包括管芯的热交换器的制作方法

本发明涉及一种热交换器，该热交换器包括具有用于流体的流体入口的入口箱，和具有用于所述流体的流体出口的出口箱，以及将所述入口箱和所述输出箱连接在一起并形成用于所述流体的从所述入口箱至所述出口箱的多个流体流动路径的管芯(core of tubes)，其中所述管属于管的主组和辅助组。

现有技术

根据前文的热交换器从专利US 4791982是已知的。在该专利中所披露的热交换器是冷却剂散热器，其具有芯，该芯包含属于管的主组和辅助组的管。在两个组之间的管的尺寸上存在差异，这种差异主要用于流动分布，并因此提高特别是在低流速下的效率。

发明目的

现有技术的热交换器的缺点在于，当涉及到多功能性时，它的技术概念是相当受限制的。因为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为必要，对于每一个系列的热交换器，该管插入孔口根据唯一的模式被设定尺寸和布局。这使得小型系列的热交换器的生产效率低下，并且阻碍产品的多功能性。

针对这种背景，本发明的目的是改进已知的热交换器，使得其生产被简化并且特别是呈现更加有效和多功能。

发明概述

根据本发明，这通过根据前文的热交换器得到实现，所述热交换器的特征在于，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组和管的辅助组两者的全部相同的管插入孔口，作为主组的成员的管是基管，并且作为辅助组的成员的管是适应管(adaptation tube)，该适应管与基管不同并且用于在热交换器的关键区域中局部地改善热交换器性能。

具有全部相同的管插入孔口的集管板的使用无疑使得有必要使用具有全部相同的外形的管，因为它们否则将不匹配集管板。然而，这已不成问题，因为管的特性可以在内部以不同的方式变化，例如通过选择适当的管壁厚，通过提供凹处(dimple)或紊流器或通过使用不同的管插入件。因此，本发明使得通过相同的集管板但在选定位置处的不同的管例如来有效地生产小型系列的适合的热交换器是可能的。

根据一个实施方案，为了延长热交换器的寿命，管的所述辅助组包括适应管，适应管各自提供与由所述基管中的每一个提供的基本强度相比增强的强度，其中，所述适应管在热交换器的应力水平趋向于比整个热交换器的中等应力水平高的区域中使用。热交换器的这样的加固管是有用的区域是，例如大体上平行六面体的热交换器芯的角部区域。

根据另外的实施方案，所述适应管可以通过具有超过基管的壁厚的壁厚来提供增强的强度。增加管壁厚度是增强强度的简单方法，但是，如果管是金属片管(这是本领域中的正常工艺)，则对于与第一组和第二组有关的管而言，需要分别使用不同规格的金属片。

根据另外的实施方案，所述适应管通过包括布置在管开口中的加强插入件来提供增强的强度。提供加强插入也是增强强度的简单方法，并且使利用具有相同壁厚的管成为可能。然而，生产、插入和紧固这样的加强插入件将是应考虑的方面。

根据另外的实施方案，所述适应管通过包含比布置在所述基管中的紊流器硬的紊流器来提供增强的强度。在本领域中，在热交换管的内部使用所谓的紊流器相当普遍。鉴于此，使用不同设计的紊流器来实现根据本发明的热交换器是有吸引力的解决方案。

根据另外的实施方案，所述适应管通过包括内部加强肋来提供增强的强度。内部加强肋可以例如通过模压相应地生产管的金属片来提供。

根据另外的实施方案，所述适应管通过包含由全部平滑的管壁产生的特别耐用的管接缝来提供增强的强度。当制造由金属片制成的管时，将产生沿着管延伸的钎接缝。如果初始片是全部平滑的并且没有例如模压的凹处的话，则使得该接缝更耐用。

根据另外的实施方案，所述热交换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个管属于管的主组并且第二排的全部管属于管的辅助组。例如，如果热交换器是冷却剂散热器，该冷却剂散热器被螺栓固定到另一个单元，例如增压空气冷却器，这助于稳定紧挨其的冷却剂散热器管排，那么像这样的解决方案可能是有利的。

根据另外的实施方案，为了改善热交换器的效率，管的所述辅助组包括适应管，适应管各自提供比由所述基管中的每一个提供的流动阻力低的流动阻力，其中，所述适应管布置在热交换器的流体流动水平趋向于比整个热交换器的中等流体流动水平低的区域中。热交换器的低流动趋向于成为问题的区域主要是远离流体进入或出口的区域，是在支架或类似物附近的区域，以及是流体入口的紧邻的下方的区域。

根据另外的实施方案，所述适应管通过包括造成比布置在所述基管中的紊流器低的流动阻力的紊流器来提供较低的流动阻力。如之前指出的，热交换管内部的紊流器是相当普遍的，并且，因此，使用不同设计的紊流器来实现根据本发明的热交换器是有吸引力的解决方案。

根据另外的实施方案，所述适应管通过具有全部平滑的壁来提供较低的流动阻力，同时所述基管具有带凹处的壁。在本领域中，凹处用于促进热交换。然而，凹处也确实会造成一些额外的流动阻力，该额外的流动阻力可以通过全部平滑的管壁而有效地被避免。

根据另外的实施方案，所述热交换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属于管的辅助组并且第二排的全部管属于管的主组。例如，如果热交换器的流体入口和流体出口倾向于促进穿过第二排的流动的话，像这样的解决方案可能是有利的。

根据另外的实施方案，所述辅助组包括适应管，所述适应管各自提供比由所述基管中的每一个提供的流动阻力低的流动阻力，其中，所述适应管以在与基管混合的交替模式布置在热交换器中。例如，如果穿过热交换器的流体流动高度地依赖于通过热交换器冷却的发动机的转速，像这样的解决方案是有利的。在这样的情况下，处于一定模式的交替的管帮助促进穿过整个热交换器的流体的均匀流动。

根据另外的实施方案，所述适应管通过包括造成比布置在所述基管中的紊流器低的流动阻力的紊流器来提供较低的流动阻力。不同紊流器的优点已经在上面进行了讨论。

根据另外的实施方案，所述适应管通过具有全部平滑的壁来提供较低的流动阻力，同时所述基管具有带凹处的壁。如之前指出的，凹处引起一些额外的流动阻力，该额外的流动该阻力可以通过全部平滑的管壁而有效地被避免。

根据另外的实施方案，所述交替模式包括一排交替的基管和适应管。在一些情况下，以所表明的方式使管混合来获得在所有流体流速下的最佳流体流分布显示是有利的。

根据另外的实施方案，所述交替模式包括一排交替的两个基管和一个适应管。再次地，这样的解决方案的目的是优化热交换器的性能，特别是在低流体流速到高流体流速下。

根据另外的实施方案，管的所述辅助组被细分成至少两种不同设计的管。用于第二组的管的不同设计的管的使用还增强了根据本发明的热交换器的多功能性。

附图简要说明

在附图中，示意性示出了根据本发明的热交换器的实施方案。在附图中：

图1是从后面看的视图并且示出了冷却剂散热器的形式的热交换器；

图2至13是从上方看的视图并且示出了图1的冷却剂散热器的不同实施方案的集管板的部分；

图14是从前面看的视图并且示出了增压空气冷却器形式的热交换器；以及

图15至图20是从侧面看的视图并且示出了图14的增压空气冷却器的不同的实施方案的集管板的部分。

优选的实施方案描述

在下文，参照所具有的附图，描述了本发明的优选的实施方案。在附图中相同的参考符号表示相似的元件。

在图1中，以后视图示出了热交换器1。所示的热交换器1是冷却剂散热器，该冷却剂散热器具有顶部入口箱2和底部出口箱3。在这些箱之间是平行六面体的散热器芯6，散热器芯6包括多个竖直管7、8和在其间的翅片(未示出)。管7、8通过箱2、3的集管板9、10紧固地连接到箱2、3并且在沿着通过箭头P图示的流体流动路径的途中被冷却的同时，用于将来自入口箱2上的流体入口4的冷却剂引导到出口箱3上的流体出口5。

在图2至图13中，更详细地示出了热交换器1的顶部板9的部分。在这些图中，示出了当在顶部箱2内从上方看时的根据本发明的热交换器1的不同实施方案。相对的或底部集管板10的相应的视图通常是完全相同的，但不必是完全相同的。然而，在研究了本描述后，不管怎样，本领域技术人员将知道如何最佳地实施本发明。

为了增强冷却，冷却剂散热器的管7、8可包括凹处，凹处在图2至图13中示出，其中它们通常被描绘为12。在管7、8最终装配成其扁平的形状之前，凹处12通过冲压管金属片形成。如可在图2至图13中看到的，所述凹处12在管7、8内形成小的突出部。凹处12通过造成紊流影响管7、8的内部的流体流动，紊流对热交换是有利的，但引发压降。因此，为了产生最佳的热交换器1，重要的是，调整热交换器1使得热交换最大化，同时压降保持较低，特别是不同流速的流体沿所述流动路径P流经管7、8时。

为了以有效的方式使其成为可能，根据本发明的热交换器1的集管板9、10包括全部相同的管插入孔口11。在这些管插入孔口中，属于不同设计的管的主组和辅助组的管7、8以紧固地方式被插入并且例如通过钎焊被固定。

属于所述主组的管7，在此上下文中被称为基管7，因为它们可以说满足了热交换器1的基本的热交换需求。相反地，属于所述辅助组的管8在此上下文中被称为适应管8，因为它们用于在关键区域中局部改善热交换器1的性能。其中根据本发明待被发现的这些关键领域以及它们如何被处理在下面通过仅与顶部集管板9有关的示例进行说明。

图2至图13的集管板9显示，在图中所示的热交换器1的所有实施方案图示了两排冷却剂散热器。然而，这并不必须是这种情况，并且如此选定仅为了例示处在所要求保护的本发明的框架内的一些典型的布局方案。换句话说，单排管7、8或多排管7、8以及以相对于集管板9的另一种方式变化的管7、8也处在该范围内。

图2用于图示端部部分，例如图1的热交换器1的左上部分。如可以看到的，在图2中所示的全部20个管中，在右侧的十四个(每排七个)描绘为7。因此它们是管的主组中的所谓的基管7，在这种情况下意味着，它们具有标准的管壁厚度和在内侧上的凹处12。相反地，在左侧的其余6个管(每排三个)是辅助组中的所谓的适应管8，在这种情况下意味着，它们具有更大的管壁厚度和在内侧上的凹处12。适应管8帮助稳定热交换器1的角部，在角部中，应力通常较高，但在一定程度上引发压降。

图3示出了沿集管板9某处的中间部分。此时对应于图2的那些的一组8个适应管8(每排四个)布置在基管7当中。再次地，目的是稳定热交换器1或可选地通过造成增加的压降以限制流体流动，或者目的是以上两者。

图4和图5也的确图示了沿着集管板9的某处的中间部分。属于主组和辅助组的管7和管8对应于上面所描述的那些，并且以交替的模式来布置，该交替的模式包括交替的一个基管7和一个适应管8的排或交替的两个基管7和一个适应管8的排。通过造成不同的压降，管7，8帮助遍布整个热交换器1均匀地分布流动，特别在低流体流速下，这帮助改善效率。然而，对于热交换器完整性而言，使用它们的较厚的规格，适应管8当然也是有益的。

图6图示了沿集管板9的任意部分，而图7图示了端部部分或角部部分，比如图1的热交换器1的左上端部分或角部部分。在两个实施方案中使用了如前面相同类型的基管7和适应管8，即，基管7具有标准壁规格，并且适应管8具有较大的壁规格。在图6的实施方案中，存在一排单独的基管7和一排单独的适应管8。基管排优选地布置成接近固体支持部，如增压空气冷却器，其有助于承受外力，而热交换器1的更加暴露的部分仅示出有加固管8。图7的实施方案很相像，区别仅在于在热交换器1的角部，如保持固定支架的(未示出)角部的少数几个管包括牢固的适应管8。以这种方式，保持热交换器的完整性，而没有造成过度的压降是可能的。

在图8中，基管7再次由具有标准壁厚并例如沿集管板9布置在中间扇区的带凹处的管形成。适应管8，其例如布置在集管板9的端部部分处，此时通过具有任意凹处的全部扁平管形成。这使得由于由箭头13表示的平滑自然地钎焊缝，能够加强管8。该种类型的适应管8使得可以加强结构，而不具有压降增加或较厚的管壁厚，但在一定程度上减轻散热。

在图9所示的实施方案中，相同类型的管7，8如同在图8中的实施方案一样被使用。区别在于，此时存在一排具有仅带有凹处的基管7和全部扁平的适应管8。如前所述，这样的一排的方案可以用来影响流体流动，在加强的目的方面，或两者。

图10和图11披露了实施方案，其示出了该组适应管8可包括一种以上的不同类型的适应管，如在图10中两种类型以及在图11中三种类型。如同前面，存在标准的带凹处的基管7，该基管7在图10的实施方案中例如沿着热交换器1的集管板9布置在中间部分，而在图11的实施方案中也布置在中间部分，但仅布置在热交换器1的两排管中的一排中。在图10中，其余管，也就是在讨论中的集管板9的端部处的适应管8，包括八个外管8和六个中间管8两者，该八个外管8具有非常厚的管壁，但还设置有凹处11，该六个中间管8具有不太厚的管壁和在所述外管8和所述基管7之间的凹处。在图11中，带凹处的基管7仅成一排布置在两排热交换器的集管板9的中间扇区中。在图11所示的实施方案中，在基管7的左侧且在同一排中存在具有更大的壁厚的带凹处的适应管8。在紧挨着基管7的其它排中，存在全部平滑的适应管8，该全部平滑的适应管8具有对应于基管7中的一个的壁厚。另外，在紧挨着带凹处的适应管8的其它排中，再次存在全部平滑的适应管8，但这些全部平滑的适应管8具有比紧挨着基管7的适应管8大的壁厚。图10和图11的实施方案共同地表明，当涉及到通过本发明优化热交换器1时，存在较少限制，与是否人们希望改善机械强度或热交换器的寿命，或改善热交换器的效率或性能无关。

在图12中，图示了根据本发明的热交换器1的另外的实施方案。如同前面，在12图中所示的集管板9具有全部相同的管插入孔口12，在这些管插入孔口中，在两排中的带凹处的基管7紧固到八个(每排四个)适应管8的右侧。这些可以是平滑的或是带凹处的，但具有端部部分，该端部部分使加强管插入件14能够插入。管插入件14适合于钎焊到管8并使所述端部部分显著地变硬，而没有太多地影响流体流动。

在图13中，示出了的热交换器1的集管板9的最后实施方案。基管7的种类和布置精确地对应于图12的实施方案。因此，再次地，适应管8是不同的那些管。此次，它们通过包括内部加强肋15提供增强的强度，加强肋15可以正如凹处12一样被冲压。优选地，适应管8的加强肋15在管8的中央部分中相交并且通过钎焊接缝(未示出)互相连接。在流体流动上的影响可比得上带凹处的基管7中的一个。换言之，这些适应管8的目的主要是结构上的目的。

在图14中，以主视图示出了热交换器21。所示出的热交换器21是增压空气冷却器(CAC)，其具有左入口箱22和右出口箱23。在这些箱之间是平行六面体的CAC芯26，芯26包括多个水平管27、28和在其间的翅片(未示出)。管27、28通过集管板29、30紧固地连接到箱22、23并且在沿着由箭头P所图示的流体流动路径的途中被冷却的同时，用于将来自入口箱22上的流体入口24的增压空气引导到出口箱23上的流体出口25。

为了增强冷却，CAC 21的管27、28通常设置有紊流器，紊流器旨在由钎焊到所述管内部的金属片插入件来形成。在图15至图20中的附图中，紊流器总体上由32、33来描绘并且示出为大体上波纹状的。然而，在实际中，它们可以具有完全不同的形状。因此在图15至图20中所示的变体应被看作仅仅是示例。

取决于温度、压力和几何形状，在CAC 21中穿过CAC的芯26的不同的管27、28的流体流动难以均匀分布。由于CAC 21中的相当高的温度，这可能容易地导致结构失效。此外，在整体效率方面，低效率使用的管27、28的确较低。

为了减轻这些问题，CAC 21的箱22、23通常被形成使得它们从流体入口24或流体出口25逐渐变细，但是仅该措施并不真正足够。因此，根据本发明的原理，甚至对CAC的热交换器21而言，属于管的两个不同组的管27、28用于流量和温度调整以及结构完整性。通过图15至图20中所示的实施方案图示了这是如何做到的。

在图15中，示出了图14的左集管板29的部分。相对的右集管板30的对应的视图通常是完全相同的，但不必是完全相同的。然而，在研究本描述后，不管怎样，本领域技术人员将知道如何最佳地实施本发明。

集管板29包括许多相同的管插入孔口31，在管插入孔口31中，管27、28通过钎焊或焊接紧固地配合。在这种情况下，插入孔口31水平且成单排(一个在另一个的上方)布置。然而，它们还可以垂直地布置和/或成两排或多排布置。

在图15中，底部三个管是属于管的主组所谓的基管27，而顶部三个管是所谓的适应管道28并且属于管的辅助组。基管27和适应管28的不同之处在于它们包括不同形状的紊流器32，33。基管27的那些紊流器32示出为宽的波纹状图案，这给予它们比适应管28的更窄的非波状紊流器33低的散热能力。在另一方面，由于紊流器33，适应管28造成更高的压降，这使流体更容易通过基管27。换言之，适应管可以用来控制远离CAC的部分(例如靠近流体入口24的高度加载的部分)的过度的流体流动。

图16的实施方案非常类似于图15的实施方案。不同之处仅在于，基管27的紊流器32的波状轮廓正如适应管28的紊流器33一样窄地是波状的。然而，适应管28的紊流器33由较厚的金属片制成，这导致两种类型的管27、28之间的所需要的差异，其中额外的重点在耐用性方面上。

在图17中，底部的三个管是对应于图16的那些管的基管27。在顶部三个适应管28中，紊流器33与基管27的紊流器32十分相似，但具有弯曲的凸缘34，其使适应管28的短边变硬。所述凸缘34的确几乎不影响流体流动，这意味着该实施方案主要适合于延长CAC 21的关键区域中的寿命。

在图18和图19中，底部的三个管是属于管的主组的基管27。正如前面的一些其它情况中，它们的不同在于，它们的紊流器32、33显示不同宽的波状轮廓。在这两个图中顶部三个管却都是相同的并且包括同样波状轮廓的紊流器以及精确配合到适应管28中的管状加强插入件35。加强插入件35的确影响流体流动，并导致增强的强度。因此根据图18和图19的实施方案的管27、28的使用在负载高的热交换器区域(比如紧靠入口24)中是有利的。

在最后的图20中，在底部存在三个基管27以及在顶部存在三个适应管28，根据本发发明的所有管27、28被插入集管板29的完全相同的管插入孔口31中。除了在适应管28中的该紊流器33稍微小一些的事实外，插入在两种类型的管中的紊流器32，33是大体上相同的。这是由于适应管28具有比基管27大的壁厚。这在一定程度上限制流体流动，但会引起增强的总体强度。

本领域的技术人员应意识到，所描述的实施方案的变化在所附权利要求书的范围内是可能的。