CN201503235U - 一种废气再循环冷却器及其散热紊流翅片 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有梯型散热翅片的冷却管和散热翅片组合式废气再循环冷却器，即板翅式EGR冷却器。它比传统管壳式EGR冷却器更加紧凑，具有更好散热效率，同时它又解决了其它内置平直和波纹型紊流翅片的板翅式EGR冷却器散热能力不足的现象。它采用一种新型的梯形结构的紊流散热翅片，比具有平直翅片和类似正弦波纹散热翅片的EGR冷却器较好的传热效果，同时阻力增加可以控制在允许范围内，并且长期使用也不会出现翅片堵塞的问题。本实用新型其结构为进出口气管和进出口腔室以及EGR冷却器芯子组成，其中芯子由连接板、外壳体、冷却管、梯型散热紊流翅片按照一定顺序和方法组装焊接而成。

Description

一种废气再循环冷却器及其散热紊流翅片

技术领域

本实用新型专利产品涉及的是一种车辆发动机废气再循环冷却器，即EGR冷却器。

背景技术

由于国际和国内排放法规的日趋严格，在车辆冷却***中EGR冷却器已经开始成为发动机冷却***中的一个重要的不可缺少的组成部分，车辆发动机采用废气再循环技术以降低NO_X的排放，从而达到排放法规的要求，然而由于废气温度较高，在返回到燃烧室时，对发动机的燃烧反而起到破坏作用，并且高温同样容易产生氮氧化合物，为此发动机厂采取装配EGR冷却器来降低再循环废气的温度，解决高温燃烧现象，使得排放达标。在EGR冷却器中，基本上都采用冷却液或者水作为冷源对高温废气进行冷却。热流体(废气)在换热器内部流动，冷却液在外侧流动，在这个换热过程中，整个换热器的控制热阻主要分布在废气侧，因此提高废气侧换热表面的传热系数成为提高EGR冷却器的换热功率的关键问题。目前结构更加紧凑的板翅式EGR冷却器已经成为EGR冷却器发展趋势。而目前常用的车用换热器气侧散热翅片主要是平直散热翅片、百叶窗散热翅片、错齿散热翅片和波纹散热翅片等。由于百叶窗散热翅片和错齿散热翅片在高效传热的同时也导致气体流动阻力的急剧增加进而导致风扇功率增加和发动机油耗的增加，另外由于百叶窗散热翅片和错齿型散热翅片容易被灰尘和颗粒物堵塞(发动机燃烧后的废气中含有为粉尘颗粒物，硫化物，水蒸汽等物质，它们容易在换热器的散热表面中形成积碳和一层酸性的物质)，在EGR冷却器换热表面产生较大的热阻，进而导致散热性能急剧下降，甚至局部产生高温，降低EGR的可靠性。因此百叶窗和错齿型散热翅片在工作环境相对恶劣的工况下应用受到了极大的限制，平直和波纹散热翅片虽然克服堵塞的问题，但是由于近阶段行业对各换热器不断提出更高的散热要求，而同时要求换热器更加紧凑，而平直散热翅片已经无法满足高散热量的要求，而波纹散热翅片因传热性能提高有限，也导致换热器的设计尺寸过大，这又导致与发动机舱的空间尺寸和结构布置限制要求的矛盾。综上所述实际的工程背景和技术发展要求，迫切需要开发一种新型的高效EGR冷却器，以满足车辆排放与高效散热的要求。

经过文献检索发现，专利号为200580046952.6的一种EGR冷却器，采用折片式结构，可将冷却水均匀分布到每一部分，有效避免沸腾，其在废气流道内***一种散热翅片，该翅片在废气流动方向上为类似正弦波纹形式，即波纹翅片。同样专利号为200710147116.8的一种EGR冷却器，该专利平行设置多个扁管，各扁管具有一端封闭相通，在各扁管中设置散热翅片构成芯体，其所用翅片在废气流动方向上为直线形式，即为平直翅片。如上所述EGR冷却器，在废气通道多采用平直或者波纹型翅片，平直翅片由于结构形式不能增强对废气的扰动，散热性能有限，同样也容易积碳(在翅片表面废气出现边界层流区厚度相对较大)。波纹型翅片在避免堵塞增大扰动的方面都有明显的作用，但是随着行业对EGR冷却器散热性能要求的逐步提高，波纹翅片虽然相对普通平直散热翅片具有较高的传热效果，但是其传热效果还不能满足更苛刻的散热要求，特别是在某些散热性能要求更高的工况场合上显得较为突出(如废气回收***)。传统的波纹型翅片在设计中已经略显不足，逐步出现冷却器体积增大和重量增大等不利于成本降低的问题。本专利涉及的EGR冷却器是一种具有梯型结构散热翅片的板翅式EGR冷却器，它同样可以用上述专利的设计方案来实现，本专利的板翅式EGR冷却器的冷却扁管中装配的梯型散热翅片具有更好的扰流作用，破坏边界层的增长，可由有效的提高废气侧的传热系数，同时对流动阻力无明显影响。

发明内容

本实用新型专利针对以上的技术不足，提供一种具有改进型结构的散热翅片的板翅式EGR冷却器，它可以有效的避免由于工作环境恶劣而带来的堵塞问题，同时在废气侧阻力增加不大的情况下，有效的提高废气侧传热表面的换热系数，强化传热，实现整个EGR冷却器的高效紧凑设计特点，又能降低原材料的消耗以及提高其可靠性。

解决上述问题采用的技术方案是：一种废气再循环冷却器用散热紊流翅片，包括翅片本体，其特征在于翅片的截面呈梯型结构。

本实用新型还要提供一种废气再循环冷却器，包括依次连接的进口气管、进口腔室、芯子总成、出口腔室和出口气管，所述的芯子总成包括散热紊流翅片、冷却管、连接板、外壳体、进口水管和出口水管，其特征在于所述的冷却管为扁管，多个冷却管层叠排列在外壳体内，两端***相应连接板上开设的冲孔内固定，并与所述的进口腔室和出口腔室导通，每个冷却管内均设有散热紊流翅片，所述散热紊流翅片的截面呈梯型结构，所述的一对连接板分别固定在外壳体两端，所述的进口水管和出口水管设置在所述的外壳体上。

相邻的冷却管之间分布有多个椭圆形凸台，以加强芯子强度和加大对外侧水的扰流。

所述梯型散热翅片具有与波纹散热翅片相同的梯型波纹周期变化特点，梯型散热带在热侧气体流动方向上的垂直切面为矩形，在气体流动方向上的截面为周期变化的梯型结构。

所述梯型散热翅片的波长为8-12mm，散热带厚度0.12-0.15mm。

所述梯型散热翅片高度为3-5mm。

所述梯型散热翅片长度Ld为40-200mm，长度可根据实际的EGR冷却器长度变化进行调整，也可以是几张翅片前后放置，以实现不同EGR规格的产品。

所述梯型散热翅片宽度可以根据冷却管管口宽度不同逐渐变化，梯型散热翅片可以通过冲压一次成型，一般为40～140mm。

所述连接板厚度1.8-3mm，连接板宽度45-160mm。

所述热侧通道为椭圆扁管，管壁厚度0.3-0.7mm，管口宽度40-140mm。

所述连接板、冷却扁管、梯型散热翅片和外壳体结构之间通过钎焊技术焊接成为EGR冷却器芯子，芯子厚度和芯子高度可以根据冷却扁管长度和管口宽度进行系列调节。

所述冷侧通道中设置凸台结构或者设置一定数量的散热翅片(例如错开型翅片)，在保证可靠性的前提下，翅片密度以稀疏为好，防止冷侧阻力过大。

所述进出口腔室通过冲压或者焊接成型，其与EGR冷却器芯子通过氩弧焊接成为整体EGR冷却器总成。

所述冷却扁管依次叠加放置，根据实际的空间尺寸要求可以自由调整冷却扁管的数目；一般范围5～10层，以保证管道内的废气流速在常用范围内，避免低流速带来的换热系数降低和翅片表面积碳灰。

在上述各个部件组成的EGR冷却器热侧通道内部，具有较高温度的废气从进口气管进入进口腔室，然后分配到各个热侧通道内，在热侧通道内，高温废气通过内侧梯型散热翅片以及管壁与外侧冷却液之间进行热量传递。在冷侧通道内，具有一定流动速度的冷却液包围外侧冷却管和热侧通道，冷却后的废气进入出口腔室，然后通过出口气管流到发动机进气回路中，发动机燃烧后的部分废气经过管路再次进入到EGR冷却器进口气管之后再进入进口腔室，实现废气循环的持续冷却。在热侧通道内，设置的梯型散热翅片可以加大对废气的扰动，破坏废气在梯型翅片表面流动边界层的增长，有效的降低热边界层的厚度，从而可以实现良好的强化传热，并且实现气侧阻力增加不大或者使阻力的增加在可控范围内。

本实用新型专利产品采用的具有梯型结构形式的散热翅片，相对于传统的平直散热翅片结构和波纹散热翅片结构的EGR冷却器，本实用新型专利EGR冷却器可以在废气侧流体流动阻力较小的情况下，有效提高传热性能，如在实现相同散热量的要求下，本实用新型专利可以实现减少材料的消耗和成本的降低，并且产品的芯子尺寸可以根据要求自由调整，节省模具开发费用，有利于批量化生产。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1EGR冷却器总成结构示意图；

图2EGR冷却器芯子结构示意图；

图3EGR冷却扁管组件结构示意图；

图4梯型散热翅片结构示意图；

图5梯型散热翅片与波纹型散热翅片传热j因子对比图；

图6梯型散热翅片与波纹型散热翅片传热系数对比图；

图7梯型散热翅片与波纹型散热翅片阻力f因子对比图；

图8梯型散热翅片与波纹型散热翅片阻力性能对比图。

具体实施方式

本实施方案在本实用新型专利产品技术为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但是本实用新型专利产品的保护范围不受限于下述的实施方案。

如图1所示，本实施方案包括：进口气管1，进口腔室2，芯子总成5，出口腔室6和出口气管7。

如图2所示，芯子总成5由下述结构组成：呈梯型结构的散热紊流翅片11、冷却管10、连接板9、进口水管3、出口水管8和壳体4。

所述芯子总成通过下述方法连接：冷却扁管10按顺序插在连接板9的孔中，冷却扁管10的管壁之间钎焊有一定数量的椭圆凸台(也可以是其他有助于传热和提高可靠性的结构)，梯型结构的散热紊流翅片11放置在冷却扁管10内部，壳体4与冷却扁管10通过连接板9焊接为整体，壳体4上设置有进口水管3和出口水管8，上述结构通过焊接技术连接为整体，形成EGR冷却器芯子总成5。

芯子总成5两端分别与进口腔室2和出口腔室6通过氩弧焊接方法连接，组成完整的板翅EGR冷却器总成。

如图3所示，梯型结构的散热紊流翅片11放置在冷却管扁10内部，通过钎焊技术焊接为整体冷却管组件。

如图4所示，所述梯型的散热紊流翅片11，其梯型结构在废气流动方向上的垂直方向上的截面为矩形，在废气流动方向上为周期变化的梯型结构形式。

所述梯型的散热紊流翅片11，其一个完整波长为8-12mm，散热翅片厚度为0.12-0.15mm。

所述梯型的散热紊流翅片11，其高度为3-5mm。

所述梯型的散热紊流翅片11长度Ld为40-200mm，长度可根据实际的EGR冷却器长度变化进行调整，也可以是几张翅片前后放置，以实现不同EGR规格的产品。

所述梯型的散热紊流翅片11宽度可以根据冷却扁管管口宽度不同逐渐变化，梯型的散热紊流翅片11可以通过冲压一次成型，一般为40～140mm。

所述连接板9厚度1.8-3mm，连接板宽度45-160mm。

所述冷却管10为椭圆扁管，管壁厚度0.3-0.7mm，管口宽度40-140mm。

所述冷却扁管10冷侧设置有凸台结构。

所述梯型的散热紊流翅片11与连接板9、冷却扁管10通过钎焊技术焊接成为整体。

所述EGR冷却器芯子5，由于梯型的散热紊流翅片11、连接板9和冷却扁管10的长度和管口宽度可以自由调整，所以芯子5长度和厚度同样可以自由调整。

所述进口腔室2和出口腔室6为冲压或者焊接成形，与EGR冷却器芯子5通过氩弧焊焊接成为EGR冷却器成品。

所述进口气管1，其长度为30-90mm，其直径为30-60mm。

所述出口气管7，其长度为30-90mm，其直径为30-60mm。

所述冷却扁管10，数量根据不同设计要求，可以自由调节。一般范围5～10层，以保证管道内的废气流速在常用范围内，避免低流速带来的换热系数降低和翅片表面积碳灰。

本实施案例各种部件材料均采用不锈钢材料。

在上述各种部件组成的EGR冷却器的内部，具有高温度的发动机燃烧后的废气从进口气管1进入进口腔室2，然后分配到热侧通道内，在热侧通道内，高温增压空气通过梯型的散热紊流翅片11和冷却扁管10向外侧冷却液或者水传递热量，在冷侧通道内，具有一定流动速度的冷却液或者水包围热侧通道，冷却后的废气进入出口腔室6，然后通过出口气管7进入到发动机进气回路管路内，在热侧废气再次通过发动机排气管路进入到进口气管1中，然后进入进口腔室2中，形成对高温废气的持续冷却。在热侧通道内，设置的梯型的散热紊流翅片11可以加大对废气的扰动，破坏边界层的增长，有效的降低热边界层的厚度，从而可以实现良好的强化传热，同时由于加大对气流的扰动，破坏了积碳形成的有利条件，有助于减轻EGR冷却器在工作时积碳的产生。

图5、图6、图7和图8是通过数值模拟计算后，波纹散热翅片和梯型散热翅片11的传热和阻力性能对比。从图5中可以看出梯型的散热紊流翅片11的传热因子j比波纹散热翅片的传热因子j效果更佳，从图7中可以看出梯型散热翅片11的f因子比波纹散热翅片的大，但是结合图8可以看出，梯型散热翅片11的流动阻力并不是很高，完全可以满足要求。结合图5、图6、图7和图8可以得出梯型散热翅片11具有增强传热，并且阻力可以控制在允许值范围内的特点，因此可以实现强化传热，降低成本的目的。

Claims (8)

1.一种废气再循环冷却器用散热紊流翅片，包括翅片本体，其特征在于翅片的截面呈梯型结构。

2.一种废气再循环冷却器，包括依次连接的进口气管(1)、进口腔室(2)、芯子总成(5)、出口腔室(6)和出口气管(7)，所述的芯子总成(5)包括散热紊流翅片(11)、冷却管(10)、连接板(9)、外壳体(4)、进口水管(3)和出口水管(8)，其特征在于所述的冷却管(10)为扁管，多个冷却管(10)层叠排列在外壳体(4)内，两端***相应连接板(9)上开设的冲孔内固定，并与所述的进口腔室(2)和出口腔室(6)导通，每个冷却管(10)内均设有散热紊流翅片(11)，所述散热紊流翅片(11)的截面呈梯型结构，所述的一对连接板(9)分别固定在外壳体(4)两端，所述的进口水管(3)和出口水管(8)设置在所述的外壳体(4)上。

3.如权利要求2所述的一种废气再循环冷却器，其特征在于相邻的冷却管(10)之间分布有多个椭圆形凸台。

4.如权利要求2所述的一种废气再循环冷却器，其特征在于所述的散热紊流翅片(11)具有与波纹翅片相同的梯型波纹周期变化特点，其在热侧废气流动方向上的垂直切面为矩形，在热侧废气流动方向上的截面为周期变化的梯型结构。

5.如权利要求2所述的一种废气再循环冷却器，其特征在于所述的散热紊流翅片(11)的波长为8-12mm，其厚度为0.12-0.15mm，高度为3-5mm，长度Ld为40-200mm，通过冲压或滚制一次成型。

6.如权利要求2所述的一种废气再循环冷却器，其特征在于外壳体(4)与进口水管(3)和出口水管(8)通过焊接技术固定连接。

7.如权利要求2所述的一种废气再循环冷却器，其特征在于冷却管(10)管壁厚度0.3-0.7mm，管口宽度40-140mm。

8.如权利要求2-7任何一项所述的一种废气再循环冷却器，其特征在于连接板(9)、冷却管(10)、梯型的散热紊流翅片(11)、外壳体(4)、进口水管(3)和出口水管(8)之间通过焊接技术焊接而成；进口腔室(2)和出口腔室(6)通过冲压或焊接成型，其与芯子总成(5)通过焊接成为整体。

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