CN105781715B - 管带式中冷器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管带式中冷器，应用于带有增压中冷器系统的车辆冷却系统。本发明是在管带式中冷器进气气室内部设计具有整流作用的整流装置，管带式中冷器的整流装置为多孔装置，整流装置距中冷器芯体的主片的水平距离为15mm～25mm，整流装置优选为整流板，整流板上多个圆孔的直径为8mm～12mm，每横排分布为3～4个圆孔，整流板距中冷器芯体的主片的水平距离为15mm～25mm。本发明对进入中冷器气室的气流进行整流分配，使流出中冷器气室的气流更加均匀，使进入中冷器芯子的气流分布均匀，从而提高中冷器的散热效率；在气室内部增加的整流装置可以有效提高中冷器气室的结构强度，从而提高中冷器的可靠性。

Description

管带式中冷器

技术领域

本发明属于汽车冷却系统技术领域，特别涉及一种具有整流装置的管带式中冷器。

背景技术

在车辆领域，已经普遍采用了增压中冷系统，不仅可以有效提高动力性、降低比质量，而且对于降低发动机的排放水平也是很有利的。一个好的中冷器不仅要进气阻小，而且要保证通过中冷器的流速以及温度分布均匀。由于中冷器内的气流分布不均，部分区域流速高而部分区域流速低，导致中冷器整体散热效率较低。气流分布不均还将导致中冷器中温度分布的不均，易导致局部高温区和低温区的产生，从而产生较大的温度梯度，导致局部热应力增大，影响中冷器可靠性。

目前的车用柴油机普遍采用增压中冷技术，增压中冷技术的使用不仅可以有效提高动力性、降低比质量，而且对于降低发动机的排放水平也是非常有利的。增压中冷器普遍采用气-气冷却方式，采用管带式结构[1]。评价中冷器性能好坏的标准除了传热系数外，还有比较重要的一项即是流体流过中冷器的压力降，好的中冷器应同时具备传热系数大和压力降小两个特点。实际上这两者的关系是一个最优化的问题，即用最小的压降来换取最大的传热系数的提高。无论是中冷器的传热性能还是压力损失大小都与其内部空气流动情况密切相关。

事实上，中冷器内部气流的流动均匀性对其性能有很大的影响，而目前所使用的管带式中冷器普遍存在气流分配不均匀的问题。气流分配不均匀主要会产生以下负面影响：一、气流分布不均匀易导致局部区域温度高而且流量大，其他区域温度低而流量小，难以充分发挥中冷器的散热能力，直接导致中冷器传热系数降低；二、中冷器气流分配不均匀会造成局部高温区和低温区，使中冷器出现较大的温度梯度，从而影响中冷器的使用寿命。对中冷器进行气流分配的装置是进气气室，所以进气气室设计的是否合理直接决定了中冷器的气流分配的均匀性。

由于中冷器的结构复杂，影响其性能的因素众多，通过理论计算的方法描述中冷器性能难度较大，且精度低，所以对中冷器性能的研究多以试验研究为主。所以在此次的研究工作当中，主要是通过CFD(Computational Fluid Dynamics)对中冷器进行研究。

发明内容

提供一种管带式中冷器，其能有效提高中冷器的散热效率以及可靠性

针对目前的中冷器不能很好的分布气流而导致的散热效率和可靠性降低的问题，本设计发明提供了具有导流装置的中冷器，能有效提高中冷器的散热效率和可靠性。

研究工作仅涉及到气体流动问题，所以系统遵循质量守恒定律和动量守恒定律，另外还有相关的湍流附加控制方程。数学模型基于以下简化和假设。

(1)工作流体为牛顿流体。

(2)流体处于稳定流动状态。

(3)忽略由密度差异引起的浮升力。

(4)忽略流动时粘性耗散所产生的热效应。

(5)流动过程不涉及热量交换，也不发生相变。

对于单相不可压缩流体，质量守恒方程、动量守恒方程和湍流附加方程的数学表达式如下：

质量守恒方程：

式中，u、v和w分别为速度在x、y和z方向上分量。

动量守恒方程：

(2)(3)(4)式中，μ为动力粘度，p为压力，g为重力加速度。为了提高湍流计算的精度，模拟计算中选用RNG k-ε湍流模型。其中，湍动能ε和湍动耗散率ε方程分别为式:

(5)(6)式中，u_i为i方向上的速度分量，μ_t为湍动粘度，G_κ是由于平均速度梯度引起的湍动能κ的产生项，C_1ε和C_2ε为经验常数，α_κ和α_ε分别为湍动能κ和耗散率ε对应的Prandtl数，S_κ和S_ε为用户定义的源项。

评价体系介绍：

为了定量的分析中冷器内气流流动的均匀性，将每个散热管作为一个研究单元，对每个散热管内的质量流量进行模拟计算，通过对所有的散热管的质量流量分析计算，评价中冷器整体的气流分布均匀性。为了对中冷器内气流流动均匀性进行评价，定义以下量化流动均匀性的评价参数。

(1)平均质量流量完全均匀分配时单个散热管的质量流量，单位为kg/s。其中，N代表散热管数量，G_K为第k个散热管的质量流量(kg/s).

(2)质量流量偏差D_K。第k根散热管的实际流量与平均流量之间的相对偏差.

(3)平均质量流量偏差中冷器所有散热管流量偏差的平均值，用于评价流体在中冷器并散热管整体的均匀分配情况。

(4)流量分配均匀性系数C_G。在其他条件一样的前提下，气道中流量分配越均匀，换热性能越好。为表征流量均匀的程度，引入一个流量分配均匀性系数为C_G：

由定义式可知，C_G＝0时，流量在各散热管中均匀分配，C_G>0时流量不均匀，数值越大，均匀性越差。

研究结果：

一、设定整流板的有效通流面积相同，即孔的面积总和不变，针对不同的整流板的孔的几何尺寸的对比情况：

如附图1所示，图示为典型的几种整流板的对比情况，基本的情况是无论使用哪种的整流板，都会将中冷器的整体平均质量流量偏差减小，但是圆孔的效果要好于长方形孔，所以优选圆孔。随后对6～16mm圆孔的整流板中冷器进行了模拟计算，随着孔的尺寸减小，平均质量流量偏差会降低，但是降低的速率减缓。增加整流板必然使中冷器的阻力增加，特别是随着孔的尺寸减小，阻力增加加剧。所以不能单独地减小孔径，必须在降低平均质量流量偏差与压力增加之间取得一个折中的方案。最终的方案是孔径维持在10±2mm，可以接受阻力增加所带来的负面影响。

如附图1、图2所示，数据为随着孔径的变化，阻力与平均质量流量变化的规律。

二、针对不同的整流板距离主片的距离对比情况

气室高度为55mm，散热管高出主片5mm，所以取整流板距离主片的距离可以取值的范围为10～40mm，以5mm为一个间隔，对不同的模型进行模拟计算。其结果如附图图3所示。

根据对数据的拟合，数据规律满足二次曲线的分布规律，在15mm～25mm数据较好，并在20mm附近存在最小值，也就是平均质量流量偏差的最小值。

距离太小，整流器没有完成气体整流就已经进入了散热管，所以气流不均匀，必须在整流板与主片之间需留有足够的空间才能满足气流整流以后的混合过程，使气流均匀性提高。

距离太大，必然导致与中冷器的壁面距离太小，气流必须先沿着气室的弧形壁面扩张，才进入整流板进行整流，再在整流空间100内进行混合。如果分配气流的空间太小，必然使气流的预分配效果变差，最终导致整体的流量均匀性变差。

根据以上计算及实验数据，本发明通过以下技术措施实现目的：

一种管带式中冷器，包括进气气室、中冷器芯体、出气气室，其特征在于，在中冷器进气气室主体区域安装整流装置，整流装置为多孔装置，整流装置距中冷器芯体的主片的水平距离为15mm～25mm。

进一步地，所述的整流装置的开孔率介于50％～60％之间。

进一步地，所述的整流装置为整流板，在中冷器进气气室主体区域安装整流板，整流板上开有多个均匀分布的圆孔，整流板的圆孔的直径为8mm～12mm，每横排分布为3～4个圆孔，整流板距中冷器芯体的主片的水平距离为15mm～25mm。

优选地，整流板距主片的水平距离为20mm。

优选地，整流板的圆孔的直径为10mm。

优选地，整流板每横排分布为3个圆孔，各圆孔间距为均匀布置。

进一步地，整流板焊接在进气气室内。

进一步地，中冷器芯体包括主片、侧板、散热管、散热带，主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，中冷器芯体与进出气室之间直接焊接，中冷器进出气室采用铸造制成。

可选地，所述的整流装置为中空箱体。

进一步地，所述的中空箱体的开孔率介于50％～60％之间。

本设计发明对进入中冷器气室的气流进行整流分配，使流出中冷器气室的气流更加均匀，使进入中冷器芯子的气流分布均匀，从而提高中冷器的散热效率。

在气室内部增加的整流装置可以有效提高中冷器气室的结构强度，从而提高中冷器的可靠性。

在设计时充分考虑了制造、装配的可行性，未改变原有中冷器的外形尺寸和安装尺寸。

附图说明

图1为针对不同的整流板的孔的几何尺寸的对比情况数据表；

图2为针对不同的整流板的孔径对比图；

图3为针对不同的整流板距离主片的距离对比图；

图4为整流流量流动示意图；

图5为现有管式中冷器的主视图；

图6为现有管式中冷器的侧视图；

图7为本发明管式中冷器进气气室加装有整流板的结构图；

图8为图4的A-A截面图；

图9为图4的B部局部放大示意图；

图10为本发明的管式中冷器的气体流动俯视示意图；

图11为本发明管式中冷器的立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

如图所示，100——整流空间，400——预分配区域，中冷器包括进气气室1、中冷器芯体8、出气气室6，芯体包括主片2、侧板3、散热管4、散热带5。如图4至11所示，本发明的主要特点是在进气气室采用了整流装置，如在中冷器进气气室的主体区域中焊接或螺纹连接一个整流板7，整流板规律地设计了直径C为8～12mm的圆孔，孔水平间距A、孔垂直间距B为对称均布，每横排分布为3～4个孔，整流板距主片的距离L为15～25mm，不合适的距离都将达不到理想的气流分布效果，优选地，整流装置的开孔率介于50％～60％之间。

实施例1：整流板的圆孔的优选孔径为10mm，每横排分布为3个孔，间距均匀设置，整流板据主片的优选距离为20mm，该距离将达到最优理想的气流分布效果。由于出气气室不存在对分布气流的问题，所以中冷器出气气室未加装导流装置。主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，中冷器芯体与进出气室之间直接焊接。中冷器进出气室铸造出来，外形尺寸与未加整流装置的气室外形尺寸相同，不影响中冷器的安装。

实施例2：整流板的圆孔的孔径为8mm，每横排分布为4个孔，间距均匀设置，整流板据主片的距离为15mm，该距离将达到较优理想的气流分布效果。由于出气气室不存在对分布气流的问题，所以中冷器出气气室未加装导流装置。主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，中冷器芯体与进出气室之间直接焊接。中冷器进出气室铸造出来，外形尺寸与未加整流装置的气室外形尺寸相同，不影响中冷器的安装。

实施例3：整流板的圆孔的孔径为12mm，每横排分布为3个孔，间距均匀设置，整流板据主片的距离为25mm，该距离将达到较优理想的气流分布效果。由于出气气室不存在对分布气流的问题，所以中冷器出气气室未加装导流装置。主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，中冷器芯体与进出气室之间直接焊接。中冷器进出气室铸造出来，外形尺寸与未加整流装置的气室外形尺寸相同，不影响中冷器的安装。

实施例4：整流板的圆孔的孔径为10mm，每横排分布为3个孔，间距均匀设置，整流板据主片的距离为20mm，该距离将达到最优理想的气流分布效果。由于出气气室不存在对分布气流的问题，所以中冷器出气气室未加装导流装置。主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，中冷器芯体与进出气室之间直接焊接。中冷器进出气室铸造出来，外形尺寸与未加整流装置的气室外形尺寸相同，不影响中冷器的安装。

实施例5：整流板的圆孔的孔径为9mm，每横排分布为4个孔，间距均匀设置，整流板据主片的距离为20mm，该距离将达到最优理想的气流分布效果。由于出气气室不存在对分布气流的问题，所以中冷器出气气室未加装导流装置。主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，中冷器芯体与进出气室之间直接焊接。中冷器进出气室铸造出来，外形尺寸与未加整流装置的气室外形尺寸相同，不影响中冷器的安装。

实施例6：整流装置为整流箱，整流箱上的圆孔的孔径为10mm，每横排分布为3个孔，间距均匀设置，整流板据主片的距离为20mm，该距离将达到最优理想的气流分布效果。由于出气气室不存在对分布气流的问题，所以中冷器出气气室未加装导流装置。主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，中冷器芯体与进出气室之间直接焊接。中冷器进出气室铸造出来，外形尺寸与未加整流装置的气室外形尺寸相同，不影响中冷器的安装。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本案的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本案进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本案的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本案技术方案的精神，其均应涵盖在案请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种管带式中冷器，包括进气气室、中冷器芯体、出气气室，其特征在于，在中冷器进气气室主体区域安装整流装置，整流装置为多孔装置，所述的整流装置为中空箱体，中空箱体的开孔率介于50％～60％之间；整流装置距中冷器芯体的主片的水平距离为15mm～25mm。

2.根据权利要求1所述的一种管带式中冷器，其特征在于，所述的中空箱体上设有整流板，在中冷器进气气室主体区域安装整流板，整流板上开有多个均匀分布的圆孔，整流板的圆孔的直径为8mm～12mm，每横排分布为3～4个圆孔，整流板距中冷器芯体的主片的水平距离为15mm～25mm。

3.根据权利要求2所述的一种管带式中冷器，其特征在于，整流板距主片的水平距离为20mm。

4.根据权利要求2或3任一种所述的一种管带式中冷器，其特征在于，整流板的圆孔的直径为10mm。

5.根据权利要求4所述的一种管带式中冷器，其特征在于，整流板每横排分布为3个圆孔，各圆孔间距为均匀布置。

6.根据权利要求5所述的一种管带式中冷器，其特征在于，整流板焊接在进气气室内。

7.根据权利要求6所述的一种管带式中冷器，其特征在于，中冷器芯体包括主片、侧板、散热管、散热带，主片、散热管、散热带以及侧板之间采用钎焊连接，

中冷器芯体与进出气室之间直接焊接，中冷器进出气室采用铸造制成。