用於空氣加熱裝置的熱交換器的製作方法

2023-06-09 20:18:01

專利名稱：用於空氣加熱裝置的熱交換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於集成在引導空氣的外殼內的空氣加熱裝置的熱 交換器。該熱交換器具有縱軸，其中空氣可被迫使沿著基本垂直於所述 縱軸的"主流動方向"圍繞著該熱交換器流動。
背景技術：
目前，用於車輛(尤其是卡車或多用途運載車輛等)的燃料驅動輔 助加熱單元通常與車輛固有的隨車加熱和空氣調節單元分開裝納。這種 輔助加熱單元以例如空氣加熱裝置的形式設置，其用作加熱器，以提供 輔助加熱和/或在靜止情況下(停車時)提供加熱。
一段時間以來，已經進行了一些將空氣加熱裝置集成在車輛的固有 隨車加熱和空氣調節裝置中的嘗試。這將節省佔用空間和組成部件(避
免冗餘)。在DE 10211591 Al中披露了這種裝置的一個實例。
空氣加熱裝置的功能和經濟效率的品質以及組合件的安全性和可靠 性基本上取決於該裝置集成在固有隨車加熱和空氣調節系統中的位置以 及所述空氣加熱裝置的工程設計和構造特徵。重要的是，充分考慮與將 空氣加熱裝置集成在固有隨車加熱和空氣調節系統內相關的一系列問題 並提供這些問題的解決方案，以便獲得優異的集成系統。
一些工程問題關注使通常重量很大的熱交換器本體最小化的措施。 這種熱交換器本體通常通過壓鑄方式製造。熱交換器本體的重量越大， 在其中將熱交換器本體安裝在車輛上的外殼必須越堅固。
在根據現有技術的設計方案中，使空氣沿著垂直於熱交換器的縱向 (軸向)的方向圍繞熱交換器流動。這種橫向流動導致空氣渦流和湍流 的大量產生以及由此產生的流動中的高能量損耗(高流動壓降)。如果 試圖通過增大熱交換器周圍的可用空間解決該問題，則需要更大的安裝 空間來容納集成的加熱和空氣調節系統。因此，尋求提高與熱交換器相 關的流動特性和熱傳遞的解決方案是合理的。
還希望在該解決方案中利用空氣加熱裝置的己有元件，通過所述元 件，所述裝置被集成在固有隨車加熱和空氣調節系統中。相應地，所採 用的熱交換器應當具有適應性強(或可變)的設計，以便可用於多種類 型和模式的空氣加熱裝置。熱交換器的製造方式也應類似地具有很強的 適應性。
存在兩種熱傳遞過程一從熱交換器到將被加熱的空氣，其中所述空 氣在熱交換器的外部周圍流動，以及從燃燒氣體到熱交換器。通過改善 後者的熱傳遞，能夠獲得熱交換器的整體結構設計的更大自由度。
對於空氣加熱裝置的另一重要要求是其被構造成避免燃燒氣體在空 氣中的任何可能的滲入，其中所述空氣在空氣加熱裝置的周圍流動。另 一要求是提供一些措施，由此用於燃燒的燃燒空氣從機動車輛的外部空 間、並且尤其不從車輛的內部空間被抽取。因此，有利的是，提供對已 知空氣加熱裝置所採用的各種連接配件和管嘴(接頭)的配置的改進。

發明內容
本發明的基本問題是提出適當的解決方案，以至少部分地解決上述 問題，尤其是關於流動特性的問題。
該基本問題通過獨立權利要求的特徵得以解決。 在從屬權利要求中給出了本發明的有利實施例。
根據本發明，對常規類型的熱交換器的改進在於熱交換器具有垂直 於"主流動方向"的橫截面幾何形狀，該幾何形狀相對於圓形橫截面幾 何形狀被扁平化。這種扁平化橫截面幾何形狀減小了流動阻力。
根據本發明的扁平化橫截面幾何形狀例如可以為橢圓形或卵形。 或者，該橫截面幾何形狀可以類似於機翼的橫截面幾何形狀。 或者，如果該橫截面幾何形狀為大體菱形(紡錘形)將是有利的。 該特定的橫截面幾何形狀可與熱交換器、將合併該熱交換器的空氣 加熱裝置、以及該熱交換器的製造工藝的許多其他特徵相結合，以獲得 有利的特徵。
可以設定獨立地製造熱交換器本體和熱交換器的底座。這為各種可 能結構和構造以及各種可能的製造方法提供了靈活性。如果熱交換器底 座與熱交換器芯部分開製造，則可引入熱交換器芯部的製造方法和步驟 的變化。通過製造方法的適當選擇可以減小熱交換器的整體重量。
出於類似原因，獨立地製造熱交換器頭部可能是有利的。特別是，
這種熱交換器頭部可以是現有可得到的；由此，獨立製造為一種有益的 選擇。根據燃燒器頭部或燃燒器單元的幾何形狀，甚至可以完全消除熱 交換器頭部。
根據本發明的另一優選實施例，熱交換器本體具有熱交換器芯部和 熱傳遞表面，並且熱交換器芯部和提供熱傳遞表面的組成部件至少部分 地分開製造。這些可能的分開製造工藝作為減輕重量的措施和提供關於 組成部件構造以及製造方法的增大的可變性的措施均是有利的。
就此而言，如果提供熱傳遞表面的組成部件通過壓製成形或收縮成 形方法應用於熱交換器芯部上將是特別有用的。為了通過氣密接頭使熱 交換器頭部和熱交換器底座與熱交換器芯部相連，優選採用焊接、釺焊、 粘接和/或螺紋連接(或螺紋緊固)。可以存在例如大體上具有類似盤形
或類似凸緣形的形狀的熱交換器的熱傳遞表面，由此壓製成形或收縮成 形對於將它們固定在熱交換器芯部上可能是有利的。通過這種方式，存 在著關於製造方法的可變性的附加機會。
可以通過壓鑄(壓力鑄造)製造熱交換器芯部。通常，這種鑄件有
些重；但是，可以節省成本。
可以使熱交換器芯部具有內部輪廓。這是增加熱交換器的內部熱傳 遞表面面積以及減小所需的整體安裝空間的措施。
可以通過擠壓製造熱交換器芯部。與通過壓鑄製造的芯部相比，擠 壓通常允許在熱交換器中具有更薄的壁，特別是因為擠壓不需要包含模 具移除斜面的構造；相應地，能夠實現整體重量的減輕和內部輪廓中的 更薄特徵部件(葉片等)，以及內表面的增大的熱傳遞表面面積。擠壓 工藝使得可以結合便於熱交換器頭部、燃燒器、熱交換器底座等的連接 的幾何特徵，其例如呈在芯部中的可被加工出螺紋的孔的形式。
熱交換器本體可以在其外表面上具有多個杆，所述杆提供熱傳遞表 面。這種構造能夠為將被加熱的空氣的熱傳遞提供非常大的表面面積。
有利的是，熱交換器本體具有熱交換器芯部，並且上述多個杆至少 部分地通過獨立的組成部件(或多個部件)應用於所述芯部上。
熱交換器本體可以具有熱交換器芯部，其中使得所述多個杆中的至 少一部分(一些)與熱交換器芯部一起形成一整體結構(單元結構)。 一方面將杆設置在一個或多個獨立組成部件上以及另一方面將杆直接固 定於芯部上(在整體結構中等)的設置分別具有各自的優點；例如，獨 立組成部件的使用提供了設計的靈活性，而直接固定(例如整體結構) 允許採用簡單的製造方法。
熱交換器本體可以在其外表面上具有多個波紋狀肋，所述肋提供了 熱傳遞表面面積。
就此而言，可以使熱交換器本體具有熱交換器芯部，其中多個波紋 狀肋通過獨立的組成部件或作為各自獨立的部件應用於熱交換器芯部 上。
在熱交換器本體具有熱交換器芯部的構造中，多個波紋狀肋可以至 少部分地(例如，這些肋中的至少一些可以)與熱交換器芯部一起被制 造成一整體結構。有利的是，緊固這種熱傳遞表面的方式不是螺紋連接 方式等，而是包括單個肋等、成組的肋、或例如可在熱交換器芯部上滑 動的包括這種肋的子組件的焊接、釺焊、收縮成形或壓製成形。
熱交換器本體可以由多個熱交換器本體模塊組成。這種配置為熱交 換器的結構和尺寸提供了可變性。
通過壓鑄製造熱交換器本體可能尤其有利。如果希望採用完全常規 的壓鑄工藝，模塊式結構是所期望的，因為所需的模具移除斜面短並因 而產生最低限度的侵擾。
關於模塊式結構，如果熱交換器本體模塊至少在一定(或某種)程 度上相同將是有利的。這允許例如在加壓模製的情況下使用相同的工具 元件。
至少在一定程度上，熱交換器本體可在加壓模製過程中由兩個模製 塊製成，其中沿相反的方向將兩個模製塊從模具中移除。這是減小模具 移除斜面的最大橫向伸展以及由此減小整體重量的另一措施。
關於用於集成在引導空氣的外殼中的空氣加熱裝置，所述加熱裝置 具有帶有熱交換器本體的熱交換器，空氣加熱裝置可以設有流動導向元 件，由此使得當在至少部分設置在熱交換器內部的燃燒空間內實施燃燒 時，所產生的熱氣體朝向熱交換器本體的內側偏轉。通過這種方式，燃 燒所產生的熱氣體可更高效地分布於熱交換器的內側。
就此而言，如果流動導向元件呈螺旋葉片、葉片系統等(其可採用
波紋狀幾何形狀等)、擋板和域穿孔管的形式將是有利的。這些和許多 其他可能性改善了整體熱傳遞性能。
在用於集成在引導空氣的外殼中的具有熱交換器的空氣加熱裝置的 情況下，如果該裝置具有通過空氣加熱裝置的安裝位置和凸緣板之間以 及空氣加熱裝置和凸緣板之間的密封元件提供廢氣排出裝置的密封的凸 緣板將是有利的，其中所述密封至少防止廢氣滲入車輛的內部空間。這 種凸緣板提供了最小化廢氣至外部空氣的路徑的裝置，並且這樣使得不 太可能發生滲透現象。
就此而言，更有用的是，凸緣板提供燃燒空氣供給通道和車輛內部 空間之間的密封裝置。這樣確保了將從車輛外部抽取燃燒空氣。
如果凸緣板具有用於燃料供給的穿通開口也是有利的。這樣，所有 配件和使氣體與液體通過的管嘴均設置在凸緣板的區域內，這對空氣加 熱裝置集成在整個系統內的設計是有利的。
本發明的基本構思在於空氣加熱裝置可以經濟和功能方面有利的方 式集成在車輛(尤其是卡車或多用途運載車輛)的隨車加熱和空氣調節
系統內。在該構思的實施中，根據本發明已經設計出一種熱交換器，其 具有高度的可變性以及適應性，並具有有利的重量、流動性以及熱傳遞 特性。
下面將參照附圖基於特別優選的示範性實施例進一步解釋本發明。


圖1是一空氣加熱裝置的透視圖； 圖2是沒有熱交換器的空氣加熱裝置的透視圖； 圖3是沒有熱交換器的空氣加熱裝置的透視圖，該空氣加熱裝置被 分解成兩個子組件，即燃燒器頭部和燃燒器單元；
圖4是熱交換器的透視圖5是熱交換器的各元件的透視圖6是帶有所用的外殼連接裝置的空氣加熱裝置的透視圖7是具有橢圓形橫截面的熱交換器芯部的橫截面圖8是具有大體機翼形(耳垂形)橫截面的熱交換器芯部的橫截面
圖9是具有大體菱形/紡錘形橫截面的熱交換器芯部的橫截面圖IO是單獨示出了單個熱傳遞元件的熱交換器的透視圖11是熱交換器的一變型實施例的透視圖12是熱交換器的另一變型實施例的透視圖13是熱交換器的又一變型實施例的透視圖14是彼此相同的多個熱交換器本體模塊的透視圖15是熱交換器的透視剖面圖16是燃燒管的透視圖17是燃燒管的一變型實施例的透視圖18是燃燒管的另一變型實施例的透視圖19是帶有凸緣板的空氣加熱裝置的連接區域的透視圖。
具體實施例方式
在以下緊接著的關於附圖的描述中，相同或類似的元件已經被指定 相同的參考標記。
圖1是一空氣加熱裝置12的透視圖，該空氣加熱裝置12包括安裝 在燃燒器單元60上的熱交換器10，並進一步包括燃燒器頭部62。燃燒 器頭部62包含鼓風機馬達64和控制裝置66，其包括燃燒空氣鼓風機單 元68的基本元件。燃燒器頭部62還具有用於燃燒空氣供給的管嘴56。
燃燒器單元60具有燃料供給管線(或通路)58和用於廢氣排出的管嘴 54。廢氣排出管嘴54帶有凸緣板48，其具有用於燃料供給管線58和燃 燒空氣供給管線56 (或通路)的開口。凸緣板48的功能將在下面參照圖 19更詳細地描述。安裝在燃燒器單元60上的熱交換器10在其外周邊上 具有肋結構，以增大對流過熱交換器10的空氣的熱傳遞的表面面積。空 氣加熱裝置12優選根據將被加熱空氣的氣流定向，以使當所述空氣在所 述熱交換器10周圍流動並流過時，所述空氣沿著垂直於熱交換器10的 軸線的方向到達和離開。
圖2是沒有熱交換器的空氣加熱裝置12的透視圖。在此，可更清楚 地看到燃燒器頭部62和燃燒器單元60。燃燒器單元60包括其中利用火 焰形成產生熱氣體的燃燒管70;熱氣體的熱量被傳遞到熱交換器10 (圖 2中未示出)。為了能夠使熱氣體到達熱交換器，在燃燒管70的壁中設 置多個孔72。
圖3是沒有熱交換器的空氣加熱裝置12的透視圖，所述空氣加熱裝 置12被分解成兩個子組件，即燃燒器頭部和燃燒器單元。該圖清楚地示 出了燃燒器頭部62如何通過凸緣接頭74， 76與燃燒器單元60相連。此 外，從該圖中可以清楚地看出凸緣板48固定連接到廢氣排出管嘴54上， 而燃燒空氣供給管線56的穿通開口設置在凸緣板中。
圖4是熱交換器10的透視圖。可以看到提供熱傳遞表面22的帶肋 結構。
圖5是熱交換器10的各元件的透視圖。可以看出，熱交換器10具 有多個組成部件。該熱交換器包括熱交換器芯部20、具有熱傳遞表面22 的元件24、熱交換器底座16和熱交換器頭部18。根據燃燒器頭部62和 /或燃燒器單元60的構造，熱交換器頭部18可能是不必要的。在熱交換 器芯部20的內部，內部輪廓(profile) 30被設置，以促進燃燒管70中
產生的熱氣體的熱量傳遞到熱交換器10。熱交換器頭部18和熱交換器底 座16可通過多種技術例如深拉(深衝壓)、加壓模製或機加工製成。各 組成部件隨後可通過多種連接技術例如焊接、釺焊、粘接和/或螺紋連接 或螺釘緊固進行連接。因為燃燒氣體存在於熱交換器10的內部，所以重 要的是，在熱交換器頭部18、熱交換器芯部20和熱交換器底座16之間 提供氣密接頭。在本說明書的內容中，熱交換器芯部和具有熱傳遞表面 22的元件24共同地被標示為參考標記14。
圖6是帶有外殼連接裝置74的空氣加熱裝置12的透視圖，所述外 殼連接裝置用以有利於空氣加熱裝置與周圍外殼連接。所述外殼連接裝 置74經由熱交換器頭部18和熱交換器底座16連接在空氣加熱裝置12 上。
圖7是具有橢圓形橫截面的熱交換器芯部的橫截面圖。熱交換器芯 部20具有內部輪廓30。該內部輪廓30的構造越精細，用於將熱量從熱 氣體傳遞到熱交換器10的可用表面便越大。所示類型的熱交換器芯部20 可通過例如擠壓工藝製造。上述工藝允許形成薄壁，其具有重量低以及 提供大的熱傳遞表面面積的優點。熱交換器芯部20具有緊固裝置，例如 開口 76，以便於其他元件的連接。熱交換器20的橢圓形橫截面幾何形狀 32可以改善將被加熱的空氣的流動特性，所述空氣在熱交換器20的周圍 流動並流過熱交換器20。因為熱交換器底座16與熱交換器芯部20分開 製造，所以使得芯部20的製造更容易。
圖8是具有大體機翼形(耳垂形)橫截面的熱交換器芯部的橫截面圖。
圖9是具有大體菱形橫截面的熱交換器芯部的橫截面圖。所示橫截 面幾何形狀(機翼形橫截面幾何形狀34和菱形橫截面幾何形狀30)僅僅 是有利於在熱交換器芯部20的外部周圍流動的多種可能形狀的示例。
圖10是單獨示出了單個熱傳遞元件24的熱交換器10的透視圖。每 個元件24與熱交換器芯部20分開製造。所示安裝在熱交換器芯部20上 的元件24通過使其在芯部上滑動並隨後採用例如壓製成形或收縮成形技 術而固定到所述芯部上；所述元件24單獨地或以成組或子組件的方式安 裝。
圖11是熱交換器10的一變型實施例的透視圖，所述熱交換器具有 適於將熱量傳遞給在其周圍流動的空氣的非常大的表面面積。所述大的 表面面積通過由多個杆26構成的熱傳遞表面22實現。
圖12是熱交換器的另一變型實施例的透視圖，所述熱交換器具有由 大量杆26提供的甚至更大的熱傳遞表面，所述杆賦予熱傳遞表面22。在 熱交換器的內部還可以看到內部輪廓30。在所示實施例中，該內部輪廓 的一些元件包括在外部輪廓上的特徵的擴展部，即外部杆26;或對應於 成排的上述外部杆的擴展部。圖11和12中所示實施例的杆26可作為獨 立元件應用於熱交換器的外表面上，或者可通過壓製成形或機加工由例 如擠出型材形成。
圖13是熱交換器10的又一變型實施例的透視圖。提供熱交換器的 熱傳遞表面的元件28為促進熱傳遞的波紋狀肋。
圖14是彼此相同的多個熱交換器本體模塊38的透視圖。該實施例 尤其關注於能夠適用於通過可能在一些情況下所期望的壓鑄工藝(相對 於上述擠壓工藝)製造。壓鑄的缺陷是因為模具移除角(模具移除斜面) 而可能使壁的厚度固有地較大。在所示示例性實施例中，每個熱交換器 本體模塊38的軸向長度短，其中可使所述厚度保持得小，因為模具移除 斜面相應地短。
圖15是熱交換器10的透視剖面圖。該實施例能夠實現其中模具移 除斜面保持短的另一鑄造工藝。熱交換器10通過加壓模製製成並具有兩
個熱交換器芯部，該兩個熱交換器芯部沿兩個相反的移除方向40， 42從 模具中移除；通過這種配置，可將壁的厚度保持得小。
圖16、 17和18是三種不同燃燒管70的透視圖。為了以最有效分布 的方式提供從燃燒產生的熱氣體到熱交換器的內表面的良好而均勻的熱 傳遞，有利的是，採用相對於內部輪廓(葉片等)和內壁偏轉置於熱交 換器10的內部的熱氣體的流動導向裝置。在圖17中，流動導向元件44 具有螺旋形結構。可選地，流動導向元件可以呈葉片等(並可採用波紋 狀幾何形狀等)、擋板以及穿孔管的形式；如圖18中所示，所述穿孔管 除了開口 72的圖案外可以具有多個開口 46。
圖19是帶有凸緣板48的空氣加熱裝置的連接區域的透視圖。凸緣 板48用於將空氣加熱裝置12安裝在車輛本體、外殼或其他元件上，所 述其他元件安裝在車輛本體上。為了使廢氣排出到周圍環境中以及從周 圍環境中吸入燃燒空氣，凸緣板48密封地與空氣加熱裝置12相連並密 封地與安裝位置(例如車輛本體)相連。所述密封例如可以採用密封圈。
以上描述、附圖以及權利要求書中披露的本發明的特徵可以單獨地 或以任何組合形式構成本發明的基本元素。
參考標記列表
10 熱交換器
12 空氣加熱裝置
14 熱交換器本體
16 熱交換器底座
18 熱交換器頭部
20 熱交換器芯部
22 熱傳遞表面24 具有熱傳遞表面(盤形)的組成部件
26 具有熱傳遞表面(杆形)的組成部件
28 具有熱傳遞表面(波紋狀肋)的組成部件
30 內部輪廓
32 橢圓形(或卵形)橫截面幾何形狀
34 機翼形(耳垂形)橫截面幾何形狀
36 大體菱形/紡錘形的橫截面幾何形狀
38 熱交換器本體模塊
40 模具移除方向
42 模具移除方向
44 螺紋
46 穿孔管中的孔
48 凸緣板
54 廢氣排出管嘴/構件
56 燃燒空氣供給管線/通路
58 燃料供給管線/通路
60 燃燒器單元
62 燃燒器頭部
權利要求
1.一種用於集成在引導空氣的外殼內的空氣加熱裝置(12)的熱交換器(10)，所述熱交換器具有縱軸，其中空氣可被迫使沿著基本垂直於所述縱軸的「主流動方向」圍繞所述熱交換器流動；其特徵在於，所述熱交換器具有垂直於所述「主流動方向」的橫截面幾何形狀，所述幾何形狀相對於圓形橫截面幾何形狀(32，34，36)被扁平化。
2. 根據權利要求1所述的熱交換器(10)，其特徵在於，所述橫截面 幾何形狀(32)為橢圓形或卵形。
3. 根據權利要求1所述的熱交換器(10)，其特徵在於，所述橫截面 幾何形狀(34)與機翼的橫截面形狀類似。
4. 根據權利要求1所述的熱交換器(10)，其特徵在於，所述橫截面 幾何形狀(36)類似於菱形。
全文摘要
本發明涉及一種用於集成在引導空氣的外殼內的空氣加熱裝置(12)的熱交換器(10)。該熱交換器具有縱軸，其中空氣可被迫使沿著基本垂直於所述縱軸的「主流動方向」在熱交換器周圍流動。根據本發明，該熱交換器具有垂直於「主流動方向」的橫截面幾何形狀，該幾何形狀相對於圓形橫截面幾何形狀(32，34，36)被扁平化。
文檔編號F28F1/10GK101111723SQ200580047239
公開日2008年1月23日 申請日期2005年11月23日 優先權日2004年11月26日
發明者A·路德維希 申請人:韋巴斯託股份公司