CN101622510A - 包括内波纹管组件的双通道式热交换器 - Google Patents

包括内波纹管组件的双通道式热交换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种热交换器(10)，更优选的形式是一种EGR冷却器(52)，其具有第一和第二通道(56A、56B)，第一和第二通道通过一对相应的热膨胀连接件(87、93)连接到入口/出口歧管(70)以允许热交换器(10)的各个结构部件之间不同的热膨胀。

Description

包括内波纹管组件的双通道式热交换器
技术领域
本发明涉及热交换器，在更具体的应用中涉及具有至少两个通道的热交换器，在进一步具体的应用中涉及具有两个通道的排气再循环冷却器。
背景技术
与内燃机(一般是但不一定是柴油发动机)的运转相关的排放的关注已经导致越来越重视在具体但不一定是车辆应用中与该发动机一起使用的排气热交换***。这些***用作排气再循环(EGR)***的一部分，通过排气再循环***，发动机排气的一部分经由其进气***返回到其燃烧室。结果，通常将引入发动机中的氧气的一部分(作为其新鲜的燃烧充入空气)被惰性气体代替，因而降低了NOX的形成率。EGR***经常设计成从燃烧过程吸收热。因而降低了其温度并进一步减少NOX。
在许多采用EGR***的应用中，采用排气再循环冷却器。在通常的情况下，发动机冷却剂在其再循环之前与排气进行热交换以降低其温度。尽管许多公知的冷却器可以很好地工作来实现其目的，但是总有改进的空间。
发明内容
根据本发明的一个特征，在包括内燃机和冷却***的发动机***中提供改进。该改进包括排气冷却器，该排气冷却器用于通过引导排气相对于所述冷却***的至少一个冷却剂流通过第一通道和第二通道来冷却发动机的排气流。冷却器包括入口/出口歧管，其将所述排气从所述第二通道引导到所述第一通道；转弯歧管，其将所述排气从所述第一通道引导到所述第二通道；第一排气芯体，其界定了所述第一通道，并具有直接连接到所述歧管中的一者的第一端部和通过第一热膨胀连接件或装置连接到所述歧管中的另一者的相对端部；第二排气芯体，其界定了所述第二通道，并具有直接连接到所述歧管中的一者的第一端部和通过第二热膨胀连接件或装置连接到所述歧管中的另一者的相对端部；以及冷却剂壳体，其在相对的端部处固定至所述歧管，并包围所述第一芯体和所述第二芯体以及所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件，以引导至少一个冷却剂流经过所述第一排气芯体和所述第二排气芯体。
作为一个特征，第一和第二热膨胀连接件连接到相同的歧管。作为进一步的特征，所述相同的歧管是入口/出口歧管。
根据本发明的一个特征，提供了一种用于在流体流和冷却剂流之间传递热的热交换器。所述热交换器包括冷却剂壳体、在壳体中的第一和第二芯体、第一和第二歧管、以及在壳体中的第一和第二热膨胀连接件。壳体界定了通过热交换器的冷却剂流路。第一芯体具有相对的端部，并界定了用于使流体流通过壳体的第一通道。第二芯体具有相对的端部，并界定了用于使流体流通过壳体的第二通道。第一歧管将流体流引导到第一和第二芯体中的一者，并从第一和第二芯体中的另一者接收流体流。第一歧管固定到壳体的第一端部。第二歧管从第一和第二芯体中的所述一者接收流体流，并将流体流引导到第一和第二芯体中的所述另一者。第二歧管固定到壳体的第二端部。第一热膨胀连接件或装置连接在第一芯体的端部中的一个端部与第一和第二歧管中的一者之间以在两者之间引导流体流。第一芯体的另一个端部固定到第一和第二歧管中的另一者。第二热膨胀连接件或装置连接在第二芯体的端部中的一个端部与第一和第二歧管中的一者之间以在两者之间引导流体流。第二芯体的另一个端部固定到第一和第二歧管中的另一者。
作为一个特征，第一和第二热膨胀连接件连接到相同的歧管。作为进一步的特征，所述相同的歧管是第一歧管。
根据本发明的一个特征，提供了一种热交换器，其用于在至少一个冷却剂流与流经第一通道和第二通道的流体之间传递热量。所述热交换器包括：入口/出口歧管，其将所述流体流从所述第二通道引导到所述第一通道；转弯歧管，其将所述流体流从所述第一通道引导到所述第二通道；第一芯体，其界定了所述第一通道，并具有直接连接到所述入口/出口歧管的第一端部和通过第一热膨胀连接件或装置连接到所述转弯歧管的相对端部；第二芯体，其界定了所述第二通道，并具有直接连接到所述入口/出口歧管的第一端部和通过第二热膨胀连接件或装置连接到所述转弯歧管的相对端部；以及冷却剂壳体，其在相对的端部处固定至所述歧管，并包围所述第一芯体和所述第二芯体以及所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件，以引导至少一个冷却剂流经过所述第一芯体和所述第二芯体，从而与所述第一通道和所述第二通道中的流体流进行热交换。
在一个特征中，第一和第二芯体彼此平行延伸并具有相等的长度。
根据一个特征，第一和第二芯体的每个包括多个平行间隔开的热交换管道，并且管道的内部界定了相应的通道。
作为一个特征，旁通阀安装在入口/出口歧管中，以允许选择性地使排气旁通绕过第一和第二通道。
在-个特征中，第一和第二膨胀连接件包括第一和第二波纹管。
根据一个特征，第一和第二膨胀连接件包括第一和第二滑动O环连接件。
通过阅读包括权利要求书和附图在内的整个说明书，本发明的其它目的、特征和优点将变得清楚。
附图说明
图1是包括实施本发明的热交换器的发动机***的示意图；
图2是图1的热交换器的立体图，其中，去除了冷却剂壳体部件，使得能清楚地看见热交换器芯体部件，并且其他外部部件示出为略微透明以能够图示热交换器的某些内部部件；
图3是从图2的视角相对的视角观察的立体图，其中一些外部部件示出为略微透明以能够图示热交换器的内部部件；
图4是类似于图3但是从相对侧观察的立体图，其中一些外部部件示出为略微透明；
图5是从热交换器的另一视角观察的另一立体图，其中略微修改了热交换器的一些部件以图示用于热交换器的工作流体的入口和出口的各种可行方案，并且一些外部部件示出为略微透明；
图6是图1的热交换器的另一实施例的立体视图；
图7是由图6中的线7-7所取的剖视图；
图8是图6的热交换器的选择出的芯体、歧管、壳体和热膨胀连接件部件的立体图，其中，以点划线示出冷却剂壳体；以及
图9是图6的热交换器的平面视图，其中以点划线示出冷却剂壳体。
具体实施方式
参照图1，在发动机***11的示意图中示出热交换器10，该发动机***11包括内燃机12、冷却***14和进气***16以及排气再循环***18。燃烧式发动机12包括进气部20(通常是进气歧管)和排气部2(通常是排气歧管)。冷却***包括冷却流路24，其可以经过或者不经过发动机12来因而为发动机提供冷却；泵26，其位于流路24中的某处以使冷却剂流进行循环；以及散热器28，其用于将来冷却剂流的热量传导到另一流体(通常是空气)。进气***16包括具有涡轮32和压缩机36的涡轮驱动式空气压缩机单元30，涡轮32连接到排气部22以被来自排气部的排气流驱动，并连接到排气路径34以向其提供排气流，压缩机36连接到空气引入部38以从空气引入部38接收空气，并连接到进气流路40以向其提供加压的进气流。进气***16还包括空气对空气进气冷却器44，冷却器44在压缩机34和进气部20之间连接在流路40中以冷却进气空气流。排气再循环(“EGR”)***18包括总体以50示出的排气再循环流路、形式为EGR冷却器52的热交换器10、和EGR流动控制阀54。冷却器52包括双通道式排气流路56A、56B，其与冷却剂***14的冷却剂流路58进行热交换以将来自排气流的热量传递到冷却剂流。作为优选，EGR***18还包括旁通流路60和旁通控制阀62，以选择性地使排气流旁通绕过冷却器52中的排气流路56。如所公知，EGR流路50与进气流路40连接以提供冷却的再循环排气，用于与供应到发动机12的进气部20的冷却的进气混合。
应该理解到，为了为热交换器10的优选形式提供环境，设置***11。还应理解到***11(包括发动机12、冷却***14、进气***16和EGR***18)有许多可行的构造和结构，最期望的构造很大程度上取决与每个具体应用的参数和要求。因而，除非在权利要求书中明确说明，意图不对***11或其子***中任何一者的具体构造进行限制。此外，应该理解，尽管此处与EGR冷却器52相关联地描述了本发明，但是本发明可以在许多其他应用中得到使用。因而，除非在权利要求书中明确说明，意图不对EGR冷却器进行限制。
排气冷却器52在图2-图5中更详细地示出。参考图2，冷却器52包括将排气从由箭头56B示意示出的第二通道引导到由箭头56A示意示出的第一通道的入口/出口歧管70、将排气从第一通道56A引导到第二通道56B的转弯歧管72、界定了第一通道56A的第一排气芯体74、界定了第二通道56B的第二排气芯体76、以及分别在相对端部80和82处固定至歧管70和72的冷却剂壳体78(在图2中未示出)。第一芯体74具有端部84和相对的端部86，端部84直接连接到转弯歧管72，端部86通过形式为第一波纹管88的第一热膨胀连接件或者装置87连接到入口/出口歧管70。第二芯体76具有端部90和相对的端部92，端部90连接到转弯歧管72，端部92通过形式为第二波纹管94的第二热膨胀连接件或者装置93连接到入口/出口歧管70。
如在图3-5中最佳可见，冷却剂壳体78包围第一和第二芯体74、76以及第一和第二波纹管88、94以引导与第一和第二芯体74和76热交换的冷却剂流。关于此，如在图5中最佳可见，冷却剂壳体78设置有连接到冷却剂流路24的冷却剂入口96(在图3和图4中未示出)和冷却剂出口98(在图3和图4中未示出)，并可以优选地包括多个间隔开的导流板(未示出)，导流板垂直于通道56A和56B延伸以引导冷却剂流相对于通道56A和56B局部地横向流动，这是已知的。作为另一选择，在去除间隔开的导流板的情况下，冷却剂散热片可以布置在芯体74和76的管体之间，使得冷却剂流具有相对于通道56a和56b以及其中的排气流平行的流动。如在图2和图3中最佳可见，入口/出口歧管70包括排气入口100和排气出口102。
应该理解，因为冷却剂壳体78在相对的端部80和82处固定至歧管70和72，所以由于下述现象而会导致问题的出现：由于与流经冷却剂壳体78的相对较冷的冷却剂相比流经芯体74和76的排气较热，所以与相对较热的芯体74和76相比，相对较冷的冷却剂壳体78具有不同的热膨胀。此外，应该理解，因为第二通道56B中的排气将比第一通道56A中的排气相对更冷，所以第一和第二芯体74和76也将具有彼此不同的热膨胀。形式为波纹管88和84的第一和第二热膨胀连接件87和93容许全部上述不同的热膨胀的发生，同时将否则由于这种不同的热膨胀的结果而在热交换器52的部件中发生的应力减至最小。
参照图2，可以看见，芯体74和76的每个优选地包括多个间隔开的、平行延伸的、扁平的热交换器管道110，其将排气流引导通过其内部，以与在相邻管道110之间以及在管道110和壳体78之间的空间112中流经管道110的外侧的冷却剂流进行热交换。芯体74和76的每个还包括芯体歧管114，其引导在相应的波纹管88、94和管道110之间的排气流。歧管114优选地包括密封地接收管道110的端部的联管板116和过渡件117。
尽管有许多可行的构造，但是转弯歧管72将优选地包括连接到联管板119的箱体118，联管板119密封地接收管道110的端部。入口/出口歧管70优选地包括波纹管板120，其密封地接收波纹管88和94的端部，并能使用适合的紧固件124连接到入口/出口歧管70的箱体122，并且适当的密封件或者垫片(未示出)夹在板120和箱体122之间。此外，(如在图4中最佳可见)，旁通阀62可以安装在箱体122中，并具有适合的形式，诸如安装在轴130上以在如图4所示的关闭位置和全开位置之间枢转的图示蝶形阀128，关闭位置避免流经流路60的排气流旁通绕过第一和第二通道56A和56B流动，在全开位置，阀128旋转90°以允许流经流路60的排气流旁通绕过第一和第二通道56A和56B流动。
参考图5，可以看见冷却器52能布置成使得第一和第二通道56A和56B具有竖直并排的关系而不是如图2-4所示的水平关系，并且冷却剂流能布置成使得冷却剂入口和出口96、98也竖直。
参照图6-图9，示出热交换器10/排气冷却器52的另一实施例，其中类似的附图标记表示类似的部件或者特征。如在图7-8中最佳可见，热交换器10/排气冷却器52的此实施例与图2-图5所示的实施例的不同之处在于：第一和第二热膨胀连接件或者装置87和93设置成滑动O环连接件140和142的形式，而不是图2-图5的波纹管88和94的形式，并且热膨胀连接件87和93设置在的芯体74、76的与转弯歧管72相邻(而不是如图2-图5的实施例中那样与入口歧管70相邻)的各个端部处。
对于每个滑动O形环连接件140和142，每个歧管114的过渡件117设置有细长筒形延长部144，延长部144与一对O环密封件146和148滑动配合。如在图7中最佳可见，O环密封件146被包含在形成于冷却剂壳体78的筒形开口152中的密封槽150内，并且O环密封件148被收纳在设置于转弯歧管72中的密封槽154内。应该理解，尽管图7示出了滑动O环连接件142，但是对于滑动O环连接件140的构造是同样的。对于O环连接件140和142两者，O环密封件146和148分别防止冷却剂和排气的泄露，同时允许筒形延长部144响应于壳体78与芯体74和76之间的不同热膨胀而相对于壳体78和转弯歧管78进行纵向滑动。因而，如波纹管88和94那样，滑动O环连接件140和142容许发生之前所描述的不同热膨胀，同时将否则由于这种不同的热膨胀的结果而在热交换器10/排气冷却器52的部件中发生的应力减至最小。
图6-图9的冷却剂壳体78与图2-图5所示的冷却剂壳体的不同之处在于，它优选地是铸造或者模制构造，该构造具有容纳芯体74和76的冷却剂室160，并具有允许芯体74和76***到室160中的开口端部162。壳体78还包括第一和第二冷却剂入口163和164，以及分别与第一和第二冷却剂回路168和170连接的第一和第二冷却剂出口165和166，回路168优选为高温冷却剂回路，回路170优选为低温冷却剂环路，这可从图9最佳可见。分隔壁172在芯体74和76之间设置在室160中，以将冷却回路168和170彼此液密地隔离。应该理解，通过使来自回路168的高温冷却剂流过具有高温排气流的芯体74，并通过使来自回路170的低温冷却剂流过具有低温排气流的芯体76，可以将局部不同的热膨胀减至最小。还应理解，图2-图5的实施例能容易地进行修改以容许两个冷却剂回路168和170。类似地，应该理解，图6-图9的实施例能容易地修改以容许单个冷却剂回路。
开口端部162由芯体74和76两者共用的联管板173封闭，垫片173夹在壳体78和板172之间，从而为冷却剂流提供密封。如果期望，图2-图5的箱体122和/或旁通阀62能与联管板173组装，以形成用于图6-图9的实施例的入口/出口歧管70。此外，在图6-图9的实施例中，转弯歧管72设置成单件壳体的形式，优选地铸造，而不是图2-图5的两件式箱体和联管构造。
如在图9中最佳可见，芯体76设置有较少的管道110以反映排气在通道56A中冷却之后的密度变化。这特征还能容易地结合到图2-图5的实施例中。
应该理解，对于所有公开的实施例，有许多可行的修改。例如，尽管两个实施例均示出了芯体74和76两者的管道110具有相同长度，但是在一些应用中可以构思为芯体74、76中一个芯体的管道110的长度与另一个芯体74、76的管道110的长度不同。此外，在一些应用中，可以仅仅需要热膨胀连接件或装置87和93中的一者，在此情况下可以去除热膨胀连接件87和93中的一者，使得相应的芯体74或者76可以直接连接到其歧管。

Claims (23)

1.一种在包括内燃机和冷却***的发动机***中的排气冷却器，所述排气冷却器用于通过引导排气相对于所述冷却***的至少一个冷却剂流通过第一通道和第二通道来冷却发动机的排气流，所述冷却器包括：
入口/出口歧管，其将所述排气从所述第二通道引导到所述第一通道；
转弯歧管，其将所述排气从所述第一通道引导到所述第二通道；
第一排气芯体，其界定了所述第一通道，并具有直接连接到所述歧管中的一者的第一端部和通过第一热膨胀连接件连接到所述歧管中的另一者的相对端部；
第二排气芯体，其界定了所述第二通道，并具有直接连接到所述歧管中的一者的第一端部和通过第二热膨胀连接件连接到所述歧管中的另一者的相对端部；以及
冷却剂壳体，其在相对的端部处固定至所述歧管，并包围所述第一芯体和所述第二芯体以及所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件，以引导至少一个冷却剂流经过所述第一排气芯体和所述第二排气芯体。
2.根据权利要求1所述的冷却器，其中，所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件连接到相同的歧管。
3.根据权利要求2所述的冷却器，其中，所述相同的歧管是所述入口/出口歧管。
4.根据权利要求2所述的冷却器，其中，所述相同的歧管是所述转弯歧管。
5.根据权利要求1所述的冷却器，其中，所述第一芯体和所述第二芯体彼此平行地延伸并具有相等的长度。
6.根据权利要求1所述冷却器，其中，所述第一芯体和所述第二芯体的每个包括多个平行间隔开的热交换管道，并且所述管道的内部界定了相应的所述通道。
7.根据权利要求1所述的冷却器，还包括旁通阀，所述旁通阀安装在所述入口/出口歧管中以允许选择性地使所述排气旁通绕过所述第一通道和所述第二通道。
8.根据权利要求1所述的冷却器，其中，所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件包括第一波纹管和第二波纹管。
9.根据权利要求1所述的冷却器，其中，所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件包括第一滑动O环连接件和第二滑动O环连接件。
10.一种用于在流体流和冷却剂流之间传递热的热交换器，所述热交换器包括：
冷却剂壳体，其界定了通过所述热交换器的至少一个冷却剂流路；
第一芯体，其在所述壳体中并具有相对的端部，所述第一芯体界定了用于通过使所述流体流通过所述壳体的第一通道；
第二芯体，其在所述壳体中并具有相对的端部，所述第二芯体界定了用于使所述流体流通过所述壳体的第二通道；
第一歧管，其将所述流体流引导到所述第一芯体和所述第二芯体中的一者，并从所述第一芯体和所述第二芯体中的另一者接收所述流体流，所述第一歧管固定到所述壳体的第一端部；
第二歧管，其从所述第一芯体和所述第二芯体中的所述一者接收所述流体流，并将所述流体流引导到所述第一芯体和所述第二芯体中的所述另一者，所述第二歧管固定到所述壳体的第二端部；
第一热膨胀连接件，其连接在所述第一芯体的所述端部中的一个端部与所述第一歧管和所述第二歧管中的一者之间以在其两者之间引导所述流体流，所述第一芯体的另一个端部固定到所述第一歧管和所述第二歧管中的另一者；以及
第二热膨胀连接件，其连接在所述第二芯体的所述部端中的一个端部与所述第一歧管和第二歧管中的一者之间以在其两者之间引导所述流体流，所述第二芯体的另一个端部固定到所述第一歧管和所述第二歧管中的另一者。
11.根据权利要求10所述的冷却器，其中，所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件连接到相同的歧管。
12.根据权利要求11所述的冷却器，其中，所述相同的歧管是所述第一歧管。
13.根据权利要求10所述的冷却器，其中，所述第一芯体和所述第二芯体彼此平行延伸并具有相等的长度。
14.根据权利要求10所述的冷却器，其中，所述第一芯体和所述第二芯体的每个包括多个平行间隔开的热交换管道，并且所述管道的内部界定了相应的所述通道。
15.根据权利要求10所述的冷却器，还包括旁通阀，所述旁通阀安装在所述第一歧管中以允许选择性地使所述排气旁通绕过所述第一通道和所述第二通道。
16.根据权利要求10所述的冷却器，其中，所述第一膨胀连接件和所述第二膨胀连接件包括第一波纹管和第二波纹管。
17.根据权利要求10所述的冷却器，其中，所述第一膨胀连接件和所述第二膨胀连接件包括第一滑动O环连接件和第二滑动O环连接件。
18.一种热交换器，其用于在至少一个冷却剂流与流经第一通道和第二通道的流体之间传递热量，所述热交换器包括：
入口/出口歧管，其将所述流体流从所述第二通道引导到所述第一通道；
转弯歧管，其将所述流体流从所述第一通道引导到所述第二通道；
第一芯体，其界定了所述第一通道，并具有直接连接到所述入口/出口歧管的第一端部和通过第一热膨胀连接件连接到所述转弯歧管的相对端部；
第二芯体，其界定了所述第二通道，并具有直接连接到所述入口/出口歧管的第一端部和通过第二热膨胀连接件连接到所述转弯歧管的相对端部；以及
冷却剂壳体，其在相对的端部处固定至所述歧管，并包围所述第一芯体和所述第二芯体以及所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件，以引导至少一个冷却剂流经过所述第一芯体和所述第二芯体，从而与所述第一通道和所述第二通道中的流体流进行热交换。
19.根据权利要求18所述的冷却器，其中，所述第一芯体和所述第二芯体彼此平行延伸并具有相等的长度。
20.根据权利要求18所述的冷却器，其中，所述第一芯体和所述第二芯体的每个包括多个平行间隔开的热交换管道，并且所述管道的内部界定了相应的所述通道。
21.根据权利要求18所述的冷却器，其中，所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件包括第一波纹管和第二波纹管。
22.根据权利要求18所述的冷却器，其中，所述第一热膨胀连接件和所述第二热膨胀连接件包括第一滑动O环连接件和第二滑动O环连接件。
23.根据权利要求18所述的冷却器，还包括旁通阀，所述旁通阀安装在所述第一歧管中以允许选择性地使所述排气旁通绕过所述第一通道和所述第二通道。
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