CN104969023B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本申请针对在管道管组和热交换器的壳体之间的附连配置提出一种新设计，其相对于现有技术的交换器改善了制造成本和效率。本发明描述一种热交换器及其制造过程，其将浮动核心交换器的热疲劳强度与整体式交换器的紧凑、简单和更经济的设计结合起来，除了其他优点以外，还实现了较少数量的必要制造步骤。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及用于冷却气体的热交换器领域，其主要用于EGR(排气再循环)系统，使得用于给发动机提供动力的气体在合适的温度下被再次引入到发动机进气中，该气体具有低氧含量并且因此在燃烧期间产生较低量的氮氧化物。
背景技术
使用外壳来容纳导管管组在这种交换器中是常见的，其中待冷却的气体流动通过所述导管。存在一个空间，其中冷却液在外壳的内表面和该导管管组之间流动。冷却液接触导管的外表面，而构成该导管管组的这些导管的内表面接触待冷却的热气。
本发明针对管道管组和外壳之间的附连配置提出了一种新的设计，相对于现有技术的交换器，这种新的设计改善了制造成本和效率。
在现有技术中描述了用于在EGR系统中冷却气体的两种热交换器的概念。
在整体式交换器中，管束通过焊接的方式在其端部被整体地附连到外壳。因此，它的制造是简单的：不需要通过金属接头和O形环接头来装配，而交换器随后节省了成本且减小了尺寸。然而，两种组件在操作中所达到的温差还导致了不同程度的膨胀，并且由于两种组件被彼此固定，因此会产生使两种组件破裂的应力，由此降低了部件的热疲劳寿命。
相反，在浮动芯型交换器中，管束独立于外壳。这些管道在它们的每个端部处被焊接到被称为隔板的组件，该隔板进而借助于金属接头和O形环接头连接到外壳。这些交换器以如下的方式解决了热疲劳问题：隔板之一借助于O形环接头被附连到外壳，这在保证密封性的同时使管道能够在这一端沿轴向方向自由地膨胀。O形环接头所在的且管束可以自由膨胀的端部通常是在外壳中最靠近冷却剂的入口的一端，因为O形环接头由不能像金属一样经受这种高温的弹性材料制成。该设计中最大的困难归因于：外壳的更复杂的几何形状；制造工艺中所需要的不同生产步骤，诸如焊接管束和隔板以及将它们装配在外壳中的工艺；以及某些材料诸如密封垫片的高昂成本，这意味着浮动芯型交换器是非常昂贵的，相比于整体式交换器来说，成本高出20％或30％。
本发明描述了热交换器及其制造工艺，其将浮动芯型交换器的热疲劳强度与整体式交换器的紧凑、简单和更经济的设计结合在一起，除了其他优点以外，还导致了较少数量的必要制造步骤。
发明内容
为了解决现有技术的交换器的上述问题并且为了获取诸如在前文中描述的技术方案，根据权利要求1所述的热交换器已被形成为第一发明方面，并且根据权利要求13所述的制造热交换器的方法已被形成为第二发明方面。
该第一发明方面限定了一种热交换器，其包括：适于在其中循环冷却剂的外壳，该外壳具有冷却剂入口和出口；以及具有一个或多个中空导管的管组，该一个或多个中空导管沿着轴向方向(X)延伸以适于引导气体通过所述外壳，并且该一个或多个中空导管在其一端焊接到所述外壳上，其特征在于，在管组的相对(opposite)端处：
后者被焊接到独立的隔板，该隔板相对于外壳是不连续的；并且其中
所述隔板包括围绕其周边的第一套管，该第一套管相对于外壳是不连续的，该第一套管的与附连到隔板的表面相对的表面基本上平行于轴向方向，
在第一套管的与附连到隔板的表面相对的表面与外壳之间存在第一沟槽/容室(housing)，使得沿着交换器的轴向方向而非沿着其径向方向进入第一沟槽成为可能，
第一套管与外壳之间的附连是通过将容纳在第一沟槽中的第一接头限定在外壳与第一套管之间的方式而实现的，以及
该交换器包括相对于第一套管不连续的第一独立闭合部件，这导致了两者之间的间隔部(seperation)，一旦该接头被位于在外壳与第一套管之间限定的第一沟槽中的第一闭合部件的至少一个内部表面封闭，则第一闭合部件阻止第一接头在轴向方向上移动。
轴向方向被理解为形成管组的管道的纵轴的方向；已经按照该轴向方向定义了X轴。“不连续”意味着“没有接触”并且因此存在间隔距离。
借助于该设计，本发明实现了一种热交换器，该热交换器的一端是浮动端，其包括像是常规浮动芯型中的接头，但是它的结构和制造工艺与这些交换器中常用的那些接头不同，并且由于其简单性且节约成本，因此它们与整体式交换器类似：在本发明中，在管道不能自由地沿轴向方向膨胀的端部(固定端)，管道的管组被直接焊接到外壳的一个壁，而不是被焊接到隔板，该隔板在后面的步骤中用螺钉紧固到外壳上。在另一端即浮动端，管组被焊接到独立的隔板，但是该构形也不同于现有技术中已知的浮动端。
该隔板包括围绕它的第一套管，第一套管的与附连到隔板的表面相对的表面即其外表面基本上平行于轴向方向。进而，外壳在被称为浮动端的端部处包括第一内角，该第一内角被成型为使得它和所述套管的与附连到隔板的表面相对的表面一起限定第一沟槽，该第一沟槽可以被轴向地进入，即在基本平行于管组的轴向方向的方向上进入。
由外壳的内表面的第一角限定的一部分第一沟槽与由第一套管的外表面限定的一部分第一沟槽不能直接接触，即它们不能是连续的，因此，该端部的浮动特性(nature)是不连续的。该特征是浮动芯型交换器的特点，正是该特征使得该端的管道区域能够相对于外壳在轴向方向上自由地膨胀。然而，与现有技术的浮动芯型不同，在前文中描述的第一沟槽的具体形状允许在轴向方向上引入第一接头以密封外壳的内部，从而将后者的内表面和第一套管连接。在现有技术的浮动芯型交换器中，用于接头的沟槽被设计成使得接头沿着交换器的径向方向(其也是接头的径向方向)被引进其中。沟槽的形状阻止接头的轴向移动，并且一旦接头已经被引入，套管就阻止接头在径向方向上移位。在现有技术中使用的这种构形使得必须将接头径向变形以将它们引入到壳体中，这使得制造工艺复杂化并且使接头经受破坏应力。
针对管道的管组的另一端即非浮动端，相对于现有技术来说也存在差异，这使其具有技术优势。如前所述，在常规浮动芯型中，非浮动端被焊接到隔板，该隔板进而用螺钉紧固到外壳的主体。然而，在本发明中，管组的固定端被焊接到外壳的实际端部，或被焊接到第二隔板且该第二隔板进而被焊接到外壳的端部。由于浮动端也必须在一个相同的制造步骤(优选地包括在炉内用钎焊的方式焊接)中被焊接到对应的隔板，因此能够获得将成为该部件的最终构形的相当大部分，从而极大地降低在浮动芯型交换器中通常由使用螺钉和金属接头装配所要求的制造成本和时间。
接头闭合热交换器，使得其内部是密封的隔室。为了达到该目的，一旦接头已经被轴向地引入到沟槽内，则阻止其在相反方向上的轴向移动即阻止接头从沟槽中出来的部件就是必要的。该部件是闭合部件，其适用于轴向耦连到交换器的剩余部分。
在第二发明方面中，定义一种用于制造热交换器(诸如在第一发明方面中限定的热交换器)的方法，其包括以下步骤：
通过焊接的方式装配管道、外壳、隔板和第一套管，
沿着热交换器的轴向方向(X)将第一接头引入第一沟槽内，
通过使第一接头和第一套管的与附连到隔板的表面相对的表面接触并且与外壳的内表面接触的方式密封外壳的内部，以及
借助于第一闭合部件使第一接头固定，从而保证密封。
第二发明方面因此限定获得如上所述的交换器的工艺，所述工艺具有已经讨论的优点：由于比常规浮动芯型交换器简单，所以其成本较低；在将接头引入沟槽的步骤中，接头上的应力更少等等。
本说明书中描述的所有特征(包括权利要求书、说明书和附图)可以以任何方式进行结合，除了相互排斥的此类特征的组合。
附图说明
图1示出在焊接后作为单个部件获取的一部分交换器的沿着轴向轴的纵截面。
图2进一步示出被轴向地引入到第一沟槽内的第一接头以及在入口与出口之间的冷却剂循环方向。
图3示出交换器的截面，该截面横截隔板。
图4使图1和图2完整，进一步示出第一闭合部件、已经被引入到沟槽内的第一接头以及保持外壳和第一闭合部件整体地彼此附连的螺钉。
图5示出沿着交换器的轴线的纵截面，该交换器包括在第一套管与第一闭合部件之间的间隔件中的第二套管。
图6是交换器的纵截面，该交换器包括作为第一闭合部件的中间法兰、第二沟槽、第二接头和第二闭合部件。
图7示出其中第一套管具有延伸部的纵截面。
具体实施方式
如前文所指出，本发明描述了适于在EGR系统中使用的交换器，由于冷却剂围绕一个或多个管道(2)的管组流动且气体循环通过管道管组的内部，因此该交换器允许冷却气体，使得气体以适于将其再次引入到发动机中的温度从交换器中出来。
该交换器具有结合了整体式交换器的特征和浮动芯型交换器的特征的构形(configuration)。该交换器包括：外壳(1)，该外壳中容纳穿过它的管组，该管组具有至少一个管道(2)，其中待冷却的气体循环通过这些管道；以及具有入口(3)和出口(4)的空间，以便冷却剂流动通过管道(2)的管组与外壳(1)之间的间隙(gap)。交换器的X轴被限定为平行于组成管组的管道的纵向轴线。在一个实施例中，交换器进一步包括相对于外壳不连续的间隔表面(5)，该间隔表面促使冷却液在入口(3)与出口(4)之间循环，如图2所示，所述冷却液沿着更延长的U型路径围绕管组的所有管道(2)流动。管道(2)被焊接到外壳(1)的固定端(1.1)即按照图1、2、4、5、6和7中所示的方向的左端，并且在浮动端即这些图中的右端处被焊接到隔板(7)。隔板(7)包括围绕其周边的第一套管(6)，该第一套管的与附连到隔板(7)的表面相对的表面(6.1)基本上平行于轴向方向。隔板(7)、管道管组(2)、交换器的外壳(1)以及第一套管(6)通过焊接(优选通过钎焊)来装配，并且在具体的示例中，它们在一个制造步骤中形成诸如图1所示的单独的部件。
对于外壳(1)，在图中所示的示例中还应注意的是，在浮动端处，其内壁按照包括其轴线的交换器的纵截面具有L形的第一角(1.2)。在该截面图中，第一套管(6)的截面是矩形，并且第一套管(6)的与附连到隔板(7)的表面相对的表面(6.1)与具有L形截面的第一角(1.2)一起限定第一沟槽(8)，第一接头(9)可以被轴向地引入该第一沟槽，如图2的移动箭头所示。
在优选的实施例中，隔板(7)的形状是圆形，并且管道(2)的管组按照横贯交换器的截面而穿过该隔板。在如图3所示的该优选实施例中，按照横截面，第一套管(6)是环形的，并且容纳在沟槽内的第一接头(9)是O形环接头，其因此从横贯交换器的截面的视角来看也是环形的。在该图中，外环对应于限定第一沟槽(8)的一部分外壳(1)的横截面。
一旦第一接头(9)在第一沟槽(8)中与第一套管(6)和外壳(1)接触，为了在外壳(1)内使所述第一接头(9)密封第一套管(6)而没有在与引入方向相反的轴向方向的位移，即为了使第一接头(9)能保持在第一沟槽(8)中，浮动端还包括围绕第一套管(6)的第一闭合部件(10)，但不与之接触，以便该端是实际浮动的，如图4所示。
闭合部件(10)可以是具有相当可变特性的部件。在优选实施例中，它们可以由其中安装所述交换器的发动机自己的部件组成。在另一个示例中，它们可以由如下所示的限定第二沟槽(14)的中间法兰(11)组成。在附加的示例中，它们还可以是帮助冷却第一接头(9)的冷气箱。
第一接头(9)优选地由弹性材料制成，该弹性材料不像金属材料那样承受高温。由于这种原因，第一接头(9)应该被尽可能地冷却。为了这个目的，在具体示例中，第一接头(9)抵靠在通过冷却液冷却的第一套管(6)的一部分上，在图1的截面内该部分是第一套管(6)的一半到隔板(7)的左侧。
使第一沟槽(8)的温度适合于第一接头(9)的另一个具体实施例是：在第一闭合部件(10)与第一套管(6)之间的间隔件(12)具有使热气难以通过间隔件(12)进入第一沟槽(8)并因此接触到第一接头(9)的配置。因此，在具体实施例中，第一套管(6)在轴向方向上足够长，使得热气不容易到达第一沟槽(8)。另外，遵循这一相同的推理思路，其他具体实施例使得气体在交换器之前的热气导管与用于第一接头(9)的沟槽之间的的移动变得更加困难：在具体实施例中，第一闭合部件(10)与第一套管(6)之间的这种间隔件(12)形成了使气体的循环扩散的迷宫(maze)，并且因此降低到达第一沟槽(8)的热气量；作为一个示例，间隔件(12)包括第二套管(13)，该第二套管在不妨碍第一套管(6)的轴向移位的情况下阻碍热气的流动。在另一个具体实施例中，第一套管(6)被定形为使得其同样使热气难以流动；例如，按照纵截面，其可以在与附连到隔板(7)的表面相对的表面(6.1)上具有弧线，这与直线配置相比减小了间隔件(12)的尺寸。
同样地，在另一个具体实施例中，该系统包括作为第一接头(9)的第一闭合部件的中间法兰(11)；该中间法兰也围绕第一套管(6)的周便而不接触它，所述中间法兰限定了第二角(11.1)，该第二角在示出纵截面图的图6的具体实施例中是L形。中间法兰(11)的第二角(11.1)和第一套管(6)的与附连到隔板(7)的表面相对的表面(6.1)一起限定了第二沟槽(14)，该第二沟槽带有用于容纳第二接头(15)的轴向通路，在一个实施例中，该第二接头连接中间法兰(11)和第一套管(6)的与隔板(7)附连的表面相对的表面(6.1)。该第二接头(15)在来自发动机的热气与第一接头(9)之间起到屏障的作用。尽管其经受了比用于制造接头的材料的一般工作温度更高的温度，这可能导致中间法兰(11)与第一套管(6)之间的密封特性丧失，然而它无论如何都执行降低第一接头(9)的温度的功能，该第一接头(9)是必须一直被冷却以确保热交换器的密封性的部件。一旦将第二接头(15)引入第二沟槽(14)中，就借助于第二闭合部件(17)来阻止第二接头(15)的轴向移动。第二闭合部件(17)的变体以及在第二闭合部件与第一套管(6)之间的间隔件(18)的变化形式类似于针对第一闭合部件(10)和第一套管(6)的情况所解释的那些内容。
同样地，如刚才已经描述那样的制造交换器的方法被声明在从属权利要求14中，该方法将制造具有第二接头(15)的交换器的必要步骤加入到配置第二发明方面的那些步骤中，其在发明部分的描述中进行解释。根据前面所述，这些附加步骤是：将第二接头(15)引入第二沟槽(14)中，沿着热交换器的轴向方向将其限定在作为第一闭合部件(10)的法兰(11)中，以及借助于第二闭合部件(17)使第二接头(15)固定。
在某些具体实施例中，限定第一沟槽(8)的外壳(1)的部分、中间法兰(11)(如果存在一个的话)以及闭合部件(10，17)借助于穿过它们的螺钉(16)而保持整体上附连，如图4至7所示。
另一方面，在另一个具体实施例中，第一套管(6)在其在交换器外的一端即按照图5和图7的右端处包括呈现为收缩管嘴形式的延伸部(6.2)，使得该延伸部的端部(6.2)比第一套管(6)更靠近交换器的轴线(在图5和图7中被标记为X轴)。通过该具体的构形，其中来自交换器的热气的出口因此变得狭窄且集中，遍布第一套管(6)与第一闭合部件(10)之间的间隔件(12)内部的气体朝向第一沟槽(8)的流动是较低的；在一个实施例中，这种配置借助于第一闭合部件(10)的构形与管嘴的构形互补，减小了如图7所示的进入所述间隔件(12)的区域。

Claims (15)

1.一种热交换器，其包括：适于在其中循环冷却剂的外壳(1)，该外壳(1)具有冷却剂入口(3)和出口(4)；以及具有一个或多个中空导管(2)的管组，所述一个或多个中空导管沿着轴向方向(X)延伸以适于引导气体通过所述外壳，并且所述一个或多个中空导管在其一端(1.1)焊接到所述外壳上，其中所述中空导管在另一端处被焊接到独立的隔板(7)，该隔板(7)相对于所述外壳(1)是不连续的；并且其中
所述隔板(7)包括围绕其周边的第一套管(6)，所述第一套管(6)相对于所述外壳(1)是不连续的，所述第一套管(6)的与附连到所述隔板的表面相对的表面基本上平行于所述轴向方向(X)，
在所述第一套管(6)的与附连到所述隔板(7)的表面相对的表面(6.1)与所述外壳(1)之间存在第一沟槽(8)，使得沿着所述交换器的所述轴向方向(X)而非沿着其径向方向进入所述第一沟槽(8)成为可能，
所述第一套管(6)与所述外壳(1)之间的附连是通过将容纳在所述第一沟槽(8)中的第一接头(9)限定在所述外壳(1)与所述第一套管(6)之间的方式而实现的，以及
所述交换器包括相对于所述第一套管(6)不连续的第一闭合部件(10)，这导致了两者之间的间隔部(12)，一旦该接头(9)被位于在所述外壳(1)与所述第一套管(6)之间限定的所述第一沟槽(8)中的所述第一闭合部件(10)的至少一个内表面封闭，则所述第一闭合部件(10)阻止所述第一接头(9)在所述轴向方向上移动，其特征在于，所述第一套管(6)包括在其端部呈现为收缩管嘴形式的延伸部，使得其离所述第一套管(6)最远的端部比所述第一套管(6)本身更靠近所述交换器的纵轴。
2.根据先前权利要求所述的热交换器，其特征在于，所述第一闭合部件(10)是冷气箱。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述第一闭合部件(10)与所述第一套管(6)之间的所述间隔部(12)形成适于使气体难以通到所述第一沟槽(8)的迷宫。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其特征在于，在所述第一闭合部件(10)与所述第一套管(6)之间的所述间隔部(12)包括适于在不阻止所述第一套管(6)的轴向位移的情况下使气体难以通到所述第一沟槽的第二套管(13)。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，所述第一闭合部件是法兰(11)，其与所述第一套管(6)的与附连到所述隔板(7)的表面相对的表面(6.1)一起限定第二沟槽(14)，所述第二沟槽(14)容纳第二接头(15)，并且其特征在于，它包括第二闭合部件(17)，所述第二闭合部件(17)与所述第二沟槽(14)一起阻止所述第二接头(15)的轴向移动。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述第二闭合部件(17)是气体歧管。
7.根据权利要求5或6所述的热交换器，其特征在于，在所述第二闭合部件(17)与所述第一套管(6)之间的间隔部(18)形成适于使气体难以通到所述第一沟槽(8)的迷宫。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，在所述第二闭合部件(17)与所述第一套管(6)之间的间隔部(18)包括适于使气体难以通到所述第一沟槽(8)的第二套管(13)。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述第一接头(9)抵靠在通过在所述外壳(1)内部循环的冷却剂冷却的所述第一套管(6)的一部分上。
10.根据权利要求9所述的热交换器，其特征在于，所述第一接头(9)是O形环接头，所述隔板(7)在横贯所述交换器的所述轴向方向(X)的截面上是圆形的，并且所述第一套管(6)在横贯所述交换器的截面上是环形的。
11.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第一闭合部件(10)具有与所述收缩管嘴互补的构形，这适于减少气体进入所述第一沟槽(8)。
12.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，限定所述第一沟槽(8)的所述外壳(1)的部分、如果存在一个的所述法兰(11)和闭合部件(10、17)借助于贯穿这些部件的螺钉(16)来保持整体上附连。
13.一种用于制造根据权利要求1所述的热交换器的方法，其包括如下步骤：
通过焊接的方式装配所述中空导管(2)、所述外壳(1)、所述隔板(7)和所述第一套管(6)，其中所述第一套管(6)包括在其端部呈现为收缩管嘴形式的延伸部，使得其离所述第一套管(6)最远的端部比所述第一套管(6)本身更靠近所述交换器的纵轴，
沿着所述热交换器的所述轴向方向(X)将所述第一接头(9)引入所述第一沟槽(8)内，
通过使所述第一接头(9)和所述第一套管(6)的与附连到所述隔板(7)的表面相对的表面(6.1)接触并且与所述外壳(1)的内表面接触的方式密封所述外壳(1)的内部，以及
借助于第一闭合部件(10)使所述第一接头(9)固定，从而保证密封。
14.根据权利要求13所述的用于制造热交换器的方法，其中所述第一闭合部件(10)是法兰(11)，其与所述第一套管(6)一起限定第二沟槽(14)，所述方法进一步包括如下步骤：
沿着所述热交换器的所述轴向方向将第二接头(15)引入所述第二沟槽(14)内，以及
借助于第二闭合部件(17)使所述第二接头(15)固定。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述中空导管(2)、所述外壳(1)、所述隔板(7)和所述第一套管(6)的所述焊接是钎焊类型的焊接。
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