雙u型迴路換熱器的製作方法

2023-04-26 09:53:26 1

專利名稱：雙u型迴路換熱器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雙u型迴路換熱器，是一種用於內燃機的機械裝置，
是一種用於汽車發動機廢氣再循環冷卻系統或者發動機渦輪增壓系統的換熱 器。
背景技術：
廢氣再循環(EGR， Exhaust Gas Recirculation)冷卻系統主要由發動才幾、 EGR冷卻器、EGR進排氣管和EGR閥組成，排氣中的部分廢氣經EGR閥進入進氣 系統，與新鮮空氣混合後進入氣缸參與燃燒。這樣即引入了不活性氣體(主要 是C02)到燃燒室，又可以降低燃燒室的溫度，因NOx是在高溫富氧的條件下生 成的，從而抑制NOx的生成和排放。廢氣進入氣缸前經EGR冷卻器冷卻，可以 更進一步降低燃燒時氣缸的溫度，從而更有效降低NOx的排放量，減少尾氣汙 染。隨著全球環保法規的日益提高，不斷提高EGR冷卻器的換熱效率，保證汽 車排放量達到較高的標準是很有必要的。
目前，發動機廢氣再循環冷卻器常用形式為，在殼體中有序排列著一種表 面帶有向內凸起的螺旋凹槽的橫截面為圓形的不鏽鋼管的換熱管；為了滿足環 保法規對日益提高的汽車尾氣排放的要求，這種常用的廢氣再循環冷卻器，其 換熱效率較高，但是還有繼續提高效率的餘地，如何進一步提高換熱器的效率 是需要解決的問題。
發明內容
本實用新型的目的是提出一種雙U型迴路換熱器，所述換熱器在液體換熱 介質的流動路線上設置了特殊形狀的折流板，增加了液體換熱介質的流動路線， 是一種具有更高換熱效率的冷卻器，應用該冷卻器既不影響發動機性能，又可 以降低發動機排放汙染物。本實用新型的目的是這樣實現的雙U型迴路換熱器，包括包容液體換 熱介質的殼體、所述殼體中有多根通過熱氣體的換熱管、所述換熱管端頭焊接 在管板上、所述前管板作為殼體一端堵頭焊接在殼體上，在殼體的一端焊接有 連接熱氣體進出管道的法蘭、殼體的另一端焊接有封頭、在殼體的一側設有液 體換熱介質進出的進水口和出水口 ，在殼體內部安裝有促使液體換熱介質的流 動路線形成U型路徑的折流板，在所述進水口和出水口上分別連接有進水管和 出水管。 .
本實用新型的有益效果是本實用新型的整體結構設計，為滿足有限的空 間尺寸和高性能的雙重要求的最優設計方案。本實用新型的特點是熱氣體的進 出口和液體換熱介質的進出口都在同側，兩種介質的流動路線均形成U字形。 本實用新型使用一個簡單的折流板，促使液體換熱介質形成U型流動路線，增 加了液體換熱介質的流動路線，而熱空氣在換熱管中的流動也是遵循U型流動 路線，這種雙U型迴路的設計，相較於傳統的單程換熱器或U形管式換熱器而 言，使流體間的換熱更充分，有效地提高了管內外流體之間的換熱能力。本實 用新型明確了換熱管上螺旋槽的深度範圍，螺旋槽可以促進管內流體的湍流流 動，分離或破壞流體運動的邊界層，從而強化了換熱。由於螺旋管外的內凹設 計，使得管外流體的流動也具有加強和促使混合充分均勻的效果。本實用新型 換熱管上螺旋凹槽升角的存在，對流體的流動起到引導作用，使得管內外流體 的流動效果都得到進一步增強，同時使汙垢在管內遭到了激烈的沖蝕，不易結 垢，降低了換熱器的維護成本。本實用新型把提高換熱性能作為出發點，而且 沒有增加加工的難度，換熱器緊湊的設計在提高發動機性能的同時，極大地節 省了製造成本。在廢氣再循環冷卻系統中應用該換熱器，可以有效降低N0x等 汽車汙染物的排;改。以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一 步說明。


圖1為本實用新型實施例一所述換熱器的示意圖2為本實用新型實施例一所述換熱器的熱氣體和液體換熱介質流動路線示意圖3為本實用新型實施例一所述換熱器的端部法蘭示意圖； 圖4為實用新型實施例三所述使用U形換熱管的換熱器示意圖； 圖5為實用新型實施例三所述換熱器的U形換熱管示意圖； 圖6為本實用新型實施例四、五所述換熱器的殼體提領孔與進出口接管、 進出口水管連接處的分解圖7為本實用新型實施例六所述換熱器的折流板示意圖8為本實用新型實施例七所述扁平狀換熱管布置在換熱器的示意圖9為本實用新型實施例七、八所述扁平換熱管的立體示意圖IO為本實用新型實施例七所述換熱器用扁平換熱管的截面示意
圖11為本實用新型實施例七所述換熱器用矩形換熱管的截面示意
圖12為本實用新型實施例七所述向外凸起的弧形扁平換熱管的截面示意
圖13為本實用新型實施例七所述橢圓形換熱管的截面示意
圖14為本實用新型實施例八所述換熱器用圓形螺旋凹槽換熱管示意具體實施方式實施例一
本實施例是一種雙U型迴路換熱器，如
圖1、 2所示。其中圖l是本實施例 的立體圖，圖2是本實施例的原理示意圖。本實施例包括包容液體換熱介質 的殼體l、殼體中有多根通過熱氣體的換熱管2、換熱管端頭焊接在前管板上、 前管板作為殼體一端堵頭焊接在殼體上，在殼體的一端焊接有連接熱氣體進出 管道的法蘭、殼體的另一端焊接有封頭6、在殼體的一側設有液體換熱介質進出 的進水口和出水口，在殼體內部安裝有促使液體換熱介質的流動路線形成U型 路徑的折流板2 ，在進水口和出水口上分別連接有進水管和出水管。
本實施例換熱管為直形換熱管，直形換熱管一端焊*接在前管板4上，另一 端焊接在後管板5上，後管板焊接在殼體上。
本實施例中的熱氣體流動路線如圖2中A箭頭所示。前管板被與法蘭相連的進出熱氣體的部件分為兩部分， 一半與熱氣體的進口相連，接受進入的熱氣 體，另一半與熱氣體的出口相連，放出經熱交換的氣體。熱氣體從前管板的一
邊進入入口直形換熱管21。入口直形換熱管的另一端焊接在後管板上，熱氣體 從入口直形換熱管中流出，進入由後管板和封頭組合成的一個密閉空間中，隨 即熱氣體又進入從後管板上焊接的出口直形換熱管22中，然後流出，出口直形 換熱管的另一端也焊接在前管板上。這樣熱氣體的流動路線形成一個U字型， 熱氣體在U字型運動中與換熱管外的液體換熱介質進行熱交換。
換熱管外的液體換熱介質充滿在由殼體、前管板、後管板以及換熱管體組 成的封閉空間中，進出由進水口和出水口完成。在本實施例中，由於進水口和 出水口在殼體的同側，為增加液體換熱介質流動路線的長度，在進水口和出水 口之間和部分換熱管之間增加了一個L型的折流板。
液體換熱介質是一種以水為主要成分的混合溶液，因此將液體換熱介質的 進出口稱為進水口和出水口。
當液體換熱介質從進水口進入殼體中，按照圖2中箭頭B的方向流動，形 成一個U字形的流動，使液體換熱介質與儘量多的換熱管接觸，充分的吸收換 熱管散發出的熱量，實現更有效的熱交換。
圖3是
圖1所為本實施例中法蘭的示意圖。法蘭布置在殼體的一端，法蘭 兩端連接的部件， 一是與換熱器相連，換熱器的殼體焊接在法蘭的一邊；另一 邊是熱氣體的進出口部件，在本實施例中可與發動機的配套設備相連，法蘭通 過通孔與配套設備相連。法蘭與殼體連接通過焊接，法蘭上有小的臺階71,與 殼體連接時起到限位作用。另外，法蘭端部有一處小的倒角設計72， 一是對裝 配有利，二是對焊接非常有利，使釺料的布置均勻，加強焊接效果，從而保證 氣、液兩側的氣密性。
另外，如
圖1中所示的殼體的另一端的封頭6，封頭與殼體連接處是直管段， 封頭端部套在殼體的外面，通過與殼體的焊接，防止氣側在此處洩漏，另外封 頭弧形部分與直管段為圓滑的過渡連接，封頭的這種特殊設計， 一是節省了空 間，使保證冷卻器特定長度的情況下，使換熱管長度增加，相應的也就增大了換熱面積；二是封頭端部的弧形設計使氣體的流動方向沿封頭的形狀發生改變， 阻力不會太大，且有利於流體的再分配。
圖1所示冷卻器的整體結構設計是在 冷卻器有限空間下的最優設計方案。 實施例二
本實施例是實施例一的改進，是實施例一的優化。在本實施例中實施例一 中所述的雙U型迴路換熱器的前管板的中間有豎形凸起。
由於熱空氣的進出管道同在一個法蘭上連接，所以在本實施例提出一個隔 開兩個管路的方法，在前管板上設置一個豎形凸起，將入口直形換熱管和出口 直形換熱管兩部分換熱管分開，可以有效的隔開進出熱空氣的通道。與法蘭相 連的也可以是一個管箱，中間有分程隔板，將進出熱空氣分開，此時管板就不 需要設置豎形凸起。
實施例三
本實施例是實施例一的改進，是實施例一的優化。在本實施例中實施例一 中所述的雙U型迴路換熱器的換熱管為U型換熱管，所述U型換熱管的兩端均 焊接在一個管板上。
本實施例參見圖4和圖5，圖4為一種U形螺旋凹槽換熱管，圖5為應用U 形換熱管的換熱器。本實施例與實施例一的不同之處在於，換熱管直接應用U 形管2,因此不用設置後管板，折流板上折彎處無矩形開孔。圖4中U字形換熱 管上的兩個管口，分別焊接在與之相對應的管板上的通孔上，並相互平行固定 在殼體中。管子兩端固定在同一塊管板上，彎曲端不加固定，使每根管子具有 自由伸縮的餘地而不受其他管子及殼體的影響，殼體中設置特殊的折流板可加 強殼程流體的擾動，殼體封閉端為與彎管形狀 一 致的曲面設置。
圖5所示U形管的設計迫使流體沿著彎曲流道改變流動方向，進一步加強 了流體的流動狀況，使流體的流動分布均勻，流通距離加大，而且增大了管內 外流體之間的換熱面積，使得換熱效率相應的得到提高。圖5中U形管在彎曲 處為光段，圖4中的彎曲處有螺旋凹槽，有螺旋凹槽布置的彎曲處流體的流體 複雜，混合充分。而帶光段的換熱管，相對加工方便。因此，從加工製造以及應用考慮，可以根據需要在換熱器中布置彎曲處帶螺旋凹槽或是光段的換熱管，
而直管段處的螺旋凹槽也可以是連續或斷續的。這種應用u形管的換熱器，結
合特殊折流板的設計，使流體流動均勻，換熱能力增強，作為廢氣再循環冷卻
器可有效的降低N0x等汙染物的排放，可以滿足日益提高的環保要求。 實施例四
本實施例是實施例一的改進，是實施例一的優化。在本實施例中實施例一 中所述的進水口和出水口的形狀為提領孔11,如圖6所示。 實施例五
本實施例是實施例四的改進，是實施例四的伊"匕。在本實施例中實施例四 中所述的進水口和出水口的提領孔上分別連接有進水管和出水管，在所述的進 水管和出水管9上分別連接有進水接管和出水接管8。
圖6是殼體與進出口接管和進出口水管連接處的分解示意圖。由分解圖中 可以看出殼體與進出口接管，進出口接管與進出口水管連接的方式。從換熱器 的結構設計來看，可以將此處的進出口接管和進出口水管，做成一體的進出口 水管。之所以用這種管與管連接的方式，是為了滿足特定空間的要求，採用這 種方式使此處的結構更緊湊。如果沒有空間的限制，此處完全可以採用直接進 出口水管的方式，如圖6所示。圖4中，殼體在與接口的連接處，有提領孔， 接管一端91插入提領孔中，且接管端部臺階處有一個小的倒角92,既為焊接塗 抹釺料留有空間，同時起到限位的作用。接管的另一端為直管段92，水管的一 端86插入接管的直管段中，水管膨脹節85起到限位作用，同時為焊接釺料的 布置留有空間，水管的彎曲設計及空間方位的設計，均與特定的發動機系統實 現合理的連接；其中膨脹節84，在與軟管連接時起到限位作用，而膨脹節83對 軟管起固定作用，同樣也起到限位作用；同時水管上的膨脹節都對冷卻劑的溫 度變化起緩衝作用。這種特殊的設計在滿足空間要求的同時，性能要求同樣也 得到滿足。
進出口水管處也可以沒有接管，如果空間允許，直接利用進出口水管與殼 體相連，可以節省接管，但是水管的加工相對複雜一些。因此，在加工製造時可以權衡利弊，選擇合適的方式。
實施例六
本實施例是實施例一的改進，是實施例一的優化。在本實施例中實施例一 中所述的折流板3為有一大折彎32的L型，L型的長邊接近頂端的位置開有矩 形孔33, L型的長邊頂端位置有一小折彎34，在L型的短邊上開有多個通過所 述換熱管的孔31。
圖7為本實施例所述折流板的示意圖。由圖7折流板的特殊設計，可以看 出，該折流板3不僅具有常見折流板的作用， 一是折流板對穿過通孔31的換熱 管有支撐作用，而是可以改變流體方向；同時由於具有折彎32，使其還具有縱 向隔板的作用，該折流板的應用將管外冷卻劑的流程分為兩程，流體從一側經 折彎段端部的矩形開孔33流入另一側，使冷卻劑也形成U型迴路；矩形開孔附 近，小的折彎34對加工製造而言， 一是起定位作用，二是增加焊接面積，提高 焊接強度。
圖1所示換熱器中冷卻劑的U型迴路與管內氣體的U型迴路分布相 互對應；這種雙U型迴路的方式相對於常用的單程流體流動而言，可以使管內 外流體之間換熱充分，增強了換熱效果，提高了換熱效率。管內外流體基本為 順流布置，由於發動機的廢氣溫度一般較高，將廢氣的入口和冷卻劑的入口布 置在同一端，使得氣體入口處的壁溫不至於過高，可以延長冷卻器的使用壽命。
實施例七
本實施例是實施例一的改進，是實施例一的優化。在本實施例中實施例一 中所述的換熱管的截面由兩個相對的短邊和兩個相對的長邊構成，其中，所述 短邊呈由內向外凸出的弧線或直線，所述長邊也呈由內向外凸出的弧線或直線， 長邊和短邊之間圓滑連^妄。
參見圖8和圖9，圖8為截面形狀為扁狀的換熱管，圖9為應用扁狀換熱 管的換熱器。廢氣再循環冷卻器中布置扁平換熱管效率比圓換熱管的效率高， 但是流動阻力比圓管大，因此權衡利弊，進行對管子截面形狀的選擇。扁平換 熱管不僅比圓換熱管的換熱面積有所增加，且對管內流體的擾動起到加強的作 用。因為扁平換熱管相對於圓換熱管來說不是中心對稱的形狀，扁平換熱管的幾何中心與管壁的距離比圓形換熱管與管壁的距離要小，管內的大部分流體可 以參與換熱，且扁平換熱管的形狀使得流體的擾動增強，換熱效果增強，從而 管內流體的溫度下降的要快。
不僅如此，扁平換熱管相對於圓換熱管來說，不同的排列方式可以產生不 同的效果，故在布置的方式上可以有多種，換熱管順排、錯排或者是順排和錯
排同時使用，圖8中只是代表其中的一種排列方式，其他方式不——列出，不 同的排列方式使得管外冷卻劑的流動發生擾動的效果不同，從而可以加強管內 外流體的換熱，增強換熱器的換熱效率。
圖IO為一種扁平換熱管的截面示意圖，兩個相對的短邊24為由內向外呈 弧形凸起，且與長邊23為圓弧形過渡連接,這樣的設置充分利用換熱管的表面 來實現最大效率的熱交換，且易於生產加工。
圖11是一種截面形狀為矩形的換熱管，且相鄰的兩邊之間為圓弧過渡連接。 其餘部分與扁平狀換熱管相同。這樣的結構設置，便於生產加工。
圖12所示的是換熱管截面形狀在扁平狀換熱管的基礎上，將兩個相對的長 邊設置為呈由內向外凸起的弧形，即將不鏽鋼換熱管的四個表面均設置成由內 向外呈弧形凸起的圓弧面；長邊的圓弧半徑遠遠大於短邊的半徑，這樣可以避 免長邊出現表面"塌陷"的現象；其餘部分與扁平狀換熱管相同。
圖13所示換熱管的截面形狀為橢圓形。橢圓形的長軸和短軸的比值小於4, 其餘部分與扁平狀換熱管相同。
實施例/V
本實施例是實施例一的改進，是實施例一的優化。在本實施例中實施例一 中所述的換熱管為外表面帶有螺旋凹槽的不鏽鋼管，所述的螺旋凹槽為連續設 置或斷續設置，所述的螺旋凹槽的螺旋升角為8-75度之間，所述的螺旋凹槽 的槽截面為V形或圓弧形。
如
圖14所示，為一種帶有螺旋凹槽21的圓型換熱管，該換熱管可以通過 改變槽型、螺旋升角和槽深，達到一定的換熱效果。
在圖9所示的是帶有螺旋凹槽扁平型換熱管，該換熱管管體為不鏽鋼管體，換熱管的管體上分布有由外向內凸起的螺旋凹槽21;該螺旋凹槽可以為一條， 也可以為多條設置；該螺旋凹槽沿管體為連續設置，也可以為段續設置。凹槽 螺旋升角22在8 75度之間； 實施例九
本實施例是實施例八的改進，是實施例八的優化。在本實施例中實施例八 中所述的換熱管的螺旋凹槽的深度為0. 3-2毫米。
凹槽n的深度不小於0. 3附w。當廢氣通過這種換熱管時，遇到螺旋凸起部 位的阻礙作用，流動方向發生變化，產生複雜的二次流渦旋流動，同時在螺旋 凸起的後面也形成了渦旋，增大了廢氣的湍流度，尤其增大了對近壁區邊界層 的擾動，破壞或減薄了流體的邊界層，從而增強了換熱；同時，流體擾動的增 強使得臨界雷諾數降低，即從層流向湍流的轉變提早發生，強烈的湍流運動使 得汙垢在管內遭到了激烈的衝蝕，不易結垢，方便清洗。
以上只是顯示了本實用新型的幾種典型設計形式，其中關於換熱管的長度、 數目以及換熱管在殼體中的排列方式及殼體的形狀和冷卻劑進出口順序都可以 修改。雙U型迴路換熱器的應用，使對管內外流體的流動都起促進作用，提高 了換熱器的換熱效果，降低發動機燃燒的溫度，從而提高汽車發動機的排放性 能指標，滿足日益嚴格的環保法規的排放要求。
最後所應說明的是，以上僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡 管參照較佳布置方案對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應 當理解，可以對本實用新型的技術方案(比如殼體的外形、換熱管的截面形狀、 所述連續或斷續凹槽的數目等)進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型 技術方案的精神和範圍。
權利要求1、一種雙U型迴路換熱器，包括包容液體換熱介質的殼體、所述殼體中有多根通過熱氣體的換熱管、所述換熱管端頭焊接在管板上、所述前管板作為殼體一端堵頭焊接在殼體上，在殼體的一端焊接有連接熱氣體進出管道的法蘭、殼體的另一端焊接有封頭、在殼體的一側設有液體換熱介質進出的進水口和出水口，其特徵在於，在殼體內部安裝有促使液體換熱介質的流動路線形成U型路徑的折流板，在所述進水口和出水口上分別連接有進水管和出水管。
2、 根據權利要求1所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的換熱管 為直形換熱管，所述直形換熱管一端焊接在前管板上，直形換熱管的另一端焊 接在後管板上，所述的後管板焊接在殼體上。
3、 根據權利要求2所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的前管板 的中間有豎形凸起。
4、 根據權利要求1所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的換熱管 為U型換熱管，所述U型換熱管的兩端均焊接在一個管板上。
5、 根據權利要求1所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的進水口 和出水口的形狀為提領孔。
6、 根據權利要求5所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的進水口 和出水口的提領孔上分別連接有進水管和出水管，在所述的進水管和出水管上 分別連接有進水接管和出水接管。
7、 根據權利要求1所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的折流板 為有一大折彎的L型，L型的長邊接近頂端的位置開有矩形孔，L型的長邊頂端 位置有一小折彎，在L型的短邊上開有多個通過所述換熱管的孔。
8、 根據權利要求1所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的換熱管 的截面由兩個相對的短邊和兩個相對的長邊構成，其中，所述短邊呈由內向外 凸出的弧線或直線，所述長邊也呈由內向外凸出的弧線或直線，長邊和短邊之 間圓滑連接。
9、 根據權利要求1所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的換熱管 為外表面帶有螺旋凹槽的不鏽鋼管，所述的螺旋凹槽為連續設置或斷續設置， 所述的螺旋凹槽的螺旋升角為8 - 75度之間，所述的螺旋凹槽的槽截面V形或 圓弧形。
10、 根據權利要求9所述的雙U型迴路換熱器，其特徵在於，所述的螺旋 凹槽的深度為0. 3-2毫米。
專利摘要本實用新型涉及一種雙U型迴路換熱器，是用於汽車發動機廢氣再循環冷卻系統或發動機渦輪增壓系統的換熱器。本實用新型包括包容液體換熱介質的殼體、殼體中有多根通過熱氣體的換熱管、換熱管端頭焊接在管板上、前管板作為殼體一端堵頭焊接在殼體上，在殼體的一端焊接有連接熱氣體進出管道的法蘭、殼體的另一端焊接有封頭、在殼體的一側設有液體換熱介質進出的進水口和出水口，在殼體內部安裝有促使液體換熱介質的流動路線形成U型路徑的折流板，在進水口和出水口上分別連接有進水管和出水管。本實用新型使用簡單的折流板，促使液體換熱介質形成U型流動路線，使流體間換熱更充分，有效地提高了管內外流體之間的換熱能力，極大地節省了製造成本。
文檔編號F28D7/14GK201221907SQ20082007953
公開日2009年4月15日 申請日期2008年3月21日 優先權日2008年3月21日
發明者景建周, 景建坤, 湯俊潔, 沈董浩 申請人:北京美聯橋科技發展有限公司