管的多個帶螺紋扣件將該端蓋夾緊至該熱交換器的該殼體，該方法包含:在成型該塑料之前，將該等金屬套管以機械方式與該金屬板構件互鎖。
[0032]根據本發明的一第三態樣，提供一種用于一殼管式熱交換器的端蓋，該端蓋包含:
[0033]一塑料本體；
[0034]一金屬板構件，被該塑料本體包覆以為該塑料本體提供結構剛性。
[0035]在實施例中，該端蓋包含以上所述任何實施例的附加特征。
[0036]當穿過熱交換器的管側被腐蝕時，例如在用于冷卻一船用引擎或類似物的一熱交換器中使用海水作為一冷卻流體時，將各實施例用于熱交換方法可具有特定優勢。
[0037]應理解，在本文中被表達為提供于“一個實施例中”或被表達為“較佳”的任何特征可與任何一或多個其它此種特征以及本發明的任何一或多個態樣相組合地提供。
[0038]現在，將參照附圖以舉例方式闡述本發明的實施例，在附圖中:
[0039]圖1顯不現有技術中的一殼管式熱交換器；
[0040]圖2A顯示圖1所示的一熱交換器的縱向剖視圖；
[0041]圖2B顯示圖1所示熱交換器的一分解圖；
[0042]圖3顯示用于冷卻一船用引擎的熱交換器；
[0043]圖4A及圖4B分別顯示在現有技術中用于一熱交換器的一端蓋的剖視圖及平面圖；
[0044]圖5A及圖5B分別顯示根據本發明的一實施例，一端蓋的一實例的前端視圖及后端視圖；
[0045]圖6A及圖6B分別顯示圖5A及圖5B所示端蓋的端口嵌件的縱向剖視圖及平面端視圖；
[0046]圖7A及圖7B分別顯示用于圖5A及圖5B所示端蓋中的泄放塞的嵌件的縱向剖視圖及平面端視圖；
[0047]圖8A及圖8B分別顯示