CN105026742A - 在车辆发动机***中的热交换 - Google Patents

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M·布罗曼
J·A·布罗曼
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Abstract

在本文描述的某些方面，热交换器具有在细长热交换器主体的第一端的第一燃料端口和第一传热流体端口。热交换器具有在细长热交换器主体的第二相对端的第二燃料端口和第二传热流体端口。热交换器具有燃料流动路径和传热流体流动路径，燃料流动路径在第一燃料端口与第二燃料端口之间是直的，传热流体流动路径在第一传热流体端口与第二传热流体端口之间是直的。传热流体流动路径平行于燃料流动路径并且在燃料流动路径旁侧。热交换器包括在燃料流动路径与传热流体流动路径之间的传热壁。翅片从传热壁伸入到流动路径内。

Description

在车辆发动机***中的热交换
相关申请的交叉引用
本申请要求在2013年1月25日提交的名称为在车辆发动机***中的热交换(Heat Exchange in a Vehicle Engine System)的美国申请序列号No.13/749,812的优先权。
技术领域
本说明书涉及在车辆发动机***中的热交换。
背景技术
在某些车辆中，燃料气体以高压储存，并且燃料箱与发动机处的燃料计量***之间调节燃料气体压力。例如，在某些常规压缩天然气(CNG)车辆中，燃料从大约248巴的压力向下调节为大约8巴的压力。调节燃料气体压力可以冷却燃料气体。
在某些常规***中，燃料气体由在压力调节器与发动机的燃料计量阀之间的热交换器加热。例如，铜焊波纹板热交换器可以用于CNG车辆中以将热量从液态发动机冷却剂流体传送到燃料气体。
发明内容
在一总体方面，一种热交换器包括分支流动路径。
在某些方面，一种车辆流体热交换器***，包括：细长热交换器主体。热交换器主体包括在细长热交换器主体的第一端的第一燃料端口。热交换器主体包括在细长热交换器主体的第一端的第一传热流体端口。热交换器主体包括在细长热交换器主体的相对的第二端的第二燃料端口。热交换器主体包括在细长热交换器主体的第二端的第二传热流体端口。热交换器主体包括：在第一燃料端口与第二燃料端口之间直的燃料流动路径。热交换器主体包括在第一传热流体端口与第二传热流体端口之间直的传热流体流动路径。传热流体流动路径平行于燃料流动路径并且在燃料流动路径旁侧。热交换器主体包括在燃料流动路径与传热流体流动路径之间的传热壁。热交换器主体包括从传热壁伸入到燃料流动路径内的第一组翅片。热交换器主体包括从传热壁伸入到传热流体流动路径内的第二组翅片。
实施方式可包括以下特点中的一个或多个特点。热交换器主体包括：第一突起，其与第一组翅片相对地伸入到燃料流动路径内。热交换器主体包括：第二突起，其与第二组翅片相对地伸入到传热流体流动路径内。热交换器主体包括一个或多个弓形内表面，其限定燃料流动路径的至少一部分，并且第一突起是凸弓形突起。热交换器主体包括：一个或多个其它弓形内表面，其限定传热流体流动路径的至少一部分，并且第二突起是凸弓形突起。
作为补充或作为替代，这些和其它实施方式可以包括以下特点中的一个或多个特点。热交换器主体具有挤压的形状。燃料流动路径具有在第一燃料端口与第二燃料端口之间相同的截面，并且传热流体流动路径具有在第一传热流体端口与第二传热流体端口之间相同的截面。热交换器主体是整体结构。
作为补充或作为替代，这些和其它实施方式可以包括以下特点中的一个或多个特点。第一燃料端口是燃料入口；第二燃料端口是燃料出口；第一传热流体端口是传热流体出口；并且第二传热流体端口是传热流体入口。第一燃料端口是燃料入口；第二燃料端口是燃料出口；第一传热流体端口是传热流体入口；并且第二传热流体端口是传热流体出口。传热流体流动路径是液态发动机冷却剂流体流动路径。
作为补充或作为替代，这些和其它实施方式可以包括以下特点中的一个或多个特点。一种压缩天然气(CNG)发动机包括热交换器***。压缩天然气发动机***包括压缩天然气储存箱。压缩天然气发动机***包括压力调节器，其可通过操作以从储存箱接收压缩天然气，使压缩天然气膨胀并且将膨胀的天然气传送到热交换器的入口。压缩天然气发动机***包括：发动机主体，其被配置成燃烧从热交换器接收的天然气。压缩天然气发动机***包括：冷却剂泵，其可通过操作以将发动机冷却剂流体从发动机主体传送到热交换器的入口。
作为补充或作为替代，这些和其它实施方式可以包括以下特点中的一个或多个特点。通过细长热交换器主体中的燃料流动路径来传送天然气燃料。燃料流动路径在细长热交换器的第一端的第一燃料端口与细长热交换器主体的第二相对端的第二燃料端口之间是直的。通过细长热交换器主体中的传热流体流动路径来传送传热流体。传热流体流动路径在细长热交换器主体的第一端的第一传热流体端口与细长热交换器主体的第二端的第二传热流体端口之间是直的。传热流体流动路径平行于燃料流动路径并且在燃料流动路径旁侧。通过在传热流体流动路径与燃料流动路径之间的传热路径来在传热流体流动路径中的液态传热流体与燃料流动路径中的天然气燃料之间传热。传热路径包括：在传热流体流动路径与燃料流动路径之间的传热壁、从传热壁伸入到传热流体流动路径内的翅片以及从传热壁伸入到燃料流动路径内的翅片。
实施方式可包括以下特点中的一个或多个特点。从液态传热流体向天然气燃料传热。将天然气燃料加热到由压缩天然气发动机***的燃料计量***所规定的燃料引入温度。从压缩天然气发动机***的燃料压力调节器接收天然气燃料。向压缩天然气发动机***的燃料计量***输出天然气燃料。循环传热流体通过压缩天然气发动机***的发动机冷却剂***。
在某些情形下，此处所描述的某些方面可以提供一种或多种优点。热交换器设计可以降低制造和组装热交换器的成本和复杂性。在某些情况下，热交换器架构允许热交换器通过更简单、更廉价的制造过程来制造。热交换器可以更高效并且更坚固以耐受特定类型的苛刻操作环境(例如，在发动机上安装的设施、剧烈振动环境或其它类型的环境)。在某些情形下，热交换器主体可以由单个连续材料片形成，没有垫圈，没有接头(例如，栓接、熔焊、铜焊、锡焊、胶合等的接合部)并且无端帽。热交换器设计可以降低安装热交换器的成本和复杂性。在某些情形下，热交换器具有穿过单件热传导材料的两个分支流动通道，并且材料被机械加工为直接接受发动机***现有的燃料和冷却剂配件。在某些情形下，热交换器设计允许智能平衡增加的传热性能特征和制造因素。例如，制造设计方案可以利于利用单个整体材料制造的部件。
在附图和下文的描述中陈述了一个或多个实施例的细节。通过描述和附图以及权利要求，其它特征、目的和优点也将是显然的。
附图说明
图1是示例发动机***的示意图。
图2A是示例热交换器的透视图。
图2B是图2A的示例热交换器200的侧视图。
图2C是图2A的示例热交换器200的端视图。
在各个附图中同样的附图标记表示同样的元件。
具体实施方式
用于发动机***的热交换器可以被配置成加热发动机燃料，例如，在发动机燃料被提供给主发动机主体的燃料计量阀之前。热交换器可以使用支管设计，其允许发动机***的配件直接安装到每个流动路径端部。因此，热交换器***可以安装于发动机***中，在某些情况下，在流动路径上并无端帽。在某些实施方式中，热交换器主体是单个整体结构，完全由单种材料制成。在某些示例中，热交换器主体可以被制成无铜焊、熔焊、锡焊、栓接或胶合的接头。
在某些实施方式中，在热交换器的流动路径中的内翅片促进在流动路径之间的热传导。在某些实施方式中，在流动路径中的内部流动凹陷促进了流体朝向翅片流动从而提高传热效率，例如，同时满足了生产和架构约束。热交换器设计可以服从于通过挤压、模铸或其它类型的制造过程进行的制造。热交换器可以具有随着热交换器的长度而改变的效率。例如，挤压件可以被切割成所希望的长度，并且用于不同应用的相同工具作业可以实现不同长度。
图1是示例发动机***100的示意图，其包括热交换器。示例发动机***100可以是压缩天然气(CNG)车辆的发动机***。或者，示例发动机***100可以用于其它应用中，其可以包括其它类型的车辆、或不包括车辆的***等。
示例发动机***100包括压力调节器104、热交换器106、燃料计量***108、发动机主体110、发动机冷却剂循环器***12和排气歧管114。示例发动机***100从燃料箱102接收燃料。发动机***可以包括额外或不同的部件和特征。在图1中的箭头示出了在某些示例操作方面在部件之间的流体流动。图示流体流动可以包括额外或不同的发动机部件或替代的流动配置。
发动机***的部件可以如图1所示那样布置，或者部件可以以不同方式布置。在某些情况下，发动机***100的部件可以彼此组合或集成。在某些情况下，图1所示的部件包括子***或者与辅助***(其并未在此处具体示出或描述)一起运行。
图1所示的示例燃料箱102可以储存燃料。燃料可以在高压储存。在某些示例中，燃料箱102可以储存在248巴或更高压的压缩天然气或另一类型的燃料。可以使用其它类型的燃料，并且可以在其它压力储存燃料。示例燃料箱102可操作，以将高压燃料流传送到压力调节器104。
压力调节器104可以调节从燃料箱102接收的燃料压力。例如燃料调节器104可以接收高压燃料(例如，在或接近燃料箱102的储存压力)并且在膨胀腔室中使燃料膨胀。燃料可以膨胀到规定输出压力。例如，燃料可以膨胀到适合用于热交换器106、燃料计量***108、发动机主体110或另一部件或子***的压力。在某些示例应用中，燃料从在压力调节器104的入口处大约3600psi(磅/平方英寸)的初始压力膨胀到在压力调节器104出口处大约115psi的输出压力。压力调节器104可以在其它压力范围操作。在某些情形下，使压力调节器104中的燃料膨胀降低了燃料温度。因此，压力调节器104可以产生比燃料箱102所产生的燃料流更冷并且具有更低压力的输出燃料流。压力调节器104可操作，以将压力调节的燃料流传送到热交换器106。
在某些实施方式中，来自压力调节器104的燃料被传送到燃料计量***108之前被加热。例如，压力调节器104可以输出温度范围在-70℃至-60℃的燃料，在某些情形下，这个温度范围对于某些发动机部件而言可能太冷。在某些情况下，来自压力调节器104的燃料在其被传送到燃料计量***108之前被加热到至少-40℃。在某些情况下，燃料可以包含水或其它流体，并且燃料在其传送到燃料计量***108之前被加热到至少10℃或20℃。
示例热交换器106可以加热从压力调节器104接收的压力调节的燃料。示例热交换器106可以使用来自发动机冷却剂循环器***112的加热的发动机冷却剂流体来加热燃料。例如，热交换器106可以从发动机冷却剂循环器***112接收发动机冷却剂流体并且从压力调节器104接收燃料。在某些示例实施方式中，热交换器106接收温度范围在70℃至85℃的发动机冷却剂流体并且热交换器106接收温度范围在-70℃至-60℃的燃料。热交换器106可以从发动机冷却剂流体向燃料传热，因此加热燃料并且冷却发动机冷却剂流体。热交换器106可以向燃料计量***108输出被加热的燃料，并且热交换器106可以向发动机冷却剂循环器***112输出被冷却的发动机冷却剂流体。热交换器106可以加热燃料到规定温度。例如，燃料可以被加热到适合用于燃料计量***108、发动机主体110或发动机***100的另一部件的温度。示例热交换器200在图2A、图2B和图2C中示出。其它类型的热交换器可以用于发动机***100中。
在某些实施方式中，热交换器106包括两个流动路径：燃料流动路径和发动机冷却剂流体流动路径。燃料流动路径可以是直的并且在热交换器主体的相对的端部的燃料入口与燃料出口之间具有等截面。发动机冷却剂流体流动路径可以是直的并且在热交换器主体的相对的端部的发动机冷却剂流体入口与发动机冷却剂流体出口之间具有等截面。在燃料流动路径与发动机冷却剂流体流动路径之间的传热壁可以提供从发动机冷却剂流体到燃料的传热。在某些情况下，流动路径包括从传热壁伸入到流动路径内的翅片。在某些情形下，这些翅片可以增加流动路径的表面积并且促进了流动路径之间的传热。在某些情形下，流动路径包括与翅片相对的突起。在某些情形下，这些突起可以促进朝向传热壁的流动并且因此促进了在流动路径之间的传热。
热交换器106可以包括平行的流动路径。例如，燃料流动路径和发动机冷却剂流体流动路径可以彼此平行：此处，术语“平行”广义地使用。一般而言，如果两个流动路径并不会聚并且在其各自长度上具有均匀分隔距离，这两个流动路径可以被认为平行。但在其它情形下两个流动路径也可以被认为平行。在某些情况下，两个非会聚流动路径可以被认为“平行”，即使流动路径并不在其各自长度上具有均匀分隔距离。例如，分隔距离的较小变化可以基于制造或设计考虑而引入。两个非会聚流动路径可以被认为是平行的，例如如果其相对取向限定较小的角度(例如，小于大约15度)。
热交换器106可以包括在相应流动路径入口与出口之间为直的流动路径。例如，燃料流动路径可以在燃料入口与燃料出口之间是直的，并且发动机冷却剂流动路径可以在发动机冷却剂流体入口与发动机冷却剂流体出口之间是直的。此处，术语“直”广义地使用。一般而言，如果流动路径产生并不呈曲线、转弯或弯曲的总体流动方向，流动路径可以被认为是直的。但在其它情形下流动路径也可以被认为是直的。在某些情况下，即使流动路径包括曲线、转弯或弯曲或相对较小的角度，流动路径可以被认为是“直的”。例如，较小的曲线、转弯或弯曲可以基于制造或设计考虑而引入。在某些情形下，例如，如果流动路径包括较小的曲线、弯曲或转弯(例如，小于大约15度)，流动路径可以被认为是直的。
热交换器106可以包括流动路径，这些流动路径在相应流动路径入口与出口之间具有等(相同)截面。例如，燃料流动路径具有从燃料入口到燃料出口的等(相同)截面，并且发动机冷却剂流动路径具有从发动机冷却剂流动入口到发动机冷却剂流体出口的等(相同)截面。挤压的部件通常具有等(相同)截面，其由挤压模具限定。此处，术语“等(相同)”广义地使用。一般而言，如果流动区域几何形状在流动路径长度上保持恒定，流动路径截面可以被认为是等截面。但在其它情形下，流动路径截面也可以被认为是等截面。在某些情况下，即使截面包括较小变化，流动路径的截面也可以被认为是“等截面的”。例如，可以基于制造或设计考虑而引入变化。此外，尽管在流动路径入口和出口处具有变化例如以适应配件或连接器，流动路径截面可以被认为是等截面的。
发动机主体110可以包括各种特点、部件和子***。例如，发动机主体110可以包括燃烧腔室、缸、活塞、点燃***、冷却***、燃料喷射***和各种其它特点。在某些实施方式中，发动机主体110可以从燃料计量***108接收燃料并且从空气引入歧管接收空气；并且点燃***可以在发动机主体110中的燃烧腔室中点燃空气-燃料混合物，其移动活塞并且产生发动机主体110的机械输出(例如，曲柄轴的旋转等)。由发动机主体110中的燃烧产生的废气可以被导向(例如，通过排气阀)至排气歧管114。排气歧管114可以从发动机主体110接收废气。排气歧管114可以将废气传送到外部环境，传动到发动机***100的另一子***，或者其它地方。发动机主体110可以通过将过量热能转移到由发动机冷却剂循环器***112提供的发动机冷却剂流体而丢弃过量热能。
发动机冷却剂循环器***112可以包括泵、储集器、阀、管、软管或其它类型的部件。示例发动机冷却剂循环器***112可以循环发动机主体110中的液态发动机冷却剂流体，以在运行期间冷却发动机主体110。示例发动机冷却剂循环器***112也可以循环在热交换器106中的发动机冷却剂流体以加热在热交换器106中的燃料。例如，发动机冷却剂循环器***112可以接受来自发动机主体110的热的发动机冷却剂流体并且向热交换器106提供该热的发动机冷却剂流体。在某些情形下，热交换器106可以通过从发动机冷却剂流体向热交换器106中的燃料传热而冷却该发动机冷却剂流体。发动机***100可以包括额外部件或子***以在冷却剂流体在发动机主体10中再循环之前进一步冷却这些冷却剂流体。
在一个操作方面，压力调节器104从燃料箱102接收高压燃料气体并且将燃料气体膨胀到较低压力。热交换器106接受来自压力调节器104的燃料气体并且接受来自发动机冷却剂循环器***112的发动机冷却剂流体。热交换器106通过转移来自发动机冷却剂流体的热能而加热燃料气体。例如，燃料可以被加热到由燃料计量***108所规定的燃料引入温度。热燃料气体从热交换器106传送到燃料计量***108，并且发动机冷却剂流体从热交换器106传送到发动机冷却剂循环器***112。发动机主体110燃烧燃料并且将排气传送到排气歧管114。发动机主体110将热能转移到液态发动机冷却剂流体，液态发动机冷却剂流体然后循环回到热交换器106。
在图2A、图2B和图2C示出了示例热交换器200。图2A是透视图，图2B是底部侧视图，并且图2C是端视图。在图2A、图2B和图2C中示出的示例热交换器200可以用于发动机***(包括压缩天然气发动机***和其它类型的发动机***)或者其它类型的操作环境中。在某些应用中，示例热交换器200用于加热燃料，诸如天然气燃料或另一类型的燃料。示例热交换器200可以大体上用于加热或冷却任何流体，包括并非燃料的液体或气体。示例热交换器200可以被修改以用于特定应用。在某些情形中，示例热交换器200可用于在两种气态流体之间(气体对气体热交换)，在两种液体之间(液体对液体热交换)或者在气体与液体之间传热。
示例热交换器200包括细长热交换器主体201，细长热交换器主体201具有第一端202a和与第一端202a相对的第二端202b。热交换器主体201包括在第一端202a的燃料端口204b和传热流体端口204a；并且热交换器主体201包括在第二端202b的另一燃料端口204d和另一传热流体端口204c。燃料流动路径203b在燃料端口204b、204d之间穿过热交换器主体201延伸；并且传热流体流动路径203a在传热流体端口204a、204c之间穿过热交换器主体201延伸。在图示示例中，安装支承件206从热交换器主体201的侧部延伸。示例安装支承件206包括孔210以接纳安装硬件(例如，螺栓等)以在应用中安装热交换器200。
示例热交换器200包括彼此平行的两个并排流动路径。如在附图中所示，燃料流动路径203b平行于传热流体流动路径203a并且在传热流体流动路径203a的旁侧。示例燃料流动路径203b在燃料端口204b、204d之间是直的并且其在燃料端口204、204d之间具有等截面。示例传热流体流动路径203a在传热流体端口204a、204c之间是直的并且其在传热流体端口204a、204c之间具有等截面。
示例热交换器200包括在燃料流动路径203b与传热流体流动路径203a之间的传热壁205。翅片从传热壁205伸入到流动路径内。如在图2C中所示，三个翅片212a、212b、212c伸入到燃料流动路径203b内，并且三个翅片212d、212e、212f伸入到传热流体流动路径203a内。热交换器可以包括在任一流动路径或两个流动路径中的不同数量的翅片(例如，少于三个翅片，或者多于三个翅片)。
在图2A、图2B和图2C所示的示例中，流动路径具有大体上圆柱形几何形状。例如，热交换器主体201的端口和弓形内表面限定大体上圆柱形几何形状。传热壁205遵循由圆柱形几何形状限定的径向周边，并且翅片从传热壁205朝向径向几何形状所限定的中心线延伸。如图所示，每个流动路径包括多个长度的翅片。中间翅片212b、212e各比其相应相邻外翅片212a、212c、212d、212f更长。示例翅片212a、212b、212c、212d、212e、212f是从每个相应流动路径的圆柱几何形状的径向周边延伸的细长结构。在示例热交换器200中，翅片止于流动路径中心线附近的倒圆顶端。翅片可以具有另一形状。
示例热交换器200的传热壁205和翅片促进了在两个流动路径之间的传热。传热壁和翅片的厚度、大小和几何形状可以基于各种考虑来规定。例如，更薄的翅片可以提供更大的截面用于流体流动和更低效的传热；更大数量的翅片可以提供更高效的传热和更小的机械稳定性；更厚的传热壁可以适应更容易的安装和更低效传热。在某些示例实施方式中，流动路径尽可能靠在一起放置同时允许安装燃料和冷却剂配件(例如，利用端部开口六角扳手或其它设备)。也可以考虑其它因素。
示例热交换器200包括伸入到流动路径内的突起。如在图2C中所示，突起214a与翅片212a、212b、212c相对地伸入到燃料流动路径203b内；并且突起214b与翅片212d、212e、212f相对地伸入到传热流体流动路径203a内。示例突起214a、214b从相应流动路径的大体上圆柱形几何形状突伸。如在图2C中所示，示例突起214a、214b为凸弓形结构，其从每个相应流动路径的圆柱形几何形状的径向周边延伸。突起可以具有另一形状。
示例热交换器200的突起214a、214b导向每个流动路径内的流体流向翅片。因为翅片提供在流动路径之间的传热，突起214a、24b可以通过造成更大比例的流体接触翅片而促进示例热交换器200中的更高效的传热。例如，突起214a、214b增加了直接在翅片之间和在翅片周围的流动面积比例。
示例热交换器主体201是可以通过挤压或另一制造过程形成的整体结构。热交换器主体201可以由导热材料例如铝形成。在某些实施方式中，热交换器主体201可以是用挤压模具挤压铝并将挤压形状切割成适当长度而形成。端口204b、204a、202d、204c可以机械加工成适应配件、密封件或其它硬件。在某些实施方式中，燃料配件为SAE-8O形环直螺纹并且热交换器的燃料端口包括O形环封套，并且冷却剂配件为1/2"NPT配件并且冷却剂端口并不包括O形环封套。
示例热交换器主体201可以适应各种配置。在某些情况下，在一端202a的两个端口204b、204a是入口，并且在相对端202b的两个端口204d、204c是出口。在这些情况下，流动路径203b、203a被配置成在相同方向上传送流动，即从在一端202a的入口到在相对端202b的出口。在某些情况下，流动路径203b、203a被配置成在相反方向上传送流动。作为示例，在某些实施方式中，燃料端口204b是燃料入口；燃料端口204d是燃料出口，传热流体端口204a是传热流体出口，并且传热流体端口204c是传热流体入口。
在某些操作方面，燃料气体通过燃料流动路径203b传送，并且发动机冷却剂流体通过传热流体流动路径203a传送。从传热流体流动路径203a中的发动机冷却剂流体向燃料流动路径203b中的燃料气体传热。热交换器主体201的导热材料在流体流动路径之间提供传热路径。传热路径包括传热壁205和翅片212a、212b、212c、212d、212e、212f。燃料气体由来自发动机冷却剂流体的热能加热。其它类型的流体可以在示例热交换器200中被加热，并且示例热交换器200可以从其它类型的传热流体提取热能。
在某些情形下，示例热交换器200的设计可以提供一种或多种优点。例如，示例热交换器200能够在严酷环境下并且在其经受极端操作条件时幸存。在某些情形下，示例热交换器200可以用作机械结构中的承载构件，其能导致更少的结构部件和更轻的组件。示例热交换器200在某些实施方式中可以被切割成规定长度以便于总传热要求和空间约束。在某些示例中，示例热交换器200可以适用于柴油燃料冷却器或加热器***，发动机油冷却器***、传动油冷却器***、液压流体冷却器***、液化天然气(LNG)汽化器***和其它类型的***中。在某些环境中，多个热交换器可以用于多流道配置中以增加传热。在某些情况下，热交换器配置可以竖直安装并且用作汽化器和液体捕集器(例如，在液化石油气(LPG)调节***等)。
在某些情形下，示例热交换器200的燃料和传热流体端口可以被配置成用于规定的操作环境。例如，端口可以带螺纹以用于流体配件，被机械加工用于O形环密封端帽，O形环密封端帽可以用于将多个挤压件联接在一起。在某些实施方式中，示例热交换器200可以被机械加工成适应传感器端口。例如，示例热交换器200可以包括用于测量流体温度、压力、质量流量或其它流体参数的端口。
示例热交换器200的参数和特点可以适应特定设计目的。例如，流动路径、入口、翅片和突起的大小和几何形状可以基于传热原理而规定。各种热力学原理可以用于分析热交换器设计。例如，热交换器设计分析可以考虑到牛顿冷却定律，雷诺数、努塞尔特数、普朗特数、对流系数、传热参数和其它分析工具。从牛顿冷却定律(对流传热)：
q＝h*A(Ts-Tm)
其中q是传热，h是对流系数，A是传热表面积，Ts是表面温度，并且Tm是流体温度。某些设计设法增加或优化传热量q。传热系数可能受到热交换器表面附近的流体中的热边界层影响。在边界层的传热系数可能遵循方程式
其中kf是流体热导率并且导数项是在该表面处的温度梯度。
努塞尔特数(Nu)可以从流动路径的有效直径(L)(与几何形状有关)、流体热导率(kf)和对流系数(h)导出。努塞尔特数是如下表达的无量纲量：
努塞尔特数可以用于热交换器分析，例如，因为其描述了在表面处的无量纲温度梯度并且因此能提供从热交换器的湿润表面到流体的传热的度量。努塞尔特数也可以由许多经验关系来表达，这些经验关系针对各种热交换器几何形状而建立，诸如用于圆形管中内部流量的迪特斯—波尔特(Dittus-Boelter)方程。这个方程式的总体形式涉及努塞尔特数到雷诺数(Re)和普朗特数(Pr)：
Nu＝f(Re，Pr)
雷诺数描述了在惯性力和粘性力之比方面的流体性质：
其中V是流体速度并且v是流体运动粘度。普朗特数表达流体动量扩散率和热扩散率之比，并且基本上独立于以下设计：
其中cp是流体热容量，μ是粘度。
例如通过分析热交换器效率来有目标地针对促进传热的参数。例如，考虑到数雷诺数(Re)，热交换器流动路径轮廓设计直接影响几何形状(L)以及流体速度(V)。在示例热交换器200中，由翅片和在翅片对面的流动凹陷来确定几何形状(L)。流动凹陷促进了流体朝向(其可能包括进入)翅片的流动并且增加了在热交换器中穿过这个区域的平均速度(V)。以此方式增加雷诺数也增加了努塞尔特数(Nu)。由于轮廓设计特点增加努塞尔特数，因此然后是对流系数(h)。几何形状(L)的效果再次以此关系施加。传热参数q也可以增加。例如，在流动路径中的翅片可以增加传热表面积(A)。由于对流系数(h)和几何形状(A)被示出为轮廓设计特点的乘积，牛顿冷却定律可以提供通过这种轮廓设计来增加热交换器的传热。
虽然本说明书包含许多细节，这些细节不应被认为限制所要求保护的范围，而是仅说明特定示例的具体特点。在此说明书中在单独实施方式的情形下描述了的某些特点也可以组合。相反，在单个实施方式的情形下描述的各种特点也可以单独地或者以任何合适子组合地实施。
示出和描述了许多示例。然而，应了解，可以做出各种修改。因此，其它实施例也在权利要求的范围内。
编号条款：
条款1.一种车辆流体热交换器***，包括：
细长热交换器主体，其包括：
在所述细长热交换器主体第一端的第一燃料端口；
在所述细长热交换器主体第一端的第一传热流体端口；
在所述细长热交换器主体相对的第二端的第二燃料端口；
在所述细长热交换器主体第二端的第二传热流体端口；
在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间的燃料流动路径；
在所述第一传热流体端口与第二传热流体端口之间的传热流体流动路径，所述传热流体流动路径平行于所述燃料流动路径并且在所述燃料流动路径旁侧；
在所述燃料流动路径与所述传热流体流动路径之间的传热壁；
从所述传热壁伸入到所述燃料流动路径内的第一多个翅片；以及
从所述传热壁伸入到所述传热流体流动路径内的第二多个翅片。
条款2.根据条款1所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体包括：
第一突起，其与所述第一多个翅片相对地伸入到所述燃料流动路径内；以及
第二突起，其与所述第二多个翅片相对地伸入到所述传热流体流动路径内。
条款3.根据条款2所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体包括：
一个或多个弓形内表面，其限定所述燃料流动路径的至少一部分，并且所述第一突起是凸弓形突起；以及
一个或多个其它弓形内表面，其限定所述传热流体流动路径的至少一部分，并且所述第二突起是凸弓形突起。
条款4.根据前述条款中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体具有被挤压的形状。
条款5.根据前述条款中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述燃料流动路径具有在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间是相同的截面，并且所述传热流体流动路径具有在所述第一传热流体端口与所述第二传热流体端口之间是相同的截面。
条款6.根据前述条款中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体是整体结构。
条款7.根据前述条款中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述第一燃料端口是燃料入口，所述第二燃料端口是燃料出口，所述第一传热流体端口是传热流体出口，并且所述第二传热流体端口是传热流体入口。
条款8.根据前述条款中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述传热流体流动路径是发动机冷却剂流体流动路径。
条款9.一种压缩天然气发动机***，其包括热交换器，所述热交换器包括：
在细长热交换器主体第一端的第一燃料端口；
在所述细长热交换器主体第一端的第一传热流体端口；
在所述细长热交换器主体相对的第二端的第二燃料端口；
在所述细长热交换器主体第二端的第二传热流体端口；
在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间的燃料流动路径；
在所述第一传热流体端口与第二传热流体端口之间的传热流体流动路径，所述传热流体流动路径平行于所述燃料流动路径并且在所述燃料流动路径旁侧；
在所述燃料流动路径与所述传热流体流动路径之间的传热壁；
从所述传热壁伸入到所述燃料流动路径内的第一多个翅片；以及
从所述传热壁伸入到所述传热流体流动路径内的第二多个翅片。
条款10.根据条款9所述的压缩天然气发动机***，包括：
压缩天然气储存箱；以及
压力调节器，其能够通过操作以从所述储存箱接收压缩天然气，使所述压缩天然气膨胀并且将被膨胀的天然气传送到所述热交换器的入口。
条款11.根据条款9或条款10所述的压缩天然气发动机***，包括：发动机主体，其被配置成燃烧从所述热交换器接收的天然气。
条款12.根据条款9至11中任一项所述的压缩天然气发动机***，包括：冷却剂泵，其可通过操作以将发动机冷却剂流体从发动机主体传送到所述热交换器的入口。
条款13.根据条款9至12中任一项所述的压缩天然气发动机***，其特征在于，所述热交换器包括：
第一突起，其与所述第一多个翅片相对地伸入到所述燃料流动路径内；以及
第二突起，其与所述第二多个翅片相对地伸入到所述传热流体流动路径内。
条款14.根据条款9至13中任一项所述的压缩天然气发动机***，其特征在于，所述燃料流动路径具有在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间是相同的截面，并且所述传热流体流动路径具有在所述第一传热流体端口与所述第二传热流体端口之间是相同的截面。
条款15.根据条款9至14中任一项所述的压缩天然气发动机***，其特征在于，所述细长热交换器主体是整体结构。
条款16.一种天然气发动机燃料加热方法，包括：
通过细长热交换器主体中的燃料流动路径来传送天然气燃料，所述燃料流动路径在所述细长热交换器的第一端的第一燃料端口与所述细长热交换器主体的相对的第二端的第二燃料端口之间；
通过所述细长热交换器主体中的传热流体流动路径来传送液态传热流体，所述传热流体流动路径在所述细长热交换器主体的第一端的第一传热流体端口与所述细长热交换器主体的第二端的第二传热流体端口之间，所述传热流体流动路径平行于所述燃料流动路径并且在所述燃料流动路径旁侧；
通过在所述传热流体流动路径与所述燃料流动路径之间的传热路径来在所述传热流体流动路径中的所述液态传热流体与所述燃料流动路径中的所述天然气燃料之间传热，所述传热路径包括在所述传热流体流动路径与所述燃料流动路径之间的传热壁、从所述传热壁伸入到所述传热流体流动路径内的翅片以及从所述传热壁伸入到所述燃料流动路径内的翅片。
条款17.根据条款16所述的方法，其特征在于，传热包括从所述液态传热流体向所述天然气燃料传热。
条款18.根据条款16或17所述的方法，其特征在于，传热包括将所述天然气燃料加热到由压缩天然气发动机***的燃料计量***所规定的燃料引入温度。
条款19.根据条款16至18中任一项所述的方法，包括：
从压缩天然气发动机***的燃料压力调节器接收所述天然气燃料；以及
向压缩天然气发动机***的燃料计量***输出所述天然气燃料。
条款20.根据条款16至19中任一项所述的方法，包括：循环所述传热流体通过压缩天然气发动机***的发动机冷却剂***。
条款21.一种压缩天然气发动机***，包括：根据条款1至8中任一项所述的车辆流体热交换器***。
条款22.根据条款21所述的压缩天然气发动机***，包括：
压缩天然气储存箱；以及
压力调节器，其能够通过操作以从所述储存箱接收压缩天然气，使所述压缩天然气膨胀并且将被膨胀的天然气传送到所述热交换器的入口。
条款23.根据条款21或条款22所述的压缩天然气发动机***，包括：发动机主体，其被配置成燃烧从所述热交换器接收的天然气。
条款24.根据条款21至23中任一项所述的压缩天然气发动机***，包括：冷却剂泵，其能够通过操作以将发动机冷却剂流体从发动机主体传送到所述热交换器的入口。
条款25：根据前述条款中任一条款的***或方法，其特征在于，燃料流动路径在第一燃料端口与第二燃料端口之间是直的，并且传热流体流动路径在第一传热流体端口与第二传热流体端口之间是直的。

Claims (24)

1.一种车辆流体热交换器***，包括：
细长热交换器主体，其包括：
在所述细长热交换器主体第一端的第一燃料端口；
在所述细长热交换器主体第一端的第一传热流体端口；
在所述细长热交换器主体相对的第二端的第二燃料端口；
在所述细长热交换器主体第二端的第二传热流体端口；
在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间的燃料流动路径；
在所述第一传热流体端口与第二传热流体端口之间的传热流体流动路径，所述传热流体流动路径平行于所述燃料流动路径并且在所述燃料流动路径旁侧；
在所述燃料流动路径与所述传热流体流动路径之间的传热壁；
从所述传热壁伸入到所述燃料流动路径内的第一多个翅片；以及
从所述传热壁伸入到所述传热流体流动路径内的第二多个翅片。
2.根据权利要求1所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体包括：
第一突起，其与所述第一多个翅片相对地伸入到所述燃料流动路径内；以及
第二突起，其与所述第二多个翅片相对地伸入到所述传热流体流动路径内。
3.根据权利要求2所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体包括：
一个或多个弓形内表面，其限定所述燃料流动路径的至少一部分，并且所述第一突起是凸弓形突起；以及
一个或多个其它弓形内表面，其限定所述传热流体流动路径的至少一部分，并且所述第二突起是凸弓形突起。
4.根据前述权利要求中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体具有被挤压的形状。
5.根据前述权利要求中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述燃料流动路径具有在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间是相同的截面，并且所述传热流体流动路径具有在所述第一传热流体端口与所述第二传热流体端口之间是相同的截面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述细长热交换器主体是整体结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述第一燃料端口是燃料入口，所述第二燃料端口是燃料出口，所述第一传热流体端口是传热流体出口，并且所述第二传热流体端口是传热流体入口。
8.根据前述权利要求中任一项所述的车辆流体热交换器***，其特征在于，所述传热流体流动路径是发动机冷却剂流体流动路径。
9.一种压缩天然气发动机***，其包括热交换器，所述热交换器包括：
在细长热交换器主体第一端的第一燃料端口；
在所述细长热交换器主体第一端的第一传热流体端口；
在所述细长热交换器主体相对的第二端的第二燃料端口；
在所述细长热交换器主体第二端的第二传热流体端口；
在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间的燃料流动路径；
在所述第一传热流体端口与第二传热流体端口之间的传热流体流动路径，所述传热流体流动路径平行于所述燃料流动路径并且在所述燃料流动路径旁侧；
在所述燃料流动路径与所述传热流体流动路径之间的传热壁；
从所述传热壁伸入到所述燃料流动路径内的第一多个翅片；以及
从所述传热壁伸入到所述传热流体流动路径内的第二多个翅片。
10.根据权利要求9所述的压缩天然气发动机***，包括：
压缩天然气储存箱；
压力调节器，其能够通过操作以从所述储存箱接收压缩天然气，使所述压缩天然气膨胀并且将被膨胀的天然气传送到所述热交换器的入口。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的压缩天然气发动机***，包括：发动机主体，其被配置成燃烧从所述热交换器接收的天然气。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的压缩天然气发动机***，包括：冷却剂泵，其可通过操作以将发动机冷却剂流体从发动机主体传送到所述热交换器的入口。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的压缩天然气发动机***，其特征在于，所述热交换器包括：
第一突起，其与所述第一多个翅片相对地伸入到所述燃料流动路径内；以及
第二突起，其与所述第二多个翅片相对地伸入到所述传热流体流动路径内。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的压缩天然气发动机***，其特征在于，所述燃料流动路径具有在所述第一燃料端口与所述第二燃料端口之间是相同的截面，并且所述传热流体流动路径具有在所述第一传热流体端口与所述第二传热流体端口之间是相同的截面。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的压缩天然气发动机***，其特征在于，所述细长热交换器主体是整体结构。
16.一种天然气发动机燃料加热方法，包括：
通过细长热交换器主体中的燃料流动路径来传送天然气燃料，所述燃料流动路径在所述细长热交换器的第一端的第一燃料端口与所述细长热交换器主体的相对的第二端的第二燃料端口之间；
通过所述细长热交换器主体中的传热流体流动路径来传送液态传热流体，所述传热流体流动路径在所述细长热交换器主体的第一端的第一传热流体端口与所述细长热交换器主体的第二端的第二传热流体端口之间，所述传热流体流动路径平行于所述燃料流动路径并且在所述燃料流动路径旁侧；
通过在所述传热流体流动路径与所述燃料流动路径之间的传热路径来在所述传热流体流动路径中的所述液态传热流体与所述燃料流动路径中的所述天然气燃料之间传热，所述传热路径包括在所述传热流体流动路径与所述燃料流动路径之间的传热壁、从所述传热壁伸入到所述传热流体流动路径内的翅片以及从所述传热壁伸入到所述燃料流动路径内的翅片。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，传热包括从所述液态传热流体向所述天然气燃料传热。
18.根据权利要求16或17所述的方法，其特征在于，传热包括将所述天然气燃料加热到由压缩天然气发动机***的燃料计量***所规定的燃料引入温度。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，包括：
从压缩天然气发动机***的燃料压力调节器接收所述天然气燃料；以及
向压缩天然气发动机***的燃料计量***输出所述天然气燃料。
20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，包括：循环所述传热流体通过压缩天然气发动机***的发动机冷却剂***。
21.一种压缩天然气发动机***，包括：根据权利要求1至8中任一项所述的车辆流体热交换器***。
22.根据权利要求21所述的压缩天然气发动机***，包括：
压缩天然气储存箱；
压力调节器，其能够通过操作以从所述储存箱接收压缩天然气，使所述压缩天然气膨胀并且将被膨胀的天然气传送到所述热交换器的入口。
23.根据权利要求21或权利要求22所述的压缩天然气发动机***，包括：发动机主体，其被配置成燃烧从所述热交换器接收的天然气。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的压缩天然气发动机***，包括：冷却剂泵，其能够通过操作以将发动机冷却剂流体从发动机主体传送到所述热交换器的入口。
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