专利名称：双u型回路换热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种双u型回路换热器，是一种用于内燃机的机械装置，是一种用于汽车发动机废气再循环冷却系统或者发动机涡轮增压系统的换热器。
背景技术：
废气再循环(EGR, Exhaust Gas Recirculation)冷却系统主要由发动才几、 EGR冷却器、EGR进排气管和EGR阀组成，排气中的部分废气经EGR阀进入进气 系统，与新鲜空气混合后进入气缸参与燃烧。这样即引入了不活性气体(主要 是C02)到燃烧室，又可以降低燃烧室的温度，因NOx是在高温富氧的条件下生 成的，从而抑制NOx的生成和排;改。废气进入气缸前经EGR冷却器冷却，可以 更进一步降低燃烧时气缸的温度，从而更有效降低NOx的排放量，减少尾气污 染。随着全球环保法规的日益提高，不断提高EGR冷却器的换热效率，保证汽 车排放量达到较高的标准是^f艮有必要的。目前，发动机废气再循环冷却器常用形式为，在壳体中有序排列着一种表 面带有向内凸起的螺旋凹槽的横截面为圆形的不锈钢管的换热管；为了满足环 保法规对日益提高的汽车尾气排放的要求，这种常用的废气再循环冷却器，其 换热效率较高，但是还有继续提高效率的余地，如何进一步提高换热器的效率 是需要解决的问题。发明内容本发明的目的是提出一种双U型回路换热器，所述换热器在液体换热介质 的流动路线上设置了特殊形状的折流板，增加了液体换热介质的流动路线，是 一种具有更高换热效率的冷却器，应用该冷却器既不影响发动机性能，又可以 降低发动机排放污染物。本发明的目的是这样实现的双U型回路换热器，包括包容液体换热介质的壳体、所述壳体中有多根通过热气体的换热管、所述换热管端头焊接在管 板上、所述前管板作为壳体一端堵头焊接在壳体上，在壳体的一端焊接有连接 热气体进出管道的法兰、壳体的另一端焊接有封头、在壳体的一侧设有液体换 热介质进出的进水口和出水口 ，在壳体内部安装有促使液体换热介质的流动路线形成u型路径的折流板，在所述进水口和出水口上分别连接有进水管和出水管。本发明的有益效果是本发明的整体结构设计，为满足有限的空间尺寸和 高性能的双重要求的最优设计方案。本发明的特点是热气体的进出口和液体换 热介质的进出口都在同侧，两种介质的流动路线均形成U字形。本发明使用一 个简单的折流板，促使液体换热介质形成U型流动路线，增加了液体换热介质 的流动路线，而热空气在换热管中的流动也是遵循U型流动路线，这种双U型 回路的设计，相较于传统的单程换热器或U形管式换热器而言，使流体间的换 热更充分，有效地提高了管内外流体之间的换热能力。本发明明确了换热管上 螺旋槽的深度范围，螺旋槽可以促进管内流体的湍流流动，分离或破坏流体运 动的边界层，从而强化了换热。由于螺旋管外的内凹设计，使得管外流体的流 动也具有加强和促使混合充分均匀的效果。本发明换热管上螺旋凹槽升角的存 在，对流体的流动起到引导作用，使得管内外流体的流动效果都得到进一步增 强，同时使污垢在管内遭到了激烈的沖蚀，不易结垢，降低了换热器的维护成 本。本发明把提高换热性能作为出发点，而且没有增加加工的难度，换热器紧 凑的设计在提高发动机性能的同时，极大地节省了制造成本。在废气再循环冷 却系统中应用该换热器，可以有效降低NOx等汽车污染物的排放。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 图1为本发明实施例一所述换热器的示意图；图2为本发明实施例一所述换热器的热气体和液体换热介质流动路线示意图；图3为本发明实施例一所述换热器的端部法兰示意图；图4为发明实施例三所述使用U形换热管的换热器示意图； 图5为发明实施例三所述换热器的U形换热管示意图； 图6为本发明实施例四、五所述换热器的壳体提领孔与进出口接管、进出 口水管连接处的分解图；图7为本发明实施例六所述换热器的折流板示意图；图8为本发明实施例七所述扁平状换热管布置在换热器的示意图；图9为本发明实施例七、八所述扁平换热管的立体示意图；图IO为本发明实施例七所述换热器用扁平换热管的截面示意图；图11为本发明实施例七所述换热器用矩形换热管的截面示意图；图12为本发明实施例七所述向外凸起的弧形扁平换热管的截面示意图；图13为本发明实施例七所述椭圓形换热管的截面示意图；图14为本发明实施例八所述换热器用圆形螺旋凹槽换热管示意图；具体实施方式
实施例一本实施例是一种双U型回路换热器，如图1、 2所示。其中图l是本实施例 的立体图，图2是本实施例的原理示意图。本实施例包括包容液体换热介质 的壳体l、壳体中有多根通过热气体的换热管2、换热管端头焊接在前管板上、 前管板作为壳体一端堵头焊接在壳体上，在壳体的一端悍接有连接热气体进出 管道的法兰、壳体的另一端焊接有封头6、在壳体的一侧设有液体换热介质进出 的进水口和出水口，在壳体内部安装有促使液体换热介质的流动路线形成U型 路径的折流板2，在进水口和出水口上分别连接有进水管和出水管。本实施例换热管为直形换热管，直形换热管一端焊接在前管板4上，另一 端焊接在后管板5上，后管板焊接在壳体上。本实施例中的热气体流动路线如图2中A箭头所示。前管板被与法兰相连 的进出热气体的部件分为两部分， 一半与热气体的进口相连，接受进入的热气 体，另一半与热气体的出口相连，放出经热交换的气体。热气体从前管板的一 边进入入口直形换热管21。入口直形换热管的另一端焊接在后管板上，热气体从入口直形换热管中流出，进入由后管板和封头组合成的一个密闭空间中，随即热气体又进入从后管板上焊接的出口直形换热管22中，然后流出，出口直形 换热管的另一端也焊接在前管板上。这样热气体的流动路线形成一个U字型， 热气体在U字型运动中与换热管外的液体换热介质进行热交换。换热管外的液体换热介质充满在由壳体、前管板、后管板以及换热管体组 成的封闭空间中，进出由进水口和出水口完成。在本实施例中，由于进水口和 出水口在壳体的同側，为增加液体换热介质流动路线的长度，在进水口和出水 口之间和部分换热管之间增加了一个L型的折流板。液体换热介质是一种以水为主要成分的混合溶液，因此将液体换热介质的进出口称为进水口和出水口。当液体换热介质从进水口进入壳体中，按照图2中箭头B的方向流动，形 成一个U字形的流动，使液体换热介质与尽量多的换热管接触，充分的吸收换 热管散发出的热量，实现更有效的热交换。图3是图1所为本实施例中法兰的示意图。法兰布置在壳体的一端，法兰 两端连接的部件， 一是与换热器相连，换热器的壳体焊接在法兰的一边；另一 边是热气体的进出口部件，在本实施例中可与发动机的配套设备相连，法兰通 过通孔与配套设备相连。法兰与壳体连接通过焊接，法兰上有小的台阶71，与 壳体连接时起到限位作用。另外，法兰端部有一处小的倒角设计72， 一是对装 配有利，二是对焊接非常有利，使钎料的布置均匀，加强焊接效果，从而保证 气、液两侧的气密性。另夕卜，如图1中所示的壳体的另一端的封头6,封头与壳体连接处是直管段, 封头端部套在壳体的外面，通过与壳体的焊接，防止气侧在此处泄漏，另外封 头弧形部分与直管段为圆滑的过渡连接，封头的这种特殊设计， 一是节省了空 间，使保证冷却器特定长度的情况下，使换热管长度增加，相应的也就增大了 换热面积；二是封头端部的弧形设计使气体的流动方向沿封头的形状发生改变， 阻力不会太大，且有利于流体的再分配。图1所示冷却器的整体结构设计是在 冷却器有限空间下的最优设计方案。实施例二本实施例是实施例一的改进，是实施例一的优化。在本实施例中实施例一 中所述的双U型回路换热器的前管板的中间有竖形凸起。由于热空气的进出管道同在一个法兰上连接，所以在本实施例提出一个隔 开两个管路的方法，在前管板上设置一个竖形凸起，将入口直形换热管和出口 直形换热管两部分换热管分开，可以有效的隔开进出热空气的通道。与法兰相 连的也可以是一个管箱，中间有分程隔板，将进出热空气分开，此时管板就不 需要设置竖形凸起。实施例三本实施例是实施例一的改进，是实施例一的优化。在本实施例中实施例一 中所述的双U型回路换热器的换热管为U型换热管，所述U型换热管的两端均 焊接在一个管板上。本实施例参见图4和图5，图4为一种U形螺旋凹槽换热管，图5为应用U 形换热管的换热器。本实施例与实施例一的不同之处在于，换热管直接应用U 形管2，因此不用设置后管板，折流板上折弯处无矩形开孔。图4中U字形换热 管上的两个管口，分别焊接在与之相对应的管板上的通孔上，并相互平行固定 在壳体中。管子两端固定在同一块管板上，弯曲端不加固定，使每根管子具有 自由伸缩的余地而不受其他管子及壳体的影响，壳体中设置特殊的折流板可加 强壳程流体的扰动，壳体封闭端为与弯管形状一致的曲面设置。图5所示U形管的设计迫使流体沿着弯曲流道改变流动方向，进一步加强 了流体的流动状况，使流体的流动分布均匀，流通距离加大，而且增大了管内 外流体之间的换热面积，使得换热效率相应的得到提高。图5中U形管在弯曲 处为光段，图4中的弯曲处有螺旋凹槽，有螺旋凹槽布置的弯曲处流体的流体 复杂，混合充分。而带光段的换热管，相对加工方便。因此，从加工制造以及 应用考虑，可以根据需要在换热器中布置弯曲处带螺旋凹槽或是光段的换热管， 而直管段处的螺旋凹槽也可以是连续或断续的。这种应用U形管的换热器，结 合特殊折流板的设计，使流体流动均匀，换热能力增强，作为废气再循环冷却器可有效的降低N0x等污染物的排放，可以满足日益提高的环保要求。 实施例四本实施例是实施例一的改进，是实施例一的优化。在本实施例中实施例一 中所述的进水口和出水口的形状为提领孔11，如图6所示。 实施例五本实施例是实施例四的改进，是实施例四的优化。在本实施例中实施例四 中所述的进水口和出水口的提领孔上分别连接有进水管和出水管，在所述的进 水管和出水管9上分别连接有进水接管和出水^f矣管8。图6是壳体与进出口接管和进出口水管连接处的分解示意图。由分解图中 可以看出壳体与进出口接管，进出口接管与进出口水管连接的方式。从换热器 的结构设计来看，可以将此处的进出口接管和进出口水管，做成一体的进出口 水管。之所以用这种管与管连接的方式，是为了满足特定空间的要求，采用这 种方式使此处的结构更紧凑。如果没有空间的限制，此处完全可以采用直接进 出口水管的方式，如图6所示。图4中，壳体在与接口的连接处，有提领孔， 接管一端91插入提领孔中，且接管端部台阶处有一个小的倒角92,既为焊接涂 抹钎料留有空间，同时起到限位的作用。接管的另一端为直管段92，水管的一 端86插入接管的直管段中，水管膨胀节85起到限位作用，同时为焊接钎料的 布置留有空间，水管的弯曲设计及空间方位的设计，均与特定的发动机系统实 现合理的连接；其中膨胀节84，在与软管连接时起到限位作用，而膨胀节83对 软管起固定作用，同样也起到限位作用；同时水管上的膨胀节都对冷却剂的温 度变化起緩冲作用。这种特殊的设计在满足空间要求的同时，性能要求同样也 得到满足。进出口水管处也可以没有接管，如果空间允许，直接利用进出口水管与壳 体相连，可以节省接管，但是水管的加工相对复杂一些。因此，在加工制造时 可以权衡利弊，选择合适的方式。实施例六本实施例是实施例一的改进，是实施例一的优化。在本实施例中实施例一中所述的折流板3为有一大折弯32的L型，L型的长边接近顶端的位置开有矩 形孔33， L型的长边顶端位置有一小折弯34,在L型的短边上开有多个通过所 述换热管的孔31。图7为本实施例所述折流板的示意图。由图7折流板的特殊设计，可以看 出，该折流板3不仅具有常见折流板的作用， 一是折流板对穿过通孔31的换热 管有支撑作用，而是可以改变流体方向；同时由于具有折弯32,使其还具有纵 向隔板的作用，该折流板的应用将管外冷却剂的流程分为两程，流体从一侧经 折弯段端部的矩形开孔33流入另一侧，使冷却剂也形成U型回路；矩形开孔附 近，小的折弯34对加工制造而言， 一是起定位作用，二是增加焊接面积，提高 焊接强度。图1所示换热器中冷却剂的U型回路与管内气体的U型回路分布相 互对应；这种双U型回路的方式相对于常用的单程流体流动而言，可以使管内 外流体之间换热充分，增强了换热效果，提高了换热效率。管内外流体基本为 顺流布置，由于发动机的废气温度一般较高，将废气的入口和冷却剂的入口布 置在同一端，使得气体入口处的壁温不至于过高，可以延长冷却器的使用寿命。实施例七本实施例是实施例一的改进，是实施例一的优化。在本实施例中实施例一 中所述的换热管的截面由两个相对的短边和两个相对的长边构成，其中，所述 短边呈由内向外凸出的弧线或直线，所述长边也呈由内向外凸出的弧线或直线， 长边和短边之间圆滑连接。参见图8和图9,图8为截面形状为扁状的换热管，图9为应用扁状换热 管的换热器。废气再循环冷却器中布置扁平换热管效率比圆换热管的效率高， 但是流动阻力比圓管大，因此权衡利弊，进行对管子截面形状的选择。扁平换 热管不仅比圆换热管的换热面积有所增加，且对管内流体的扰动起到加强的作 用。因为扁平换热管相对于圓换热管来说不是中心对称的形状，扁平换热管的 几何中心与管壁的距离比圆形换热管与管壁的距离要小，管内的大部分流体可 以参与换热，且扁平换热管的形状使得流体的扰动增强，换热效果增强，从而 管内流体的温度下降的要快。不仅如此，扁平换热管相对于圆换热管来说，不同的排列方式可以产生不 同的效果，故在布置的方式上可以有多种，换热管顺排、错排或者是顺排和错排同时使用，图8中只是代表其中的一种排列方式，其他方式不——列出，不 同的排列方式使得管外冷却剂的流动发生扰动的效杲不同，从而可以加强管内 外流体的换热，增强换热器的换热效率。图IO为一种扁平换热管的截面示意图，两个相对的短边24为由内向外呈 弧形凸起，且与长边23为圆弧形过渡连接，这样的设置充分利用换热管的表面 来实现最大效率的热交换，且易于生产加工。图11是一种截面形状为矩形的换热管，且相邻的两边之间为圆弧过渡连接。 其余部分与扁平状换热管相同。这样的结构设置，便于生产加工。图12所示的是换热管截面形状在扁平状换热管的基础上，将两个相对的长 边设置为呈由内向外凸起的弧形，即将不锈钢换热管的四个表面均设置成由内 向外呈弧形凸起的圆弧面；长边的圓弧半径远远大于短边的半径，这样可以避 免长边出现表面"塌陷"的现象；其余部分与扁平状换热管相同。图13所示换热管的截面形状为椭圆形。椭圆形的长轴和短轴的比值小于4， 其余部分与扁平状换热管相同。实施例/V本实施例是实施例一的改进，是实施例一的优化。在本实施例中实施例一 中所述的换热管为外表面带有螺旋凹槽的不锈钢管，所述的螺旋凹槽为连续设 置或断续设置，所述的螺旋凹槽的螺旋升角为8-75度之间，所述的螺旋凹槽 的槽截面为V形或圆弧形。如图14所示，为一种带有螺旋凹槽21的圆型换热管，该换热管可以通过 改变槽型、螺旋升角和槽深，达到一定的换热效果。在图9所示的是带有螺旋凹槽扁平型换热管，该换热管管体为不锈钢管体， 换热管的管体上分布有由外向内凸起的螺旋凹槽21;该螺旋凹槽可以为一条， 也可以为多条设置；该螺旋凹槽沿管体为连续设置，也可以为段续设置。凹槽 螺旋升角22在8 ~ 75度之间；10实施例九本实施例是实施例八的改进，是实施例八的优化。在本实施例中实施例八 中所述的换热管的螺旋凹槽的深度为0. 3-2毫米。凹槽21的深度不小于0. 3ww。当废气通过这种换热管时，遇到螺旋凸起部 位的阻碍作用，流动方向发生变化，产生复杂的二次流涡旋流动，同时在螺旋 凸起的后面也形成了涡旋，增大了废气的湍流度，尤其增大了对近壁区边界层 的扰动，破坏或减薄了流体的边界层，从而增强了换热；同时，流体扰动的增 强使得临界雷诺数降低，即从层流向湍流的转变提早发生，强烈的湍流运动使 得污垢在管内遭到了激烈的沖蚀，不易结垢，方便清洗。以上只是显示了本发明的几种典型设计形式，其中关于换热管的长度、数 目以及换热管在壳体中的排列方式及壳体的形状和冷却剂进出口顺序都可以修 改。双U型回路换热器的应用，使对管内外流体的流动都起促进作用，提高了 换热器的换热效果，降低发动机燃烧的温度，从而提高汽车发动机的排放性能 指标，满足日益严格的环保法规的排放要求。最后所应说明的是，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(比如壳体的外形、换热管的截面形状、所述连续或 断续凹槽的数目等)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。
权利要求
1、一种双U型回路换热器，包括包容液体换热介质的壳体、所述壳体中有多根通过热气体的换热管、所述换热管端头焊接在管板上、所述前管板作为壳体一端堵头焊接在壳体上，在壳体的一端焊接有连接热气体进出管道的法兰、壳体的另一端焊接有封头、在壳体的一侧设有液体换热介质进出的进水口和出水口，其特征在于，在壳体内部安装有促使液体换热介质的流动路线形成U型路径的折流板，在所述进水口和出水口上分别连接有进水管和出水管。
2、 根据权利要求1所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的换热管 为直形换热管，所述直形换热管一端焊接在前管板上，直形换热管的另一端焊 接在后管板上，所述的后管板焊接在壳体上。
3、 根据权利要求2所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的前管板 的中间有竖形凸起。
4、 根据权利要求1所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的换热管 为U型换热管，所述U型换热管的两端均焊接在一个管板上。
5、 根据权利要求1所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的进水口 和出水口的形状为提领孔。
6、 根据权利要求5所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的进水口 和出水口的提领孔上分别连接有进水管和出水管，在所述的进水管和出水管上 分别连接有进水接管和出水接管。
7、 根据权利要求1所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的折流板 为有一大折弯的L型，L型的长边接近顶端的位置开有矩形孔，L型的长边顶端 位置有一小折弯，在L型的短边上开有多个通过所述换热管的孔。
8、 根据权利要求1所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的换热管 的截面由两个相对的短边和两个相对的长边构成，其中，所述短边呈由内向外 凸出的弧线或直线，所述长边也呈由内向外凸出的弧线或直线，长边和短边之 间圆滑连接。
9、 根据权利要求1所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的换热管 为外表面带有螺旋凹槽的不锈钢管，所述的螺旋凹槽为连续设置或断续设置， 所述的螺旋凹槽的螺旋升角为8 - 75度之间，所述的螺旋凹槽的槽截面V形或 圆弧形。
10、 根据权利要求9所述的双U型回路换热器，其特征在于，所述的螺旋 凹槽的深度为0. 3-2毫米。
全文摘要
本发明涉及一种双U型回路换热器，是用于汽车发动机废气再循环冷却系统或者发动机涡轮增压系统的换热器。本发明包括包容液体换热介质的壳体、壳体中有多根通过热气体的换热管、换热管端头焊接在管板上、前管板作为壳体一端堵头焊接在壳体上，在壳体的一端焊接有连接热气体进出管道的法兰、壳体的另一端焊接有封头、在壳体的一侧设有液体换热介质进出的进水口和出水口，在壳体内部安装有促使液体换热介质的流动路线形成U型路径的折流板，在进水口和出水口上分别连接有进水管和出水管。本发明使用一个简单的折流板，促使液体换热介质形成U型流动路线，使流体间的换热更充分，有效地提高了管内外流体之间的换热能力，极大地节省了制造成本。
文档编号F28D7/10GK101245973SQ20081010251
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者景建周, 景建坤, 汤俊洁, 沈董浩 申请人:北京美联桥科技发展有限公司