专利名称：防风雨的热交换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热交换器，本发明尤其涉及一种紧凑的、防风雨的散热器。
背景技术：
当然，热交换器广泛地用于各种各样的不同应用中。散热器例如用来把热量从冷却剂流体排出到环境大气中，在那里，流体在热产生装置和排出热量的散热器之间进行循环。汽车散热器是公知的例子，在这种散热器中，冷却剂流过汽车发动机从而吸收发动机工作所产生的热量，然后，加热过的冷却剂流过散热器(在那里，借助与通过散热器外表面的环境大气进行热交换(即排出热量到环境大气中)，使它被冷却)，然后返回到发动机(在发动机中，冷却过的冷却剂又从发动机中吸收热量)。
在包括汽车应用在内的许多应用中，用作冷却剂的流体不仅可以承受高温，而且还可以承受极低的温度。因此，例如，用在汽车发动机舱中的冷却剂不仅承受它所要冷却的零件所产生的热量，而且还可以承受冬天的低温。由于在这些条件下的冷却剂流体的冷冻可以产生灾难性的结果，这些结果尤其包括可以损坏零件，因为冷冻的流体在受限制的的空间内进行膨胀(就像留在冷冻机中的苏打瓶一样)，因此常常使用这样的冷却剂流体这些流体专门形成为在预期所能碰到的环境温度的范围内不会冷冻。
当然，这些专门形成的冷却剂流体的费用非常贵。而且，形成为在一定温度下不会冷冻的流体还具有使它们不适合于一些应用的其它腐蚀物和其它特性。例如，在一些燃料电池中，如在质子交换膜(PEM)燃料电池中，去离子(DI)水优选地用来冷却。但是，许多环境中的这种水可能碰到引起水冷冻的温度。
本发明的目的是克服一个或者多个上述的问题。
发明内容
在本发明的一个方面中，热交换器设置来冷却来自燃料电池的流体，该热交换器包括纵向上部顶盖箱和下部顶盖箱，其中下部顶盖箱中的纵向挡板限定出第一和第二纵向室。该挡板包括允许受限制的流体流量通过其中的旁通孔。真空断开阀位于上部顶盖箱和环境之间，而该阀具有两个作用1)在一般的工作模式期间，产生防泄漏密封，从而防止顶盖箱的压力释放；及2)在排出模式期间，在顶盖箱和环境之间产生空气通道，从而允许顶盖箱的真空解除。借助第一多个平行垂直管来限定出第一管排，该第一管排在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第一纵向室之间进行延伸，借助第二多个平行垂直管来限定出第二管排，该第二管排(tube row)在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第二纵向室之间进行延伸。冷却流体入口与第一室相连通，而冷却流体出口与第二室相连通。
在本发明这方面的一种形式中，真空断开阀可以防止热交换器内的压力下降到基本上小于周围环境中的压力。
在本发明这方面的另一种形式中，旁通孔被定尺寸成在工作期间使传热效果(impact)最小化，并且在关闭时允许流体排出。
在本发明这方面的另一种形式中，一些散热片设置在该多个垂直管之间。在另一种形式中，这些散热片可以是百叶窗板式的和/或盘旋形的。
在本发明的这个方面的另一种形式中，入口和出口中的一个包括从室开始延伸通过挡板的管子，它与该管子相连通并且通过另一个室。在另一个形式中，入口和出口中的该一个是延伸通过第一室的出口。
在本发明这方面的另一种形式中，流体是去离子水。
在本发明这方面的另一种形式中，当流体没有流入到入口中时，第一管排中的流体被排到下部顶盖箱中。
在本发明这方面的另一种形式中，真空断开阀是单向阀，它可以防止压力从热交换器释放到环境中。
在本发明的另一个方面中，提供了一种热交换器，该热交换器包括上部顶盖箱和下部顶盖箱，位于下部顶盖箱中的、通常是垂直的挡板在下部顶盖箱中限定出第一和第二纵向室；单向阀；两个管排；通到第一室中的冷却流体入口；及第二室的冷却流体出口。挡板包括旁通孔。借助第一多个平行的、通常是垂直的管来限定出这些管排中的第一个管排，这些管子在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第一纵向室之间进行延伸。第二管排由第二多个平行的、通常是垂直的管子来限定出，而这些管子在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第二纵向室之间进行延伸。单向阀具有两个作用1)在一般的工作模式期间产生了防泄漏密封，从而防止顶盖箱的压力释放；2)在排出模式期间，在顶盖箱和环境之间产生空气通道，从而允许顶盖箱的真空解除。
在本发明这方面的一种形式中，单向阀可以防止热交换器内的压力下降到基本上小于周围环境中的压力。
在本发明这方面的另一种形式中，旁通孔被定尺寸成在工作期间使传热效果最小化，并且在关闭时允许流体排出。
在本发明这方面的另一种形式中，一些散热片设置在该多个垂直管之间。在另一种形式中，这些散热片可以是百叶窗板式的和/或盘旋形的。
在本发明的这个方面的另一种形式中，该出口包括从第二室开始通过第一室延伸通过挡板的管子。
在本发明这方面的另一种形式中，流体是去离子水。
在本发明的另一个方面中，提供了一种热交换器，该交换器冷却来自燃料电池的流体，该热交换器包括上部顶盖箱和下部顶盖箱，其中下部顶盖箱中的挡板限定出第一和第二室。该挡板包括允许受限制的的流体流量通过其中的旁通孔。真空断开阀位于上部顶盖箱和环境之间，而该阀具有两个作用1)在一般的工作模式期间，产生防泄漏密封，从而防止顶盖箱的压力释放；及2)在排出模式期间，在顶盖箱和环境之间产生空气通道，从而允许顶盖箱的真空解除。借助第一多个平行的垂直管来限定出第一组管子，该第一组管子在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第一室之间进行延伸，借助第二多个平行的垂直管来限定出第二管排，该第二管排(tube row)在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第二室之间进行延伸。冷却流体入口与第一室相连通，而冷却流体出口与第二室相连通。
在本发明这方面的一种形式中，真空断开阀可以防止上部顶盖箱内的压力下降到基本上小于周围环境中的压力。
在本发明这方面的另一种形式中，旁通孔被定尺寸成在工作期间使传热效果(impact)最小化，并且在关闭时允许流体排出。
在本发明这方面的另一种形式中，挡板是垂直的纵向壁，该壁把下部顶盖箱分成第一和第二室，第一和第二室是纵向的，并且入口和出口中的一个是从该室开始延伸通过挡板的管子，它与该室相连通并且通过另一室。在另一种形式中，第一组管子是前部管排，而第二组管子是后管排。
在本发明这方面的另一种形式中，挡板是后壁的垂直前部，该壁把下部顶盖箱分成第一和第二室，所述第一组管子是位于该壁的一侧上的第一多个管子，第二组管子是位于该壁的另一侧上的第二多个管子。
在本发明这方面的另一种形式中，在这些多个垂直管子之间设置一些散热片。在另一种形式中，散热片可以是百叶窗板式的和/或盘旋形的。
在本发明的这个方面的另一种形式中，流体是去离子水。
在本发明这方面的另一种形式中，当流体没有流入到入口中时，第一管排中的流体排出到下部顶盖箱中。
在本发明这方面的另一种形式中，真空断开阀是单向阀，它可以防止热交换器的压力释放到环境中。
图1是本发明热交换器的简化透视图；图2是一个系统的示意图，其中，本发明的热交换器可以方便地与该系统一起使用；
图3是图1的热交换器的透视图，出于图示目的略去了一些零件，该图示出了工作期间的冷却剂流动；图4是图1的热交换器的透视图，出于图示目的略去了一些零件，该图示出了在冷冻保护模式时排出期间的冷却剂流动；及图5是本发明热交换器的另一实施例的透视图，出于图示目的略去了一些零件，该图示出了工作期间的冷却剂流动。
具体实施例方式
本发明的热交换器10示出在图1中。
热交换器10包括纵向延伸的、通常是水平的上顶盖箱组件(在这里称为“顶盖箱”)20和纵向延伸的、通常是水平的下顶盖箱组件(“顶盖箱”)22。一对管排26、28在顶盖箱20、22之间进行延伸。
每个管排26、28包括多个平行的、通常是垂直的管子30，在这些管子之间具有合适的冷却散热片34，如图3-4所示(在这里，每排26、28只示出了一单个管子30和盘旋形的散热片34)。
如图1所示一样，空气流有利地被导向以通过热交换器10的空气侧，其中空气通过管排28进入到热交换器10中，而空气通过管排26离开热交换器10，而管排28提供了冷却剂第二通道，管排26提供冷却剂第一通道(在下文中将进一步描述)。
管子30在冷却剂(内)侧上最好具有凹槽(dimples)，在较高热负荷时，这些凹槽最好能提高传热，在这里，使来自辅助泵的寄生损失最小化并且产生较小的冷却剂侧质量流量(层流)速度是特别理想的。但是，应该知道，在本发明的范围内仍然可以使用其它的管子设计。
散热片34最好是高密度的、百叶窗板式的、盘旋形的散热片，同样地，一些散热片可以有利地引导高空气侧流动速率，而这种速率是高热负荷时所需要的。但是，应该知道，在本发明的范围内，仍然可以使用包括板式散热片在内的其它散热片。
纵向延伸的垂直挡板40设置在下部顶盖箱22中(参见图3-4)，从而在下部顶盖箱22内限定出独立的纵向室44、46。旁通孔48设置在挡板40内，从而允许冷却剂在室44、46之间进行受限制的流动，如下文中进一步所描述的那样。
合适的冷却剂入口50与下部顶盖箱室44中的一个相连通，合适的冷却剂出口54与其它的下部顶盖箱室46相连通。如在图3-4中所看到的一样，出口54可以延伸通过该一个室46从而使入口50和出口54方便地设置在热交换器10的相同侧部上。但是，应该知道，在热交换器的其它侧部上设置入口和出口或者把入口和出口设置在热交换器的相对侧部上也落入本发明的范围内。
合适的真空断开阀(vacuum break valve)60设置在上部顶盖箱20中以用作两个目的(1)在标准工作模式期间，产生防泄漏密封，从而防止顶盖箱的压力释放；及(2)在排出模式期间，在顶盖箱和外界之间产生空气通道，由此，排空期间在上部顶盖箱20内所形成的任何真空将得到减轻。
例如，当环境压力大于上部顶盖箱20内的压力时，阀60允许环境(空气侧)压力通到上部顶盖箱20中，而阀60可以有利地如单向阀一样进行工作，它可以防止顶盖箱20的压力被释放。因此，在正常工作期间，阀60被关闭。但是，在冷却剂没有流过热交换器10时(例如，热交换器10没有工作)，当热交换器10内的压力降如此地产生时，阀60打开以允许空气通到上部顶盖箱20中。
图2示出了使用本发明热交换器10的系统的例子。具体地说，所示出的系统70包括质子交换膜(PEM)燃料电池74和线路80，去离子(DI)水通过线路80进行循环以冷却燃料电池74，在使用期间，燃料电池74产生了大量的热量。
泵82使水循环到热交换器10的入口50中(在图2中示意性地示出了四个热交换器)，并且然后在热交换器10内冷却水，之后它从热交换器出口54中出来，然后通过线路80的返回部分到达燃料电池74。
如本领域普通技术人员所知道的那样，空气合适地通过热交换器10的空气侧。风扇86(参见图2)被设置来迫使空气通过热交换器10的空气侧，因此传递到管30的壁和散热片34中的、来自水的热量被传递到空气中。在本发明的范围内也可以使用冲压空气、例如由机动车的运动所产生的冲压空气。
图1和3-4示出了冷却剂(如DI水)经过热交换器10的流动。具体地说，冷却剂通过入口50进入热交换器10，这从入口50通过一个下部顶盖箱室44分配到第一管排26的管30中。然后，冷却剂向上运动通过第一管排26的管30(参见图1和3)从而到达上部顶盖箱20。冷却剂然后通过上部顶盖箱20以到达第二管排28的管30，然后向下经过这些管30，从而排出到另一下部顶盖箱室46中，该冷却剂从该室46中通过出口54排出。
应该知道，上述热交换器10提供了紧凑的多通道(例如，两通道)设计，这就使得热交换器10可以方便地用在受限制的的空间中，同时仍然满足较高的传热要求。事实上，对本发明的热交换器10进行实验，并且已发现该交换器10达到了下面表1所示的预测模式的有利结果。
表1
当热交换器10与之一起使用的系统没有工作时，热交换器10借助排出而将迅速地、安全地处于冷冻保护模式中，如图4所示。即，在没有更多冷却剂被泵入到热交换器10中的情况下，冷却剂由于重力作用而排出，其中，上部顶盖箱20和两个管排26、28的管30中的任何冷却剂向下流到管30从而到达下部顶盖箱22中。而且，阀60防止低压或者真空形成在上部顶盖箱20和管30的上端的空间中，其中冷却剂从该管30中排出。因此，不会妨碍从热交换器10中排出冷却剂，从而可以完全地、快速地产生，并且进一步地允许排出冷却剂如所需要的那样流过挡板旁通孔48，从而平衡管排26、28和下部顶盖箱室44、46之间的流体。相应地，在线路80两侧上的排出量相等，并且(特别在这样的一些系统中在这些系统中，即使在没有工作时，一些冷却剂保留在热交换器10内)有利的是，在两侧上(即，在第一管排26和和第一室44及第二管排28和第二室46之间)也是相等的。当环境条件在其它情况下威胁到该装置的功能时，可以借助减小冰的形成来提供了冷冻保护模式。
应该知道，有利的是，根据热交换器10的设计考虑(如工作压力和温度，及流体特性)来给旁通孔48定尺寸，从而使工作期间的传热影响最小化(即，在工作期间，使通过旁通孔48的流体流量最小化)，同时在关闭时，如所希望的那样为了冷冻保护模式而还允许合适的流体排出。
图5示出了本发明另一个实施例，其中与图1实施例相同的一些零件用与图1中相同的标号来表示，而类似的但被改进的零件用相同的标号加上小标符号“′”来表示(例如挡板40′)。具体地说，挡板40′从下部顶盖箱22′的前壁和后壁进行延伸，从而在下部顶盖箱22′限定出独立的、并排的室44′、46′。旁通孔48′设置在挡板40′中，从而允许冷却剂在室44′、46′之间进行受限制的流动(即在冷冻保护模式期间，这个参照第一实施例进行了描述)。
在图5的实施例中，可以设置一个管排，其中流体从第一室44′通过位于热交换器10′的一侧上的一组管子80向上流动，这些流体然后纵向地通过上部顶盖箱20′(该箱与图1实施例中的回流前部相对)以到达第二组管子82，从而排出到位于热交换器10′的另一侧上的第二室46′中。
应该知道，在本发明的范围内，也可以使用上面这些实施例的结合体。例如，多个管排可以与图5的挡板40′一起使用，其中沿着上部顶盖箱20′在纵向上产生从一个通道到下一个通道的流动。此外，本发明的热交换器可以设置有后挡板的纵向部和/或前部的各种各样组合体从而与两个以上的通道一起进行工作。
还应该知道，可以方便地制造和维护本发明的热交换器。即，这种设计可以方便地提供冲洗从而减小了CAB流量残渣的存在，并且因此减少或者消除了DI水的电化学势，而这种电化学势对燃料电池74内所需要的离子交换是有害的。
应该知道，本发明的热交换器可以方便地用来在紧凑的空间内提供较好的传热。而且，这些热交换器可以方便地用在极端的天气条件下。
通过研究说明书、附图和附加的权利要求可以得到本发明的其它方面、目的和优点。但是，应该知道，本发明可以用在替换的形式中，在这些替换的形式中，可以得到少于上述本发明和优选实施例的所有目的和优点。
权利要求
1.一种热交换器，其用于冷却来自燃料电池的流体，该热交换器包括纵向上部顶盖箱；纵向下部顶盖箱；所述下部顶盖箱中的纵向挡板限定第一和第二纵向室，所述挡板包括允许受限制的流体流通过的旁通孔；真空断开阀位于所述上部顶盖箱和环境之间，而所述阀在工作期间阻止从上部顶盖箱的压力释放，并且在排出期间，在顶盖箱与环境之间提供空气通道；借助第一多个平行的垂直管来限定第一管排，该第一管排在所述上部顶盖箱与所述下部顶盖箱的所述第一纵向室之间进行延伸；借助第二多个平行的垂直管来限定第二管排，该第二管排在所述上部顶盖箱与所述下部顶盖箱的所述第二纵向室之间进行延伸；冷却流体入口与所述第一室相连通，及冷却流体出口与所述第二室相连通。
2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述真空断开阀防止热交换器内的压力下降到基本上小于周围环境中的压力。
3.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述旁通孔被定尺寸成在工作期间对传热的影响最小，并且在热交换器关闭时允许流体排出。
4.如权利要求1所述的热交换器，它还包括位于所述多个垂直管子之间的一些散热片。
5.如权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述这些散热片是百叶窗板式的。
6.如权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述这些散热片是盘旋形的。
7.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述入口和所述出口中的一个包括有管子，该管子从与其相连通的室延伸穿过挡板且通过另一个室。
8.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，所述入口和所述出口中的所述一个是延伸通过第一室的所述出口。
9.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述流体是去离子水。
10.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，当流体没有流入到所述入口中时，所述第一管排中的流体朝着所述下部顶盖箱排放。
11.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述真空断开阀是单向阀，它防止压力从热交换器释放到环境中。
12.一种热交换器，该热交换器包括上部顶盖箱和下部顶盖箱，所述上部和下部顶盖箱具有通常是水平的纵向尺寸；位于所述下部顶盖箱中的、通常是垂直的挡板，该挡板在所述下部顶盖箱中限定有第一和第二纵向室，所述挡板包括通过其中的旁通孔；单向阀，它在工作期间阻止从上部顶盖箱的压力释放，并且在排出期间，在上部顶盖箱和环境之间提供空气通道；由第一多个平行的、通常是垂直的管限定的第一管排，该管排在所述上部顶盖箱和所述下部顶盖箱的所述第一室之间进行延伸；由第二多个平行的、通常是垂直的管限定的第二管排，该管排在所述上部顶盖箱和所述下部顶盖箱的所述第二室之间进行延伸；通到所述第一室中的冷却流体入口；及从所述第二室开始的冷却流体出口。
13.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述单向阀防止热交换器内的压力下降到基本上小于周围环境中的压力。
14.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述旁通孔被定尺寸成在工作期间对传热的影响最小，并且热交换器在关闭时允许流体排出。
15.如权利要求12所述的热交换器，它还包括位于所述多个垂直管之间的一些散热片。
16.如权利要求15所述的热交换器，其特征在于，所述这些散热片是百叶窗板式的。
17.如权利要求15所述的热交换器，其特征在于，所述这些散热片是盘旋形的。
18.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述出口包括从第二室开始延伸通过挡板而进入第一室的管子。
19.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述流体是去离子水。
20.一种热交换器，该交换器冷却来自燃料电池的流体，该热交换器包括上部顶盖箱；下部顶盖箱；所述下部顶盖箱中的挡板限定第一和第二室，所述挡板包括允许受限制的流体流通过其中的旁通孔；真空断开阀在所述上部顶盖箱与环境之间，所述阀在工作期间防止从上部顶盖箱的压力释放，并且在排出期间，在上部顶盖箱和环境之间提供空气通道；由第一多个平行的垂直管限定的第一组管子，第一组管子在所述上部顶盖箱与所述下部顶盖箱的所述第一纵向室之间进行延伸；由第二多个平行的垂直管限定的第二组管子，第二组管子在所述上部顶盖箱和所述下部顶盖箱的所述第二纵向室之间进行延伸；与所述第一室相连通的冷却流体入口；及与所述第二室相连通的冷却流体出口。
21.如权利要求20所述的热交换器，其特征在于，所述真空断开阀防止上部顶盖箱内的压力下降到基本上小于周围环境中的压力。
22.如权利要求20所述的热交换器，其特征在于，所述旁通孔被定尺寸成在工作期间对传热的影响最小，并且在热交换器关闭时允许流体排出。
23.如权利要求20所述的热交换器，其特征在于，所述挡板包括垂直的纵向壁，该壁把所述下部顶盖箱分成所述第一和第二室，所述第一和第二室是纵向的，并且所述入口和出口中的一个包括有管子，该管子从与其相连通的室延伸过挡板，并延伸入另一个室。
24.如权利要求23所述的热交换器，其特征在于，所述第一组管子包括前部管排，而所述第二组管子包括后管排。
25.如权利要求20所述的热交换器，其特征在于，所述挡板包括从前至后的垂直壁，该壁把所述下部顶盖箱分成所述第一和第二室，所述第一组管子包括位于所述壁的一侧上的第一多个管子，所述第二组管子包括位于所述壁的另一侧上的第二多个管子。
26.如权利要求20所述的热交换器，它还包括位于所述多个垂直管子之间的一些散热片
27.如权利要求26所述的热交换器，其特征在于，所述散热片是百叶窗板式的。
28.如权利要求26所述的热交换器，其特征在于，所述散热片是盘旋形的。
29.如权利要求20所述的热交换器，其特征在于，所述流体是去离子水。
30.如权利要求20所述的热交换器，其特征在于，当流体没有流入到所述入口中时，所述第一管排中的流体朝着所述下部顶盖箱排放。
31.如权利要求20所述的热交换器，其特征在于，所述真空断开阀是单向阀，它防止热交换器的压力释放到环境中。
全文摘要
一种热交换器，该热交换器包括上部顶盖箱和下部顶盖箱；下部顶盖箱中的垂直挡板限定出第一和第二纵向室；单向阀；两个管排；及通到第一室中的冷却剂入口和第二室的出口。挡板包括通过其中的旁通孔。一个管排包括多个垂直管子，这些管子在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第一室之间进行延伸；及另一个管排包括多个垂直管，这些管子在上部顶盖箱和下部顶盖箱的第二室之间进行延伸。单向阀在一般的工作模式期间产生防泄漏密封，从而防止顶盖箱的压力释放，并且在排出模式期间在顶盖箱和环境之间产生空气通道，从而允许顶盖箱的真空解除。
文档编号H01M8/02GK1842688SQ200580000890
公开日2006年10月4日 申请日期2005年4月1日 优先权日2004年4月23日
发明者A·P·迈斯纳, G·A·姆罗斯, R·A·林斯特罗斯, J·安 申请人:穆丹制造公司