專利名稱：復(fù)合式熱交換器端部結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利的公開內(nèi)容總體上涉及熱交換器，并且更具體地涉及這樣的熱交換器一 其結(jié)合有密封地封閉熱交換器的彈性端部結(jié)構(gòu)，所述熱交換器適于沿管束長度方向提供反 向流動的過渡區(qū)。
背景技術(shù)：
熱交換器可用于各種應(yīng)用并且可包括多種不同的形式。僅舉例來說，用于內(nèi)燃發(fā) 動機的油冷卻器通常采取細長殼體的形式，該殼體包繞由基本離散的熱交換器管組成的管 束。管通常以大致六邊形的圖案堆設(shè)，使得每個管被多達六個其他管包繞。當然，也可利用 其他圖案。管束穿過導(dǎo)熱翅片和/或?qū)Я鲹醢灏惭b，并且可由設(shè)置在殼體內(nèi)的擋板和導(dǎo)熱 翅片支承，以在通向殼體的進口與出口之間形成蜿蜒流路。授權(quán)日為2007年7月17日、授予Amstutz等人的美國專利7，243，711中示出和 描述了示例性現(xiàn)有技術(shù)的熱交換裝置。此參考文獻中披露的熱交換器的實施例具有適于提 供高效冷卻的結(jié)構(gòu)。特別地，此參考文獻披露了具有殼體的熱交換器，該殼體限定一管束定 位在其內(nèi)的熱交換腔室。管束由設(shè)置在限定圖案中的多個管組成。所公開的實施例利用擋 板設(shè)置來支承管束。管束、擋板和殼體限定一位于進口與出口之間的蜿蜒流路。該蜿蜒流 路包括多個大致垂直于所述管的節(jié)段。這些節(jié)段通過流動方向改變窗分隔開。在流動方向 改變窗處，管束與殼體隔開一相對較大的間距。在離開流動方向改變窗的位置處，管束與殼 體隔開一小得多的間距。殼體的端部通過常規(guī)的技術(shù)——比如一包繞管束的管并延伸至殼 體的彈性材料端部結(jié)構(gòu)——塞住。這種設(shè)置適于密封熱交換腔室以防在經(jīng)受內(nèi)部操作壓力 時泄漏。但是，隨著內(nèi)部壓力和/或間距的增加，密封可能變得更加困難。因此，希望這樣 一種結(jié)構(gòu)其在管束與殼體之間的區(qū)域內(nèi)為端部結(jié)構(gòu)提供支承、同時保持良好的密封關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本公開內(nèi)容描述了一種熱交換器。該熱交換器包括殼體，該殼體具有限 定熱交換腔室的一部分的內(nèi)壁。包括多個管的管束設(shè)置在殼體內(nèi)。至少一個彈性端部結(jié)構(gòu) 相對于形成管束的管的至少一部分成橫交關(guān)系地、至少部分橫跨熱交換腔室地以壓縮的、 形成插塞的關(guān)系設(shè)置。該熱交換器利用包括多個流動方向改變窗的蜿蜒流路。在流動方向 改變窗處，管束的周界與內(nèi)壁隔開一窗距。該彈性端部結(jié)構(gòu)包括至少一個邊界節(jié)段，該邊界 節(jié)段在內(nèi)壁與管束的周界之間延伸。該邊界節(jié)段包括至少第一區(qū)域，第一區(qū)域由特征在于 第一彈性壓縮模量的第一材料形成。該邊界節(jié)段還包括至少第二區(qū)域，第二區(qū)域由特征在 于第二彈性壓縮模量的第二材料形成。第二彈性壓縮模量大于所述第一彈性壓縮模量。在另一方面，本公開內(nèi)容描述了一種組裝熱交換器的方法。該方法包括提供殼體， 該殼體具有限定熱交換腔室的一部分的內(nèi)壁。該方法進一步包括提供包括多個管的管束、 并將該管束設(shè)置在殼體內(nèi)。使用至少一個彈性端部結(jié)構(gòu)密封殼體，該彈性端部結(jié)構(gòu)相對于 管的至少一部分成橫交關(guān)系地、至少部分橫跨熱交換腔室地以壓縮的、形成插塞的關(guān)系設(shè)置。該端部結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在內(nèi)壁與管束之間的至少一個邊界節(jié)段。該邊界節(jié)段包括具有彈 性特性的至少第一材料和至少第二材料的組合，第一材料的特征在于第一彈性壓縮模量， 第二材料的特征在于第二彈性壓縮模量。第二彈性壓縮模量大于所述第一彈性壓縮模量。在另一方面，提供一種封裝單元。該封裝單元包括具有開口的結(jié)構(gòu)。密封部件設(shè) 置在該開口內(nèi)。密封部件包括一內(nèi)側(cè)部分和至少一個邊界節(jié)段。該邊界節(jié)段包括具有彈性 特性的至少第一材料和至少第二材料的組合，第一材料的特征在于第一彈性壓縮模量，第 二材料的特征在于第二彈性壓縮模量。第二彈性壓縮模量大于所述第一彈性壓縮模量。


圖1是示出結(jié)合有與本公開內(nèi)容一致的多區(qū)域彈性端部結(jié)構(gòu)的示例性熱交換器 的示意圖；圖2是示出圖1的熱交換器內(nèi)的熱交換腔室的剖視示意圖；圖3是大致沿圖2的線3-3截取的示意圖，示出圖1的熱交換器的多區(qū)域端部結(jié) 構(gòu)；圖4是與圖3類似的示意圖，示出另一個多區(qū)域端部結(jié)構(gòu)構(gòu)造；以及圖5是與圖3類似的示意圖，示出另一個多區(qū)域端部結(jié)構(gòu)構(gòu)造。
具體實施例方式本公開內(nèi)容涉及一種熱交換器，其具有設(shè)置在帶彈性端部結(jié)構(gòu)的殼體內(nèi)的管束， 該彈性端部結(jié)構(gòu)至少部分地跨越熱交換腔室，以受壓縮的、形成插塞的關(guān)系設(shè)置。該彈性端 部結(jié)構(gòu)包括在殼體的內(nèi)壁與管束的周界之間延伸的一個或多個邊界節(jié)段。邊界節(jié)段包括多 種材料的組合，所述材料具有不同的壓縮特性、對邊界節(jié)段提供增強的支承?，F(xiàn)將參考附圖，其中在各個圖中類似的參考標號表示類似的元件。圖1示出示例 性熱交換器12，比如油冷卻器等。在這方面，應(yīng)該理解的是，盡管熱交換器12示出為諸如可 用在內(nèi)燃發(fā)動機上的油冷卻器的形式，但熱交換器12決不限于這種構(gòu)造或用途。相反地， 與本公開內(nèi)容一致的示例性熱交換器12可采取多種形式并且可適于為用戶所希望的許多 應(yīng)用。在該示例性構(gòu)造中，熱交換器12包括帶進口 16和出口 18的結(jié)構(gòu)或殼體14。殼 體14可利用公知材料以任何合適的方式制成。僅舉例來說，一種合適的構(gòu)造材料可以是機 加工達到最終形式的鑄鋁。殼體14包括用于待冷卻的油或其他流體的進口 16和出口 18。 由多個管21形成的管束20 (圖2)安裝在由殼體14限定的熱交換腔室內(nèi)。管21由銅或其 他合適的導(dǎo)熱材料形成并以本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的方式攜帶冷卻流體。在操作中， 熱油或其他流體在進口 16處進入熱交換器12。流體然后沿著管束20移動并在出口 18以 較低的溫度離開。如圖2中最好地示出，在示例性構(gòu)造中，擋板23設(shè)置在沿殼體14長度的各位置 處。擋板23包繞部分的管束20。擋板23與殼體14的內(nèi)部截面大致一致并且部分但不完 全地跨越由殼體14限定的腔室延伸。擋板23、管束20和殼體14因此限定一始于進口 16 且止于出口 18的蜿蜒流路25。蜿蜒流路25包括大致垂直于管21延伸的節(jié)段。這些節(jié)段 由流動方向改變窗30分隔。因此，殼體限定一管束20定位于其內(nèi)的熱交換腔室24。
結(jié)合參考圖2和圖3，殼體14包括沿其腔室長度43(圖2)基本上一致的內(nèi)壁22。 內(nèi)壁22的形狀尺寸設(shè)計成以可滑動方式接納管束20和擋板23。因此，示例性熱交換腔室 24可被視為具有腔室長度43，帶有具有腔室寬度40和腔室高度42的一致橫截面。管束20 包括一周邊管組26，其限定出與殼體14的內(nèi)壁22分隔開的管束周界，在流動方向改變窗 30處的分隔距離為窗距28、而在離開流動方向改變窗30處的分隔距離為間距27。窗距28 一般大于間距27。間距27可與管束20內(nèi)的管26之間的間距大致相同，盡管也可使用更大 或更小的間距。在這方面，應(yīng)該理解的是，間距27無需一致，并且該周邊管組26的至少一 些部件可接觸內(nèi)壁22。窗距設(shè)計成使得在流動方向改變窗20處蜿蜒流路25的截面可方便 流動而沒有不適當?shù)南拗?，從而減小在操作期間熱交換器12兩側(cè)的壓降。如可以理解的那 樣，盡管示例性熱交換器12和熱交換腔室24示為具有大致六邊形的截面，但同樣可使用任 何數(shù)量的其他構(gòu)造。僅舉例來說，這些其他構(gòu)造可包括其他多邊形形狀、圓形形狀、卵形形 狀等。如所示的，熱交換器12結(jié)合有具有壓縮性能的示例性端部結(jié)構(gòu)50以密封熱交換 腔室24。端部結(jié)構(gòu)50橫跨殼體14的內(nèi)部，以受壓縮的、形成插塞的關(guān)系設(shè)置。示例性端部 結(jié)構(gòu)50包括位于端部結(jié)構(gòu)50的內(nèi)部52處、與管21成包繞關(guān)系地設(shè)置的彈性材料基體。彈 性材料基體包括位于該周邊管組26內(nèi)側(cè)的部分。僅舉例來說，且并非加以限制地，形成基 體的彈性材料可包括彈性體，比如氯丁二烯、有機硅、EPDM(三元乙丙橡膠)、FKM(氟橡膠)、 聚氨酯、HNBR(氫化丁腈橡膠)等。所示的示例性端部結(jié)構(gòu)50還包括設(shè)置在管束20與殼 體14的內(nèi)壁22之間的一對邊界節(jié)段56。如所示的，邊界節(jié)段56與流動方向改變窗30的 橫截面尺寸基本上軸向?qū)R，以使得邊界節(jié)段56的尺寸和形狀與流動方向改變窗30的截 面構(gòu)造大致對應(yīng)。但是，如果需要，同樣可使用其他幾何形狀。在這方面應(yīng)該理解的是，盡 管所示的端部結(jié)構(gòu)50包括一對邊界節(jié)段56，但同樣可以預(yù)期，端部結(jié)構(gòu)50可包括設(shè)置在管 束20周圍不同位置處的不同形狀和尺寸的任何數(shù)量的邊界節(jié)段。不論邊界節(jié)段56的位置或形狀如何，都可預(yù)期這些邊界節(jié)段56中的一個或多個 將是復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述復(fù)合結(jié)構(gòu)包括特征在于其剛度大小不同的區(qū)域。特別地，邊界節(jié)段56 中的至少一個包括一個或多個模量減小的區(qū)域60，其由特征在于第一彈性壓縮模量的材料 如彈性體等形成。邊界區(qū)段56還包括一個或多個模量增加的區(qū)域62，其由特征在于第二彈 性壓縮模量——該第二彈性壓縮模量大于形成模量減小區(qū)域60的材料的模量——的材料 形成。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的那樣，壓縮模量更高的材料更剛硬且在壓縮加載條 件下對彈性變形提供更大的阻力。因此，在相當?shù)膲嚎s水平時，模量減小區(qū)域60比模量增 加區(qū)域62更容易實現(xiàn)較大的彈性變形。模量增加區(qū)域62可以是基本上不可壓縮的或者相 對于模量減小區(qū)域60而言具有有限的可壓縮性。模量減小區(qū)域60和模量增加區(qū)域62可 在邊界節(jié)段56中的各位置處設(shè)置成大致彼此相鄰的關(guān)系。僅舉例來說，在圖3所示的設(shè)置中，模量減小區(qū)域60可由彈性材料形成。模量增 加區(qū)域62可采取插入或模制在邊界節(jié)段56中的開口內(nèi)的插塞的形式，以使得模量減小區(qū) 域60占據(jù)插塞之間的空隙以便基本上包繞插塞。模量減小區(qū)域60延伸至內(nèi)壁22，從而在 端部結(jié)構(gòu)50與殼體14之間形成密封關(guān)系。在所示設(shè)置中，插塞設(shè)置成與管束20中的管21 的圖案大致對應(yīng)的圖案。但是，同樣可利用任何數(shù)量的其他設(shè)置。根據(jù)一個構(gòu)思，模量減小 區(qū)域60可由與在內(nèi)部52處包繞管21的基體材料相同的彈性體形成。但是，如果需要，同樣可使用其他彈性材料。還可預(yù)期的是，如果需要，模量減小區(qū)域60可包括兩種或更多種 彈性體。插塞可由相對于模量減小區(qū)域60壓縮模量增加的任何合適的材料形成。僅舉例 來說，合適的插塞材料可包括鋼或其他金屬、剛度增大的彈性體、木材、塑料、陶瓷等。插塞 通過施加在端部結(jié)構(gòu)50上的足夠大的壓縮力而被保持于適當位置，盡管如果需要也可使 用粘合劑粘接和/或模制來保持穩(wěn)定性。還可預(yù)期的是，可利用任何數(shù)量的其他設(shè)置來提供熱交換器端部結(jié)構(gòu)邊界節(jié)段中 的可充分壓縮的區(qū)域和壓縮減少的區(qū)域的結(jié)合。僅舉例來說，圖4示出用于在殼體114內(nèi) 部中保持壓縮關(guān)系的端部結(jié)構(gòu)150的構(gòu)造。應(yīng)該理解的是，圖4中與前面已標號的元件相 對應(yīng)的元件通過相似的參考標號表示，這些參考標號落在一 100系列內(nèi)。在圖4所示的設(shè) 置中，模量增加區(qū)域162的形式為定位在邊界節(jié)段156中的插件。模量減小區(qū)域160占據(jù) 與插件相鄰的區(qū)域并且可基本上包繞插件。在所示設(shè)置中，插件的形狀大致是梯形。但是， 同樣可利用任何數(shù)量的其他設(shè)置。此外，雖然示出的設(shè)置利用單個插件來形成模量增加區(qū) 域162，但可預(yù)期的是，如果需要，可在邊界節(jié)段156中使用多個插件。如所示的，模量減小 區(qū)域160延伸至內(nèi)壁122，從而在端部結(jié)構(gòu)150與殼體114之間形成密封關(guān)系。模量減小區(qū) 域160可由與包繞管121的基體相同的彈性體形成，盡管如果需要也可使用不同的彈性體。 還可預(yù)期的是，如果需要，模量減小區(qū)域160可包括兩種或更多種彈性體。插件可由相對于 模量減小區(qū)域160壓縮模量增大的任何合適材料形成。僅舉例來說，這種材料可包括剛度 增加的彈性體、金屬、木材、塑料、陶瓷等。插件通過施加在端部結(jié)構(gòu)150上的足夠大的壓縮 力而被保持在適當位置，盡管如果需要也可使用粘合劑粘接和/或模制來保持穩(wěn)定性。圖5示出了用于在殼體214內(nèi)部以受壓縮的關(guān)系保持的端部結(jié)構(gòu)250的構(gòu)造。應(yīng) 該理解的是，圖5中與前面已標號的元件相對應(yīng)的元件通過相似的參考標號表示，這些參 考標號落在一 200系列內(nèi)。在圖5所示的設(shè)置中，模量增加區(qū)域262通過在邊界節(jié)段256 中限定部位處的選擇性的化學(xué)蝕變或添加而形成。模量減小區(qū)域260占據(jù)與模量增加區(qū)域 262相鄰的區(qū)域，并可基本上包繞模量增加區(qū)域262。在所示設(shè)置中，模量增加區(qū)域262大 致是橢圓形的。但是，同樣可利用任何數(shù)量的其他設(shè)置。模量減小區(qū)域260可延伸至內(nèi)壁 222，從而在端部結(jié)構(gòu)250與殼體214之間形成密封關(guān)系。但是，如果需要，模量增加區(qū)域 262也可接觸內(nèi)壁222以形成密封界面的一部分。模量減小區(qū)域260可由與包繞管221的 基體相同的彈性體形成，盡管如果需要也可使用不同的彈性體。還可預(yù)期的是，模量減小區(qū) 域260可包括兩種或更多種彈性體。僅舉例而言，根據(jù)一個實踐，模量增加區(qū)域262可通過 選擇性地局部引入各種填料或其他添加劑、和/或通過在邊界節(jié)段256中的局部位置處將 交聯(lián)劑或其他硬化劑引如到基礎(chǔ)彈性體復(fù)合物中而形成。這些作用劑增加了局部剛度，從 而增加了局部彈性壓縮模量。已發(fā)現(xiàn)在彈性端部結(jié)構(gòu)邊界區(qū)段中的各位置處設(shè)置模量增加區(qū)域有助于邊界節(jié) 段的支承。這種增加的支承有助于延長管束與殼體之間的距離和/或增加熱交換腔室內(nèi)的 壓力。在不受具體理論限制的情況下，可推理在邊界節(jié)段中的各位置處設(shè)置模量增加區(qū)域 有利于提高端部結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力的均勻分布。由包繞殼體施加的壓縮力因此導(dǎo)引通過端部結(jié) 構(gòu)，從而避免了低壓縮區(qū)域、并因此給整個結(jié)構(gòu)提供了改善的穩(wěn)定性。還可預(yù)期的是，與本公開內(nèi)容一致的多區(qū)域密封元件可適用于不同于熱交換器的 環(huán)境。在這方面，這些裝置可適用于任何數(shù)量的加壓或未加壓的封裝單元中的密封結(jié)構(gòu)。僅舉例而言，這些封裝單元可包括需要跨越結(jié)構(gòu)開口的良好密封關(guān)系的各種儲罐、化學(xué)反應(yīng) 器皿等。工業(yè)實用性從前面的說明，將容易地理解與本公開內(nèi)容一致的熱交換器或其他單元的工業(yè)實 用性。在這方面，涉及熱交換器的本公開內(nèi)容實質(zhì)上適用于任何以下熱交換環(huán)境其利用殼 體內(nèi)的管束并結(jié)合有彈性密封部件，其中密封部件的節(jié)段從管束的周界向外側(cè)延伸。與本 公開內(nèi)容一致的熱交換器可用來冷卻流體，如水、油、空氣等。這些熱交換器可特別適用于 其中利用穿過熱交換器的蜿蜒流路進行熱傳遞的環(huán)境。在實踐中，與本公開內(nèi)容一致的熱交換器可用于諸如工業(yè)設(shè)備、公路車輛等的環(huán) 境中，其中空間受限并需要充分的冷卻效率。在這些環(huán)境下，使用穿過殼體——該殼體結(jié)合 有較大的流動方向改變窗——的蜿蜒流路可提供提高的冷卻效率。彈性端部結(jié)構(gòu)可用來有 效地密封熱交換腔室以防泄漏。在彈性端部結(jié)構(gòu)的邊界節(jié)段內(nèi)結(jié)合和/或散布具有較高彈 性壓縮模量的材料，這提供了提高的穩(wěn)定性，同時保持彈性端部結(jié)構(gòu)與殼體之間的壓縮周 界密封關(guān)系。除了在熱交換器內(nèi)使用以外，與本公開內(nèi)容一致的密封元件實際上可在任何需要 跨越大開口的可靠密封的結(jié)構(gòu)中具有工業(yè)實用性。這可包括在任何其中需要可靠密封的儲 存或反應(yīng)結(jié)構(gòu)中使用。
權(quán)利要求
一種熱交換器(12，112，212)，包括殼體(14，114，214)，其具有限定熱交換腔室(24)的一部分的內(nèi)壁(22，122，222)；管束(20)，其包括多個設(shè)置在所述殼體(14，114，214)內(nèi)的管(21，121，221)；至少一個彈性端部結(jié)構(gòu)(50，150，250)，其相對于所述多個管(21，121，221)的至少一部分成橫交關(guān)系地、至少部分橫跨所述熱交換腔室(24)地以壓縮關(guān)系設(shè)置；所述至少一個彈性端部結(jié)構(gòu)(50，150，250)包括至少一個設(shè)置在所述內(nèi)壁(22，122，222)與所述管束(20)之間的邊界節(jié)段(56，156，256)，所述至少一個邊界節(jié)段(56，156，256)包括具有彈性特性的至少第一材料和至少第二材料的組合，所述具有彈性特性的第一材料的特征在于第一彈性壓縮模量，所述第二材料的特征在于第二彈性壓縮模量，所述第二彈性壓縮模量大于所述第一彈性壓縮模量。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器(12，112，212)，其中，所述具有彈性特性的第一材料 是選自包括氯丁二烯、有機硅、EPDM、FKM、聚氨酯和HNBR的組的彈性體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的熱交換器(12，112，212)，其中，所述第二材料選自包括金 屬、彈性體、木材、塑料和陶瓷的組。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的熱交換器(12，112，212)，其中，所述第二材料限 定多個橫跨所述至少一個邊界節(jié)段(56，156，256)、與所述具有彈性特性的第一材料成圖案 關(guān)系地設(shè)置的模量增加區(qū)域(62，162，262)。
5.如權(quán)利要求4所述的熱交換器(12)，其中，所述多個模量增加區(qū)域(62)包括多個插 塞元件，并且其中所述具有彈性特性的第一材料至少部分地包繞所述插塞元件中的一個或 多個。
6.如權(quán)利要求5所述的熱交換器(12)，其中，所述插塞元件中的至少一個由選自包括 金屬、彈性體、木材、塑料和陶瓷的組的材料形成。
7.如權(quán)利要求6所述的熱交換器(12)，其中，所述插塞元件中的至少一個由鋼形成。
8.如權(quán)利要求1所述的熱交換器(112)，其中，所述第二材料限定多個橫跨所述至少 一個邊界節(jié)段(156)、與所述具有彈性特性的第一材料成圖案關(guān)系地設(shè)置的模量增加區(qū)域 (162)，所述多個模量增加區(qū)域(162)包括多個插件，所述具有彈性特性的第一材料至少部 分地包繞所述插件中的一個或多個。
9.如權(quán)利要求8所述的熱交換器(112)，其中，所述楔形插件中的至少一個由選自包括 金屬、彈性體、木材、塑料和陶瓷的組的材料形成。
10.如權(quán)利要求1所述的熱交換器(212)，其中，所述第二材料限定多個橫跨所述至少 一個邊界節(jié)段(262)、與所述具有彈性特性的第一材料成圖案關(guān)系地設(shè)置的模量增加區(qū)域 (262)，所述多個模量增加區(qū)域(262)包括具有彈性特性的第一材料的多個選擇性地硬化 的局部區(qū)域，所述選擇性地硬化的局部區(qū)域相對于相鄰的具有彈性特性的第一材料的區(qū)域 具有提高的硬度。
全文摘要
一種熱交換器，其具有設(shè)置在殼體內(nèi)的管束，其中彈性端部結(jié)構(gòu)至少部分橫跨熱交換腔室地以受壓縮的、形成插塞的關(guān)系設(shè)置。該彈性端部結(jié)構(gòu)包括在殼體的內(nèi)壁與管束的周界之間延伸的一個或多個邊界節(jié)段。邊界節(jié)段包括具有不同壓縮特性的材料的組合，以對邊界節(jié)段提供增強的支承。
文檔編號F28F1/00GK101960246SQ200980106890
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者D·A·皮特爾斯基, D·J·貝克爾, S·I·馬修, S·M·伯特蘭德, T·J·格拉本斯泰特, W·E·多沃凡 申請人:卡特彼勒公司