CN102639952B - 废气蒸发器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蒸发器，特别是用于机动车(1)的废气***(3)的废气蒸发器(5)，该蒸发器具有板式夹层结构，该板式夹层结构具有多个相互堆叠在一起、用于导引第一流体的导流板元件(15)，在两个板部件之间设有至少一个用于导引第二流体的肋部(18)、特别为波纹肋部，其中，板元件包括至少一块覆盖液流通道的盖板(11)以及液流通道板单元(12)，其中，液流通道板单元包括至少一块具有液流通道(17)的液流通道板(12a、12b)，用以将第一流体从入口(13)导引至出口(14)。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸发器，特别是用于机动车的废气***的废气蒸发器。
背景技术
内燃机废气的热能回收在车辆工程领域中的重要性稳步增长。尤其，利用废气蒸发器的热能回收越来越受到重视，借此以提高相对于内燃机运行的效率。在废气蒸发器中，热量从废气中分离并被提供给冷却剂或制冷剂，在此过程中，冷却剂或制冷剂通常会被蒸发。从废气分离的热能可用于下游的克劳修斯-兰金循环(Clausius-Rankine-Kreislauf)。
例如，本申请人的专利DE 102007 060 523 A1公开了一种废气蒸发器，该废气蒸发器具有夹层设计，在该设计中，废气层和冷却剂层交替地直接彼此相邻设置。
发明内容
本发明的目的是提供一种在压力稳定性方面有所改善的蒸发器，且该蒸发器制造简单、成本低。
上述目的通过具有独立权利要求1的技术特征的蒸发器来实现。本发明有利的实施方案在从属权利要求的技术方案中给出。
根据本发明的基本构思，蒸发器特别适用于作为机动车的废气***的废气蒸发器，该蒸发器具有板式夹层结构，该板式夹层结构包括多个相互堆叠在一起的用于导引第一流体的导流板元件，在两个板元件之间设有至少一个用于导引第二流体的肋部，特别为一个连接肋部或一个波纹肋部，其中，板元件包括至少一块覆盖液流通道的盖板以及液流通道板单元，该液流通道板单元具有至少一块设有液流通道的液流通道板，液流通道板用以将第一流体从入口导引至出口。
通过将蒸发器设计成板式夹层结构，使蒸发器具有特别高的压力稳定性，并因此能够在足够的范围内承受高达100bar的工作压力，这样的工作压力例如在克劳修斯-兰金循环中产生。
在一个优选的实施方案中，液流通道板单元包括单块液流通道板，该液流通道板被覆盖液流通道的盖板封闭。这种实施方案提供了液流通道板单元的最简单且成本低的实施方案。
在一个进一步优选的实施方案中，还设有另一块盖板，其设置在单块液流通道板和至少一个肋部之间，从而使该单块液流通道板设置在这两块盖板之间。
换句话说，板元件以盖板-液流通道板-盖板的顺序设置在两个肋部之间，从而使两块盖板形成良好的接触面或者形成与肋部形成平面式连接。
在一个进一步优选的实施方案中，液流通道板单元明确包括两块液流通道板，这两块液流通道板设置在两块盖板之间。通过使两块通道板形成材料配合连接，而形成了具有增强的抗压性能的通道结构。
优选地，液流通道板的液流通道通过模压工艺或深冲工艺形成。这些方法成本低，而且通过这些方法还可以在液流通道板中加工出不同的通道结构。例如可以考虑波纹型通道结构，在该通道结构中，克劳修斯-兰金循环的第一流体(例如水或酒精混合物)从入口流至出口。
在另一个优选的实施方案中，液流通道由平行的加强筋构成，这些加强筋通过开口相互连接。由该实施方案实现了一种特别便于制造的液流通道板，根据实际应用情况可以将液流通道板安装在任何位置上，该液流通道板特别为冲压而成的液流通道板。
在另一个实施方案中，液流通道板的液流通道被设计为开口，两块液流通道板中的开口叠置，以形成一条或多条液流通道。优选地，叠置的开口设有不同的宽度，从而使在开口边缘上可能产生的任何毛边不会阻碍液流通道的流体连通。
优选地，开口通过冲压工艺、激光切割或喷水切割的方式形成。
在另一个优选的实施方案中，入口和/或出口设置在蒸发器的中心区域。该实施方案使得热膨胀、特别是蒸发器纵向上的热膨胀不会受到阻碍。根据本发明，“中心区域”可以理解为这样的区域，即，该区域从蒸发器的几何中心、在两个纵向上、以蒸发器整体长度的0-20％、优选0-10％的范围延伸。
在另一个优选的实施方案中，入口和/或出口设置在蒸发器的侧面，以免阻碍第二流体的流动、特别是机动车废气的流动。为此，大体上呈矩形的板元件于两个纵侧面上具有突起部，且突起部带有开口。通过使各个板元件堆叠在一起，一方面形成具有入口集流通道的入口，另一方面形成具有出口集流通道的相应出口。
在另一个优选的实施方案中，至少一个、优选每个液流通道板单元具有用以产生升高的压力损耗的元件。优选地，该元件设计为喷嘴、膜片或阻挡圈。该实施方案实现了这种情况，即，通过有针对性地引入“初始压力损耗(Vordruckverlust)”，使不同的液流通道板单元的各条液流通道之间的压力损耗差以百分比的形式降低。这确保了使第一流体均匀分配到各个液流通道板单元。
优选地，将这种蒸发器作为废气蒸发器用于机动车的废气***中，这种废气蒸发器可以连接至克劳修斯-兰金循环。
可以理解为，上文所述的以及下文将要提及的技术特征不仅仅局限于本发明给出的各种结合方式，而且还可以在不背离本发明范围的前提下采用其它结合方式或单独使用。
本发明的其它重要的技术特征在下文结合实施例和附图进行详细说明。
附图说明
基于附图对根据本发明的蒸发器的优选实施例进行详细说明。其中：
图1为具有内燃机和废气***的机动车的原理示意图，其中，废气***具有废气蒸发器；
图2a至2d为不同的液流通道板的原理示意图；
图3为根据本发明的废气蒸发器的原理示意图；
图4至图6为根据本发明的液流通道板的另外三个实施例的原理示意图；
图7和图8为根据本发明的板元件的两个实施例的原理示意图，其中，两个板元件之间设有波纹肋部；
图9和图10为根据本发明的液流通道板的另一实施例的原理示意图以及该液流通道板的具体结构示意图。
具体实施方式
图1中所示的机动车1包括内燃机2，该内燃机包括下游连接的废气***3，在该实施例中，该废气***于一条废气支线4中设有废气蒸发器5、催化转换器6、中心消音器7和后部消音器8。机动车1以四个车轮9(这里仅通过参考数字示例性示出)支撑在车道路面10上，根据图1所示，该车道路面位于纸张所在的平面上。
此外，如图1所示，这种废气蒸发器5与所谓的兰金循环(Rankine-Kreislauf)18热耦合。兰金循环18具有至少一个蒸发器5、扩展器19、兰金冷凝器20和泵21。兰金循环的工作介质(例如水)通过泵21增大到升高的压力水平。然后，该介质流入到蒸发器5中。该工作介质再从该蒸发器中流出，并流入到扩展器19中，在该扩展器中，使工作介质完成机械运转，并且扩展至更低的温度和压力水平。工作介质又由扩展器流入到兰金冷凝器20中，在该兰金冷凝器中，工作介质被液化。随后，泵21再次开始汲取工作介质。
在图2a至2d中示出了根据本发明的液流通道板12a和12b的第一实施例，当这两块液流通道板组装时，形成了一个液流通道板单元12；这些图还示出了盖板11。液流通道板12a和12b具有多个开口17，这两块板的各个开口的宽度是不同的，因此当这些板堆叠在一起时(如图2d所示)，可能产生的任何毛边不会无谓地(do not unnecessarily)阻碍这些板的相互连接。这两块液流通道板的顶部和底部由盖板11覆盖。根据本发明，包括液流通道板单元12和盖板11组成的单元用板元件15来表示。
如图3所示，如果利用这种板部件15组装成堆叠结构，即，使板部件15和肋部16交替叠加设置，并接着将它们相互焊接在一起；那么这就形成了一个废气蒸发器。
废气蒸发器具有入口13和出口14，从纵向上看，该入口和出口大体上设置在中间。来自克劳修斯-兰金循环的流体(例如水)从入口13流入到集流通道13a中，该集流通道由板元件15和插置在板元件之间的中间元件13b构成。
流体从集流通道分配到各个板元件中，并且，一旦流体汇流到第二集流通道14a中，则经由出口14流出蒸发器。第二集流通道14a同样由各个板元件15和插置在板元件之间的中间元件14b构成。这两条集流通道13a和14a设置在蒸发器的侧面，从而使第二流体沿着肋部16的流通不会受到阻碍，该第二流体特别指机动车的废气。
图4至图6示出了根据本发明的液流通道板单元12的另一实施例的原理示意图，单元12或者可以包括两块液流通道板12a和12b，在这种情况下，各条液流通道17通过冲压工艺制成(如图2a至图2d)；或者可以由一块单独的液流通道板12a构成，在这种情况下，液流通道通过深冲工艺制成。
由图4的实施例可知，在通至通道17的输入管25中设有压力损耗元件28，该压力损耗元件用“dp”示出。压力损耗元件例如设计为喷嘴或膜片，通过这种压力损耗元件28，可有针对性地调节压力损耗，由此在随后的过程中带来更为均匀的介质分配，这将在下文进行详细说明。
如图5所示，废气蒸发器具有三个区域，这些区域相互之间特别由此进行区分，即，工作流体在各个区域具有不同的相位状态。工作流体在过冷区域22中绝大部分处于液体状态，在蒸发区域23中绝大部分处于双相状态，而在过热区域24中则完全处于蒸发状态。由此产生不同的流动速度，导致了不同程度的压力损耗，压力损耗从过冷区域开始逐渐增大。
由于压力损耗元件“dp”的设置，使经由不同区域22至24的的压力损耗差以百分比的形式降低。这种方法确保了更为均匀的介质分配。初始压力损耗和其余液流通道17中的压力损耗之间的比例应该在0.25和1之间。
由于通过由额外的经由蒸发器5的总压力损耗引起的低质量流，泵21的功率仅以最小程度提高，因此，额外的压力损耗不会对克劳修斯-兰金循环的总效率产生任何较大的损害。
在根据图5的另一个实施例中，多条液流通道17可以并联设置在过热区域24中。增大的压力损耗同样可以通过由此实现的增加的流动横截面抵消。
根据所选择的工作流体的不同，质量流的水平不同。例如，如图6所示，平行设置的液流通道17适合于酒精。
图7和图8示出了根据本发明的废气蒸发器的两个特别优选的实施例。在根据图7的具体实施例中，液流通道17利用深冲工艺被压入液流通道板12a中。通道17的顶部由第一盖板11封闭。该板与未示出的肋部形成平面式连接。为了在底部也形成用于肋部16的平面，液流通道板12a***置于第二盖板11中，该第二盖板在边缘上进行深冲处理。
在某些情况下，可以去掉第二盖板11，以使液流通道板12a直接邻接肋部16。
根据图8的实施例与根据图7的实施例的本质区别在于，液流通道板单元12明确包括两块液流通道板12a和12b。通过将这两块液流通道板堆叠在一起形成用作液流通道17的空腔。
如果需要的话，在该具体实施例中，同样也可以省去位于底部的第二盖板11。
经过多次试验，特别得出以下优选的几何参数：
0.5mm≤h≤3mm，优选：0.8mm≤h≤2mm；
1.0mm≤b1≤8mm，优选：3.0mm≤b1≤5mm；
1.0mm≤b2≤8mm，优选：3.0mm≤b2≤5mm；
其中，使：b2＜b1；
0.5mm≤c1≤3mm，0.5mm≤c2≤3mm；其中，使：c1＜c2；
盖板11的厚度优选为0.5mm至0.8mm。至少一块液流通道板的厚度优选在0.3mm至0.7mm之间；也就是说，该至少一块液流通道板的厚度可以小于至少一块盖板的厚度。
图9和图10(其中，图10示出了具体结构图)示出了根据本发明的废气蒸发器的另一个实施例。在该具体实施例中，液流通道17由平行的加强筋构成，这些加强筋经由开口27相互流通连接。优选地，这些开口通过冲压工艺形成。通过冲压的开口或贯穿口，可以理想地设置液流通道的转向。与根据图5的具体实施例类似，在过热区域24中可以并联设置两条或更多的液流通道，从而使升高的压力损耗降低。
Claims (14)
1.一种蒸发器，该蒸发器为用于机动车(1)的废气***(3)的废气蒸发器(5)，其特征在于，所述蒸发器具有板式夹层结构，该板式夹层结构具有多个相互堆叠在一起、用于导引第一流体的导流板元件(15)，在两个板元件之间设有至少一个用于导引第二流体的肋部(16)，其中，每个板元件(15)包括至少一块覆盖液流通道的盖板(11)以及液流通道板单元(12)，所述液流通道板单元具有至少一块设有液流通道(17)的液流通道板(12a、12b)，所述液流通道板用以将所述第一流体从入口(13)导引至出口(14)；所述入口(13)和/或出口(14)设置在蒸发器的中心区域，所述中心区域从蒸发器的几何中心、在两个纵向上、以蒸发器整体长度的0-10％的范围延伸；呈矩形的所述板元件(15)于两个纵侧面上具有突起部，且两个所述突起部分别带有开口，以通过使各个所述板元件(15)堆叠在一起，分别形成具有入口集流通道的所述入口(13)以及具有出口集流通道的所述出口(14)；至少一个液流通道板单元(12)具有用以产生升高的压力损耗的元件(28)，且该元件(28)设置在通至液流通道(17)的输入管(25)中。
2.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述液流通道板单元(12)包括单块液流通道板(12a)，并且该液流通道板被覆盖液流通道的盖板(11)封闭。
3.根据权利要求2所述的蒸发器，其特征在于，在所述单块液流通道板(12a)和至少一个肋部(16)之间还设有另一块盖板(11)，以使该液流通道板(12a)设置在两块盖板(11)之间。
4.根据权利要求3所述的蒸发器，其特征在于，所述液流通道板单元(12)包括设置在两块盖板(11)之间的明确的两块液流通道板(12a、12b)。
5.根据前述任意一项权利要求所述的蒸发器，其特征在于，所述液流通道(17)通过模压工艺或深冲工艺而形成。
6.根据权利要求4所述的蒸发器，其特征在于，所述液流通道板的液流通道(17)形成为开口，两块液流通道板的开口叠置，用以形成一条或多条液流通道。
7.根据权利要求6所述的蒸发器，其特征在于，叠置的开口(17)的宽度是不同的。
8.根据权利要求6或7所述的蒸发器，其特征在于，所述开口(17)通过冲压工艺、激光切割或喷水切割形成。
9.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述元件(28)特别设计为喷嘴、膜片或阻挡圈。
10.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述液流通道(17)具有波纹型结构。
11.根据权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，所述液流通道(17)由平行的加强筋构成，该加强筋经由开口(27)相互连接。
12.根据权利要求1所述的废气***(3)，其特征在于，所述肋部(16)为连接肋部或波纹肋部。
13.一种用于机动车(1)的废气***(3)，包括根据前述任意一项权利要求所述的废气蒸发器(5)。
14.根据权利要求13所述的废气***(3)，其特征在于，所述废气蒸发器被热耦合至兰金循环(18)。
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