專利名稱：制造基于泡沫金屬的熱交換器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及熱交換器及其制造方法，更具體地涉及制造用作 內(nèi)燃機系統(tǒng)的冷油器的基于泡沫金屬的熱交換器的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代發(fā)動機系統(tǒng)中，熱交換器用于各種應(yīng)用中。內(nèi)燃機散熱 器、渦輪增壓器的中冷器和排氣二次冷卻器都是熱交換器的例子。 另外，熱交換器可以用來控制發(fā)動機機油、傳動液甚至是供應(yīng)到發(fā) 動機的空氣的溫度或者用于工作機的駕駛室的溫度控制。
很多工作機，包括例如非公路行駛的工作機和公路行駛的卡車， 利用各種不同的熱交換器與它們各自的發(fā)動機系統(tǒng)聯(lián)接。諸如冷油 器的某些熱交換器通常與發(fā)動機冷卻劑流體循環(huán)系統(tǒng)相連，該冷卻 劑流體循環(huán)系統(tǒng)最終使冷卻劑流體循環(huán)通過發(fā)動機主散熱器。來自 機油的熱量從而被散發(fā)到外部環(huán)境中。在其他系統(tǒng)中，熱交換器可 以是獨立的裝置，其獨立于發(fā)動機主散熱器并利用諸如空氣的其他 的冷卻劑。雖然這些熱交換器中的很多對發(fā)動機系統(tǒng)起到重要作用， 但是熱交換器單元及其附帶的管道系統(tǒng)會給工作機增添相當大的重 量和復(fù)雜性。鑒于在許多技術(shù)領(lǐng)域中通常希望減小部件的尺寸、重
量和復(fù)雜性；因此工程師們正在不斷探尋能夠解決這些問題且不犧 牲性能的方法。
開發(fā)具有較大的單位體積或質(zhì)量換熱面的更加高效的熱交換 器，這是設(shè)計者們已經(jīng)找到的一種減小熱交換器尺寸和復(fù)雜性的途 徑。與傳統(tǒng)的熱交換器相比，這種熱交換器的效率更高，其在發(fā)動 機艙內(nèi)占用的空間更小且重量更輕。最近和即將到來的在發(fā)動機排 放和工作要求上的司法改變也促使工程師們尋求改進的方法來處理內(nèi)燃機系統(tǒng)內(nèi)的熱量。具體而言，因為某些減小排放的工作策略需 要排放比傳統(tǒng)上更多的熱量，這也促使設(shè)計者們提高效率。
現(xiàn)有技術(shù)中公知的板式熱交換器是一種在發(fā)動機系統(tǒng)中通常使 用的已知的熱交換器類型。通常的板式熱交換器，例如在發(fā)動機中 用作空冷式熱交換器的板式熱交換器包括芯部，該芯部包括用于第 一流體的第 一 組流體通道，該第 一 組流體通道被定位成與用于第二 流體的另 一組通道交替設(shè)置。在一種已知的設(shè)計中，流過一組空氣 通道的空氣與循環(huán)通過另 一組流體通道的發(fā)動機冷卻劑進行熱交 換。在各個流體通道內(nèi)設(shè)有金屬翅片以提供換熱面積。多個板連接 到 一 起以提供用于隔絕相應(yīng)流體通道的壁和熱交換器芯部的整體結(jié) 構(gòu)。在對基礎(chǔ)的板式設(shè)計的一些變形中，使用盤旋的金屬網(wǎng)布來代 替翅片。
雖然板式熱交換器在內(nèi)燃機領(lǐng)域經(jīng)歷了長久和成功的歷史，但 已知的設(shè)計還是有一些限制，在熱交換器設(shè)計者面臨新挑戰(zhàn)時這些 限制變得更加明顯。例如，由于影響熱交換器效率的一個因素涉及 可用的換熱面積，板式熱交換器性能的提高傾向于需要總體上更大 的熱交換器或者需要更大的表面積與體積的比。增大熱交換器尺寸 通常不是可行的選擇，因為這會增加整個系統(tǒng)的重量，還因為空間 和包裝限制也對熱交換器的尺寸造成了限制。增加熱交換器的表面 積與體積的比通常要求在各個流體通道內(nèi)更緊密地放置熱交換器翅 片。雖然增加翅片密度在一定程度上有效，但是額外的翅片會在一 定程度上降低通過熱交換器的流體的可得流率或者壓力，使得流體 在穿過熱交換器時發(fā)生不可接受壓降。
某些具體的熱交換器應(yīng)用也面臨自身的挑戰(zhàn)。殼管式熱交換器 是行業(yè)中公知的 一種熱交換器，特別是應(yīng)用于機裝水冷式熱交換器。 在傳統(tǒng)的管殼式設(shè)計中，水或發(fā)動機冷卻劑經(jīng)由一根或多根管道穿 過殼體，該殼體包括外殼板并繞所述管道定位，并設(shè)有供油(例如 機油)穿過的另一通道從而在兩種流體之間進行熱交換。雖然這種 設(shè)計迄今為冷卻油提出了切實可行的策略，然而在尺寸、制造復(fù)雜性和運行效率方面還存在改善的空間。對傳統(tǒng)設(shè)計如板式和管殼式 結(jié)構(gòu)的改進近來集中在某些使用非常規(guī)的奇特的熱交換器材料上。
Toonen等人的公開號為NO.2004/0226702的美國專利申請公開 了應(yīng)用于熱交換器、特別是用于已知的聲熱轉(zhuǎn)換裝置的熱泵式熱交 換器的非常規(guī)材料的 一 個例子。Toonen提出一種用于將第一 流體的 熱量傳遞給第二流體的熱交換器。具體而言，該發(fā)明討論從水到空 氣的傳熱，空氣穿過流動主體，該流動主體包括繞多根小的載水銅 管定位的泡沫銅。就流動阻力而言，所述泡沫銅具有梯度以在流體 之間提供期望的傳熱平衡。盡管Toonen公開的設(shè)計據(jù)稱適合某些應(yīng) 用，特別是相對小尺寸的熱交換器應(yīng)用，例如聲熱轉(zhuǎn)換裝置，但這 種設(shè)計具有一些限制。
例如，在Toonen的幾種設(shè)計中，需要進行泡沫加工以使其具有 期望的形狀，在泡沫中包括用于容納所述載水銅管的凹槽。相對復(fù) 雜的加工特征不可避免地增加了生產(chǎn)時間和難度。進一步，在所述
的結(jié)構(gòu)中，管道在泡沫中彼此間隔布置，這需要在組裝過程中分別 定位大量的單個部件。另外，間隔開的載水銅管即使對熱交換器設(shè) 備的結(jié)構(gòu)完整性有影響，其影響也極小。雖然在聲熱轉(zhuǎn)換裝置中熱 交換器結(jié)構(gòu)的剛度和整體強度不是很重要，但Toonen的設(shè)計在熱交 換器的剛度和強度很重要的場合中應(yīng)用性可能較差。Toolen還公開 了 一種熱交換器結(jié)構(gòu)，其具有與矩形泡沫流動主體交替的矩形流體 通道。盡管Toonen沒有說明這種矩形流體通道如何制造，但這種結(jié) 構(gòu)理論上比泡沫中設(shè)有間隔開的管道的設(shè)計具有更大的剛度。但是， Toonen基本上沒有提供這些矩形流體通道如何密封、支撐、被容納 的詳細信息。因此，單條流體通道和泡沫看起來像是分別接合在一 起，而不是使用任何殼體來連接整個結(jié)構(gòu)，這會為制造工藝增加不 期望的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決上述的一個或多個問題或缺點。在一個方面，本發(fā)明提供一種熱交換器，包括殼體和擠壓件， 所述殼體具有第 一 流體通道，所述擠壓件內(nèi)具有至少另 一 條流體通 道。所述熱交換器還包括用來在殼體的所述第一流體通道和至少另 一條流體通道中的流體之間進行熱交換的泡沫金屬。所述泡沫金屬 布置在第 一 流體通道內(nèi)并通過導(dǎo)熱連接材料與所述擠壓件連接。
在另 一 方面，本發(fā)明提供一種制造基于泡沫金屬的熱交換器的 方法。該方法包括將多個殼體板繞泡沫金屬定位的步驟，所述殼體 板組成第一殼體部分。該方法還包括將所述泡沫金屬與第二殼體部 分熱聯(lián)接的步驟，所述第二殼體部分包括擠壓件，該擠壓件內(nèi)具有 至少部分由導(dǎo)熱連接材料制成的至少 一條流體通道。該方法還包括 至少部分通過在銅焊爐中 一起加熱所述第一和第二殼體部分的步驟 來將所述第一殼體部分和第二殼體部分接合的步驟。
在又一方面中，本發(fā)明提供一種在內(nèi)燃機系統(tǒng)中冷卻油的方法， 包括使高溫機油通過布置在熱交換器的第一殼體部分的第一通道中 的泡沫鋁的步驟。該方法還包括使低溫流體通過熱交換器的第二殼 體部分的至少另一條流體通道并至少部分通過接合所述泡沫鋁和第 二殼體部分的導(dǎo)熱材料在高溫油和低溫流體之間進行熱交換的步 驟。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機系統(tǒng)的示意圖2是根據(jù)本發(fā)明的基于泡沫鋁的熱交換器的立體圖；和
圖3是圖2所示的熱交換器某些部件的立體分解圖。
具體實施例方式
參照圖1,其示出了根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的發(fā)動機系統(tǒng) 10。發(fā)動機系統(tǒng)10包括發(fā)動機12,例如具有多個氣缸13的內(nèi)燃機。 發(fā)動機12可以包括例如壓燃式發(fā)動機或火花點火式發(fā)動機或其它類 型的發(fā)動機。可以想到的是，發(fā)動機IO可以安裝在移動工作機(例如非公路行駛的工作機)中，或者可以是獨立的發(fā)動機系統(tǒng)(例如 在發(fā)電機中使用的類型)，還可以是其它種類的發(fā)動機系統(tǒng)。油管
14與發(fā)動機12連接并構(gòu)造成以傳統(tǒng)的方式循環(huán)發(fā)動機的冷卻油。發(fā) 動機系統(tǒng)10還包括與發(fā)動機冷卻劑管16聯(lián)接的散熱器18。箭頭A 示出了;fe/L油流動方向，箭頭B則表示了與4幾油的流動方向相反的發(fā) 動機冷卻劑的流動方向。在另一種實施方式中，冷卻劑和才幾油可以 沿著相同方向流動，例如垂直方向等。
熱交換器30分別與管14和16聯(lián)接，用于在所述管14和16內(nèi) 流動的流體之間進行熱交換。熱交換器30可以與第一歧管20和第 二歧管22聯(lián)接。第一歧管20可以包括進油口 24,第二歧管組件22 可以包括出油口 26。歧管組件20和22可以在熱交換器30的多條分 隔的、流體隔離的通道內(nèi)分配油和冷卻劑，以允許在兩種流體之間 進行熱交換。在圖l所示的實施方式中，熱交換器30由此可以用作 冷油器，其允許將熱量從機油或其它油傳遞到發(fā)動機冷卻劑，然后
經(jīng)由散熱器18傳遞到空氣中。如本文描述，可以想到的是，熱交換 器30除了用于冷卻^L油外還有其它應(yīng)用。
熱交換器30還可以包括以交替堆疊結(jié)構(gòu)定位的多個第一殼體 部分33和多個第二殼體部分34。第一殼體部分和第二殼體部分中的 每一組都包括熱交換器子組件，因此多個熱交換器子組件可以堆疊 以提供具有期望尺寸、重量和換熱能力的熱交換器。本領(lǐng)域技術(shù)人 員會認識到，連接到一起的子組件的數(shù)量可以決定流體通道的總數(shù)， 從而可以決定用于在熱交換器中分配流體的相應(yīng)歧管的具體結(jié)構(gòu)。 因此，每個殼體部分33可以包括第一流體通道40,其在冷油器的實 施方式中可以是油道。在第二殼體部分34的每一個內(nèi)可以布置至少 一個發(fā)動機冷卻劑通道50，使得可以在流過每條油道40的油和流過 每條冷卻劑通道50的冷卻劑之間進行熱交換。
如本文所述，交替堆疊的殼體部分的數(shù)量以及熱交換器子組件 的數(shù)量可以隨著應(yīng)用而變化。每個子組件通常包括至少一個具有一 條或多條油道的殼體部分和至少一個具有一條或多條冷卻劑通道的殼體部分?？梢韵氲降氖牵m然殼體部分33中的單條油道40提供
了切實可行的實施策略(如本文所述)，但是在每個第一殼體通道
33中應(yīng)用多條油道也并不脫離本發(fā)明的范圍。
泡沫金屬，例如開孔型泡沫鋁塊32布置在通道40和50的至少 一個中?？梢韵氲降氖?，從較大的母塊切出的具有預(yù)定尺寸和形狀 的整體泡沫塊被定位在每條油道40內(nèi)，而不放置到冷卻劑通道50 中。但是，如果需要，可以在發(fā)動機冷卻劑通道和油道中都使用泡
另一種實施方式中，可以使用諸如銅、不銹鋼和其它金屬或合金等 替代材料。每平方英寸泡沫金屬的氣孔數(shù)可以根據(jù)期望的熱交換器 特性加以改變，例如4艮據(jù)流體入口和出口之間的壓降加以改變。在 另一種實施方式中，單個泡沫塊內(nèi)每平方英寸的氣孔數(shù)可以變化， 以形成梯度。此外，在不同的熱交換器和單個泡沫塊中，泡沫的"表 觀密度"可以變化。表觀密度可以理解成泡沫中的金屬占據(jù)的體積 與泡沫占據(jù)的總體積的比率，或者是泡沫中的一個限定部分中的金 屬占據(jù)的該限定部分的體積與該限定部分的體積的比率。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員可以想到的是，可以改變這些因素，以"調(diào)協(xié)"出特別的 泡沫塊來實現(xiàn)提供特別工作特性的目的。
轉(zhuǎn)向圖2,其示出了與圖1所示相似的組裝好的冷油器/熱交換 器30的立體圖。所述殼體部分33和34的每一個可以定位成所示的 交替堆疊結(jié)構(gòu)，使得每個第一殼體部分33中的油道40與在每個第 二殼體部分34中延伸的多條發(fā)動機冷卻劑通道50交替。因此，圖2 的實施方式包括堆疊在一起的兩個熱交換器子組件，每個子組件包 括第一和第二殼體部分。盡管機油和發(fā)動機冷卻劑的相應(yīng)通道及其 各自的循環(huán)方向可以使得發(fā)動機冷卻劑和油在熱交換器30中沿大致 相反的方向流動，但是本發(fā)明并不限于這種結(jié)構(gòu)。例如， 一個或更 多的油道可以定向成使得機油與發(fā)動機冷卻劑形成交叉流動或者甚 至是與發(fā)動機冷卻劑在同 一方向流動，這均不脫離本發(fā)明的主旨和 范圍。參考圖3，其示出了包含在圖2所示的熱交換器30中的熱交換 器子組件的立體分解圖。如圖所示，殼體部分33可以包括多塊殼體 板，至少包括第一板33a和第二板33b。第一板和第二板中的每一塊 可以由諸如鋁板的金屬板組成，所述第一板33a的特殊直角結(jié)構(gòu)可 以通過彎曲較大的片板或者通過將多塊較小的板接合/定位成期望的 結(jié)構(gòu)而形成，或通過其他工藝形成。如此處描述的，每個第一板33a 和第二板33b可以通過銅焊或其它合適的工藝連接到第二殼體部分 34上。在圖3所示的結(jié)構(gòu)中，板33a和33b可以基本垂直于第二殼 體部分34的平的外表面36定向并在周緣54附近與其連接。盡管由 于選擇的視圖而在圖3中沒有示出，但第二殼體部分34可以包括另 一與表面36相對的平的外表面。
第二殼體部分34可以包括擠壓件。所述才齊壓件可以是例如從一 整塊金屬板(諸如鋁板)形成的相對較薄的矩形多端口金屬擠壓件 并具有平的前表面36和平的后表面。替代地，所述擠壓件可以包括 多根相鄰布置的單獨擠壓管。在多端口金屬擠壓件的情形中，所述 多條流體通道50的每一條可以通過在殼體部分34的擠壓過程中(以 下稱為"擠壓件34")形成的加強件52彼此分離。加強件52在所 述擠壓件內(nèi)部可以包括縱向肋，該縱向肋分離和流體隔離各個通道 50并被定向成與4齊壓件34的前表面36和后表面垂直。乂人而，每條 流體通道可以通過一個或更多的縱向加強件與相鄰的流體通道分 離。當使用并排聯(lián)接的單獨擠壓管時，每根管的相鄰壁用作擠壓件 34的"加強件，，。
在任一種情形中，擠壓件34通常包括用于熱交換器30的結(jié)構(gòu) 性襯底，其中，加強件52不僅加強了擠壓件34還加強了熱交換器 30本身。加強件52還可以在相鄰?fù)ǖ乐g提供換熱表面區(qū)域，以及 在分離的流體之間提供用于進行熱交換的換熱表面區(qū)域。具有不同 結(jié)構(gòu)和材料特性的擠壓件可從本領(lǐng)域中公知的商業(yè)來源中獲得，包 括Michigan,Adrian的Brazeway獲得。在替代設(shè)計中，可以使用鑄造 或機械加工的第二殼體部分而不是擠壓殼體部分?？梢韵氲降氖牵谝粴んw部分33的各自的片/板可以通過此處描述的銅焊工藝或者
其它合適的工藝沿擠壓件34的外周緣54連接到擠壓件34的上表面 36上。如圖2的實施方式所示出的，每個沖齊壓部分34由此可以包括 通道40的壁，殼體板33a和33b與擠壓部分34合起來限定了第一 流體通道40。
圖3還示出了定位在油道40內(nèi)的泡沫金屬塊32例如泡沫鋁塊 的立體圖。還可以因為為熱交換器領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的原因而 包括折流板，折流板例如在與油道40內(nèi)的流體流動方向垂直的方向 上延伸定位。然而，在另外一些例子中，在會發(fā)生過大的壓降時， 包含折流板可能受到限制或不必要。泡沫鋁塊32在通道40中的機
大的第二換熱表面區(qū)域。另外，泡沫的使用傾向于促進基本上是熱 交換器運行中期望出現(xiàn)的湍流狀態(tài)。泡沫鋁塊3 2可以包括第 一 和第 二傾斜邊緣38以便于油流入或流出通道40。泡沫鋁塊也可以從市場 中買到，例如可以從Lightweight Solution公司獲得。其它泡沫金屬 也已經(jīng)可以從不同的商業(yè)來源中獲得。在一種切實可行的實施策略 中，泡沫鋁塊32被適當?shù)貕号浜匣驍D壓在熱交換器30內(nèi)以增強泡 沫鋁塊32和其它部件之間的機械聯(lián)接或熱聯(lián)接。壓縮泡沫鋁塊32 的壓配合或擠壓可以包括使相鄰擠壓件34之間的泡沫塊的體積減 小，例如最高減小大約百分之十。因此，與僅僅放置泡沫鋁塊32使 之與擠壓件接觸相比，將泡沫鋁塊32壓配合在擠壓件34之間可以 在泡沫鋁和平的表面36之間提供更大的接觸表面區(qū)域?？梢杂脕碓?加接觸表面的其它或替代手段包括機械加工，例如磨削泡沫絲面或 表面(ligament face or surface ),實現(xiàn)"涂抹"材料或形成具有外部 表皮的泡沫金屬，該外部表皮與熱交換器的其它部件接合，并基本 上是閉孔或非多孔的。在此處描述的一種設(shè)計的實施方式中，各個 通道中流體的熱交換通過連接泡沫鋁塊32和擠壓件34的導(dǎo)熱連接 材料進行。此處描迷的熱交換器30的制造/組裝過程允許選定的導(dǎo)熱 連接材料布滿泡沫鋁塊32和擠壓件34之間的基本整個區(qū)域。換句話說，在某些實施方式中，每個泡沫鋁塊在相鄰擠壓件的各個表面 上的整個印記可以作為 一 個區(qū)域，用于通過導(dǎo)熱連接材料將所述泡 沫塊和擠壓件熱聯(lián)接。
所述導(dǎo)熱連接材料可以是銅焊料，例如鋁基銅焊料，其分別將
殼體部分33、 34和泡沫鋁塊32接合到一起并將其熱聯(lián)接。本發(fā)明 還設(shè)計使用 一種在與熱交換器的其它部件的連接區(qū)域中具有較高氣 孔密度而在其余區(qū)域中具有較低氣孔密度的泡沫鋁塊。這種設(shè)計通 過較大密度的泡沫絲提供了用于連接所述泡沫的相對較大的表面 積，而不會在其它區(qū)域過度抑制流體流動。雖然所述的從較大母塊 切割成的泡沫鋁塊提供了 一種切實可行的實施策略，但本發(fā)明并不 僅限于此。例如，不采用整塊泡沫塊，而是可以在熱交換器30中定 位若干甚至很多塊泡沫金屬。如上所述，在泡沫塊之間或在泡沫塊 內(nèi)可以含有折流板以幫助引導(dǎo)流體流動從而增加 漆流。
熱交換器30可以通過使不同的部件通過銅焊工藝彼此接合起 來而制成。雖然nocolok銅焊是本領(lǐng)域中公知的一種用于特殊組別材 料的合適的銅焊工藝，但是本發(fā)明不局限于此。 一種使用鋁的切實 可行的制造策略可以包括繞泡沫鋁塊32定位殼體板33a和33b。泡 沫鋁塊32然后通過諸如銅焊材料或合適的導(dǎo)熱電膠等導(dǎo)熱連接材料 與擠壓件34熱聯(lián)接。如此處所述的，殼體部分33和34聯(lián)接起來可 以被看作是熱交換器子組件。如果要制造具有多個子組件的熱交換 器，可以根據(jù)需要添加另外的泡沫塊、殼體板和擠壓件。所有子組 件可以以期望的結(jié)構(gòu)夾緊或暫時被固定在 一 起。在組裝這些子組件 時或之前，可以壓配合泡沫鋁塊32。在每個熱交換器部件被布置成 期望的結(jié)構(gòu)之前或之后，可以在每個待接合的熱交換器區(qū)域應(yīng)用銅 焊劑和銅焊料。所述銅焊劑和銅焊料可以通過合適的工藝如浸漬、 噴灑、溢流等工藝應(yīng)用到整個組件上或者應(yīng)用到單個部件的有待連 接的區(qū)域中。商業(yè)上還可用各種合適的銅焊軟膏，當期望的軟膏的 粘度相比液體材料高時非常合適。例如，可以使用相對較厚的可涂 敷軟膏來增加熱交換器待接合部分之間的焊料的深度或厚度。一種合適的銅焊料包括例如氟鋁酸鉀鹽(KF:ALF3)，其可以 作為濃度在5%到25%的含水漿料通過浸漬、噴灑、溢流等予以應(yīng)用。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解選擇的銅焊料的合適度至少部分取決于 泡沫鋁塊32和擠壓件34的組成和特性。對于相對較低溫度的應(yīng)用 來說，例如大約58。C，可以使用銫基熔劑材料或其它材料。通常， 迄今為止，與泡沫鋁相比，擠壓鋁在組成和特性方面范圍更廣。因 此，更多的是基于特別的泡沫鋁來選擇合適的銅焊劑和/或銅焊料， 而不是基于擠壓鋁，因為擠壓件基本由顧客定制從而具有適于匹配 給定的焊劑和焊料的特性。 一 種合適的銅焊料還可以是鋁基混合物， 例如鋁硅基混合物，很多鋁基混合物在商業(yè)中已經(jīng)買到。 一種替代 的焊料可以是鋅基焊料。在使用鋁以外的材料的實施方式中，可以 選擇不同的焊料和焊劑。
在組裝的部件被固定到一起并應(yīng)用了合適的銅焊料和銅焊劑 后，就可以將整個組件放置在銅焊爐中。在所述銅焊爐中，所述組 件被加熱到足以通過銅焊料將泡沫鋁塊32連接到擠壓件34上的溫 度。其它殼體部分的每個也可以通過銅焊料連接到泡沫鋁上，還可 以連接到一起。所選擇的溫度通常足以通過銅焊料完成所希望的連 接，又不會使制成所述殼體部分的鋁熔化或顯著熔化。殼體和泡沫 材料的合適選擇和在所有部件上使用諸如鋁的類似金屬或者合金將 允許所有或?qū)嵸|(zhì)上所有期望的連接、結(jié)構(gòu)或其它方面通過單一的銅 焊工藝制成，這與制造板式熱交換器的已知方法類似。在一些特定 的實施方式中，銅焊溫度可以大于大約425。C,其可以進一步在大約 570。C到大約630。C的范圍中，這取決于選擇的銅焊料和泡沫和殼體 部分的構(gòu)成。
所述組件的爐內(nèi)銅焊可以是連續(xù)的，也可以是分批的，其可以 包括在大約20(TC的大約兩分鐘的初步干燥過程。干燥過后，所述組 件經(jīng)加熱步驟處理，其中，溫度在大約10分鐘內(nèi)增至最大值(大約 570。C到大約63(TC)。 一旦達到最大溫度，所述組件可以經(jīng)受銅焊 階段，其中，銅焊爐的溫度例如保持在最大值大約3分鐘，然后在大約30分鐘內(nèi)冷卻下降至室溫。爐內(nèi)銅焊可以在缺氧的環(huán)境中進行 以防止氧污染。本領(lǐng)域技術(shù)人員還知道其它合適的替代銅焊技術(shù)， 這里描述的示例性工藝和溫度并不應(yīng)該理解成限制本發(fā)明的范圍。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認識到溫度和每個釬焊階段的持續(xù)時間至少 部分取決于為熱交換器的殼體部分所選擇的材料和泡沫的特'H以及 銅焊劑自身的特性。例如，泡沫銅的釬焊溫度通常要高于泡沫鋁的 釬焊溫度。
在另 一 種實施方式中，可以使用諸如導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂的替代接合
:技術(shù)，例如可以乂人紐約 Valley Cottage的 Aremco獲纟尋的 Aremco-bond525。在這種實施方式中，可以在熱交換器30的待接合 的表面上施加一層很薄且均勻的環(huán)氧樹脂，然后在150。C加熱處理兩 個小時。導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂或其它導(dǎo)熱膠質(zhì)非常適于將泡沫鋁與擠壓件 34接合的步驟。
工業(yè)實用性
在圖1所示的實施方式中，相對較高溫度的油通過經(jīng)由熱交換 器的溫度相對較低的發(fā)動機冷卻劑被冷卻。所述發(fā)動機冷卻劑反過 來被加熱并回到散熱器18,在這里，熱量將以傳統(tǒng)的方式散發(fā)到環(huán) 境中。熱交換器30提供了 一種比某些較早的設(shè)計更輕的發(fā)動冷油器， 而不犧牲性能。在一些情況下，在熱交換器30中使用的泡沫鋁在工 作特性方面超過了較早的設(shè)計。
發(fā)動機冷卻劑提供了 一種實用的熱傳遞介質(zhì)，以便在熱交換器 30中對油例如機油進行冷卻，但是也可以使用水或者其它合適的流 體，這并不脫離本發(fā)明的范圍。另外，盡管熱交換器30的一種預(yù)期 的應(yīng)用是作為在此所示和描述的發(fā)動冷油器，但本發(fā)明并不限于此 種應(yīng)用。例如，熱交換器30可以用來冷卻傳動油或其它發(fā)動機流體， 或者其可以與內(nèi)燃機整體分離^f吏用，例如，作為用來冷卻或加熱工
業(yè)過程和相關(guān)的機械中使用的某些流體的熱交換器。
鋁已經(jīng)被證明是 一 種效率高、重量輕和經(jīng)濟的熱交換器材料，特別是應(yīng)用于傳統(tǒng)的板式熱交換器和管殼式熱交換器中。盡管鋁具 有這些優(yōu)點，但迄今為止銅和不銹鋼仍是行業(yè)標準，這至少部分因 為運用傳統(tǒng)的技術(shù)可以使用銅和不銹鋼相對簡單地制造某些類型的 熱交換器。至于諸如泡沫鋁等非常規(guī)材料，對至少某些類型的熱交 換器來說可行的設(shè)計和制造策略還是難以掌握。本發(fā)明因此提供一 種制造方法和模塊化熱交換器，通過此泡沫金屬基的熱交換器的至 少一些部件，在某些實施方式中所有的部件都是由鋁制造的，盡管
這里描述的技術(shù)也可以適合于傳統(tǒng)的熱交換器材料。
所描述的爐內(nèi)銅焊的使用還促使了相對迅速和更大規(guī)模的生 產(chǎn)，其中，熱交換器的所有或?qū)嵸|(zhì)上所有的流體密封和結(jié)構(gòu)連接都 可以在單個銅焊工藝中形成。在材料方面，同制造工藝本身一樣，
本發(fā)明公開的策略提供了超越較早設(shè)計(例如上面描述的Toonen等 人的設(shè)計)的顯著的優(yōu)點，在這些早期設(shè)計中，利用焊接或錫焊技 術(shù)來連接不同的熱交換器部件。盡管焊接和錫焊在 一 些例子中是合 適的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的是，其它材料比鋁更適合這些技術(shù)。
在很多例子中，對鋁進行傳統(tǒng)焊接實際上是不可能的。就錫焊 而言，內(nèi)部連接的常規(guī)錫焊可能要求用于隨后連接其它部件的工藝 不影響內(nèi)部錫焊接頭。換句話說，由于用于錫焊的熔化溫度傾向于 比通常用于焊接或銅焊的溫度低，因此，對結(jié)構(gòu)性殼體連接進行的 高溫銅焊或者焊接工藝具有損害預(yù)先存在的錫焊連接的傾向。同樣 的技術(shù)可以用于本發(fā)明的所有部件的連接，并因此不會受到這些缺 點的損害。本發(fā)明的熱交換器的總體結(jié)構(gòu)完整性也比傳統(tǒng)的設(shè)計提 高了 ，即相對結(jié)實和堅固的擠壓件可以用于連接和支撐另一些部件 的襯底。進一步，所述泡沫金屬塊的使用和平面擠壓件提供了一種 更加適于將泡沫塊壓配合在殼體內(nèi)的的設(shè)計。另一方面，更加復(fù)雜 的是，泡沫和殼體結(jié)構(gòu)會被泡沫金屬的壓縮或擠壓所需的力不合適
連接更堅固的連接。本說明書僅是出于說明目的，不能理解成以任何方式限定了本 發(fā)明的范圍。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解，在不脫離本發(fā)明 的主旨和范圍的情況下，可以對本發(fā)明的實施方式進行各種改變。 例如，盡管本發(fā)明主要討論了鋁擠壓件用作發(fā)動機冷卻劑的第二殼 體部分的情況，但其它的替代也是可能的。例如可以使用銅擠壓件。 同樣，第一殼體部分也不是必須由鋁板甚至是鋁制成。盡管本發(fā)明
強調(diào)的是部件之間的 一 些或所有連接可以通過其他手段和其它已知 的連接技術(shù)進行，例如通過導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂或其它膠質(zhì)。本發(fā)明的其 它方面、特征和優(yōu)點通過研究附圖和所附的權(quán)利要求書將變得更加
權(quán)利要求
1.一種熱交換器(30)，包括殼體(33、34)，包括第一流體通道(40)和具有至少另一條流體通道(50)的擠壓件(34)；和泡沫金屬(32)，用于在所述殼體(33、34)的第一流體通道(40)和所述至少另一條流體通道(50)中的流體之間進行熱交換，所述泡沫金屬(32)被設(shè)置在所述第一流體通道(40)內(nèi)并通過導(dǎo)熱連接材料與所述擠壓件(34)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述殼體(33、 34)包括多塊圍繞所述泡沫金屬(32)定位的殼 體板(33a、 33b)，所述殼體板(33a、 33b)包括鋁板(33a、 33b) 并部分限定所述第一流體通道(40),其中，所述泡沫金屬(32) 和所述板(33a、 33b)通過導(dǎo)熱銅焊料與所述擠壓件(34)連接；所述擠壓件(34 )包括矩形的鋁擠壓件(34 )，所述鋁擠壓件(34 ) 具有多條流體通道(50 )、周緣(54 )以及平的前表面和后表面(36 ), 所述流體通道(50)通過多個加強件(52)彼此分離，所述加強件 (52)包括與所述前表面和后表面(36)垂直定向的縱向肋(52);所述殼體板(33a、 33b)與所述前表面和后表面(36)垂直定向 并鄰近所述周緣(54)與所述擠壓件(34)連接；和所述泡沫金屬(32)包括壓配合在所述第一流體通道(40)內(nèi)的 泡沫鋁塊(32)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱交換器(30)，其還包括以堆疊結(jié) 構(gòu)定位的多個熱交換器子組件，每個所述子組件包括至少一個泡沫 鋁塊(32)和至少一個鋁擠壓件(34)，每個所述泡沫鋁塊(32) 被壓配合在相鄰子組件的擠壓件(34)之間。
4. 一種制造基于泡沫金屬的熱交換器(30)的方法，其包括以 下步驟圍繞泡沫金屬(32)定位多個殼體板(33a、 33b),所述殼體板(33a、 33b)組成第一殼體部分(33 );至少部分地通過導(dǎo)熱連接材料將所述泡沫金屬(32 )與第二殼體 部分(34)熱聯(lián)接，所述第二殼體部分(34)包括具有至少一條流 體通道(50)的擠壓件(34);和在銅焊爐內(nèi)至少部分地通過一起加熱所述第一殼體部分(33 )和 第二殼體部分(34)的步驟，將所述第一殼體部分(33)與所述第 二殼體部分(34)接合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，將所述泡沫金屬(32)與所述第二殼體部分(34)熱聯(lián)接的步驟 包括使用銅焊料將泡沫鋁塊(32)連接到鋁擠壓件(34)上，其中， 所述聯(lián)接步驟發(fā)生在所述接合步驟的過程中；所述接合步驟還包括用銅焊料將第一殼體部分(33 )的多個殼體 板(33a、 33b)接合到所述擠壓件(34)上，其中所述殼體板(33a、 33b)與所述擠壓件(34)的接合限定與所述擠壓件(34)的至少一 條流體通道(50)分開的流體通道(40);和所述方法還包括在將所述殼體板(33a、33b )定位在泡沫鋁塊(32 ) 周圍之前，從較大的塊料上切割出所述泡沫鋁塊(32)的步驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其還包括以下步驟 將所述泡沫鋁塊(32)壓配合在所述熱交換器(30)內(nèi)； 以堆疊布置定位多個熱交換器子組件，所述子組件的每一個包括第一殼體部分(33)和第二殼體部分(34)，在所述第一殼體部分 (33)內(nèi)具有至少一個泡沫鋁塊(32),所述第二殼體部分(34) 包括鋁的擠壓件(34);和至少部分地通過在釬焊爐內(nèi) 一起加熱所述子組件的步驟，將所述 堆疊布置的每個子組件接合。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述加熱步驟包括將多 個子組件在溫度為大約570。C到大約630。C的范圍內(nèi)的階段中一起加 熱，所述方法還包4舌使所述泡沫鋁塊(32)與所述擠壓件(34)的平的外表面(36)接觸；和在所述熱聯(lián)接步驟之前，將銅焊劑和銅焊料施加到所述泡沫鋁塊 (32 )和所述擠壓件(34 )中的至少一個上。
8. —種用于冷卻內(nèi)燃^/L系統(tǒng)(10)中的才幾油的方法，其包^^以 下步驟使高溫機油通過泡沫鋁(32)，所述泡沫鋁(32)布置在熱交換 器(30)的第一殼體部分(33)中的第一流體通道(40)內(nèi)；使低溫流體通過所述熱交換器(30)的第二殼體部分(34)中的 至少另一條流體通道(50);至少部分通過接合所述泡沫鋁(32)和所述第二殼體部分(34) 的導(dǎo)熱材料在高溫機油和低溫流體之間進行熱交換。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二殼體部分(34)包括具有多條流體通道(50)的擠壓的 鋁的殼體部分(34 )，所述熱交換步驟包括通過連接所述泡沫鋁(32 ) 和所述第二殼體部分(34)的外表面(36)的導(dǎo)熱銅焊材料在高溫 機油和低溫流體之間進行熱交換；使高溫機油通過泡沫鋁(32)的步驟包括使高溫機油通過泡沫鋁 (32),所述第一殼體部分(33)的多個鋁殼體板(33a、 33b)圍 繞所述泡沫鋁(32)定位，所述殼體板(33a、 33b)限定所述第一 流體通道(40);和使低溫流體通過第二殼體部分(34)中的至少另一條流體通道 (50)的步驟包括使低溫流體通過由多個加強件(52)彼此分開的 多條流體通道(50)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其還包括 使高溫機油通過多個泡沫鋁塊(32),所述多個泡沫鋁塊(32)中的每一個分別布置在以堆疊結(jié)構(gòu)布置的多個熱交換器子組件的一個中；使低溫流體通過多個鋁擠壓件(34)，所述多個鋁擠壓件(34) 中的每一個分別與至少一個泡沫鋁塊(32)連接并分別布置在所述多個殼體子組件的一個內(nèi)；其中，使低溫流體通過多個鋁擠壓件(34)的步驟包括使低溫流體通過各個鋁擠壓件(34)中的多條流體通道(50)，所述多條流 體通道(50)的每一條通過加強件(52)與相鄰的流體通道流體分 離，所述加強件(52)位于相應(yīng)擠壓件(34)內(nèi)并在所述流體通道 的入口和出口之間縱向延伸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造基于泡沫金屬的熱交換器(30)的方法，該方法包括在第一殼體部分(33)內(nèi)定位限定第一流體通道(40)的泡沫鋁塊(32)，將所述泡沫鋁塊(32)布置成與殼體的部分(34)接觸從而限定至少另一條流體通道(50)，所述殼體部分(34)是擠壓件(34)。將銅焊劑和銅焊料應(yīng)用到所述泡沫鋁塊(32)和所述擠壓件(34)的至少一個上，所述泡沫鋁塊(32)通過銅焊料與擠壓件(34)相聯(lián)接。熱交換器(30)包括殼體(33、34)，該殼體(33、34)內(nèi)具有諸如泡沫鋁塊(32)等泡沫金屬(32)形成的流體通道(40)。所述泡沫金屬(32)通過導(dǎo)熱銅焊料與金屬擠壓件(34)相連接。本發(fā)明還提供一種冷卻內(nèi)燃機中的機油的方法。
文檔編號F01P11/08GK101410688SQ200780011088
公開日2009年4月15日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月28日
發(fā)明者J·J·卡拉斯, J·S·特里澤韋, R·L·杜普雷 申請人:卡特彼勒公司