CN101865013A - 翅片式换热器及包含该翅片式换热器的气冷式发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种翅片式换热器及包含该翅片式换热器的气冷式发动机，该翅片式换热器具有可与热量待交换的机体可传热地接触的翅片结构，其包括多个平面几何形状的翅片，所述翅片远离所述机体延伸，以在机体和周围传热流体之间传递热量。将翅片构造为具有表面轮廓以便促进在所述翅片上的周围传热流体的湍流，从而，促进所述机体和所述周围流体之间的热传递。翅片式换热器可用于发动机的空气冷却。

Description

翅片式换热器及包含该翅片式换热器的气冷式发动机

技术领域

本发明涉及一种翅片式换热器和包含该翅片式换热器的发动机，该翅片式换热器可有利地应用于发动机冷却。

背景技术

在发动机中，尤其是被设计为用作摩托车等的动力源的发动机中，已知地，在发动机气缸中发生的并且对车辆提供原动力的燃料燃烧过程也产生废热。必须去除此废热，否则发动机将变得过热。所产生热量的量很大程度上相当于发动机产生的功率，然后其至少一定程度上与车辆运行的加速度或速度相关。为此，发动机通常设置有冷却系统，该冷却系统可能非常复杂，以帮助排热。例如，发动机可设置有液体冷却系统，例如水冷系统，这导致由于制造配水管道来冷却发动机而增加成本。水泵是附加的成本项目。在这种情况中，气冷式发动机具有成本优势。在这种情况中，可提供装置以通过对流增加从发动机传递至周围空气中的热量，其具有车辆将穿过空气的优点。在发动机是气冷式发动机的情况中，从发动机至空气的对流传热是发生这种热传递的主要机制，并且，典型地，通过使用冷却风扇进行强制对流可增强此热传递。也可能发生一些辐射热传递。

为此，发动机(或更具体地，气缸体(engine block)和/或气缸盖)典型地设置有散热片结构形式的翅片式换热器，该散热片结构包含大量散热片，以增强这种对流热传递。翅片典型地采用平面几何形状的细长翅片的形式，其基本垂直于气缸体或气缸盖的长轴从气缸体或气缸盖伸出。对于一种形式的发动机，也许可提供六个这种翅片。对于大多数类型的发动机应用，这种冷却设备是有效的。日本专利公开JP 62-186042中公开了一个实例，其公开了一种具有翅片的散热片结构，该翅片包含单个弧度曲线(sweeping curve)，该弧度曲线被提供为增加翅片硬度并减弱每个翅片的振动或共振。图1示出了JP 62-186042的散热片的几何形状。

然而，可能有某些这样的发动机应用：预计可能从发动机气缸输出更大的热量。这种应用可能包括更高性能的四阀单气缸四冲程发动机的冷却，包括由申请人开发的具有双火花塞的发动机。随着发动机的特定功率输出的增加(即，每单位发动机位移或容量有更多的功率输出)，产生更多的热量，从而，在此情况中对于增加的热传递，要求有效地进行冷却。

发明内容

本发明的一个目的是，提供一种具有改进的热传递效率的翅片式换热器，其可应用于发动机冷却，也可应用于其它热传递应用。

本发明的另一目的是，提供一种具有翅片式换热器的气冷式发动机，该翅片式换热器具有散热片结构，与传统的散热片结构或翅片式换热器相比，所述散热片结构增强远离发动机的对流热传递。

在第一方面中，本发明提供一种具有翅片结构并包括多个平面几何形状的翅片的翅片式换热器，所述翅片结构与热量待交换的机体可传热地接触，所述翅片远离所述机体延伸，以在机体和周围传热流体之间传递热量，其中，将所述翅片构造为具有表面轮廓，以便促进在所述翅片上的周围传热流体的湍流，从而，促进所述机体和所述周围流体之间的热传递。

有利地，将翅片构造为具有包括多个褶皱或起伏的表面轮廓。这些褶皱或起伏可在离机体最远的翅片边缘和离机体最近的翅片边缘之间的距离的整个部分或主要部分上有效地蔓延。

可参照从由褶皱的数量、形状、深度和方向组成的组中选择的至少两个参数来构造褶皱或起伏，以增强在翅片上通过的流体流的湍流以及翅片和周围传热流体之间的对流热传递。

褶皱或起伏可具有拉平的底部，所述底部具有以恒定的或稍微变化的倾斜角远离沿底部而过的线延伸的壁。

理想地，每个翅片在从所述机体向外的方向上具有锥形构造，所述锥形构造在翅片和机体之间的连接处的横截面面积比远离机体的翅片的边缘处的横截面面积大。

最主要的热传递操作可以是自然的或强制的对流。期望地，为了降低成本，机体和周围流体之间的对流不是通过风扇强制实现的。

有利地，机体可以是发动机，传热流体可以是空气。然而，不排除其它机体和流体，以及其它热传递应用。以下描述可用于那些其它应用，细节上已作必要改动(mutatis mutandis)。重要地，翅片式换热器具有下面描述的结构特征。

在第二方面中，本发明提供一种气冷式发动机，其包括：

(a)气缸体(engine block)；

(b)气缸盖；

(c)至少一个由气缸体和气缸盖容纳的气缸，当发动机运行时该气缸产生热量；以及具有散热片结构的翅片式换热器，所述散热片结构包括多个远离气缸体和气缸盖中的至少一个延伸的平面几何形状的散热片以便远离发动机传递热量，其中，将所述散热片构造为具有表面轮廓，以便当所述发动机运行时促进在所述散热片上的周围空气的湍流，从而，促进从发动机到周围空气的热传递。

通过“用空气冷却”发动机的需求，意图是，对流热传递是将热量从发动机传递至周围空气的主要机制。这种对流热传递可以是自然的或者强制的，例如，通过在每个散热片上产生气流的冷却风扇。在特别优选的实施方式中，不提供冷却风扇；气流经过发动机，并且对流不是由冷却风扇强制实现的，在此情况中，可简单地通过包括发动机的车辆穿过空气的运动产生冷却气流。这节省了冷却风扇的成本。此外，虽然优选地避免，但是不排除提供水冷或其它液体冷却。

典型地，发动机或其它机体可设置有包括多个翅片的翅片结构，可根据发动机设计标准(例如，容量、功率输出和应用)将所述翅片构造为具有表面轮廓和面积。有利地，发动机是用于摩托车的四冲程顶阀式发动机(four stroke valve in head)。这种发动机可包括多个(有利地，两个)火花塞。

翅片结构中的翅片被有效地布置为翅片组，并且，当在侧面上看时，翅片可具有层叠的波状外观。有利地这些翅片被提供给发动机应用中的气缸体和气缸盖，并且，这些翅片远离气缸体和/或气缸盖的竖直轴线近似垂直地延伸。

有利地，不管发动机是单缸还是多缸发动机，每个翅片可被构造为具有包括多个褶皱或起伏的表面轮廓，例如从翅片侧面看。设置这种褶皱和起伏可对每个翅片提供波状外观，该波状外观形成用于空气在相邻散热片之间通过的大约盘旋形流径，相邻翅片上的褶皱形成限制冷却气流的表面。不能简单地弯曲每个翅片来增加硬度并减弱振动或共振。另一方面，褶皱不是在褶皱或起伏的底部处角度出现急剧变化的V形凹槽，这种V形凹槽使制造复杂并且不能给予必需的湍流度。褶皱或起伏的深度足以在与散热片交叉的空气中导致湍流。

褶皱或起伏可在离发动机最远的翅片边缘和离发动机最近的翅片边缘之间的距离的整个部分或主要部分上蔓延。每个翅片的最近边缘与气缸体和/或气缸盖在连接处连接，从而，可将热量通过该连接处从气缸体/气缸盖(“发动机机体”)传递至散热片组。优化该连接处的表面积，以使机体和每个翅片之间(例如，从发动机至每个散热片)的热传递最大，这取决于该连接处的表面积。还可理解，形成带有多个褶皱或起伏的每个翅片会增加与发动机的连接处的表面积，并由此增加热传递面积。在本说明书的后面，使用术语“褶皱”，而不使用“褶皱或起伏”的表达。

有利地，每个翅片在从机体(例如，气缸体或气缸盖)向外的方向上具有锥形构造，该锥形构造在机体之间的连接处的横截面面积比远离机体的翅片的边缘处的横截面面积大。在一个发动机应用中，每个翅片在气缸体或气缸盖和翅片之间的连接处的横截面面积比远离气缸体或气缸盖的翅片的边缘处的横截面面积大。

气缸体和气缸盖可形成为一体(即整体成形)，或形成为多个部分，根据制造观点最佳地判断为铸造在一起或分开。在装配中，或整体成形中，气缸体和气缸盖形成本说明书中所指的“发动机机体”。

参照从由褶皱的数量、形状、深度和方向组成的组中选择的至少两个参数来构造翅片的褶皱本身，以增强在翅片上通过的气流中的湍流以及翅片和周围空气之间的对流热传递。深度需要是足够以导致湍流，这(与适当的褶皱形状一起)赋予翅片波状外观和相邻翅片之间的传热流体(典型地是空气)的盘旋形的涡流路径。

褶皱的方向可以是当发动机运行时与翅片上的气流的主要方向交叉的方向，例如，垂直或基本垂直。虽然褶皱可采用正弦曲线形式，但是，更有利地，采用稍微尖锐的几何形状形式，因为这可增强湍流和对流热传递。

为此，褶皱可具有拉平的底部，其具有以恒定的或稍微变化的倾斜角远离沿底部而过的线延伸的壁。也就是说，如果褶皱不是简单弯曲的或正弦曲线的，那么这是令人期望的，因为这会增加发动机机体和每个翅片之间的接触长度，并增加暴露于空气且与发动机机体连接的连接处的热传递表面积。褶皱的具有足够深度的内尖角(squared corners)也可帮助促进湍流和对流热传递。

也选择褶皱的数量，以增加翅片的表面积并增强对流热传递。褶皱的数量比发动机中的气缸的数量大，有利地，明显大。因此，对于具有气缸体的单缸发动机(示意性地认为具有四个侧边)，气缸体的每侧的褶皱数量将明显大于一个，优选地大于四个，更优选地大于八个，最优选地大于十二个。对于具有发动机机体的双缸发动机(示意性地认为具有四个侧边)，气缸体的每侧的褶皱数量将明显大于两个，优选地大于八个，更优选地大于十二个。对于其它几何形状的发动机机体，可在气缸数量的基础上设计类似的多个褶皱。

从几何角度看，从每个气缸朝着发动机机体的一侧的图形投影，可形成与每个翅片交叉的平面。与此平面相对地看，将是多个褶皱或起伏，在横截面上有效地观察每个翅片。通过增大表面积和翅片上的湍流气流，此多个褶皱促进从该气缸或每个气缸的热传递，这也促进发动机机体和周围空气之间的对流热传递。

在气缸体通常采用偏菱形或平行六面体形状的情况中(纵向程度上逐渐变细或不变细)，可以理解，为了制造方便的目的，可在平行六面体的转角区域中省略褶皱或改变其构造。在冷却运行中，对相邻散热片之间的冷却气流路径形成入口和出口区域的转角区域中的平面构造，还导致与相邻冷却板之间的优选盘旋形涡流路径不同的改变。

每个翅片的褶皱结构还增加硬度，该硬度在现有技术发动机中使用的非褶皱翅片构造的基础上增加。因此，散热片之间的橡胶隔振体可以不是必需的，并且可被去除，具有潜在的成本优势。这还增加了冷却效果，因为这些隔振体减小与空气接触的表面积并且还阻止散热片的其它零件上的气流。在一些构造中，这可能使得，比后面的平翅片构造提供更少的散热片。例如，在一个发动机冷却应用中，申请人要求6个平散热片。对于具有褶皱的构造，将散热片的数量减少至5个。

如上所述的翅片式换热器适合于包括火花点火发动机的气冷式发动机，尤其是上述那些四冲程类型的发动机。这种发动机可具有2，3或4个阀，取决于所期望的发动机的性能特性。由申请人开发的更高性能的四冲程发动机具有4个阀和显然很大的热输出。冷却系统可尤其有利地应用于小缸径发动机，即容量在70cc至250cc之间且气缸内径在45mm至70mm之间的发动机，其中，该发动机具有两个，三个或多个阀。发动机可以是燃料喷射的或使用化油器的。从可用铸铁衬垫和铝缸体减轻重量的观点来看，如上所述设置有散热片的发动机是有利的。

在最后一个方面中，本发明提供了一种使用如上所述的翅片式换热器在机体和周围传热流体之间传递热量的方法。最有利的应用是通过对流热传递在发动机的空气冷却中的应用。

附图说明

参照附图，通过本发明的翅片式换热器和发动机的优选实施方式的以下描述，可更充分地理解本发明，其中：

图1是根据现有技术的发动机的气缸体的侧视图。

图2是根据本发明的优选实施方式的具有翅片式换热器的发动机的气缸盖的侧视图，翅片式换热器具有带有多个翅片的散热片结构，翅片被构造为具有多个褶皱。

图3A是根据本发明的优选实施方式的具有翅片式换热器的发动机的气缸体的侧视图，翅片式换热器具有带有多个翅片的散热片结构，翅片被构造为具有多个褶皱。

图3B是图3A中的褶皱的局部放大图。

图4A示出了分别如图2和图3A所示的发动机的气缸盖和气缸体的组件。

图4B是图4A中的褶皱的局部放大图。

图5示出了摩托车上的本发明的优选实施方式的气缸盖和包含翅片式换热器的气缸体的组件的安装。

图6是根据本发明的优选实施方式的发动机的等距视图，其示出了气缸盖(上盒)和气缸体(下盒)。

具体实施方式

参照图2至图4B，示出了用于摩托车200的四阀单缸四冲程小缸径发动机100的形式的发动机，其具有气缸体10和气缸盖11。由于发动机具有位于气缸盖11中的阀，所以该发动机是顶阀式发动机。由于发动机100产生很大的热输出，所以提供翅片式换热器以增强发动机100和周围空气之间的热传递。在发动机100的空气冷却的过程中，通过主要由热量从发动机100至周围空气的对流传递的机制产生的冷却进行换热，周围空气由此用作传热流体。

翅片式换热器包括散热片结构，并且，如将观察到的，发动机100的气缸体10和气缸盖11分别设置有散热片的组(banks)12和13，其远离由气缸体10和气缸盖11包括的发动机机体而延伸。散热片12，13不整体成形，即，为了易于制造并降低发动机制造的成本，通过锻造气缸壁来形成。如可从图2至图4B看到的，每个散热片在从气缸体10和气缸盖11向外的方向上具有锥形构造，每个散热片在气缸体10或气缸盖11和翅片之间的连接127处的横截面面积比翅片125的远离气缸体10或气缸盖11的边缘126处的横截面面积大(请注意，在图4B中将尺寸A与尺寸B进行比较)。

对于气缸盖11，散热片组12包括6个翅片，对于气缸体10，散热片组13包括5个翅片。这些翅片用来促进对流热传递，以将热量从发动机100分散至空气中。

翅片组12和13中的每个散热片125具有平面几何形状，并被构造为具有包括多个褶皱14的表面轮廓，从而，如附图所证明的，当从侧面看时，每个翅片具有起伏或波状形状。当在侧投影中看时，存在大量褶皱(即，有四至五个褶皱)，该侧投影在从发动机100投影的虚平面中示出了褶皱。如可从图1注意到的，不存在褶皱14来增强设置于气缸体10和气缸盖11的转角105处的湍流。另外，进气歧管111和其它发动机管道不被散热片12和13阻碍，或不需要设置散热片12和13。容纳火花塞的端口117类似地位于靠近散热片1260的非褶皱部分(见图6)。

每个褶皱14的形状和深度影响对流热传递效率，因为褶皱增加由散热片组12和13组成的散热片结构中的翅片的热传递面积。褶皱14的深度足以使散热片组12和13产生波状外观和用于使冷却空气通过形成于相邻散热片之间的通道的盘旋形涡流，此流径在图2和图4B中示出。每个散热片由用于发动机的散热片结构的传统构造材料制成。金属材料是优选的。从图中也可观察到用于翅片组12和13中的每个中的翅片的锥形构造。也就是说，每个散热片在发动机100和翅片125之间的连接127处的横截面比远离发动机的每个翅片的边缘126处的横截面大。这提供更大的热传递面积，以导致热流远离发动机。每个褶皱14在离发动机100最远的每个翅片的边缘和离发动机100最近的每个翅片的边缘之间的距离的整个部分上蔓延，如图4A、图4B和图6所示。

图4A示出了整个发动机100中的气缸盖11和气缸体10的组件。此组件安装在摩托车200的车架201上，如图5所示。当摩托车200移动或处于运行状态时，对具有气缸体10和气缸盖11的发动机100定向，使得每个翅片组12和13中的每个翅片的褶皱14与翅片上气流的期望的主要向量垂直或基本垂直。应当注意，摩托车200不包含冷却风扇或依赖于强制对流的风扇，从而提供成本优势。当摩托车穿过空气时，简单地通过空气流过摩托车200的运动，导致冷却空气流过散热片。

在此情况中，空气的流动用箭头202表示。由于褶皱具有带有拉平底部的圆形形式，所以，与笔直的翅片相比，其具有更大的表面积，同时具有增强气流202中的湍流的形状和深度，因为强制气流202流入褶皱或起伏14，通过盘旋形流径，导致涡流或循环湍流，促进更好的对流热传递，而这导致发动机100的更好的冷却。空气通过散热片的输出气流用箭头203表示。在由相邻散热片的表面形成的通道的入口区域处的气流和出口区域处的气流之间的气流的方向没有明显的变化。在图2和图4A的发动机机体的左部和右部，入口和出口区域用水平箭头表示。

每个散热片的褶皱结构还提供硬度，并且，与平翅片或笔直翅片构造相比，使得散热片结构不易于受到车辆振动。因此，去除散热片之间的橡胶隔振体。这改进了冷却效果，因为这些隔振体减少了翅片与空气接触的表面积。另外，通过省略这种隔振体的需求，可能实现节约成本。

申请人已将使用根据本发明的换热器冷却的发动机和具有非褶皱平翅片的发动机的冷却性能进行比较，所述换热器具有特定结构和布置的褶皱翅片，例如将它们加入摩托车200中。在具有相同热输入、尺寸和相同风速或气流速度的四阀四冲程摩托车发动机上进行的实验被保持。已观察到以下结果：

1.与笔直翅片或平翅片相反，褶皱翅片的表面积增加大约4.5％。

2.与笔直翅片或平翅片结构相反，褶皱翅片结构的对流热传递的共同有效性增加14.5％。

3.在沿着衬垫(liner)长度的单位间距上消散的热量增加16.3％。

由于热传递效率增加，所以，与具有传统的平/笔直形状的翅片的数量相比，这种布置所需要的散热片的数量更少。这将有助于减少发动机重量。

作为替代方式，发动机100可设置有具有褶皱或起伏翅片的气缸体和具有笔直翅片的气缸盖，或者反则反之。

此公开内容的本领域技术人员将理解本发明的翅片式换热器和发动机的修改和变型。这种修改和变型被认为是在本公开的范围内。例如，将理解，根据本发明的翅片式换热器可在除了汽车应用以外的应用中使用。

Claims (20)

1.一种翅片式换热器，其具有可与热量待交换的机体可传热地接触的翅片结构，并且所述翅片式换热器包括多个平面几何形状的翅片，所述翅片远离所述机体延伸，以在所述机体与周围传热流体之间传递热量，其中，将所述翅片构造为具有表面轮廓，以便促进在所述翅片上的周围传热流体的湍流，从而促进所述机体与所述周围流体之间的热传递。

2.根据权利要求1所述的换热器，其中，将所述翅片构造为具有包括多个褶皱或起伏的表面轮廓。

3.根据权利要求1或2所述的换热器，其中，每个翅片在从所述机体向外的方向上具有锥形构造，所述锥形构造在所述翅片和机体之间的连接处的横截面面积比所述翅片的远离所述机体的边缘处的横截面面积大。

4.根据上述权利要求中任一项所述的换热器，其中，所述机体和周围流体之间的对流不是由风扇强制实现的。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的换热器，其中，所述褶皱或起伏在翅片的离机体最远的边缘与翅片的离机体最近的边缘之间的距离的整个部分或主要部分上蔓延。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的换热器，其中，参照从由褶皱的数量、形状、深度和方向组成的组中选择的至少两个参数来构造所述褶皱或起伏，以增强在翅片上通过的流体流中的湍流以及所述翅片与周围传热流体之间的对流热传递。

7.根据权利要求6所述的换热器，其中，所述褶皱或起伏(14)具有拉平的底部，所述底部具有以恒定的或稍微变化的倾斜角远离沿底部而过的线延伸的壁。

8.一种气冷式发动机(100)，包括：

(a)气缸体(10)；

(b)气缸盖(11)；

(c)至少一个由所述气缸体(10)和气缸盖(11)容纳的气缸，当所述发动机(100)运行时该气缸产生热量；以及

(d)具有散热片结构的翅片式换热器，所述散热片结构包括多个远离气缸体(10)和气缸盖(11)中的至少一个延伸的平面几何形状的散热片(12，13)以便远离所述发动机(100)传递热量，其中，将所述散热片(12，13)构造为具有表面轮廓，以便当所述发动机(100)运行时促进在所述散热片(12，13)上的周围空气的湍流，从而，促进从发动机(100)到周围空气的热传递。

9.根据权利要求8所述的发动机，其中，将所述翅片(12，13)构造为具有包括多个褶皱或起伏(14)的表面轮廓。

10.根据权利要求8或9所述的发动机，其中，每个散热片在从气缸体或气缸盖向外的方向上具有锥形构造，所述锥形构造在翅片与气缸体或气缸盖之间的连接处的横截面面积比翅片的远离气缸体或气缸盖的边缘处的横截面面积大。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的发动机，其中，从发动机的对流不是通过风扇强制实现的。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的发动机，其中，所述褶皱或起伏(14)在散热片的离发动机(100)最远的边缘与散热片的离发动机(100)最近的边缘之间的距离的整个部分或主要部分上蔓延。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的发动机，其中，参照从由褶皱的数量、形状、深度和方向组成的组中选择的至少两个参数来构造所述褶皱或起伏，以增强在翅片上通过的流体流中的湍流以及从所述翅片到周围传热流体的对流热传递。

14.根据权利要求13所述的发动机，其中，所述褶皱或起伏(14)具有拉平的底部，所述底部具有以恒定的或稍微变化的倾斜角远离沿底部而过的线延伸的壁。

15.根据权利要求13或14所述的发动机，其中，将所述褶皱或起伏(14)的数量选择为明显大于发动机(100)中的气缸的数量。

16.根据权利要求15所述的发动机，其中，在气缸体(10)和气缸盖(11)的角部区域中，可省略褶皱或起伏(14)，或改变其构造。

17.根据权利要求8至16中任一项所述的发动机，所述发动机是四冲程顶阀式发动机。

18.根据权利要求17所述的发动机，所述发动机是小缸径发动机。

19.一种使用根据权利要求1至7中任一项所述的翅片式换热器在机体与周围传热流体之间传递热量的方法。

20.一种使用根据权利要求8至18中任一项所述的翅片式换热器来空气冷却发动机的方法。

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