管道与管板间的连接结构及管式换热器的制作方法

本实用新型涉及一种管式换热器，尤其是用于工程机器的管式换热器，具体地涉及换热器管道与管板间的连接结构。

背景技术：

对于工程机械例如船用机械，通常采用涡轮增压器来压缩空气以增强空气到发动机气缸中的引入。涡轮增压器增加了进入发动机的空气的密度以产生更多动力。而离开涡轮增压器的空气温度很高(通常超过200℃，甚至高于300℃)，过高的增压空气温度可能导致爆震，这对于发动机很有害。因此，在涡轮增压器和发动机之间设置有用于冷却从涡轮增压器供应到发动机的增压空气的增压空气冷却器(CAC)。增压空气冷却器典型地设置成管翅式换热器。在该增压空气冷却器中，冷却水流过沿着该增压空气冷却器的长度在第一方向上延伸的管道，来自涡轮增压器的待冷却的增压空气在垂直于第一方向的第二方向上穿过该增压空气冷却器并与管道内冷却水进行热交换，由此，经降温的增压空气从该增压空气冷却器离开进入到发动机，由此提高发动机的燃烧效率并降低废气排放。

传统的管翅式增压空气冷却器中，管道与管板之间通过胀接工艺固定连接。尤其是对于燃气发动机的应用场合，离开涡轮增压器的空气处于高温高压状态，在该高温高压的空气流入增压空气冷却器时，高温空气与流入增压空气冷却器的通常低于100℃(某些情况下甚至低于40℃)的冷却水之间存在很大的温度差，而管道两端被管板固定，因此导致管道与管板之间的连接结构存在有很大的应力，容易出现管道或管板断裂并出现泄漏。

现有技术例如CN203687743U和CN202442636U中也给出有用于实现管道与管板之间的连接的多种技术方案。但是，这些技术方案都只是从连接容易程度和密封效果等方面进行改善，所描述的连接结构并不能从根本上解决管式换热器中管道和管板之间的应力问题。

技术实现要素：

本实用新型旨在解决上述现有技术中的问题，即提出一种换热器管道与管板间的连接结构，其使得能够有效降低管道和/或管板因应力升高而断裂的风险。

根据本实用新型的一方面，提供了一种换热器管道与管板间的连接结构，其特征在于，包括：管板中的构造用于供管道插入穿过的管孔，所述管孔包括台阶孔，所述台阶孔具有大孔径部分、小孔径部分以及位于大孔径部分与小孔径部分之间的台肩，在管板的整个厚度上，所述管孔的内径大于管道的外径；压紧套筒，该压紧套筒围绕所述管道同轴地固定设置在所述台阶孔的所述大孔径部分中，并与所述管道之间形成有空隙；和位于所述台肩和所述压紧套筒的一端部之间的密封部件，所述密封部件围绕所述管道设置并在所述管道与所述管孔之间形成用于密封的屏障。

根据本实用新型的连接结构，管板和管道之间的连接不再受到应力的困扰，而是不存在密封损失，此外，组装方便、简单。

有利地，相比于所述台阶孔的小孔径部分，所述大孔径部分更靠近管道的端部，所述台阶孔的大孔径部分在管板的靠近管道的所述端部的外侧面开口。通过此构型，有利于压紧套筒的安装。

有利地，所述压紧套筒通过压配合设置在所述大孔径部分中。

有利地，所述压紧套筒的远离密封部件的一端与管板的所述外侧面平齐。这样，有利于集管箱的流体的分流和引导。

另一方面，本实用新型提供了一种换热器，包括多个管道和位于管道端部并与管道连接的管板，管道内的第一流体与管道外的第二流体进行热交换，其中至少一个管道在至少一个端部通过上述的连接结构与管板连接。

有利地，沿着第二流体的流动方向位于上游的一部分管道在其端部通过所述连接结构与管板连接。这是因为通常沿着第二流体的流动方向位于上游的管道的内外流体温差较大并因此应力很大。

有利地，所述一部分管道的数目约占管道总数的1/3。

有利地，所述管式换热器为管翅式增压空气冷却器。

根据本实用新型的管板与管道之间的连接结构使得管式换热器能灵活设计以适应于不同的换热温差和不同的应用场合，有效避免现有连接结构中的应力问题，并且，组装简单、方便，密封性可靠。因此，根据本实用新型的管式换热器寿命延长，并且应用范围更广。

附图说明

下面参照附图说明本实用新型的优选实施例，在附图中：

图1是根据本实用新型的管式换热器的立体示意图；

图2是根据本实用新型的管式换热器的纵向截面视图，为了简化清楚起见未示出管道之间的翅片，其中示出管道端部与相应管板之间的固定连接结构的细节A的放大视图和根据本实用新型的位于管道端部与相应管板之间的连接结构的细节B的放大视图；以及

图3是根据本实用新型的管式换热器的管板的侧视图，其示出根据本实用新型的连接结构在管板中的分布情况。

具体实施方式

图1中示出根据本实用新型的管式换热器1的透视图，其中管式换热器1包括：换热芯体10，包括限定沿第一方向(例如图示的X方向)延伸的第一流体(例如冷却水)流动通道的多个管道101和限定沿第二方向(例如图示的Y方向)延伸的第二流体(例如空气)流动通道的翅片(未在图中示出)，其中第一方向和第二方向交叉，例如成90度；和位于所述多个管道的端部并与至少部分的第一流体流动通道流体连通的第一集管箱20和第二集管箱30，所述集管箱构造用于容纳第一流体并对第一流体进行分流和导流，以使第一流体按照预先设计的流程流过所述管道。例如，在图1中所示的实施例中，第一流体在换热器中呈S形迂回流过所有流动通道(即总体共有3个流程)。当然，本领域技术人员可以想到，第一流体可以以单流程(即从位于管道一端的第一集管箱直接流入所有管道并从所有管道流出、接着从位于管道另一端的第二集管箱直接流出)或更多的流程流过换热器。在第二方向上，第二流体进入第二流体流动通道、掠过管道的外表面并进而与管道内的第一流体进行热交换，接着，经降温的第二流体从换热器流出。

集管箱在与管道端部的连接处设置有管板200。如图2所示，管板200具有一定的厚度。管板200上设置有用于插入穿过管道101的管孔201。图2中的细节A显示的是管道101通过胀接工艺与管板200固定连接，因此，管道101与管板200上的相应管孔孔壁之间不能产生相对于移动。

图2中的细节B显示的是根据本实用新型的连接结构。在图2示出的连接结构中，管板200中管孔201包括一个台阶孔。在图示的实施例中，台阶孔具有一个大孔径部分201a和一个小孔径部分201b。大孔径部分和小孔径部分之间形成有台肩2011。大孔径部分的深度和小孔径部分的深度之和为管板的厚度。管道插入穿过管孔。在管板的整个厚度上，管孔的内径大于管道的外径。有利地，大孔径部分比小孔径部分更靠近管道101的端部。如图所示，台阶孔的大孔径部分在管板的靠近管道端部的外侧面开口。在管孔的大孔径部分201a中例如通过压配合固定设置有压紧套筒40。压紧套筒围绕管道同轴地固定设置在大孔径部分中。有利地，压紧套筒通过压配合压入到大孔径部分中与大孔径部分形成过盈配合，由此使得压紧套筒被固定地保持在大孔径部分中。压紧套筒与管道之间形成有空隙。在压紧套筒40的一端部与台肩2011之间设置有密封部件50，例如O形圈。密封部件50围绕管道101设置并且在外周面与管孔内壁(即大孔径部分的内壁)形成密封接触，并且在内周面与管道的外周面形成密封接触，由此在管道与管孔之间形成一道用于密封的屏障。有利地，压紧套筒的远离密封部件的端部与位于大孔径部分的开口侧的管板表面平齐。

台阶孔的小孔径部分201b的内径和压紧套筒40的内径大于管道101的外径，由此在管道的除了与密封部件密封接触的区域之外的区域形成有环绕管道的环形空隙，由此允许管道101由于热胀冷缩而相对于管板200的管孔壁移位。

根据本实用新型的上述连接结构中，利用管板200保持管道101的端部的同时允许管道端部沿着第一方向在管板200的管孔201中小幅度移动，由此管道的该端部形成“浮动端”。

参见图3所示，其示出了管式换热器的管板200的侧视图，在图3中以粗线圈出的区域C中，管孔与管道之间采用根据本实用新型的连接结构来进行连接。也就是说，落入所示区域中的管道101以“浮动端”的方式附接到管板200上。该区域C可称为“浮动端部区域”。在图3所示的实施例中，“浮动端部区域”沿着第二流体的流动方向位于管板的上游部分。也就是说，沿着第二流体的流动方向位于上游的一部分管道在其端部通过根据本实用新型的连接结构与管板连接。优选地，管板200上的“浮动端部区域”的面积约占管板的总有效区域的面积的1/3，该总有效区域对应于管板上的与空气流经的所有管道相关联的管孔所在的区域。如图所示，管板的总有效区域由沿空气流动方向的管孔分布长度L和沿换热器的高度方向(即图1中Z方向)上的管孔分布高度限定。按照另一种计算方法，在整个管式换热器中，具有“浮动端”的管道的数目约占管道总数的1/3。

优选地，对于能够沿第一方向移位的管道101，其至少一个端部设置成“浮动端”。当管道101仅仅只有一个端部以“浮动端”方式连接到管板200时，该管道的另一端可以以如图2中细节A所示的常规构型固定。

虽然图示的实施例中管式换热器为管翅式换热器，但是，本领域技术人员容易想到根据本实用新型的连接结构也可用于其他管式换热器，例如管壳式换热器，只要这些换热器中的管道与管板之间存在有需要因热胀冷缩而发生移位的需求。

此外，虽然图中仅示出了具有一个大孔径部分和一个小孔径部分的台阶孔，但是，本领域技术人员容易想到，管板中的管孔也可设置成具有多个台阶孔，此外，本领域技术人员容易想到，压紧套筒也可以设置成具有与多于两个的孔径部分相配合的外周面轮廓。压紧套筒也不仅仅局限于通过压配合来固定设置在大孔径部分中，例如，可通过卡接等方式将压紧套筒固定在管孔中，只要其能起到轴向固定密封部件的作用即可。

另外，虽然上文中以增压空气冷却器中使用的介质对管式换热器的工作原理进行了说明，但是，本领域技术人员容易想到，根据本实用新型的管式换热器不限于增压空气冷却器的使用，即管式换热器中使用的介质不限于冷却水和空气，而是可以有很多各种其他介质的组合。

工业适用性

为了更好地理解本实用新型，下面以图示的管式换热器为例，对本实用新型的连接结构的组装步骤进行介绍：

第一步，管道101的两端分别穿过各自的管板200上的管孔201，其中，在设计成台阶孔的管孔中，相比于小孔径部分，大孔径部分的开口侧更靠近相应的管端，通过胀接工艺将管道的设计为“固定端(非浮动端)”的端部固定连接到管板上；

第二步，在设计成台阶孔的管孔中，将密封部件围绕管道套入到大孔径孔部分中，使得密封部件抵靠在管孔的台肩上；

第三步，将压紧套筒的一部分套在管道上并敲入到管孔的大孔径部分中，使其伸入到管孔的一端与密封部件之间保持1～2毫米的距离，接着对管道101进行胀管，使得管道外周面与密封部件的内周面之间和密封件的外周面与管孔的内周面之间形成密封接触，达到密封部件的密封要求；和

第四步，将压紧套筒进一步敲入管孔的大孔径部分中与密封部件形成抵靠，直至压紧套筒的外端与管板的靠近管道端部的外侧面保持平齐。

从上述组装工艺中可以了解，由于压紧套筒的内径和管孔的小孔径部分的内径稍微大于管道的外径，除了密封部件与管道相抵靠接触的区域之外，在管道的外周形成有环形空隙，允许管道由于热胀冷缩而相对于管孔的内壁出现蠕动移位，同时不会损失管孔与管道之间的密封。

根据本实用新型的连接结构和管式换热器不限于本申请中提到的船用机械，其所适用的机器可以为包括作为动力系统的发动机系统以及与该发动机系统相关联的冷却系统例如增压空气冷却器的机器。该机器可以是执行工业、农业、采矿等领域的作业的任何机器，例如移动式机器，尤其是车辆，例如工程机械。所述各种机器例如挖掘机、装载机、平地机、推土机、非公路卡车、轮式牵引铲运机等都可受益于本文所公开的内容。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对本领域的技术人员而言，可以在不偏离本实用新型的范围的情况下对本实用新型的装置做出多种改良和变型。本领域的技术人员通过考虑本说明书中公开的内容也可得到其它实施例。本说明书和示例仅应被视为示例性的，本实用新型的真实范围由所附权利要求以及等同方案限定。