ТЕПЛООБМЕННИК ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ)
HEAT EXCHANGER FOR A VEHICLE (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системам охлаждения для транспортных средств, в частности к теплообменнику, предназначенному для использования в транспортном средстве.
Уровень техники
Теплообменники, такие как радиаторы, используются в транспортных средствах (автомобилях) для отвода тепла от хладагента двигателя, который циркулирует внутри двигателя. Для передачи тепла от теплообменника к окружающей среде может использоваться циркуляция воздуха, которая создается при движении автомобиля. Чтобы увеличить интенсивность циркуляции воздуха и, следовательно, величину теплопередачи, теплообменники можно располагать на периферии транспортного средства, например за решеткой капота автомобиля. Однако такой теплообменник может повреждаться за счет соударения с ним частиц дорожной грязи.
Поэтому предпринимаются попытки закрывать теплообменники щитками, чтобы снизить вероятность ударных повреждений. Например, в патентной заявке США 2010/0089546 раскрыт оснащенный грязезащитным щитком теплообменник для автомобиля. Теплообменник содержит защитный канал, расположенный на периферийной части теплообменника. Защитный канал действует в качестве барьера, обеспечивающего увеличенное сопротивление ударам.
Однако установлено, что теплообменнику, раскрытому в заявке 2010/0089546, присущ ряд недостатков. Такой защитный канал может не обеспечить достаточной прочности для защиты теплообменника от посторонних предметов, например, дорожной грязи. Кроме того, сложная конструкция канала хладагента может удорожать стоимость изготовления, а также ремонта.
Раскрытие изобретения
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предлагается теплообменник для транспортного средства. Теплообменник содержит корпус, часть которого образует границу канала для хладагента, проходящего через теплообменник, при этом корпус имеет первую и вторую противоположные стороны, каждая из которых имеет слоистую структуру, причем первая сторона расположена на периферии транспортного средства и содержит большее число слоев, чем вторая сторона. Теплообменник также содержит впускное и выпускное отверстия для хладагента, имеющие жидкостную связь с каналами для хладагента.
При таком подходе конструктивная прочность открытой части теплообменника может быть увеличена за счет слоистой структуры первой стороны теплообменника. В результате может быть уменьшена вероятность повреждения теплообменника, вызванного попаданием дорожной грязи, ударами посторонних предметов и т.п.
Кроме того, согласно части вариантов осуществления слои первой и/или второй стороны могут быть получены путем фальцовки, а сам корпус может быть сформован из цельного куска материала. Тем самым может быть обеспечено снижение стоимости изготовления теплообменника по сравнению с другими технологиями, например экструзией. Также, следует понимать, что число слоев первой стороны корпуса при изготовлении можно варьировать, чтобы получать необходимую степень усиления для разных конструкций транспортных средств. Например, в транспортном средстве, требующем дополнительного усиления теплообменника, число слоев может быть увеличено. Таким образом, теплообменник может быть использован в большом числе разнообразных транспортных средств. Это расширяет сферу применимости теплообменника и делает его более привлекательным на рынке.
Данный раздел описания предназначен для ознакомления в упрощенной форме с некоторыми идеями, которые далее рассмотрены в описании подробно. Данный раздел не предназначен ни для формулирования ключевых или существенных признаков объекта изобретения, которые изложены в пунктах формулы изобретения, ни для установления границ идеи изобретения. Более того, объект изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые решают проблемы недостатков, упомянутых в данном описании.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает схему транспортного средства, содержащего теплообменник и двигатель.
Фиг.2 изображает пример автомобиля, содержащего теплообменник, представленный на фиг.1.
Фиг.3 изображает поперечное сечение первого варианта осуществления теплообменника, представленного на фиг.1 и 2.
Фиг.4 в перспективной проекции изображает первый вариант осуществления теплообменника, представленного на фиг.3.
Фиг.5-8 изображают поперечные сечения дополнительных вариантов осуществления теплообменника, представленного на фиг.1 и 2.
Фиг.9 изображает схему способа изготовления системы охлаждения для транспортного средства.
Осуществление изобретения
Далее раскрывается теплообменник, имеющий увеличенную прочность конструкции. Теплообменник может содержать корпус, при этом часть корпуса образует границу канала хладагента, проходящего через теплообменник, а сам корпус содержит первую и вторую противоположные стороны, каждая из которых имеет слоистую конструкцию, причем первая сторона расположена на периферии автомобиля, и содержит большее число слоев, чем вторая сторона. При таком построении конструктивная прочность теплообменника может быть увеличена за счет увеличения толщины корпуса в желаемой области (например, с передней стороны теплообменника). В результате этого вероятность повреждения теплообменника из-за соударения с посторонними предметами может быть уменьшена и тем самым увеличены прочность и долговечность теплообменника. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, слои первой и/или второй стороны могут быть получены путем фальцовки, а сам корпус может быть построен из цельного куска материала. Это снижает стоимость изготовления такого теплообменника по сравнению с другими способами, например экструзией.
На фиг.1 схематически изображен автомобиль 10, содержащий двигатель 12 или другой подходящий мотор, а также теплообменник 14. Двигателем может служить любой подходящий двигатель, например двигатель внутреннего сгорания. С другой стороны, автомобиль может содержать гибридный привод, в котором имеется двигатель внутреннего сгорания и электрический двигатель. Такие гибридные приводы могут представлять собой параллельный гибридный движитель, в котором и двигатель внутреннего сгорания и электрический двигатель могут передавать механическую мощность на колеса через передачу, или последовательный гибридный движитель, в котором двигатель внутреннего сгорания используется в качестве генератора для питания электрического двигателя. Согласно еще одному примеру, автомобиль может содержать только электрический привод с теплообменником, обеспечивающим охлаждение электродвигателя, аккумуляторными батареями, или комбинированный силовой привод.
Автомобиль 10 далее содержит систему 16 впуска воздуха и систему 18 выпуска отработавших газов. Однако если в автомобиле 10 используется электродвигатель, то система впуска и система выпуска могут отсутствовать. Система 16 впуска воздуха может быть выполнена с возможностью подачи воздуха в двигатель для горения. Аналогично, система 18 выпуска отработавших газов может быть выполнена с возможностью приема выхлопных газов от двигателя. Стрелкой 15 показан поток воздуха на впуске в двигатель 12. Стрелкой 17 показан поток выхлопных газов в системе 18 выпуска отработавших газов. Двигатель 12 может содержать по меньшей мере одну камеру 19 сгорания, в которой имеется впускной клапан (не показан) и выпускной клапан (не показан). Двигатель может быть выполнен с возможностью сжигания топлива с целью получения движущей энергии для транспортного средства. Кроме того, двигатель может содержать головку 20 цилиндров и блок 22 цилиндров, образующие по меньшей мере одну камеру 19 сгорания.
Как показано, с теплообменником 14 могут быть связаны по меньшей мере два трубопровода передачи хладагента (например, впускной трубопровод 24 и выпускной трубопровод 26). Впускной и выпускной трубопроводы 24 и 26 передачи хладагента могут соответственно соединяться с впускным отверстием 28 хладагента и выпускным отверстием 30 хладагента теплообменника 14. Конструкция впускного отверстия хладагента может обеспечивать втекание хладагента в теплообменник, а конструкция выпускного отверстия может обеспечивать вытекание хладагента из теплообменника. Таким образом, хладагент может циркулировать через теплообменник 14.
Теплообменник 14 может иметь жидкостную связь с одним или более каналов 25 хладагента, проходящих через двигатель 12, систему 16 впуска и/или систему 18 выпуска. Как показано, теплообменник имеет жидкостную связь с двигателем через впускной трубопровод 24 и выпускной трубопровод 26. Более конкретно, согласно некоторым примерам, каналы 25 для хладагента, проходящие сквозь двигатель 12, могут входить в состав блока 22 цилиндров и/или головки 20 цилиндров. Таким образом, каналы 25 для хладагента могут проходить сквозь головку цилиндров и/или блок цилиндров. Каналы для хладагента в блоке 22 цилиндров можно называть рубашкой охлаждения блока цилиндров. Аналогично, каналы для хладагента в головке 20 цилиндров можно называть рубашкой охлаждения головки цилиндров. Таким образом, излишнее тепло, создаваемое при работе двигателя, можно передавать рабочей жидкости в каналах 25 хладагента, и далее рассеивать посредством теплообменника 14. Дополнительно к этому, или как вариант, впускной и выпускной трубопроводы хладагента могут иметь жидкостную связь с системой впуска воздуха и/или системой выпуска отработавших газов. Каналы для движения хладагента могут быть включены в состав промежуточного охладителя, охладителя системы рециркуляции отработавших газов и т.п.
На фиг.2 изображен пример автомобиля 10, в котором может быть расположен теплообменник 14. На фиг.2 теплообменник 14 изображен схематически. Как показано, теплообменник 14 может быть расположен вблизи периферийной части автомобиля 10. Точнее, теплообменник расположен с передней стороны автомобиля. Переднюю сторону в автомобиле можно определить как сторону, примыкающую к переднему краю автомобиля, когда автомобиль движется в переднем направлении.
На фиг.3-8 показаны различные варианты осуществления теплообменника 14, соответствующего фиг.1 и фиг.2. В связи с этим следует понимать, что секущие плоскости, образующие поперечные сечения, изображенные на фиг.3-8, ориентированы перпендикулярно общему течению хладагента в теплообменнике. Другими словами, в процессе работы теплообменника 14 хладагент может втекать в плоскость чертежа и вытекать из плоскости чертежа. Различные варианты осуществления теплообменника 14, изображенные на фиг.3-8, обеспечивают ряд преимуществ по сравнению с предыдущими конструкциями теплообменника, например конструкцией с однослойным корпусом. Указанные преимущества заключаются в увеличении надежности, а также в уменьшении стоимости изготовления.
На фиг.3 в сечении изображен первый вариант осуществления теплообменника 14. Как показано, теплообменник 14 может содержать первый корпус 300, при этом часть первого корпуса образует границу канала 301 хладагента, который проходит через теплообменник 14. Следует понимать, что поперечное сечение, изображенное на фиг.3, по существу перпендикулярно движению хладагента по каналу 301. Как показано, канал 301 не является круглым. Однако в иных вариантах осуществления канал хладагента может быть круглым. Первый корпус 300, соответственно, содержит первую и вторую противоположные стенки 302 и 304. Первый корпус 300 может быть выполнен из подходящего материала, например стали, алюминия и т.п. Кроме того, указанный материал должен поддаваться пластической деформации - обладать вязкостью, обеспечивающей возможность его гибки и фальцовки в процессе изготовления теплообменника.
Первая сторона 302 имеет многослойную конструкцию. Например, первая сторона 302 может состоять из нескольких слоев 306, принадлежащих первому корпусу 300. В показанном варианте осуществления первый корпус 300 сформован из единого, цельного куска материала. Для изготовления первого корпуса 300 может быть использована следующая технология. Первый конец 309 заготовки первого корпуса 300 подвергают фальцовке, чтобы получить два слоя 311. Затем, второй конец 313 первого корпуса 300 сгибают и соединяют с первыми двумя слоями 311, формируя третий слой 315. Таким образом, первая сторона 302 первого корпуса 300 может быть выполнена из трех слоев. Следует понимать, что слои 311 и 315 первой стороны 302 могут быть соединены друг с другом подходящим способом, например сваркой, склейкой и т.п. Точнее, в изображенном варианте осуществления поверхность 303 третьего слоя 315 находится в контакте и соединена (сварена, склеена и т.п.) с поверхностью 305 одного из двух слоев 311. Таким образом, канал 301 хладагента может быть герметично закрыт, чтобы уменьшить вероятность утечки хладагента. Кроме того, два слоя 311 и третий слой расположены так, что их поверхности соприкасаются и неразрывно переходят одна в другую. Однако в других вариантах осуществления могут применяться и иные способы изготовления. Например, чтобы сформировать канал 301 хладагента, первый конец 309 и второй конец 313 первого корпуса 300 можно соединять встык и крепить друг к другу (например, сваркой, склейкой и т.п.).
Также, первая сторона 302 содержит большее число слоев, чем вторая сторона 304. Таким образом, для второй стороны 304 также предусмотрена многослойная структура. Следует понимать, что многослойная структура может состоять из одного слоя. Точнее, как показано на фиг.3, первая сторона 302 содержит три слоя, а вторая сторона 304 содержит один слой. В таком варианте осуществления, толщина Т1 первой стороны может в три раза превышать толщину Т2 второй стороны. Однако возможны и другие конструкции, которые будут более подробно рассмотрены согласно фиг.5, 6. Первую сторону 302 первого корпуса 300 при установке теплообменника в автомобиль можно расположить обращенной наружу, так чтобы она была подвержена попаданию дорожной грязи, ударам и т.п. За счет увеличения числа слоев на первой стороне 302 прочность первой стороны увеличивается. Таким образом, может быть существенно снижена вероятность повреждения теплообменника из-за соударения с дорожной грязью, посторонними предметами и т.п. В результате долговечность теплообменника 14 может быть увеличена.
Первый корпус 300 также содержит, соответственно, третью и четвертую стороны 308 и 310. Третья и четвертая стороны 308, 310 также могут содержать меньшее число слоев, чем первая сторона 302. Следует понимать, что первая сторона может быть единственной стороной, которая обращена наружу, а вторая, третья и четвертая стороны могут быть защищены конструкцией автомобиля. Следовательно, согласно ряду примеров, вторая, третья и четвертая стороны могут не нуждаться в конструктивном усилении в такой степени, как первая сторона. Однако, в иных вариантах осуществления, вторая, третья и/или четвертая сторона могут быть обращены наружу и/или содержать дополнительные слои для увеличения прочности.
На фиг.3 также изображен второй корпус 312, образующий второй канал 314 для хладагента. Следует понимать, что второй корпус 312 может иметь геометрическую структуру, идентичную первому корпусу 300. Однако, в иных вариантах осуществления, корпуса могут иметь разные конструкции. Например, первая сторона 302 первого корпуса 300 может содержать 3 слоя, а первая сторона 316 второго корпуса 312 может содержать 2 слоя. Кроме того, в каких-то вариантах осуществления теплообменник 14 может не содержать второго корпуса.
Конкретно, второй корпус 312 содержит первую и вторую противоположные стороны 316 и 318. Второй корпус 312 может быть выполнен из подходящего материала, такого как сталь, алюминий и т.п. Кроме того, указанный материал может обладать пластичностью, обеспечивающей возможность его гибки и фальцовки в процессе изготовления теплообменника. Однако, в каких-то вариантах осуществления, указанный материал может и не обладать способностью к деформированию в холодном состоянии, как, например, пластмасса. Следует понимать, что в некоторых вариантах осуществления первый корпус 300 и второй корпус 312 могут быть выполнены из одинаковых материалов.
Аналогично первому корпусу 300, первая сторона 316 второго корпуса 312 имеет многослойную конструкцию. То есть первая сторона 316 может содержать несколько слоев 318, принадлежащих второму корпусу 312. Указанные слои могут быть сформированы подходящим способом, например фальцовкой. Кроме того, первая сторона 316 содержит большее число слоев, чем вторая сторона 318. Точнее, как показано на фиг.3, первая сторона 316 содержит три слоя, а вторая сторона 318 содержит один слой. При такой конструкции толщина Т3 первой стороны 316 может в три раза превышать толщину Т4 второй стороны 318. Однако возможны и другие конструкции, что более подробно будет рассмотрено ниже, согласно фиг.5-6.
Второй корпус 312 также содержит третью и четвертую стороны 320 и 322. Третья и четвертая стороны 320, 322 также могут содержать меньшее число слоев, чем первая сторона 316. Следует понимать, что первая сторона может быть единственной стороной, которая обращена наружу, а вторая сторона 318, третья сторона 320 и четвертая сторона 322 могут быть защищены конструкцией автомобиля. Следовательно, согласно ряду примеров, вторая, третья и четвертая стороны 318, 320 и 322 могут не нуждаться в конструктивном усилении в такой степени, как первая сторона. Однако, в иных вариантах осуществления, вторая, третья и/или четвертая стороны могут быть обращены наружу и/или содержать дополнительные слои для увеличения прочности.
В изображенном варианте осуществления, второй корпус 312 выполнен из единого, цельного куска материала. Слои во втором корпусе 312 могут быть получены путем фальцовки или гибки, способом аналогичным способу, описанному в отношении первого корпуса 300. Однако, в каких-то вариантах осуществления, первый корпус 300 и второй корпус 312 могут быть изготовлены различными способами.
Как показано, между первым корпусом 300 и вторым корпусом 312 может проходить по меньшей мере одно ребро 324. Следует понимать, что в других вариантах осуществления может быть использовано множество ребер. Число ребер может быть выбрано исходя из свойств материала корпуса и ребер, а также требований к охлаждению в автомобиле и т.п.
С первым корпусом 300 и вторым корпусом 312 могут быть связаны, соответственно, дополнительные ребра 326 и 328. Точнее, ребро 326 связано с третьей стороной 308 первого корпуса 300, а ребро 328 связано с четвертой стороной 322 второго корпуса 312. При работе автомобиля воздух может протекать сквозь набор указанных ребер. В результате, тепло от теплообменника 14 может быть рассеяно в окружающей среде.
В некоторых вариантах осуществления, общее направление потока хладагента в первом канале 301 может быть противоположным общему направлению потока хладагента во втором канале 314. Однако, в каких-то вариантах осуществления, общее направление потока хладагента и в первом и во втором каналах 301, 314 может быть одинаковым.
На фиг.4 в перспективной проекции изображен первый вариант осуществления теплообменника 14. Как показано, между первым и вторым корпусами 300 и 312 проходит множество ребер 400. Следует понимать, что изображенное на фиг.3 ребро 324 принадлежит множеству ребер 400. Кроме того, от первого корпуса 300 может отходить множество ребер 402. При этом изображенное на фиг.3 ребро 326 принадлежит множеству ребер 402. Точно так же от второго корпуса 312 может отходить множество ребер 404. Причем изображенное на фиг.3 ребро 328 принадлежит множеству ребер 404.
Для крепления первого корпуса 300 ко второму корпусу 312 и, тем самым, для фиксации положения первого корпуса относительно второго корпуса может быть предусмотрена несущая конструкция 406. Однако, согласно другим вариантам осуществления, несущая конструкция 406 может и не входить в состав теплообменника 14. Секущая плоскость 408 образует поперечное сечение теплообменника 14, изображенное на фиг.3.
На фиг.5-8 показаны другие варианты осуществления первого корпуса 300 теплообменника 14, изображенного на фиг.3 и 4. Следует понимать, что второй корпус 312, изображенный на фиг.3 и 4, может иметь конструкцию аналогичную вариантам осуществления первого корпуса 300, показанным на фиг.5-8. Кроме того, варианты осуществления первого корпуса 300, представленные на фиг.5-8, могут содержать элементы, соответствующие первому варианту осуществления первого корпуса 300, показанному на фиг.3 и 4. Поэтому аналогичные детали на чертежах имеют одинаковые позиционные обозначения.
Конкретно, на фиг.5 и 6 изображены второй и третий варианты осуществления первого корпуса 300 теплообменника 14. Как показано, число слоев на первой стороне 302 может быть сделано разным. Точнее, первая сторона 302 может содержать два слоя, как показано на фиг.5, или четыре слоя, как показано на фиг.6. Как показано на фиг.6, фальцовка может располагаться не противоположных концах заготовки первого корпуса 300. Однако возможно и другое расположение фальцовки. Следует понимать, что, когда первый корпус 300 имеет по существу одинаковую ширину, толщина сторон может быть в целое число раз меньшей числа слоев первой стороны 302. Например, толщина Т1 первой стороны 302 в варианте осуществления, изображенном на фиг.5, может в два разе превышать толщину Т2 второй стороны 304. Аналогично, толщина Т1 первое стороны 302 в варианте осуществления, изображенном на фиг.6, может в четыре раза превышать толщину Т2 второй стороны 304.
На фиг.7 изображен еще один вариант осуществления теплообменника 14. Как показано, вторая сторона 304 может быть криволинейной. Следует понимать, что в каких-то вариантах осуществления радиус R1 кривизны может быть равен половине высоты Н1. Когда вторую сторону 304 теплообменника 14 делают криволинейной, сокращается число сгибов первого корпуса 300. В результате процесс изготовления упрощается и уменьшается стоимость изготовления корпуса.
На фиг.8 изображен вариант осуществления теплообменника, содержащего второй канал для хладагента. Конкретно, фиг.8 изображает конструкцию теплообменника 14, в которой произведена фальцовка и гибка единого, цельного куска материала для формирования первого канала 301 хладагента и второго канала 800 хладагента. Как показано, стенка 802 между первым и вторым каналами 301 и 800 содержит два слоя 804.
На фиг.9 изображена схема осуществления способа 900 изготовления теплообменника, такого как вышеописанный теплообменник 14. На шаге 902 способ содержит гибку/фальцовку цельного куска материала с целью получения корпуса, образующего канал для хладагента, при этом корпус содержит первую и вторую противоположные стороны, причем первая сторона содержит большее число слоев, чем вторая сторона. Затем на шаге 904 способ содержит сварку нескольких слоев с целью герметизации канала для хладагента. В некоторых вариантах осуществления, способ 900 перед шагом 904 может содержать гибку/фальцовку куска материала с целью формирования второго канала для хладагента, расположенного рядом со второй стороной. Данный шаг может быть использован для изготовления теплообменника с конструкцией, аналогичной конструкции, показанной на фиг.7. В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно содержать шаги 906, 908 и/или 910. Следует понимать, что шаги 906-910 могут быть выполнены с целью изготовления теплообменника, аналогичного теплообменнику 14, показанному на фиг.3 и 4. Однако, в каких-то вариантах осуществления, способ может завершаться после шага 904. На шаге 906 способ может содержать гибку/фальцовку второго, цельного куска материала для формирования второго корпуса, при этом часть второго корпуса образует границу второго канала хладагента, пересекающего теплообменник, причем второй корпус содержит первую и вторую противоположные стороны, и первая сторона содержит большее число слоев, чем вторая сторона. Затем, на шаге 908 способ содержит сварку двух или более слоев второго корпуса с целью герметизации второго канала для хладагента. На шаге 910 способ содержит крепление одного или более ребер к первому корпусу и второму корпусу.
Способ 900 дает ряд преимуществ по сравнению с другими способами изготовления, такими как экструзия. Во-первых, изготовление теплообменника таким способом является недорогим. Кроме того, процесс изготовления можно легко модифицировать, чтобы он подходил к ряду технических конструкций. Таким образом, сфера применения рассматриваемого теплообменника может быть распространена на ряд различных транспортных средств, которые нуждаются в различном охлаждении.
Следует понимать, что рассмотренные выше конструкции и/или подходы по сути являются примерами и что эти конкретные варианты осуществления и примеры не ограничивают идею изобретения, ибо возможны их различные модификации. Предмет настоящего изобретения включает в себя все новые и неочевидные сочетания отличительных признаков, функций, действий или свойств, раскрытых в настоящем описании, а также все и любые их эквиваленты.