用於內燃機的傳熱單元的製作方法

2023-04-26 02:51:56

專利名稱：用於內燃機的傳熱單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於內燃機的傳熱單元，更具體地說，涉及一種用於冷卻廢氣的 傳熱單元，其包括需被冷卻的流體流經的通道，該通道具有進口和出口，該單元還包括冷卻 流體流經的通道、至少一個將需被冷卻的流體流經的通道與冷卻流體流經的通道分隔開的 隔壁、以及沿需被冷卻的流體的主要流動方向從所述隔壁延伸到需被冷卻的流體流經的通 道內的肋。
背景技術：
一般而言，用於內燃機的傳熱單元已公知並在很多專利申請中都有描述。它們適 於冷卻如增壓空氣(charge air)或廢氣之類的氣體和冷卻如油之類的液體兩者。特別已知的是，因為應用領域不同，傳熱系統的結構完全不同。具體地說，有管式 冷卻器、板式冷卻器或壓鑄冷卻器。特別是冷卻廢氣時，必須防止在廢氣流經的通道內形成過量的煙黑，因此通道的 橫截面不宜選擇得太小。還為了確保足夠理想的傳熱冷卻器，特別開發了通過壓鑄工藝制 造的冷卻器，其中肋延伸到需被冷卻的流體流經的通道內，所述肋從冷卻流體流經的通道 和需被冷卻的流體流經的通道之間的隔壁延伸。特別是在大的溫度梯度的情況下，這些肋 無疑能改善傳熱。例如，從DE 202006009464U1可以獲知這種熱交換器。在該文件中所公開的熱交 換器包括內殼體和外殼體，並具有形成在熱交換器的內殼體內流過冷卻劑的通道，其中該 通道被廢氣所流經的通道包圍，而肋伸進廢氣通道內，該廢氣通道被設置在內殼體和外殼 體之間。肋從兩個通道之間的隔壁伸進所述通道，肋在流體流經的通道的全部長度上延伸。 肋被設置成相繼的列，且每一肋具有由兩側壁接合的湧流邊緣(onflow edge)，肋的各側壁 的兩條切線之間的角度在前部不斷減小直到所包圍的角度為0°，於是兩個側壁在後部彼 此平行延伸。在每個肋的端部處，兩個側壁終止於對應的湧流邊緣，致使在每個肋的後壁和 所述側壁之間形成直角。利用此實施例，可以獲得理想的傳熱，因而可獲得大的冷卻能力。從DE 102006029043A1中可以獲知另一種具有設計成這樣的肋的熱交換器的實 施例。該熱交換器也包括外殼體和內殼體，其中內殼體用作處於內部廢氣輸送通道和設置 在內殼體和外殼體之間的外部冷卻劑輸送通道之間的隔壁，肋伸進內部廢氣輸送通道中。 在該實施例中，為了提高冷卻能力和降低壓力損失，可以根據廢氣的被降低的密度減小流 過流動路徑的橫截面積。由於在出口區域流速較高，隔熱邊界層減小，進而使冷卻能力提 高。但是，該實施例的缺點是，肋之間的自由橫截面(free cross section)減小，結果尤其 對於較冷的廢氣而言將加大煙黑生成(sooting)，由此使冷卻器的效率降低。另外，從DE 102004945923A1中可以獲知各種形狀的肋，這些肋在寬度、長度、高 度和重疊部分方面均不同。這些肋或者是具有恆定的橫截面的肋，或者是帶有兩個相對的 翼的肋。這些肋的作用是可提高傳熱能力，可是壓力損失略有增加。由於不能相對於存在 的不同溫度梯度和所引起的不同煙黑生成趨勢進行調整，該文件中所描述的實施例之一的傳熱設備的效率也受到限制。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種傳熱單元，與已知的實施方式相比，該單元至少可 保持冷卻能力，而且可減少煙黑生成。在顧及傳熱單元的整體使用壽命的同時，該單元還能 降低壓力損失和增大冷卻能力，尤其在工作了很長時間之後仍能使壓力損失較低並使冷卻 能力增大。實現所述目的的技術方案是，需被冷卻的流體所流經的通道包括沿主要流動方向 相繼的兩段，其中，在第一段中，沿主要流動方向看，肋的流出區域(flow-off region)具有 恆定的橫截面，而在第二段中，該流出區域具有沿主要流動方向加寬的橫截面。於是，加寬 的橫截面導致第二段內形成附加湍流，該附加湍流主要傾向於呈現煙黑生成，具有明顯減 少煙黑(soot)效果的這種增加的湍流適合黏附到肋壁。因此，在傳熱單元的整個使用壽命 期間冷卻能力大多保持恆定。在前部，藉助恆定橫截面的肋可將壓力損失保持在低水平。在一種新構思中，第一段中的肋的縱向軸線被設置成彼此間的距離小於第二段中 的肋的縱向軸線彼此間的距離。因此，在第一段中，由於流速高，冷卻能力增加且導致隔熱 邊界層薄，而在第二段中，藉助存在的湍流可使較厚的邊界層消失。第二段中的較大間隔導 致流速較低，但也導致壓力損失較低和肋壁上煙黑生成較少。此外，停留時間增加。據此， 在整個熱交換器上冷卻能力幾乎保持恆定，而且減少煙黑生成。在一優選實施例中，設置在第二段中的肋具有線性流入邊緣(inflowedge)，兩個 側壁從所述流入邊緣延伸，所述側壁的切線之間的角度開始沿主要流動方向不斷減小直到 該側壁相互平行為止，而在流出區域中所述側壁的切線之間的角度再次增加。如此設計的 肋能形成急劇的旋渦，因此在第二段產生猛烈的湍流，由此在第二段中顯著減少煙黑的生 成。同時，因為設計不變的肋側壁，可將由肋引起的壓力損失保持在相當低的水平。另外， 這種肋形狀甚至在壓鑄工藝中製造也很簡便且具有足夠的穩定性。還可省去用於引起湍流 的附加配件。這些實施例在不犧牲冷卻能力或增加壓力損失的前提下可以明顯減少傳熱單元 中的煙黑生成。本單元在工作了相當長的時間後與公知的一些實施方式相比還能提高冷卻 能力。


附圖中示出了一個實施例，下文將對該實施例進行描述。附圖為本發明的傳熱單元的頂部平面示意圖。
具體實施例方式圖中所示的傳熱單元由殼體2形成，殼體中設有需被冷卻的流體流經的通道4和 冷卻流體流經的通道6。尤其將這種傳熱單元用作廢氣冷卻器時由於迫使煙黑進入廢氣 中，可能出現過量煙黑生成的問題，為了更清楚地理解，下文將需被冷卻的流體流經的通道 4稱為廢氣流經通道。殼體2包括多部分的內殼體8和圍繞內殼體8的外殼體10，所述外殼體與內殼體8基本隔開。在本實施例中，冷卻劑流經的通道6被設置在內殼體8和外殼體10之間，因此包 圍需被冷卻的流體流經的通道4，該冷卻劑流經的通道由內殼體8的圓周壁限定。因此，內 殼體8的圓周壁形成兩種呈熱交換關係的流體之間的隔壁12。從兩相對側，從隔壁12伸出 肋14、16，以改善廢氣流動通道4內的傳熱，圖中沿縱向截面示出了這些肋。內殼體8具有用於廢氣的進口 18以及相對的出口 20。附圖中未示出冷卻劑流動 通道6的出口和進口，所述出口和進口例如可由外殼體區域內的管套口形成。當然，也可使 廢氣流動通道呈U型，從而將進口 18和出口 20並列設置。流入到傳熱單元內的廢氣首先從進口 18流入到第一段22，在該段中設有包括湧 流邊緣M和從該湧流邊緣M線性延伸的兩個側壁沈、28的肋14，其中這些側壁的切線包 含沿廢氣主要流動方向看到的不斷減小的角度，直到側壁26J8彼此平行延伸為止。直到 肋14的端部的流出部分30中仍保持這種平行定位(alignment)。因此，每個側壁22J4包 括與端部壁32成約90°的角度。所以，兩個流出邊緣34存在於肋14的端部處，從該端部 廢氣可進一步在通道4內流動。流過本實施例中由兩行肋14構成的第一段22後，廢氣流到達第二段36，在該段中 設置有不同形狀的肋16。第二段36由相繼的五行肋16形成，第一和第二段22、36兩段中 的肋14、16分別與後續行中的肋14、16偏置。與肋14相似，第二段36中的肋16具有湧流邊緣38和從該湧流邊緣38線性延伸 的兩個側壁40、42，這些側壁的切線包含沿廢氣的主要流動方向不斷減小的角度，直到側壁 40、42彼此平行為止。與肋14不同的是，沿流動方向看，側壁40、42的切線之間的角度在 流出部分44再次增加。這意味著與肋14不同的是，沿流動方向看，本發明設置的肋16的 橫截面在流出部分44中增大，而肋14的橫截面在流出部分30中仍保持恆定。於是，對於 肋16，在側壁40、42的端部和垂直於主要流動方向延伸的端部壁48之間形成兩個流出邊緣 46。據此，其包含的側壁40、42中之一的切線之間的角度在流出部分44中和在端部壁48 處小於90°。如此構成的流出部分44可使廢氣流在該區域內轉向，同時因為橫截面變窄速度
增加，這兩個因素導致在第二段36中更加顯著地形成旋渦，因而更加顯著地形成湍流。這
些湍流使肋16的煙黑生成明顯減少，這在公知熱交換器的第二段中特別嚴重。此外，該附
圖還顯示出第一段22中沿主要流動方向延伸通過肋14、16的軸線之間的間隔小於第二段
36中的間隔。這可使第一段22中的廢氣流速增加，由此形成較小的邊界層且提高了冷卻
效率。在第二段36中肋軸線之間較大的距離可降低流速，於是可增加隔熱邊界層，這一點
通過在流出部分44處附加形成旋渦可在很大程度上得到補償。類似地，由較窄縫隙所引起
的在前部處的較大壓力損失通過在第二段44內的較小壓力損失也可在很大程度上得到補 m
te ο需指出的是，為了在各段獲得幾乎恆定的自由通流橫截面，將相應的肋的形狀形 成為在每第二行的肋中側壁上的肋減半，因為肋的這些行之間相互偏置。因此，根據本發明的實施例的傳熱單元可顯著減少煙黑生成，同時壓力損失幾乎 保持恆定且冷卻能力也保持恆定，由此，相應地，在傳熱單元的整個使用壽命期間冷卻能力 可基本保持恆定。
需了解的是，可選擇不同的傳熱單元結構，本發明的保護範圍不限於由壓鑄工藝 製造的冷卻器。例如，對於壓鑄冷卻器來說也可以改變傳熱單元流程中的流動方向。可根 據應用情況優化兩相繼段的長度。此外，作為傳熱單元的設計和尺寸的函數，必須對肋軸線 之間的實際使用的距離進行優化。可以想像出不同的其他樣式。
權利要求
1.一種用於內燃機的傳熱單元，特別是用於冷卻廢氣的傳熱單元，其包括需被冷卻的流體所流經的通道，所述通道具有進口和出口 ；冷卻流體所流經的通道；至少一個將需被冷卻的流體所流經的通道與冷卻流體所流經的通道分隔開的隔壁；和沿需被冷卻的流體的主要流動方向從所述隔壁延伸到需被冷卻的流體所流經的通道 內的肋；其特徵在於，所述需被冷卻的流體所流經的通道(4)包括在主要流動方向上相繼的兩段02、36)， 其中，在所述第一段0 中，沿主要流動方向看，所述肋(14、16)的橫截面在它們的流出部 分(30、44)是恆定的，在所述第二段(36)中，所述橫截面沿主要流動方向加寬。
2.如權利要求1所述的傳熱單元，其特徵在於，所述肋(14、16)的縱向軸線之間的距離 在所述第一段0 小於所述第二段(36)。
3.如權利要求1或2所述的傳熱單元，其特徵在於，設置在所述第二段(36)中的所 述肋(16)具有線性湧流邊緣(38)，兩個側壁(40、42)從該線性湧流邊緣延伸，所述兩側壁 (40,42)的兩條切線之間的角度沿主要流動方向首先不斷減小直到所述側壁(40、42)彼此 平行延伸為止，其中，在所述流出部分G4)中，所述側壁(40、42)的切線之間的角度再次增 加。
全文摘要
本發明涉及傳熱單元，其包括沿運行長度變化的肋間距，以便提高冷卻輸出。這種傳熱單元由於煙黑生成過多往往存在一些問題。本發明建議，需被冷卻的流體流經的通道(4)沿主要流動方向具有相繼的兩段(22、36)，其中，第一段(22)中的肋(14、16)在其排出區域(30、44)中的橫截面是恆定的，在第二段(36)中，該橫截面沿主要流動方向擴大。以這種方式可減少傳熱單元後部區域煙黑的生成，同時保持連貫的冷卻輸出。
文檔編號F28F19/00GK102112843SQ200980129660
公開日2011年6月29日 申請日期2009年5月20日 優先權日2008年8月2日
發明者漢斯-烏爾裡克·庫內爾, 麥可·桑德斯, 迪特爾·傑利內克, 迪特爾·索內森 申請人:皮爾伯格有限責任公司