具有分流器的热交换器及其操作方法

专利名称：具有分流器的热交换器及其操作方法
技术领域：
本发明涉及热交换器，具体而言，涉及包含内流引导特征以均勻分配传热流体 的热交换器。
背景技术：
构造经常被使用的热交换器(例如，用于内燃机的散热器)的方法之一依赖于热 交换芯，该热交换芯由多个交错平行的扁平管道构成并被粘结至波纹状散热片结构。热 交换器通过在流经管道的第一流体(例如发动机冷却液)和通过波纹状散热片结构流经管 道的第二流体(例如空气)之间传低热量来工作。为了防止第一流体流经这样的热交换器时发生泄漏，管道通常以任一端固定在 集管板(headerplate)上，而该集管板各个依次固定在箱上。第一流体通过入口进入其中 一个箱(入口箱)，并通过出口流出其中一个箱(出口箱)。因此入口箱充当一个流体歧 管的作用以从入口向管道分配流体。为了优化该热交换器的传热性能，迫切期望第一流体在多个管道间均勻分布。 在许多实例中，入口箱及其入口的设计特别用于在管道之间产生尽可能均勻的流体分 配。然而，在诸多应用中，由于该系统的其它元件对热交换器的限制，使之变得困难。 在一些应用中，可能需要将入口设置在入口箱的使流体的均勻分配难以实现的区域上。 在一些应用中，流体管线的可用空间可能受到限制以实现一定的管线尺寸，这会导致流 体以较高的速度进入入口箱，同样使流体的均勻分配难以实现。当入口沿平行于管道的轴向的方向取向时，管道中的流体分配可能会因在入口 箱中设置额外的折流板(baffle plate)使得通过入口进入箱的流体在其上发生撞击而得到 改善。折流板上流体的冲击可防止流体非均勻地流过紧邻入口的管道。美国专利号 5,186,249详细描述了对于该类型热交换器中流体分布问题的解决方案。发明人已发现诸如上述的折流体并不能充分防止当入口朝向垂直于管道轴向的 方向时经过热交换器管道的流动分布不均。在入口的流体区域相对于流体的流速充分 小使得流体以湍流方式流入入口箱的情况下，上述问题更为严重。因此，还有改进的空 间。

发明内容
在一些实施例中，本发明可提供一种热交换器，该热交换器包括箱，而该箱具 有定义其间的箱长度的第一端和第二端，和设置在该箱的第一端处的连接器，以提供流 体流以第一总流动方向流入箱的入口。该热交换器也包括多个管道槽，而该管道槽由沿
4接近第一端的第一位置和接近第二端的第二位置之间的箱的长度界定，各个管道槽容纳 一个管道，各个管道提供流体流以第二总流动方向流出箱的出口，而第二流动方向相对 于第一总流动方向成不平行的角度。分流器(flow diverter)可设置在该箱中第一位置和 第二位置之间的第三位置处，以引导至少一部分流体流远离第一总流动方向流动，由此 使自入口基本均勻流向各个复数个管道的流体流分流，而该分流器至少包括一个延长突 起，其取向使得延长方向的维度大致横跨第一总流动方向。本发明的一些实施例可提供一种热交换器，该热交换器包括箱，该箱具有其间 界定箱长度的第一端和第二端，以及横跨该长度的箱的横截面。入口孔被定义在该箱的 第一端上，而流体流通过该箱的第一端沿第一方向流入箱，入口孔具有横跨第一方向的 横截面。该热交换器还包括大体积区域，而该大体积区域由自第一端延伸一段距离和由 自入口孔的横截面周向大致直线延伸至该距离处箱的横截面周向的边界界定。该热交 换器还包括多个沿箱的长度设置的孔，每个孔均容纳多个导管之一，各个导管提供了流 体流沿第二方向流出箱的出口，而第二流动方向相对于第一正常流动方向成非平行的角 度。分流器可被设置在该箱的大体积区域内以引导流体流的一部分流出大体积区域，由 此基本均勻地分布来自入口的多个导管之间的流体流的总体积。在一些实施例中，本发明可提供一种热交换器，该热交换器包括箱和至少一个 定义该箱的横截面的壁，而该箱具有其间界定第一箱维度的第一和第二端。该热交换器 也可以包括设置于箱的第一端处的入口、多个沿第一箱维度界定在箱的壁中的管道槽和 多个设置在至少一个壁上的突起。多个突起的至少其中一者被设置在沿第一箱维度距离 第一端达第一距离的位置处，突起被设置为使从入口到至少一个管道槽的一部分流体分 流，而管道槽设置在沿第一箱维度距离第一端达第二距离的位置处，第二距离小于第一 距离。通过彻底阅读本说明书及其附图，本发明的其它特征、层面、目的和优点将会
变得清楚。


图1为特别适合从本发明的实施例中得到益处的热交换器的等轴视图；图2为图1中热交换器的一部分的等轴视图；图3为表示流体流突然膨胀时的总流线；图4为在不具备本发明益处的情况下图1中热交换器的速度梯度阴影轮廓图；图5为特别适合从本发明的实施例中得到益处的热交换器中流体体积的一部分 的部分等轴视图；图6为本发明实施例中使用的入口箱的部分等轴视图；图7为沿图2的直线VII-VII方向部分截面的等轴视图；而图8为在具备和不具备本发明益处的情况下热交换器中流体流的分布比较图。
具体实施例方式在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解本发明并不限于下面描述提到的 或下面附图所图示的构造细节和部件排列的应用。本发明能够用于其它实施例和以多种方式被实践或被实现。同样地，应理解本文所使用的用语和术语是出于描述的目的，而 不应该被认定为限制。“包含”、“包括”或“具有”的使用和本文关于它们的各种替 代应用意在包含后面列出的项目及其等同物，以及附加项目。除非特别或限定说明，术 语“被安装”、“被连接”、“被支撑”和“被耦合”，以及它们的更换用法广泛，而 且均包含直接和间接安装、连接、支撑和耦合。此外，“被连接”和“被耦合”不仅限 于物理或者机械连接或耦合。图1描绘了一种示例性热交换器1，其可作为例如用于冷却内燃机中液体冷却液 的散热器。被描绘的热交换器包括由多个平行的扁平热交换器管道3与回旋的散热片4 交错组成的热交换器芯2。在该类型的热交换器的典型应用中，液态冷却液被传送经过热 交换器管道3的同时，空气被引导通过散热片4，使得冷却液中的热量散发到空气中。在 其它实施例中，热交换器芯2可由堆积式承载板组成，而该堆积式承载板形成了用于使 其间流体运转的流动通道。在其它实施例中，用于形成其间通道的堆积式承载板可选择 性得与回转的散热片交错以形成热交换器芯2。而图示的实施例包括由管道3和散热片4 组成的热交换器芯2，应该理解本发明可用于与热交换器芯有关的各种类型中。管道3可通过各个集管板5中的众多孔或管道槽10密封地被连接至管道3两端 的一对集管板5 (图2最佳地示出)，使得管道3可以为流体(例如冷却液)提供一个从入 口箱6到出口箱7的自由渗漏路径/通道。入口箱6和出口箱7均被密封地连接至其中 一个集管板5上。选择性地，入口和出口箱6、7和集管板5可形成为一体，使得管道槽 10被界定在箱壁中。在一些示例性实施例中，管道3和集管板5可以由诸如铝等可铜焊 的、可焊接的或可软焊的材料制造，使得管道3至集管板5的连接可以通过铜焊、焊接或 软焊实现。在一些实施例中，箱6、7其中之一或全部可由在本技术领域中公知的高分子 材料构成。集管板5也可由合适的高分子材料构成。管道3可利用诸如环氧树脂的粘结 剂被密封地固定于管道槽10中。热交换器1的入口箱6包括近端22和远端23，及沿箱的长度设置于其间的管道 槽10。入口箱6的周向形状和横截面(其决定水力直径d2)可随不同的实施例而改变。 入口箱6还包括近端22处的入口连接器8，以提供可以供进入入口箱6内部的冷却液流体 通过的流体入口。应该理解，入口箱6的近端和远端被如此界定以便简化图示实施例的 描述，并且具有入口连接器8的入口箱6的端部可选择性地被称为远端。连接器8以及 界定入口的孔的周向形状和横截面(其决定水力直径(I1)可随不同的实施例而改变，如连 接器8相对于箱6的近端22处可被设置的角度。连接器8相对于箱6的近端22处被设 置的角度决定了流体流入箱6的第一流动方向。在热交换器1工作期间，管道3相对于进口箱6的方位界定了流体流出箱6的第 二流动方向。总体而言，本发明涉及其中第一和第二流动方向彼此成不平行的角度的热 交换器1。根据本发明的一些实施例，第一和第二流动方向彼此可成45°至135°之间的 角度。如图示的实施例，管道3可被设置，使得第二流动方向约垂直于由连接器8界义 的第一流动方向。热交换器1的出口箱7包括出口连接器9，而从管道3中被吸收至出口箱的流体 可通过它从热交换器中被清除。在某些实施例中，如图1的实施例所示，连接器9的方 位可以平行于由管道3界定的流动方向。在其它实施例中，使出口连接器9的取向平行于入口连接器8是优选的。在其它实施例中，连接器9可具有相对一个或多个管道3的 其它方位，举例而言，相对于由流经相邻管道3的流体定义的流动方向不平行、不垂直 的角度，或者可选择地，连接器9可以具有相对于管道3的弧形或其它非线性方位。流体流通过入口连接器8而进入热交换器1的入口箱6的经典方式可参考图3给 予最好的描述。当流经具有水力直径为Ci1的第一流动通道15的流体流19突然扩展进入 具有大致大于Ci1的水力直径为屯的第二流动通道16时，便会形成射流区(jet region) 17， 而该射流区17具有沿第二流动通道的长度L从第一流动通道周向向第二通道周向延伸一 段距离的边界。射流区17和剩余介质18被分解为强大漩涡20的界面分开。当超过上述 长度时，射流17扩展至通道16的整个截面，而流19将继续作为一个基本稳定流通过流 动通道16。射流17的长度L通常和第二流动通道16的水力直径有关，并经常约等于该 水力直径的数倍。该种方式在流体力学领域达成共识，并且在诸如LE.Idelchik编写的、 于1994年由CRC出版社以英语发表的液压阻力手册(Handbook of Hydraulic Resistance) (第三版)等的流体力学教科书中予以描述。在图1和图2中的热交换器的实例中，这样一个射流的形成可能具有作用在管道 3之间流体流上的非期望效果。当至少一些管道槽10被设置为比射流长度L更靠近箱的 入口时(如图7所示)，发明人已发现如果液流在所有或基本上所有管道3之间更均勻地 分布时，则进入与那些管道槽10对应的管道3的流体体积基本上小于即将进入管道3的 流体体积。同样地，如果液流在所有或基本上所有管道3之间更均勻地分布时，则进入 设置在射流长度L处和大于射流长度L处的管道的流体体积基本大于这些管道所能接受的 流体体积。结果，入口箱6中的流体体积会不均勻得分布至热交换器芯2的管道3，这将 降低热交换器1的工作效率及效果。在汽车散热器的常规工作环境中，通过对流经不具有任何内流分布特征的热交 换器1的流体流执行数学模拟，发明人发现在入口箱6中确实将形成射流区。图4示出了 从入口连接器8扩展进入箱6的容积内的流体流的速度梯度图。在图4的分布图中，定 义不同的灰色阴影之间界限的各条线表示相等的流速度梯度线。从图4中可以看出，流 体以和剩余流体介质18分离的高速射流17扩展进入入口箱6，射流在长度L内扩展直至 流体介质18大致充满箱6的整个横截面。在位于长度L下游的箱6的区域12中，流体 迅速呈现出更均勻的流速。对于一些常规的工作环境，诸如图4的阴影部分所描绘的， 长度L约等于入口箱6的水力直径的两倍。对于其它常规的工作环境，长度L和水力直 径的比值可能小于或大于2，并在许多情况下介于1和5之间。发明人已发现，在热交换器1中入口箱的射流区内引入分流器，可以大大改进 传热管道3之间的流体分布以及沿传热管道3的流体分布。如图5最佳地示出，射流区 17可被界定在流体体积12内以控制热交换器1中入口箱6的内部体积、通过入口 11吸 收流体流24的流体体积12，以及在由入口 11定义的流动方向流入流体体积12的流体流 24。流体流24可以通过例如如图1和图2所示的入口连接器8传送至入口 11。如图5所示，一般的截头圆锥形大体积区域17可被定义为由入口 11、设置在基 本垂直于由入口 11界定的流动方向的平面上和距入口 11的距离L处的流体体积12的横 截面14，及在具有选择性横截面14的交界处从入口 11大致直线延伸至箱壁外部的混合界 限界定。虽然这里描述了一般的截头圆锥形大体积区域17，但在一些实施例中，区域17
7可以为其它形状和构造(例如截头棱锥或其他不规则形状)，因为区域17的形状和构造可 以至少部分地由入口 11的尺寸和形状和被设置在具有选择性的横截面14位置处的横截面 的尺寸和形状定义，其中，入口 11其本身可以是多个不同形状(例如圆形、正方形、椭
圆形等)其中一者。在图6所示的本发明的一个实施例中，包括一个或多个延长隆起或突起21的分 流器被设置在大体积区域17内(图6中未明确示出)。突起21可使进入箱6的至少一部 分流体流以不同于第一流动方向的方向分流，从而改变箱中流体流的速度分布。在一些 实施例中，突起21可使大体积区域17内大致以直线流体流路径从入口 11流出区域17至 少一部分流体流分流。现在通过对具有该突起21的热交换器1的进一步数学模拟，可显 示出由此可以大大改进流经热交换器芯2的流体流分布。在一个实施例中，突起21被确 定尺寸并被设置使得从入口 11至射流区体积17的横截面14不(或至少相对更少地)存 在直流路径。换而言之，从入口 11延伸至横截面14的任何流体流线将必须绕过一个或 多个突起21进行分流。在一些诸如图6所示的实施例中，会希望突起21包括设置于距入口 11的第一位 置处排列为一行的第一组，而且还可以包括设置于距入口 11的第二不同位置处排列为一 行的第二组。会特别希望将突起21设置在第一和第二组之间使得连接第一组中其中一个 突起和第二组中其中一个突起的连线将基本不平行于流经入口 11的流动方向。在一些实 施例中，突起21可被配置以形成为楔，使得一个突起物被设置为比另外两个突起更接近 入口(或少于沿箱的长度方向一段距离处)。在一些实施例中，自入口 11的横截面中的 任何一点至第一突起21的第一线不平行于自相同点至第二突起21的第二线。在更多的 实施例中，自相同点至第三突起21的第三线不平行于第一和第二线。在一些诸如图示的实施例中，突起21通常为圆柱形。然而，在一些实施例中突 起21可以是正方形、矩形、三角形、八边形、翼形或其它形状。在一些实施例中，一个 或多个突起21可具有基本在近端和远端间沿纵向或维度延伸成连续的横截面形状，而在 另一些实施例中，一个或多个突起可以为锥形、弯的、或/及等高线形以便具有近端和 远端间不连续的横截面形状。在图示的实施例中，突起21没有完全沿箱的相对壁之间 的箱内部延伸，在一些实施例中，一个或多个突起21可沿箱6的整个或基本整个宽度延 伸。在图示的实施例中，各个突起21的纵向维度平行于其它突起21的纵向维度，在一 些实施例中，突起21可被设置为使得它的纵向维度不平行于另一突起物的纵向维度。在图6所示的实施例中，突起21自箱6的单侧共用隔壁向内延伸，而且垂直于 第一流动方向。在其它实施例中，突起21可以自箱6的两个或更多不同壁向内延伸。可 替换性地或此外，一个或多个突起21可自壁以不是90°的角度延伸。而在其它实施例 中，箱6基本呈圆柱形，并且突起21自箱壁向内延伸或者使得突起21集中朝向箱6的中 心轴，或者使得相邻突起21的近端和远端间的基本恒定距离在相邻突起21间得以保持。在本发明的一些实施例中，分流器可采用其它形式，如本文定义的一个或多个 带孔平板或通常设置于不平行于第一流动方向平面上的大体积区域17中的一个或多个滤 网。一些实施例可包含本文描述的许多元素，而且可以改变其尺寸、形状和方位。在一 些实施例中，分流器和箱壁形成为一体。当集管5中的一个或多个管道沟槽10被设置为比距离L更接近入口 11时，如图7中的实施例所示，那么本发明可特别有利于改进(例如平衡)通过热交换器芯2的管道 3中的流体分布(被移除的图7是为了明确图示)。在这样一个实施例中，突起物21可 引导流经入口的一部分流体流流出射流区，优先到达距离L处，从而增加流经最接近入 口 11的管道处的流体体积。相反地，另一部分流体流将绕过突起物21，并将通过横截面 14流出射流区17使得管道3的剩余部分仍然可以适当地充满流体。图8的图解比较了通过数学模拟所预测的、如图6和图7所示的具有和不具有分 流器的热交换器1的实施例中管道之间的流分布。正常的流速被计算为由理论上完美的 分布流速划分的个别管道流速的比值，使得具有完美分布的热交换器的所有管道均具有 一致标准化流速。如图所示，具有突起21的热交换器允许更多的流体被输送至最接近入 口 11的管道3，因此将那些管道3的正常流速改进至接近至完美分布的值。这样做，离 入口 11较远处的管道3供应过量的问题也基本得以改善。应该认识到由于附加的分流器 而引起的流体分布的改善可实现性能更优的热交换器。参考本发明的特定实施例描述了对于本发明中某个特征和元素的各种替代示 例。除了与上述各个实施例相互排他或者不相容的特征、元素和操作方式之外，应该 注意，参考一个特殊实施例所描述的可替换的特征、元素和操作方式可应用于其它实施 例。上述图示及描述的实施例仅是示例，并不意在对本发明的概念和原理构成限 制。本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神及范围的前提下，可以对元件 及其构造及设置进行各种不同的改变。
权利要求
1. 一种热交换器，其包括箱，其具有之间界定了箱长度的第一端和第二端；连接器，其设置于所述箱的所述第一端，并提供使流体流沿第一总流动方向进入所 述箱的入口；多个管道槽，其在接近所述第一端的第一位置与接近所述第二端的第二位置之间 沿所述箱的长度界定，每个管道槽均容纳管道，每个管道均提供使流体流沿第二总流动 方向离开所述箱的出口，所述第二总流动方向相对于所述第一总流动方向成非平行的角 度；以及分流器，其被设置在所述箱中位于所述第一位置与所述第二位置之间的第三位置 处，以引导至少一部分流体流远离所述第一总流动方向，由此向所述多个管道中每一者 大致均勻地分配离开所述入口的流体流，所述分流器包括至少一个延长突起，所述突起 被定向使得延长的维度大致横跨所述第一总流动方向。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分流器被设置于在所述第一端与第二端 之间延伸的箱壁上。
3.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分流器界定多个延长突起。
4.如权利要求3所述的热交换器，其中，所述多个延长突起被配置以形成楔，使得第 一突起被设置为比至少其它两个突起更接近所述入口。
5.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一与第二总流动方向之间的所述非平 行角度为介于45°到135°之间的角度。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一与第二总流动方向之间的所述非平 行角度为约90°的角度。
7.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分流器被配置为阻止从连接器到所述多 个管道槽中任意一者的直线流体流路径的绝大部分。
8. —种热交换器，其包括箱，其具有之间界定了长度的第一端及第二端，以及横跨所述长度的所述箱的横截面；被界定在所述箱的所述第一端上的入口孔，流体通过所述入口孔沿第一方向流入所 述箱，所述入口孔具有横跨所述第一方向的横截面；所述箱的大体积区域，其从所述第一端延伸一段距离，并由自所述入口孔的所述横 截面的周向大致直线延伸至所述箱的所述横截面的上述距离位置处的周向的边界界定；多个沿所述箱的所述长度配置的孔，每个孔均容纳多个导管中一者，各个导管均为 流体提供了沿第二方向流出箱的出口，所述第二流动方向相对于所述第一流动方向呈非 平行的角度；以及分流器，其被设置在所述箱的所述大体积区域中，以引导流出所述大体积区域的一 部分流体流，由此在所述多个导管之间大致均勻地分配来自入口的流体流的总体积。
9.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述距离介于所述箱的水力直径的一至五倍 之间，而所述箱的所述水力直径由其横截面界定。
10.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述分流器被配置为阻止从所述入口孔到 所述箱在所述距离位置处的所述横截面的直线流体流路径的绝大部分。
11.如权利要求10所述的热交换器，其中，所述分流器包括多个延长突起。
12.如权利要求11所述的热交换器，其中，所述多个延长突起中每一者均相对于所述 第一方向被大致横向设置。
13.如权利要求12所述的热交换器，其中，所述多个延长突起被配置以形成楔，使得 第一突起被设置为比至少其它两个突起更接近所述入口。
14.如权利要求11所述的热交换器，其中，所述延长突起大致呈圆柱形。
15.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述分流器被设置在所述箱的壁上。
16.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述箱由塑料材料构成，且所述分流器与 所述箱形成为一体。
17.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述第一方向与第二方向之间的所述非平 行角度为介于45°到135°之间的角度。
18.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述第一方向与第二方向之间的所述非平 行角度为约为90°的角度。
19.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述多个孔从所述第一端到所述第二端沿 所述箱的壁大致成行排列。
20.如权利要求8所述的热交换器，其中，所述箱的水力直径大于所述入口孔的水力 直径的两倍，所述箱的水力直径和所述入口孔的水力直径由它们各自的横截面界定。
21.—种热交换器，其包括箱，其具有其间界定第一箱维度的第一端和第二端，和界定所述箱的横截面的至少 一个壁；被设置在所述箱的所述第一端处的入口；多个管道槽，其沿所述第一箱维度被设置在所述箱的壁中；以及设置在至少一个壁上的多个突起，所述多个突起中至少一者沿所述的第一箱维度被 设置为距离所述第一端达第一距离，所述突起被设置为使一部分流体从所述入口向设置 在沿所述第一箱维度距离所述第一端达第二距离处的至少一个管道槽分流，槽所述第二 距离小于所述第一距离。
22.如权利要求21所述的热交换器，其中，所述多个突起被配置为交错的结构，使得 第一突起被设置为比至少其它两个突起物更接近入口。
23.如权利要求21所述的热交换器，其中，所述多个突起中每一者均具有纵向维度， 而所述纵向维度横跨其上设置所述突起的至少一个壁取向。
24.如权利要求23所述的热交换器，其中，所述多个突起与所述箱形成为一体。
25.如权利要求21所述的热交换器，其中，所述第一距离介于所述箱的水力直径的一 至五倍之间，而所述箱的水力直径由所述箱的所述横截面界定。
26.如权利要求21所述的热交换器，其中，所述多个管道槽被界定在集管板中，而所 述集管板被密封地连接至所述箱的至少一壁。
全文摘要
本发明涉及具有分流器的热交换器及其操作方法，该热交换器包括箱，该箱具有定义其间长度的第一和第二端和横跨该长度的横截面。被定义在第一端处的入口孔，流体通过该入口孔沿第一方向流入该箱，该入口孔具有横跨第一方向的横截面。大体积区域，其由自该入口孔的横截面周向大致直线延伸至该箱的横截面周向的边界所界定。多个导管，其为以第二流动方向流出该箱的流体流提供出口，而该第二流动方向与第一流动方向成不平行的角度。设置在该大体积区域中的分流器，用于引导一部分离开该区域的流体流，且基本均匀地在多个导管之间分布来自入口的流体流的总体积。
文档编号F28F9/02GK102012185SQ20101027640
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月6日 优先权日2009年9月4日
发明者维克托·G·尼诺, 詹姆斯·J·沃恩 申请人:摩丁制造公司