CN205580042U - 一种用于发动机尾气再循环的沸腾蒸发器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，包括由尾气热交换区域、氟里昂冷媒热交换区域、冷媒进口管和冷媒出口管、多组热板和与所述的热板交替设置的翅片，所述的热板穿入所述上主板和下主板上的穿孔后固定，所述热板的冷凝段置于所述的尾气热交换区域内，所述热板的蒸发段置于所述冷媒热交换区域内。本实用新型的尾气热交换区域和氟里昂冷媒热交换区域分别是两个独立的封闭区域，即使产品在极端情况下失效或寿命期内失效而导致氟利昂泄露，也不会进入发动机循环尾区域内，因而能够避免氟利昂因高温裂解并与空气发生反应，生产剧毒氰氟酸等气体物质排出大气，严重破坏和污染大气的现象产生。

Description

一种用于发动机尾气再循环的沸腾蒸发器

技术领域

本实用新型涉及发动机领域，具体地说是一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器。

背景技术

随着道路车辆排放法规的日益严格和实施，欧六排放法规实施后，2020年将进入以限制CO2排放为主的碳排放法规的实施阶段。为此，对发动机的每百公里燃油消耗提出了严格的要求和标准。为此，以朗肯循环的为技术代表各种废热回收技术，成为未来车辆降低CO2排放的最有效的手段和技术之一。

同时，发动机的能源利用效率比较低，一般为40％左右，其余60％的热量以各种形式散失而排入大气。在发动机各种形式废热中，以发动机排气废热比重最大。而基于废热回收的有机朗肯循环通过把发动机的尾气和废气再循环EGR以及发动机缸套水的废热吸收，通过膨胀机转化为有效功输出，从而间接提升发动机燃油经济性和降低CO2的排放。

在发动机废气再循环的沸腾蒸发器中，是朗肯循环有机工质-氟利昂吸收高温尾气的热量，再降低循环尾气的同时(如传统的EGR冷却器)，吸收尾气的热量，实现废热能量的转化和利用。而发动机再循环尾气与氟利昂冷媒热交换过程中，如果出现产品失效，导致高压氟利昂冷媒泄漏进入再循环尾气，该循环尾气和冷媒氟利昂再同时进入发动机燃烧室内燃烧。在这个燃烧过程中，氟利昂会因高温裂解并与空气发生反应，生产剧毒氰氟酸等气体物质排出大气，严重破坏和污染大气。

为此，在发动机尾气沸腾蒸发器中，氟利昂与尾气热交换同时，避免氟利昂进入尾气和发动机燃烧室内，成为发动机尾气沸腾蒸发器的设计关键点之一。经文献专利号US2012-0285167和专利号US2013-0205766均采用钎焊工艺，用板片隔离尾气和氟利昂，由于焊点过大，潜在失效风险巨大，一旦泄露，氟利昂很容易进入再循环尾气中，导致发动机剧毒物的排出。

发明内容

本实用新型要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种超导传热原理和板翅式结构形式的尾气沸腾蒸发器，使氟利昂与尾气的热交换通过热板技术完全隔离开，从而避免其他间壁式形热交换器一旦发生产品失效，氟利昂泄漏到再循环尾气中。

为解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，包括由进气侧端盖、出气侧端盖、下壳体和下主板构成的尾气热交换区域，由上壳体和上主板构成的氟里昂冷媒热交换区域，与所述冷媒热交换区域连通的冷媒进口管和冷媒出口管，多组热板和与所述的热板交替设置的翅片，其特征在于所述的热板穿入所述上主板和下主板上的穿孔后固定，所述热板的蒸发段置于所述的尾气热交换区域内，所述热板的冷凝段置于所述冷媒热交换区域内。

本实用新型的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，在结构形式上采用热板换热器结构形式，通过尾气侧主板和冷媒侧主板及外壳壁把尾气和氟利昂冷媒隔离开来。二者之间的热量传递是通过具有超导传热的热板实现的。具体来讲，热板(属于热管的一种形式，即扁管式热管，外形呈板状，故称热板)真空状态下内充工质水，利用水在热板下部的蒸发段内吸收热量气化，在上部的冷凝段受冷冷凝变成液体，再顺着金属壁面在毛细作用下，回到热板底部。因为热板内水等介质相变传热系数极大，从而实现热量在热板两端的超导传热。产品在使用场合下，确保加热部分在下部，冷却部分在上部(也即是被加热介质在热管上部)；具体在本专利中是循环尾气在下部区域内流动，对热板进行加热；氟里昂冷媒在上部区域内流动吸收热板传递的热量，从而获得良好的传热性能。

本实用新型的另一个特点是尾气热交换区域和氟里昂冷媒热交换区域分别是两个独立的封闭区域，即使产品在极端情况下失效或寿命期内失效而导致氟利昂泄露，也不会进入发动机循环尾区域内，因而能够避免氟利昂因高温裂解并与空气发生反应，生产剧毒氰氟酸等气体物质排出大气，严重破坏和污染大气的现象产生。

作为本实用新型的改进，所述的冷媒热交换区域通过一个中间隔板被分隔成冷媒预热区域和冷媒蒸发过热区域，在所述的冷媒预热区域上设有冷媒中间出口管，在所述的冷媒蒸发过热区域上设有冷媒中间进口管，并且，所述的冷媒中间出口管与冷媒进口管呈对角分布，所述的冷媒中间进口管与冷媒出口管呈对角分布。液态的氟里昂冷媒在冷媒预热区域预热，然后再进入冷媒蒸发过热区域进一步加热后蒸发成气态。分成两个加热区域可增加冷媒的流程，进一步提高换热效率。

作为本实用新型的进一步改进，在所述的冷媒预热区域和冷媒蒸发过热区域内的冷媒与尾气流动方向相反，二者呈逆流布置。逆流布置传热温差较大，当传递一定热量，所需换热面积少，故可减小换热器尺寸。

作为本实用新型的再进一步改进，所述的中间隔板两侧分别预留有冷媒中间进出口腔室，在冷媒预热区域端部的冷媒进口管处设有冷媒进口腔室，在冷媒蒸发过热区域端部的冷媒出口管处设有冷媒出口腔室，提高冷媒流动的均匀性。

作为本实用新型的再进一步改进，在所述的下主板和下壳体上与所述的中间隔板对应位置处设置有凸槽，在尾气侧受热膨胀时候产生变形，从而释放热应力。

作为本实用新型的再进一步改进，所述的进气侧端盖内设有进气腔室，所述的出气侧端盖内设有出气腔室，提高尾气流动的均匀性。

作为本实用新型的再进一步改进，与所述热板的冷凝段交替设置的翅片为错齿翅片，可提高比表面积和换热系数，从而提高换热效率。所述热板的蒸发段交替设置的翅片为波纹翅片，波纹方向与尾气流动方向一致，该翅片属于非间断型翅片，可有效提高传热，同时不利于积碳的在金属表面的堆积。

作为本实用新型的再进一步改进，所述的多组热板呈矩阵排布，每行热板对应设置一片翅片。

作为本实用新型的再进一步改进，所述的进气侧端盖通过一个金属波纹管与进气侧法兰连接，所述的金属波纹管内衬有一个金属管，所述的金属管一端与进口法兰焊接，另一端自由；所述的出气侧端盖与出气侧法兰连接。金属波纹管具有弹性波纹膨胀节，可吸收尾气侧金属薄壁受热膨胀产生的热变形。所述的金属衬管可有效隔离弹性波纹管与高温尾气直接接触，从而避免疲劳破坏。金属衬管的自由端可自由膨胀，可吸收尾气侧金属薄壁受热膨胀产生的热变形。

作为本实用新型的再进一步改进，位于前后侧的最外层的翅片，其外侧还焊接有侧板。该侧板可保护热板不受损伤。

作为本实用新型的更进一步改进，所述的上主板和下主板之间还设有一组平齿翅片，所述的平齿翅片与所述的热板交替设置。可有效降低尾气热交换区域主板的温度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1是本实用新型一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器的结构示意图。

图2是图1中沿A-A向的剖视图。

图3是图1中沿B-B向的剖视图。

图4是本实用新型一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器去掉上下壳体后的结构示意图。

图5是本实用新型热板的布局图。

图6是本实用新型的冷媒流向图。

图7是本实用新型下主板的结构示意图。

图8是本实用新型上主板的结构示意图。

图9是本实用新型平齿翅片的结构示意图。

图10是本实用新型本齿翅片的横截面图。

图11是本实用新型热板的工作原理图。

图12是本实用新型波纹翅片的结构示意图。

图13是本实用新型错齿翅片的结构示意图。

具体实施方式

参照附图，本实用新型的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，包括由进气侧端盖21、出气侧端盖3、下壳体2和下主板4构成的尾气热交换区域，由上壳体7和上主板5构成的氟里昂冷媒热交换区域，与所述冷媒热交换区域连通的冷媒进口管11和冷媒出口管8，多组热板13和与所述的热板13交替设置的翅片，所述的热板13穿入所述上主板5和下主板4上的穿孔后固定，所述热板13的蒸发段27置于所述的尾气热交换区域内，所述热板13的冷凝段26置于所述冷媒热交换区域内。

所述的冷媒热交换区域通过一个中间隔板6被分隔成冷媒预热区域和冷媒蒸发过热区域，在所述的冷媒预热区域上设有冷媒中间出口管10，在所述的冷媒蒸发过热区域上设有冷媒中间进口管9，并且，所述的冷媒中间出口管10与冷媒进口管11呈对角分布，所述的冷媒中间进口管9与冷媒出口管8呈对角分布。

在所述的冷媒预热区域和冷媒蒸发过热区域内的冷媒与尾气流动方向相反，二者呈逆流布置。

所述的中间隔板6两侧分别预留有5～10mm的冷媒中间进出口腔室30、31，在冷媒预热区域端部的冷媒进口管11处设有冷媒进口腔室32，在冷媒蒸发过热区域端部的冷媒出口管8处设有冷媒出口腔室29。所述的冷媒中间进出口腔室30、31有利于提高冷媒流动的均匀性。

在所述的下主板4和下壳体2上与所述的中间隔板6对应位置处设置有凸槽19、18。

所述的进气侧端盖21内设有进气腔室22，所述的出气侧端盖3内设有出气腔室23。所述的进气腔室22和出气腔室23的长度为10～20mm，有利于提高尾气流动的均匀性。

与所述热板的冷凝段26交替设置的翅片为错齿翅片14，提高比表面积和换热系数，从而提高换热效率。所述热板的蒸发段27交替设置的翅片为波纹翅片15，且波纹方向与尾气流动方向一致，该翅片属于非间断型翅片，可有效提高传热，同时不利于积碳的在金属表面的堆积。

所述的进气侧端盖21通过一个金属波纹管1与进气侧法兰20连接，所述的金属波纹管1内衬有一个金属管28，所述的金属管28一端与进口法兰20焊接，另一端自由；所述的出气侧端盖3与出气侧法兰25连接。金属波纹管1具有弹性波纹膨胀节，可吸收尾气侧金属薄壁受热膨胀产生的热变形。所述的金属衬管28可有效隔离弹性波纹管与高温尾气直接接触，从而避免疲劳破坏。金属衬管28的自由端可自由膨胀，也可吸收尾气侧金属薄壁受热膨胀产生的热变形。

所述的多组热板13呈矩阵排布，每行热板13对应设置一片翅片14、15。翅片的数量比热板的行数多一片(即换热区域的最外侧均为翅片)，以增加散热面积。位于前后侧的最外层的翅片14、15，其外侧还焊接有侧板16、17，以保护热板13不受损伤。

所述的上主板5和下主板4之间还设有一组平齿翅片12，所述的平齿翅片12与所述的热板13交替设置。

参照图11，本实用新型的热板的工作原理如下：热板13为中空管，在真空或负压状态下内充工质，液态工质在热板下部的蒸发段27内吸收热量气化成气态，在上部的冷凝段受冷26冷凝后又变成液态，再顺着金属壁面在毛细作用下，回到热板底部。因为热板内的介质相变传热系数极大，从而实现热量在热板两端的超导传热。

本实用新型具有三个热交换区域：

一、尾气热交换区域

尾气从金属波纹管1经进入腔室22进入尾气热交换区域，与热板13的蒸发段27进行热交换，释放热量，经出气腔室23排出。

二、氟里昂冷媒热交换区域

参照图6，该区域被中间隔板6分隔成冷媒预热区域和冷媒蒸发过热区域。液态冷媒从冷媒进口管11进入冷媒预热区域，与该区域内的热板13的冷凝段26进行热交换，吸收热量，预热后的冷媒从冷媒中间出口管10排出；然后通过中间连接管由冷媒中间进口管9进入冷媒蒸发过热区域，与该区域内的热板13的冷凝段26进一步进行热交换，吸热热量后蒸发变成气态，最后从冷媒出口管8排出。

三、平齿翅片换热区域

该区域位于尾气热交换区域和氟里昂冷媒热交换区域之间，平齿翅片12与热板13的中间段进行热交换，可降低尾气热交换区域下主板4的温度，使下主板4不会产生高温形变。

应该理解到的是：上述实施例只是对本实用新型的说明，而不是对本实用新型的限制，任何不超出本实用新型实质精神范围内的实用新型创造，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，包括由进气侧端盖(21)、出气侧端盖(3)、下壳体(2)和下主板(4)构成的尾气热交换区域，由上壳体(7)和上主板(5)构成的氟利昂冷媒热交换区域，与所述冷媒热交换区域连通的冷媒进口管(11)和冷媒出口管(8)，多组热板(13)和与所述的热板(13)交替设置的翅片，其特征在于所述的热板(13)穿入所述上主板(5)和下主板(4)上的穿孔后固定，所述热板(13)的蒸发段(27)置于所述的尾气热交换区域内，所述热板(13)的冷凝段(26)置于所述冷媒热交换区域内。

2.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于所述的冷媒热交换区域通过一个中间隔板(6)被分隔成冷媒预热区域和冷媒蒸发过热区域，在所述的冷媒预热区域上设有冷媒中间出口管(10)，在所述的冷媒蒸发过热区域上设有冷媒中间进口管(9)，并且，所述的冷媒中间出口管(10)与冷媒进口管(11)呈对角分布，所述的冷媒中间进口管(9)与冷媒出口管(8)呈对角分布。

3.如权利要求2所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于在所述的冷媒预热区域和冷媒蒸发过热区域内的冷媒与尾气流动方向相反，二者呈逆流布置。

4.如权利要求3所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于所述的中间隔板(6)两侧分别预留有冷媒中间进出口腔室(30、31)，在冷媒预热区域端部的冷媒进口管(11)处设有冷媒进口腔室(32)，在冷媒蒸发过热区域端部的冷媒出口管(8)处设有冷媒出口腔室(29)。

5.如权利要求4所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于在所述的下主板(4)和下壳体(2)上与所述的中间隔板(6)对应位置处设置有凸槽(19、18)。

6.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于所述的进气侧端盖(21)内设有进气腔室(22)，所述的出气侧端盖(3)内设有出气腔室(23)。

7.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于与所述热板的冷凝段(26)交替设置的翅片为错齿翅片(14)，所述热板的蒸发段(27)交替设置的翅片为波纹翅片(15)。

8.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于所述的进气侧端盖(21)通过一个金属波纹管(1)与进气侧法兰(20)连接，所述的金属波纹管(1)内衬有一个金属管(28)，所述的金属管(28)一端与进口法兰(20)焊接，另一端自由；所述的出气侧端盖(3)与出气侧法兰(25)连接。

9.如权利要求1所述的一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于位于前后侧的最外层的翅片(14、15)，其外侧还焊接有侧板(16、17)。

10.如权利要求1-9所述的任何一种用于发动机尾气再循环的沸蒸发器，其特征在于所述的上主板(5)和下主板(4)之间还设有一组平齿翅片(12)，所述的平齿翅片(12)与所述的热板(13)交替设置。