蒸发器的制作方法

本发明涉及一种适于由来自内燃发动机的排出气体的热量产生蒸汽的横流式蒸发器。除了其它元件之外，蒸发器由包含腔室的、彼此间隔开的两个板构成。换热管交替地连通两个板的腔室，为用于相变的流体建立特定路径。在两个板的腔室之间延伸的管横向于热气体流布置。

该蒸发器适用于使用兰金循环(rankinecycle)的热回收系统，其利用来自排出气体的热量。

本发明的特征在于腔室的特定构型，所述腔室的特定构型通过所述盖允许气体在制造过程、在硬钎焊过程中流通；并允许用于形成在该类型焊接中所需的受控的炉气氛的气体进入，以及对于焊接有害的氧气以及在炉中产生的挥发性气体离开。

背景技术：

换热器是用于将热量从第一热流体传递至最初处于较低温度下的第二流体的装置。

换热器的具体实例是旨在通过冷却剂液体冷却用于egr(排出气体再循环)系统的热的排出气体的那些换热器。这些类型的换热器必须克服由于换热器的不同部件中的温度变化所导致的特定技术问题。

温度变化范围从其闲置状态到操作模式，在闲置状态时，所有部件处于室内温度，在操作模式时，入口气体可达到超过600摄氏度，这在装置的不同部件的温度上产生显著差异。

这种类型的换热器的结构构造为热气体循环通过的换热管束，并且该管束被容纳在壳体中，冷却剂液体通过该壳体循环。

如果冷却剂液体大致在位于管束的端部附近的壳体的点处进入和离开，则气体流和液体流都大致沿平行方向流通，而无论是顺流还是逆流。

由热膨胀引起的问题通过使用接收或递送热气体的中间歧管来解决，该中间歧管又具有波纹管型结构，所述波纹管型结构补偿同热气接触的管束与同冷却剂液体接触的壳体之间的差异膨胀。

不同类型的换热器由蒸发器组成。蒸发器是设计成将热气体的热量传递至不仅被加热而且还改变相的液体的换热器。

在蒸发器中存在的技术挑战大于比如在该部分开始处描述的换热器的那些技术挑战。相变允许区分与改变相的液体的温度和状态相关的三个步骤：

i.加热待蒸发的液体的步骤；

ii.相变的步骤；

iii.过热的步骤。

第一步骤和第二步骤出现在不是非常高的温度下，因为相变温度建立了防止将温度升高到高于蒸发温度的界线。相反，过热步骤不受相变的限制，并且可以将温度升高到接近热气体的最大温度值的值。

两种流体——传递其热量的热气体和旨在改变相的液体——的入口温度条件和入口流动速率条件并不总是相同的。这些变量的变化使第一步骤与第二步骤之间的中间相以及第二步骤与第三步骤之间的中间相不会出现在蒸发器内的、与用于在装置内部改变相的液体的路径有关的相同位置中，而是可以出现在所述路径的特定间隔内的不同位置中。

另外，从液体到蒸汽以及从液体和蒸汽的混合物到过热蒸汽的过程不是瞬时的，因此在各步骤之间建立分割的精确位置可能得不到标识，而是这种分割在特定段中。

步骤中的每个步骤具有不同的换热条件。换热管的表面与液体(步骤i)之间的传热系数与两相流、即由液体和蒸汽(步骤ii)形成的流的传热系数非常不同，并且非常不同于过热蒸汽(步骤iii)的传热系数。

不仅传热系数不同，而且液体的比容相对于液体和蒸汽的混合物的比容非常低，并且，液体和蒸汽的混合物的比容相对于蒸汽在其温度升高时的比容也是低的。

在三个步骤之间的所有这些非常不同的因素使得设计变量不同，并且蒸发器具有这样的技术困难，即，不存在没有相变的换热器，尤其是当蒸发器必须紧凑并占据尽可能小的空间时更是如此。

已知紧凑型换热器被设计成在用于车辆原动力的内燃发动机的热回收系统中用作蒸发器。这些蒸发器通过布置成对的同轴管的束来增大换热表面。意在改变相的液体穿过该对同轴管之间的空间，并且热气体穿过内管内部和外管外部这两者。

改变相的流体在两个热表面——在两个热表面之间具有很小的距离——之间穿过，使得温度升高并且在一对同轴管的长度内发生随后的相变，所述一对同轴管比仅使用一个管来使在其中改变相的流体以及其外侧的热气体循环的情况下的管更短。

这种构型存在的问题中的一个问题是三个换热步骤在相同的管中发生，因此换热器的设计不能同时对于三个步骤而言都是优化的。

作为这种困难的示例，液相的入口流速非常低，因为液相的比容值低，而在出口处，相同的液体流速对应于大得多的蒸汽体积，这赋予比液体入口的速度值高得多的速度值。

入口处的低速可能导致污垢的沉积并且出口处蒸汽的高速可能产生过大的压降。

本发明通过使用热气体与改变相的流体之间的横流式构型避免了这些问题。

除了其它元件之外，蒸发器由彼此间隔开的包含腔室的两个板构成。换热管交替地连通两个板的腔室。

热气体在由侧壁封闭的体积中在彼此平行的板之间流动。通过这种构型，换热管横向于流动。在特定温度下获得蒸汽所需的长度通过并入达到允许充分传热的长度并因此包括三个步骤而需要的管的数量来获得。

换热管的膨胀取决于热膨胀系数和管的总长度。通过根据本发明的装置的构型，在两个板之间延伸的每个个体管比路径的总长度短得多，因此膨胀的影响显著降低。

该构型具有的另一优点是可以以下述方式使两个腔室与多于一个换热管连通：使得在发生相变之后，流体在其中传递的腔室可以与越来越多的管连通。越来越多的管等效于通道部段的增加，并且因此该装置考虑了由于相变导致的比容增大。

然而，不论这些优点如何，相变的流体遵从的路径比其中所述管平行于热气体流的蒸发器的路径更曲折，并且具有特定数量的中间腔室。

通过该构型提出的问题是其通过使用硬钎焊进行制造问题，由于在通过炉期间，用于获得良好焊接——特别对于硬钎焊而言——的炉内气氛的气体不能侵入腔室的内侧以及到达焊料所在的区域的管，尤其是用于将入口与出口两者间隔开的位于路径中间区域的那些中间腔室。同样地，在引入炉之前蒸发器内的氧气以及当焊料温度升高时形成的挥发性成分必须被除去。

本发明通过包含允许制造具有用于气体容易流通——即来自钎焊炉的受控气氛的气体的进入以及氧气和挥发性成分的离开两者——的开口的盖解决了该问题，而不影响通过板提供的该构造的优点。

技术实现要素：

如在前述部分的结尾处所指出的，本发明的第一方面是一种用于通过由第二流体提供的热量来蒸发第一流体的蒸发器，该第二流体是热气体。

根据优选的示例，如下所述，意在改变相的流体是乙醇——一种醇，并且热气体是内燃发动机的排出气体。一个非常有用的应用是在兰金循环中使用蒸发器，从而以机械能的形式从排出气体中回收热量，否则这些热量将被排放到大气中。

该蒸发器包括：

第一板和第二板，第一板和第二板面向彼此并且彼此间隔开，第一板和第二板限定内表面和外表面，该内表面面向另一板，该外表面与内表面相对；其中，板中的每个包括多个腔室；

第一流体的进入歧管和第一流体的排出歧管，第一流体的进入歧管和第一流体的排出歧管定位成彼此流体连通并且与板中的任一板的至少一个不同的腔室流体连通；

多个换热管，其中，换热管中的每个在第一板的腔室与第二板的腔室之间延伸；其中，除了与进入歧管或排出歧管流体连通的腔室之外，一板的每个腔室通过至少两个换热管与另一板的两个或更多个腔室流体连通；

对于换热管中的每个，具有流体连通路径，该流体连通路径从进入歧管穿过所述换热管的内部到达排出歧管；

两个侧壁，所述两个侧壁在第一板与第二板之间延伸，所述两个侧壁容纳多个换热管并且在所述两个侧壁之间建立用于第二流体穿过的空间，其中，第二流体通过入口进入并且通过出口离开；

第二流体——热气体——的流动建立在入口与出口之间，贯穿由两个板和两个侧壁限定的空间。在优选的构型中，两个板彼此平行，并且各壁也彼此平行且垂直于两个板。通过该构型来限定具有矩形底座的棱柱体。。

换热管在两个板的腔室之间延伸，横跨由各板和各壁限定的内部空间。换热管相对于第二流体的主流的布置是横向的。

换热管交替地将第一流体流从第一板的一个腔室传递至第二板的另一腔室。第一腔室与第一流体的进入歧管连通。

从位于第一板中的一个腔室至位于第二板中的腔室或者从位于第二板中的一个腔室至位于第一板中的腔室的通道通过换热管。换热管定位成横跨第二流体流、即热气体。在通过换热管的该通道中，第二流体将其热量传递至第一流体。

最后一个腔室与收集呈过热蒸汽相的第一流体的排出歧管连通，并且将该第一流体带到导管中，该导管将该第一流体引导至其预期的应用。

第一流体进入时是呈具有较小比容的液相。可以通过一个或几个换热管输送必要的液体流。因此，两个板的第一腔室通过一个或一些换热管连接。

一旦升高液体温度的第一步骤过去，相变就开始，其中蒸汽的出现增大了比容。在特定腔室——即，预期在其中开始第二步骤的腔室——之后，将一个腔室与另一板的下一个腔室连通的换热管的数量较多，导致补偿所述比容增大的通道截面的增大，从而降低了速度和压降。

根据本发明的优选示例，腔室的连续布置根据第二流体、即热气体的运动方向排序，其中，横向路径也可以根据蒸发器的宽度以z字形构型绘制。因此，换热管的组件以非常紧凑和有序的方式布置，并且所述顺序不妨碍增加每个腔室的管的数量。

通过该构型，第一流体通过进入歧管进入第一腔室。第一流体从该第一腔室通过一个或更多个换热管传递至相对板的另一腔室。该第一流体交替地从一个板的腔室传递至另一板的腔室，能够增加将一个腔室连通至另一腔室的换热管的数量，以补偿因相变而引起的比容的增加。一旦达到最后一个腔室，该腔室与排出呈过热蒸汽的形式的第一流体的排出歧管流体连通。

另外，该蒸发器证明：

腔室中的至少一个腔室是向外表面打开并且通过附接至所述腔室的盖来封闭的腔。

制造蒸发器需要将如下部件组装在其最终位置的步骤：主要是板、壁和换热管，其中，硬钎焊膏已被包括在待被附接的部分的接触表面上。

所述部分的焊接通过所述部分的组穿过炉而实现，其中，硬钎焊膏的金属熔化从而附接相接触的表面。该熔化必须在受控气氛中进行。受控气氛的示例是那些使用主要由氢气和氮气形成的还原性气氛，或真空焊接。真空气氛有助于从待被焊接的装置内提取氧气。

炉的气氛是还原性气氛，并且其容易地流动至用于第二流体、即热气体通过的空间，其中，因为该空间较大，换热管横过该空间。

相反，炉的还原性气氛或真空气氛具有适合的至第一腔室和第一焊接部的入口，该第一焊接部在腔室的底部与附接至腔室的换热管之间；但是其余腔室需要曲折的通道，防止炉的气氛到达内部区域。

同样地，迁移至板的腔室中并且至换热管中的挥发性成分沿着等于由蒸发器利用的直至第一流体的入口歧管或出口歧管的路径长度的路径行进。

特别地，位于路径中点处的焊接区域需要穿过所有腔室和现有的换热管直至歧管，其中，该路径可以是由蒸发器采用的用于第一流体路径的一半。该路径对于循环气体而言非常长。缺乏还原性气氛或真空气氛的进入(access)，或难以释放氧气和产生的挥发性成分的困难意味着焊接被污染或未正确地形成。

该结果是可能甚至不能密封两个表面的有缺陷的焊接。

本发明通过限定通过板的外表面的至少一个敞开腔室解决了上述问题。该敞开腔室优选地位于路径的中间区域中。该敞开腔室不一定在中央位置，因为朝向路径的末端部处定位的腔室中换热管的数量的增加使得在位于第一流体的路径的开始处的腔室中形成较小截面的通道。

根据一些实施方式，所有腔室敞开并且具有盖。

一旦其余部分已被与通道焊接，盖可随后通过炉、通过使用任何焊接技术被焊接，焊接技术比如是硬钎焊、氩弧焊(tig)、惰性气体保护焊(mig)、激光等。

本发明提供额外的优点，因为其还允许腔室构造简单。腔室是除了例如通过交换管建立的流体连接之外封闭的腔。该封闭构型使得制造困难。

如将在示例中描述的，板允许通过叠置冲切的金属片材来制造。因此，腔室通过附接冲切金属片材构建，各腔室形成有敞开的腔，所述敞开的腔又被盖封闭。多个盖可以在穿过炉期间通过硬钎焊焊接，并且一个或更多个腔可以保持敞开以允许气体和挥发性成分的流通。

根据其他实施方式，一个或更多个盖具有通风开口。该开口允许所有盖在穿过其中蒸发器的其余部件被焊接的炉期间被焊接。一旦包括盖的所述部分通过硬钎焊被焊接，这些开口通过塞头或者通过其他类型的焊接被封闭，以确保包括通风开口的腔室的封闭。

附图说明

基于参照附图仅通过说明而非限制的示例给出的优选实施方式的以下详细描述，将更好地理解本发明的这些和其它特征及优点。

图1示出了本发明的实施方式的立体图。在该图中，为了更清楚起见，已经有意地将一些换热管从内侧移除。

图2示出了本发明的另一实施方式的示意性截面图，该示意性截面图允许观察蒸发器、两个板和一些腔室以及从一个板到另一个板的换热管的内部。在该实施方式中，与前述实施方式不同，第一流体的排气歧管形成在相对的板上。

图3a示出了另一实施方式的示意性截面的细节，该示意性截面允许观察通过堆叠冲切板制造的板的构造特征，其中腔室构造在该板中。

图3b示出了产生蒸发器的主要板中的一个主要板的冲切金属片材中的一个冲切金属片材的实施方式的俯视图。

图4示出了根据另一实施方式的板中的一个板的立体图，其中，腔室构造在该板中。

图5示出了从盖的外部观察到的、盖的另一实施方式的俯视图。

图6a、图6b和图6c示出了盖的不同示例的截面图。图6a示出了具有通风开口的盖的截面图，其中，所述截面穿过所述开口。图6b和图6c示出了没有通风开口并且带具有多种功能的外突出部的盖。

具体实施方式

根据第一创造性方面，本发明涉及一种用于将热量从热气体传递至液体的蒸发器，液体升高其温度，改变相并且作为过热蒸汽离开。

在实施方式中，被标识为第二流体的热气体是内燃发动机的排出气体。在这些实施方式中，第一流体是乙醇。乙醇以液相的形式进入蒸发器内部。从第二流体至第一流体的热量传递导致：在第一步骤中，第一流体的温度升高直到达到沸腾温度；在第二步骤中，第一流体改变相，使温度保持约等于沸腾温度；并且在第三步骤中，在气相中，温度进一步升高。

在该实施方式中，过热的乙醇蒸汽被用于兰金循环以产生机械能，回收来自内燃发动机的排出气体的部分热量。

如在图1和图2中示出的，根据本发明的实施方式，蒸发器由两个矩形板(1、2)形成，所述两个矩形板具有彼此间隔开且彼此平行的两个较长边和两个较短边。在附图中，平行的板(1、2)被描绘为沿附图的取向水平在上和在下。

板(1、2)的较长边通过呈平板形式的相应的侧壁(6)连接，该平板限制具有基本上矩形底部的棱柱形内部容积。这些侧壁(6)是在图1中被描绘为竖向的壁。

板的较短边对应于蒸发器的这样的端部：即，其中，第二流体的入口(i2)定位在一端部处，而出口(o2)位于相对端部处。第二流体的方向建立了在图2中标识为x-x'的纵向方向。

板(1、2)中的每一者具有多个腔室(1.1、2.1)。换热管(3)从板(1、2)中的一个腔室(1.1、2.1)延伸至另一板(1、2)中的另一腔室(1.1、2.1)。换热管(3)横向于第二流体的流动布置；即，横向于纵向方向x-x'布置。

每个腔室(1.1、2.1)具有换热管(3)，使得腔室(1.1、2.1)与另一板(1、2)的两个或更多个腔室(1.1、2.1)流体连通。腔室通过来自另一板(1、2)的腔室(1.1、2.1)的换热管(3)接收第一流体，并且该流体通过连接腔室的另一换热管(3)流向另一板(1、2)的另一腔室。

图2通过沿纵向方向x-x'使第一板(1)的腔室(1.1)和第二板(2)的腔室(2.1)偏置示意性地描绘了这种状态。

通过各腔室(1.1、2.1)的这种连接，第一流体顺序地穿过各腔室，通过换热管(3)从一个板(1、2)横跨至另一板。

根据在图2中描绘的截面图，第一流体流在第一板(1)与第二板(2)之间交替地沿着z字形路径从左向右移动。然而，可以存在沿如在图2所描绘的垂直于纸面的方向延伸的横向方向上的附加腔室(1.1、2.1)，使得在根据方向x-x'到达下一个腔室(1.1、2.1)之前，该路径也可以在第一板(1)与第二板(2)之间沿着z字形路径交替。

允许增加被输送的流的体积的另一选择是使用在两个腔室之间连通的两排或更多排管。

换热管(3)分布在由板(1、2)和具有横向于第二流体的主流动方向的取向的侧壁(6)限定的棱柱形容积内部。在第一板(1)与第二板(2)之间交替的路径中的第一流体所遵循的路径将取决于两个板(1、2)的腔室(1.1、2.1)如何叠置，叠置被理解为通过沿垂直于板(1、2)的中间平面中的任一者的方向的投影所获得的叠置。第一板(1)和第二板(2)中的、第一流体在其中交替穿过的各腔室(1.1、2.1)被示出为沿在垂直于两个板(1、2)的方向上的投影连续地叠置。

所述图2示出了第一板(1)的与进入歧管(4)流体连通的第一腔室(1.1)。第一流体的路径终止于第二板(2)的与第二出气歧管(5)流体连通的最后一个腔室(2.1)。

在图1示出的示例中，进入歧管(4)和出气歧管(5)在同一板(1)中，而在图2示出的示例中，进入歧管(4)和出气歧管(5)在不同的板(1、2)中。

在图2的实施方式中，板(1、2)具有通过机械加工构造的腔室(1.1、2.1)。对腔室(1.1、2.1)的机械加工产生诸如图4中示出的狭槽。在图2中，换热管(3)被描绘为平行的，并且在图4中，接纳换热管(3)的各孔偏置，造成交错分布。

狭槽中的每个由盖(7)封闭，从而在其中构成腔室(1.1、2.1)。根据一个实施方式，盖(7)通过机械加工以单个件获得，而在图2、图3a、图5、图6a、图6b和图6c中所示的示例中，盖通过冲压及冲切的金属片材构成。

图3a的细节示出了构造蒸发器的主要板(1、2)的替代方式。主要板(1、2)中的每一者依次由具有允许换热管(3)的各端部通过的孔口的第一单元板(1.2、2.2)以及具有构造腔室(1.1、2.1)的孔口的第二单元冲切板(1.3、2.3)形成，第一单元板(1.2、2.2)和第二单元板(1.3、2.3)彼此附接。

在该特定示例中，为了限制待被冲切的板的厚度，两个相同的冲切板被使用并且在之前堆叠以形成第二单元板(1.3、2.3)。由孔口形成的腔室(1.1、2.1)的期望的厚度、或者换句话说、腔室(1.1、2.1)的高度可以通过堆叠多个板(1.3、2.3)来获得。

图3b示出了具有产生腔室(1.1、2.1)的孔口的第二冲切板(1.3、2.3)。

在描述的示例中，无论狭槽是通过在板(1、2)上的机械加工操作形成还是通过堆叠第二冲切板而获得的，狭槽的内壁(1.1.1、2.1.1)都垂直于板(1、2)的主平面。

当通过冲切和冲压制造盖(7)时，盖(7)的各侧壁彼此平行并且靠抵腔室(1.1、2.1)的壁紧密地配装。通过垂直于盖(1、2)布置的这些壁来硬钎焊盖而进行的附接具有下述优点：当蒸发器处于运行模式时，内部压力将力施加在盖(7)的内侧，所述力具有倾向于移除盖的合力。该合力与通过硬钎焊所附接的各表面平行，并且产生的应力是剪应力。通过硬钎焊的焊接适于吸收这些剪应力，从而提高蒸发器的使用寿命。

盖(7)是长形的并且沿主方向构造。图5示出了塞头(7)的俯视图，其中，该塞头(7)具有已描述的、但是在该俯视图中未看到的竖向壁，并且具有带圆形端部的长形构型。长形构型沿该本图中的以虚线标示的主方向延伸。该盖(7)适于关闭图4中看到的敞开的腔以形成腔室(1.1、2.1)。

图6a、图6b和图6c示出了根据横向于盖(7)的主方向的平面的截面。根据该横截面，竖向壁根据半圆形的弧延伸，形成具有长的圆顶形形状的盖(7)的构型。在图1中在蒸发器的上部分中清楚地示出了该外观，其中，多个盖(7)彼此平行且横向于蒸发器的主方向x-x’分布。该分布与图4中所示的腔室(1.1、2.1)的分布相对应。

在运行模式中，第一流体的相变增加了其比容，并且由于第一流体被限制，腔室(1.1、2.1)内侧以及盖(7)内侧的压力升高。半圆形的弧形允许盖承受压力而不会在表面的未通过焊接而附接的部分中产生弯曲应力。该情况由于没有弯曲应力而允许使用最小厚度的盖(7)。

腔室(1.1、2.1)相对于蒸发器的纵向方向的横向布置使得板沿平行于板的主平面以及横向于纵向方向x-x’的方向的弯曲更容易。尽管图4未示出纵向方向x-x’，但是该方向是与板(1、2)的较长侧中的任一者的方向相对应的方向。

腔室(1.1、2.1)在第一板和第二板(1、2)中的分布与第一流体流沿纵向方向的运动的方向相对应。该流体的在入口处的温度低于在出口处的温度，从而换热管(3)的差异膨胀迫使板(1、2)弯曲。盖(7)的横向布置使得板更容易地响应于由这些差异膨胀施加的应力而弹性变形。

蒸发器的制造是通过将在需要焊接的所有位置处包含有硬钎焊膏的所有部件进行组装来执行的。使第一板的腔室(1.1)和第二板(2)的腔室(2.2)的流体连接交替的、由换热管(3)施加的弯曲路径使炉的还原气氛的进入以及炉中由于一部分硬钎焊膏的组分和内部氧气的蒸发而产生的挥发性成分的离开两者变复杂。

随后，盖(7)允许被包括在腔室(1.1、2.1)中的至少一个腔室中。该随后的包括过程需要第二焊接操作，该第二焊接操作不一定是通过硬钎焊。

图5示出了通风开口(7.2)。通过该通风开口(7.2)，可以在蒸发器通过炉之前将所有盖(7)包括在腔室(1.1、2.1)中以通过硬钎焊实现焊接。挥发性成分通过开口(7.2)离开，从而防止内部压力的增加。

一旦盖(7)被焊接，则通过焊点或焊缝或塞头来封闭开口，从而保证被盖(7)封闭的腔室(1.1、2.1)的密封度。

如上所示，图6a示出了在其上部部分中具有通风开口(7.2)的盖(7)的截面图。

图6b示出了具有外突出部(7.3)的盖(7)的截面，该外突出部(7.3)构造成用作板(1、2)的外表面上的止挡部。实现该外突出部(7.3)的一种方法是通过冲压工具中存在的突出部或冲头。

图6c也示出了具有外突出部(7.4)的盖(7)。图6b的外突出部(7.3)的构型示出了有助于支承在板(1、2)的外表面上用作止挡部的楔形形状。

在该图6c中，各外突出部(7.4)的取向是相反的，并且楔形的形式允许进入形成腔室(1.1、2.1)的板(1、2)的狭槽中，而施加摩擦力抵靠所述狭槽的竖向壁。这种突出部(7.4)有助于通过摩擦将盖(7)保持在狭槽内侧，从而当其通过所述盖(7)封闭时形成腔室(1.1、2.1)。

狭槽的竖向壁与板(1、2)的外表面之间限定的边缘可具有周缘突出部(图中未示出)。该凹部允许突出部(7.4)与图6c中所示的相似，具有朝向盖(7)的基部导向的楔形形状，使得更容易进入狭槽；克服狭槽的边缘的周缘突出部，但是一旦其克服则防止其离开。该突出部因此构造成确保在装配过程期间插入的盖(7)不会出来直至所述盖(7)被在钎焊炉中焊接为止。