CN103703238A - 用于对废气进行冷却的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对气体进行冷却的热交换器，该热交换器主要能够在具有浮动芯部的EGR系统中应用。在壳体和容纳在该壳体中的气体导管的芯部的运行期间获得的温差引起了同样不同的膨胀度。如果两个部件的端部被固定至彼此，则将产生导致其断裂的应力。所应用的常见方案是保留导管的芯部的端部中的一个浮动，即具有相对于壳体纵向位移的能力，以防止应力的产生。芯部的浮动端部具有借助于O形环衬垫的附接。O形环衬垫由不能到达非常高温度的弹性体制成，因此在现有技术中，浮动附接是在已经被冷却的气体离开的侧面上的。本发明的特征在于对芯部是浮动的端部与壳体进行附接的特定方式，以便允许热气体进入的端部成为浮动是浮动附接的端部。

Description

用于对废气进行冷却的热交换器
技术领域
本发明涉及用于对气体进行冷却的热交换器，该热交换器主要能够在EGR(废气再循环)系统中应用，在EGR系统中燃烧发动机的燃烧气体在被再引入到入口中之前冷却。
在此类型的交换器中，使用容纳了导管(duct)的芯部(core)(待被冷却的气体通过其流动)的壳体是常见的。在壳体和导管的芯部之间存在冷却流体通过其流动的空间。壳体与冷却流体直接接触，并且导管的芯部与待被冷却的热气体接触。由两个部件在运行期间获得的温差(difference in temperature)引起了同样不同的膨胀度。如果任一部件的端部被固定至彼此，则将产生导致其断裂的应力。所应用的方案是保留导管的芯部的端部中的一个浮动(floating)，即具有相对于壳体纵向位移的能力，以防止应力的产生。
芯部的浮动端部具有借助于O形环衬垫(O-ring gasket)的附接。该O形环衬垫由不能达到非常高的温度的弹性体制成，因此在现有技术中，浮动附接(floating attachment)是在已经被冷却的气体离开的侧面上的。
本发明的特征在于对芯部是浮动芯部的端部和壳体进行附接的特定方式，以便允许热气体进入的端部成为附接是浮动附接的端部。
背景技术
在设计用于车辆燃烧发动机的部件时，可用空间小是很大的限制，这经常要求对一些车辆燃烧发动机的部件的构造和布置进行重新设计。
逐渐并入发动机中且必须放置在相同空间中的部件在数量和类型上的增加，使得这种限制更糟糕。这是EGR系统的情况：EGR系统将朝向入口的一部分废气进行再循环，用于使不含氧的气体注入燃烧室中，并以此降低所产生的氮氧化合物的百分比。
在燃烧之后离开的气体处于高温下，使得在将此气体的一部分再引入到入口中之前有必要使其温度降低。这种气体的温度通过使用热交换器来降低。该热交换器指引两种流：待被冷却的气体流和冷却流体流，该冷却流体流从气体去除热量以使其温度降低。
气体流循环通过由冷却流体环绕的导管的芯部。冷却流体在管的芯部和交换器的外部壳体之间流动。两种流均具有其恰当连接的入口或出口，使该交换器与发动机的导管连通，借助于合适的连接装置对两种流进行分配。
当导管的芯部从静止至运行、对热气体进行冷却时，导管的芯部(气体通过其循环)经历着极大的温度变化。这些温度变化导致导管的芯部的膨胀或收缩。这种膨胀在较小的程度上于壳体中产生，因为该壳体主要与冷却流体接触。待被冷却的热气体质量流量(mass flow)是高的，因此导管的芯部的尺寸并且尤其是其长度是重要的，并且其膨胀可能导致长度方面的极大增加。在壳体中并且在导管的芯部中的温差引起不同的膨胀度。如果两个部件的端部均被固定，这将引起非常高的应力并且引起零件的断裂。
通常应用的方案是对芯部和壳体的端部中的一个进行固定，而两个部件的另一个端部均借助于浮动附接而固定，从而允许这两个部件中的一个相对于另一个的相对纵向位移。固定附接通常通过凸缘而完成。芯部、壳体以及容纳在壳体和芯部之间的冷却流体的重量是非常高的，因此凸缘是相当庞大的部件，以便能够提供足够的结构强度。
交换器的另一个端部具有在芯部和壳体之间的浮动附接，导管的芯部会聚(converge)入歧管(manifold)中，该歧管根据具有确定尺寸的套管(bushing)延伸，该套管被适配于布置在壳体中的另一个更大的套管内侧。防止冷却流体离开的O形环衬垫被放置在这两个套管之间。O形环衬垫将横向方向上的运动限制直到某个点。纵向方向未受阻碍，并且由于O形环衬垫的滑动，在两个套管之间的轴向或纵向位移是可能的。
内部套管与气体直接接触，芯部的歧管通过该内部套管而被延长。O形环衬垫由弹性体制成，该弹性体无法承受与金属承受的温度一样高的温度。O形环衬垫通常在180℃之上降解(degrade)。这种限制意味着，在现有技术中热交换器的浮动端部对应于被冷却的气体的出口，在该出口处气体的温度是较低的。
在发动机所处的腔体中的部件的某些布置妨碍了容纳用于交换器的固定固接(fixed fixing)所需要的体积，该固接并非是浮动的，并且其不能与浮动区域进行交换，因为在浮动端部处(此处体积较小)使冷的入口和热的入口进行交换将由于过高的温度而引起O形环衬垫的降解。
本发明通过下述解决了该技术问题：通过修改热气体入口中的构造，从而允许热气体在交换器的导管的芯部是浮动芯部的端部处进入。
发明内容
本发明的第一方面是一种热交换器，其允许解决前述的问题，从而使得固定附接是在被冷却的气体离开的端部处，并且浮动附接是在待被冷却的热气体进入的端部处。此第二浮动端部占据更少的体积，并且允许在某些情况下能使交换器安装在有限的空间中，否则其将不可能被引入。
本发明的交换器包括：
·壳体，在壳体中容纳了用于使待被冷却的气体通行的一根或多根导管的芯部，其中在芯部和壳体之间存在空间，该空间具有用于使冷却流体流进入和离开的通路开口(access opening),并且其中：
·芯部具有用于使热气体进入的一个端部，以及用于使被冷却的气体离开的另一个端部，这些端部中的一个相对于壳体被固定，并且另一个端部还相对于壳体浮动，用于膨胀补偿。
如在现有技术中的那样，本发明的交换器结合使用了壳体和放置在该壳体中的导管的芯部。导管的芯部允许待被冷却的气体通行。冷却流体与导管(气体通过导管穿过)接触，并且将热量去除以使其温度降低。液体在芯部和壳体之间。气体流和冷却流体流具有它们自己的独立的引导机构。
壳体与冷却流体接触，并具有比导管的芯部更低的温度，因为这些导管与在它们内部中的热气体接触。在运行模式下这种温差导致了两个部件之间的不同膨胀。为了避免导致断裂的应力，壳体和芯部根据在交换器的一个端部处的固定附接而被附接，并且在另一个端部处它们根据浮动附接而被附接，以允许该壳体和芯部中的一个相对于另一个的纵向位移。
·  芯部的浮动端部是意在用于使热气体进入的端部，并且固定端部是意在用于使被冷却的气体离开的端部。
不同于现有技术，热气体通过其被引入的端部是浮动端部。如将在下文的技术规则(technical rule)中所见，这是可能的，因为浮动附接以特殊的方式被保护。
·  芯部的浮动端部具有用于将导入的(incoming)气体分配至芯部的一根或多根导管中的歧管，并且根据在其入口处的套管而被延长。
用于导入的热气体的入口必须通过导管的芯部的一根或多根导管进行分配。对其而言优选的是通过所有的导管进行分配，利用最长的可能的交换区域以去除热量。从入口进入导管或多根导管的分配借助于歧管来实施，其中在本发明的优选实施例中，该歧管将可见为具有分叉(diverging)形状。此歧管在其端部处借助于被称为套管的部分(sector)(这是识别该部分的方式)而延伸，在该套管上允许附接为浮动附接的衬垫将被支承。
·  在芯部的浮动端部和壳体之间的浮动附接是借助于将一个或多个衬垫插入歧管的套管和壳体之间进行的。
在歧管的套管和壳体之间存在空间，该空间允许存在横向位移(芯部的导管的优选方向被视为纵向参照)，并且也允许存在两个部件之间的纵向位移。尽管交换器的另一个端部相对于导管的芯部以固定的方式连结壳体，但是通过芯部的弯曲，横向位移是可能的，例如由于这些管之间的震动或温差。纵向位移是可能的，例如通过膨胀。
衬垫或多个衬垫插入此空间中。这些衬垫防止壳体和芯部的歧管的套管之间的相对横向位移，但它无法防止纵向位移，因此这种附接被称为是浮动附接。
衬垫不但防止横向位移，而且它们也防止在芯部和壳体之间的冷却流体发生泄露。
·  交换器额外地具有引导护罩，用于将来自入口的热气体朝向歧管的内部腔体引导，从而使得在护罩和歧管的套管之间存在用于保护衬垫免于受热的停滞空间(stagnation space)。
如果该护罩不在此处，则导入的气体将与套管直接接触，将其温度传递至套管，并且后者转而传递至衬垫。气体的入口温度将引起衬垫中的温度上升，这将最终使衬垫降解并且致使装置无法运行。
护罩的出现允许将气体朝向歧管的内部腔体引导，从而避免了与套管的直接接触。不但避免了直接接触，而且在护罩和套管之间产生了流的速度几乎为零并因此被认为是停滞的空间。通过引入停滞气体，护罩和套管之间的热传递(heat transfer)是间接的，并且因此套管的温度是较低的，直到它达到衬垫不会恶化的值。
从属权利要求2至7以及由从属关系造成的结合建立了具体的实施例，这些实施例被认为是参考本说明书而并入。
本发明的第二方面是在根据权利要求8的热交换器中的壳体和芯部之间的附接方法，该权利要求8与从属权利要求9一起参考说明书而并入。根据此附接方法，衬垫所处的区域的温度被降低，因为导入的热气体流借助于护罩被引导而超过了套管的位置，该护罩保留了放置在护罩和套管之间的流中的停滞区域。
附图说明
参考附图从以下详细描述的优选实施例，将更好地理解前述和其他的特征及优势，这些附图仅以图示且非限制性实例的方式给出。
图1示出了根据本发明的第一实施例的热交换器的分解透视图。壳体、用于对气体进行冷却的导管的芯部，以及该装置的歧管和支承件在此图中可见。
图2示出了图1中在附接是浮动附接的端部处的气体导管的芯部和壳体之间的附接区域的实施例的部分横截面。
图3示出了在附接是浮动附接的端部处的气体导管的芯部和壳体之间的附接区域的第二实施例的部分横截面。
具体实施方式
本发明涉及用于在EGR系统中的应用的热交换器，在EGR系统中燃烧气体的一部分再次被引导至燃烧室，以降低氧含量并且因此降低氮氧化合物(NOx)的排放。这些气体必须首先被冷却。热交换器，诸如本发明的热交换器，允许实现此功能。
现有技术和本发明的描述已讨论了空间问题，在确定的情况下，该空间问题涉及在壳体和芯部之间的固定支承，该固定支承与处于在相同元件之间的附接是浮动附接的端部处的支承相比具有更大的体积，并且这种支承在热气体入口处具有更大的体积。
本发明的交换器允许在壳体和芯部之间的浮动附接定处于热气体入口处。
图1示出了本发明的第一实施例，其中大多数部件在分解透视图中示出。出于清晰的目的，螺栓、联接到该装置上的导管以及其他附件已被去除。
图1示出了形成壳体(1)的本体，壳体(1)在其中容纳了由导管的组合(packing)形成的芯部(2)，在此情况下导管为中空的区段部分(section sector)(2.3)。
在壳体(1)的一个端部(根据在图中所使用的指向的左端)处，存在热气体入口(1.2)。此热气体入口(1.2)处于盖体(1.4)中，盖体(1.4)在此端部处封闭了壳体(1)的内部腔体的空间。
具有机座(1.1)的开口在壳体(1)的相对置端部处，该机座(1.1)意在用于接收芯部(2)。
在此图1中示出的邻近部件是芯部(2)。用于将芯部(2)嵌入壳体(1)中的方向和指向以两个短箭头示出。
芯部(2)的主体由具有优选纵向方向的导管的组合形成。在图的左侧上的芯部(2)的端部处，多根导管会聚入歧管(2.1)中，该歧管(2.1)转而在套管(2.1.1)中延伸。一旦芯部(2)被引入壳体(1)中，此套管(2.1.1)在下文将描述的状态下到达进入壳体(1)的热气体入口(1.2)。
在此实施例中，套管(2.1.1)是圆柱形元件，热气体通过其进入。O形环衬垫(3)被示出为在该套管(2.1.1)的外表面上，该O形环衬垫(3)将构建在芯部(2)和壳体(1)之间的密封，以防止冷却流体离开。
一旦热气体通过套管(2.1.1)进入，歧管(2.1)将该热气体通过形成组合的一组导管进行分配，以增大用于气体和围绕该组合的冷却流体之间的热交换的热交换表面。
在气体被冷却之后，该气体到达在其离开的相对置端部。该相对置端部在图中的右侧上示出，并且其还示出了在嵌入之后被支承在壳体(1)的机座(1.1)中的凸缘(2.2)。在凸缘(2.2)的两侧上，该分解的图形描绘(graphic depiction)示出了衬垫(4, 5)，这些衬垫(4, 5)既确保了凸缘(2.2)在一侧上与壳体(1)的机座(1.1)的适当密封，又确保了凸缘(2.2)在另一侧上与最后示出的零件(即气体出口歧管(6))的机座(6.2)的适当密封。
在被冷却的气体穿过芯部(2)的组合的导管之后，气体出口歧管(6)接收该被冷却的气体。在此特殊情况下，该图示出了出口(6.1)，但其具有用于需要第二流的特殊应用的另一个出口。
图2示出了此相同的实施例中的壳体(1)和芯部(2)之间的浮动附接所布置的区域中的横截面。
同样沿着在图中示出的指向，盖体(1.4)在左侧的横截面中描绘，热气体入口(1.2)(未在此截面中示出)处于盖体(1.4)中。该热气体进入到达由护罩(7)引导的歧管(2.1)内侧的腔体(C)。歧管(2.1)具有分叉形状，这允许将热气体分配至每一个区段部分(section sector)(2.3)，这些区段部分(2.3)产生了气体将被冷却的导管。
护罩(7)是起始于平面构造的零件，其被适配在盖体(1.4)和壳体(1)的主体之间的机座中。密封此机座的衬垫(8)在护罩(7)的机座的两侧上是被区分的。护罩(7)从此平面朝向右侧延长，朝向圆柱形管状构造会聚，将从盖体(1.4)朝向歧管(2.1)的腔体(C)的导向延长。
如借助于图1所描述的那样，歧管(2.1)借助于套管(2.1.1)而被延长，该套管(2.1.1)在此实施例中是独立的零件。护罩(7)的圆柱形管状本体处于与由套管(2.1.1)形成的圆柱形本体同轴并且处于其内侧，在护罩(7)和套管(2.1.1)之间保留了空间(S)。此空间(S)与腔体(C)连通，尽管如此，由于该空间(S)是在一侧上封闭的腔体，因此不存在流，并且在运行模式下其中的状态是停滞的。
在护罩(7)的管状部分和套管(2.1.1)之间处于停滞状态下的气体体积的存在引起了下述事实：在两个本体之间的热传递仅通过自然对流和辐射进行，而非通过强制对流(更加有效地传递热)进行，保护第二套管(2.1.1)免受气体高温的影响。自然对流被理解为通过对流进行的传质现象(transport phenomenon)，对流主要由在其密度上具有变化的流体的重力场的促动(actuation)而引起，从而导致了在该流体的流体颗粒的浮性现象(buoyancy phenomenon)。这是由体积力导致的效应。强制对流被理解为在其中具有与上文所述的不同原因的传质现象，并且存在导致其移动的作用：压力梯度、移动表面的作用，或与由任意驱动机构施力的流进行的交互作用。为检验在任一情况下在热传递系数之间的数量级上的差异，在EGR冷却器的情况下，自然对流时的典型值是大约9W/m2℃，并且强制对流时的典型值可以是大约300W/m2℃。
由于套管(2.1.1)与衬垫(3)直接接触，在此实施例中衬垫是O形环衬垫，用于套管(2.1.1)和壳体(1)之间的附接和适配，因此衬垫(3)不再暴露于如此高的温度下，并且能够承受它们经受的起而不发生降解的温度。
在此实施例中，套管(2.1.1)示出了内部台阶形部(inner step)，该内部台阶形部封闭了在套管(2.1.1)和护罩(7)的管状部分的端部之间的空间，从而降低了通过由从护罩(7)通行至歧管(2.1)的内部腔体(C)的气体所产生的干扰引起的流动感应(flow induction)的可能性。因此，此台阶形部产生了套管的第一内部区段(2.1.1.1)和套管的第二内部区段(2.1.1.2)，该第一内部区段产生了停滞空间(S)，套管的第二内部区段(2.1.1.2)在护罩(7)的管状本体的端部处部分地封闭该停滞空间(S)。
该图示出了壳体(1)如何在内部具有槽(1.3)，在该槽(1.3)中容纳有O形环衬垫(3)，该O形环衬垫(3)转而负责抵靠套管(2.1.1)的外表面而被支承。在横截面中的衬垫(3)的描绘被示出为材料的侵入部分，因为这是描绘弹性元件的方式，该弹性元件被迫变形以便一旦在原型(prototype)中构建就处于其预期空间中。
图3示出了根据图2的相同区域的但是是本发明的第二实施例的横截面。
在本发明的此第二实施例中，获得了对O形环衬垫(3)所处的区域进行冷却的更高水平。由于套管(2.1.1)是允许对冷却剂的通道进行密封的零件，此密封准确地防止冷却流体从套管(2.1.1)去除热量。因此，第二实施例解决了冷却流体如何对套管(2.1.1)进行冷却的问题，以便由此也使O形环衬垫(3)中的温度降低。
技术方案由修改套管(2.1.1)的构造而组成，使得该套管(2.1.1)的截面示出为U形形状，其中U形形状的开口与冷却流体所在的外部腔体(E)(即芯部(2)和壳体(1)之间的空间)连通。
此时套管(2.1.1)的截面具有两个管状部分、U形的两个分支、外部管状部分和内部管状部分。外部管状部分支承O形环衬垫(3)，并且内部管状部分与停滞空间(S)接触。因此在两个管状部分之间存在冷却流体引入其中的额外空间(U)。因此，根据此第二实施例，在热气体和O形环衬垫(3)之间存在两个热屏障：停滞空间(S)和额外空间(U)。停滞空间(S)具有停滞气体，而额外空间(U)具有冷却流体。对于停滞空间(S)，可建议的是该停滞空间(S)具有与气体流的最小接触，并由此停滞状况是稳定的，从而防止了在高温下气体的进入，然而对于额外空间(U)，可建议的是该额外空间(U)与冷却流体流过的剩余体积的连通是尽可能大的，因为这将有助于去除热量。所观察到的是，这两个目标已在图3中所示的构造中实现。
尤其在此第二实例中，护罩(7)的管状部分被分解成第一会聚部分(7.1)和第二分叉部分(7.2)。分叉部分有助于与歧管(2.1)的已分叉部分的更平滑的过渡，从而降低了由于引起负压力梯度的膨胀所产生的湍流。对于通过冲压进行的较简单的制造，两个部分被制造成不同的零件，这些零件接着被附接到彼此上。
在此情况下，第二分叉部分也实现了将在其端部处的停滞空间(S)至歧管(2.1)的内部腔体的通道变窄，从而部分地将其封闭。

Claims (9)

1.一种用于对气体进行冷却的热交换器，其包括：
·   壳体(1)，在所述壳体(1)中容纳了用于使待被冷却的气体通行的一根或多根导管(2.3)的芯部(2)，其中在所述芯部(2)和所述壳体(1)之间存在空间，所述空间具有用于使冷却流体流进入和离开的通路开口，并且其中
·   所述芯部(2)具有用于使热气体进入的一个端部，以及用于使被冷却的气体离开的另一个端部，这些端部中的一个相对于所述壳体(2)被固定，并且另一个端部还相对于所述壳体(1)浮动，用于膨胀补偿，
其特征在于：
·   所述芯部(2)的浮动端部是意在用于使所述热气体进入的端部，并且固定端部是意在用于使所述被冷却的气体离开的端部，
·   所述芯部(2)的所述浮动端部具有用于将导入的气体分配至所述芯部(2)的一根或多根导管(2.3)中的歧管(2.1)，并且根据在其入口处的套管(2.1.1)而被延长，
·   在所述芯部(2)的所述浮动端部和所述壳体(1)之间的浮动附接是借助于将一个或多个衬垫(3)插入所述歧管的所述套管(2.1.1)和所述壳体(1)之间进行的；并且其中，
·   所述交换器额外地具有引导护罩(7)，用于将来自入口的所述热气体朝向所述歧管(2.1)的内部腔体(C)引导，从而使得在所述护罩(7)和所述歧管(2.1)的所述套管(2.1.1)之间存在用于保护所述衬垫(3)免于受热的停滞空间(S)。
2.根据权利要求1所述的交换器，其特征在于，所述歧管的所述套管(2.1.1)的内部面具有使得在所述护罩(7)和所述护罩(7)的端部处的所述套管(2.1.1)之间的分隔空间更小的区段，从而部分地封闭所述空间(S)与所述歧管(2.1)的所述内部腔体(C)的连通，用以形成用于保护所述衬垫(3)免于受热的停滞区域。
3.根据权利要求1或2所述的交换器，其特征在于，所述歧管(2.1)的所述套管(2.1.1)的端部示出了具有U形形状截面的弯曲，其中U形的开口与意在用于冷却剂流的外部腔体(E)连通。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的交换器，其特征在于，所述护罩(7)具有第一会聚部分(7.1)和第二分叉部分(7.2)。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的交换器，其特征在于，所述衬垫(3)是O形环衬垫。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的交换器，其特征在于，在所述芯部(2)和所述壳体(1)之间的固定附接是借助于凸缘(2.2)进行的。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的交换器，其特征在于，所述歧管(2.1)的所述套管(2.1.1)和所述歧管是不同的零件。
8.一种在热交换器中的壳体和芯部之间进行附接的方法，其包括：
·壳体(1)和用于使待被冷却的气体通行的一根或多根导管(2.3)的芯部(2)，其中在所述芯部(2)和所述壳体(1)之间存在空间，所述空间具有用于使冷却流体流进入和离开的通路开口，并且
·   其中，所述芯部(2)具有用于使热气体进入的一个端部，以及用于使被冷却的气体离开的另一个端部，用于使所述被冷却的气体离开的端部是相对于所述壳体(1)固定的端部，并且另一个端部还相对于所述壳体(1)浮动，用于膨胀补偿，
·   浮动端部具有套管(2.1.1)，
·   在所述芯部(2)的所述浮动端部和所述壳体(1)之间的附接是借助于插入衬垫(3)进行的，
其中，提供了用于引导导入的热气体流的引导护罩(7)，保留了用于在所述护罩(7)和入口之间的气体流的停滞空间(S)，以降低传递至所述衬垫(3)的热量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，提供了具有U形形状截面的套管(2.1.1)，所述U形形状截面具有朝向所述冷却流体所处的空间定向的开口，其中所述U形的一个部分与所述待被冷却的气体直接接触，而所述U形的另一个部分是位于所述衬垫(3)被支承处；从而使得借助于此冷却流体将热量从所述套管去除，并且所述冷却流体至少部分地引入所述套管中与所述气体直接接触的部分与所述套管中所述衬垫(3)被支承的部分之间。
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