本公开总体上涉及加热设备，并且更具体地涉及用于加热流体的热交换器。
背景技术：
该部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
热交换器通常包括管状容器和设置在管状容器内部的多个加热元件。工作流体在一个纵向端部处进入管状容器，并且在另一纵向端部处离开。随着工作流体在管状容器内部流动，工作流体被多个加热元件加热。在流体-流体热交换器中，加热元件是加热流体所流过的管。热量经由管的壁从加热流体传递到工作流体。在电热交换器中，加热元件是电加热元件(例如，电阻加热元件)。
为了更快且有效地加热工作流体，典型的热交换器可以增加总热交换面积或增加加热元件的热通量，以增加热输出。然而，增加总热交换面积的典型方法会在热交换器中占用更多的否则会用于容纳工作流体的空间，而增加加热元件热通量的典型方法可能会受到加热元件材料和设计，以及其它特定应用要求的限制。
技术实现要素：
在一种形式中，提供了一种加热器组件，该加热器组件包括连续系列的螺旋形构件和多个加热元件。每个螺旋形构件限定相对的边缘和预定图案的穿孔，该预定图案的穿孔延伸通过每个螺旋形构件并且平行于加热器组件的纵向轴线。多个加热元件延伸通过连续系列的螺旋形构件的穿孔(并且在一种形式中穿过所有的穿孔)。连续系列的螺旋形构件限定了几何螺旋体。
在另一种形式中，热交换器包括限定腔体的本体、布置在腔体内的加热器组件以及构造成将加热器组件固定到本体的近侧凸缘。该加热器组件限定纵向轴线，并且包括连续系列的螺旋形构件和多个加热元件。每个螺旋形构件限定相对的边缘和预定图案的穿孔，该预定图案的穿孔延伸通过每个螺旋形构件并且平行于纵向轴线。多个加热元件延伸穿过连续系列的螺旋形构件的穿孔。连续系列的螺旋形构件限定了几何螺旋体。
在又一形式中，在热交换器中，装置沿热交换器的长度提供一致的线性温度升高。该装置包括连续系列的螺旋形构件。每个螺旋形构件限定相对的边缘和预定图案的穿孔，该预定图案的穿孔延伸通过每个螺旋形构件并且平行于电热交换器的纵向轴线。连续系列的螺旋形构件限定了几何螺旋体，并且穿孔构造成接纳加热元件。
在一种形式中，加热器组件包括连续系列的穿孔的螺旋形构件和多个加热元件。穿孔的螺旋形构件协配以限定围绕加热器组件的纵向轴线设置的几何螺旋体。每个穿孔的螺旋形构件限定相对的边缘和预定图案的穿孔。穿孔延伸穿过平行于纵向轴线的每个穿孔的螺旋形构件。加热元件延伸穿过穿孔。
根据另一种形式，每个加热元件包括第一部段、第二部段以及连接第一部段和第二部段的弯曲部。第一部段延伸穿过第一组穿孔。第二部段延伸穿过第二组穿孔。第二组穿孔平行于第一组穿孔并偏离第一组穿孔。
根据另一种形式，多个加热元件以同心图案布置。
根据又一种形式，加热器组件还包括中心支承构件。每个穿孔的螺旋形构件限定中心孔口，并且中心支承构件延伸穿过中心孔口。
根据另一种形式，加热器组件还包括延伸穿过中心支承构件内部的温度传感器，该温度传感器包括中心支承构件外部的探针。
根据另一种形式，加热器组件还包括构造成将加热器组件固定到热交换器本体的近侧凸缘。凸缘限定多个凸缘孔口和中心凹槽。凸缘孔口与穿孔的螺旋形构件的穿孔对准。加热元件延伸穿过凸缘孔口。中心支承构件接纳在中心凹槽中。
根据另一种形式，加热器组件还包括通气孔口，该通气孔口在中心支承构件的外部与靠近凸缘的中心支承构件的内部之间提供流体连通。
根据另一种形式，中心支承构件包括至少一个附加加热器。
根据另一种形式，加热器组件还包括设置在连续系列的穿孔的螺旋形构件的远端处的未穿孔的螺旋形构件，未穿孔的螺旋形构件形成几何螺旋体的延伸部。
根据另一种形式，每个加热元件固定到每个加热元件延伸穿过的每个穿孔的至少一部分。
根据另一种形式，来自一个螺旋形构件的相对边缘与来自相邻螺旋形构件的相对边缘重叠。
根据另一种形式，来自一个螺旋形构件的相对的边缘与来自相邻螺旋形构件的相对的边缘间隔开，并通过桥接构件与其连接。
根据另一种形式，加热器组件还包括平行于纵向轴线延伸的多个杆。每个穿孔的螺旋形构件的周边限定多个凹槽，并且杆至少部分地设置置在对应的成组凹槽内。
根据另一种形式，杆从凹槽向外延伸超过每个穿孔的螺旋形构件的周边。加热器组件构造成接纳在本体的圆柱形腔体内，并且杆构造成提供与限定圆柱形腔体的本体的壁的滑动接触。
根据另一种形式，加热器组件还包括护罩，该护罩围绕穿孔的螺旋形构件的至少一个设置并且联接到杆。
根据另一种形式，杆不向外延伸超过每个穿孔的螺旋形构件的周边。
根据另一种形式，护罩是隔热罩，其构造成相对于纵向轴线径向向内反射辐射能。
根据另一种形式，护罩包括至少一个裙部，该裙部限定了多个可变形的翼片，这些翼片相对于纵向轴线径向向外延伸。
根据另一种形式，至少一个裙部被设置成靠近加热器组件的近端部分或远端部分。
根据另一种形式，至少一个裙部包括第一裙部和第二裙部。第一裙部设置在加热器组件的近端部分处，而第二裙部设置在加热器组件的远端部分处。
根据另一种形式，连续系列的穿孔的螺旋形构件限定可变节距。
根据另一种形式，连续系列的穿孔的螺旋形构件在加热器组件的入口端附近具有比加热器组件的出口端长的节距。
根据另一种形式，加热元件是电阻加热元件。
根据另一种形式，电阻加热元件是以下群组中的一种：管状加热器、筒式加热器或多单元加热器。
根据另一种形式，多个加热元件包括第一加热元件和第二加热元件，第一加热元件的长度与第二加热元件的长度不同。
根据另一种形式，加热器组件还包括围绕纵向轴线同轴设置的对准板。对准板限定多个板孔口，这些板孔口与穿孔的螺旋形构件的穿孔对准。
在另一种形式中，热交换器包括本体、加热器组件和近侧凸缘。本体限定圆柱形腔体。加热器组件限定纵向轴线。加热器组件包括连续系列的穿孔的螺旋形构件和多个加热元件。穿孔的螺旋形构件设置在圆柱形腔体内并限定几何螺旋体。每个穿孔的螺旋形构件限定相对的边缘和预定图案的穿孔，该预定图案的穿孔延伸通过每个穿孔的螺旋形构件并且平行于纵向轴线。加热元件延伸穿过穿孔的螺旋形构件的穿孔。近侧凸缘将加热器组件固定到本体。
根据另一种形式，热交换器组件还包括平行于纵向轴线纵向延伸的多个杆。每个穿孔的螺旋形构件的周边限定多个凹槽，并且杆部分地设置在相应组的凹槽内，并且具有从穿孔的螺旋形构件的周边径向向外延伸的厚度，使得杆与限定圆柱形腔体的本体的内壁处于滑动接触。
根据另一种形式，热交换器还包括裙部，该裙部包括可弹性变形的翼片，该翼片在穿孔的螺旋形构件与限定圆柱形腔体的本体的内壁之间径向地延伸。
根据另一种形式，本体包括在圆柱形腔的近端处的入口和在圆柱形腔体的远端处的出口。加热器组件还包括联接到连续系列的穿孔的螺旋形构件中的最后一个的未穿孔的螺旋形构件。未穿孔的螺旋形构件形成几何螺旋体的延伸部，并在出口处或出口前沿着几何螺旋体开始。
根据另一种形式，未穿孔的螺旋形构件所具有的节距等于出口的直径。
在另一种形式中，加热器组件包括连续的穿孔的螺旋形挡板和多个加热元件。挡板围绕纵向轴线限定几何螺旋体。穿孔的螺旋形挡板限定预定图案的穿孔，该预定图案的穿孔延伸通过穿孔的螺旋形挡板并且平行于纵向轴线。加热元件延伸穿过穿孔。
根据另一种形式，几何螺旋体具有沿纵向轴线变化的节距。
根据另一种形式，节距是连续可变的。
根据本文提供的描述，其它应用领域将变得显而易见。应该理解的是，该描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
通过具体实施方式和附图，将更加全面地理解本公开，附图中：
图1是根据本公开的教导构造的加热器组件的立体图；
图2是图1的加热器组件的一系列连续的螺旋形构件的立体图；
图3是图2的螺旋形构件的立体图；
图4是图3的螺旋形构件的前体图；
图5是图1的一系列连续的螺旋形构件和中心支承构件的立体图；
图6是图1的螺旋形构件和加热元件的局部立体图；
图7是示出了发热元件与螺旋形构件之间的连接的视图；
图8是图1的螺旋形构件和加热元件的局部立体图；
图9是安装到螺旋形构件的加热元件的前视图；
图10是安装到螺旋形构件的加热元件的前视图，示出了加热元件的不同布置；
图11是图1的加热器组件的局部立体图，移除了护罩以示出未穿孔的螺旋形构件和支承杆；
图12是图1的加热器组件的局部立体图，移除了护罩和未穿孔的螺旋形构件；
图13是图1的部分a的放大图；
图14是图1的部分b的放大图；
图15是图1的近侧安装凸缘的立体图；
图16是根据本公开的教导构造的热交换器的剖切立体图；
图17是图16的电交换器的剖切前视图；
图18是示出沿着图1的加热器组件的温度分布的图；
图19是示出对于传统热交换器以及对于具有图18的加热器组件的热交换器，加热元件表面温度相对于距近侧安装凸缘的距离的曲线图；
图20是根据本公开的教导的第二构造的加热器组件的左侧立体图，示出了安装有可选的护罩；
图21是图20的加热器组件的右侧立体图，示出了未安装可选的护罩；
图22是图20的护罩的一部分的立体图；
图23是图20的加热器组件的远端的立体图；
图24是图20的加热器组件的中心管和安装凸缘的立体图；
图25是图24的中心管和安装凸缘的分解立体图；
图26是根据本公开的教导的热交换器的立体图，包括图20的加热器组件；
图27是图26的热交换器的近端的剖视图；
图28是图26的热交换器的远端的剖视图；以及
图29是根据本公开的教导的第三构造的加热器组件的立体图，其示出了直的加热元件。
贯穿附图中的若干视图，相应的附图标记标示相应的部件。
具体实施方式
下面的描述在本质上仅仅是示例性的，而非意在限制本发明、应用或用途。
参照图1，根据本公开的教导构造的加热器组件10构造成设置在热交换器80(在图16和图17中示出)的管状本体82或壳体内部，以加热流过热交换器80的工作流体。加热器组件10可以通过近端板或安装凸缘12安装到热交换器80的管状本体82。加热器组件10包括导流装置14和在导流装置14内延伸并相对于导流装置14固定的多个加热元件16。加热器组件10限定近端部分20和远端部分21，近端部分20和远端部分21限定加热器组件10的纵向轴线x。安装凸缘12设置在加热器组件10的近端部分20处。多个加热元件16沿着加热器组件10的纵向轴线x延伸。
参照图2，导流装置14包括多个穿孔的螺旋形构件18或螺旋形挡板(或折流板)，其沿着加热器组件10的纵向轴线x以线性阵列连接以限定连续的几何螺旋部。连续的几何螺旋部使得每个穿孔的螺旋形构件18限定遵循围绕纵向轴线x的螺旋形路径的表面。可选地，导流装置14还包括螺旋形端部挡板或未穿孔的螺旋形构件23，该螺旋形端部挡板或未穿孔的螺旋形构件23设置成与加热器组件10的远端部分21相邻，并连接到相邻的穿孔的螺旋形构件18以形成连续几何螺旋状的延伸部。多个穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23限定连续的螺旋形导流通道22，以引导工作流体在其中流动，并在热交换器80的管状本体82内产生螺旋流(图16和17)。
参照图3和图4，穿孔的螺旋形构件18各自呈金属片材的形式，该金属片材被弯曲以形成一个完整的螺旋匝圈。尽管未在附图中示出，但是应当理解，可以弯曲金属片材以仅形成一个螺旋匝圈的一部分或一个以上螺旋匝圈。穿孔的螺旋形构件18各自限定相对的边缘26和28，以及延伸穿过每个穿孔的螺旋形构件18的预定图案的穿孔30。可以将来自一个穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘26或28焊接到来自相邻的穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘28或26。在一种形式中，如图8所示，一个穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘26或28可以与来自相邻的穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘28或26重叠。在图8所示的示例中，该重叠大约等于1.01转，以提供附加的覆盖。在另一种形式中，如图6所示，来自一个穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘26或28可邻接并焊接到来自相邻穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘28或26，使得相邻穿孔的螺旋形构件18的表面形成连续表面。在未具体示出的另一示例中，来自一个穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘26或28可以通过桥接构件(未示出)连结到相邻的穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘28或26。桥接构件可以是螺旋形状或可以是其它形状，比如以圆形方式延伸短距离。
因此，穿孔的螺旋形构件18沿着加热器组件10的纵向轴线x连接，以形成穿孔的螺旋形构件18的线性阵列(连续系列)。多个穿孔的螺旋形构件18中的穿孔30沿平行于加热器组件10的纵向轴线x的方向或正交于径向方向的方向对齐，从而导致相对于穿孔的螺旋形构件18的每个面成角度。未穿孔的螺旋形构件23连接到连续的一系列穿孔的螺旋形构件18的远端。未穿孔的螺旋形构件23在结构上类似于穿孔的螺旋形构件18，但是未被穿孔。
穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23各自具有内周向边缘32，该内周向边缘的轮廓使得从平行于加热器组件10的纵向轴线x的方向观察时，内周向边缘32限定了与纵向轴线x同轴的圆形孔口34。在所提供的示例中，穿孔的螺旋形构件18各自都沿着穿孔的螺旋形构件18的外周边限定了多个周向凹槽36。类似地，未穿孔的螺旋形构件23沿其外周边限定多个周向凹槽36。多个穿孔的螺旋形构件18(以及未穿孔的螺旋形构件23)的周向凹槽36也沿着平行于加热器组件10的纵向轴线x平行的方向对准。
取决于工作流体的期望流速和期望流量，可以适当地选择穿孔的螺旋形构件18的螺旋节距、外径、穿孔的螺旋形构件18的中心孔口34的直径以及穿孔的螺旋形构件18的厚度。取决于期望的热输出和热效率，可以适当地选择加热元件16的数量和穿孔的螺旋形构件18中的穿孔30的数量。
参照图5，加热器组件10还包括中心支承构件40，该中心支承构件40延伸穿过穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23的中心孔口34，以将多个穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23连接在一起，并且为加热器组件10提供结构支承。中心支承构件40和未穿孔的螺旋形构件23还可构造成为工作流体提供附加的加热。在一种形式中，中心支承构件40是附加的加热元件(例如，电加热元件)。当还用作附加加热元件时，中心支承构件40可以包括一个或多个电阻加热元件，例如筒式加热器、管状加热器或者具有细长构造以同时提供加热和结构支承的任何常规加热器。
参照图6和7，将多个加热元件16插入穿过穿孔30。为了清楚说明起见，在图6和7中仅示出了一对加热元件16，但是当完全组装时，所有穿孔30都从中接纳加热元件16，使得流体沿着螺旋形导流通道22而不是穿过穿孔30行进。在所提供的示例中，多个加热元件16各自具有夹钳状的构造，并包括延伸穿过穿孔的螺旋形构件18的穿孔30的成对直的部分42和连接成对直的部分42的弯曲部分44。加热元件16可以是任何合适类型的加热元件，比如电阻加热元件。
例如，可以使用管状电加热器、筒式电加热器或多单元加热器。当加热元件16是电加热元件时，它们可以包含电阻加热元件(例如，未具体示出的加热线圈)，该电阻加热元件可以设置在直的部分42以及弯曲部分44(如果包括)中。在所提供的示例中，电阻加热线圈可延伸穿过直的部分42和弯曲部分44，并具有从相应直的部分42的近端延伸的相反的引线(未具体示出)。另外参照图29，示出了筒式加热器的一个示例。在该示例中，加热元件仅包括直的部分42。每个直的部分42在远端处终止，并且加热元件16不弯曲以连接到直的部分42中的两个。替代地，电阻加热元件(未示出)设置在每个直的部分42中，并且电引线从每个直的部分42的近端延伸。
返回图6和7，每个加热元件16固定到每个加热元件16延伸穿过的每个穿孔30的至少一部分。在所提供的示例中，加热元件16通过在每个穿孔30的大约一半的周边上焊接而被固定，从而沿着穿孔30的半个周边形成焊接接头46。
参照图8，工作流体在导流通道22中被穿孔的螺旋形构件18引导以在螺旋方向f上流动，并被加热元件16连续加热。通过使用导流通道22，可以引导工作流体跨过加热元件16的加热表面横向流动。因此，与其中工作流体在平行于热交换器的纵向轴线x的方向上流动的典型的热交换器(未示出)相反，工作流体可以在热交换器80的预定长度内被加热元件16更有效地加热。因为工作流体被适当地引导以跨过加热元件16的加热表面横向流动，所以可以避免不加热工作流体的死区。在未具体示出的传统热交换器中，死区会导致结垢，在结垢中工作流体分解并致使材料积聚和沉积在加热元件上。因此，本教导的热交换器可以通过增加流动均匀性并减少对壳体或容器(例如，图16和17所示的本体82)的辐射热损失来减少结垢并提高传热效率。
参照图9和10，加热元件16插入到穿孔30中使得加热元件16的弯曲部分44形成围绕中心支承构件40的同心图案(图9)，或者形成相对于穿孔的螺旋形构件18的直径的对称的图案(图10)。在图9和10所示的构造之间，尽管可以使用其它构造和图案，但是使用同心图案可以将更大密度的加热元件16装配在相同的空间中。在图9和10所示的构造之间，同心图案通常具有连接直的部分42的较紧密的弯曲半径。因此，也可以基于设计标准比如元件密度或弯曲半径来选择图案。如图12中最佳所示，加热元件16可以具有不同的长度，从而使得一些加热元件16沿着纵向轴线x延伸得比其它加热元件远。加热元件16的长度可以基于它们相对于未穿孔的螺旋形构件53的位置。在一种构造中，一个或多个加热元件16可以是均具有第一长度的第一组加热元件，而一个或多个不同的加热元件16可以是均具有与第一长度不同的第二长度的第二组加热元件。在该示例中，加热元件16不限于仅具有两个长度的两组，而是可以包括附加的组和长度。
参照图11和12，加热器组件10还可包括多个支承杆50，这些支承杆50延伸穿过穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23的周向凹槽36，并且平行于加热器组件10的纵向轴线x。支承杆50可以向外(即，在相对于纵向轴线x在径向方向上)延伸超过周向凹槽36的周边，并且可以构造为滑杆，用于将加热器组件10安装到热交换器80的管状本体82的圆柱形腔体84中(图16和17)。换言之，支承杆50可以减少加热器组件10和管状本体82的内壁之间的直接表面接触(图16和17)，以减少摩擦，并因此减小将加热器组件10滑动到管状本体82中所需的力。替代地，支承杆50可以构造成不延伸超过周向凹槽36的周边，而仅用作加热器组件10的结构支承。在所提供的示例中，将支承杆50焊接到穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23。
返回参照图1，加热器组件10还可以包括成对护罩52，该对护罩52设置在近端部分20和远端部分21处，用于围绕穿孔的螺旋形构件18、未穿孔的螺旋形构件23、加热元件16和支承杆50。在近端处，护罩52通常位于未加热部分54和加热部分56之间。虽然图1示出了两个护罩52，可以设置任何数量的护罩52，包括一个，以围绕穿孔的螺旋形构件18、加热元件16和支承杆50。当设置一个护罩52时，可以将护罩52设置在远端部分21处或近端20处。
参照图13和14，护罩52可各自限定圆筒形护罩构件51和多个可变形翼片53，这些可变形翼片53围绕圆筒形护罩构件51形成裙部。圆筒形护罩构件51可以包裹穿孔的和/或未穿孔的螺旋形构件18、23的一部分。在所提供的示例中，每个圆筒形护罩构件51沿着纵向轴线x延伸它所围绕的相应穿孔或未穿孔的螺旋形构件18、23的至少一个完整的螺旋节距的长度。可变形的翼片53通常通过切割护罩52的径向向外的凸缘部分而形成，使得翼片53可从圆筒形护罩构件51径向向外延伸。与管状本体82的内壁接触可以使翼片53弹性变形，从而偏置翼片53与管状本体82的内壁接触，以抑制流体从热交换器80的管状本体82之间逸出，从而减轻窜漏。在所提供的示例中，图13中所示的远侧护罩52的翼片53可以轴向定位在加热器组件10的远端附近，比如正好在热交换器80的管状本体82的出口88之前。例如，可将远端护罩52的翼片53大致定位在图17中所示的短划线92处，在管状本体82的出口88之前。在所提供的示例中，图14中所示的近端护罩52的翼片53可以轴向地定位在穿孔的螺旋形构件18的起点附近，比如在管状本体82的入口86之后。例如，可将近端护罩52的翼片53大致定位在图17中所示的短划线94处，在管状本体82的入口86之后。
参照图15，近侧安装凸缘12构造成将加热器组件10固定到热交换器80的管状本体82。近侧安装凸缘12包括板本体58、多个孔口60和贯穿板本体5的多个的螺栓孔62。多个孔口60与连续系列的穿孔的螺旋形构件18的穿孔30对准，并且构造成使多个加热元件16引导通过近侧安装凸缘12。虽然未具体示出，但是加热元件16可被密封到孔口60，从而防止流体流过孔口60。沿着板本体58的周边限定多个螺栓孔62。可通过将螺栓(未示出)插入到螺栓孔62中并穿过管状本体82的配合凸缘(例如，图26中所示的配合凸缘83)中的螺栓孔，来将近侧安装凸缘12安装到热交换器的管状本体82。可以使用垫圈(未示出)或其它密封材料在安装凸缘12和配合凸缘(例如图26中所示的凸缘83)之间形成液密密封。在未示出的另一种构造中，端板或安装凸缘12可以通过诸如焊接、闩锁、夹紧等的不同方式机械地附连到配合凸缘。
近侧安装凸缘12还可限定圆形的中心凹部或凹槽64，该圆形中心凹部或凹槽64构造成与中心支承构件40对准。中心凹槽64与纵向轴线x共轴，并且中心支承构件40的近端构造成接纳在中心凹槽64中。在所提供的示例中，将中心支承构件40焊接到近侧安装凸缘12。
参照图16和17，根据本公开的教导构造的热交换器80包括限定圆柱形腔体84的管状本体或壳体82、入口86、出口88以及设置在管状本体82内部的加热器组件90。加热器组件90限定近端部分20和远端部分21。近侧安装凸缘12构造成将加热器组件90固定到本体82。
加热器组件90在结构上类似于图1的加热器组件，除了将连续系列的穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23连接成使得由穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23限定的螺旋体具有可变节距。因此，相同的元件由相同的附图标记标示，并且为了清楚起见在此省略其详细描述。在所提供的示例中，出口88是径向出口，使得其通过径向方向开通至流动路径22。在未具体示出的替代构造中，出口88可以是轴向端部出口，该轴向端部出口开通穿过本体82的轴向端部96。
返回所提供的示例，由穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23限定的螺旋体所具有的节距可以在近端部分20处(在热交换器80的入口86附近)最大，并且在远端部分21处(在热交换器80的出口88附近)最小。在一种形式中，节距是连续变化的节距，其节距从近端部分20到远端部分21逐渐减小。替代地，如图17所示，加热器组件90可沿着加热器组件90的纵向轴线x限定多个区域。节距可在特定区域内是固定的，而不同的区域可具有不同的节距。例如，加热器组件90可以限定三个加热区域，在第一区域中具有第一固定节距p1，在第二区域中具有第二固定节距p2，并且在第三区域中具有第三固定节距p3。第二固定节距p2大于第三固定节距p3且小于第一固定节距p1。第一节距p1位于近端部分20处。第三节距p3位于远端部分21处。第二节距p2位于第一节距p1和第三节距p3之间。虽然示出了三个区域，但是可以使用更多或更少的区域。在一种形式中，每个穿孔的螺旋形构件18或成组穿孔的螺旋形构件18可沿其特定长度具有恒定的节距，而不同的穿孔的螺旋形构件18或其不同的组可具有不同的节距，以形成可变节距的几何螺旋体。
在未具体示出的替代构造中，可以不是由连接在一起的单个构件而是由从加热器组件的近端跨越到远端的单个连续的螺旋形构件来形成穿孔的螺旋体。例如，单个螺旋形构件可以是挤压的、通过使带坯片材金属馈送通过相对的锥形模具而形成、或者3d打印的。
参照图18，该图示出了对于加热器组件10、90的一种特定构造的加热元件16沿着纵向轴线x的温度分布。在特定示例中，加热元件16的与加热器的近端部分相邻的部分的温度约为33.94℃。随着工作流体被穿孔的螺旋形构件18的导流通道22引导并流到加热器组件10、90的远端部分，在所提供的示例中，温度逐渐升高至大约534.92℃。虽然在图18中提供的示例示出了针对一种特定入口温度、加热元件16的电功率负载以及流体的质量流率的温度分布，但是其它温度和分布可以由不同的条件或构造得出。通常，根据本公开的教导构造的加热器组件将具有降低的加热元件温度，而没有死区，其中工作流体将不会沿着其流动路径被加热。
参照图19，曲线图示出了距近侧安装凸缘12的距离与加热元件16的温度之间的关系。近侧安装凸缘12设置成靠近热交换器80的入口86。随着工作流体进入入口86并远离近侧安装凸缘12流动，加热元件16的外表面的温度稳定且逐渐升高。如由线97所示。相反，典型热交换器(未显示)的加热元件的外表面具有较高的温度，随着流体远离近侧凸缘流动(即从入口到出口)，该温度也会升高和降低，如由线98所示。因此，本公开的教导提供了一种加热器组件和热交换器，其沿着热交换器的长度提供了加热元件的恒定且较低的线性温度升高。
本公开的加热器组件适用于加热工作流体的任何加热装置(例如，电加热装置)。连续系列的穿孔的螺旋形构件18引导流体以产生均匀的螺旋形的交叉流动图案。加热器组件10、90的螺旋形通道22可以改变并增加工作流体的流动路径，而不增加加热器组件10、90的长度。因此，加热器组件10、90可以改善从加热器组件10、90到工作流体的热传递。随着传热效率的提高，可以降低热交换器的加热元件16的护套温度和壳体(例如，管状本体82)的温度，并且可以降低热交换器的物理占地面积。
此外，穿孔的螺旋形构件18可以由导热材料形成。由于穿孔的螺旋形构件18可以连接到加热元件16(例如，经由图7中所示的焊接部46)，因此它们可以被认为是加热元件16的延伸，以用作延伸的加热表面或热扩散器或翅片，以将热量分配至工作流体，从而增加了从加热元件16到工作流体的热传递。中心支承构件40可以采取圆筒形电加热装置的形式，以向电热交换器中的工作流体提供附加的加热。
此外，由于使用了连续系列的穿孔的螺旋形构件18系列以及使用了中心支承构件40，因此加热器组件10、90比传统的热交换器更刚性。中心支承构件40连接到近侧安装凸缘12，近侧安装凸缘12又连接到热交换器的本体。这种连续的结构改善了热交换器的振动特性，从而增加了加热器组件的刚度和阻尼特性。支承杆50可以进一步增加刚度和阻尼特性。
另外参照图20-25，示出了加热器组件210，以及参照图26-28，示出了具有加热器组件210的热交换器80。除了本文另外示出或描述的以外，热交换器80和加热器组件210类似于热交换器80和加热器组件10、90。因此，相同的元件由相同的附图标记标示，并且为了清楚起见在此省略其详细描述。
参照图20和21，加热器组件210可包括第一提升构件214和第二提升构件218。第一提升构件214固定地联接到安装凸缘12的周边。在所提供的示例中，第一提升构件214从安装凸缘12的顶部延伸并限定孔口222，钩(未示出)或其它提升装置可通过孔口222支承加热器组件210的近端。第二提升构件218固定地联接到中心支承构件40的远端。在所提供的示例中，第二提升构件218从中心支承构件40的顶部延伸，并与第一提升构件214对准。第二提升构件218限定孔口226，钩(未示出)或其它提升装置可通过该孔口226支承加热器组件210的远端。在所提供的示例中，第二提升构件218设置在未穿孔的螺旋形构件23的轴向长度内，尽管第二提升构件218可以超出未穿孔的螺旋形构件23。第一提升构件214和第二提升构218可以用于提升加热器组件210并将加热器组件210定位在热交换器80的管状本体82中。
加热器组件210还可包括护罩230。护罩230围绕穿孔的螺旋形构件18、加热元件16和支承杆50缠绕。护罩230可以是轴向长度，使得其沿着加热器组件210的加热部分的整个长度延伸(例如，包括图1中所示的护罩52)，或者是小于整个加热部分的长度。另外参照图22，护罩230可包括多个薄壁的圆筒形护罩构件234。护罩构件234可抑制在穿孔的螺旋形构件18和管状本体82之间的窜漏。护罩构件234也可由热反射材料形成或以热反射材料涂覆，以形成隔热罩，该隔热罩朝向纵向轴线x径向向内反射热量。这样的隔热罩可以进一步减少到本体82的热损失并且降低本体82的温度。相邻的圆筒形护罩构件234可沿纵向轴线x彼此邻接在一种形式中，护罩230的任何圆筒形护罩构件234可任选地包括可变形的翼片53(图13和14)，使得护罩230的功能也类似于护罩52(图1、13和14)。
在所提供的示例中，支承杆50具有大致矩形或横截面形状，并且每个支承杆50的外表面238与穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23的外周边齐平。在一种形式中，每个支承杆50的外表面238可具有与穿孔的螺旋形构件18和未穿孔的螺旋形构件23的外周边的曲率匹配的曲率。护罩230附连到支承杆50。在所提供的示例中，支承杆50包括多个钻孔242，并且每个圆筒形护罩构件234包括与支承杆50的钻孔242对准的多个钻孔246。紧固件250(例如，铆钉、螺钉等)或塞焊缝被接纳通过钻孔242、246，并将圆筒形护罩构件234附连到支承杆50。
另外参照图23，加热器组件210还可以包括对准板254。对准板254是平坦的圆盘，其包括多个孔口256和周向凹槽260。孔口256的尺寸与穿孔的螺旋形构件18的穿孔30的尺寸相同并且与穿孔30对准。周向凹槽260的尺寸与周向凹槽36的尺寸相同，并且与周向凹槽36对准。支承杆50接纳在周向凹槽260中，与周向凹槽36相似。在所提供的示例中，对准板254限定键入的中心孔262，键入的中心孔262具有与中心支承构件40的直径相似的直径，并且键264径向向内延伸。在所提供的示例中，中心支承构件40包括开通穿过中心支承构件40的远端的键槽266。键槽266延伸穿过中心支承构件40的壁并且平行于纵向轴线x纵向地延伸。键槽266在中心支承构件40的周缘方向上具有与键264的宽度相对应的宽度。中心支承构件40被接纳通过中心孔262，并且键264被接纳在键槽266中，以抑制对准板254相对于中心支承构件40的旋转。在一种形式中，中心孔262可包括围绕中心孔262周向地间隔开的一个以上的键264，并且中心支承构件40可包括匹配数量的键槽266。
继续参照图23，加热器组件210还可以包括一个或多个传感器(例如，传感器300)。在所提供的示例中，传感器300是热电偶或其它温度传感器，但是可以使用其它类型的传感器。传感器300包括布置在导流通道22内的探针端310。在所提供的示例中，将探针端310布置成靠近出口88(图26和28)并附连(例如，焊接或夹紧)到加热元件16中的一个。探针端310可构造成探测其所附连到的加热元件16的温度。类似地，可以将其它传感器(未示出)附连到其它加热元件16以探测它们的温度。在未示出的替代构造中，探针端310可以与加热元件16分离并且被构造成探测探针端310处的工作流体的温度。.
传感器300大致沿着中心支承构件40的外侧上的纵向轴线x从探针端310朝向中心支承构件40的远端纵向延伸。在所提供的示例中，中心支承构件40的远端包括穿过中心支承构件40的外壁并与键槽266分开的传感器槽314。传感器300必须弯曲以延伸穿过传感器槽314并进入中心支承构件40的内部腔体。然后，传感器300在中心支承构件40内朝向中心支承构件40的近端延伸。另外参照图25，传感器300延伸穿过安装凸缘12中的钻孔318。钻孔318围绕传感器300密封以抑制流体流过钻孔318。钻孔318在凹槽64的径向内侧。这样，当使用电加热元件时，用于传感器300的电子连接部可以与加热元件16的电气连接部一起在安装凸缘12的背侧上。
在未示出的替代构造中，一组对准的穿孔30不能具有加热元件16，并且温度传感器300可以延伸穿过该组穿孔30和相应的凸缘孔口60。在这种构造中，探针可以沿着纵向轴线x设置在任何期望的位置处。在替代构造中，一个或多个加热元件16可以用作虚拟传感器以探测温度。
另外参照图24和25，通气孔口410可允许中心支承构件40的近端的外部和内部之间的少量流体连通。在所提供的示例中，中心支承构件具有穿过近端的狭槽，当中心支承构件40被接纳在安装凸缘12的凹槽64中时，该狭槽与安装凸缘12协配以限定通气孔口410。与图15的凹槽64不同，图25的凹槽64是不完整的圆(即，不围绕纵向轴线x延伸整个周缘)。相反，凹槽64具有与中心支承构件40的近端中的狭槽对准的起点414和终点418。在所提供的示例中，凹槽64具有邻接中心支承构件40的平坦底表面的平坦底部。起点414和终点418还形成键，该键确保中心支承构件40的适当旋转对准。在所提供的示例中，中心支承构件40和安装凸缘12之间的键以及对准板254协配以将连续螺旋体定位在正确的旋转位置，以使穿孔30与孔口60和256对准。在所提供的示例中，中心支承构件40的两端处的键沿着平行于纵向轴线x的相同线对齐，但是可以使用其它构造。在所提供的示例中，凹槽64还在凹槽64的起点414和终点418处径向向外延伸小的距离。在所提供的示例中，中心支承构件40从凹槽64的起点414到终点418焊接到安装凸缘12。换言之，中心支承构件40围绕其周缘焊接，除了狭槽限定通气孔口410的周向区域。通气孔口410可以与安装凸缘12的顶部对准。在另一种形式中，通气孔口410可以是完全由中心支承构件40在近端附近限定的孔。
具体参照图27，第一穿孔的螺旋形构件18的边缘28(即，近端附近)可以沿着纵向轴线x设置在入口86处或入口86之前，以使得来自入口的流进入流动路径22。具体参照图28，最后一个穿孔的螺旋形构件18的相对的边缘26(即，在远端附近)可以沿着纵向轴线x设置在出口88处或出口88之前。在所提供的示例中，加热元件16的最长一个沿着纵向轴线x延伸到部分地在与出口88对准的区域内的位置，但是可以使用其它构造。在所提供的示例中，最后的圆筒形护罩构件234可沿着纵向轴线x延伸，以与加热元件16的最长一个的端部轴向重叠，以迫使流体从最后的加热元件16流到未穿孔的螺旋形部件23，然后从出口88离开，但是可以使用其它构造。
另外参照图29，示出了第三构造的加热器组件310的一部分。除非本文另外示出或描述，否则加热器组件310类似于加热器组件10、90、210。因此，相同的元件由相同的附图标记标示，并且为了清楚起见在此省略其详细描述。在所提供的示例中，加热元件16是终止于闭合端314处的直的元件。换言之，直的部分42不通过弯曲部分连接。在所提供的示例中，加热元件16是电阻加热元件，比如筒式加热器，其所有引线(未示出)从安装凸缘12的相对侧上的同一直的部分42延伸(如图26所示)。
应当注意，本公开不限于作为示例描述和示出的实施例。已经描述了各种各样的修改，并且更多的修改是本领域技术人员的知识的一部分。在不脱离本公开和本专利的保护范围的情况下，可以将这些和进一步的修改以及技术上的等同替换添加到说明书和附图。
1.一种加热器组件，包括：
连续的穿孔的螺旋形挡板，所述连续的穿孔的螺旋形挡板围绕纵向轴线限定几何螺旋体，所述穿孔的螺旋形挡板限定了预定图案的穿孔，所述预定图案的穿孔穿过所述穿孔的螺旋形挡板并且平行于所述纵向轴线延伸；以及
延伸穿过所述穿孔的多个加热元件。
2.如权利要求1所述的加热器组件，其特征在于，所述连续的穿孔的螺旋形挡板包括连续系列的穿孔的螺旋形构件，所述穿孔的螺旋形构件协配以限定围绕所述加热器组件的所述纵向轴线布置的所述几何螺旋体，其中，每个穿孔的螺旋形构件限定相对的边缘和预定图案的穿孔，所述穿孔平行于所述纵向轴线延伸通过每个穿孔的螺旋形构件。
3.根据权利要求1所述的加热器组件，其特征在于，每个加热元件包括第一部段、第二部段以及连接所述第一部段和所述第二部段的弯曲部，所述第一部段延伸穿过第一组穿孔，所述第二部段延伸穿过第二组穿孔，所述第二组穿孔与所述第一组穿孔平行并偏离所述第一组穿孔。
4.根据权利要求1所述的加热器组件，其特征在于，所述多个加热元件以同心图案布置。
5.根据权利要求1所述的加热器组件，其特征在于，还包括中心支承构件，其中，每个所述螺旋形挡板限定中心孔口，并且所述中心支承构件延伸穿过所述中心孔口。
6.根据权利要求5所述的加热器组件，其特征在于，还包括延伸穿过所述中心支承构件的内部的温度传感器，所述温度传感器包括所述中心支承构件外部的探针。
7.根据权利要求5所述的加热器组件，其特征在于，还包括构造成将所述加热器组件固定到热交换器本体的近侧凸缘，所述凸缘限定了多个凸缘孔口和中心凹槽，所述凸缘孔口与所述螺旋形挡板的穿孔对准，所述加热元件延伸通过所述凸缘孔口，所述中心支承构件被接纳在所述中心凹槽中。
8.根据权利要求7所述的加热器组件，其特征在于，还包括通气孔口，所述通气孔口在所述中心支承构件的外部与靠近所述凸缘的所述中心支承构件的内部之间提供流体连通。
9.根据权利要求1所述的加热器组件，其特征在于，还包括设置在所述穿孔的螺旋形挡板的远端处的未穿孔的螺旋形构件，所述未穿孔的螺旋形构件形成所述几何螺旋体的延伸部。
10.根据权利要求1所述的加热器组件，其特征在于，还包括平行于所述纵向轴线延伸的多个杆，其中，所述螺旋形挡板的周边限定了多个凹槽，并且所述杆至少部分地设置在对应的成组凹槽内。
11.根据权利要求10所述的加热器组件，其特征在于，所述杆从所述凹槽向外延伸超过所述螺旋形挡板的周边，其中，所述加热器组件构造成接纳在本体的圆柱形腔体内，并且所述杆构造成提供与限定所述圆柱形腔体的所述本体的壁的滑动接触。
12.根据权利要求13所述的加热器组件，其特征在于，还包括护罩，所述护罩围绕所述穿孔的螺旋形挡板的至少一部分设置并且联接到所述杆。
13.根据权利要求12所述的加热器组件，其特征在于，所述护罩是构造成相对于所述纵向轴线径向向内反射辐射能的隔热罩。
14.根据权利要求12所述的加热器组件，其特征在于，所述护罩包括至少一个裙部，所述至少一个裙部限定了相对于所述纵向轴线径向向外延伸的多个可变形的翼片。
15.根据权利要求1所述的加热器组件，其特征在于，所述几何螺旋体限定了可变节距。
技术总结