CN109387110A - 一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构和模块化冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构和模块化冷却器，包括：多段换热管组，各个换热管组之间由小管板连接，所述的小管板的周边设有多个外缘凸起，所述的外缘凸起与管壳连接。本发明采用将换热管用小管板分段组合，并将小管板与管壳连接，既减小了换热管整体伸缩的长度又避免了换热管不确定变形。同时利用小管板分段的特点将冷却器的换热管组和管壳等零部件的制造标准化、模块化，降低了中重型EGR冷却器的生产成本。

Description

一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构和模块化冷却器

技术领域

本发明涉及一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构和模块化冷却器，是一种汽车发动机的EGR系统所使用的冷却器的换热管结构。

背景技术

随着汽车排放标准的不断升级，废气再循环系统已经广泛的应用到轻型柴油发动机上，但目前中、重型柴油机在国Ⅴ标准及以前，较为广泛的采用SCR技术，随着国Ⅵ标准的推出，单独采用SCR技术已经很难满足排放要求，EGR技术在中、重型发动机上的地位变得日益重要，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，内部换热单元较长，冷却器工作时，壳体与换热芯体的热胀冷缩程度不同，形成轴向应力，极易造成两端主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。

目前较多的解决方案为两种，一种是在EGR冷却器的进气端增加波纹管，通过波纹管对换热单元的热膨胀进行补偿；另一种是在冷却器管壳上增加波纹结构，来通过管壳上波纹结构来消除冷却器工作中因热变形量不同而产生的热应力；这两种方式的缺点：增加波纹结构，占用换热单元的空间，影响到EGR冷却器的换热效率，增加波纹管就是增加一个零件，且需要根据产品结构尺寸来配套不同管径和不同波纹参数的波纹管，零件的通用性差，造成产品的成本上升。

相对于轻型EGR冷却器，中、重型EGR冷却器一般是尺寸大，结构复杂，零件多需要开发模具制造，中、重型EGR冷却器的批量小，零部件在多发动机机型的通用性较差，致使中、重型EGR冷却器的成本居高不下。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构和模块化冷却器。所述的结构采用标准换热芯体上的支撑板与标准壳体上的开孔连接成刚性体来消除热胀冷缩产生的应力，即保证产品的可靠性，又简化EGR冷却器的零件结构。

本发明的目的是这样实现的：一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构，包括：多段换热管组，各个换热管组之间由小管板连接，所述的小管板的周边设有多个外缘凸起，所述的外缘凸起与管壳连接。

进一步的，所述的外缘凸起与管壳的连接方式为：在管壳上打出能够使外缘凸起穿过的通孔，所述的外缘凸起插入通孔并焊接牢固。

进一步的，所述的外缘凸起与管壳的连接方式为：在管壳设置两条短纵筋，所述的短纵筋之间插入所述的外缘凸起，限制外缘凸起沿换热管长方向的位移。

一种使用上述换热管结构的冷却器，包括：依次连接的进气连接段、扩散段、扩散段管板、设有进水口的非标准管壳段、标准管壳段、设有出水口的非标准管壳段、收集段管板、收集段、出气连接段；所述的扩散段管板与收集段管板之间设置至少一组标准换热管组和一组非标准换热管组。

进一步的，所述的标准管壳的截面形状为矩形，所述矩形的直角边折弯处为圆弧过渡，所述圆弧过渡的曲率半径为固定值。

进一步的，所述的标准换热管组的换热管长度是固定值，所述的小管板的形状为矩形，所述的外缘凸起为四个，分布在所述矩形的四个边上。

进一步的，所述外缘凸起偏于小管板的中心线，形成风车形设置。

进一步的，所述的标准换热管组和非标准换热管组中的换热管是带有内翅片的扁平形换热管。

进一步的，所述的扁平形换热管上设有使换热管相互支撑的支撑凸起。

进一步的，所述的管壳上设有支撑扁平型换热管上的支撑凸起的长条形凹陷，所述的长条形凹陷沿冷却器长方向延伸。

本发明产生的有益效果是：本发明采用将换热管用小管板分段组合，并将小管板与管壳连接，既减小了换热管整体伸缩的长度又避免了换热管不确定变形。同时利用小管板分段的特点将冷却器的换热管组和管壳等零部件的制造标准化、模块化，降低了中重型EGR冷却器的生产成本。

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所述换热管结构示意图；

图2是本发明的实施例一所述小管板连接结构示意图，是A点的放大图；

图3是本发明的实施例一、二所述小管板与管壳结合的结构示意图，是图1中B-B向剖面图；

图4是本发明的实施例三所述小管板与管壳结合方式的示意图，是图1中A点放大图；

图5是本发明的实施例四所述的冷却器结构示意图；

图6是本发明的实施例五所述的标准管壳截面形状示意图；

图7是本发明的实施例七、八所述的标准换热管组的小管板截面形状和带有内翅片的换热管示意图；

图8是本发明的实施例九、十所述的具有支撑突起的换热管组和带有长条形凹陷的管壳示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构，如图1所示。本实施例包括：多段换热管组1，各个换热管组之间由小管板2连接，所述的小管板的周边设有多个外缘凸起3，所述的外缘凸起与管壳4连接。

本实施例解决热胀冷缩破坏效应的换热管结构的思路是：将长度较长的换热管分为若干段，中间用小管板过渡，小管板相当于伸缩段，为了避免小管板在热胀冷缩的过程中发生位移，在小管板上设置外缘凸起，并使外缘突起与管壳连接，使小管板固定，这样避免了在热胀冷缩过程中换热管整体变形，使换热管不论是热涨伸长，还是冷缩变短，都维持笔直的形态。

小管板分为两片板201、202，分别与两段的换热管连接，两片板再焊接在一起，形成一个小管板整体，如图2所示。图2中小管板的下部被剖开，可以看的换热管连接进入小管板中，上部没有剖开是小管板的外部形状。

小管板的外缘形状与管壳截面形状相配合，如管壳是圆形的小管板的外缘形状也是圆形的，如果管壳的截面形状是矩形的，那么小管板的也是矩形的。小管板的外缘形状小于管壳内截面，也就是说小管板与管壳之间有充分的间隙，能够使冷却液舒畅的通过，不会影响冷却液的流动，如图3所示。

小管板与管壳之间有两种结合方式，一种是在管壳上打通孔，小管板上的外缘突起插入通孔中，并焊接牢固。

另一种方式是：在管壳上设置两个向管壳内凸起的短纵筋，两条短纵筋之间插入外缘突起，限制小管板在管长方向上的位移。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于外缘凸起与管壳连接方式的细化。本实施例所述的外缘凸起与管壳的连接方式为：在管壳上打出能够使外缘凸起穿过的通孔401，所述的外缘凸起插入通孔并焊接牢固，如图2、3所示。

本实施例中管壳上打通孔，使小管板上的外缘凸起插入到通孔中并焊接牢固。这样的结构好处是工艺简单小管板与管壳的焊接可以在管壳外进行，十分方便，同时焊接牢固能够完全固定，避免小管板的任何方向的位移。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于外缘凸起与管壳连接方式的细化。本实施例所述的外缘凸起与管壳的连接方式为：在管壳上设置两条向内凸起的短纵筋403、404，所述的短纵筋之间插入所述的外缘凸起，限制外缘凸起沿换热管长方向的位移，箭头c所示方向，如图4所示。

本实施例中小管板外缘凸起并不是与管壳焊死，而是在两条短纵筋的限制下，对小管板的位移限制仅限于换热管长方向的位移，而纵方向（与换热管垂直的方式）则不限制。在通常情况下，由于小管板的四周边都有外缘凸起，因此，相当于已经有了小管板纵向位移的限制。本实施例的好处在于小管板与管板处于一种类似于铰链的连接，有一定的活动余地，这对于热胀冷缩的换热管是十分有利的，能够避免热胀冷缩产生的疲劳破坏。

小管板外缘凸起与两条短纵筋之间可以采用过盈配合，形成预应力消除EGR 冷却器工作时的热胀冷缩产生的应力，使外缘凸起固定的更加稳定结实。

本实施例所述的结合方式装配工艺性好，无需焊接，直接安装卡紧即可。

实施例四：

本实施例是一种使用上述实施例所述换热管结构的冷却器，包括：依次连接的进气连接段5、扩散段6、扩散段管板7、设有进水口8的非标准管壳段9、标准管壳段10、设有出水口11的非标准管壳段12、收集段管板13、收集段14、出气连接段15；所述的扩散段管板与收集段管板之间设置至少一组标准换热管组16和一组非标准换热管组17，如图5所示。

本实施例的思路是利用上述实施例所述换热管组能够分段的特点，将冷却器的各个要素进行分析，使各要素能够进行标准化生产的要素提出来设计为标准零部件或标准形状，之后结合一些非标准零部件和形状，形成产品的多样化。

由于需要配合各种不同排量、大小不同、位置不同的发动机，中重型汽车发动的EGR冷却器，型号变化非常多，几乎每一种型号都有自己的长度和大小要求，很难找到一种适合所有发动机要求的EGR冷却器外形，无法完全统一的进行生产。

为适应不同排列的发动机，冷却器变化最多的是换热管的长度。本实施例利用了前述实施例中的换热管组能够分段加工的特点，将长度较长的换热管分为标准换热管组和非标准换热管组，这里的标准换热管组主要指的是长度是固定的，而非标准换热管组的长度是不固定的。通过标准换热管和非标准换热管组的组合就可以获得任意长度的冷却器。例如：一个换热管长要求260毫米的冷却器，可以用两个100毫米和的标准换热管组和一个60毫米长的非标准换热管组结合，十分方便。

管壳的标准化比较复杂。本实施例的解决方案是设置标准管壳段和非标准管壳段。由于与发动机进、排气系统和冷却液循环系统的对接，EGR冷却器的进气口和出气口，以及进水口出水口随配合的发动机不同而不同。因此，本实施例在EGR冷却器的两端设置了配合各种不同发动机接口需要的非标准管壳段。在非标准换壳段上可以设计形状各异的进气口和进水口、出气口和出水口，以适应各种不同的发动机。在管壳的中间段设置标准管壳段。标准管壳段形状相对固定，可以采用统一的工艺制造，以降低生产成本。

由于多数情况下，管壳的截面形状是矩形，通常有四个直角，这四个直角的弯曲可以标准化，以减少模具的更换，降低生产成本。

另一个标准化的要点在于将小管板设计为多个标准块拼接。即将小管板分为多个标准块，每块标准块上焊接的换热管数量固定，对要求不同数量的换热管数量的冷却器组合不同数量的标准块，就可以达到不同数量的换热管的要求。例如：将一片标准块上焊接四根换热管，将两块标准块结合就可以得到八根换热管的冷却器，如果需要16根换热管的冷却器，可以将四块标准块结合即可。

本实施例所述的换热管可以使用各种形式的换热管，如圆形截面，矩形截面等。在一个冷却器中，不管是标准换热管组的还是非标准换热管组的其管型都可以是一样的，也可以采用不同管型，但水流的流动将受到影响。

由于中重型发动机的EGR冷却器的换热管较长，热胀冷缩时可以发生不确定的形变，因此，可以考虑在换热管上设置相互支撑的支撑凸起，避免变形。

同时在管壳上也可以设置类似的凸起，与换热管上的支撑凸起相互作用，避免换热管无序变形。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于标准管壳的细化。本实施例所述的标准管壳的截面形状为矩形，所述矩形的直角边折弯处为圆弧过渡，所述圆弧过渡的曲率半径R为固定值，如图6所示。

标准化管壳主要是矩形管壳的四个直角的折弯加工，其过渡圆弧为固定值，在实际中常使用6毫米半径的过渡圆弧。矩形截面的两直边长度L1和L2是非固定值，在不改变折弯模具的情况下，可以根据项目需要在一定范围内选取长度，减少零件的模具开发，降低零件制造成本。

实施例六：

本实施例是实施例四、五的改进，是实施例四、五关于标准换热管组的细化。本实施例所述的标准换热管组的换热管长度是固定值，如图1所示。

各种型号的冷却器为适应不同发动机的要求，以及安装空间的限制，长度总是有所变化。为适应冷却器长度尺寸的变化，利用小管板分割换热管的优势，本实施例采用了将换热管标准化的方式，即设置一些标准长度，利用小管板几个标准长度的换热管组结合，再利用一个非标准长度的换热管组，这样就可以实现换热管组的制造标准化。标准换热管组的长度为L3，为固定值，而非标准换热管组的长度L4是非固定值，根据实际需要而确定。如图1所示，采用了两个标准换热管组和一个非标准换热管组。

实施例七：

本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于标准换热管组的小管板的细化。本实施例所述的标准换热管组的小管板的形状为多个大小相同的小矩形拼接的大矩形，每个小矩形上焊接数量相同的换热管，能够与管壳接触的小矩形的一个边上设置一个所述的外缘凸起，如图7所示。

本实施例相当于换热管组截面的拼接。将小管板设计为标准块（小矩形），每块标准块上焊接的换热管数固定，例如焊接四根换热管，当针对某个产品设计时，只要将根据需要的数量标准块拼接为小管板即可，如图6所示，是四块标准块的结合，每块标准块上焊接了四根换热管，整块小管板上一共有16根换热管。

为了使小管板与管壳连接，还需要在小管板上设置外缘凸起。为此可以在各个标准块的一个边上设置外缘凸起，当几块标准块拼接时，注意将外缘凸起朝外，使小管板整体上形成每个边都以至少一个外缘凸起，如图6所示。

实施例八 ：

本实施例是实施例四至七的改进，是实施例四至七关于换热管的细化。本实施例所述的标准换热管组和非标准换热管组中的换热管是带有内翅片的扁平形换热管，如图7所示。

本实施例采取了一种扁平形换热管。这种换热管采用带有内翅片102的扁平型换热管，截面形状是长条矩形，管内由多个翅片隔开，形成多条管道，散热效果明显。

实施例九：

本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于扁平形换热管的细化。本实施例所述的扁平形换热管上设有使换热管相互支撑的支撑凸起103，如图8所示。

换热管在热胀之后，由于管子的长度变长，但由于两端受到小管板的限制，长度变化受到限制，因此可能产生向四周不确定的形变，为此限制这种不确定的形变，本实施例在管子上设置了向外凸起的鼓包，即支撑凸起，各个管子的支撑凸起相互作用，能够限制整个换热管组的不确定变形，形成稳定的结构。

实施例十：

本实施例是实施例九的改进，是实施例九关于管壳的细化。本实施例所述的管壳上设有支撑扁平型换热管上的支撑凸起的长条形凹陷405，所述的长条形凹陷沿冷却器长方向延伸，如图7所示。

仅仅在换热管上设置鼓包还不够，在管壳上也设置类似的鼓包，以支撑换热管组，限制换热管组的不确定变形。但管壳上的鼓包是向内鼓起的，在外部开就是凹陷。而且由于管壳与换热管组之间配合的关系确定起来不太容易，因此将鼓包改为长条形的凹陷更为合适，能够简化加工和装配工艺。

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（比如换热管的形式、冷却器的形式、冷却器所应用的环境等）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 (10)

1.一种消除热胀冷缩破坏效应的换热管结构，包括：多段换热管组，各个换热管组之间由小管板连接，其特征在于，所述的小管板的周边设有多个外缘凸起，所述的外缘凸起与管壳连接。

2.根据权利要求1所述的换热管结构，其特征在于，所述的外缘凸起与管壳的连接方式为：在管壳上打出能够使外缘凸起穿过的通孔，所述的外缘凸起插入通孔并焊接牢固。

3.根据权利要求1所述的换热管结构，其特征在于，所述的外缘凸起与管壳的连接方式为：在管壳设置两条短纵筋，所述的短纵筋之间插入所述的外缘凸起，限制外缘凸起沿换热管长方向的位移。

4.一种使用权利要求1所述换热管结构的冷却器，其特征在于，包括：依次连接的进气连接段、扩散段、扩散段管板、设有进水口的非标准管壳段、标准管壳段、设有出水口的非标准管壳段、收集段管板、收集段、出气连接段；所述的扩散段管板与收集段管板之间设置至少一组标准换热管组和一组非标准换热管组。

5.根据权利要求4所述的冷却器，其特征在于，所述的标准管壳的截面形状为矩形，所述矩形的直角边折弯处为圆弧过渡，所述圆弧过渡的曲率半径为固定值。

6.根据权利要求5所述的冷却器，其特征在于，所述的标准换热管组的换热管长度是固定值，所述的小管板的形状为矩形，所述的外缘凸起为四个，分布在所述矩形的四个边上。

7.根据权利要求6所述的冷却器，其特征在于，所述外缘凸起偏于小管板的中心线，形成风车形设置。

8.根据权利要求4-7之一所述的冷却器，其特征在于，所述的标准换热管组和非标准换热管组中的换热管是带有内翅片的扁平形换热管。

9.根据权利要求8所述的冷却器，其特征在于，所述的扁平形换热管上设有使换热管相互支撑的支撑凸起。

10.根据权利要求9所述的冷却器，其特征在于，所述的管壳上设有支撑扁平型换热管上的支撑凸起的长条形凹陷，所述的长条形凹陷沿冷却器长方向延伸。