CN106401808A - 带散热片的共轴冷却器 - Google Patents

Abstract

适合用作内燃机排气再循环系统中的预冷却器的热交换器(100)包括一个或多个刚性管(103)，每个刚性管具有一个或多个内部冷却散热片(111)，以充当将来自气体的热传递到刚性管的壁的热交换表面。刚性管由包围管且包含在包围所述管的外套(113)内的液体冷却剂来冷却。刚性管可以是直且平滑的，并且可以与一个或多个为热交换器提供柔性的波状管段(108，104)交替。

Description

带散热片的共轴冷却器

技术领域

本发明涉及热交换器。

背景技术

现代内燃机经常使用外流及冷却式排气再循环(EGR)来辅助排放控制并且减少燃料消耗。现代汽油发动机和柴油发动机会具有进入排气再循环系统的高的气体入口温度。这些高气体温度会对EGR部件(例如EGR阀或主冷却器)造成损坏。

非常有益的是，在与这些可能易损的部件接触之前降低排气再循环气体温度。共轴冷却器是能够实现该功能的部件。

本领域已知的共轴冷却器包括位于外管内的热传递管。热传递管具有成形的或波状的表面，其促进热交换且给予部件一定的灵活性。

这种类型的现有技术设计的三个主要缺点在于：

●每单位长度相对低的热交换；

●由于波状引发的湍流导致的相对高的气压损失；以及

●相对少的冷却剂流进入热交换管的外部的根部。

由于空间在现代车辆发动机室中极为珍贵，所以位于流向EGR系统中的阀或主冷却器的气流上游的预冷却器需要是紧凑的且具有最短的可能长度。

尤其在EGR系统上，排气与发动机进气口之间的返回气体路径中的低气压降对于发动机功能是至关重要的。作为持续的目标，工程师一直希望降低EGR系统中的压力损失，因为这样允许对于相同的压差能够有更大的流。

此外，冷却剂的沸腾会对部件、冷却器、预冷却器造成损害，或者甚至对发动机本身造成损害。

现有技术中的具有内热交换管与外波状壳体且在它们之间有液体填充腔的波状类型的共轴热交换管的问题在于，热交换器的每单位长度的热交换率在一些EGR应用中不足。

此外，通过已知的波状热交换器，会发生冷却剂的过量沸腾。

对于如下的紧凑的共轴冷却器存在需求：该共轴冷却器具有每单位长度的高热交换率，以通过降低的EGR气压降传递更多的能量给冷却剂，同时避免冷却器内损害级别的沸腾。

发明概述

根据本发明的第一方面，提供使用液体冷却剂冷却热气体的热交换器，所述热交换器包括：

热交换管，其用于在所述气体与所述液体冷却剂之间交换热；

管状外体，其包围所述内热交换管的至少部分；

其中所述气体流经所述热交换管中的通道且所述液体冷却剂在热交换管与管状外体之间流动；

其特征在于包括：

位于所述内部热交换管内部且与热交换管的内表面接触的一个或多个散热片(fin)。

散热片可以起到通过将来自气体中心的热传递到热交换管的内壁来增加气体与液体冷却剂之间的热交换的作用，而不会显著增加沿着热交换管的气压降。

每个散热片可以包括在热交换管的内表面之间且朝向所述热交换器的主中心轴线延伸的向内延伸的散热片壁。

第一多个散热片可以比第二多个散热片中的每一个朝向热交换器的中心轴线大致径向向内延伸更长的径向距离，从而不会导致一个散热片与另一散热片紧靠。

散热片壁的主平面优选地在平行于冷却器的装配有散热片壁的段的主轴向长度的方向上延伸。优选地，散热片壁的主平面朝向它们所在的管的主中心长度轴线沿径向延伸从而提供包围其中心与所述热交换管的主 中心轴线重合的中心气体通道的多个独立气体通道，使得气体沿着所述主中心通道且沿着包围所述主中心气体通道的所述独立气体通道中的每一个流动。

热交换管可由若干由弯折部或弯曲段分开的大致直段构成。至少一个大致直段将在其长度的最少部分上是平面的或平滑的。至少一个散热片将在大致直的平面段的长度上附接到热交换器。其它直段可以具有在没有散热片情况下使用的异型表面。

热交换管的直段可以在其全长是平面的并且具有在大部分长度上附接到其上的至少一个散热片。

直段可以是附接有至少一个散热片的平面段和未附接散热片的异型管段的组合。

异型段可以包括在没有散热片的情况下改善热交换的螺旋形或环形波状部，或者独立形式。

波状直段还可用于给予热交换管一定的热顺从性或振动顺从性。

热交换管的弯折段不具有散热片。弯折段可以是平面的、螺旋或环状波形或者具有改善热交换的异型几何结构。

实施例包括利用液体冷却剂来冷却热气体的热交换器，通过使用具有内部热交换管和包围内部热交换管的至少部分的外体的共轴冷却器；

热气体流经热交换管且冷却剂在热交换管与外体管之间的环状件中流动；

其特征在于

所述热交换管在其长度的至少部分上是平滑的，并且具有与热交换管的内表面接合以增强热交换而不显著增加气压降的散热片或一系列散热片。

可以存在具有至少两个不同长度的散热片，从而不会导致一个散热片与另一散热片紧靠。

多个散热片优选地由单个条材形成。

多个散热片可布置为多个段，每段包括至少一个散热片。

多个散热片可由条材制造，使得多个散热片在不受限制时形成为大致小于360°的弧，并且其中所述多个散热片在通过插入管中而受到限制时 形成近似360°的弧。

多个散热片可由单条材料制成且可以包括多个弧，其中每个弧具有大于散热片设计以装配于其中的管的内径的半径，从而促进散热片的所述弧与所述管的内表面之间的有效热传递。散热片的角部的半径的切向点可以接触热交换管，给予了用于导热的最短可能的路径。当散热片通过铜焊附接到热交换管时，铜的弯月面将通过缩短用于传导的路径以及在其基部处加厚散热片的材料宽度来进一步有助于热传递。

热交换器可以包括在所述热交换器的一端处的补偿管以适应热增长和制造公差。

本发明包括气体至液体热交换器，包括：

至少一个管状段，其中具有延伸进入所述管状段的气体通道的一个或多个热交换壁或散热片，所述壁沿着所述管状段的主长度延伸；以及

包围所述至少一个管状段的至少部分的外套，在所述管状段与所述液体可在其中通过的所述外套之间存在空腔。

其它方面阐述于权利要求中。

附图说明

为了更好地理解本发明以及表明如何实施本发明，将仅通过示例的方式参考附图来描述根据本发明的具体的实施例、方法和工艺：

图1示出了根据第一具体实施例的热交换器的第一冷却器的示意性立体图；

图2示出了从第一端看到的第一冷却器的立体图；

图3中示出了从第二端看到的第一冷却器的立体图；

图4示意性地示出了第一冷却器的立体图，显示出第一冷却器的气体域；

图5示意性地示出了第一冷却器的立体图，显示出冷却器的冷却剂域；

图6中示意性地示出了根据第一实施例的散热片组件的第一散热片组件；

图7中示出了根据第二实施例的散热片组件的第二散热片组件；

图8中示出了根据第三具体实施例的散热片组件的第三散热片组件；

图9示出了从其端部看到的第一散热片组件的部分；

图10A示出了图9的散热片组件的部分以及热交换管的部分，显示出散热片组件与热交换管之间的接触点；

图10B示出了图10A的散热片组件和热交换管的部分，在散热片组件与热交换管之间具有铜焊连接，图示出如何实现具有良好热传递特性的接合部；

图10C示意性地示出了散热片组件与热交换管之间的接合部，其具有非最优的热传递特性；

图11中示意性地示出了根据第二具体实施例的热交换器的第二冷却器装置的部分；

图12示出了根据第三具体实施例的热交换器的第三冷却器装置，其具有三个弯折部；

图13示出了在制造阶段中处于其预弯曲状态下的图12的第三冷却器；

图14示出了第一冷却器的热交换管，两个散热片组放置成靠近热交换管的直段；

图15示出了第一冷却器的热交换管，散热片组中的一个处于插入热交换管之前的制造状态；以及

图16示出了第一冷却器的热交换管，散热片组中的一个部分地插入其中。

发明详述

现在将通过示例的方式来描述本发明构思的具体模式。在下面的说明书中，阐述了若干具体细节来提供全面理解。然而，本领域技术人员显而易见的是，可以实现本发明而不限于这些具体细节。在其它实例中，没有详细描述公知的方法和结构，以免不必要地模糊说明。

在该说明书中，所描述的实施例是目的在于在气体与液体之间交换热的热交换器。在各个实施例中，所描述的热交换器是利用液体冷却剂来冷 却热气体的冷却器。本领域技术人员将理解，冷却器是一种类型的热交换器。

本文所描述的冷却器尤其但非排他地旨在提供内燃机排气再循环回路中的阀组件之前的预冷却。在该申请中，冷却器装配在排气歧管与排气再循环阀或EGR冷却器之间的EGR回路中，再循环气体从EGR回路中被反馈到内燃机的入口歧管。然而，在其它应用中，本文所描述的冷却器实施例可适合于长路径回路排气再循环系统，其中在催化转换器的下游采样排气，并且将排气重新导入压缩机上游的内燃机的空气入口。

在下面的说明中，示出了且描述了如本文图1中的箭头指示的第一方向上的冷却剂流，但是将理解的是，冷却剂流能够反向而使得冷却剂沿相反方向流经冷却器。类似地，气流方向在本文的图1中显示为沿第一方向，该方向与冷却剂流的大致方向相反，但是将理解的是气流的方向可以反向。冷却器可以连接在气体回路中，使得气流沿图1的第一气流方向，或者替选地沿相反的方向。类似地，冷却剂流能够沿如本文图1所示的第一冷却剂流方向被连接，或者替选地沿相反方向。当气体和冷却剂流沿彼此大致相反的方向连接时，如本文的图1所示，气体与液体冷却剂之间的热传递效率可以是最优的。

在本文所描述的实施例中，显示热气流居中地通过液体冷却剂流，其中液体冷却剂流包含在包围气体通过的中央热交换管的外套内，并且气体和液体由热交换管的薄的金属壁分离。

参考本文的图1至3，示出了根据第一具体实施例的共轴冷却器100的三个视图。冷却器包括用于气体流经其中的管状气体通道、以及包围气体通道的长度的部分的管状外套，在内部管状气体通道与外套之间存在空腔，使得液体冷却剂能够在内部管状气体通道与外套之间的空腔中流动，以冷却内部管状气体通道的部分。在冷却器的一端，有另外连接段104，该连接段是单壁式的且不具有外套，该连接段由外部环境空气冷却。

冷却器的一个用途是紧靠着在排气流进入排气再循环阀组件之前冷却排气流。在使用时，通过将冷却器的第一端和第二端连接在回路内，冷却器组件固定在内燃机的排气再循环回路中。冷却器插入到内燃机的排气歧管与排气再循环阀之间。

冷却器100包括：在第一端处、用于将冷却器的第一端接入气流回路的第一凸缘101；液体冷却段102，其具有内部管状通道和外部管状套103，其中液体冷却剂在内部管状通道与外部管状套之间通过，从而冷却内部管状通道；空气冷却段104，其包括管状波纹管构件105；以及在冷却器的第二端处、用于将冷却器的第二端接入所述气流回路的第二凸缘106。

液体冷却段的外冷却剂套102包括：第一直的大致圆筒状段107；柔性波状中央段108，其具有直部和弯折部；以及第二直的大致圆筒状段109。

第一直段107包括：第一大致圆筒状外管103；以及第一大致圆筒状内管。用于从第一管状段排出冷却剂的冷却剂外管110被设置成横向于第一段的主轴向长度延伸。通过在包围凸缘中的圆孔的位置处将外管的端部熔接或铜焊到凸缘，第一外管的第一端紧固到第一凸缘101，并且通过在凸缘的端部中熔接或铜焊到所述圆孔的内部，第一内管的第一端也紧固到第一外管103，使得第一内管和第一外管彼此共轴且在它们之间具有大致环状空腔。液体冷却剂在直段与柔性波状中央段108接合的直段的第二端处进入环状空腔，并且能够通过第一外管的内侧与第一内管的外表面之间的环状空腔并且能够从冷却剂出口管110流出。

在第一直内管内提供了第一带散热片的插入件111，该插入件将第一直内管的内部分成沿着第一直段的长度延伸的多个径向延伸的气体通道。

柔性波状中央段108包括第一波状管状波外纹管构件112，内管构件在外波纹管构件内部且与外波纹管构件同心，使得在它们之间有完全包围内构件的空腔，液体冷却剂能够流经该空腔。波状中央段108足够柔性而吸收在冷却剂使用期间内构件的热增长。中央波状段108的第一端固定到第一直段107的第二端，并且中央波状段的第二端附接到第二直段109的第一端。

第二直段109包括：第二大致圆筒状外管113；第二大致圆筒状内管，其共轴地位于第二筒状外管113内；以及冷却剂入口管114，冷却剂能够通过其而进入第二直段109。热交换内管具有带散热片的段，其是不可见的。第二直段109的第一端115固定到中央波状段108的第二端且第二直段109的第二端116连接到第二段104的第一端。波状段108使得其相应的波状内管和波状外管的第二段以气体与液体密闭方式连接到各自对应 的第二直内管和外管的第一端。第二内管和外管的第二端116熔接或铜焊在一起而使得两个管彼此共轴地定位且在它们之间有环状空腔，液体冷却剂通过该环状空腔。

在第二直段109的内管内部，提供了第二带散热片构件，该第二带散热片构件将第二直内管的内部分成沿着第二直段的长度延伸的多个径向延伸的气体通道，类似于第一直段107中的第一带散热片构件111。

在第一和第二直部107、109内，提供了所述第一和第二带散热片构件，然而中央波状段108的弯折段不包含带散热片的内部构件。波状段108由于能够在冷却器操作期间吸收热增长的波状外波纹管部分而具有一定程度的热顺应性。

空气冷却段104主要目的在于提供吸收冷却段102的制造公差、振动和热增长的差异的补偿部。气体冷却段104包括单壁波状波纹管构件105，其第一端连接到第二直段109的第二端，并且其第二端连接到第二凸缘构件106。第二段104由于能够在冷却器操作期间吸收振动和热增长的波状波纹管部分105而具有一定程度的柔性。

因此，冷却器热交换管包括沿着其长度的交替的直段和弯折段，其中直段具有带散热片的内部结构，该带散热片的内部结构提供沿气流在轴向方向上排列的热传递表面。

在变型例中，第二段104可以删除，并且可以使用热交换管上的波状弯折部和短长度的直部来替代。这与波状外管一起提供了能够吸收制造公差、振动和热增长的部件。

参考本文的图2，示出了冷却器的第一端，其中能够看到第一带散热片结构111插入第一直段的内管中。第一带散热片结构包括在径向上具有多个花瓣形波浪状件的管状金属部件，使得散热片部件的单个中央通道呈现为在气流主方向上看到的大致花形中央气体通道，其被在散热片构件与热交换管的内壁之间的大致三角形或梯形的多个周边气体通道围绕。带散热片的部件插入直内管中，使得在散热片部件与内管的内壁之间形成了在周向上由散热片部件彼此分开的多个气体外通道，外通道通过散热片部件的壁与中央内通道分开。散热片部件的壁沿着直段的长度轴向延伸，以呈现为相对于直段径向且与轴向气流大致平行的第一多个热传递壁、以及与 内管的内筒状壁同心且相接触并且沿着内管的长度轴向延伸的第二组周向热传递壁，每个所述周向壁的一侧与气流相接触且每个所述周向壁的另一侧与内管的内壁相接触。

参考本文的图3，示出了从第二端看到的冷却器的立体图，示出了端部段104的单壁式波状管105的内部。在第二直段109内，存在类似于第一级段中的带散热片构件111的对应的带散热片构件，其恰好不在图3的视图的视野中。

参考本文的图4，示出了第一实施例冷却器的立体图，示出了气体域，其是冷却器的与待冷却气体直接接触的部件部分和表面，并且热由所述气体直接传递到气体域。气体域包括如下部件的内表面：第一段102的内管状部分、第一组内部散热片111、第二组内部散热片；以及空气冷却段104的内表面。

参考本文的图5，示出了第一实施例冷却器的视图，该图示出了冷却剂域，其是冷却器的与液体冷却剂直接接触的部件部分和表面，热从部件部分传递到液体冷却剂。冷却剂域包括如下部件的内表面：包括第一直外管103、波状外管112以及第二直外管113的外套；第一直内管、弯折内管和第二直内管、冷却剂出口管110和冷却剂入口管114的外表面。冷却剂域包括第一段102的直段和波状段中的内空腔整体以及冷却剂入口管和冷却剂出口管。

如图5所示，沿着冷却器的长度，冷却剂域在气体域的长度的部分上与气体域平行地延伸，而气体域在基本上冷却剂域的整个长度上延伸。气体域居中地延伸通过冷却剂域。

内部散热片

在第一实施例冷却器中，内部散热片各自包括在大致直的内管的内壁与通过内管的气体通道中心附近的位置之间延伸的大致径向延伸的壁。壁沿着内管的长度轴向地延伸，并且向内伸入中央气体通道。

多个所述内部散热片可设置为散热片构件的部分。每个散热片构件包括通过多个大致弧形的筒状壁在其沿径向最外的位置处接合在一起的多个大致径向延伸的壁。

在常规的管状气体至液体热交换器中，具有气体通过管状构件的通 道，热交换仅发生在管状构件的朝内壁上，这是气体与管状构件的材料相接触的唯一地方。然而，通过提供如本文所描述的多个散热片，这提供了气体可与其接触的进一步的热交换表面。从气体传递到散热片的热通过传导沿着散热片的材料传递，加热整个散热片且到达散热片接触管状构件的内壁的位置。热通过传导从散热片构件传递到管状构件的内壁，通过管状构件的材料，到达管状构件的另一侧上的冷却剂，管状构件的外表面在管状构件的另一侧与液体冷却剂形成接触。

因此，通过在热交换管中提供散热片，增加了管状热交换构件的中央通道中与气流形成接触且通过其能够在热交换器的材料与气体之间交换热的总表面积。

参考本文的图6，示出了第一散热片组件600的立体图。散热片组件显示为处于当插入热交换管中的状态。在插入之前，散热片组件更加打开(参见本文的图15和图16)。第一散热片组件由在两个侧面具有平滑表面的初始平坦的单个金属条形成。该条形成为散热片构件，散热片构件定形成匹配圆筒状外边界(例如，圆筒状热交换管的内表面)。第一散热片组件包括多个大致沿径向向内延伸的较长的第一散热片壁601-606；多个大致沿径向向内延伸的较短的第二散热片壁607-612；多个部分圆筒形或弧形外连接壁613-618；多个部分圆筒状第一内连接壁619-621，其中每个将一对相邻的第一散热片壁的径向向内的下端连接在一起；以及多个部分圆筒状第二内连接壁622-624，其中每个将一对相邻的第二散热片壁的径向向内的下端连接在一起。

图6、图7和图9示出了形成圆的部分的内连接壁。为易于制造，图9示出了成为散热片壁之间的半径的内连接壁。

朝向散热片构件的中心轴线面向内的第一内连接壁的面向内的表面大致位于第一圆柱上。向内面向散热片构件的中心轴线的第二内连接壁的面向内的表面大致位于第二圆柱上。第二内连接壁的面向内的表面相对于第一内连接壁的面向内的表面位于沿径向向内处，使得多个第一散热片壁与多个第二散热片壁相比从散热片构件的外周沿径向进一步向内延伸。

散热片构件由形成为如图6所示的大致花形截面形式的单个细长的、侧面大致平坦平滑的金属件制成。单个细长金属条折叠而使得金属条的第 一端和第二端形成第一外连接壁613。散热片构件形成为使得部件处于不受限制状态下的外径大于部件处于受限制状态下的外径，在不受限制状态中，散热片构件不插入热交换管，当部件装配在热交换管内时处于受限制状态。当装配在热交换管内时，如连接壁613所示的，散热片不形成完全的360°。在材料的两端之间有小的间隙，以允许易于插入以及公差。

散热片构件可由弹性金属材料形成，使得一旦形成，其具有扩展成其初始形状的弹性和趋势，从而使得当装配在热交换管内且因此压缩成直径略小的圆柱时，散热片构件使得外周向表面613-618与热交换管的内圆筒状表面接触且沿径向向外推挤热交换管的内圆筒状表面，从而确保散热片构件与热交换管的壁之间的良好热接触。

为了将散热片构件装配到大致直的圆筒状热交换管中，散热片构件将从其更打开的形式压缩成热交换管的直径且随后可以沿周向方向略微压缩、滑入热交换管的内部、并且释放。散热片构件的金属材料的弹性导致散热片向外扩展成热交换管直径且通过摩擦将其自身保持在热交换管内。然而，作为另一制造阶段，周向延伸的面613-618可以在散热片构件的轴向端处、和/或沿着第一径向延伸的散热片601-607与各自对应的外周向表面613-618之间的边缘处铜焊、熔接或锡焊到热交换管的面向内的壁上。

具有交替的成对相对较长和相对较短的径向延伸的散热片防止相邻对的散热片定位成彼此过于紧密靠近，并且因此最小化对气流的阻力效应，从而最小化压降效应且改善热交换，并且最小化散热片和内周向延伸表面的向内末端或边缘被排气固体/液体污染物堵塞的发生率。

在第一散热片组件的情况下，在散热片组件与热交换管的沿围绕第二圆柱的周向延伸的内壁之间提供了第一多个气体通道。当沿着热交换管的主轴线观看时，中央气体通道形成为大致花瓣形，所述中央气体通道包括大致圆筒状中央通道，其具有围绕所述大致圆筒状中央通道布置的多个径向延伸段。

参考本文的图7，示意性地示出了第二散热片组件700的立体图。第二散热片组件由在两个侧面上具有平滑表面的单个初始平坦的金属条制成。散热片构件定形成匹配圆筒状外边界，例如圆筒状热交换管的内表面。第二散热片组件包括：多个大致径向向内延伸的散热片壁701-712；沿外 周延伸的多个部分圆筒状外连接壁713-718，其中每个将一对相邻的第一散热片壁的径向外边缘连接在一起；沿内周延伸的多个部分圆筒状第一内连接壁719-721，其中每个将一对相邻的第一散热片壁的径向向内的下边缘连接在一起。

内连接壁719-721的面向内的表面朝向散热片构件的主中心轴线面向内且大致位于第一圆柱上。外连接壁713-718的外表面沿径向向外远离主中心轴线面向且位于第二外圆柱上。在使用中，这些外表面与中央热交换管的内表面相接触，使得能够在散热片构件与内部热交换管的壁之间能够进行热交换。

沿着每个散热片的轴向长度，散热片壁形成为沿周向突出到相邻散热片之间的气流中的多个突出的浅凹部(dimples)或耸起部。每个散热片壁包括相对于散热片壁的主平面的一侧以及随后相对于另一侧连续形成的交替浅凹部，使得气体沿着由薄壁界定的通道流动，浅凹部或耸起部引起通道内的湍流气流。在所示的实施例中，浅凹部基本上为方形的截头棱锥，但是在其它实施例中，浅凹部可以是半球形、半卵形、截头圆锥形、或细长脊状部/凹槽。凸起的设置具有将额外阻力提供给气流的效果，并且因此具有增加通过散热片构件的气压降的代价，但是具有增加气流中的湍流的优点，并且增加散热片构件的与气体相接触的每单位长度的散热片表面积的优点，以及因此增强了散热片构件的每单位长度的热传递率。

第二散热片构件由初始平坦且形成为如图7所示的大致花形截面形式的单个细长的、侧面大致平滑的金属件制成。单个细长金属条被冲压或压制而形成多个浅凹部或耸起部，并且被折叠而使得金属条的第一端和第二端形成第一外连接壁713。散热片构件形成为使得部件处于不受限制状态下的外径略大于部件处于限制状态下的外径，在不受限制状态中，散热片构件不插入热交换管中，当部件装配在热交换管内时处于限制状态。不受限制状态与受限制状态之间的直径差异是借助金属条的两端形成不彼此重叠且能够在小于外周向壁部分的周向距离的周向距离内相对于彼此滑动的第一外周向壁部713来适应的。

散热片构件可由弹性金属材料形成，使得一旦形成，其具有扩展成初始形状的弹性和趋势，使得当装配在热交换管内且因此压缩成略小直径的 圆柱时，使得外周向表面713-718接触热交换管的内圆筒状表面且沿径向向外推挤热交换管的内圆筒状表面，从而确保散热片构件与热交换管的壁之间的良好热接触。

为了将散热片构件装配到大致直的圆筒状热交换管中，散热片构件可以在周向上略微压缩、滑入热交换管的内部、并且释放。散热片构件的金属材料的弹性导致散热片通过摩擦将其自身保持在热交换管内。

第二散热片组件可以插入热交换管内并且通过摩擦或者通过熔接、铜焊或锡焊而保持在热交换管内，如本文之前参考第一散热片组件所描述的那样。

上文所述的第一和第二散热片组件中的每一个在制造和不受限制时可以形成小于360°的第一弧。当第一和/或第二散热片组件插入热交换管时，组件可被压缩而使得其在比其处于不受压缩状态更大角度的弧上延伸。在安装状态下，散热片将在恰位于360°以下的角度上延伸。

第二散热片组件提供沿着热交换管的主长度的多个径向延伸的细长通道，每个所述通道具有大致平头段形状，其具有外弧形壁和内弧形壁，所述细长通道设在散热片构件与热交换管的内壁之间。还提供中央气体通道，其包括中央圆筒状通道以及多个沿径向和周向延伸的第二通道，截面上大致是段定形，其中第二段定形部分与第一组大致平头段定形的通道交替。多个径向延伸的第一细长通道通过散热片壁与主中央通道分开。在通过第二散热片构件时，单个气流被散热片构件分成多个平行的气体通道，一旦通过散热片构件，气流再次会聚成单个气流。

在本文所描述的第一和第二散热片组件中的每一个中，散热片组件提供了多个散热片壁，多个散热片壁从所述内部热交换管的内表面朝向所述热交换管的主中心轴线向内延伸，并且其形成在垂直于所述热交换管的所述主中心轴线的方向上占据了大致环状区域的多个轴向延伸的气体通道。

参考本文的图8，示意性地示出了第三散热片组件800，其也适合用于本文的第一实施例的冷却器。第三散热片组件包括与图7所示相同的基本形式。替代形成在散热片材料中的浅凹部，材料在一个侧面上被刺穿，从而在散热片壁中形成多个半圆形孔801以及延伸进入气流路径的半圆形凸起802。这打开了一些气体从外气体通道流入花瓣形内气体通道以及从 花瓣形内气体通道流到相邻的外部气体通道的路径。

参考本文的图9，示意性地示出了沿着轴向从一端看到的视图，散热片组件的部分处于其安装后状态。在该安装后状态中，任何两个相邻的散热片表面之间的最小距离901优选地为1.5mm或更大。小于该距离的间隙趋于引起过低的气体速率，减少热交换以及增加散热片之间排气材料堵塞的可能性。

所形成的散热片组件的两端之间需要间隙902。如果当散热片组件处于其安装后状态时两端触碰到或者重叠，则散热片组件的部分可能与热交换管不具有正确接触。该间隙不会影响热交换。从散热片传导到热交换管的热在大致径向延伸的散热片壁904，905与弧形周边部906之间的过渡处的界面903处或其附近被传递。处于其制造后状态的散热片组件趋于具有比热交换管的内径大的外径，散热片组件被设计成装配到热交换管中并且需要略微压缩从而装配在热交换管内。制成散热片组件的材料的弹性导致散热片组件在装配在其中时挤压热交换管的内表面。

参考本文的图10A，一对散热片壁904和905以及外散热片连接长度906显示处于在热交换管1000内的散热片安装状态。在靠近大致径向延伸的散热片壁与散热片壁之间的弧形连接部之间的弯折部附近的区域中，散热片组与热交换管1000接触。能够看出，自散热片组件的轴向中心测得，热交换管的半径r1小于连接部906的弧形外表面的半径r2。这确保了散热片组件在尽可能靠近散热片壁的端部处接触热交换管。

半径r1与r2的差别不应如此大以至于导致外散热片连接部906与热交换管之间有过大的间隙。在该区域中的过大间隙将导致热交换损失。

参考本文的图10B，当散热片锡焊或铜焊到热交换管中时，弯月面1101和1102形成在散热片组件与内部热交换管的内侧表面之间的接触点的两侧。该弯月面确保了用于热传导的最佳路径。铜还将填充弧形的外散热片连接长度906与热交换管1000之间的间隙，如图10B所示，进一步改善热交换。

如本文的图10C示意性示出，如果r1大于r2，则外散热片连接部906的中心将接触热交换管。甚至当铜焊时，弯月面可以不填充散热片组件的弧形连接部的外表面与内管的内面向表面之间的间隙。这有效地增加了散 热片壁的长度并且减少了通过散热片组件与内管之间的传导而发生的热交换，与散热片壁的径向最外端接触热交换管的内表面并且通过铜焊来连接的情况(如本文中的图10B中所示)相比，导致了更低的有效性。

参考本文的图11，示意性地示出了第二热交换装置1100的部分，示出了根据另一实施例的热交换器的内部热交换管1103。图11的热交换器包括：位于热交换器的第一端处的第一凸缘1101；位于热交换器的第二端处的第二凸缘1102；在第一端与第二端之间延伸的内部热交换管1103；以及在内部热交换管1103的一端与第二凸缘1102之间延伸的波状端管1104。图11的热交换器还包括第一和第二大致直的外套段以及包围内部热交换管1103的中央波状外套段，如针对本文的图1至图5的第一冷却器实施例所类似描述的。第二热交换器还具有冷却剂入口管和冷却剂出口管。管可以装配有一组内部散热片，如参考本文的图1至图8所描述的。优选地，散热片将附接到平滑段，并且图11所示的浅凹部将处于非带散热片区域。优选地，内部散热片占据了内部热交换管的直段。外套、内部散热片和冷却剂入口和出口管从图11中省去，以便更具体地显示出内部热交换管1103的结构。

热交换管1103包括单个管状金属构件，该管状金属构件具有：第一大致直部1105；弯曲或成角度部分1106；以及第二大致直部1107。第二大致直部1107的端部连接到波状端管1104的第一端。包括第一和第二直段1105，1107和弯曲段1106的整个热交换管在使用时由液体冷却剂包围，液体冷却剂封装在热交换管1103与第一和第二外直管状段与外波状段之间的空腔中。

热交换管的管状壁形成有伸入液体冷却剂在其中流动的空腔中的多个向外伸出的耸起部或浅凹部。在热交换管的外侧上伸出的浅凹部或耸起部与在管的内侧上的其它平滑的内部热交换管壁上相应的凹部对应。与直的圆筒状管相比，凸起提供了相对增加的表面积，用于表面一侧上的气体与表面的另一侧上的液体冷却剂之间的热传递。

已发现浅凹部对热交换管的效果仅实现排气湍流的少量增加。浅凹部能够仅用在热交换的直部上、仅用在热交换管的弯曲部上、或者用于在直部和弯曲部上。

参考本文的图12，示出了根据第三实施例的热交换器的第三共轴冷却器，其具有三个弯折部和四个直部。冷却器由气体入口凸台(boss)1201、具有冷却剂连接管1203的直段1202、第一波状段1204、第二直段1205、第二波状段1206、第三直段1207、第三波状段1208、具有第二冷却剂连接1210的第四段1209以及凸缘1211。在冷却器内是热交换管1212以及(图12中未示出的)多个散热片。

波状段1204、1206和1208各自在弯折段两侧具有小的直段。

热交换管1212具有在第一直段1202内的长度上的浅凹部段(如本文的图11中所示)。在该段中不存在散热片，这减少了气体入口处的热交换且辅助在包围第一直段的外套内冷却剂局部沸腾的减少。在第一波状段1204内的热交换管1212也是波状的并且不具有散热片。在第二直段1205内的热交换管具有平滑表面和在其长度的至少部分上铜焊到其上的散热片。在第二直段1205的两端处，管具有单排浅凹部。在波状段1206下方的热交换管1212也是波状的并且不具有散热片。在直段1207内的热交换管1212具有浅凹部段且不具有散热片。第三波状段1208内的热交换管1212也是波状的并且不具有散热片。在第四直段1209内的热交换管1212具有平滑表面和在其长度的至少部分上铜焊到其上的散热片。在第四直段的邻近第三波状段1208的端部，热交换管具有单排浅凹部。因此，热交换管由以下段构成：附接有散热片的平滑管道、在带有浅凹部的带散热片区域的两侧的短长度的管、具有浅凹部而没有散热片的直段以及不带有散热片的波状段。

本领域技术人员显而易见的是，气体可以沿与在凸缘1211处进入冷却器相反的方向流动。如果担忧在波状弯折部处沸腾，则这可以是优选的气流状态。在第三波状段中的弯折部1208之前，第四直段1209内的第一带散热片段将已经基本冷却了气体。所有设计将有变化，并且取决于所需的冷却应用和边界状态。

参考本文的图13，显示第三冷却器被组装在其直的状态下。散热片在第二直段区域1205和第四直段区域1207中铜焊到热交换管上。在第二、第三和第四直的区域1205、1207、1209中的热交换管上存在浅凹部。由浅凹部的波峰形成的外径名义上具有与外管的内径相同的直径。设计公差 以使能实现组装。

一旦组装，1204处的第一波状部弯折。该作用使得外管和内部热交换管一起弯折。组件随后在第二波状段1206处弯折并且最终在第三波状段1208处弯折。借助外径名义上与外管的内径为相同直径的浅凹部，热交换管在弯折过程中保持大致同心的状态。

参考本文的图14，示出了第一实施例的热交换管1401的内管1401以及来自图1所示的热交换器的两组散热片1402和1403。

参考本文的图15，示出了热交换管1401以及处于其制造后状态的一个散热片组1403。能够看出，在散热片形式的端部之间存在大的宽度间隙1500。在该状态下散热片的直径比热交换管1401的内径大。

参考本文的图16，示出了部分地插入热交换管1401中的散热片组1403之一。现在看出，在散热片形式的端部之间的间隙1600实质上小于处于散热片组的不受限制状态中的间隙1500。现在散热片组1403被压缩，并且材料弹性试图向外打开散热片组。这确保在散热片与热交换管之间保持紧密接触。

散热片材料

在各个实施例中，内部散热片构件可以由铁素体不锈钢构成。铁素体不锈钢具有比300系列不锈钢显著高的导热性并且被发现提供了比使用由不锈钢321制成的等同散热片的对应的排气温度低18°的降低的排气温度。与使用不锈钢321相比而言，铁素体不锈钢散热片的使用在等同操作条件下将排气温度降低多达18℃。

散热片可以由309，310或铬镍铁制造。

相对流向的效果

本文的实施例冷却器能够连接在电路中，使得气流和液体冷却剂流能够改变而使得气体冷却剂处于反流(在彼此相反的方向上)，或者在平行流中(沿彼此相同的方向)。计算机建模测试发现，通过将气流和液体冷却剂流平行连接，可以实现沸腾指数的显著降低，而在热交换率上无显著差异。因此，在一些应用中，气体流和液体冷却剂流平行连接是优选的。

其它变型例

在本文公开的各个实施例以及在本公开的范围内的变型例中，具有热 传递管的共轴冷却器至少部分地包括具有平面或平滑表面的一个或多个直段。平面表面确保了在热交换表面上的良好冷却剂流。存在于波状部根部的低冷却剂流的涡流可被消除，并且因此可以大幅降低沸腾。此外，由于热交换表面可以是平面的或平滑的，由那些表面对经过的气体所引起的阻力可以大幅减小，并且因此与常规的波状热交换管相比，可以大幅减小气压降。

一般地，提供平滑的热交换表面减少了湍流，而且减少了热交换。为实现每单位长度相对高的热交换，多个散热片与热交换管的内表面接合。热传递管可以在其整个长度上是平面或平滑表面，包括在管中的任何弯折部。

替选地，热交换管可以在弯折部上具有波状部、或者在直部的一段上具有波状部、或者在两者上都有波状部。波状部可以是环状的或者螺旋形的。波状段可以具有变化的节距，这提高了热交换器的性能，或者利于改善热交换器的组装。

接合主热交换器主体的用于冷却剂入口和出口的适配器管可以被压制、铸造、加工、烧结或3-D打印从而最小化它们的尺寸。由于成本原因，可以形成适配器。

这些交换器可以通过气流与液体冷却剂成反流而操作，或者通过气流与液体冷却剂流重合或平行而操作。

位于中央热交换管周围的外管可以部分地为波状或者可以为平面且平滑的。在波状的情况下，波状部可以是环状的或螺旋形的。波状段可以包括沿其长度变化的节距，以提高性能或者改善组装。

散热片部件可由奥氏体或铁素体不锈钢制成。铁素体不锈钢具有高的热传导性，其可以使得散热片更有效地用于热传递。对于极高温度的应用，可以使用镍铬铁散热片。

散热片可通过铜焊工艺或者通过熔接工艺而附接到热交换管的内部。散热片可以形成为卷绕条，其形成0°与350°之间的弧。在插入热交换管内部时条材的自然弹性增加弧的角度，将散热片推出而接触热交换管表面。

连续的散热片可以具有相同的长度或不同的长度。在散热片均具有相 同长度的情况下，则随着散热片朝向管中心延伸，散热片之间的间隙会变小，导致对在散热片的那些部分附近经过的气体的阻力增加，导致低速以及相对差的热交换。为确保散热片尽可能高效，散热片可以附接到热交换管上，尽可能接近管的内圆筒状表面的直角。这通过在从散热片的周向部分到散热片的沿径向延伸进入热交换管的径向延伸部分的过渡部上、在散热片上具有急剧的曲率半径来实现。在散热片与热交换管之间的接合部上具有良好的铜焊弯月面也有助于实现散热片与管之间的高的热传递效率。

在内管内部存在1与30之间的独立径向延伸的散热片。在优选的实施例中，冷却器可最优地具有在5mm与50mm之间的热交换管内径。

本文公开的任意独立散热片结构和散热片组件可与本文公开的热交换器实施例中的任一个通过任意组合一起使用。

从热交换管向外形成的浅凹部可用于改善热交换以及使得热交换管居中位于外管内部。浅凹部辅助内管与相对于外壳体或管的同心度，尤其当冷却器具有多于一个的弯折部时。

Claims (17)

1.一种利用液体冷却剂冷却热气体的热交换器，所述热交换器包括：

内部热交换管，用于在所述气体与所述液体冷却剂之间交换热；

管状外体，其包围所述内部热交换管的至少部分；

其中所述气体流经所述热交换管并且所述液体冷却剂在所述内部热交换管与所述管状外体之间流动；

其特征在于包括：

与所述内部热交换管的内表面相接触的一个或多个散热片。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中所述内部热交换管在其长度的至少部分上是直的。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，包括在所述热交换管的内表面之间向内且朝向通过所述热交换管的通道的中央延伸的多个散热片壁。

4.如权利要求3所述的热交换器，其中所述多个散热片壁由对应的多个周向延伸壁连接，所述周向延伸壁连接所述散热片壁的径向最外末端。

5.如任一前述权利要求所述的热交换器，包括从所述内部热交换管的内表面朝向所述热交换管的主中心轴线向内延伸的多个散热片壁。

6.如任一前述权利要求所述的热交换器，包括多个轴向延伸的气体通道，所述气体通道占据垂直于所述热交换管的所述主中心轴线的方向的大致环状区域。

7.如任一前述权利要求所述的热交换器，包括第一散热片类型和第二散热片类型，所述第一散热片和第二散热片具有不同的长度从而朝向所述热交换管的中心轴线向内延伸不同的距离。

8.如任一前述权利要求所述的热交换器，其中一个或多个所述散热片包括在所述热交换器的周向方向上延伸的一个或多个凸起。

9.如任一前述权利要求所述的热交换器，其中多个所述散热片由单条材料形成。

10.如任一前述权利要求所述的热交换器，其中所述散热片被布置成多段，每段包括至少一个散热片。

11.如任一前述权利要求所述的热交换器，包括条材，所述条材形成为多个散热片，多个散热片形成为小于360°的总弧，当插入所述热交换管中时，其增加弧的角度。

12.如任一前述权利要求所述的热交换器，其中名义上与所述热交换管相接触的散热片的所述弧具有大于热交换管的半径。

13.如任一前述权利要求所述的热交换器，其中所述一个或多个散热片形成为单一部件，该单一部件能够装配在所述内部热交换管内且自保持在所述内部热交换管内。

14.如任一前述权利要求所述的热交换器，包括补偿管，所述补偿管接合在所述热交换器的端部上以适应热增长和制造公差。

15.如任一前述权利要求所述的热交换器，包括与一个或多个波状段交替的一个或多个大致直的平滑段，其中所述直段具有内部带散热片的结构，提供在沿着气体流的轴向上排列的热传递表面。

16.如任一前述权利要求所述的热交换器，具有多个直部和多个弯折部。

17.如任一前述权利要求所述的热交换器，包括在内部气体管上的向外形成的浅凹部，其将所述气体管设置成在管状外体中与之大致同心。