CN104169670A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

热交换器(1)具有壳体，其含有多个板元件组件(2,12,22)，其中，板元件组件含有多个开口(6)，其中，相邻的开口彼此分开，其中，开口在运行状态中由第一流体(7)流经。开口在板元件组件内至少部分地彼此分开地伸延，其中，相邻的板元件组件相应彼此间隔开地来布置，从而第二流体(8)可在相邻的两个板元件组件(2,12,22)之间的间隙(15)中流动。板元件组件(2,12,22)中的至少一个由凹部(5)中断，从而板元件组件具有至少一个第一板元件(3)和第二板元件(4)，其中，第二板元件(4)如此关于第一板元件(3)来布置，即，第二板元件(4)可由第一流体(7)紧接于第一板元件(3)流经，其中，凹部(5)含有导流元件(20)。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及用于在冷却剂与气体(其尤其可为空气)之间交换热的热交换器。

背景技术

由现有技术在几乎不计其数的应用中已知热交换系统的使用。热交换器用在冷却设备(例如日常的家用冰箱)、用于建筑物的空调设备或所有类型的车辆(特别机动车)、飞机和船舶中，用作在内燃机中在移动的或静止的运行中的水冷却器或油冷却器，用作在冷却剂回路中的冷凝器或蒸发器。

例如由文献US 4876778已知此类热交换器。该热交换器如此来构建，即，冷却水在布置在多个板之内的小管内流动，并且空气围绕板流动。冷却水和空气彼此以叉流(Kreuzstrom)来流动。设置有布置成彼此平行且通过间隔元件彼此分开的板。此类间隔元件例如可构造为波纹板。

因此应在“层叠式热交换器”(一方面)与“小通道热交换器”或“微通道热交换器”(另一方面)之间进行区分。

自非常长的时间以来众所周知的层叠式热交换器如所有类型的热交换器那样用于传递在两种介质之间的热，例如从冷却介质传递到空气上或与之相反。因此，在热交换器的通道的内部中流动的第一流体也被称为载热体(Wärmeträger)。环绕通道流动的第二流体因此被称为传输流体(Transportfluidum)。不仅载热体而且传输流体可以液态或气态的状态存在。针对载热体或传输流体，示例地提及了水、油、空气或冷却剂。这些介质中的一种由于热传导而相应地冷却，而另一介质被加热。

通常，传输流体(即，例如空气)比载热体(即，例如在热交换器的通道内循环的冷却剂或载热介质)具有明显更低的热传导系数。这通过用于两种介质的明显不同的热传递面来平衡：带有高的热传递系数的介质在通道中流动。在通道的外侧上安装有薄的板片(例如肋条或薄片)，从而通道的外表面具有相比于通道的内表面增大的热传递面，在其处进行与传输流体的热传导。

在此，通道的外表面相对于内表面的比取决于：薄片几何结构，其又由通道直径、通道的布置方案和通道彼此的间距来决定；以及取决于薄片间距d'。薄片间距d'针对不同的应用来不同地选择。薄片间距在纯热力学上应尽可能地小，然而并非如此地小使得在传输流体的方面的压力损失太大。经济的最佳效果为大约2mm，这是对于液化器和再冷却器(Rückkühler)而言典型的值。

在此，效率主要通过如下实际情况来决定，即，在薄片表面与传输流体之间传递的热须经由热传导通过薄片传递至通道。薄片的厚度或传导性越高，热传递越高效，但同样在通道之间的间距越小。在此提到薄片效率。因此目前主要将铝用作薄片材料，其在经济性的条件下具有很高的热传导性(大约220W/mK)。在此，通道的间距应尽可能地小。在热力学上，具有带有很小的直径的、彼此很窄的间隔开的许多通道的解决方案是最佳的。然而，主要的成本因素还是用于扩展和焊接通道的工作时间。其在这样的几何结构中太明显地上升。

因此，在若干年前已开发了一种新的种类的热交换器，所谓的小通道热交换器或微通道热交换器，其根据完全不同的方法来制造且几乎相应于层叠式热交换器的愿景。该热交换器含有带有非常小的直径的小通道或微通道，其呈1mm的数量级。为了制造小通道或微通道，优选使用铝制挤压型材。

热交换器模块主要由一个或多个层叠式热交换器或者由一个或多个微通道热交换器构建，其中，相应使热交换器模块的进入侧与分配元件相焊接，且使热交换器模块的离开侧与收集元件耐压地相焊接。在此，在包括一个或多个热交换器的热交换器模块的分配元件和收集元件处相应设置有连接接头，从而热交换器模块可与外部系统(例如致冷机)如此地在流方面相连接，即，载热体可在用于与传输流体交换热的运行状态中在可预定的工作压力的情况下从分配元件通过热交换器输送给收集元件。

微通道布置在板元件中。微通道基本上彼此平行地延伸且并未彼此连接，从而载热体(即第一流体)在微通道中被输送给板元件、在微通道中流经板元件且又在相同的微通道中离开板元件。传输流体相对于微通道交叉地流动。传输流体将热交付到载热体处，或载热体的热经由板元件的壁吸收。由于叉流，因此传输流体的进入温度不同于其离开温度，因为在通过热交换器的路径上或者吸收热或者放出热。这在微通道中引起不均匀的温度分布。

在带有若干平米的热交换面的大面积的热交换器中，温差可导致热应力且因此导致微通道的机械负荷，其可导致热交换器的损坏。

发明内容

因此，本发明的目的在于在气体的流动方向上均衡在冷却剂中的温度分布。

本发明的目的通过热交换器来实现，其具有如下特征：热交换器具有含有多个板元件组件的壳体。板元件组件包含例如呈小管的形式的开口，其可在运行状态中由第一流体流经。还可设置有在先前的实施方案的意义中的微通道。开口在板元件组件内至少部分地彼此分开地延伸。相邻的板元件组件相应彼此间隔开地来布置，从而第二流体可在相邻的两个板元件组件之间的间隙中流动。第二流体的流动方向优选基本上相对于第一流体的流动方向交叉地实现。也就是说，第一流体和第二流体优选彼此以叉流流动。

板元件组件中的至少一个由凹部中断，从而板元件组件具有至少一个第一板元件和第二板元件。第二板元件关于第一板元件如此布置，即，第二板元件可由第一流体紧接于第一板元件流经，其中，凹部含有导流元件。在凹部内出现第一流体的通过开口达到凹部的单流的混合。

根据一实施例，凹部可如此设计，即，多个开口在第一板元件的第二端部处通到凹部中，且第一流体可从凹部再次供给到在第二板元件的第一端部处的多个开口中。凹部尤其可如此设计，即，多个小管、通道或微通道在其第一端部处通到此类凹部中，以及第一流体从凹部再次供给到第二板元件的多个小管、通道或微通道中。

根据一实施例，凹部含有扰流元件，从而实现流的涡流形成和/或换向。对此，备选地或补充地，凹部可含有静态的混合器。凹部可由流体密封地与第一板元件和第二板元件相连接的外罩元件包围。外罩元件尤其可含有导流元件，例如含有凹槽和/或具有肋条和/或突出部。凹部由第一板元件的第二端部、第二板元件的第一端部以及外罩元件形成，其中，第一板元件和第二板元件具有共同的中心平面，且板元件关于第一流体的流动方向连续地布置。

板元件中的开口尤其可构造为通道。凹槽可至少部分地相对于通道成某角度来布置。沟槽可与通道围有角度，其处在10º直至且包括75º的范围中，优选在10º直至且包括60º的范围中，特别优选地在10º直至且包括45º的范围中。

根据一备选的实施例，外罩元件可含有伸入到凹部中且构造成扰流元件的突出部。

有利地，凹部在在热交换器的长度的5%与40%之间上延伸，其中，热交换器的长度在在板元件内流动的第一流体的主流动方向上来测量。为了在热交换器的整个宽度上保证温度平衡，如果凹部基本上在热交换器的整个宽度上延伸，这是有利的。

根据一实施例，安装元件可设置成用于维持在相邻的两个板元件之间的间距。安装元件尤其可构造为波浪状的薄壁的间隔元件。

本发明还涉及用于运行根据先前的实施例中的其中一个的热交换器的方法，包括如下步骤，在其中使第一流体在在其进入到板元件组件中的入口与其离开板元件组件的出口之间的、在板元件组件内的其流动路径上相混合。根据一有利的变型方案，第二流体在相邻的板元件组件之间相对于第一流体以叉流流动。因此，第二流体横向于第一流体流动。第一流体尤其可为冷却剂。第二流体尤其可为气体，有利地为空气。板元件可构造为型材，冷却剂在该型材中在分开的平行的多个通道中运动。在第一流体的方向上来看，用于第一流体的通道相继而置。

出于多个原因，一通道与下一通道的热传递是不同的。一方面，浮动的温差由于第一流体的不同的局部的温度变化，另一方面，如果第二流体以液相和气相存在，液相相对于气相的比例可变化，这影响热交换器的总功率。

尤其可在板元件组件中设置有多于一个的凹部。如果设置有多个凹部，凹部中的每个可含有导流元件。尤其可产生第二流体的混合，从而在第二流体中产生温度平衡且产生温度曲线在热交换器的长度以及宽度上的均化。

如果板元件组件具有大的宽度和/或长度，和/或第一流体的流动速度很小，则可尤其显著提高热交换器的性能。

根据本发明的热交换器尤其可以更大的长度来建造，且板组件的数量可相对现有技术减少了高达三分之二。

附图说明

下面借助附图阐述本发明。其中：

图1显示了根据本发明的第一实施例的板元件组件的视图，

图2显示了板元件组件的堆垛的视图，

图3显示了板元件的组件的侧视图，

图4显示了根据图3的板元件的组件的俯视图，

图5显示了根据图4的俯视图的截段，

图6显示了根据第二实施例的板元件的组件的侧视图，

图7显示了根据图6的板元件的组件的俯视图，

图8显示了根据图6的侧视图的细节，

图9显示了板元件的堆垛的视图，

图10显示了根据本发明的第二实施例的板元件组件的视图。

具体实施方式

图1说明了用于热交换器1的根据本发明的第一实施例的板元件组件2的视图。板元件组件包括第一板元件3、第二板元件4和凹部5，其布置在第一板元件3与第二板元件4之间。第一流体7进入到第一板元件3中、通过开口6朝凹部5的方向上流到凹部5中且紧接着通过第二板元件4的开口6离开凹部5。

第一流体7是载热体，且或者可为载热介质或者可为冷却剂。第一流体7优选处在液态的物态中，因为其传热性明显高于气态的流体且为第一流体提供的热交换面小于为第二流体提供的热交换面。开口6在第一板元件3和第二板元件4中彼此具有间距，从而使得开口6中的每个构造成与其他的开口分开的、在外罩侧封闭的通道9。通道9尤其可具有小管的形状和/或构造为带有在引言中所说明的尺寸的微通道。

第一流体7流经微通道，其可具有附图未示出的波浪状的内部组织。波浪状的内部组织用于增大针对热传递提供的热交换面。不言而喻，还可替代波浪状的内部组织设置网格结构、网状结构或多孔结构。通道9可构造为圆形的管，或者还可构造为椭圆形的或四边形的(尤其矩形的)通道，其由挤压型材借助于挤压工艺制成。因此可将多个微通道布置在板元件组件中。作为用于通道9的材料，尤其铝或铝合金已证实是合适的。

第一板元件3具有第一端部16，第一端部16含有开口6的进入口，通过其将第一流体7导引到第一板元件3中。开口6的排出口布置在第一板元件3的第二端部17处。

第二板元件4具有第一端部18，第一端部18含有开口6的进入口，通过其将第一流体7导引到第二板元件4中。开口6的排出口布置在第二板元件4的第二端部19处。

尤其根据图1如此设计凹部5，即，多个开口6在第一板元件3的第二端部17处通到凹部5中，且第一流体7可再次从凹部5供给到布置在第二板元件4的第一端部18处的多个开口中。

凹部是在第一板元件3与第二板元件4之间延伸的空腔，其由外罩元件包围。凹部5由第一板元件3的第二端部17、第二板元件19的第一端部18以及外罩元件形成，其中，第一板元件3和第二板元件4具有共同的中心平面，且板元件3、4关于第一流体7的流动方向连续地布置。

在该图示中，外罩元件包含上外罩件10和下外罩件11。根据分解图的形式在未组装的状态中显示了上外罩件10，以便可看出下外罩件11的结构。替代上外罩件和下外罩件，还可将外罩元件构造成一体。第一板元件和第二板元件可事后与外罩元件相连接，即例如插入到用于第一板元件和第二板元件的外罩元件的开口中。在板元件之间的流体密封的连接通过密封元件、板元件相对于外罩元件的少许过盈或事后焊接外罩元件和板元件来实现。

上外罩件10和下外罩件11具有导流元件20。导流元件20构造为肋条21。不言而喻，备选于此，仅上外罩件或下外罩件中的一个可具有肋条21，而上外罩件或下外罩件中的相应另一个可具有光滑的表面或肋条23。在大多数情况下设置有多个导流元件20，尤其当热交换器具有很大的宽度时。然而，唯一的导流元件满足第一流体7的流的换向的功能。

导流元件20尤其可至少部分地相对于通道9成某角度来布置。优选地，导流元件20与通道9围有角度，其处在10º直至且包括75º的范围中，优选在10º直至且包括60º的范围中，特别优选地在10º直至且包括45º的范围中。

为了实现改善的混合，相比于下外罩件11的导流元件20，上外罩件10的导流元件20可与通道9围成不同的角度27。在图5中示出了角度27。

根据一备选的实施例，外罩元件或者上外罩件10或下外罩件11中的至少一个含有突出部25，其伸入到凹部5中且构造成扰流元件。

凹部5有利地在在热交换器的长度26的5%与40%之间上延伸，其中，热交换器的长度26在在板元件3、4内流动的第一流体7的主流动方向上来测量。在图3中，热交换器的长度26示出为板元件和凹部5的长度的总和。

凹部5尤其可基本上在热交换器1的整个宽度28上延伸。热交换器1的宽度28基本上相应于板元件组件的宽度且在图5中显示了该宽度。

图2显示了形成热交换器1的板元件组件2、12、22的堆垛。板元件组件2、12、22处在壳体中，壳体在该图示中被删去，以便可更好地说明热交换器的工作原理。板元件组件2、12、22中的每个可由在图1中显示的第一板元件3和第二板元件4以及凹部5来构建。

第二流体8(还被称为传输流体)可在每个板元件组件2、12、22的上方和/或下方流动。大多是气态的第二流体8可取决于热交换器1的所期望的工作方式借助于载热介质加热或借助于冷却剂冷却。

由第二流体8流经的间隙15可含有安装元件13，其在图2中作为波状结构示出。安装元件13与相应相邻的板元件组件热传导地相接触，从而可经由安装元件13传递热。因此，安装元件13还用于增加热交换面。安装元件还可构造为肋条或如上面那样含有网格结构、网状结构或多孔结构。此外，安装元件还可构造为V形或W形的锯齿状轮廓。

图3显示了根据第一实施例的板元件组件的侧视图。在此，由上外罩件10和下外罩件11构成的外罩元件的厚度超出第一板元件3和第二板元件4的厚度。这引起在相邻的板元件组件之间的间距在存在外罩元件的部位处更小。因此，根据在图10中示出的变型方案，在相邻的板元件组件的外罩元件之间设置有安装元件29，其具有小于安装元件13的高度。

图4显示了根据图3的板元件的组件的俯视图。如果移除上外罩件10，该视图相应于图1的布置方案。板元件组件2的长度在此限定为第一板元件3和第二板元件4的长度以及此处不可见的凹部5的长度。

图5是根据图4的俯视图的截段且显示了下外罩元件11的一部分以及形成导流元件20的肋条21。还显示了板元件组件的宽度28。

图6显示了根据本发明的第二实施例的板元件组件的侧视图。该板元件组件的不同之处在于第一板元件3和第二板元件4的构造，其替代通道具有第一流体7可流动穿过的多孔结构。凹部含有作为导流元件的多个突出部25，其可构造成用于流的干扰元件24。突出部可是局部的突起，或者还可是在凹部的长度和/或宽度的一部分上延伸的肋条或凹槽。

图7显示了根据图6的板元件的组件的俯视图且类似于图3来构建，因此参见图3的说明。

图8显示了根据图6的侧视图的细节。导流元件20构造为肋条。上外罩件和下外罩件的肋条在安装状态中彼此相叠。因此，第一流体仅可在肋条旁边流过且通过肋条换向且通过换向和/或旋涡来混合。由此平衡第一流体在热交换器的宽度的方向上具有的温度降。

图9显示了板元件的堆垛的视图(类似于图2)。不同于图2，还示出了在凹部5的外罩元件之间的安装元件29，其在其高度方面不同于布置在板元件3、4之间的安装元件13。

图10显示了根据本发明的第二实施例的板元件组件的视图。上外罩件10和下外罩件11示出为透明的元件，从而可看出交叉地在外罩件中的至少一个的内表面的一部分上以肋条对的形式延伸的突出部。

Claims (15)

1. 一种热交换器(1)，其具有含有多个板元件组件(2,12,22)的壳体，其中，所述板元件组件含有多个开口(6)，其中，相邻的开口彼此分开，其中，所述开口在运行状态中由第一流体(7)流经，其中，所述开口在所述板元件组件内至少部分地彼此分开地延伸，其中，相邻的板元件组件相应彼此间隔开地来布置，从而第二流体(8)可在相邻的两个板元件组件(2,12,22)之间的间隙(15)中流动，其特征在于，所述板元件组件(2,12,22)中的至少一个由凹部(5)中断，从而所述板元件组件具有至少一个第一板元件(3)和第二板元件(4)，其中，所述第二板元件(4)如此关于所述第一板元件(3)来布置，即，所述第二板元件(4)可由第一流体(7)紧接于所述第一板元件(3)流经，其中，所述凹部(5)含有导流元件(20)。

2. 根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述凹部(5)如此设计，即，多个开口(6)在所述第一板元件(3)的第二端部(17)处通到所述凹部(5)中，且第一流体(7)可从所述凹部(5)再次供给到在所述第二板元件(4)的第一端部(18)处的多个开口(6)中。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述凹部含有扰流元件和/或静态的混合器。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述凹部由外罩元件包围，该外罩元件流体密封地与所述第一板元件和所述第二板元件相连接。

5. 根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述外罩元件含有导流元件(20)，其可设计为肋条(21)和/或凹槽(23)和/或突出部(25)。

6. 根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述凹部(5)由所述第一板元件(3)的第二端部(17)、所述第二板元件(4)的第一端部(18)以及所述外罩元件(10,11)形成，其中，所述第一板元件(3)和所述第二板元件(4)具有共同的中心平面，且所述板元件关于所述第一流体(7)的流动方向连续地布置。

7. 根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，在所述板元件(3,4)中的开口(6)构造为通道(9)。

8. 根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，所述导流元件(20)至少部分地相对于所述通道(9)成某角度(27)来布置。

9. 根据权利要求7或8所述的热交换器，其特征在于，所述导流元件(20)与所述通道(9)围成角度(27)，其处在10º直至且包括75º的范围中，优选在10º直至且包括60º的范围中，特别优选地在10º直至且包括45º的范围中。

10. 根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述外罩元件含有伸入到所述凹部中且构造成扰流元件的突出部。

11. 根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述凹部在在所述热交换器的长度(26)的5%至40%之间上延伸，其中，所述热交换器的长度(26)在在所述板元件内流动的第一流体(7)的主流动方向上来测量。

12. 根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述凹部(5)基本上在所述热交换器的整个宽度(28)上延伸。

13. 根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，设置有安装元件(13)以用于维持在相邻的两个板元件组件(2,12,22)之间的间距。

14. 一种用于运行根据前述权利要求中任一项所述的热交换器(1)的方法，包括如下步骤，在其中使第一流体(7)在在其进入到板元件组件中的入口与其离开所述板元件组件的出口之间的、在板元件组件(2,12,22)之内的其流动路径上相混合。

15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在相邻的板元件组件之间流动的第二流体(8)相对于所述第一流体(7)以叉流流动。