ТЕПЛООБМЕННИК И МАШИНА, СНАБЖЕННАЯ ТАКИМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ
HEAT EXCHANGER AND MACHINE PROVIDED WITH SUCH HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к теплообменнику, такому как масляный охладитель, и к машине с данным теплообменником, такой как инженерная машина.
Уровень техники
Машина такая, как грузовик, погрузчик, бульдозер и подобная машина, использует энергию двигателя для перемещения, управления рабочими операциями и выполнения подобных действий. Для предотвращения перегрева и возможного выхода системы из строя двигатель и прочие компоненты машины, например, гидравлическая система и трансмиссия должны иметь достаточное охлаждение при работе. На машину часто устанавливают один или большее число теплообменников, например, водяной охладитель для охлаждения двигателя, масляный охладитель для охлаждения масла гидравлической системы и масляный охладитель для охлаждения масла трансмиссии. Воздух направляется при помощи вентилятора к потоку, проходящему через теплообменники, для охлаждения находящейся в них для текучей среды. В этом циркуляционном процессе воздух обменивается теплом с текучей средой в теплообменниках для поддержания температуры текучей среды в теплообменниках на приемлемом уровне.
Теплообменник для машины, такой как масляный теплообменник, может иметь центральную часть теплообменника и баки для текучей среды у двух торцов центральной части теплообменника. Рабочая среда, подвергаемая охлаждению, например, имеющее высокую температуру смазывающее масло или гидравлическое масло, проходит из системной магистрали в бак для текучей среды из одного из торцов центральной части теплообменника и повторно распределяется в данном баке для текучей среды для подачи в канал для текучей среды центральной части теплообменника; охлаждаемая рабочая среда обменивается теплом с другим низкотемпературным теплоносителем при прохождении через канал для текучей среды для снижения своей температуры. И на последнем этапе вся охлажденная среда проходит в бак для текучей среды с другого торца центральной части теплообменника и вытекает из данного бака для текучей среды в систему смазки или в гидравлическую систему.
В настоящее время бак для текучей среды обычно скрепляется с центральной частью теплообменника при помощи сварки. Однако при проведении экспериментов с пульсацией давления было обнаружено, что точки сварки подвержены разрушению и имеют малый ресурс, поскольку сопротивление давлению внутри бака для текучей среды является не достаточно высоким и, в частности, имеет место относительно высокая концентрация напряжений в точке сварки между боковыми стенками и центральной частью теплообменника. Кроме того, во время проведения технического обслуживания или замены поврежденных теплообменников приходится останавливать работу машины, что приводит к снижению ее производительности.
Настоящее изобретение ставит своей целью разработку теплообменника с баками для текучей среды и машины с теплообменником, позволяющих устранить один или большее число недостатков сформулированных выше.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение предлагает теплообменник с баками для текучей среды, который повышает сопротивление внутреннему давлению баков для текучей среды и продляет срок службы баков для текучей среды и теплообменника.
Вышеизложенная цель достигается при помощи теплообменника, обладающего следующими техническими признаками: теплообменник в соответствии с настоящим изобретением содержит: центральную часть теплообменника, имеющую множество каналов для текучей среды, бак, который является открытым с одной стороны и образован верхней стенкой, противоположными параллельными боковыми стенками, открытая сторона бака обеспечивает возможность приваривания к торцевой поверхности центральной части теплообменника, отличающегося тем, что на внутренней стороне торца боковых стенок бака, приваренных к центральной части теплообменника, сформирована гладкая дуговая поверхность, выступающая внутрь бака.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения торец боковой стенки бака, т.е. бака для текучей среды, приваренный к центральной части теплообменника, имеет толщину Т=3-15 мм. Для бака с боковой стенкой, толщина которой находится в пределах данного диапазона, дуговая поверхность, выступающая внутрь бака, оказывает благоприятное влияние на распределение напряжений в точках сварки и на повышение сопротивления внутреннему давлению бака.
Предпочтительно дуговая поверхность имеет радиус 2-30 мм и соответствующий центральный угол 10°-90°.
В другом аспекте настоящее изобретение предлагает машину, снабженную подобным теплообменником.
За счет теплообменника в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается распределение напряжений в точках сварки и снижение прикладываемой в них нагрузки, что приводит к повышению сопротивления внутреннему давлению и повышению прочности связи между баками для текучей среды и центральной частью теплообменника, увеличению долговечности теплообменника, снижению частоты замены или обслуживания теплообменника и снижению периода простоя машины.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - пространственный вид теплообменника в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.2 - вид в сечении бака для текучей среды по линии А-А Фиг.1 в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Фиг.3 - увеличенный вид части В торца боковой стенки бака для текучей среды в соответствии с вариантом осуществления изобретения, показанным на Фиг.2, на котором показана подробная структура торца боковой стенки корпуса бака для текучей среды.
Подробное описание изобретения
Далее приводится описание вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи. По возможности на всех чертежах для одинаковых или подобных компонентов применены одинаковые ссылочные позиции.
В тексте заявки термины «верхний» или «нижний» относятся к верхнему или нижнему направлению Фиг.1, кроме того, в данном документе верхнее или нижнее направление также называется «вертикальным направлением», а направление, перпендикулярное вертикальному направлению, является горизонтальным направлением.
На Фиг.1 показан пространственный вид теплообменника 10, который содержит центральную часть 11, имеющую множество каналов для текучей среды и баки 12 для текучей среды, приваренные к обоим торцам центральной части теплообменника и гидравлически соединенные с центральной частью 11 теплообменника. Показанный теплообменник 10 может представлять собой теплообменник двигателя или теплообменник гидравлической системы или системы трансмиссии экскаватора с гидравлическим приводом, колесного погрузчика, внедорожного грузовика, колесного скрепера и т.д. Бак 12 для текучей среды, расположенный у верхнего или у нижнего торца теплообменника 10 имеет верхнюю стенку 121, две противоположно установленные боковые стенки 122 и две противоположно установленные торцевые стенки 123. Верхняя стенка 121, боковые стенки 122 и торцевые стенки 123 совместно образуют бак для текучей среды, открытый с одной стороны. Верхняя стенка 121 снабжена отверстиями, гидравлически связанными с входной магистралью 17 или выходной магистралью 18 для обеспечения канала для движения текучей среды внутрь и наружу из бака 12 для текучей среды. Бак 12 для текучей среды также снабжен крепежным элементом 19, например, крепежным кронштейном или крепежным отверстием для установки теплообменника 10 на раму машины.
Для более ясного отображения структуры бака 12 для текучей среды выполнен разрез бака 12 для текучей среды по лини А-А Фиг.1 и на Фиг.2 приводится вид бака 12 для текучей среды в сечении. Две боковые стенки 122 бака 12, как показано на Фиг.2, проходят в основном вертикально от верхней стенки 121 к центральной части 11 теплообменника. Специалистам в данной области техники понятно, что данные две боковые стенки 122 бака 12 для текучей среды могут проходить не в вертикальном направлении. Торцевые стенки 122 бака 12 для текучей среды проходят от верхней стенки 121 и расположены между двумя боковыми стенками 122 (на Фиг.2 показана только одна торцевая стенка 123). Из Фиг.1 и 2 видно, что полость бака 12 для текучей среды определяется двумя противоположными торцевыми стенками 123, двумя противоположными боковыми стенками 122, и верхняя стенка 121 имеет отверстие 13, т.е., бак 12 для текучей среды является открытым со стороны отверстия 13. Боковые стенки 122 и/или торцевые стенки 123 в районе открытой стороны бака 12 для текучей среды приварены к торцевой поверхности центральной части 11 теплообменника таким образом, что бак 12 для текучей среды гидравлически связан с центральной частью 11 теплообменника.
Специалистам в данной области техники понятно, что бак 12 для текучей среды, открытый с одной стороны, не ограничивается конфигурацией, показанной на фигурах. Например, отверстие бака 12 для текучей среды может иметь форму пятиугольника, шестиугольника или быть круговым или овальным, и его форма не ограничивается квадратом, показанным на фигурах. Боковые стенки 122 бака для текучей среды не ограничиваются плоской формой, но могут, например, представлять собой гофрированные пластины.
На Фиг.3 в увеличенном масштабе более подробно показан участок В торца боковой поверхности 122, изображенной на Фиг.2, в районе открытой стороны бака для текучей среды. Как показано на Фиг.2 и 3, в районе торца боковой стенки 122, соответствующего открытой стороне бака 12 для текучей среды сформирована скошенная поверхность 15, расположенная снаружи от полости бака для текучей среды. Скошенная поверхность 15 имеет угол β наклона относительно горизонтальной плоскости торцевой поверхности центральной части 11 теплообменника. Во время предварительной сборки бака 12 для текучей среды с центральной частью 11 теплообменника торец боковой стенки 122 в районе открытой стороны бака 12 для текучей среды упирается в боковую кромку торцевой поверхности центральной части 11 теплообменника. За счет наличия скошенной поверхности 15 торец боковой стенки 122 и торцевая поверхность центральной части 11 теплообменника образуют в зоне боковой кромки паз/канавку для сварки. В предпочтительном варианте осуществления важный параметр, который определяет форму паза/канавки, угол р наклона предпочтительно равен 45°, что является благоприятным для процесса сварки. Для простоты описания ширину выступа скошенной поверхности 15 на горизонтальной плоскости торцевой поверхности центрально части 11 теплообменника будем называть шириной d канавки. Около внутренней стороны торца боковой стенки 122 в районе открытой стороны бака 12 для текучей среды, т.е. стороны торца боковой стенки 122 противоположной стороне, на которой расположена канавка, сформирована по существу гладкая дуговая поверхность 16, выступающая в сторону внутренней полости бака для текучей среды.
Как показано на Фиг.3, дуговая поверхность 16 по существу сформирована в переходной зоне между внутренней боковой поверхностью 51 торца боковой стенки 122 бака 12 для текучей среды в районе открытой стороны бака для текучей среды и торцевой поверхности 52 того же торца.
В тексте данного описания термин «дуговой сегмент» относится к дуге, имеющей специальный дуговой радиус и центральный угол; под «дуговой поверхностью» следует понимать, дуговую поверхность, имеющую, по меньшей мере, один дуговой сегмент в поперечном сечении, у которой центры окружностей, соответствующих каждому дуговому сегменту, расположены на той же стороне таким образом сформированной криволинейной поверхности.
Специалистам в данной области техники понятно, что кривая, соответствующая дуговой поверхности 16 может представлять собой переменную инволюту или сплайн, например, В-сплайн, или участок параболы.
В варианте осуществления, приведенном на Фиг.3, дуговая поверхность 16 показана в виде дугового сегмента I радиусом R с центральным углом  α. Для удобства изготовления дуговой сегмент I предпочтительно плавно переходит во внутреннюю боковую поверхность 51 торца его боковой стенки. Другой торец дугового сегмента I является касательным к прямолинейному сегменту II (т.е. дуговой сегмент I плавно переходит в прямолинейный сегмент II). Прямолинейный сегмент II продолжается до пересечения с торцевой поверхностью 52 торца боковой стенки. Прямолинейный сегмент II выполнен для упрощения обработки дугового сегмента I. Специалистам в данной области техники понятно, что в одном из вариантов осуществления возможно исключение прямолинейного сегмента II, т.е. поверхность дугового сегмента 16 может непосредственно плавно переходить в торцевую поверхность 52.
Как указано выше, дуговой сегмент I дуговой поверхности 16 является участком специальной окружности, например, сегментом дуги радиусом 7 мм с центральным углом 45°. Центральный угол дуги, безусловно, может подбираться в соответствии с толщиной Т и высотой боковой стенки бака для текучей среды в районе торцевой зоны. В предпочтительном варианте осуществления длина (которая зависит от радиуса R дуги и центрального угла α) и положение (место размещения центра О окружности дуги) дугового сегмента и толщины боковой стенки 122 бака для текучей среды подчиняются следующему правилу: в случае, когда дуговая поверхность 16 не выступает относительно (вертикальной) плоскости, в которой расположена внутренняя боковая поверхность 51 боковой стенки 122, сумма длины S проекции дуговой поверхности 16 на соответствующую торцевую поверхность центральной части 11 теплообменника и толщина d канавки на соответствующем торце боковой стенки 122 в районе внешней стороны для сварки меньше, чем толщина Т боковой стенки в зоне торца. Таким образом, обеспечивается гарантия того, что торцевая поверхность 52 имеет достаточную длину контакта с торцевой поверхностью центральной части 11 теплообменника.
Предпочтительно торец боковой стенки 122 бака 122 для текучей среды, приваренный к центральной части теплообменника имеет толщину Т=3-15 мм, радиус R дуги, соответствующей дуговой поверхности 16 находится в диапазоне 2-30 мм, а центральный угол лежит в диапазоне 10-90°.
Специалистам в данной области техники понятно, что дуговая поверхность может быть выполнена непрерывной или прерывистой в продольном направлении боковой стенки бака для текучей среды.
В отличие от конструкций известного уровня техники бак для текучей среды в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает распределение нагрузки, прикладываемой к точкам сварки и снижение напряжений, за счет чего бак 12 для текучей среды может воспринимать более высокое внутреннее давление, что продлевает долговечность бака 12 для текучей среды и теплообменника 10.
Хотя на Фиг.1-3 показано, что торец боковой стенки 122 в районе открытой стороны бака для текучей среды на внутренней стороне выступает внутрь бака 12 для текучей среды, специалистам в данной области техники понятно, что внутренняя сторона торца торцевой стенки 123 бака 12 для текучей среды в районе открытой стороны бака для текучей среды также может быть выполнена с дуговой поверхностью выступающей внутрь бака 12 для текучей среды для повышения его сопротивления давлению.
Промышленная применимость
Теплообменник, описанный в данном документе, может применяться в различных машинах, таких как масляный охладитель двигателя или охладитель масла гидравлической или трансмиссионной системы рабочей машины, такой как экскаватор с гидроприводом, колесный погрузчик, внедорожный грузовик, колесный скрепер и т.д., для охлаждения рабочей текучей среды при необходимости рассеяния энергии машины.
Как показано на Фиг.1, разработан бак 12 для текучей среды, имеющий верхнюю стенку 121, две боковые стенки 122, идущие сверху к одной стороне и две торцевые стенки 123 проходящие от верхней стенки 121 между двумя боковыми стенками 122. Торец боковой стенки 122 бака 12 для текучей среды напротив верхней стенки 121 расположен поверх центральной части 11 теплообменника таким образом, что внутренняя полость бака 12 для текучей среды гидравлически связана с центральной частью 11 теплообменника. Канавка для сварного шва сформирована при помощи скошенной поверхности 15 в районе внешней стороны бака 12 для текучей среды в зоне торца боковой стенки 122, противоположного верхней стенке 121. Торец боковой стенки 122 соединен с центральной частью 11 теплообменника при помощи стандартного процесса сварки, например, такого как сварка с припоем. Торцевая стенка 123 бака 12 для текучей среды входит в углубление, сформированное двумя боковыми стенками 122 и верхней стенкой 121, и торцевая стенка 123 прикрепляется по периметру при помощи сварки к верхней стенке 121, боковой стенке 122 и центральной части 11 теплообменника. В результате бак 12 для текучей среды жестко прикрепляется к верхнему торцу центральной части 11 теплообменника. При помощи такой же технологической операции сварки другой бак 12 для текучей среды прикрепляют к нижнему торцу центральной части 11 теплообменника. Таким образом, производят сборку и формирование теплообменника 10. Теплообменник 10 крепят в нужном месте машины при помощи крепежного элемента 19, и впускную магистраль 17 и выпускную магистраль 18 гидравлически соединяют с рабочей системой циркуляции рабочей текучей среды, требующей охлаждения.
В рабочем состоянии теплообменника 10 охлаждаемая рабочая текучая среда, такая как смазочное масло или масло гидравлической системы, поступает в бак 12 для текучей среды, расположенный в районе верхнего торца центральной части 11 теплообменника через впускную магистраль 17, а затем рабочая текучая среда вновь поступает или направляется внутрь бака 12 для текучей среды и подается к специальному каналу для движения текучей среды центральной части 11 теплообменника; рабочая текучая среда при прохождении через специальный канал для движения текучей среды обменивается теплом с другим теплоносителем, таким как воздух, проходящий через центральную часть 11 теплообменника, за чет чего достигается, например, снижение температуры. После этого рабочая текучая среда проходит в бак 12 для текучей среды, расположенный в районе нижнего торца центральной части 11 теплообменника для сливания и выходит через выходную магистраль 18 и возвращается в рабочую циркуляционную систему.
Вышеприведенное описание направлено исключительно на предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения и его не следует рассматривать в качестве ограничения данного изобретения. На основании вышеприведенного описания возможно создание других вариантов осуществления. Данное описание и варианты осуществления следует рассматривать исключительно в качестве примеров, а истинный и аутентичный объем защиты настоящего изобретения определяется в пунктах прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентов.