技术领域本发明涉及一种板式换热器，其包括多个换热板以及安装结构，换热板堆叠且持久地连接以形成板组，安装结构持久地连接到板组以用于将板式换热器可释放地附接到外部支撑结构。
背景技术：
换热器用于将热从一股流体传递至另一流体的各种技术应用中。板构造中的换热器是本领域中公知的。在这些换热器中，具有叠接的外周侧壁的多个堆叠的板放在一起且持久地连接，以限定带有板之间的中空流体通路的板组，通常带有与板之间的交错空间成换热关系的不同流体。通常，相关的基板或安装板直接地或间接地附接到最外侧的堆叠板上。安装板具有超过板的堆叠的延伸部，以便限定周向安装凸缘。安装凸缘具有孔或紧固件，以将换热器附接到设备件。此类板式换热器例如从US2010/0258095和US8181695获知。当紧固在设备件上时，安装板可经历较大的压力和重量负载，这趋于使安装板变形。为了实现足够的强度和刚度，安装板需要相对较厚。此类厚安装板可显著增加换热器的重量。此外，厚安装板的使用导致材料的较大消耗和换热器的较高成本。对于厚安装板的需要可在换热器安装在经历振动的环境中时特别显著。例如，此振动可在板式换热器安装在交通工具(诸如汽车、卡车、公共汽车、船舶或飞机)中时出现。在这些环境中，总体上板式换热器的设计且特别是安装板的设计和附接需要考虑由安装板通过振动周期性加载和卸载引起的疲劳故障的风险。换热器中的周期性应力可由于尤其在板之间的接头中的疲劳引起其失效，即使标称应力值远低于拉伸应力极限。疲劳失效的风险通常通过进一步增大安装板的厚度来处理，这将使得甚至更难以降低板式换热器的重量和成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的一个或多个缺陷。另一个目的在于提供一种在安装到外部支撑结构时具有相对低的重量和相对高的强度的板式换热器。还有一个目的在于提供一种可在低成本下制造的板式换热器。还有另一个目的在于提供适用于经历振动的环境中的板式换热器。这些目的中的一个或多个以及可从以下描述清楚的其它目的至少部分地通过根据独立权利要求的板式换热器实现，其实施例由从属权利要求限定。本发明的第一方面为一种板式换热器，包括：多个换热板，其堆叠且持久地连接以形成板组，板组限定由所述换热板分开的分别用于第一介质和第二介质的第一流体通路和第二流体通路，所述板组限定沿轴向方向在第一轴向端与第二轴向端之间延伸的包绕的外壁；端板，其持久地连接到第一轴向端和第二轴向端中的一者，以便提供在正交于轴向方向的侧向平面中在第一纵向端与第二纵向端之间延伸的端面；以及两个安装板，其分别在第一纵向端和第二纵向端处持久地连接到端面的相应表面部分，使得安装板在端面上沿纵向方向与彼此间隔开，其中相应的安装板包括相对的平坦接合表面以及形成安装板的周边的周缘。相应的安装板布置成其接合表面中的一个持久地连接到端面，其中周缘部分地延伸超过端面的外周，以便限定安装凸缘，且部分地延伸越过与其接触的端面。安装板具有在预先限定的交叉区域中朝周缘减小的厚度，如沿端面的法向方向所见，交叉区域位于周缘与包绕的外壁的周边相交的位置处。发明的板式换热器基于以下理解：现有技术的相关安装板可由两个较小的安装板替换，其定位在板组上的端面上的相应纵向端处以向换热器提供相应的安装凸缘。使用两个较小的单独的安装板可减轻换热器的重量，且还减少其制造成本，因为在板组的端面下方的安装板之间的空间中消除了材料。发明的换热器还基于以下理解：使用两个单独的安装板可导致换热器中的局部应力集中，其可作用为减小换热器承受负载且特别而言周期性负载的能力。已经发现应力集中源自安装板上的交叉区域。因此，相应的安装板在这些交叉区域中构造成具有朝周缘减小的厚度。因此，如朝端面的平面视图中所见，安装板在其周边处或附近的限定区域中局部地减薄。这导致了安装板的材料中的局部增大的柔性，总体上显著地减小了安装板的强度和刚度。局部增大的柔性用于分布经由安装凸缘传递至安装板、端板和板组的负载。因此，发明的换热器可设计成实现在换热器的板中和这些板之间的接合部中的应力的更均匀分布。应力的分布可通过总体上优化换热器且特别而言安装板的设计参数来进一步控制，例如根据以下实施例。在一个实施例中，相应的交叉区域具有预先限定的截面形状，其通过将安装板的厚度从由接合表面之间的距离给出的第一厚度减小至周缘处的第二厚度来连接接合表面。截面形状可包括具有朝周缘连续地减小的厚度的一部分，且可包括凹形部分。在一种实施方式中，截面形状包括具有半径的转角部分，其中半径与第一厚度之间的比率可在大约0.2到1的范围中。此外或作为备选，截面形状可包括斜面和多个梯级中的至少一者。在一个实施例中，如沿端面的法向方向所见，减小的厚度通过相应安装板中的凹口形成，其中相应凹口形成为在背对端面的接合表面与周缘之间的各个预先限定的交叉区域内延伸。如沿端面的法向方向所见，相应凹口可沿周缘延伸。此外，安装板可沿周缘在凹口中间包括周缘表面，其接合且基本上垂直于相对的接合表面，且凹口可沿背对端面的接合表面与周缘表面之间的肩部定位。在一个实施例中，如沿端面的法向方向所见，相应的凹口限定背对端面的接合表面的边界线，所述边界线限定与包绕的外壁的周边的交叉点，其中交叉点处的边界线的切线在安装板的平面中限定与正交于纵向方向的横向方向的角度α，其超过0°，且优选至少为1°、5°或10°。此外，如与边界线成直角所见，凹口可具有沿边界线的基本上相同的截面形状。作为备选或此外，边界线可包括限定所述切线的基本上直的线或为基本上直的线。在一个实施例中，相应凹口从交叉区域延伸到安装凸缘中。在一个实施例中，端板为密封板，其在所述第一轴向端和第二轴向端中的一者处持久地且密封地连接到换热板中的一个。在备选实施例中，端板为持久地连接到板组上的密封板的增强板，其中端板具有至少两个支撑凸缘，其延伸超过包绕的外壁的周边，以便抵靠由相应的安装板限定的安装凸缘。此外，端板可包括沿其周边且如端面的法向方向所见的邻近支撑凸缘的凹面或斜面，其中凹面或斜面可定位成交叠邻近交叉区域的相应安装板的周缘，且如沿端面的法向方向所见，相应的凹面或斜面可不垂直于交叠处的周缘。在一个实施例中，安装板中的至少一个限定至少一个通孔，其在接合表面之间延伸，且与限定在端板中的对应通孔和限定在板组中的内部通道对准，以便形成用于第一介质或第二介质的入口或出口。在一个实施例中，安装凸缘包括适于接纳用于紧固板式换热器的螺栓或销的多个安装孔。在一个实施例中，换热板通过金属材料的熔化彼此持久地接合。本发明的还有其它目的、特征、方面和优点将从以下详细描述、从所附权利要求和从附图中出现。附图说明现在将更详细地参照所附的示意性附图来更详细描述本发明的实施例。图1为根据本发明的实施例的板式换热器的透视图。图2为图1中的板式换热器的底部平面视图。图3A-图3B为从包括在图1中的板式换热器中的安装板的两个方向的透视图。图4为图3A-图3B中的安装板的底部平面视图。图5为沿图4中的线A1-A1的截面视图。图6A为图1中的一部分的放大视图以示出板式换热器中的安装板、增强板和密封板之间的接合部，图6B为具有带围绕其周边的一致厚度的安装板的板式换热器的底部平面视图，且图6C为图6B的板式换热器中的安装板与端板之间的接合处的放大视图。图7为包括在图1的板式换热器中的密封板的透视图。图8为包括在图1的板式换热器中的增强板的透视图。图9A-图9B为凹入的安装板的第一备选构造的透视图和底部平面视图，图9C-图9D为凹入的安装板的第二备选构造的透视图和底部平面视图，图9E-图9F为凹入的安装板的第三备选构造的透视图和底部平面视图，且图9G为凹入的安装板的第四备选构造的透视图。图10A-图10C在截面中示出了用于提供图1的板式换热器中的安装板的减小的外周厚度的备选构造。具体实施方式本发明的实施例涉及板式换热器上的安装结构的构造。对应的元件由相同的参考标号表示。图1-图2公开了根据本发明的板式换热器1的实施例。板式换热器1包括多个板，其一个堆叠在另一个之上以形成板组2。板组2可为任何常规设计。大体上，板组2包括具有波状传热部分的多个换热板3，传热部分限定用于换热板3之间的第一流体和第二流体的流动通路(内部通道)，使得热通过传热部分从一股流体传递至另一股。换热板3可为单壁或双壁的。换热板3仅在图1中示意性地指出，因为它们是本领域的技术人员公知的，且其构造对于本发明不是必要的。板组2具有矩形长方体的总体形状，但具有圆形转角。也可构想出其它形状。大体上，板组2限定包绕的外壁4，其沿高度或轴向方向A在顶部轴向端与底部轴向端之间延伸。壁4具有在其底部轴向端处的给定外周或轮廓。在所示示例中，壁4沿其在轴向方向A上的范围具有基本上相同的轮廓。板组2的底部轴向端包括或设有基本上平坦的端面5(图2)，其可但不一定符合底部轴向端处的壁4的轮廓。端面5在侧向平面中延伸。大体上，板组2和端面5沿纵向方向在两个纵向端之间且沿横向方向T在两个横向端之间延伸(图2)。尽管附图上未示出，但传热板3具有在其转角部分中的贯穿开口，其形成与用于第一流体和第二流体的流动通路连通的入口通道和出口通道。这些入口通道和出口通道在板组2的端面5中打开，以限定分别用于第一流体和第二流体的入口和出口的单独的端口孔。在所示示例中，端面5具有四个端口孔6(图2)。板组2持久地连接到两个相同(在该示例中)的安装板7，安装板7布置在端面5的相应端部上。安装板7因此沿纵向方向L分开，留下板组2的中心部分下方没有材料的空间。相比于使用在整个板组2下方延伸的单个安装板，所示构造节省换热器1的重量和材料，且因此也节省成本。各个安装板7具有两个通孔8，其与板组2的相应一对端口孔6匹配，以限定换热器1的入口端口和出口端口。安装板7构造成用于将换热器1附接至外部悬挂结构(未示出)，使得入口端口和出口端口与外部结构上的第一介质和第二介质的对应的供应端口匹配。可选地，一个或多个密封件(未示出)可设在安装板7与外部结构之间的对接部中。各个安装板7均限定安装凸缘9，其从壁4突出，且围绕板组的纵向端延伸。开孔10设在安装凸缘9中作为用于将换热器1紧固到外部结构的器件。例如，螺纹紧固件或螺栓可引入开孔10中，以用于与外部结构中的对应开孔接合。板组2和安装板7由金属制成，诸如不锈钢或铝。换热器1中的所有板彼此持久地连接，优选通过金属材料的熔化，诸如钎焊、焊接或钎焊和焊接的组合。板组2中的板可作为备选通过胶合持久地连接。关于材料、厚度和纵向方向和横向方向上的范围，安装板7的大小确定成使得在紧固到外部结构上时具有对于施加至安装板7的静止负载足够的强度和刚度。趋于使安装板7变形的静止负载可源自换热器1的重量、由换热器1中的介质施加且传递至安装板7的内部压力以及施加到安装板7(例如，在上述密封件处，经由紧固件和开孔10)的压缩力的组合。该静止负载趋于使安装板7变形。如图1-图2中所见，安装板7大体上设计成具有较大厚度。作为非限制性示例，厚度可为15到40mm。另一方面，板组2的底部一般由薄得多的材料制成。如果换热器1安装在振动经由外部结构传递至安装板7的环境中，则换热器1还需要设计成解决由振动的周期性加载(即，周期应力)引起的机械应力。例如，此振动对于安装于交通工具(诸如汽车、卡车和船舶)中的换热器发生。在一个非限制性示例中，换热器1为用于发动机的油冷却器。当周期应力施加至材料时，即使应力不引起塑性变形，材料也可能由于尤其是具有高应力集中的局部区域中的疲劳而失效。连接到具有相对薄的底部的板组2的刚性的厚安装板7的使用可能导致安装板7与板组2之间的对接部处且还可能板组2内的周期应力的高度集中。本发明的实施例设计成抵消可导致疲劳失效的应力集中。为此，如平面视图(图2)中所见，安装板7大体上设计成在选择的交叉区域11中具有安装板7的减小的厚度，交叉区域11位于安装板7的周边与板组2的壁4的周边相交的点处和周围。如本文使用的\周边\是指外轮廓。如在端面5的正交方向上所见，安装板7的周边在本文中也称为\周缘\。具体而言，各个交叉区域11包括交叉点，且跨越安装板7交叠和附接至板组2的位置处的区域。图1-图2中的换热器1具有四个交叉区域11，其大致由图2中的虚线指出。交叉区域11通常在安装板7的平面中从交叉点延伸大约5到20mm。通过使安装板7在交叉区域11中减薄，局部增大的柔性在各个这样的区域11中实现，而不会总体上显著地削弱安装板7的刚度。柔性导致安装板7与板组2之间的对接部中的有益的负载传递。图3A、图3B和图4更详细地示出了安装板7。如平面视图中所见，安装板7具有带圆形转角部分的大体上伸长的形状。安装板7具有基本上平坦的顶表面12和底表面13，其中顶表面12形成持久地连接到板组2上的端面5的接合表面，且底表面13形成应用和固定到外部支撑结构的接合表面。通孔8和开孔10形成为在顶表面12与底表面13之间延伸。在安装板7的周边处，顶表面和底表面由周缘表面14连接。除形成在安装板7的两个转角部分处的两个伸长的凹口或切口15外，边缘表面14基本上是平坦的，且与顶表面12和底表面13成直角。凹口15导致安装板7的厚度朝转角部分处的其周边的局部和逐渐减小。如图2中所见，凹口15设在安装板7上，使得它们与限定板组2的周边的壁4交叠。换言之，凹口15布置成局部地增大相应交叉区域11中的安装板7的柔性。在所示实施例中，相应凹口15为伸长的且延伸越过安装板7的整个圆形转角部分。如图4中所示，凹口15基本上平行于顶表面12，且限定底表面13上的线性切割线或边界线16。切割线16限定与板组2的横向方向T的角度α。本申请人发现，凹口15的范围和角度α两者可优化以实现安装板7与板组2之间的对接部中的期望的应力分布。特别而言，可能有利的是，凹口15在板组2的周边外延伸，即，延伸到安装凸缘9(图1)中。此外，可能有利的是，角度α超过0°。目前相信，应力的分布随着增大的角度α(达到90°的角度)改善。然而，角度可由其它设计考虑限制，且实际上角度α可为至少1°、至少5°或至少10°。应当注意的是，如果它们将与外部结构上的对应的开孔、螺栓、销或其它紧固件匹配，则开孔10的布置可为固定的。在此情形中，可能需要将安装板7设计成具有沿纵向L方向的增大的宽度b，以便能够适应带有给定范围和角度的凹口15，同时在凹口15与最近的开孔10之间留下足够的材料。如图4中所示，凹口15成角度，以在切割线16与最近的开孔10的中心之间在安装板7的平面中留下距离d。应当注意的是，凹口15不必限定关于底表面13的线性切割线16。图9A-图9B示出了具有安装板7中的较小凹口15的换热器的部分。凹口15限定底表面13上的弯曲切割线16，且仅延伸越过安装板7的转角部分大约一半。如从换热器的底部所见，角度α关于包围的壁4与切割线16之间的交叉线(由黑点标记)限定。在图9B中，包绕壁4部分地隐藏在安装板7后方，且壁4的位置由虚线指出。角度α在安装板7的平面中限定为交叉点处的横向方向T与切割线16的切线之间的角度。如上文所述，该角度α为可设置成超过0°的设计参数，且优选至少为1°、5°或10°。角度α的该限定和选择适用于本文所示的所有实施例。图9C-图9D示出了变型，其中凹口15限定带有由弯曲端部界定的线性中心部分的切割线16。线性中心部分引起凹口在板组2下方进一步延伸。图9E-图9F示出了另一个实施方式，其中安装板7具有较小宽度(参看图4中的b)。相比于图9A-图9D中的安装板7，最近的开孔10附近存在较少材料，且凹口15不可延伸到转角部分中。凹口15限定切割线16，其具有在板组2下方延伸的线性部分，以及安装凸缘9中的弯曲端部。尽管所有示出的示例涉及延伸到安装凸缘9中的凹口15，但有可能的是通过限定完全在壁4的周边内的凹口15来实现充分的应力分布。还可构想出凹口15更长，以便不但在安装凸缘9中延伸，而且在板组2下方进一步延伸。两个凹口15甚至可在板组2下方相遇。图9G中示出了这种类型的一个实施例。然而，在板组2下方显著延伸的凹口15可减小安装板7的强度，而不显著贡献应力的更均匀分布。安装板7可最初制造成带有连贯的边缘表面14，例如，图3A-图3B中所示的平坦和直角的，且凹口15可通过使相应部分围绕底表面13与边缘表面14之间的肩部局部地除去来提供。凹口15可通过加工来形成，例如，铣削、磨削、镗孔或钻孔。回到图4，相应的凹口15形成为具有大体上朝安装板7的周边渐缩的截面。沿图4中的线A1-A1截取的图5示出了凹口15的位置处的安装板7的截面。如图所示，凹口15限定从安装板7的较大厚度t1到周缘处的较小厚度t2的过渡部20。过渡部20大体上为凹形且具有弯曲的内转角部分。在该示例中，内转角部分由基本上直的部分包绕。内转角部分形成为具有预先限定的半径R的圆形曲线。计算指出了半径R与较大厚度t1之比可在大约0.2到1.0的范围中以实现期望的结果。图5中的截面与切割线16成直角地截取。为了易于制造和/或评估应力分布(以下)，与切割线16成直角的截面可(但不一定)沿凹口15(即，沿切割线16)相同。这适用于本文所示的凹口的所有示例，且因此图5也可示出沿图9B、图9D和图9F中的线C的截面。图1中的换热器1包括可用于改善稳定性和耐用性的一些额外特征。图6A更详细示出了安装板7与板组2之间的接合部，且在图1中的虚线矩形6A内取得。在该示例中，密封板21连接到换热板的堆叠以限定板组2的底表面。如图7中所示，密封板21大体上为平坦的，且具有其转角处的通孔22来与换热板3中的对应通孔匹配。如本领域中已知的那样，密封板21的周边向上弯曲，以形成包绕凸缘23，其适于抵靠在下面的换热板的对应凸缘上且固定至其。因此，密封板21的周边与包绕壁4的周边大体上相符，但包绕凸缘21可略微突出超过如由换热板限定的包绕壁4的周边。在某些实施例中，安装板7可直接地附接至密封板21。在此实施例中，密封板21为限定端面5的端板。然而，在所示实施例中，额外板24附接在密封板21和安装板7中间，以用于增强板组2的底表面的目的。因此，端面5由该额外的增强或支撑板24限定。此增强板24的使用在传送穿过换热器1的一种或两种介质的工作压力较高时或在一种或两种介质的工作压力在一定时间内变化时可为有利的。在图8中更详细示出的增强板24具有一致的厚度，且限定匹配至板组2中的端口孔的通孔25。增强板24的周边可基本上与密封板21的周边或板组2的壁4的周边齐平。然而，在示出的示例中，增强板24适于从壁4的周边且因此从密封板21的周边局部地突出。特别而言，增强板24设有切口26，其定位成沿纵向方向在板组2的相应横向侧上的交叉区域11之间延伸，以便与轴向壁4基本上齐平。因此，如朝换热器1的底部的方向所见，切口26的纵向端点限定至突出的凸片部分28的相应过渡部27，其中过渡部27定位成交叠邻近交叉区域11的安装板7的周边，且定形成在交叠处不垂直于安装板7的周边。增强板24的该构造将局部地减小交叉区域11旁边的增强板24中的应力。例如，过渡部27可形成从切口26到凸片28的斜面或弯曲部。在示出的示例中，见图6A，凸片部分28从板组2伸出，以与相应的安装板7基本上共同延伸且抵靠其。发现这导致应力在安装板7、增强板24和密封板21之间(尤其在板组2的转角处)的有益分布。由于它们之间的增大的接触面积，其还将增大增强板24与安装板7之间的接合处的强度。在未示出的备选实施方式中，增强板24从板组2围绕其整个外周(除位于交叉区域11附近的小缺口之外)突出以提供过渡部27，过渡部27适当定形成不垂直于安装板7的周边。通过模拟换热器结构中的应力分布，安装板7和增强板24(如果存在)的设计可基于上文所述的总体原理来优化。此模拟可用于改变以下的一者或多者：安装板7的厚度t1、安装板7的宽度b、凹口15的截面、凹口15的范围，以及凹口15的角度α。模拟可基于应力的任何已知数字近似技术，诸如有限元方法、有限差分法，以及边界元法。对于一种特定的振动负载状态，图6A中的结构内的应力分布的模拟指出应力良好分布，而没有安装板7与增强板24之间的对接部中的沿箭头L1的任何显著峰值，其中最大应力值为大约65N/mm2(MPa)。模拟还指出了增强板24与密封板21之间的对接部中的沿箭头L2的应力的对应大小和分布。为了比较，应力分布还针对相同的振动负载状态在设有安装板7而没有交叉区域中的任何凹口的换热器内模拟。该换热器1在图6B中的底部平面视图中示出。如图所示，相应的安装板7具有贯穿其范围以及安装板7的周边与板组2的壁的周边交叉的位置处的一致厚度。在该示例中，增强板24具有与密封板21相同的延伸部。图6C为交叉区域的放大透视图。模拟指出了安装板7和增强板24的接合处的显著应力集中，其中最大应力值在区域L3中为大约310N/mm2。尽管结合目前认作是最实用且优选的实施例的内容描述了本发明，将理解的是，本发明不限于公开的实施例，但相反，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。例如，凹口15的截面可从图5中所示的一个推导出。一个备选截面在图10A中示出，其中凹口15形成为斜面30，其从底表面13线性地延伸至顶表面12以产生尖的周缘。在图10B中，截面形成为斜面30，其从底表面13线性地延伸至周缘内侧的位置以产生一致厚度的远侧唇部31。在图10C中，凹口形成为朝周缘的一系列的多个梯级32。尽管图10C中未示出，但各个梯级32可设有类似于图5中所示的截面的圆形内转角部分。如本文使用的\顶部\、\底部\、\垂直\、\水平\等仅是指附图中的方向，且不表示换热器1的任何特定定位。该用语也不表示安装板7需要布置在板组2的任何特定端上。回到图1，安装板可作为备选布置在板组2的顶部轴向端上，且可持久地连接到密封板或上面的密封板的增强板上。此外，安装板7可布置在板组2的没有端口孔的一端上或各个端口孔或至少一个端口孔6位于安装板7中间的一端上。