热交换器和用于制造具有歧管的热交换器芯的方法与流程

本发明涉及热交换器和用于制造具有歧管的热交换器芯的方法，具体地，涉及板式热交换器和用于制造具有歧管的板式热交换器的方法。

背景技术：

在热交换器中，特别是在其中各个热交换器单元堆叠以形成热交换器堆叠的热交换器中，用于不同流体流的入口和出口被组合在收集器中，所谓的歧管具有用于每种流体的单个供应导管和单个排放导管。歧管的构造及其与热交换器芯的安装通常是复杂且昂贵的。

因此，需要具有简单歧管的热交换器，以允许降低热交换器的制造成本。

技术实现要素：

根据本发明，提供了一种热交换器，该热交换器包括第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口，第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口中的每者均被布置在热交换器芯的四个不同面上。热交换器还包括歧管，歧管覆盖热交换器芯的四个不同面中的一个面。歧管被设置用于将来自第一出口或第二出口的流体收集到歧管中的公共出口或者将来自歧管中的公共入口的流体引导到热交换器芯的第一流体入口或第二流体入口。

歧管的第一侧壁被布置成与热交换器芯的被歧管覆盖的一个面成小于90度的角度。因此，歧管并未通过歧管或歧管侧壁和热交换器芯面的公共垂直布置连接到热交换器芯。

热交换器芯的在热交换器芯的被歧管覆盖的一个面和热交换器芯的四个不同面中的邻近面之间的边缘与歧管的第一侧壁的连接边缘形成公共焊接线。因此，热交换器芯被焊接在公共焊接线处并沿着公共焊接线焊接，并且歧管通过同一公共焊接线焊接到热交换器芯。边缘处的热交换器芯的焊接优选地在与将歧管焊接到热交换器芯的同一制造步骤中执行。

通过公共焊接线，能通过减少焊接步骤来简化制造。通过将歧管以成角度方式施用于热交换芯的面，可省略其他焊接步骤，因为歧管可直接彼此连接并且可形成简单形式的歧管，如下面将更详细地概述的。这样能减少歧管的材料成本以及制造步骤。此外，简单的歧管形状允许在歧管中均匀地引导流体特别是气体，而不会引起高压降。歧管与热交换器芯的成角度应用还允许设计包括歧管的非常简单的热交换器布置，这些布置能简化例如热交换器的高压应用下的安装、隔热或加强。

热交换器包括堆叠式热交换器芯，其中，优选地，多个热交换器单元被组合成一个热交换器芯。优选地，热交换器包括传热板的堆叠。

在优选实施方式中，热交换器包括传热板的堆叠，在该堆叠中，通过在传热板之间布置间隔元件，在传热板之间设置有第一流动通道和第二流动通道。间隔元件沿着传热板的四个边缘部分延伸，使第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口敞开。间隔元件沿着四个边缘部分焊接到传热板。优选地，沿着四个边缘部分整体地执行焊接，以防止引导通过导管的流体的泄漏。然而，还可在特定位置处部分地进行焊接，以便限定所期望量的泄漏。在堆叠式热交换器中，热交换器芯的与歧管的连接边缘形成公共焊接线的边缘是沿着其间带有间隔元件的堆叠式传热板的整体延伸而形成的四个边缘或拐角中的一个。公共焊接线基本上遍及堆叠的高度。通过将歧管的连接边缘焊接到堆叠的四个边缘中的一个边缘，热交换器堆叠或热交换器芯也沿着形成公共焊接线的四个边缘中的一个边缘焊接。

优选地，在本发明中，如ep3217132中描述的热交换器堆叠与本文中描述的歧管组合进行使用。ep3217132的公开内容在此以引用方式并入。特别地，热交换器堆叠的元件、堆叠中的元件的材料和定位、焊接的位置和方式可如ep3217132中描述地执行和选择，并且在此以引用方式并入。

在ep3217132中的热交换器中，在形成堆叠的板的全部上进而在堆叠的整个高度上，沿着堆叠的边缘焊接板堆叠。这样做是为了抑制第一导管和第二导管之间的泄漏，因此抑制被引导贯通热交换器的两种流体的热交换或混合。在本发明中，这些组合板边缘与中间间隔元件的焊接可直接与将一个或多个歧管焊接到热交换器芯相结合。

优选地，在热交换器芯的边缘被焊接的同时，将一个歧管焊接到热交换器芯，由此形成一条公共焊接线。据此，热交换器的边缘被流体密封，优选地在边缘处是气密的，并且歧管被附接到热交换器芯。更优选地，在热交换器芯的边缘被焊接的同时，两个邻近的歧管被焊接到热交换器芯的边缘。优选地，在单个焊接处理步骤中完成焊接。

优选地，热交换器包括另一歧管，该另一歧管覆盖热交换器芯的四个不同面中的与被歧管覆盖的一个面相邻的第二面。然后，将另一歧管的第一侧壁的连接边缘焊接到歧管的连接边缘和热交换器芯的边缘。然后，另一歧管的连接边缘也形成公共焊接线的部分。据此，两个邻近的歧管除了彼此连接之外还可连接到热交换器芯的一个边缘。这可在两个或优选地单个焊接步骤中完成。

优选地，另一歧管的第一侧壁被布置成与热交换器的被另一歧管覆盖的(第二)面成小于90度的角度。这两个歧管的成角度布置不仅使制造过程能更简单，而且还能使热交换器芯和歧管的设计简单。例如，邻近的歧管可被布置成如此形成从一个歧管到邻近歧管的平滑外部过渡。

优选地，歧管的第一侧壁和邻近的另一歧管的第一侧壁布置在同一平面中。优选地，各歧管的第一侧壁各自包括一个公共开口。公共开口可以是与热交换器芯的入口开口或出口开口流体连接的公共入口或公共出口。通过这种布置，这两个公共开口可彼此靠近地布置在同一平面中。这使热交换器的装管以及公共入口和公共出口的可触及性简化。

本发明的歧管具有非常简单的构造。歧管的连接边缘被焊接到热交换器芯的被歧管覆盖的一个面的边缘，并且歧管的另一连接边缘被焊接到被歧管覆盖的这面的相对边缘。

优选地，歧管包括含公共开口的第一侧壁和第二侧壁，并且包括第二侧壁。第一侧壁和第二侧壁相连接，例如由片材的矩形块形成。优选地，第一侧壁或第二侧壁更优选地第一侧壁和第二侧壁各自由单个平面形成。第一侧壁包括公共开口，该公共开口可包括延伸出第一侧壁的平面外的轴环。优选地，歧管的第一侧壁的连接边缘被焊接到热交换器芯的被歧管覆盖的一个面的边缘，并且歧管的第二侧壁的连接边缘被焊接到被歧管覆盖的这面的相对边缘。第一侧壁和第二侧壁的连接边缘优选地布置在形成歧管的片材块的相对两端处。优选地，第二侧壁的连接边缘与热交换器的在热交换器的被歧管覆盖的一个面和热交换器堆叠的四个不同面中的另一相对邻近面之间的边缘形成公共焊接线。据此，热交换器芯的两个边缘的焊接步骤可直接与将歧管附接至热交换器芯的步骤相结合。

优选地，歧管包括含公共开口的第一侧壁并包括第二侧壁。

第一侧壁和第二侧壁包括小于180度的角度。优选地，第一侧壁和第二侧壁包括范围在60度和140度之间更优选地范围在80度和120度之间(最优选地，90度)的角度。例如，还可根据布置在歧管中的公共开口的位置和大小，选择和调整角度，以便优化通过歧管的流动。

优选地，歧管具有不对称屋架的形状。歧管包括两个侧壁，其中，第一侧壁具有比歧管的第二侧壁大或小的横截面。由于由热交换器堆叠的尺寸给定歧管的一个尺寸，因此根据这两个侧壁之间形成的角度的大小，这两个侧壁的长度根本上不同。歧管可由单块片材(例如，不锈钢)制成。这两个侧壁中的一者包括公共开口，公共开口形成用于被引导通过热交换器的流体的公共入口或公共出口。

歧管的侧壁与热交换器的被歧管覆盖的这面之间的角度优选地小于90度。因此，歧管的第一侧壁和第二侧壁以及热交换芯的这面所跨的三角形的两个底角优选地都小于90度。优选地，歧管是不对称的，使得两个底角不相等。一个底角可例如在20度和40度之间的范围内，并且另一个底角可在50度和80度之间的范围内。在任何情况下，底角和顶角之和都总计180度。

优选地，热交换器芯的四个不同面中的每个面都被歧管覆盖，这些面包括第一流体入口、第一流体出口、第二流体入口和第二流体出口。优选地，每个歧管与其邻近的歧管和热交换器芯的两个边缘共享公共焊接线。

热交换器芯的未被歧管覆盖的两个相对面可各自被侧板覆盖。侧板优选地封闭歧管相对面的歧管所跨的体积。因此，歧管和侧板包裹热交换器芯。两个侧板优选地沿着侧板的整个周缘连接(例如，焊接)到歧管。这两个侧板也可例如沿着热交换器芯的两条相对端线固定(例如，焊接)到热交换器芯。这能使热交换器构造进一步稳定。

与带有歧管的传统热交换器相比，可用更少的焊接步骤制造根据本发明的热交换器，因此降低了制造成本。根据歧管的形状和布置，热交换器也可被赋予简单的外形，从而便于热交换器的应用和安装。

优选地，安装有歧管的热交换器具有矩形热交换器盒的形式。热交换器盒包括歧管中的每个歧管中的公共开口。优选地，在热交换器盒的一个面上布置两个公共开口，并且在热交换器盒的相对面上布置有另两个公共开口。如已经提到的，这不仅使公共开口的触及性良好。热交换器盒的多达四个平坦面允许热交换器的安装变化。平坦面也可非常容易设置有加强件，加强件例如用于热交换器的高压应用和/或隔热。

如果热交换器中的流体流之一被加压从而具有1.5巴或更高的压力，则可提供加强件。例如，可提供加强件以使热交换器符合国家或国际法规，例如，用于高压应用的欧洲压力指令(ped)。

如果热交换器中的流体的压力低于1.5巴，则可省略并且优选地省略加强件。

热交换器可包括外部隔热件和加强件。隔热件和加强件可被组合在一个元件中，或者可被设置在单独的元件中。特别地，在其中热交换器中的流体特别是气体具有高于1.5巴的压力(例如，在5巴和10巴之间)的高压应用中，能加强侧板，以防止或减少变形。

根据本发明的热交换器可用于高温应用特别是其中两种流体中的一种可具有高达大约1000摄氏度的温度的高温应用。流体可以是气体或液体，或者一种可以是气体而另一种可以是液体。优选地，第一流体是气体。优选地，第一流体是吸热流体或冷流体。优选地，第二流体是气体。优选地，第二流体是发热流体或热流体。热流体的温度可高达大约1000摄氏度，例如，可在600摄氏度和950摄氏度之间。

为了提高热交换器的热效率，热交换器可设置有一个或多个热屏蔽件。热屏蔽件被布置在歧管和热交换器芯的被歧管覆盖的这面之间的空间内。优选地，热屏蔽件防止流体流接触热交换器芯的这面中的被歧管覆盖的部分。据此，在歧管中的流体与热交换器芯的这面的该部分之间不会出现热交换或者出现较少的热交换。优选地，热屏蔽件被布置成防止或限制歧管中的流体与这面中的被歧管覆盖的该部分之间的接触，热交换器芯的这面的该部分被侧板封闭。因此，热屏蔽件并不覆盖热交换器芯的这面中的由流体入口或流体出口形成的那部分。热屏蔽件也可以是导流元件，将流体流从歧管中的公共入口引导到热交换器芯中的流体入口，或者将流体流从热交换器芯中的流体出口引导到歧管中的公共出口。

还提供了一种用于制造热交换器的方法，该热交换器包括带有歧管的热交换器芯。该方法包括以下步骤：提供传热板的堆叠，在该堆叠中，传热板在总体平面上延伸并包括四个边缘部分，并且通过在传热板之间布置间隔元件而在传热板之间提供第一流动通道和第二流动通道。间隔元件沿着传热板的四个边缘部分延伸，使各自布置在堆叠的四个不同面上的第一入口、第一出口，第二入口和第二出口敞开。该方法还包括将间隔元件沿着四个边缘部分焊接到传热板由此形成热交换器芯的步骤。热交换器芯具有四个边缘，这四个边缘沿着整个堆叠式传热板延伸地形成，在这四个边缘之间具有间隔元件。该方法还包括以下步骤：提供歧管并且用歧管覆盖热交换器芯的四个不同面的中的一个面；以及将歧管的连接边缘焊接到热交换器芯的四个边缘中的一个边缘，由此将热交换器芯沿着四个边缘中的一个边缘焊接并且与歧管的连接边缘形成公共焊接线。

已针对热交换器描述了该方法的优点，并且将不再重复。

优选地，该方法还包括以下步骤：提供另一歧管，用另一歧管覆盖热交换器芯的四个不同面中的邻近的另一个面；以及将另一歧管的连接边缘焊接到歧管的连接边缘以及热交换器芯的四个边缘中的一个边缘，由此在歧管、另一歧管和热交换器芯的这一个边缘之间形成公共焊接线。

该方法可包括以下步骤：提供四个歧管；用这四个歧管中的一个歧管覆盖热交换器芯的四个不同面中的每个面；以及将歧管的连接边缘中的每两个连接边缘彼此焊接并且焊接到热交换器芯的四个边缘中的一个边缘。虽然每个焊接都可单独执行，但是焊接热交换器芯的边缘并将歧管连接到热交换器芯优选地在一个焊接步骤中执行。将邻近的两个歧管彼此连接并且连接到热交换器芯也可在单独的焊接步骤中进行，然而，优选地在单个焊接步骤中执行。

优选地，该方法包括围绕热交换器芯布置和设计四个歧管由此形成热交换器盒的步骤。热交换器盒包括四个歧管中的每个歧管中的公共开口。该方法优选地还包括以下步骤：在热交换器盒的一个面上布置两个公共开口，并且在热交换器盒的相对面上布置另两个公共开口。

附图说明

针对实施方式进一步描述本发明，利用以下附图来例示这些实施方式，其中：

图1示出歧管和热交换器芯的共同焊接线的局部视图；

图2示出安装到板式换热器的歧管；

图3示出两个歧管和热交换器的边缘的公共焊接线的视图；

图4、图5是带有两个歧管(图4)和四个歧管(图5)的热交换器芯的立体图；

图6是包括侧板的图5的热交换器的立体图；

图7示出具有加强件和隔热件的图6的热交换器盒；

图8示出具有另一加强件的图7的实施方式；

图9是歧管与热交换器堆叠的现有技术焊接的示例。

在附图中，将相同的附图标记用于相同或相似的元件。

具体实施方式

图1示出板式热交换器芯1的局部视图，其包括由间隔元件11、14划分以在传热板4之间形成通道的矩形传热板4的堆叠。与1mm的间隔元件14的厚度和形成双间隔件的间隔元件11相比，由于板的大约0.15mm的小厚度，在间隔元件14之间看不到板4。

在图1中示出的热交换器的堆叠中，矩形板被垂直地布置。例如，20至30个板可彼此堆叠或靠近彼此布置，以形成堆叠。

第一流体(优选地冷却气体)可在堆叠的四个面的第一面100上的第一入口端口段13处进入堆叠。在已通过流经第一通道而经过堆叠之后，第一流体可在相对的第三面120(在该图中在底部上，未示出)离开热交换器。

第二流体(优选地热气体)可在堆叠的第二面110上的第二入口端口段18处进入堆叠。在已通过流经第二通道而经过堆叠之后，第二流体可在相对的第四面130(图1中未示出)离开热交换器。

歧管20(其中仅示出第一侧壁201的部分)被焊接到热交换器芯1。在歧管20的第一侧壁201的连接边缘203和热交换器的边缘101之间形成公共焊接线3。公共焊接线3沿着边缘101将热交换器芯的传热板4与间隔元件11紧密连接。公共焊接线3还将歧管20连接到热交换器堆叠的边缘101。

热交换器芯1优选地是如ep3217132中描述的热交换器堆叠。传热板4形成堆叠的包括沿着上边缘的半间隔件11的一面。该间隔件可用于被焊接到侧板，如下面将进一步描述的。可很好地看到传热板4的轮廓：包括用于改善流体分布和收集的轮廓的板的中心由平板部分形成。在下一层上，第二面110被间隔件14封闭，通过水平焊接将间隔件14焊接到间隔件14上方和下方的传热板4。第一面100是敞开的并设置有波纹片材12，波纹片材12可在入口开口上延伸或者可沿着整个面100延伸。该第一通道被下一个传热板4封闭。在另一层中，第一面100被间隔件11封闭，而第二面110敞开并设置有波纹片材12。该第二通道再次被另一传热板4封闭。另一层的间隔件14被以水平方式焊接到该另一传热板4。

下一层是第一通道的重复并相应地形成，而下一层之后的层是第二通道的重复。

在间隔件11、14和传热板4之间，沿着传热板的整个面顺着边缘部分设置有焊接点。焊接接头也设置在堆叠上的不包括第一入口开口和第二入口开口15的面上的间隔件11、14和传热板4之间。

在波纹片材12和传热板4之间没有设置焊接接头，使得在所述未焊接的波纹片材12和传热板4之间形成泄漏通道。在两个间隔元件11、14之间不存在焊接，因此需要沿着公共焊接线3进行密封，以封闭两个流体通道之间的边缘部分。

第二流体通道的间隔件11是双间隔件的限定两个传热板4的距离和第二通道的高度的部分。优选地，在将单元彼此堆叠时形成双间隔件11，每个单元都具有布置在其外部的间隔件11。在ep3217132中描述了间隔件的布置和水平焊接的其他细节，并且这些细节以引用方式并入本文中。

图2示出安装到板式热交换器1的歧管20。

第一盖板16覆盖热交换器的上面或第一面100，但是用于入口端口段13。第一出口端口段(未示出)被同样地构造，但是在热交换器的相对面上。该盖板装置可用于其中诸如波纹片材12这样的敞开的内部间隔元件沿着热交换器的全部面布置的热交换器的实施方式。那么，入口端口段和出口端口段的大小主要是由盖板的布置限定的。该盖板装置也可用于其中并非诸如波纹片材这样的间隔元件或敞开内部间隔元件唯一地布置在入口开口或出口开口中(也就是说，沿着仅仅热交换器芯的面的一部分)的热交换器的实施方式。那么，入口端口段13主要由入口开口限定。

盖板16(因此堆叠的相对面)覆盖堆叠的上面100的大约2/3或4/5。

入口端口段18遍及热交换器芯1的整个长度(图中的高度)。布置在热交换器芯的相对面130上的对应出口端口段(未示出)也遍及热交换器芯1的整个长度(图中的高度)。这两种流体在交替的第一通道和第二通道中被引导通过堆叠并且基本上彼此平行。

盖板16沿着拐角部分被焊接到堆叠。

歧管20覆盖热交换器堆叠的上面100。歧管20具有屋架的形式，其中，该屋架的较大的第一侧壁201包括公共入口204。公共入口204包括用于施用入口管道的轴环2040。轴环可由歧管整体形成，例如通过挤压片材整体形成。然而，轴环也可以是焊接到歧管中的公共开口的单独部件。

歧管20的第一侧壁201沿着公共焊接线3被焊接到上面100的边缘101。歧管的较陡的第二侧壁202沿着另一公共焊接线被焊接到上面的相对边缘102。屋架的顶角206为90度。由于歧管的较大的第一侧壁201，第一侧壁和上面100包括大约20度至30度(例如，25度)的底角207。第二侧壁202和上面100包括大约70度至80度(例如，75度)的底角208。除了围绕公共入口开口204的轴环2040之外，第一侧壁201和第二侧壁202是各自在单个平面上延伸的平板。

图3示出两个歧管和热交换器芯的边缘的公共焊接线3，例如如图2中一样。

如图3中可见的，第二歧管21的第一侧壁211沿着第二歧管21的连接边缘213焊接到第一歧管20的公共焊接线3和热交换器芯1的边缘101。两个歧管的两个第一侧壁201、211被布置在一个平面中。如概述地在图4中可见的，第二歧管21覆盖热交换器芯的第二面110。第二歧管21中的公共入口214形成公共入口，以便将流体流引导到第二面110的入口开口15中。在第二歧管21中，第二侧壁212大于第一侧壁211，从而将第二流体从公共入口214引导到热交换器芯的第二面110。这两个公共开口204、214被布置在同一平面中并允许从同一方向触及公共开口。

第二歧管21还具有屋架的形式，其中，该屋架的较小的第一侧壁211包括公共入口214。屋架的顶角为90度。由于第二歧管的较小的第一侧壁211及其较陡的布置，第一侧壁和第二面110包括大约70度至80度(例如，75度)的底角。第二侧壁212和第二面110包括大约20度至30度(例如，25度)的底角。

图5示出设置有四个歧管20、21、22、23的图4的热交换器芯，各歧管覆盖热交换器芯1的一个面100、110、120、130。第一歧管20和第三歧管22具有相同的形状和大小，而第二歧管21和第四歧管23具有相同的形状和大小。第三歧管22覆盖热交换器芯1的第三面或底面120。第四歧管23覆盖热交换器芯1的第四面130。

歧管中的每个都被焊接到热交换器芯1的两个边缘以及它们邻近的两个歧管。

在图5中，热屏蔽件5被插入由第一歧管20形成的容积中。热屏蔽件5是在公共入口204和盖板16之间形成屏障的片材的弯曲块。屏蔽件平行于第一歧管20的第一侧壁201布置，从而将进入公共入口204的流体流引导到入口端口段13。通过热屏蔽件5，防止或最小化流体流与盖板16之间的直接接触。因此，能使得冷流体和被热流体加热的典型的热盖板16之间的不期望的热交换最小化。

虽然只示出了用于一个歧管20的此热屏蔽件5，但是歧管中只有一些或全部可设置有热屏蔽件5。

热交换器芯的不包括入口或出口的两个面140、150被侧板28覆盖，如图6中所示(背面未示出)。侧板28封闭歧管20、21、22、23所跨的容积。侧板28沿着其周缘被焊接，即，沿着它们的四个边缘中的每个被焊接到歧管的面。据此，形成的热交换器盒具有简单的矩形形式，包括热交换器盒的一面上的两个公共开口204、214和以及在热交换器盒相对面上的两个公共开口224、234(参见图5)。

图7和图8示出具有也用作隔热件的加强件的图6的热交换器盒。在图7中，形成热交换器盒的大面的侧板28被一系列矩形中空管600覆盖。矩形中空管600形成平行布置的矩形中空管600的壁60。矩形中空管600优选地由机械稳定的材料制成，该材料可以是金属，但是例如也可以是隔热材料。矩形中空管600的中空芯形成空气隔离，如此，使热交换器隔热。矩形中空管600的内部也可填充有隔热材料。在图8中，热交换器盒的不包括公共开口的两个小面也设置有矩形中空管600的阵列。管各自形成矩形中空管600的壁61。另外，壁61可由金属或隔热材料制成。壁可提供空气隔离或者可填充有隔热材料。通常，如果经过热交换器的一种或两种流体流具有1.5巴或更高的压力，则提供加强件。例如，使用具有超过3巴(例如，超过5巴)的压力的气体，所示出的加强件对于高压应用是有利的。图9是将歧管焊接到热交换器堆叠例如焊接到ep3217132中描述的热交换器堆叠的已知方式的示例。

只示出了作为传统歧管的覆盖热交换器芯1的两个面100、110的部分的板9。板各自垂直于热交换器的拐角部分布置。板9在歧管的底部处被焊接到热交换器芯1的拐角部分。所示出的两条焊接线91也可分别处于板9或歧管的最底部处，或者在板9的与图9中示出的相对的底侧上。

在用于将歧管附接到热交换器芯的两条焊接线91旁边，存在沿着热交换器芯的边缘101的另外的焊接(未示出)，以防止进入入口端口18的流体流与进入入口端口13的流体流相混合。

因此，需要三个独立的焊接和焊接步骤。另外，板9和歧管的垂直布置无法构造非常简单的歧管和热交换器形状。

主要结合ep3217132中公开的热交换器的实施方式描述了本发明。如上所述，这种组合是特别有利的。然而，一个歧管特别地四个歧管的特定设计和布置还允许与本申请中没有明确提到的不同热交换器有利地组合。优选地，包括布置在堆叠的不同面处的入口开口和出口开口的热交换器堆叠通常适于并优选地被选择成设置有根据本发明的方法的歧管。