CN1437695A - 流体冷却*** - Google Patents

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D·B·斯科金斯
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Abstract

一个流体冷却***包括一个换热器(2)，通过在一个入口区(31)和一个冷却区之间使用一个文丘里管在所述的区之间产生压差并通过将换热器(2)的出口(32)和一个排气管道(34)相连来接加强冷媒的流动。

Description

流体冷却***
技术领域
本发明涉及对换热器中的气体和/或液体的冷却，该换热器在形式上能够将热交换器冷却区和入口区之间的压差提供给冷却区及强排式冷却***。
背景技术
在很多应用领域都需要对流体进行冷却。如果相对高温的燃料在吸入燃烧室之前被冷却，内燃机的运转效率会更高。其优点是排放降低了，使用的燃料也减少了。
液压***最好采用温度较低的液压流体。当油被冷却时，油润滑的***会更加有效。在动力机车的传动***和其他部件以及引擎的内部润滑中都是如此。
发明内容
一个高效的流体冷却***使用一个换热器或冷却腔，其中热量从流体带走，换热器是强排式的。所述腔中的冷媒密度大于排气管或管道中的气体密度，这样冷媒(如空气)就流过载有被冷却流体的本体平行流出所述腔进入到排气管或管道中。
为了进一步改进冷媒在或不在强排情况下流过换热器或冷却腔时的流动，冷媒进入所述腔的入口部分相对于腔的横截面在尺寸上有所减小。这样就形成了一个文丘里管(venturi)从而形成压差并增强流动。
流体冷却***的一个显著应用是用来冷却准备喷入到柴油机燃烧腔的温度相对较高的柴油燃料。通过提高引擎的效率可使排放减少，消耗的燃料也减少了。
采用热交换器的流体冷却***的其他有益应用(其中的交换器在冷却介质的入口区域带有一个文丘里管开口以在入口和冷却区域之间产生一压差)包括：冷却输送流体，冷却进入到引擎吸气总管的吸入空气，冷却引擎的冷却液和冷却润滑油。
附图说明
本发明的优选和其他实施例将参照附图进行描述，其中：
图1是根据本发明的流体冷却***的示意框图；
图2是本发明使用空气作冷媒的强排式柴油燃料冷却***的方块图；
图3是根据本发明的、去掉盖的换热器的入口部和冷却区的透视图；
图4是本发明带肋片冷却管的前视图，被冷却的流体从中流过；
图5是图4中冷却管的侧视图；
图6是根据本发明冷却排管的俯视图，其中两个被用作换热器的冷却管，一个冷却管的一端位于腔底，另一个冷却管的另一端位于腔顶；
图7是图6中所示的排管的前视图，用虚线表示的是容纳冷却管末端的凹槽；
图8是图6中所示排管的仰视图；
图9是具有入口部和出口部以便流体在换热器被冷却的换热器底部跨接排管和穿过被冷却冷媒的串行流体通道的俯视图；
图10是图9中所示的底部跨接排管前视图；
图11是图9中所示的排管的仰视图；
图12是换热器顶部跨接排管的仰视图；
图13是图12中所示的排管的前视图；
图14是图12中排管的俯视图；
图15是图3中所示的热交换器的腔盖的透视图；
图16是文丘里管喷口的前视图，它把从换热器或换热器冷却区到排气管的管道和剖面所示的排气管连接起来；
图17是图16的文丘里管喷口与排气管分开后的前视图；
图18是图17中所示的喷口的俯视图；
图19是图16-18中所示的文丘里管喷口的透视图；
图20是位于换热器和排气管之间的一对文丘里管的俯视图；
图21是图20中所示的一对文丘里管的前视图。
图22是排气管中的另一例文丘里管的俯视图；
图23是图22中另一例文丘里管的右侧视图；
图24图22中所示文丘里管的前视图；
图25是图22中所示文丘里管的前视图，其中位于横截面内侧的部分为局部剖视；以及
图26是本发明平行流过冷媒冷却管的换热器的底部跨接排管的俯视图；
具体实施方式
应该指出的是对***组件的名称如顶部、底部、前、后等指定的目的是为了描述而不是对实际应用中***组件方位的限定。
本发明的流体冷却***总体如图1所示。流体例如柴油、汽油、液压油、润滑油或冷却油存储在容器1中。
***进一步包括一个冷却腔或具有用于被冷却流体的入口部3和出口部4的换热器2。所述换热器或冷却腔2进一步包括冷媒的入口部7和出口部6。入口部3与被冷却流体的容器1相连。换热器或冷却腔2在腔2的入口部3和出口部4之间包括多个肋片管，见图3-5。
***进一步包括一个使用区域，其由方块5表示，它和出口部4相连。为了加强通过冷却腔和换热器的流动，出口部6通过排气管10的入口部12与排气管10相连。该排气管与一个装置如内燃机相连，该装置也可以是使用5的区域或一个独立的单元11。在另一种情况下***的排气通过排气管道10连接。
如图2-21所示，本发明流体冷却***的详细描述，特别适用于柴油机的柴油燃料。图2以方框图的形式示出了冷却***在柴油机中的应用。该***包括一个用于存储被冷却燃料的油箱20。***进一步包括一个冷却腔或换热器22，其具有一个被冷却燃料的入口部24和出口部25。该腔或换热器22进一步包括一个冷媒的入口部31和出口部32，该冷媒在这种情况下是空气。换热器22的出口部25通过管26和柴油机27连接。冷媒通过管35和内燃机27的排气管连接。柴油机的排气管在排气部分34之前包括一个***29和一个催化转换器30。
在出口部32和排气管34之间，***在出口部32上进一步包括一个文丘里管33。该文丘里管可以省略。冷媒如环境的空气，流过冷却腔22来冷却燃料。空气通过入口部31进入腔22，通过出口部32流出腔22。排出的气体流通过开口进入管35的排气管34，相对于空气在腔22中产生压力产生一个低压。这样，通过冷却器到排气管的空气流增强了。入口部31是由盖70(如图15所示)及伸入入口区域的顶部和底部冷却排管的延伸部分(如图6、7、8)产生的孔71。
换热器或冷却腔22如图3所示进行组装，其中去掉了盖70。根据图3，腔22的冷却区包括很多带肋片的冷却管40，这些冷却管共有6个，用在汽车的柴油机上，冷却管40承载燃料或其他被冷却的媒质通过腔22，冷却管10的具体结构如图4、5所示。该管带有一定数量的肋片，这些肋片将热量从流体或冷却管40中流过的流体带走从而冷却该流体。
冷却腔22进一步包括顶部的冷却排管42和底部的冷却排管43。排管42和43是一样的，如图6-8所示。每一个排管42和43都带有多个座44，其直径及周长等于冷却管40的外径和周长以便容纳冷却管的末端。冷却管的内管45(见图5)和排管42或43的开口46相吻合，用于承载被冷却的流体流过排管。冷却腔还包括一个底部跨接冷却排管50，如图9-11所示。
参见图9-11，排管50，在尺寸上被设计成对于各冷却管40都具有通道并且使冷却管之间留有空隙。通道51作为流体或被冷却的燃料的入口部并将燃料与第一冷却管40a连接起来，如图3所示。流体流过冷却管40a和顶部冷却排管42从而进入顶部跨接冷却排管60。排管60在图12-14中有详细示出。参见图9-11，排管50的第一连接通道52将从第二冷却管40b到第三冷却管40c的流体连接起来。第二连接通道53将从第四冷却管40d到第五冷却管40e的流体连接起来，所有这些可参见图3。
在排管50中的第二冷却管通道54作为冷却腔22中被冷却燃料的出口部。螺栓孔58(共有6个)分布在排管50的表面。这些螺栓孔58对应于排管60上的螺栓孔68(也是共有6)来容纳带螺帽的螺栓(未示出)从而将冷却腔紧固在一起，如图3所示。冷却跨接排管60，图12-14，具有三个连接通道61、62和63(如图12和13中的虚线所示)。第一连接通道61连接冷却管40a和40b。第二连接通道62连接冷却管40c和40d。第三连接通道63连接冷却管40e和40f。
排管60进一步包括一个和通道63相通的口55以便为冷却腔22出口的燃料提供一个通道。这个通道非常有用，其可用来***一个燃料温度探测器(未示)从而提供用在控制引擎27的被冷却燃料的温度。
当用作电子控制的柴油机的燃料冷却***时，冷却***位置是重要的。具有作为一个回路来控制燃空比的燃料温度发送器的电喷引擎能够与电控模块机械相连，从而改变时间和喷射器的脉冲宽度使效率最佳并减少燃料消耗。改进的时间和脉冲宽度降低了汽缸中温度的峰值和氮氧化合物(Nox)的产生。
在冷却器跨接排管60的输入末端形成一个第二开口56。该开口56和通道61相通从而在冷却腔22的入口部分提供燃料通道。开口56用于向被冷却的燃料喷入催化剂来改进内燃机的运转和效率从而减少引擎27的排放量。另外该部分可用来显示位于冷却腔入口部的燃料或其他流体的温度和其它参数。
冷却腔22的盖70如图15所示。由盖70和冷却排管42和43的延伸部形成一个孔71或入口区，其分别对应于图2中的入口部31。盖70在入口处的侧壁92a相对盖70的主侧壁98成一定角度，主侧壁98围起换热器2和22的冷却区。成角度的侧壁92a形成一个狭窄的开口，其中形成一个顶点91a。盖70的侧壁93a以换热器2和22的冷却区为起点并成角度地远离顶点91a并和平行的主侧壁98相交。这就在伸入到腔内的开口形成了文丘里管。用来冷却柴油的体积比率范围是2.44∶1到4∶1，最佳值是3.77∶1。这个体积比率因不同被冷却的燃料而异。例如，汽油的体积比的范围从2∶1到3∶1，最优值是2.54∶1。
盖70根据冷却腔的使用场合不同在末端壁96上形成一个或多个出口部75。柴油车一般根据所使用内燃机的尺寸而需要具有一个或两个排气口。如果车辆有两个排气口，那么盖70上最好有两个排气出口部75。这些出口部75对应于图2中的出口部32。出口部75可以沿端壁96的长度方向布置在任何位置。图15中所示的位置并不对应于图20和21中详细示出的喷口33。
盖70装配在冷却排管42和43凹槽上。凹槽74环绕在排管43的***，如图6所示。在排管42上有一个对应的凹槽。如上所述，排管42和43是相同的，其中一个位于冷却管40的一端，另一个位于冷却管40的另一端。当冷却腔被安装起来时盖70和凹槽74咬合在一起而在腔周围形成密封，这样冷媒从入口部31或孔71流入腔22，穿过冷却管40的肋片，到达出口部75。
出口部75(对应于图2中的出口部32)通过管35与排气管34直接相连或通过文丘里管33和管35与排气管34相连，如图2所示。
与排气管34的连接形成了一个强制排气的流体冷却***。冷媒通过冷却腔22和排气管34之间的温差和压差从冷却腔22抽出然后由排气管34排出。文丘里管33位于腔22和排气管34之间以便增强冷媒的流动。
腔22和排气管34的连接如图16所示。入口部81形成在排气管34的侧面。文丘里管82位于排气管34的内部。文丘里管82的横截面的前视图和排气管34的前视图如图16所示。
此文丘里管82的设计如图17和18所示。文丘里管82在排气管34的内燃机27侧有一个入孔83。出孔84在排气管34出口侧上。此文丘里管82被设计为安装在内径5英寸的排气管中。
文丘里管82有一个颈缩的部分或横截面缩小的部分85，其位于入口部81旁边的排气管34内。有三个孔86(最好如图19所示)彼此间隔120度绕文丘里管82的***分布在颈缩的部分85和出口部84之间的文丘里管82的成角度部分。
从冷却腔22来的冷媒通过入口部81流入排气管34，绕文丘里管82的外侧和内燃机27排出的废气一起通过孔86排出排气管34。
图2中所示文丘里管82的设计如图20和21所示，两个文丘里管和两个排气管一起使用。
当排气文丘里管、涡轮增压器、或增压器驱动的冷媒，(新鲜空气)被吸入到引擎的排气管中时，就发生气体的扩散现象并改变了排气的成分。这表示是一种有效地用于柴油机的空气引入***。
管道的尺寸、冷却管的尺寸和数量、冷却腔的尺寸、文丘里管的尺寸和位置，以及流体冷却***的入口部和出口部的数量取决于***的应用场合，包括被冷却的流体和所使用的冷媒。
当被设计用于车辆柴油机特别是那些6、7和8级的柴油机时，本发明的换热器和冷却腔22的部件有如下尺寸。例如，8级柴油机具有马力在400到600之间，而排量在763到893立方英寸。这种引擎的特定例子是Detroit Diesel 60系列，排量775立方英寸，马力级425。车辆的柴油机由一些制造公司生产，这包括，例如Caterpillar，DetroitDiesel，Cummins和Volve。
在图4和图5中所示的冷却管全长为6.4625英寸，其布置有肋片的内部区域长度为5.9625英寸。内管的开口45的直径是0.50英寸，冷却管的整个外径是1.1250英寸。每个肋片的厚度是0.0375英寸，肋片之间的缝隙是0.0625英寸。每个肋片凹槽的深度为0.2375英寸。顶部的底部冷却排管42和43的宽度是3英寸，全长为9英寸。
入口部31的一端在宽度上大于排管的整体尺寸。其尺寸为3.7113英寸。入口部31的一端向下拐角到窄口或顶点91。顶点的角度为120度，这由角边92、93形成。角边93从顶点91延伸到排管的外宽度。图7中排管的整个深度为0.5英寸。座44的深度为0.2250英寸。
跨接排管50的底部，如图9-11所示，全宽为3英寸，排管末端的入口部31加宽至3.7113英寸。排管的全长为9英寸在排管入口部31末端加宽的地方形成角96。从角96到远离入口端31的一端的排气管宽度是8.384英寸。顶部冷却跨接排管60，如图12-14所示，和底部跨接排管50的宽度和长度是对应的。当如图3那样组装时，跨接排管50和60的连接通道通过经过冷却管40的被冷却流体的串行流(serialflow)。在一些应用中，当如图3那样安装时，需要穿过冷却管的平行流(parallel flow)。
形成平行流的底部跨接排管如图26所示。图26中所示的冷却跨接排管141有一个狭槽140代替了连接通道52和53以及入口通道和出口部通道51和54，这样在跨接排管141中的流体和每个冷却管40相通，流体平行流过冷却管。其中一个冷却跨接排管有一个入口部，另一个跨接排管的冷却管另一端有一个出口部。
如图22到25所示为与文丘里管82不同的另一种文丘里管。该文丘里管包括一个曲面110，其对应于排气管中布置有文丘里管的曲面。例如，如果文丘里管被放置在4英寸的排气管中，曲面110就有一个对应于4英寸直径的半径。同样如果文丘里管被放置在5英寸的排气管中，曲面110就有一个对应于5英寸直径的半径。文丘里管进一步包括一个平板111，其罩在曲面110开口的上部上。平板112罩在曲面110的较低部分上。平板111和112相不接触，但最好在两个平板之间留出一个开口120。如图1或22、图2所示，在曲面110上有一开口，以便将文丘里管100与换热器或冷却腔2相连。
文丘里管100包括一个安装在短接管114和曲面110之间的密封垫113从而在穿过曲面110到文丘里管100的开口上形成密封。从短接管延伸出一个连接管115。连接管115的末端是一个密封环116，其容纳一个柔性的连接管，如橡胶管，该管可滑过密封环116并夹到连接管115，从而将冷却腔2或22与排气管10或34连接起来。在图25中，文丘里管200位于排气管34中。如图23所示，在平板111和112彼此最接近的地方，对于4英寸的排气管来说，文丘里管的宽度大约是3-1/2英寸，这样文丘里管就占据了开口区120排气管处的横截面积的30％。该文丘里管全长大约是7-1/2英寸。平板111的长度大约是4-3/4英寸。平板112的长度大约是3-1/4英寸。平板112延伸的角度大于平板111，这样，平板112在开口120处就高于平板111。文丘里管100位于排气管34中，同时平板112朝向内燃机，平板111朝向排气管34的排气末端。
排出气体流流过排气管34的方向如图25中的箭头130所示。
腔内部的压力因冷却区的体积和入口部体积的比值而变化。冷却区的体积，包括冷却管40，是入口部部分31体积的2.0到12.0倍。冷媒从口31到32或从口7到6穿过冷却腔22或2的限制环境温度(LAT)由腔的运行而改变。腔内温度通过控制流过出口部32或出口部6流量比(effusion rate)来改变。
入口部31或孔71和冷却腔部分(包括冷却管)体积的不同，建立了一个对应于不同压差的体积比，但这体积比不控制温差。温差由流量比控制，该流量比通常以立方英尺每分(CFM)来表示。通过冷却腔或换热器的出口部所流过较多的冷媒，就能形成温差和压差。流量比由文丘里管控制，如上面所述由在排气管中的文丘里管产生，或由涡轮增压器或增压器的入口部产生。
本发明中流体冷却***的普通温度比是冷媒出口部6或32温度的0.75同冷却腔2或22入口部温度的0.83的比。在这些温度比中，当出口部管或管35是两英寸的圆出口部管时，在125 CFM时测得的流速是每分5,663英尺。当采用图22-25的文丘里管时，这些流量和温度形成流量比。
把文丘里管放在排气管中形成流量比的一个原因是当***被用作柴油机的燃料冷却***时，如果图1中的口3和之间有一个渗漏处，空气就不会被吸入柴油机的燃烧腔而成为不受控制的燃料。当***被用作压缩空气冷却器时，流量比在涡轮增压器或增压器的入口测产生。可以使用换热器来冷却排出的热气体，在换热器中排出的气体通过冷却管40的内部，被冷却过的排出气体作为排气再循环再次被吸入燃烧腔。
适用于更低LAT冷媒的燃烧腔可被用来冷却液体之外的其它对象，如电子元件，或形成一个装置代替氟利昂驱动的空调***。
虽然上面所述为流体冷却***的优选实施例，但本发明并不局限于这些特定的实施例，而是由本发明权利要求书的范围限定。

Claims (18)

1.一种流体冷却***，其包括一个换热器，该换热器具有用于冷媒的至少一个入口部和出口部以及用于被冷却媒质的至少一个入口部和出口部；冷媒的入口部包括一个文丘里管开口。
2.根据权利要求1所述的流体冷却***，其进一步包括经由换热器抽吸冷媒的装置。
3.根据权利要求2所述的流体冷却***，其中抽吸冷媒的装置包括一个安装在引擎排气管中的文丘里管和一个冷媒出口部和文丘里管之间的连接管。
4.根据权利要求2所述的流体冷却***，其中抽吸冷媒的装置包括一个至增压器的入口。
5.根据权利要求2所述的流体冷却***，其中抽吸冷媒的装置包括一个至涡轮增压器的入口。
6.根据权利要求1所述的流体冷却***，其中的换热器有一个腔，该腔具有多个安装在换热器内部的冷却管，用于穿过被冷却媒质这些管的串行流。
7.根据权利要求1所述的流体冷却***，其中换热器具有多个安装在冷却室内的换热器内部的冷却管，用于被冷却的媒质穿过这些管子的平行流。
8.一种柴油燃料冷却***，在一个柴油卡车中，包括一个换热器，该换热器具有用于冷媒的至少一个入口部以及出口部和用于被冷却燃料的至少一个入口部和出口部；冷媒的入口部包括一个文丘里管开口。
9.根据权利要求8所述的柴油燃料冷却***，进一步包括一个位于柴油卡车排气管中的文丘里管和一个连接换热器冷媒出口部和文丘里管入口部的管道。
10.根据权利要求9的柴油燃料冷却***，其中文丘里管有一个曲面，该曲面与其所处位置处的排气管的曲线相匹配；
一个第一平板，伸到曲面开口之上一定距离，该距离小于文丘里管的全长；
一个第二平板，位于曲面开口部另一部分之上并且延伸长度小于文丘里管的全长，这样在第一和第二平板之间就形成一个开口；
一个出口部和一个从文丘里管开始的连接，该连接通过一个连接管道或管将文丘里管连接到换热器。
11.根据权利要求1所述的换热器，其中换热器包括多个冷却管和在每个冷却管的一端的第一排管；以及
在每根冷却管和第一排管外侧的第一冷却排管的相反端的一个第二排管，其导引被冷却的媒质流过冷却管；和
在第二排管外侧的第二冷却排管，其支撑冷却管以导引被冷却的媒质流过冷却管。
12.根据权利要求11所述的流体冷却***，其中冷却排管被安装成可以提供穿过冷却管的被冷却媒质的串行流。
13.根据权利要求11所述的流体冷却***，其中冷却排管被安装成可以提供穿过冷却管的被冷却媒质的平行流。
14.根据权利要求1所述的流体冷却***，其中换热器有一个入口区和一个冷却区，其中入口区的体积小于冷却区的体积。
15.根据权利要求14所述的流体冷却***，其中冷却区和入口区的体积比为3.5∶1到12.0∶1。
16.根据权利要求1所述的流体冷却***，其中从换热器中流出的冷媒的流量比由连接到用于冷媒的换热器出口部的一个文丘里管增强。
17.根据权利要求1所述的流体冷却***，其中在换热器出口部的冷媒流量比由连接到换热器出口部的涡轮增压器增强。
18.根据权利要求1所述的流体冷却***，其中从换热器流出的冷媒在换热器出口部的流量比由一个连接到换热器出口部的涡轮增压器连接。
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