热交换单元以及相应的热交换器、热交换单元的制造方法与流程

技术领域

本发明涉及一种热交换单元以及包括该热交换单元的相应热交换器。本发明还涉及制造热交换单元的方法。

本发明特别适用于机动车热交换器领域，特别是空调循环中的内部热交换器，其中，高压高温的冷却剂与低压低温的相同制冷流体进行热交换。

背景技术：

已知的机动车热交换器由平行设置的一排或多排管束构成，这些管子用于冷却剂循环通过交换器。

以已知的方式，所用的管子钎焊在插件构成的热交换元件上，该插件位于管子之间。通常，这些插件具有波纹状的表面，管子在波纹的顶点钎焊在插件上。

US2003/0066636A1公开了一种用于热交换器的管子，其包括两排平行设置的多个通道。采用两排通道同时挤压的方法形成该管子。

然而，同时制造两排管子的这种技术缺乏灵活性。而且，这种管子不能优化通道排之间的热交换。最后，由于同时构造两排通道，集流箱在管子端部处的装配非常复杂。这样导致了装配所有的管子耗时较长又昂贵，影响热交换器的装配和成本。

技术实现要素：

由此，本发明意图以最低成本提供热交换单元在热交换器中的简化装配。

为了达到这个效果，本发明的目的是一种第一流体和第二流体之间的热交换单元，其特征在于，其包括：

-至少一个内管，具有用于第一流体循环的多个第一纵向内部通道，

-中空的外壳，在其中容纳所述内管，以及

-至少两个肋壁，设置在所述内管任一侧，所述肋壁与所述内管以及所述外壳接触，从而限定用于第二流体循环的多个第二纵向通道，所述第二通道与第一通道基本上平行地延伸。

这种单元的制造和装配简单，由于内部管子和外部管子之间具有接触点，并且第一流体夹置在两层第一流体之间，提供了优化的热传递质量。从而轻松地增加热交换表面。

有利地，所述内管实施为板的形式，所述外壳具有大体中空的平行六面体形式，外壳具有在肋壁之间延伸的两个侧壁。

进一步有利的是，内管是挤压管。外壳限定也通过挤压成型的管。这样为采用二氧化碳式的超临界制冷流体的这种单元提供了所需的高抗压性能，其中，爆裂压力能达到200至300巴。

可替代地，外壳采用带制造，例如用于具有较小压缩应力的空调回路。

根据第一替代方案，肋壁的至少一个具有至少一个肋，所述肋通过肋的平端与内管接触。因为平端与内管外壁之间具有足够的接触表面，所以能提供良好的附连。

侧壁具有局部变形部，即，朝向外壳的内部弯曲的缺口。这个特征便于外壳的压缩步骤。缺口由此在外壳的压缩步骤以前为“V”形截面，在所述压缩步骤之后分支接触而为“U”形形式。

本发明还涉及一种热交换器，包括例如如上限定的至少一个热交换单元。

所述交换器包括流体的至少一个引入集流箱和至少一个排出集流箱，所述集流箱分别包括：

-第一收集器，其与第一流体关联，并连接至所述内管的相关联端部，和

-第二收集器，其与第二流体关联，并连接至所述外壳的相关联端部，所述收集器以密封的方式隔开。

有利的是，所述集流箱在横截面上具有基本上呈“8”的主形式，该“8”的第一环和第二环分别限定第一收集器和第二收集器，该“8”字的共用于两个环的部分具有开口，用于相关联端部的通过。

可替代地，该热交换器包括流体的至少一个引入集流箱和至少一个排出集流箱，所述集流箱分别包括连接至所述内管的相关联端部的单个收集器，用于引入和排出第一流体。

所述内管的相关联端部从所述外壳的任一侧凸出。

最后，本发明涵盖一种制造第一流体和第二流体之间的热交换单元的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

A)在中空的外壳内设置至少一个内管，所述内管具有用于第一流体循环的多个第一内部平行纵向通道，且在所述内管的纵向外表面的任一侧设置有至少两个肋壁，以及

B)压缩所述外壳以便减小所述外壳的容积，直至所述肋壁与所述内管以及所述外壳接触，以便限定用于第二流体循环的多个第二纵向通道，所述第二通道与第一通道基本上平行地延伸。

在该方法中，所述肋壁通过肋形成在所述外壳的内表面上。或者，所述肋壁通过肋形成在所述内管的外表面上。

有利的是，内管预先通过挤压步骤形成。

外壳和肋壁预先通过共用的挤压步骤形成。

可替代地，所述肋壁或肋通过折叠金属带形成。

该制造方法包括一步骤，其中，所述外壳的内表面通过胶合或钎焊固定到所述内管的外表面，以便优化附连。

根据一替代方案，大致在外壳的侧壁的中部设置朝向所述外壳的内部弯曲的缺口，以便促进压缩外壳的步骤B)。

这种方法使得用多个循环通道替代组装在一起的多个管子而获得单个热交换单元，从而减少了要被装配在热交换器中的部件数量，并减少了泄露的风险。

此外，循环通道的设置使得可以改善两流体之间的热交换。

附图说明

本发明的其它特征和优点通过下文结合附图以实施例的方式进行非限定性描述而得以体现。其中：

－图1是常规的空调回路的示意图，

－图2a是根据第一实施例的热交换单元的横截面图，

－图2b是根据第二实施例的热交换单元的横截面图，

－图3是图2a所示的热交换单元的内管，

－图4是图2a所示的热交换单元的外壳，

－图5a至5c部分地示出了根据第一实施例的图2a所示的连接至集流箱的热交换单元，

－图6a至6b部分地示出了根据第二实施例的图2a所示的连接至集流箱的热交换单元，

－图7示出了图2a所示单元的制造方法的相继步骤，和

－图8示出了图7所示方法的步骤中的图2a所示的热交换单元。

在这些图中，基本上相同的元件都采用相同的附图标记。

具体实施方式

本发明涉及在第一和第二流体之间的热交换单元，该热交换单元尤其被用在例如机动车的空调回路中的内部热交换器中。

内部交换器是一种装置，允许制冷流体与在温度的和压力的不同状态下的该相同流体进行热交换。

制冷流体通常是在亚临界速度下运行的含氯和含氟流体，例如流体R-134a。然而，制冷流体也可以是超临界流体，例如已知的标为R744的二氧化碳。

如图1所示的空调回路1，沿着制冷流体的循环方向，通常包括压缩机3，冷凝器或气体冷却器5，内部交换器7，膨胀构件、校定孔或膨胀装置9，蒸发器11和蓄积器或干燥瓶13，这些不同元件通过连接部件(如管子、管路、或管道等构件)相互连接，从而提供制冷流体的循环。

在图1中，箭头示出了制冷流体的循环。

压缩机3送出的制冷流体以高温高压状态通过冷凝器5。然后制冷流体通过内部交换器7，随后在膨胀装置9中膨胀。如此膨胀的流体被送向蒸发器11，在以低压低温状态进入内部交换器7之前通过该蒸发器。干燥瓶13可被插置在冷凝器5和内部交换器7之间。

内部热交换器7以一种方式进行设置，即，冷却剂沿一个方向以高温高压(第一流体)通过该热交换器，且冷却剂沿另一个方向以低温低压(第二流体)通过该热交换器。因为空调回路1是闭合环路，所以这是单一并且相同的流体。因而，从冷凝器5出来的高压热流体与从蒸发器11出来的低压的同种冷流体进行热交换。换言之，内部交换器7提供了制冷流体在空调回路的两个不同处的热交换。

在热交换器7的出口处，流体再次到达压缩机3，并同样地继续。

这种交换器7可以包括一个或几个如图2a所示的热交换单元15。

该热交换单元15包括：

－内管17，

－中空外壳19，形成用于内管17的壳体，和

－至少两个肋壁19a，在内管17任一侧。当壁19a包括在外壳19和内管17之间建立机械关系的至少一个突起或肋27时，壁19a被称为肋壁。

可替代地，热交换单元15可以设有插入到共用外壳19内的几个内管。在同一个外壳19内带有两个内管17’和17”的可替换实施例如图2b所示。

在图2a所示的实施例中，内管17以外表面基本顺滑的板的形式实施。

内管17(图3)包括用于第一流体循环的多个第一纵向通道21，例如根据基本上为柱体的形式。这些通道21相互之间平行设置，被内管17的纵向隔板23隔开。

所述内管17具有薄壁，这可限制热交换单元15的重量，并改善热交换。

此外，流体循环采用带有多个通道21的单个管17的实施使得可以减少与分别限定流体循环的单个通道的多个管子或板相关的部件数量，从而便于装配。内管17由此可通过挤压铝或铝合金的方法制得。

通过附图4更清楚地看到，外壳19具有例如大体上为中空的平行六面体的形状，并包括用于插入内管17的孔25。外壳19实际上包括四个所谓的内肋壁，肋27在该内壁的基部处沿着内管17的方向延伸。

如图2a和4所示，外壳19的纵向内表面是肋壁19a，其中多个肋27以平端50终止，所述肋附连至内管17的表面或外壁，以便限定用于第二流体循环的多个第二纵向通道29。这些第二通道29在内管17和外壳19之间与第一通道21基本上平行地延伸。

通过第二循环通道29的第二流体直接接触内管17，这优化了与第一流体的热交换。

为了限制热交换单元的重量以及改善热交换，外壳19也具有薄壁，厚度例如为0.2mm至0.5mm。

而且外壳19在外壳19的侧内壁的大致中部处具有所述侧壁上的局部变形部。

在所示实施例中，外壳19的局部变形部通过朝向外壳19的内部弯曲的缺口41形成。朝向外壳19的内部弯曲的该缺口41设置在外壳19的侧壁51上，所述侧壁在肋壁19a之间延伸。缺口41由此在外壳19的整个长度上形成褶皱部(fold)。这些缺口的作用是促进压缩步骤(下文将详述)，从而降低外壳19的内部容积，以便使其与内管17的外壁或周壁接触。

外壳19由铝制造，通常例如通过挤压的方法制得。

替换地，外壳19利用铝带通过冲压制得。在这种情况下，两个缺口41之一沿长度方向被切割，以便将两个肋壁19a分开。另一个缺口41则被用作铰链部，以将第一肋壁19a折到相对的第二个肋壁上，这样夹置内管17。

根据一可替代方式，为了限定第二通道29，肋壁和外部顺滑的壳19的内表面可设置为形成在内管17的外表面上。这一替代方式尤其用于上文所提到的采用铝(或铝合金)带来制造外壳19。

根据另一可替代方式，在钎焊前可通过单独的部件来形成这些肋壁，例如通过折叠金属带。这种替代方式使得外壳和内管的简化实施成为可能。

所以这样的热交换单元可以很容易地装配在热交换器中，从而减少了部件的数量。

图5a至6b示意性地示出了诸如上述的连接至集流箱(manifold block)的热交换单元，例如内部热交换器7的集流箱。这些图中，在左侧示出的部分具有在右侧未示出的对称部分。

所述的交换器7可包括至少两个集流箱31，一个集流箱用于引入流体，一个集流箱用于排出流体。这些集流箱31可由金属材料制成，例如铝或铝合金，或者用塑料制成。

图5a至5c示出了具有流体闭合回路的第一实施例。

根据该第一实施例，集流箱31包括：

－第一收集器33，用于引入或排出第一流体，以及

－第二收集器35，用于引入或排出第二流体。

这些收集器33和35以密封方式被隔开，且分别限定与内管17的相关联端部37和外壳19的相关联端部39相通的腔室。这些收集器33和35的内部容积分别与第一通道21和第二通道29相通。

两个收集器33和35可并排设置，例如第一收集器33设置在第二收集器35的上游。

图5a至5c中示出了实施两个收集器的不同方式。

例如在图5a中，集流箱31大体上为平行六面体的主形式且具有两个收集器33、35，所述收集器带有大体的柱形部分，例如通过挤压的方式形成。

在图5b中，两个收集器33和35通过两个并排的柱体形成，在图5c中，通过两个隔开的柱体形成。

每个收集器33、35都包括开口，所述开口的形式与端部37或39的形式互补，在此为大体长方形的主截面(general section)，用于接收内管17的相关联端部37和外壳19的相关联端部39。

这样，集流箱31在横截面上具有大致为“8”的主形式，该“8”的第一环31a限定第一收集器33，第二环31b限定第二收集器35。

此外，从图5a至图5c可以看到，共用于“8”的两个环31a和31b的部分31c具有开口，用于相关联端部37、39的通过。在所示实施例中，内管17的端部37穿过第二收集器35从而连接至第一收集器33。

为了达到这个效果，内管17的端部37相对于外壳19的端部39凸出。这样使得可以简单且独立地将内管17的端部37和外壳19的端部39分别连接到第一收集器17和第二收集器19。

由于省略部分是对称的，可以理解的是内管17的两个相关联端部35在外壳19的任一侧凸出。

根据没有示出的可替换方式，两个收集器33和35可彼此重叠放置。

此外，端部37和39上可设置焊料板(solder plate)，用于通过钎焊而固定至收集器33和35。

替换地，图6a和6b所示的第二实施例，示出了用于第一流体的闭环回路，用于第二流体的是敞开的。

根据所述的第二实施例，集流箱31分别包括单个的收集器33，内管17的相关联端部37固定至该收集器，用于引入和排出第一流体。

而且，以公知的方式，收集器在它们的端部处分别包括用于引入和排出流体的管路。

参考图7，描述了制造这样的热交换单元15的相继步骤。

预先，选择用作用于实施内管17的基材，例如铝或铝合金。

在预备阶段制造内管17。进行挤压，例如以便形成第一流体循环的第一通道21(参见图3)。

同样地，选择用作用来实施外壳19的基材，例如铝或铝合金，然后外壳19以管的形式实施，该管经由挤压实施。然后，例如通过挤压，在外壳19中形成内孔25。替换地，采用带实施外壳19，该带大致在其中心处折叠，即在其中一个缺口41的位置。孔25也由此得以改造(recreate)。在这个采用带的替代方案中，内管17能够从侧部引入，即根据内管17相对于保持敞开的缺口41垂直位移。

在一替代方案中，其中，外壳19通过挤压实施，孔25被设计为接收内管17，并且为此目的，其具有与内管17的形式互补的形式。

然后，例如在外壳19的纵向内壁19a上形成有多个肋27，(参见图4)。有利地，挤压步骤期间，这些肋27与外壳19同时制造。

在第一步骤A期间，内管17插入孔25(图8)中。在所示实施例中，内管17沿着与第一通道21和第二通道29平行的插入轴线插入外壳29，这样内管17的纵向壁和外壳19的纵向壁相互平行。

如图8所示，内管17的纵向外壁17a和设置在外壳19的纵向内壁19a的肋27的端部50之间存在第一空隙G1。同样，在内管17的外侧壁17b与外壳19的缺口41的内表面之间存在第二空隙G2。第一空隙G1和第二空隙G2的存在使得很容易将内管17插入外壳19。第一空隙G1和第二空隙G2在0.05mm和0.3mm之间。

此外，通道21和肋27平行于纵向方向的设置使得第一和第二流体平行循环、顺流(co-corrent)或逆流(counter-corrent)。

最后，在第二步骤B期间，压缩外壳19，以减小外壳19的容积，例如通过压制(press)或滚压(roll)来压缩。

实际上可以观察到，在压缩前外壳19具有第一高度H1，压缩后(见图2a或2b)外壳19具有相对于第一高度H1减小了的第二高度H2。

在压制或滚压步骤前，缺口41具有“V”形截面，但是在压制或滚压后，分支接触从而缺口具有“U”形截面。

热交换单元由此尺寸减小，使得可以减小热交换器的尺寸。

此外，外壳19压缩之后，外壳19的内壁19a附连至内管17的外壁，从而优化了热交换。肋27的端板50由此极佳地顶靠内管的外壁，从而限定每个第二通道29。

这样，在压缩的第二步骤B中，外壳19的具有该缺口41的侧壁，朝向内部变形，以便接触内管17(见图8)，使得外壳19的内表面和内管17的外表面经由肋27的端板50和/或经由缺口41的端部附连。

一旦整体被压缩以后，在外壳19上看不到变形部。因此，除了用于连接“U”形缺口41的两个分支的边缘以外，外壳19的侧壁51由此具有顺滑的表面(见图2a、2b)。

此外，在压缩步骤B后，为了优化内管17和外壳19之间的附连和密封，可设置一步骤，其中，例如通过钎焊或胶接，将外壳19的内壁19a、19b固定到内管17的外壁17a、17b。侧壁51也可被焊接或钎焊在内管17上。

如此实施的热交换单元15使得可以优化两流体之间的热交换。

一个或几个热交换单元15可被装配到集流箱，以便装配热交换器。

所有的热交换器可被放入适当的钎焊炉(brazing furnace)中，从而在一次操作中钎焊要被固定的各个部件，例如内管17的端部37和外壳19的端部39与集流箱33、35，或者内管17的外表面与外壳19的内表面。

可以理解的是，这种热交换单元15可被实施为简单且容易地连接至集流箱33、35，可优化热交换器温度(temps)，和装配热交换器的费用。