CN1573273A - 气体冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种能有效冷却一种气体，如EGR气体等，的气体冷却装置。多个与气体管道例如EGR气体管道内的气流方向垂直相交的冷却管道设置为延伸穿过该气体管道的外周面壁，一个冷却套管在一组冷却介质管道的两端沿其轴向方向设置到该气体管道的外表面上，或者设置到该气体管道的整个外表面上，该气体管道中的气体由流经该冷却管的冷却介质来冷却。

Description

气体冷却装置
技术领域
本发明涉及一种气体冷却装置，尤其涉及一种在废气循环(后面将简称为EGR)时冷却EGR气体管道中的EGR气体的装置，在该循环中一部分废气被从柴油机的排气系统中抽走，并且经过该EGR气体管道回到进气系统，以被加入到一混合物中。
背景技术
从排气系统中抽取一部分废气，再将该废气返回到发动机的进气系统，以将该废气加入到一种混合物中的方法称为EGR(废气循环)。在发动机废气净化和提高热效率方面，EGR被认为是一种有效的方法，因为该方法能产生很多有益效果，例如抑制NOx(氧化氮)的产生，减少泵送损失，减少传给冷却液的散热损失，该散热损失经常伴随着燃烧气体温度的下降，增加特定的吸热比例，该增加由工作气体的数量和组成的变化而引起，以及伴随着这种增加的循环效率的提高。
然而，当提高EGR气体的温度和数量时，EGR阀的稳定性就会由于由此而产生的热影响而引起下降，并且在某些情况下会遭受更早的破坏，而且人们已经认识到需要一种水冷结构来达到防止这种下降和破坏的目的，而且燃料消耗量由于充气效率的下降而下降，这是由进气温度的提高而引起的。为了避免这种情形，可以使用一种用发动机冷却液、用于汽车空调的冷却介质、冷却风、或类似物冷却EGR气体的装置。
多种热交换器类型的冷却器都已被推荐为EGR气体的常规冷却装置。
例如，有一种双管型热交换器，此交换器中一个外管安装于一个内管的外侧，该外管用于盛装从中流过的液体，该内管用于盛装从中流过的气体，热交换在此气体和液体之间进行，用作翅片的金属波形板插入内管之中(参见JP-A-11-23181)，还有一种双管型热交换器，此交换器中设置有一个内管和一个外管，而且一个高温侧流体通道或一个低温侧流体通道分别设置在内管的一侧及外管的一侧(参见JP-A-2002-350071)，还有一种双管型热交换器，其包括一个用于盛装流经其内部的被冷却介质的内管，一个以环绕该内管的外周面并在两者之间留有一定间隙的方式设置的外管，和多个具有热应力释放功能且设置在内管里面的散热片(参见JP-A-2000-111277)，还有一种双管型热交换器，其包括一个用于盛装流经其内部的被冷却介质的内管，一个以环绕该内管的外周面并在两者之间留有一定间隙的方式设置的外管，和多个设置在内管里面的交叉翅片(参见JP-A-2003-21478)，还有一种EGR气体冷却装置，在该装置中一冷却管(传热管)与EGR气体管的外周面相接触并成螺旋型地缠绕在该管的外周面上(参见JP-A-9-88730)，还有一种EGR气体冷却装置，该装置被这样构造，即一冷却管(传热管)延伸通过一EGR气体管的外周面壁，以插入EGR气体管中(参见JP-A-9-88731)。
但是，在JP-A-11-23181，JP-A-2002-350071，JP-A-2000-111277和JP-A-2003-21478所公开的常规双管型热交换器中，限定EGR气流通道的管道在很多情况下在整个长度方向上都具有一光滑的内周面，因而导致其出现了这样一个问题，即在管道中央附近的传热不充分，进而导致产生了一个较低的EGR气体冷却效率。
而且，在JP-A-9-88730和JP-A-9-88731中公开的EGR气体冷却装置中，存在容易加工和成本低的优点，但是由于一较小的传热面积，因而需要专门增加其轴向长度，以确保其传热性能，因而使得当其被安装到一辆汽车上时，该冷却装置会占据一个较大的空间，这在设计中是有问题的，而且会进一步产生这样一个问题，即由于气体沿着该EGR气体管道流动，因而在气流中形成的紊乱会很少，使得传热面上的边界层不够薄，且传热性能也会较差。
发明内容
本发明考虑到了解决常规气体冷却方式中的上述问题，并具有其自己的提供一种气体冷却装置的目的，即通过多个与气流通道中的气流方向垂直相交的冷却管道来增强热交换性能。
本发明提供了一种气体冷却装置，其特征在于，多个与气体管道内的气流方向垂直相交的冷却管道(传热管)固定安装在该气体管道上，以延伸穿过该气体管道的外周面壁，且每根冷却管道的两端都朝外敞开，一个带有冷却介质流入孔和流出孔的冷却套管在一组冷却介质管道的两端沿轴向方向被固定到该气体管道的外表面上，或者被固定到该气体管道的整个外表面上，该气体管道中的气体由流经该冷却管的冷却介质来冷却。
而且，根据本发明，该冷却管道包括各自的外周面上的螺旋形翅片或圆盘形翅片，至少一个平行于气体管道中的气流方向且垂直于冷却管道的散热片设置在该气体管道中的热交换区域内，该冷却管道固定安装在该气体管道上，一去毛刺壁设置在该散热片的一个通孔上，冷却管插入该通孔中，该散热片至少设置有散热孔、通孔、针状翅片，和不规则外形中的一种。
附图简述
图1是一纵向的横截面侧视图，其示出了根据本发明的第一实施例的装置，省略了其中的一部分；
图2是沿图1的B-B线取得的横向的横截面俯视图；
图3是沿图1的D-D截取的纵向的横截面正视图；
图4是一纵向的横截面侧视图，其示出了根据本发明的第二实施例的装置，省略了其中的一部分；
图5是沿图4的E-E线截取的横向的横截面俯视图；
图6是一纵向的横截面侧视图，其示出了根据本发明的第三实施例的装置，省略了其中的一部分；
图7是沿图6的G-G线截取的横向的横截面俯视图；
图8是一横截面示图，其示出了根据图6和7所示的第三实施例的结构的一个例子，在此结构中一冷却管(传热管)和一散热片在装置中连接在一起；
图9是一横截面示图，其示出了根据图6所示的第三实施例的散热片的一个例子，该散热片在装置中设置有一通孔；
图10A和10B是示出在装置中设置有散热孔的散热片的两个例子的横截面示图；
图11是示出在装置中设置有针状翅片的散热片的一个例子的横截面示图；
图12是一横截面示图，其示出了设置有由压制成形形成的不规则件的散热片的一个例子；
图13是一个纵向的横截面侧视图，其示出了根据本发明的第四实施例的装置，省略了其中的一部分；
图14是沿图13的M-M线截取的横向的横截面俯视图；
图15是沿图13的N-N线截取的纵向的横截面正视图；
图16是一个纵向的横截面侧视图，其示出了根据本发明的第五实施例的装置，省略了其中的一部分；
图17是沿图16的Q-Q线截取的横向的横截面俯视图；
图18是一不完整的透视图，其以放大的比例示出了根据本发明的第五实施例的装置中的波形板部分，图18A示出了其中的一块波形板，图18B示出了另一块波形板；
图19是一不完整的横截面示图，其示出了根据本发明的EGR气体管的壁表面横截面结构的一个例子；和
图20是一不完整的横截面示图，其示出了根据本发明的传热管的壁表面横截面结构的一个例子。
具体实施方式
首先，在本发明中，图1，2和3所示的EGR气体冷却装置1包括多个冷却管道(传热管)3，其与EGR气体管道2内流动的EGR气体流动方向(箭头g)垂直相交，该EGR气体管道的直径较大并具有一矩形的横截面，该冷却管道按预定间隔固定安装在EGR气体管道上，以延伸穿过EGR气体管道的外周面壁，且每根冷却管道的两端都朝外敞开。此外，冷却套管4-1，4-2沿该冷却管道的轴线方向在两端上被固定到该EGR气体管道的外周面上。该冷却套管4-1，4-2上分别设置有一冷却介质的流入孔P1和一流出孔P2。
在以上述方式进行构造的EGR气体冷却装置中，在EGR气体管道2中按箭头g的方向流动的EGR气体由冷却介质来冷却，该冷却介质来自于冷却套管4-1且在各个冷却管3中按箭头c方向流动。同时，在EGR气体管道2中流动的EGR气体借助于设置为垂直于气流的多个冷却管道3形成紊流，使得其能与冷却介质很快地进行热交换，该冷却介质在多个冷却管道3中以垂直于EGR气流的方向(箭头c指示的方向)流动。
除了翅片管13-1，13-2被用于冷却管以外，图4和5所示的EGR气体冷却装置11和图1、2所示的冷却装置在结构上一样。更具体而言，多个与EGR气体管道12内流动的EGR气体流动方向(箭头g)垂直相交的翅片管13-1，13-2按预定间隔固定安装在气体管道上，以延伸穿过EGR气体管道的外周面管壁，且各根冷却管道的两端都朝外敞开，该EGR气体管道的直径较大并具有一矩形的横截面，且冷却套管14-1，14-2在冷却管道的两端沿轴向方向固定到EGR气体管道的外表面上。此处，翅片管13-1在其管体的外周面上设置有螺旋形翅片13-1a，翅片管13-2在其管体的外周面上设置有圆盘形翅片13-2a。
另外，尽管此处给出了具有螺旋型翅片的翅片管13-1和具有圆盘形翅片的翅片管13-2的组合结构，但是应该理解，具有不同翅片的翅片管，例如和螺旋形翅片和圆盘形翅片一同使用的波纹形翅片、针状翅片等，都可以组合在一起，而且一个整体结构可以只由一种翅片管组成，例如，只由螺旋形翅片13-1或圆盘形翅片13-2组成。
而且，在如图4和5所示的EGR气体冷却装置11中，在EGR气体管道12中按箭头g的方向流动的EGR气体被冷却介质冷却，该冷却介质来自于冷却套管14-1且在各个翅片管13-1，13-2中按箭头c方向流动，该冷却套管以和图1、2所示的装置中同样的方式设置。同时，不仅在EGR气体管道12中流动的EGR气体借助于设置为垂直于气流的翅片管13-1，13-2形成紊流，而且由螺旋形翅片13-1a和圆盘形翅片13-2a引起的搅拌作用，都会加快热交换，因此由于翅片传热面积的增加而取得了一个更高的热交换性能。
除了在EGR气体管道22中的热交换区域内设置有多个散热片(plate fins)25以外，图6和7所示的EGR气体冷却装置21和图1、2所示的冷却装置1在结构上一样，其中一组冷却管道固定安装在该EGR气体管道上，该散热片平行于EGR气体管道中的气流并垂直于该冷却管道。更具体而言，多个与在EGR气体管道22内流动的EGR气体流动方向(箭头g)垂直相交的冷却管23按预定间隔固定安装在EGR气体管道上，以延伸穿过EGR气体管道的外周面管壁，各根冷却管道的两端都朝外敞开，该EGR气体管道的直径较大并具有一矩形的横截面，平行于气体管道内的气流(箭头g)且垂直于冷却管道23的散热片25，在EGR气体管道22内设置为恒定间隔的五根，其中冷却管23的重数被设定，且冷却套管24-1，24-2在冷却管道的两端沿轴向方向固定到EGR气体管道的外表面上。
而且，在如图6和7所示的EGR气体冷却装置21中，在EGR气体管道22中按箭头g的方向流动的EGR气体被冷却介质冷却，该冷却介质来自于冷却套管24-1且在各个冷却管23中按箭头c方向流动，该冷却套管以和图1、2所示的装置中同样的方式设置。同时，不仅在EGR气体管道22中流动的EGR气体借助于设置为垂直于气流的冷却管23形成紊流，而且由气体管道中平行于该气流(箭头g)且垂直于冷却管23的散热片25增加的传热作用，都会加快热交换，因此在这种情况下取得了一个更高的热交换性能。
而且，在如图6和7所示的散热片25设置在其中的EGR气体冷却装置21中将冷却管23和散热片25组合应用到一起的结构中，去毛刺壁(burring walls)25-1，如图8所示，设置在散热片25的通孔上，冷却管23插入其中，以增加散热片和冷却管之间的接触面积。
此外，为了增强在EGR气体管道22内流动的EGR气体的紊乱和搅拌作用，散热片可设置为，如图9至12所示，例如带有多个通孔25-2(图9)，散热孔25-3(图10A)，25-4(图10B)，针状翅片25-5(图11)，或者由压制成形形成的不规则件25-6(图12)。而且，图12所示的不规则件可以是圆形或条纹形。
图13，14和15所示的EGR气体冷却装置31是一种所谓的双管型冷却装置，即多个与EGR气体管道32内流动的EGR气体流动方向(箭头g)垂直相交的扁管33按预定间隔固定安装在EGR气体管道上，以延伸穿过EGR气体管道的外周面管壁，各根扁管33的两端都朝外敞开，该EGR气体管道的直径较大并具有一矩形的横截面，其设置方式如前所述，且冷却套管34固定到EGR气体管道32的整个外表面上，该冷却套管的内部被一隔离件34-1分割为上下两个部分。
在图13、14和15所示的双管型EGR气体冷却装置31中，在EGR气体管道32中按箭头g的方向流动的EGR气体被冷却介质冷却，该冷却介质来自于冷却套管34且在各个扁管33中按箭头c方向流动，该冷却套管以环绕EGR气体管道32的方式设置。而且，在这种双管型的EGR气体冷却装置31中，在EGR气体管道32中流动的EGR气体借助于设置为垂直于气流的扁管33形成紊流，使得其能与冷却介质很快地进行热交换，该冷却介质在多个扁管33中以垂直于EGR气流的方向(箭头c指示的方向)流动。
此外，尽管在本实施例装置中的扁管33被不同地设置在EGR气体管道32的入口和出口侧之间，但是扁管33的设置并不局限于此，应当理解，扁管33在入口侧或者出口侧的设置可以适用于整个EGR气体管道32。
图16，17和18所示的EGR气体冷却装置41是这样构造的，即多个与EGR气体管道42内流动的EGR气体流动方向(箭头g)垂直相交的扁管43以彼此平行且两者之间留有一定间隙的多级方式排列分布，以水平延伸通过EGR气体管道的侧壁，各根扁管43的两端都朝外敞开，该EGR气体管道的直径较大并具有一矩形的横截面，图18中以放大比例示出的两种波形板45a，45b在其中几级内插入各个扁管43之间，以沿EGR气体管道的纵向方向延伸，因而限定出气流通道46a，46b，且一冷却套管44固定到EGR气体管道42的整个外表面上，该冷却套管的内部被一隔离件44-1分割为左右两个部分，此装置也是双管型，其设置方式如前所述。
此外，两种波形板45a，45b之中的一种45a具有如图18A所示的圆形顶部45a-1。另外一种波形板45b具有如图18B所示的平顶部45b-1，且在顶部之间的平表面限定出了形状不规则的档板45b-2以使流经EGR气体管道42的气流产生紊流或漩涡，进而可以进一步提高EGR气体的热交换效率。而且，尽管图中示出的只有一个例子，在如图16，17和18所示的EGR气体冷却装置41的例子中，波形板45a设置在EGR气体管道42的上部，波形板45b设置在EGR气体管道的下部，但是应该理解，与上述相反，波形板45b可以设置在上部，而波形板45a也可以设置在下部，或者整个EGR气体管道42可以由其中一种波形板构成。
在构造为如图16、17和18所示的双管型EGR气体冷却装置41中，在EGR气体管道42中按箭头g的方向流动的EGR气体被一冷却介质冷却，该冷却介质来自于冷却套管44且在各个扁管43中按箭头c方向流动，该冷却套管以环绕EGR气体管道42的方式设置。而且，对于这种双管型的EGR气体冷却装置41，在由两种波形板45a，45b形成的气流通道46a，46b中流动时，EGR气体管道42中流动的EGR气体会产生紊乱或漩涡，使得其能与冷却介质很快地进行热交换，该冷却介质在多个扁管43中以垂直于EGR气流的方向(箭头c指示的方向)流动，进而获得了更高的热交换性能。
此外，根据本发明的EGR气体冷却装置中的冷却管3，23，翅片管13-1，13-2，以及扁管33，43在设置，数量，厚度等方面并不是特定限制的，而是根据EGR气体管道2，12，22，32，42的数量和冷却装置的大小，或其它类似的因素来适当选定。而且，本发明的EGR气体管道2，12，22，32，42，冷却管3，23，翅片管13-1，13-2，和扁管33，43可以分别形成为如图19和20所示的具有不规则性的壁表面，以促使紊流和传热面积的增加。
而且，尽管为了举例说明冷却管而列举了具有理想圆截面的圆管和扁管的示例，但是其并不受此限定，应该理解，具有椭圆截面的圆管，具有不规则截面或多边形截面的管道等都是可以应用的。而且，焊接，铅焊等都可用作各个部件的安装固定方法。
此外，尽管描述的是如EGR冷却器等的气体冷却装置，但是应该理解其也可用作一气体加热装置。
工业实用性
如上所述，根据本发明的EGR气体冷却装置由于那些冷却管道而产生了很好的效果，该冷却管道包括多个设置为与EGR气体管道中流动的EGR气体垂直相交的直管和翅片管，而且由于冷却管和翅片管的作用，气流的紊乱和传热面积的增加使其取得了高的热交换性能。

Claims (7)

1、一种气体冷却装置，其中多个与气体管道内的气流方向垂直相交的冷却管道固定安装在该气体管道上，并延伸穿过该气体管道的外周面壁，且每根冷却管道的两端都朝外敞开，一个带有冷却介质流入孔和流出孔的冷却套管在一组冷却介质管道的两端沿轴向方向被固定到该气体管道的外表面的至少一部分上，该气体管道中的气体由流经该冷却管的冷却介质来冷却。
2、根据权利要求1的气体冷却装置，其特征在于该冷却管道包括其外周面上的螺旋形的翅片或圆盘形的翅片。
3、根据权利要求1或2的气体冷却装置，其特征在于至少一个平行于气体管道中的气流方向且垂直于冷却管道的散热片设置在该气体管道中的热交换区域内，该冷却管道固定安装在该散热片上。
4、根据权利要求3的气体冷却装置，其特征在于一去毛刺壁设置在该散热片的一个通孔上，冷却管插入该通孔中。
5、根据权利要求4的气体冷却装置，其特征在于该散热片至少设置有散热孔，通孔，针状翅片，和不规则件中的一种。
6、根据权利要求1或2的气体冷却装置，其特征在于还包括设置在所述EGR气体管道中的热交换区域内的波形板，冷却管道固定安装在该EGR气体管道上，该波形板具有圆形顶部，该波形板平行于EGR气体管道中的气流，垂直于该冷却管道。
7、根据权利要求1或2的气体冷却装置，其特征在于还包括设置在所述EGR气体管道中的热交换区域内的波形板，冷却管道固定安装在该EGR气体管道上，该波形板包括平行于EGR气体管道中的气流的平顶部和顶部之间的平表面，以限定出形状不规则的挡板。
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