CN106704046B - 一种带有伸缩段的换热单元和废气再循环冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有伸缩段的换热单元和废气再循环冷却器，包括：与换热器管板连接的多根换热管，所述的换热管分为多组，每组换热管包括至少一根换热管，各组换热管上设置至少一个伸缩段。本发明为一种分段式换热单元设计，在换热管上设置了膨胀段，可均匀的将因热膨胀产生的应力消除，同时使冷却器布置更加紧密。分段式换热单元可以形成标准结构，根据不同的换热量需求，调整换热单元的数量，极大的降低了较长冷却器换热元件的加工难度，同时提高了加工精度。膨胀段的设置可以最大限度的共用零部件，从而降低制造工艺难度，更适用于批量化生产。

Description

一种带有伸缩段的换热单元和废气再循环冷却器

技术领域

本发明涉及一种带有伸缩段的换热单元和废气再循环冷却器，是一种车用汽车发动机的附件，是一种汽车发动机的节能环保设施，是一种汽车发动机废气再循环冷却系统中的热交换单元和热交换器，是一种适用于中、重型发动机上大型的废气再循环冷却器的热交换单元和热交换器。

背景技术

相对与轻型发动机，中、重型发动机废气流量大，要求EGR冷却器有更高的换热量，使冷却器体积大幅度增加。由于汽车内部结构要求，中、重型发动机所使用的EGR冷却器通常设计为长宽比一般超过5长条形。在这样的长宽比条件之下，管壳和换热单元之间会产生严重的热胀冷缩问题（所述的换热单元是指主要由换热管或翅片管构成的换热管束）。尽管热交换单元和管壳选用相同热胀冷缩比的材料，但由于管壳是在发动机冷却液温度下工作，而换热单元却工作在炽热的汽车废气的条件下，两者的工作温差造成了管壳与换热单元的热胀冷缩程度不同，形成了沿换热器长方向的轴向应力。当换热器的长度较短时（如轻型发动机的换热器），轴向应力还可以容忍，但在长宽比一般超过5的长条形换热器中，极易造成两端管板与换热单元端部的焊接缝处开裂或者换热单元弯曲断裂等问题，严重影响EGR冷却器的可靠性。

EGR换热器的另一个问题是外形大小受到严格的限制，对换热器的任何改进，都要尽量减少外形尺寸的增加。

另外，对于EGR换热器的生产者来说，由于汽车发动机的多样性，其换热器也随发动机的型号变化而变化，因此，大量不同型号的换热器制作对生产提出了一个苛刻要求：如何能使换热单元生产标准化，以适应各种型号的换热器生产。

故此，设计一种解决热膨胀问题，换热管尺寸要求严格、并符合批量生产要求的换热器是一个需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种带有伸缩段的换热单元和废气再循环冷却器，所述的换热单元中的换热管上设置了可以伸缩波纹管，缓解了由于热胀冷缩而产生的轴向应力，避免了轴向应力所造成的破坏作用。

本发明的目的是这样实现的：一种带有伸缩段的换热单元，包括：与换热器管板连接的多根换热管，所述的换热管分为多组，每组换热管包括至少一根换热管，各组换热管上设置至少一个伸缩段。

进一步的，所述的各组伸缩段沿换热管轴向线或等距离排列或交错排列。

进一步的，所述的伸缩段处的换热管被完全切断，被切断的换热管两端分别焊接连接在两块相互平行的连接板上，两块所述的连接板与波纹管连接。

进一步的，所述的伸缩段处的换热管被完全切断，被切断的换热管两端分别焊接连接两个管套，两个所述的管套与波纹管连接。

进一步的，所述的波纹管周围设有围护板，所述的围护板与连接板或管套焊接连接，所述的围护板上设有与换热管轴向线垂直的开口槽。

进一步的，所述的伸缩段处的换热管交错排列多个与换热管轴向线垂直的开口槽，开口槽两侧分别设置管套，两个所述的管套与波纹管连接。

进一步的，所述的波纹管上的波纹为1-5个。

进一步的，所述的各个换热管之间设有支撑措施，所述的支撑措施是相邻换热管上成对出现的突起。

进一步的，所述的各个换热管之间设有支撑措施，所述的支撑措施是相邻换热管之间设置的支撑板。

一种废气再循环冷却器，依次连接的进气法兰、扩散器、扩散器侧的管板、换热单元、收集端侧的管板、收集器、排气法兰；还包括：围绕在所述换热单元周围的管壳，所述的管壳上设有进水口和出水口，其特征在于，所述的换热单元使用上述权利要求所述带有伸缩段的换热单元。

本发明产生的有益效果是：本发明为一种分段式换热单元设计，在换热管上设置了膨胀段，可均匀的将因热膨胀产生的应力消除，同时使冷却器布置更加紧密。分段式换热单元可以形成标准结构，根据不同的换热量需求，调整换热单元的数量，极大的降低了较长冷却器换热元件的加工难度，同时提高了加工精度。膨胀段的设置可以最大限度的共用零部件，从而降低制造工艺难度，更适用于批量化生产。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一、三所述换热单元的结构示意图，以及实施例十所述换热器的结构示意图；

图2是本发明的实施例二所述每组一根换热管的交错设置伸缩段的示意图；

图3是本发明的实施例二所述每组多根换热管的交错设置伸缩段的示意图；

图4是本发明的实施例三所述伸缩段的结构示意图；

图5是本发明的实施例四所述伸缩段的结构示意图；

图6是本发明的实施例五所述带有围护板的一组多根换热管的伸缩段的结构剖面示意图；

图7是本发明的实施例五所述带有围护板的一组一根换热管的伸缩段的结构剖面示意图；

图8是本发明的实施例五所述带有围护板的伸缩段外形结构示意图；

图9是本发明的实施例五所述另一种带有围护板的伸缩段外形结构示意图；

图10是本发明的实施例六所述换热管伸缩段的开口槽和波纹管结构示意图；

图11是本发明的实施例八所述的换热管上设置突起的结构示意图；

图12是本发明的实施例九所述的换热管之间设置支撑板的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种带有伸缩段的换热单元，如图1所示。本实施例包括：与换热器管板1连接的多根换热管2，所述的换热管分为多组，每组换热管包括至少一根换热管，各组换热管上设置至少一个伸缩段3。图1中显示是一组换热管的情况，本实施例中的“一组换热管”指的是，并排排列的换热管数量，如图1中，与纸面平行的换热管并排排列的7根换热管，而垂直于纸面的方向排列的5根换热管，那么，一组换热管中就应该有35根换热管。

所述换热管可以是翅片扁管组件，或为扁圆型换热管，或为圆形换热管等各种管型。换热单元按一定顺序排列固定在管板上，管板可以是扩散器侧的管板，也可以是收集器侧的管板。

为使长度较长的换热管能够伸缩，以适应管壳较小的伸缩，本实施例在换热管上设置伸缩段。为使长管伸缩通常可以采用波纹管、或U型管等管型。由于受到管壳的限制，本实施例的伸缩段可以采用波纹管。所述的波纹管是一种带有类似手风琴气箱那样具有伸缩特点的管型，伸缩的波纹可以是1-5个。为解决长度较长的换热管的热胀冷缩问题，可以设置多个伸缩段。

伸缩段的设置可以有两种方式：一种是每根换热管都设置伸缩段，也就是说每根换热管上至少有一个伸缩段，也可以有两个、三个伸缩段；另一种是两根以上换热管组成一组，整个换热管束形成多组换热管，一组换热管设置至少一个伸缩段，例如：一个换热管束有三十根换热管，每三根换热管为一组，如果一组换热管上设一个伸缩段，那么这个管束上就有十个伸缩段，如果每组换热管上设有两个伸缩段，就有20个伸缩段。

为提高换热效率，换热管束通常密集排列，这就对伸缩段提出了一个十分苛刻的要求，即：增加的伸缩段的外形尺寸受到严格要求：不能比原有的直管大太多，如果大太多就好影响换热管的密度，换热管密度降低影响换热器的效率。同时伸缩段在制造工艺上还必须符合大批量生产的需要。为此本实施例提出了几种伸缩段的连接方式。

波纹管与直管之间连接有多个方式，可以采用类似换热器管板那样的结构，即：将一个完整的直管截断，在截断的部位的两端分别焊接上两块连接板，连接板平面垂直于直管的轴线方向（所述的轴线方向是指沿直管的长度延伸的中心线），在两块连接板之间连接上波纹管。在实际生产中可以将一段波纹管的两端加工出连接板，也可以将波纹管的两端分别焊接上连接板。带有连接板的波纹管伸缩段可以适用于单根换热管，也可以使用在多个换热管上，即：在一块连接板上连接多根换热管，而两块相对应的连接板上连接一个可伸缩的波纹管。

波纹管与直管之间还可以采用“套”的方式连接，即：将一个完整的直管截断，在截断部位的两端分别焊接上两个管套，将一段波纹管连接在两个套上。或者描述为：一段波纹管的两端分别设有一小段管套，管套的大小可以紧密的套在直管被切开的两端，产生伸缩的效果。

还有一种产生伸缩效果的方式是：将一个完整的直管不完全切断，而是交错的在管的外壁上开几道开口，开口的方向是垂直于管的轴线方向，这样就可以使直管具有伸缩性，为了避免气流从开口处流出，在几道开口处设置带有管套的波纹管，将开口处密封。

由于换热管在换热器中密集的并排排列，相邻换热管之间的空间很小，在换热管上增加的伸缩段的外廓肯定增大了。在一些换热管较为密集的换热器中，如果两个伸缩段并排设置在一起，有可以相互之间产生干涉。为此，可以在相邻换热管的不同位置设置伸缩段，形成伸缩段交错的状态，以避免相邻伸缩段之间的干涉。

换热管中间增加了伸缩段，会产生一个问题，即发生折线弯曲，特别是一根换热管上设置多个伸缩段时，更加容易出现折线弯曲的现象。这是因为，在某种情况下，当换热管膨胀时，整条换热管可能在伸缩段发生弯折，而不是按照所愿望的那样，伸缩段沿轴线方向伸缩。这种状况类似于整条换热管的形状发生折线失稳。这种情况是完全不能接受的，必须采取措施加以避免。

可以在伸缩段外部增加护板。护板将整个伸缩段周围包围起来，使波纹管只能沿护板所约束的方向伸缩，而不会出现弯折的现象。

另一个措施是，在相邻换热管之间设置支撑措施，使换热管之间的距离固定，这样可以有效的避免换热管之间的距离变化，促使相邻换热管在膨胀时相互约束，只能沿轴线方向伸缩，而不会发生折线弯曲。

连接板、管套、护板和波纹管都是十分常见的零件，也适合大批量生产，因此，本实施例所述的伸缩段，以及带有伸缩段的管束都十分符合大批量生产的要求。换热单元尺寸可进行标准化设计，根据不同的换热量，合理的设置换热单元数量，满足换热性能，换热单元中各零部件有更高的通用性，从而降低制造工艺难度，更适用于量产化生产。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于伸缩段的细化。本实施例所述的各组伸缩段沿换热管轴向线或等距离排列或交错排列，如图2、3所示。

由于密集排列换热管之间距离很小，任何增加换热管外廓尺寸的设施都可以影响两个换热管之间的空间，两个换热管之间的空间太小会影响换热媒介的流动，直至影响换热效率。而伸缩段的外廓尺寸一般都大于直管的外廓尺寸，为增加换热管束的密度，本实施例将伸缩段的位置交错排开，避免两个相邻伸缩段并排在一起，互相干扰。图2是每组一根换热管上都设置伸缩段的情况，各个相邻换热管之间交错设置伸缩段。图3是一组换热管中有四根换热的情况，各组相邻换热管上的伸缩段交错排列，避免伸缩段之间发生干涉。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于伸缩段的细化。本实施例所述的伸缩段处的换热管被完全切断，被切断的换热管两端分别焊接连接在两块相互平行的连接板301上，两块所述的连接板与波纹管302连接，如图4所示。

本实施例的伸缩段连接方式有些类似于换热管束与管板连接的方式，既适应一组中多根换热管上设置伸缩段，也适应在一根换热管设置伸缩段。本实施例是将一根完整的换热管从中间完全截断，使换热管分为两节，换热管分开的两个端口上分别焊接上一块平面垂直于换热管轴线的连接板，这块连接板上可以焊接一根换热管，也可以焊接多根换热管。在两块连接板上再连接上一小段波纹管，形成伸缩段。波纹管的形状可以描述为近似于手风琴风箱的形状，在管的轴线方向上是柔性的，可以在一定程度上改变轴向长度。波纹管与连接的连接方式可以是焊接，也可以是其他方式，如拉伸出翻边，再与波纹管连接等。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于伸缩段的细化。本实施例所述的伸缩段处的换热管被完全切断，被切断的换热管两端分别焊接连接两个管套303，两个所述的管套与波纹管连接，如图5所示。

本实施例适应于一组换热管中只有一根换热管的情况，也就是说只适应与单个换热管上设置伸缩段。在实际制造中管套与波纹管制造为一体，直接焊接在被切断管断点两边的端口，将断点连在一起。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于伸缩段的细化。本实施例所述的波纹管周围设有围护板304，所述的围护板与连接板或管套焊接连接，所述的围护板上设有与换热管轴向线垂直的开口槽3041，如图6、7、8、9所示。

为避免伸缩段弯曲，本实施例在波纹管的外侧周边围护了一圈围护板，同时将围护板的两侧分别与断口两边的管套（见图7）或连接板（见图6）焊接，约束波纹管只能沿轴向位移。由于围护板与两侧的管套或连接板焊牢，如果围护板不能伸缩，波纹管也失去了意义，因此，需要在围护板上开伸缩用的开口槽，如图8所示。开口槽是设置在围护板上的几道交错开口，由于是交错的因此围护板还能保持为一个完整的整体，只是由于有开口槽，围护板可以沿换热管轴线方向伸缩，以适应波纹管的伸缩。

开口槽的基本形式是沿垂直于换热管轴线方向开出，围绕围护板绕多半圈，相邻的一个开口槽则围绕围护板的另一半圈，这样开出的开口槽就具有不完全断开的柔性伸缩作用。开口槽的长度可以是围护板的1/2或3/4。

为避免应力集中，在开口槽的端部可以设置应力圈3042。应力圈的形状可以是圆形（见图8），也可以不规则的多边形（见图9）。同样为了解决应力集中的问题，可以两侧开口槽接近末端的位置略微弯曲向内倾向（见图8）。

由于围护板设置在波纹管的外侧，所以当波纹管膨胀时，一方面向换热管的轴线方向延伸，另一方面也会想与换热管轴线垂直的方向膨胀，但在围护板的作用下，可以消除这个膨胀，在围护板的作用下，波纹管只能向内变化，如图6、7中箭头所指方向。

实施例六：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于伸缩段的细化。本实施例所述的伸缩段处的换热管交错排列多个与换热管轴线垂直的开口槽201，开口槽两侧分别设置管套，两个所述的管套与波纹管连接，如图10所示。

与上述实施例中的情况不同，本实施例中的换热管不被完全切断，而是在换热管上开出类似上述围护板上那样几道交错的开口槽，再在换热管外围开口槽部位设置波纹管。这样的设计可以使增加换热管的强度，避免换热管伸缩段发生折线弯曲。

波纹管两侧的管套要与换热管完全焊牢、密闭，才能达到隔绝水气的作用。

实施例七：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于波纹管的细化。本实施例所述的波纹管上的波纹为1-5个。

波纹管上的波纹设置，不能太多，太多容易发生失稳，因此，波纹设置1个至5个为最佳。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于换热管的细化。本实施例所述的各个换热管之间设有支撑措施，所述的支撑措施是相邻换热管上成对出现的突起202，如图11所示。

本实施例中换热管上设置突起，使两个相邻换热管突起之间相互紧挨在一起，如果发生换热管弯曲的现象，这可以是相邻换热管之间互相支撑，避免换热管弯曲。

实施例九：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于伸缩段的细化。本实施例所述的各个换热管之间设有支撑措施，所述的支撑措施是相邻换热管之间设置的支撑板4，如图12所示。

换热管之间设置有波浪形支撑板，不仅能够增强换热单元的整体强度，同时对冷却液产生扰流，增强冷却器换热效率。

实施例十：

本实施例是一种废气再循环冷却器，依次连接的进气法兰5、扩散器6、扩散器侧的管板、换热单元、收集端侧的管板、收集器7、排气法兰8；还包括：围绕在所述换热单元周围的管壳9，所述的管壳上设有进水口10和出水口11，所述的换热单元使用上述权利要求所述带有伸缩段的换热单元。

本实施例适用于长宽比较大的中重型发动机的换热器，由于长宽比较大，换热单元的长度较长，容易与管壳发生较大的膨胀差，本实施例为解决这一问题，在换热管上设置多个伸缩，如图1所示，在换热管上设置了两个伸缩段，通过伸缩段的伸缩变化，适应管壳的膨胀长度。在实际使用中，还可以设置三个、四个，甚至更多个膨胀段。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如膨胀度的形式、波纹管的形式、膨胀段与换热管的连接方式，以及各要素之间的连接方式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种带有伸缩段的换热单元，包括：与换热器管板连接的多根换热管，其特征在于，所述的换热管分为多组，每组换热管包括至少一根换热管，各组换热管上设置至少两个伸缩段，即所述伸缩段的设置可以有两种方式：一种是每根换热管都设置伸缩段，也就是说每根换热管上至少有两个伸缩段；另一种是两根以上换热管组成一组，整个换热管束形成多组换热管，一组换热管设置至少两个伸缩段；

方案一，所述的伸缩段处的换热管被完全切断，被切断的换热管两端分别焊接连接在两块相互平行的连接板上，两块所述的连接板与波纹管连接；

方案二，所述的伸缩段处的换热管被完全切断，被切断的换热管两端分别焊接连接两个管套，两个所述的管套与波纹管连接；

所述的方案一、二中所述的波纹管周围设有围护板，所述的围护板与连接板或管套焊接连接，所述的围护板上设有与换热管轴向线垂直的开口槽；

方案三，所述的伸缩段处的换热管交错排列多个与换热管轴向线垂直的开口槽，开口槽两侧分别设置管套，两个所述的管套与波纹管连接；

所述的波纹管是一种手风琴气箱式具有伸缩能力的管型。

2.根据权利要求1所述的换热单元，其特征在于，所述的各组伸缩段沿换热管轴向线或等距离排列或交错排列。

3.根据权利要求2所述的换热单元，其特征在于，所述的波纹管上的波纹为1-5个。

4.根据权利要求3所述的换热单元，其特征在于，所述的各个换热管之间设有支撑措施，所述的支撑措施是相邻换热管上成对出现的突起。

5.根据权利要求4所述的换热单元，其特征在于，所述的各个换热管之间设有支撑措施，所述的支撑措施是相邻换热管之间设置的支撑板。

6.一种废气再循环冷却器，依次连接的进气法兰、扩散器、扩散器侧的管板、换热单元、收集器侧的管板、收集器、排气法兰；还包括：围绕在所述换热单元周围的管壳，所述的管壳上设有进水口和出水口，其特征在于，所述的换热单元使用权利要求1所述带有伸缩段的换热单元。