CN107076533B - 具有用于减少egr气体压差的波形翅片板的换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种换热器，包括：换热器主体；用于将废气引入所述换热器主体中的气体入口；用于将冷却剂引入所述换热器主体中的冷却剂入口；用于排出与冷却剂热交换而冷却的废气的气体出口；以及用于排出完成热交换的所述冷却剂的冷却剂出口。其中所述换热器主体包括：通过并排层叠多个气体通道而形成的层叠管芯；壳体，其形成以包围层叠管芯，除了其两端部；以及波形翅片板，其一体地设置有多个波形翅片，并且设置在每个气体通道内，其中每个波形翅片包括沿纵向方向邻近气体出口的位置的可变节距部分以及邻近气体入口的位置的固定节距部分，在所述可变节距部分内的所述波形翅片的节距总是大于在所述固定节距部分内的所述波形翅片的节距，并且所述可变节距部分占所述波形翅片板的整个长度的10~60％。

Description

具有用于减少EGR气体压差的波形翅片板的换热器
技术领域
本发明大体上涉及具有用于减少EGR气体压差的波形翅片板的换热器。更具体地，本发明涉及一种换热器，其能够通过使用波形翅片板大大减少气体压差，该波形翅片板包括与气体入口的位置相邻的固定节距部分以及与气体出口的位置相邻的可变节距部分。
背景技术
通常，废气再循环(EGR)系统通过将一部分废气再循环到进气系统来增加进气中的CO2浓度，从而降低燃烧室的温度，并因此降低NOx。
通过使用冷却剂来冷却废气的废气换热器(通常称为EGR冷却器) 在EGR系统中使用。由于废气换热器将废气的温度从约700℃冷却至 150～200℃，因此其需要具有耐热性。此外，废气换热器需要紧凑以便安装到车辆上，并且使压力降低最小化来用于供应适量的EGR。另外，当废气在热交换过程中冷凝时，由于废气中的硫而在冷凝水中包含有硫氧化物，这导致废气换热器容易被腐蚀，因此需要废气换热器耐腐蚀。此外，因为由于废气的脉冲而产生了机械负荷，因此需要废气换热器具有预定的机械强度。
该废气换热器包括：层叠了多个气体通道的层叠管芯；废气通道，废气通过而通过每个气体通道；以及设置在相邻的气体通道之间的冷却剂通道。此外，废气换热器的气体通道设置有翅片结构，即，其中的波形翅片板可通过引起流体的湍流而提高热交换的效率。该波形翅片板通常被称为波形翅片，其包括多个波形翅片，并且每个波形翅片具有固定节距的正弦曲线形状，其具有在每个波形翅片的整个长度上串联设置的脊形和槽形。
如上所述，具有固定节距的波形翅片的正弦曲线形状引起流体湍流，即，废气通过具有波形翅片的流体通道，从而提高废气换热器的热交换效率。同时，尽管在开发车辆时所需的EGR冷却器的性能和气体压差降低取决于车辆的发动机，但是在任何种类的发动机中都需要改进的性能 (或效率)和气体压差降低。然而，包括具有固定节距的正弦曲线形状的波形翅片的波形翅片板难以保持效率并减少气体压差。
披露
技术问题
因此，本发明已考虑到现有技术中出现的上述问题，并且本发明旨在提出一种换热器，其中换热器通过使用波形翅片板来保持效率并显著减少气体压差，该波形翅片板包括邻近气体入口的位置的固定节距部分和邻近气体出口的位置的可变节距部分。
发明内容
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种换热器，包括：换热器主体；用于将废气引入所述换热器主体的气体入口；用于将冷却剂引入所述换热器主体中的冷却剂入口；用于排出与冷却剂热交换而冷却的废气的气体出口；以及用于排出与所述废气完成热交换的所述冷却剂的冷却剂出口，其中所述换热器主体包括：通过并排层叠多个气体通道而形成的层叠管芯；壳体，其形成以包围除了其相对端部之外的层叠管芯；以及波形翅片板，其一体地设置有多个波形翅片，并且设置在每个气体通道内，具有□形横截面的波形翅片和□形横截面的波形翅片沿着所述波形翅片板的宽度方向串联设置，其中每个波形翅片包括沿波形翅片纵向方向上邻近气体入口的位置的固定节距部分以及邻近气体出口的位置的可变节距部分，在所述波形翅片的所述可变节距部分内的每个节距总是大于在所述波形翅片的所述固定节距部分内的每个节距，并且所述可变节距部分占所述波形翅片板的整个长度的10～60％。
根据本发明的实施方式，在每个波形翅片中，可变节距部分的第一节距可以是比固定节距部分的固定节距大1.1～2.5倍。
根据本发明的实施方式，波形翅片的可变节距部分的节距可配置为随着可变节距部分的节距接近气体出口的位置而逐渐增加。
根据本发明的实施方式，波形翅片的可变节距部分的节距可配置为彼此相同。
根据本发明的实施方式，波形翅片的可变节距部分的节距可配置为随着可变节距部分的节距接近气体出口的位置而逐渐减小。
根据本发明的实施方式，该波形翅片可包括：第一波形部分，以及第二波形部分，其定位为串联第一波形部分，使得第二波形部分限定在第一波形部分和第二波形部分之间的预定节距，第一波形部分具有第一曲率半径，第二波形部分具有比所述第一曲率半径大1.5～3倍的第二曲率半径。
根据本发明的实施方式，每个波形翅片可配置为具有4～8mm的预定高度。
根据本发明的实施方式，每个波形翅片可配置为所有的节距为 3～8mm。
根据本发明的实施方式，所述波形翅片板可通过选自压制成形、齿轮成形及其组合而成形的金属板形成，并且可通过选自焊接、锡焊、粘附及其组合的接合而一体地接合到所述层叠管芯中。
根据本发明的实施方式，形成波形翅片板的金属板可由选自 SUS304、SUS304L、SUS316和SUS316L中的任一种奥氏体不锈钢制成，并且可具有0.05～0.3mm的厚度。
有益效果
根据具有上述特征的本发明，能实现一种换热器，该换热器可通过使用包括具有可变的节距部分的波形翅片的波形翅片板来保持效率并显著减少气体压差。特别地，当可变节距部分的长度占波形翅片的总长度的10～60％时，换热器可显著地减少气体压差并且保持效率。另外，由于波形翅片的可变节距部分的第一节距限制为比波形翅片的固定节距部分的节距大1.1～2.5倍，所以换热器可进一步使效率降低最小化。
附图说明
图1是用于说明根据本发明的实施方式的EGR系统的废气换热器的透视图。
图2是图1所示的换热器主体的分解透视图；
图3是从图2所示的换热器主体移除的波形翅片板的放大透视图；
图4(a)和4(b)是用于比较说明根据本发明的实施方式的包括具有可变节距部分的波形翅片的波形翅片板和根据现有技术的包括具有固定节距的波形翅片的波形翅片板的透视图；
图5是示出根据本发明的实施方式的波形翅片板的固定节距部分和可变节距部分的视图；
图6是用于说明在根据本发明的实施方式的波形翅片板的可变节距部分内的相邻波形部分的曲率半径之间的关系的视图；以及
图7是用于比较性说明在使用了根据本发明的包括具有可变节距部分的波形翅片的波形翅片板的换热器和使用了包括具有固定节距的波形翅片的波形翅片板的换热器之间的气体压差和效率的图表。
具体实施方式
现在将更详细地参考本发明的示例性实施方式，其实施例在附图中示出。这里公开的本发明的实施方式仅用于说明的目的，使得本发明的精神可充分地传达给本领域的技术人员。因此，本发明不限于下面描述的实施方式，而是可以许多不同的形式实现。为了方便，在附图中可夸大构件的宽度、长度和厚度。
图1是用于说明根据本发明的实施方式的EGR系统的废气换热器的透视图；图2是图1所示的换热器主体的分解透视图；图3是从图2所示的换热器主体移除的波形翅片板的放大透视图；图4(a)和4(b)是用于比较说明根据本发明的实施方式的包括具有可变节距部分的波形翅片的波形翅片板和根据现有技术的包括具有固定节距的波形翅片的波形翅片板的透视图；图5是示出根据本发明的实施方式的波形翅片板的固定节距部分和可变节距部分的视图；图6是用于说明在根据本发明的实施方式的波形翅片板的可变节距部分内的相邻波形部分的曲率半径之间的关系的视图；以及图7是用于比较性说明在使用了根据本发明的包括具有可变节距部分的波形翅片的波形翅片板的换热器和使用了包括具有固定节距的波形翅片的波形翅片板的换热器之间的气体压差和效率的图表。
首先，参照图1，废气换热器应用于废气再循环(EGR)系统，其中 EGR系统通过将一部分废气再循环到进气系统来增加进气中的CO2浓度，从而降低燃烧室的温度，从而减少NOx。换热器包括：用于通过废气和冷却剂之间的热交换而冷却废气的换热器主体1；用于将废气引入所述换热器主体1的气体入口2；用于将冷却剂引入所述换热器主体1中的冷却剂入口3；用于排出通过与冷却剂热交换而冷却的废气的气体出口4；以及用于排出与所述废气完成热交换的所述冷却剂的冷却剂出口5。
接下来，参照图2，其所述换热器主体1包括：沿换热器主体的纵向方向设置的层叠管芯10，该层叠管芯具有大致平行的六面体形状；以及壳体20，其形成以包围除了其相对端部之外的层叠管芯10；该壳体具有矩形盒的形状。壳体20包括：第一壳体单元21，其形成以覆盖层叠管芯 10的相对侧及其上部，第一壳体单元具有近似形的横截面；以及与第一壳体单元21组合以终止第一壳体单元21的下端开口部分的第二壳体单元22，第二壳体单元具有形横截面。
第一壳体单元21和第二壳体单元22可通过切割和弯曲可压花的薄金属板来制造。所述层叠管芯10通过并排水平地层叠多个气体通道11 而形成。
每个气体通道11可制造成具有近似四边形横截面的废气通道，以这样的方式，分别通过弯曲以彼此相对的具有形横截面的第一管板和具有与其对称横截面的第二管板，在其侧壁(或凸缘)处重叠，然后通过钎焊连接。
每个气体通道11设置有废气通道，通过它废气在每个气体通道中通过，并且换热器主体1包括安装在每个气体通道11的废气通道中的波形翅片板12。该波形翅片板12是在本发明的换热器中具有主要特征的元件，并且通过引起废气的湍流并且增加废气的传热面积显着地有助于提高废气换热器的性能。
下面将详细描述波形翅片板12的主要元件和特征。同时，相邻的气体通道11之间设置有冷却剂通道。
另外，换热器主体1可包括在层叠管芯10的相对端上的两组管保持板，该管保持板限定了层叠管芯10的气体通道11的位置。此外，每组管保持板包括：第一管保持板31和层叠在第一管保持板31的前表面上的第二管保持板32。第一管保持板31和第二管保持板32设置有管插入孔，气体通道11插入其中。
参照图3，波形翅片板12沿其宽度方向一体地设置有多个波形翅片 121a，121b，并且多个波形翅片121a，121b(通常称为121)包括近似槽形横截面或者□形横截面的波形翅片121a，以及彼此相邻或串联设置的凸形横截面或者□形横截面的波形翅片121b。另外，多个波形翅片121 中的每一个都设置有在其纵向方向上具有串联设置的平缓抛物线形状的槽部和脊部，其中槽部和脊部具有近似的起伏形状、波形或正弦曲线形状。波形翅片板12通过由选自冲压成形、齿轮成形及其组合成形的金属板形成，并且通过选自焊接、锡焊、粘合及其组合的接合而一体地接合到层叠管芯上。
形成波形翅片板12的金属板可由选自SUS304、SUS304L、SUS316 和SUS316L中的任一种奥氏体不锈钢制成，并且可具有0.05～0.3mm的厚度。
如图3、图4(a)和图5所示，根据本发明的实施方式的波形翅片 121(121a或121b)配置为沿着其纵向方向改变节距，并且配置为在换热器的气体出口侧具有比气体入口侧处更大的节距。因此，废气在撞击波形翅片121(121a或121b)的波形的同时形成涡流，然后当废气接近具有长节距的波形的气体出口侧时，涡流的力减小，这有助于减少气体压差。
如图4(b)所示，现有技术的波形翅片板的波形翅片121'在其整个长度上从气体入口侧到气体出口侧具有相同的节距尺寸，因此在减少气体压差方面具有限制。
如图5所示，波形翅片121包括：固定节距部分A，其具有从气体入口的位置到指示波形翅片121的整个长度的40％的位置的大致中间位置的固定节距a；以及可变节距部分B，其具有从中间位置到气体出口的位置的可变节距b，c。
在本发明的实施方式中，可变节距部分B设置在从气体入口的位置到气体出口的位置之间的指示换热器的整个长度的40～90％的位置。也就是说，可变节距部分B在从气体入口的位置到气体出口的位置的表示波形翅片121的整个长度的40～90％的位置设置。在这种情况下，固定节距部分A设置为从气体入口的位置到指示波形翅片121的整个长度的40～90％的位置。
在这种情况下，固定节距部分A占据了波形翅片板12或波形翅片 121的整个长度的40～90％，并且可变节距部分B占据了波形翅片板12 或波形翅片121的整个长度的10～60％。
另外，优选的是可变节距部分B的第一节距b是固定节距部分A的固定节距a的1.1～2.5倍。此外，可变节距部分B中的节距可逐渐改变，并且优选地可变节距部分B内的后续节距的随后间距比前面部分的节距增加了1.2～1.8倍，更优选地为1.5倍。在这种情况下，优选的是每个波形翅片121配置为所有的节距在3～8mm内。另外，波形翅片的节距由两个波形部分(槽部或脊部)的顶部之间的距离确定，并且如图6所示，每个波形部分具有曲率半径R1或R2。在这种情况下，优选的是随后的波形部分的曲率半径R2配置为比先前波形部分的曲率半径R1大1.5～3 倍。此外，波形翅片恒定地具有预定高度H，并且优选地高度H(参考图3)大约为4～8mm。
另外，波形翅片121的可变节距部分B内的所有节距可配置为彼此相同或不同。例如，波形翅片121的节距可配置为随着波形翅片的节距接近气体出口的位置而逐渐增大或减小，该气体出口的位置是距可变节距部分B的起点的终点。
图7是示出用于通过设计波形翅片板的波形翅片的不同节距来测量气体压差和效率的实验条件和结果的图表。
参照图7，图表的100％表示使用固定节距作为根据现有技术的应用于所有节距的基本节距的情况，并且80％(第一实施方式)、65％(第二实施方式)和50％(第三实施方式)表示使用对应于波形翅片121的整个长度的80％、65％和50％的固定节距部分作为基本节距部分的情况，以及使用波形翅片的剩余长度的部分作为可变节距部分的情况，该可变节距部分比基本节距大1.5或2倍。
参照上述说明，如在第一实施方式、第二实施方式和第三实施方式中，与固定节距部分占100％的情况相比，设置每个可变节距部分的情况示出了相似的换热效率和气体压差的急剧降低。
当可变节距部分大于整个长度的60％时，或者当固定节距部分小于整个长度的40％时，效率大大降低，并且当可变节距部分小于整个长度的10％时，或者当固定节距部分大于整个长度的90％时，不可能获得期望的气体压差减小的效果。因此，最有利的是，波形翅片的整个长度的 10～60％的可变节距部分设置在气体出口侧的附近。

Claims (10)

1.一种换热器，包括：
换热器主体；用于将废气引入所述换热器主体中的气体入口；用于将冷却剂引入所述换热器主体中的冷却剂入口；用于排出与冷却剂热交换而冷却的废气的气体出口；以及用于排出与所述废气完成热交换的所述冷却剂的冷却剂出口，
其中所述换热器主体包括：
通过并排层叠多个气体通道而形成的层叠管芯；
壳体，其形成以包围除了其相对端部之外的层叠管芯；以及
波形翅片板，其一体地设置有多个波形翅片，并且设置在每个气体通道内，具有⋃形横截面的波形翅片和⋂形横截面的波形翅片的所述波形翅片沿着所述波形翅片板的宽度方向串联设置，
其中每个波形翅片包括沿波形翅片的纵向方向邻近气体入口的位置的固定节距部分以及邻近气体出口的位置的可变节距部分，在所述波形翅片的所述可变节距部分内的每个节距总是大于在所述波形翅片的所述固定节距部分内的每个节距，并且所述可变节距部分占所述波形翅片板的整个长度的10~60％，
其中在每个波形翅片中，可变节距部分的第一节距比固定节距部分的固定节距大1.1~2.5倍。
2.根据权利要求1所述的换热器，其中所述可变节距部分包括多个部分，其中节距为前一部分的节距的1.2~1.8倍大而逐渐增大。
3.根据权利要求1所述的换热器，其中波形翅片的可变节距部分的节距配置为随着可变节距部分的节距接近气体出口的位置而逐渐增加。
4.根据权利要求1所述的换热器，其中波形翅片的可变节距部分的节距配置为彼此相同。
5.根据权利要求1所述的换热器，其中波形翅片的可变节距部分的节距配置为随着可变节距部分的节距接近气体出口的位置而逐渐减小。
6.根据权利要求1所述的换热器，其中所述波形翅片包括：第一波形部分，以及第二波形部分，其定位为串联第一波形部分，使得第二波形部分限定在第一波形部分和第二波形部分之间的预定节距，第一波形部分具有第一曲率半径，第二波形部分具有比所述第一曲率半径大1.5~3倍的第二曲率半径。
7.根据权利要求1所述的换热器，其中每个波形翅片配置为具有4~8mm的预定高度。
8.根据权利要求1所述的换热器，其中每个波形翅片配置为所有的节距为3~8mm。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的换热器，其中所述波形翅片板通过选自压制成形、齿轮成形及其组合而成形的金属板形成，并且通过选自焊接、锡焊、粘附及其组合的接合而一体地接合到所述层叠管芯中。
10.根据权利要求9所述的换热器，其中形成波形翅片板的金属板由选自SUS304、SUS304L、SUS316和SUS316L中的任一种奥氏体不锈钢制成，并且具有0.05~0.3mm的厚度。
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