CN1898519A - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于汽车的热交换器(1)，包括一个壳体(2)和至少一个布置在壳体(2)中的管(3)。该热交换器的特征在于，在管(3)和壳体(2)之间和/或各管(3)之间设有结构件(4)。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及一种用于汽车的热交换器。
背景技术
如今，对发动机在减少排放和燃料消耗方面的要求日益增加，为了满足这些要求，需要采取很多措施，例如，加大增压和更精确地对燃烧条件施加影响。对于汽车热交换器而言，这就使运行条件变得更高，例如，气体和冷却液压力加大、温度升高和流量增加。同时，对比功率(Leistungsdichten)和使用寿命的要求也在提高。因此，有必要在局部上采用新的冷却概念。这样，在增压空气冷却器中，传统上使用的空气/空气冷却器至少部分地被空气/液体冷却器所取代，以达到发动机的高增压所要求的功率和比功率。在废气热交换器中，在不断提高的运行条件下，例如压力、温度和比功率，废气再循环率也要不断提高。这样，在现代热交换器中，机械负荷、特别是压力和振动在不断增大。
待冷却的第一介质(通常是气态)和起冷却作用的第二介质(在这里通常是液态)之间的温差很大，使得第一介质侧和第二介质侧的部件的温升不同。在废气热交换器中，这种温差可以达700K之上，在增压空气冷却器中则可以达到300K。这样，由于第一介质侧和第二介质侧之间的线膨胀不同，因此就产生了强烈的热应力。在运行状态迅速变化的情况下，不均匀的温度分布(温度突变)还会加大这种热应力。
由于热交换器的比功率变大，因此冷却液出现沸腾的危险也在加大，这会使功率和使用寿命明显降低。
最后，由于出现强烈腐蚀的介质，例如废气热交换器中的废气所产生的冷凝水，所使用的工艺和材料受到很大的限制，在对比功率的要求不断提高的情况下，这会导致更大的问题。因此，有必要提供一种长期的技术方案，将足够的流道内外抗压强度、避免沸腾和足够的耐振动激励和热应力的强度相互结合起来。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进后的热交换器。
这一目的由具有下述特征的热交换器实现。下面还提供了优选的实施形式。
本发明提供了一种热交换器，它具有一个壳体和至少一个布置在壳体中的管，其中，在管和壳体之间和/或管之间设有结构件(Strukturen)。第一介质在管中穿流。第二介质则在管之间和/或管和壳体之间的空隙中流动，在这些空隙中也布置着结构件。结构件通过在管的内外压力载荷方面进行加强而提高了强度。此外，通过管和壳体之间的连接，在整个冷却器的长度内，第一介质侧和第二介质侧之间的热应力不断均匀化，从而使管端部的应力明显减少。此外，结构件可形成热交换器内的流体管路并对流体进行分配。在这里，翅片板可以改善热传递，从而使热应力能够通过热传递的改善而降低。通过加大传热面积，可以更好地使管冷却，从而避免沸腾。这样，从整体来说，这里的热交换器的比功率比传统的、不设有结构件的热交换器明显提高。优选地将形式为单独的管、翅片板、带球形突出物的板(Noppenbleche)的结构板(Blechstrukturen)插入到热交换器中作为结构件。这个热交换器可以为废气热交换器或增压空气冷却器，但也可以是其它热交换器，例如另一个气体-液体热交换器，在这个热交换器中，气体通过管穿过用于冷却的热交换器(散热器)，或者液体-气体热交换器，在这个热交换器中，冷的气体通过管穿过用于加热的热交换器(加热器)，或者液体-液体热交换器。管和/或壳体也可以相应地带有结构以取代结构板，也就是说，管的表面可以带有翅片或球形突出物(Noppenartige)。结构件的高度优选为1mm到5mm，较好的是1mm到3mm，最好为1.5mm。结构件的跨度(teilung)L优选为结构件高度h的0.1到6倍，最好为0.5到4倍。横向跨度(Querteiiung)Q优选为结构件高度h的0.15到8倍，较好的是为0.5到5倍。在结构区域中，管之间的流道高度和管中的流道高度的比例优选为0.1到1，较好的是0.2到0.7。在结构区域中，管之间的水力直径优选为0.5mm到10mm，较好的是1mm到5mm。
结构件优选与壳体和/或管固定连接，特别是钎接。在这里，特别是在热交换器的大部分长度内，固定连接没有中断，或者为了改善冷却液的分配，固定连接出现了中断。通过这种固定连接，将非常有效地提高外部抗压强度(在第二介质侧的过压)，因为结构件起到了系杆的作用，阻止了管出现凹陷。另外，结构件吸收了在传统的热交换器中相当不稳定的管所出现的振动，并非常有效地使热应力变得均匀。另外，这种固定连接有助于管到结构件的热传递，从而改善了管的冷却。此外，由于热传递的改善，使管的数量得以减少，从而能够降低制造成本。
至少部分的管优选地由扁平管形成。在这里，从热动力学角度看，扁平管的传导性明显好于圆管，但是抗压强度却较低，因此必须对扁平管采取提高抗压强度的措施，如本发明中在管外侧的支承结构。其中特别的是，扁平管具有一个大致为矩形的横断面，并且各角被倒圆。此外矩形管可以是一体式的。它们具有一个纵向焊缝，可以通过焊接，例如激光焊、摩擦焊和感应焊等，或者钎接而成。矩形管也可以由焊接或钎接的半壳构成。管也可以是其它任意形状，例如椭圆形，和/或带有焊接或钎接的突出部。另外，为了补偿壳体和管以及位于它们之间的结构件的公差，管可以略带凸度。在管之中和/或之上也可以设置涡流器(小翅片)。为了生成涡流，管的表面(内和/或外)也可以带有结构件。
结构件优选至少部分地具有一个不均匀的结构，这样，可以有目的地将冷却液输入到关键区域，以避免过热或沸腾。也可以通过取消部分的结构件来相应地提高冷却液的输入量。通过这个措施可以使热交换器的压力损失和冷却液在热交换器中的横向分布得到优化。带有不均匀结构的区域优选地位于流体的进口区和/或出口区。它们用于流体的导向，并将压力损失保持在尽可能低的水平。
通过使结构件至少一部分呈锯齿状，可以提高结构的稳定性，并优化冷却液的流路。
为了简化热交换器的结构，壳体优选由两部分或多部分构成，特别是一个U形的半壳加上一个盖板，在这里，一个水箱可以集成在盖板之中。原理上也可以采用一体式结构，例如水箱可以在壳体上成型。
结构件也可以布置在管本身之中，这样，所有上述可以布置在管之间的结构，也可以集成到管之中。这种结构件优选地由翅片板或带球形突出物的板形成，通过焊接、钎接或卡接与管相连。结构件的高度优选为1mm到5mm，较好为1mm到3mm，最好为1.5mm。结构件的跨度L优选为结构件高度h的0.5到6倍。横向跨度Q优选为结构件高度h的0.5到8倍。在结构区域中，管之中的水力直径优选为0.5mm到10mm，较好的是1mm到5mm。
附图说明
下面通过实施例和附图对本发明进行详细说明。其中，
图1是一个废气热交换器的横断面图，
图2是图1中所示热交换器的透视图，
图3是一个翅片板透视示意图，
图4是一个变型的翅片板的透视示意图，
图5a-d是进口区域的不同变型。
具体实施方式
废气热交换器1具有一个由两部分构成的壳体2和多个布置在壳体2中的管3。在管3之间以及壳体2和管3之间设置有作为结构件的翅片板4，在这里，翅片板4按照上述实施例具有锯齿状结构，如图3中所示，并将在后面对此详细说明。在这里，管3是扁平管。
来自发动机的、待冷却的废气(气态的第一介质)在管3中流动，而在图2中，流动方向由两个实线画出的箭头表示。壳体2中布置着管3，并由一个U形的第一壳体部分2’和一个壳体盖板2”构成，其中，盖板从上而下放置在第一壳体部分2’上。为使冷却液(液态的第二介质)流入和流出，在壳体盖板2”中设置了两个冷却液接管5，而在图2中，顺流模式中的冷却液的流动方向由虚线画出的箭头表示。穿流同样也可以在逆流模式下进行，这样，冷却液的流动方向就是相反的。由于冷却液在壳体2中流动，并围绕着管3流动，所以翅片板4布置在冷却液侧。
在图3中，冷却液沿由实线画出的箭头所指示的方向可轻松地穿过具有直锯齿结构的翅片板4，而沿虚线画出的箭头所指示的方向则不容易穿过翅片板。通过改变纵向跨度L和横向跨度Q以及翅片高度h可以影响介质的流动。除了直锯齿外，还可以采用斜锯齿。在各翅片板4的相应结构中，翅片板有助于将冷却液有目的地送到特别关键的位置，为此，翅片板4至少一部分是不均匀的。
图4中是翅片板的一个简易变型，它带有沿直线延伸的翅片，其纵向跨度L为2.4mm，翅片或结构件高度h为1.5mm。在这里，翅片板也可以由一个多孔板弯曲而成，这样各波浪侧壁由于带孔而可被介质穿过。
在一个图未示的实施例中，一个相应的结构件被应用到增压空气冷却器上。
图5a-d中是翅片板4形成的结构的不均匀区域。它们使流体在流入时可以更好地分配。按照图5a所示的第一个变型，横向分配管道通过成形加工或冲压而成。按照图5b和5c中的变型，翅片板4的部分被切掉。图5d所示的变型具有一个特殊的、在翅片板4上形成的分配器结构。在出口侧也可以设置一个与图5a到5d中所示相同的不均匀的区域。

Claims (17)

1.用于汽车的热交换器，带有一个壳体(2)和至少一个布置在壳体(2)中的管(3)，其特征在于，在管(3)和壳体(2)之间和/或各管(3)之间设有结构件。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，该结构件由布置在管(3)和壳体(2)之间和/或各管(3)之间的结构板形成。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，结构板是翅片板(4)、带球形突出物的板或单独的管。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，结构件直接在壳体(2)和/或管(3)上形成。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，结构件通过压制形成。
6.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，结构件与壳体(2)和/或管(3)采用包括钎接的方式固定连接。
7.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，至少一部分的管(3)是扁平管。
8.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，管(3)在管的外侧带有起支承作用的球形突出物。
9.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，管(3)的内部和/或外部表面具有用来形成紊流的结构件。
10.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，结构件(4)的至少一部分是不均匀的结构。
11.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，结构件(4)的至少一部分为锯齿状。
12.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，壳体(2)由两部分或三部分构成。
13.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，待冷却的介质在管(3)中流动，而冷却液则在壳体(2)和管(3)及结构件(4)之间的空隙内流动。
14.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，热交换器(1)的壳体(2)中的结构件(4)布置在冷却液一侧。
15.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，该结构件布置在至少一个管的内部。
16.根据上述权利要求之一所述的热交换器，其特征在于，结构件为至少一条翅片，而翅片是笔直的或波浪形的和/或带有肋条。
17.根据权利要求1到16中之一所述的热交换器，其特征在于它用作汽车的废气热交换器或增压空气冷却器。
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