热交换器，特别是用于汽车的加热体
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的热交换器。
背景技术
热交换器、特别是用于汽车的加热体在主要侧被液态的介质、特别是冷却液穿流，在次要侧被输送到汽车车厢的周围空气吹过。已知的加热体具有由管和翅片组成的芯体，需加热的空气进入到所述芯体中并从其背面流出。当空气在加热体芯体中加热时存在着一个问题，即在空气出口区域的流出空气温度并不是完全相同，从而在经过加热的空气中会出现缕状的不同空气温度带。这对于汽车车厢的取暖来说是不利的。
对于大多数为多列或多流路的加热体来说，介质的穿流有已知的多种流体模型，其中，最简单的形式是平行穿流，在这种情况下，所有的管被介质沿相同的方向穿流。此外，已知的还有，加热体的U形穿流，在这里，在冷却液箱中布置着间壁(横向间壁)。由于冷却液的这种折流垂直于空气流动方向，所以它被称为“在宽度上”的折流。对于两个介质流：冷却液和空气，它们在这里被称为交叉流。在从冷却液进口到冷却液出口的途中，冷却液逐步冷却，从而使在加热体进口侧部分的空气的温度高于出口侧部分的空气，这样就导致前面所说的缕状化![]()
已知的还有，相对于空气流，冷却液以顺流或逆流的方式流动，也就是说，在多列的加热体中，冷却液从一列折流进入到相邻的列。为此需要设置纵向间壁，它将在一侧的相邻的列分离。在这里，这种折流被称为“在深度上”的折流。根据折流与空气流动方向相同或者相反，相应地被称为顺流或逆流。已知的是，通过逆流可以提高效率。缺点是，特别是在较宽的加热体上，冷却液必须在进口侧分布到整个宽度上-这样将会导致，在冷却液进口处于中间的情况下，冷却液在较外面的管中穿流时速度较慢，这同样会对空气出口的温度产生不利影响。
在DE 10 2005 048 227 A1中，专利申请人公开了一种带扁平管的加热体，在所述加热体上，冷却液与空气流成交叉逆流，即在深度上沿朝着空气进口侧的方向折流。而在另一个未详细说明的变型中，在宽度上还发生一次折流。
在DE 102 47 609 A1中公开了一种加热体，在所述加热体上，冷却液只在宽度上折流，即分若干级进行折流，而若干冷却液流平行流通。这种布置的目的是，通过使冷却液在水箱的折流点出现涡流，来实现相对较大的压力下降。
在DE 44 31 107 C1中公开了一种用于汽车的加热体，它按照逆流原则工作。在这里，冷却液从空气出口侧沿朝着空气进口侧的方向以一级或多级的方式折流。这样可以提高热交换的效率。
在DE 603 06 291 T2(EP 1 410 929 B1的同族申请)中公开了一种用于汽车的具有独立的调节器的加热体，它对车厢的右侧和左侧(驾驶员侧和副驾驶侧)分别进行调节。在这里，冷却液通过两个进流管输入，直到中央位置处在宽度上折流，并在那里通过一个共用的回流管排出。在一个优选的实施例(图8)中，除了在宽度上折流之外，还在深度上折流，即沿着与空气流动方向相反的方向。在上面所说的左/右调节中，由加热体流出的气流被一个间壁分成两个分气流，它们被输送到车厢的左侧或右侧。
发明内容
本发明的目的是在如前面所述的热交换器上实现尽可能均匀的空气出口温度分布曲线。
这一目的通过权利要求1所述的特征实现。优选的实施方式参见从属权利要求。
按照本发明，在交叉逆流热交换器上，液态的介质(冷却液)进入到第一区域，即进口区域，并在这个空气出口侧的列的内部折流进入到第二区域，其中，第一区域以及第二区域都可具有子区域。换句话说：在第一列流道中流入的冷却液在宽度上折流至少一次。接下来，冷却液从第一列折流进入到第二列，即位于空气进口侧的列，其中，第二列的所有流道被冷却液沿相同的方向穿流。如发明所述的冷却液在宽度和深度上的折流，具有以下优点：在热交换器的空气出口侧使温度曲线尽可能地均匀。
按照一个优选的实施形式，冷却液在第二列即位于迎风侧的列中也折流一次。总的来说，冷却液流在宽度上折流两次，在深度上折流一次。通过冷却液在两个列中的逆向流动可使空气出口的温度曲线进一步均匀化。
根据本发明的第一实施形式，进口区域布置在第一列的中央，而第二区域包括两个子区域，它们在第一区域两侧对称布置。流入的冷却液流在第一次穿流之后被分流，并沿相反的方向在热交换器的宽度上折流。然后，从两个子区域流出的冷却液流在深度上折流，并在整个第二列上分配，使得所有的流道被冷却液沿相同的方向穿流。这样就可以实现对称的空气出口温度曲线，即任何均匀的温度分布的偏差对称地出现。可选的是，冷却液在第二列中也可在宽度上折流。
根据本发明的第二实施形式，进口区域偏离第一列的中央布置，优选地布置在第一半部分，而第二区域布置在第一区域的旁边。在这里，冷却液在所述列的第一半部分进入到热交换器，在宽度上折流，然后全部冷却液流进入到第二区域。在那里，冷却液又在深度上折流并分布到整个第二列上，而这个列可被冷却液沿相同的方向或者不同的方向穿流。
根据本发明的第二实施形式，设有两个优选地对称布置的进口区域，它们通过连接管相互连通。这样，在进口侧就可以获得两个分流，它们在宽度上向内折流并进入到第二区域。之后，冷却液在深度上折流并分配到第二列的所有管中。可选的是-按照与第一列中的相似的流体模型-在第二列中也可在宽度上折流。
第一区域和第二区域的流体断面优选地相同，也就是说，按照一个已知的连续性方程，在整个宽度范围内，在第一区域和第二区域的流道中的流体流动速度相同。但更加优选的是，第二区域的流体断面大于第一区域-其结果是，在第二区域的流道中流体的流动出现延迟。这就补偿了液态介质的冷却，这样的优点在于，可获得均匀的空气出口温度曲线。
按照另一个优选的实施形式，第二列的流体断面与第一列的第二区域的流体断面相匹配，也就是说，第二列的整个流体断面要么等于要么大于第二区域的整个流体断面。由于液态介质的进一步冷却，流体断面优选地变大。这样，流体在第二列中的流动速度要么等于第二区域，要么流动出现延迟-其结果是，更多的热量可散发到空气中，并且压力损失减少。即使在第二列中冷却液在宽度上折流，流体断面也可变大，其结果是流动速度下降。
按照一个优选的使用情况，热交换器为汽车取暖设备的加热体，即流道为管，优选为扁平管或者多室管，它们被冷却液穿流，并在它们之间优选地布置着作为次表面的波纹翅片。
根据流体模型，第二列的扁平管横断面的深度优选地等于、或大于或小于第一列的扁平管。这样，在深度上折流之后流体断面变大，从而使冷却液在第二列中的流动速度降低。这样加强了对冷却液的冷却并提高了热交换的效率。
如发明所述的加热体优选地具有集流箱或容器，即用于冷却液流入的进口箱，用于冷却液流出的出口箱，或者冷却液流入和流出箱或者折流箱。
为了在加热体上实现前面所述的流体模型，在集流箱中布置了以纵向和/或横向形式的间壁，它们将集流箱分成若干室。第一区域的流道或扁平管的进口区域优选地由进口箱内部的一个纵向间壁和至少一个横向间壁划分出来。与之不同，出口箱具有一个纵向间壁，从而将第一和第二列相互分离，并可在第一列中实现宽度上的折流。此外-在宽度上的“双”折流情况下-横向和纵向间壁可布置成H形。
附图说明
附图中是本发明的实施例和其他优选实施形式，下面将对它们进行详细说明。其中，
图1中是带有两列管的热交换器的分解图；
图2是如图1所示的流体模型的俯视示意图；
图2a中是扁平管形状的实施例；
图3中是本发明的第二实施例，该加热体具有偏离中央的进口区域；
图4中是本发明的第三实施例，该加热体具有两个进口区域；
图5a、5b分别是带有流动箭头的加热体整体图和分解图；
图6a、6b是带有流动箭头的加热体分解图，分别是空气出口侧和空气进口侧的视图；
图7a、7b、7c分别是加热体芯体的俯视图和仰视图以及加热体管的放大图；
图8是本发明的另一个实施例，在这个实施例中，加热体具有在宽度上的“双”折流，例如，在第一列和第二列上；
图9a是如图8所示的加热体的分解图；
图9b是图8所示的加热体的截面图；
图10a、10b、10c是加热体芯体的管端部的俯视图和仰视图；
图11中是本发明的另一个实施例，在这里，加热体具有位于侧面的冷却液接口；
图12中是本发明的另一个实施例，在这里，加热体具有位于外侧的流入区域。
具体实施方式
图1是本发明的第一实施例的示意图，即双列的加热体1的流体模型，图中只展示了所述加热体的第一列3和第二列4的管2(无翅片)。此外，在图中可以看到，在管2的进口区域布置着带有两个横向间壁6、7的纵向间壁5，以及另一个在芯体1下部的、连续的纵向间壁8，图中只显示了其一部分。如流动箭头所示，管2被冷却液穿流，所述冷却液从一个图未示的汽车内燃机的冷却回路分流出来。加热体芯体1用于对空气进行加热，所述空气按照箭头L所示穿过芯体1，并同时流经图未示的、管2之间的翅片，即所谓的次表面。经过加热的空气输送到汽车车厢中。加热体芯体1(下文也被简称为芯体1)的第一列3，，被间壁5、6、7分成三个区域，其中，第一区域9处于间壁5、6、7之内，第二区域10包括子区域10a、10b，布置在横向间壁6、7的两侧。在图示的实施例中，第一区域9也被称为进口区域，包括四个管2，而两个子区域10a、10b分别包括两个管2。冷却液通过进口区域9按照箭头E所示进入到管2中，并从上往下穿过所述管(这里的上和下的含义参见附图中所示)。在冷却液流出第一区域9后，冷却液流被分流，分别向外转向-在第一列3之内-折流，然后进入到子区域10a、10b的管2中，以便从下往上穿过所述管。冷却液的折流由箭头UB表示，在这里，UB表示在宽度上的折流。在冷却液从两个子区域10a、10b的管2流出后，两个子流在深度上出现折流，由箭头UT表示。两个在深度上折流的冷却液流被分配到第二列4的所有管2上(在图示的实施例中管为8个)并从上往下穿过所述管。之后，冷却液从芯体1中流出。如下面的图6a、6b所示，按箭头UB所示的冷却液在宽度上的折流可通过连续的纵向间壁8-与图未示的冷却液箱一起，-实现。上面所述的流体模型对应于冷却液和空气流的交叉逆流。第一列3是空气出口侧的列，在下文中也被简称为背风侧，而第二列4是空气进口侧的列，在下文中也被简称为迎风侧。简短地说，冷却液在背风侧列3进入到芯体1中，首先在宽度上然后在深度上折流，而迎风侧列4的所有管2则在相同方向上被穿流。在穿流经过加热体芯体1后，也就是说在空气从第一列3流出后，空气温度呈现为尽可能地均质。
图2是如图1所示的加热体芯体1的示意图，面向布置在两个列3和4中的管2的俯视图。空气流动方向由箭头L表示。冷却液的流动方向由点符号11和叉符号12表示，其中，点符号11表示向上的流动方向(从图示平面出来)，叉符号表示冷却液向下流动，即进入到图示平面中。进口区域9的管2由大括号a标出，两个子区域10a、10b由大括号b1、b2标出，列4的管2由大括号c标出。在这里，字母a、b1、b2、c分别代表一定数量的管。管2的横断面为扁平管横断面，并分别在第一列3中管具有深度T1，在第二列4中管具有深度T2。芯体1的总深度由T表示。按照一个优选的实施形式，以下关系适用：a≤(b1+b2)。对于b1+b2＝a的情况，处于外侧的子区域10a、10b的管2中的冷却液流动速度，与进口区域9的管2中的冷却液流动速度相同。但由于冷却液的冷却，第二区域的流体截面稍微变大，从而使冷却液流动出现延迟。这也有助于空气出口处的温度均匀分布。在图示的实施例中，第二列4中管的数量等于第一列3中管的数量，也就是说，这里适用以下关系：a+b1+b2＝c。如果T2＝T1，那么冷却液的流动速度则会降低50％。如果T2＝1/2T1，那么两个列3、4中的冷却液流动速度相同。根据冷却液的冷却，第二列4的深度尺寸T2优选地处于0.5T1到T1之间的范围。上述的在宽度和深度上出现折流的流动模型提供了以下可能性，即通过改变流体断面来分级降低冷却液的流动速度。
图2a中是前面所述的管2的两个等效的实施例，所述管的截面分别为扁平管状。原则上可以采用分离的、在不同列中的管2(双列结构)，或者采用采用双室管2′，即一个管具有两个室(单列结构)。
图3中是本发明的第二个实施例，其中，相同的零件采用相同的附图标号。芯体1也具有两列3、4的扁平管2，其中，第一列3分成第一区域13，即进口区域，和第二区域14。进口区域13由纵向间壁15和横向间壁16分出。冷却液按照箭头E所示进入进口区域13的管2中，然后按照箭头UB在宽度上即在列3内部折流，然后从下往上穿过第二区域14的管2。冷却液接下来在深度上按照箭头UT折流并分配到第二列4的所有管2上，然后冷却液沿同样的方向从上往下穿过所有这些管。之后，冷却液从芯体1流出。在这种流体模型下也可以获得均匀的空气出口温度曲线。
图4中是本发明的第三个实施例，其中，相同的零件采用相同的附图标号。与前面的实施例不同的是，在这里第一区域17包括两个位于外侧的子区域17a、17b，而第二区域18位于中间。子区域17a、17b分别由纵向间壁19a、19b以及横向间壁20a、20b分成，而在所述横向间壁之间布置着连接管21。冷却液按照箭头E-部分通过连接管21-进入到子区域17a、17b，并从上往下穿过这些区域，然后按照箭头UB在宽度上折流并穿过第二区域18的中间管2。接下来，冷却液流在深度上折流并分配到第二列4的所有管2上，然后冷却液沿同样的方向从上往下穿过所有这些管。这种流体模型保证了空气出口温度曲线最大程度的均匀。
图5a和图5b中是加热体22的一个较佳的实施例，它与图1和图2所示的第一实施例相同。但是区别在于，冷却液进口在下部，如箭头E所示，而冷却液出口则在上部，如箭头A所示。图中所示与加热体22在汽车中的优选安装位置对应。加热体22包括加热体芯体23(简称为芯体)、下部集流箱或冷却液箱24和上部集流箱或冷却液箱25。下部集流箱24具有进口接管24a，上部集流箱(也称为出口箱)具有出口接管25a。按照图1和图2所示的实施例，芯体23包括两个在这里未带附图标号的管列，它们如箭头所示被穿流。箭头I代表在第一区域中的流入冷却液，箭头IIa、IIb代表在宽度上折流的冷却液分流，箭头III代表在第二即迎风侧管列中的冷却液。箭头UB、UT表示冷却液流I在宽度上的折流以及冷却液分流Iib在深度上的折流。空气的流动方向由箭头L表示，也就是说，从图中看到的是加热体芯体23的空气出口侧。冷却液出口位于上部的加热体22的安装位置有助于改善加热体22的通风。
图5b是加热体22的分解图，也就是说，下部进口箱24、上部出口箱25以及芯体23在图中相互分离。通过这种方式可以看到进口箱24的内部，特别是一个纵向间壁和两个横向间壁26a、26b、26c分成的进口区域26。流入的冷却液在芯体23中由三个向上的箭头表示。在宽度上的折流按照箭头UB(这里在上部冷却液箱25中布置着一个图未示的纵向间壁)。在深度上的折流按照箭头UT在下部冷却液箱24中进行。在迎风侧的列中的流动由五个向上的箭头表示。
为更清楚的显示，图6a和图6b再次以分解图的形式说明图5a、5b所示的加热体22，特别是，在图6a中看到的是空气出口侧23a，在图6b中看到的是空气进口侧23b。空气的流动方向分别由箭头L表示。此外，相同的零件采用相同的附图标号。从这里的图可以看到，在加热体芯体23的背风侧23a和迎风侧23b上的不同穿流方式。在背风侧的列中，冷却液沿相反的方向流动，在迎风侧的列中，冷却液沿相同的方向流动。在图6b中可以看到纵向间壁27，它与图1到图4所示的实施例中的纵向间壁8相同。
图7a是如图5a到6b所示的加热体芯体23的俯视图。芯体23具有两个由双室管30、31组成的列28、29。冷却液的流动方向也是由点符号和叉符号表示。空气的流动方向由箭头L表示。在两个列28、29之间可以看到纵向间壁27。
图7b是加热体芯体23的仰视图，它包括第一列28和第二列29以及进口区域26(第一区域)和间壁26a、26b、26c。在各个区域中管的数量，即在第一和第二区域以及第二列29中管的数量由尺寸箭头a、b1、b2、c标出。图中所示的管的数量或者尺寸比例关系按照一个优选的实施例。按照这个实施例，在第一区域a中设有十五个管30，在第二区域b1、b2中分别设有九个管。这样，当冷却液在宽度上折流后，流体断面在第二区域b1、b2中变大，从而在带有点符号的管30中使冷却液流动出现延迟。这有助于冷却液从区域a到区域b1、b2的过程中的冷却。在这里适用以下关系：a≤(b1+b2)。
图7c是第一列28和第二列29的管30、31的放大图，其中，管30的深度尺寸为T1，管31的深度尺寸为T2，芯体的总深度为T。管的宽度由B表示。图中所示是一个按比例画出的优选实施例，也就是说，第二列29的深度尺寸T2小于第一列28的深度尺寸T1。两个列28、29中的管30、31的数量-如图7a、7b所示-相同。第二列29中的管31的整个流体断面的尺寸使得冷却液在深度上折流后在流动上出现延迟。这样，就使得空气进口侧的温差变大，从而获得效率增益。按照一个优选的实施例，深度尺寸T2的范围为0.5T1到1.0T1。
按照一个优选的实施形式，如发明所述的加热体或者其扁平管具有以下尺寸：管的宽度B为0.5到4.0mm，优选为0.8到2.5mm。扁平管的材料厚度(管的壁厚)为0.10到0.50mm。芯体的深度T(即所谓的管系深度wetted depth)为10到100mm，优选为20到70mm。
随着流体断面分别在宽度上的折流和/或深度上的折流之后逐级变大，在冷却液流动出现延迟的同时，冷却液侧的压力损失也变小，从而减少了冷却液泵的功率需要量。
图8中是本发明的另一个实施例，其形式为双列结构的加热体32，在所述加热体上，第一管列以及第二管列中的冷却液均在宽度上折流。加热体32上的冷却液流入由箭头E表示，加热体32上的冷却液流出由箭头A表示。空气穿过加热体32的流动方向由两个箭头L表示，也就是说，空气和冷却液之间互为交叉逆流。加热体32具有背风侧的第一管列33和迎风侧的第二管列34以及上部冷却液箱35和下部冷却液箱36，(未带有附图标号的)管端部插入到所述冷却液箱中。冷却液首先通过进口区域，如箭头I所示，进入到第一管列33，并在下部冷却液箱36中分别向外按照箭头UB在宽度上折流，然后进入到位于外侧的子区域，从下往上穿过这些子区域，如箭头IIa、IIb所示，然后在上部冷却液箱35中在深度上折流，如箭头UT所示。在后面的迎风侧管列34中，冷却液从上往下穿流-图未示-然后在宽度上再次折流，并从下往上穿流，最后冷却液如箭头A所示流出。如图8以及后面的附图进一步所示，在前面的和后面的列33、34中的区域I、IIa、IIb被冷却液分别沿相反的方向穿流。
图9a是如图8所示的加热体32的分解图，其中，相同的零件采用相同的附图标号。冷却液的流动如管和冷却液箱35、36中的箭头所示。两个管列33、34具有多个扁平管37，在它们之间布置着未带附图标号的波纹翅片。扁平管37的端部与管板38、39优选地通过钎接的方式相连。管板38、39与冷却液箱35、36优选地通过钎接的方式相连。在下部冷却液箱36中布置着纵向间壁40，它将第一和第二管列33、34分开，从而可在下部冷却液箱36中分别使第一和第二管列33、34的冷却液在宽度上折流，所述折流可以如箭头UB1、UB2所示分别沿相反方向进行。在上部冷却液箱35中布置着两个跨两个管列的横向间壁41、42以及在横向间壁41、42之间延伸的纵向间壁43。通过间壁40、41、42、43的这种布置，形成了如箭头所示的冷却液流动路径。在垂直方向上即在扁平管37内部，第一列和第二列33、34中的冷却液分别沿相反方向流动，在下部冷却液箱36中也是这样。在那里，冷却液在第一列33中在宽度上从内向外折流，而在第二列34中，冷却液在宽度上从外向内折流。
图9b是加热体32的截面图，在图中可看到两个管列33、34，两个冷却液箱35、36，由箭头E表示的冷却液流入，由箭头A表示的冷却液流出，以及由箭头L表示的空气流动方向。在这里从图中可清楚地看出逆流原则。
图10a、10b和图10c是管端部及其数量和尺寸的俯视图。相同的零件也是采用相同的附图标号。图10a是两个管列33、34的视图(俯视图)，上述管列在这里被称为R1、R2。两个横向间壁41、42与纵向间壁43一起形成H形。冷却液在扁平管37中的穿流方向由点符号和叉符号表示。在管列R1、R2的各段中管的数量由尺寸箭头a、b1、b2、c代表。为了在第一次宽度上折流之后使冷却液流动延迟，管b1和管b2之和要大于管a的数量，也就是说(b1+b2)＞a。在图10a所示的实施例中，a段具有十五个管，b1段和b2段分别具有九个管，从而使流体断面增加了三个管断面。这就降低了b1和b2段中的流动速度。冷却液在列R1中折流之后进入到子区域b1和b2，并向上(点符号)流动，然后-与空气流动方向L相反-在深度上折流，即进入到列R2中，在那里它再次向下(叉符号)流动。
10b是管列R1和R2的管端部的仰视图，在所述列之间布置着纵向间壁40。管列R1、R2的总宽度由c表示-这个区域未被横向间壁划分，这样在两个列R1、R2中冷却液可在宽度上折流。
图10c是两个管列R1、R2的截面放大图，所述管列分别具有五个扁平管37a、37b，其深度(沿空气流动方向)分别由T1和T2表示。两个管列(芯体)的总深度由T表示。为了使冷却液的流动在第二列R2中即在深度上折流之后进一步延迟，可使扁平管37b的深度T2大于扁平管37a的深度T1-同时保持管的宽度B相同，管的数量也相同。
在一个优选的实施例中，管宽B为0.5到4.0mm，优选为0.8到2.5mm。扁平管37a、37b的材料厚度为0.10到0.50mm。总深度T(管系或芯体深度)为10到100mm，优选为25到70mm。在图中是两列扁平管37a、37b，它们为双室管。但也可以采用多室管，或者也可以采用单列结构，它包括一个连续的扁平管，所述扁平管在大致中央的区域具有一个间壁(筋)。
图11中是本发明的另一个实施例，在图中是加热体44，它的流体模型与图10a、10b所示的实施例相同。在一个较佳的变型中，冷却液通过流入管45从侧面进入，冷却液通过所述流入管从外面进入到位于中央的流入区域46。以类似的方式，可为在图示平面中处于流入区域46后面的流出区域设置流出管(图未示)。这种布置在侧面的冷却液接口可根据汽车中的安装情况优选采用。
图12中是本发明的另一个实施例，在图中是加热体47，它具有布置在外面的流入区域48、49(子区域)，它们通过连接管50相互连通。通过进口接管51进入的冷却液因而分配到两个流入区域48、49中。在图未示的流出侧即在第二管列中也是类似的配置。