轻型流动式换热器的制作方法

专利名称：轻型流动式换热器的制作方法
技术领域：
本发明的主题是一种用于机动车排气系统的换热器，更具体地是 一种具有主权利要求前序部分所述特征的用于机动车内燃机的废气再 循环系统。
背景技术：
由于针对机动车废气排放尤其是对氮氧化物的排放的法律规范日 益严厉，在内燃机进气侧上的燃烧废气再循环是内燃机领域的公知技 术。燃烧气体本身并不再次参与内燃机燃烧室内的燃烧过程，所以燃烧 气体就作为一种惰性气体稀释燃烧室内的燃烧空气和燃料的混合物，并
确保更均匀的混合。因此可能使燃烧过程中发生所谓"热斑"(hot spot)的现象的几率降到最小，所述热斑的特征是局部的燃烧的温度极 高。如此高的燃烧温度加剧氮氧化物的形成，所以是绝对有必要避免的。 因为内燃机的效率通常取决于供入内燃机燃烧室内的燃烧空气的 温度，所以燃烧气体在离开内燃机燃烧室之后不能马上被再循环到进气 侧。实际上，燃烧气体的温度必须被充分地降低。通常，离开内燃机燃 烧室的燃烧气体的温度在90(TC及以上。相比之下，在进气侧供入内燃 机燃烧室的燃烧空气的温度应该不超过150°C，优选地应该大幅度地低 于所述温度值。为了冷却被再循环的燃烧气体，公知的技术是利用被称 为废气再循环冷却器的设备。在公知的各种结构中，待冷却的燃烧气体 一般是循环经过热交换管，冷却剂围绕所述热交换管外侧流动，所述冷 却剂通常是机动车的冷却水。为了提高效率，现有技术中通过沿流体流 动方向平行连接一束热交换管来使燃烧气体冷却，所述冷却剂一般围绕 所述管流动。
从DE102004019554A1中可以获知一种用于内燃机的废气再循环系统，其包括一个作为分半铸造零件的废气换热器。由于燃料不可能完全 燃烧所导致高温燃烧气体具有反应性，所以在技术上很难设计出一种金 属铸件的表面能作为与不锈钢面相当的惰性表面，或者说设计不出来。
从DE102005055482A1中可以获知一种用于内燃机的废气换热器， 它通过用非腐蚀钢表面作为热燃烧气体接触的表面来避免前述问题。热 交换管和收纳所述热交换管的壳体设计成分开的零件，在生产过程中组 装在一起。
在从DE102006009948A1中所获知的废气换热器中，输送热气的通 道和冷却剂围绕排气通道在其中流动的壳体被设计为整体地形成一个 板式换热器。仅当单独的例如深拉拔的板被组装从而形成板式换热器 时，热燃烧气体的流径和冷却剂的流径才形成。相似的内容也公开在 DE102006049106A1中。
关于内燃机中废气再循环技术的 一 般信息可以从例如 DE10011954A1中得到。

发明内容
本发明的目的是提出一种用于机动车排气系统的换热器，其在重 量和制造成本上优于现有的结构。
所述目的通过具有主权利要求特征的用于机动车排气系统的废气 换热器来实现。
本发明的换热器用于机动车的排气系统，特别是用于冷却被再循 环到内燃机燃烧室进气侧的出口侧燃烧废气。换热器包括至少一个置于 分离设计的封闭壳体中的分离设计的输送废气的交换管。冷却剂流过该 壳体；所述冷却剂可以是来自例如机动车内燃机的冷却剂回路的冷却 剂。所述流过壳体的冷却剂围绕至少一个交换管的外侧流动，从而吸收 再循环燃烧废气中携带的燃烧热量，并且通过机动车冷却剂回路将热量 散掉。
根据本发明，换热器的壳体被分成至少两个壳体部分，称为壳盖 和壳身。壳身被壳盖紧密地封闭。根据本发明，所述至少一个交换管的 两端都以气液密封的形式被引导通过所述换热器壳体的同一个壳体部分，所述壳体部分在本发明的范围内被称为壳盖部分。 一般地，被称为 壳身的壳体部分包容机械固定在壳盖上的交换管，由此形成换热器的壳 体。可替换地，壳盖本身实质上完全包容机械固定在其上的交换管，然 后通过将一个被称为壳身的第二壳体部分置于其上来封闭本发明的换 热器壳体也是允许的，甚至在这个具体实施方式
中，被称为"壳身"的 壳体部分实际上并不包容交换管。应当明白的是壳盖和壳身两者各自部 分地包容所述至少一个交换管的组合也是允许的。
为了分离地实现本发明所述的交换管和换热器壳体，本发明的这 些换热器的零部件可以用不同的材料制造。为了将壳体分为两部分，至 少一个热交换管的两端仅被引导通过一个壳体部分，该壳体部分的材料 要能适合针对使用目的的热力、机械和/或腐蚀方面的要求。如果所述 至少一个交换管采用耐腐蚀和耐热材料，如不锈钢或铝制造，将会具有 特别的优点。采用不锈钢还具有另外的优点采用不锈钢制造交换管能 提高韧性，这在交换管内实现巻绕流动路径时能带来实质的优势。如果 对耐腐蚀或耐热性要求不那么高，那么使用铝或铝合金制造所述至少一 个交换管就足以满足要求。
壳盖有利地采用和所述至少一个交换管相同的材料制造，因为这 样能确保这两部分很容易地通过机械方式连接在一起，并且更不易被腐 蚀。如果两部分，壳盖和交换管，都用不锈钢制造，那么一般能确保它 们具有优良的耐腐蚀性和非常高的热负荷容量。更进一步，不锈钢更低 的热导率能够使高温的燃烧热排气经过壳盖到壳身过程中的热损失最 小。附带说明，具有适合耐热性的铝或铝合金或其他金属材料的使用在 这里也是适合的，因为这种材料可以以气密和液密的方式连接到延伸穿 过其中的交换管，例如焊接、钎焊或者必要时也可以用胶粘。
本发明的废气换热器的壳身当然也可以用不锈钢制造，例如具有 插入底部的无缝拉制不锈钢管。换热器壳体的分隔使得可以将壳身形成 为铸造件，这提供了特别的优点。该壳身例如可以通过可铸造材料来生 产，如铝、铝合金、镁、镁合金、灰铸铁或具有足够耐热性的塑料。由 于本发明的废气换热器的壳身并不与腐蚀性的燃烧废气接触，而且温度
被限制在普通冷却剂的温度，也就是低于15(TC，所以上面所述的更加便宜的材料事实上可以使用。更特别地，壳身可以通过铸造来生产，例 如通过塑料或金属模铸手段，或者其他低成本手段例如深拉。除了上述 己经提到的铸造或拉制的壳身具有低成本和生产简易性的优点以外，铸 造的壳体零件还具有显著轻于不锈钢壳体的优点，这也构成了本发明的 废气换热器的另一个优点。机动车复杂性提高所带来的不期望的副作用 是重量平稳增加，这抵消了机动车制造商在减小机动车的油耗和排放率 方面所作的努力。
如果在壳身和壳盖之间插入密封可以获得特别的好处，所述密封 尤其可以使用金属材料制成，如金属压条密封或弹性密封(例如弹性体 密封)。在本文中，如果壳盖和壳身设计成分离的零件，通过机械保持 装置将它们连接在一起的话尤其具有优势。例如螺杆或铆钉可用作所述 保持装置。应当明白的是现有技术中公知的其他适合连接壳盖和壳身的 任何机械保持装置是可以想到的。在本文中，连接不须借助辅助装置如 金属压条也是其优点。
在特别优选改进的本发明换热器的实施例中，壳盖形成一个连接
换热器和机动车排气系统的连接部(interface)。通过这种方式，能简 化机动车中本发明换热器的安装。
本发明换热器的交换管优选地至少在穿过换热器壳盖的点之间一 体制造。特别地，可以弯成U形或者半圆形。通过这种方式，防止在管 段之间的过渡段上发生腐蚀。另外，该优选实施例对与经过的废气换热 器的流体仅有一次单独的流体机械收縮，所以排气流过换热器的压力下 降被最小化。
在一个特别优选的实施例中，在交换管内延伸的流径至少以巻绕 流径的形式位于换热器壳体以内。更特别地，该流径在壳体内具有一个 至少45°的旋转夹角a ，优选地旋转角a的范围在135-225°之间。特 别优选地是一个180。的角，也就是说，离开本发明换热器的被冷却的 燃烧废气沿和进气相反的方向离开换热器。
由于将被冷却的燃烧废气的流径被实施成弯的，所以空间明显大 于现有技术中公知的具有直线式交换管的废气换热器。本发明换热器的 壳体和交换管的分离设计使得其制造简单，而且还可以根据各自不同的
8对耐腐蚀性和耐热性的要求来选择适合本发明换热器的材料。
在一个优选的改进实施例中，不同于单个交换管，而是在本发明 的换热器中设置一束在流体流动方面平行连接的交换管。尤其是，这样 一束交换管构造使得形成在分散的交换管中的流径和相邻交换管中的 流径在对应的进口和出口之间不接触。通过这种方式，避免了要被冷却 的废气流在流过本发明的废气换热器吋不得不经过多次截面收縮。所 以，本发明换热器的流动阻力在一侧明显地下降，在另一侧被发现在实 际运行中废气换热器内每个流径中的收縮都形成这样的位置，在该位 置，冷凝物和再循环燃烧排气中夹带的颗粒发生沉积，长期运行中，这 可能导致换热器的部分或完全堵塞，从而导致整个机动车废气再循环系 统的故障。
如果釆用一束交换管，尤其是水被用作冷却剂时，相邻交换管的
外表面之间的最小距离d的范围最好是在0. 5mro-5腿之间。特别优选的 在间隙宽度1-2mm之间。尤其是考虑到水作为冷却剂，所述间距宽度最 好设置在关于冷却剂的流动阻力的一侧，以及设置在关于优化与冷却剂 流过的容量相关的交换管溢流表面的另一侧是最好的。
如果采用一束交换管，已经发现在空间利用方面这样是最好的， 那么交换管的入口的中点和多出口的中点或者可替换的支承点，也就是 交换管穿过换热器壳体壁的那些点，位于一个矩形或六边形网格的中点 上。优选地，入口和出口或者支承点位于相同网格的格点上。可替换的， 作为补充，分散交换管在入口侧和出口侧上穿过换热器壳体壁的通道点 位于相当的网格的格点上。交换管入口或出口或者它们穿过换热器壳体 壁的通道点的这种布置能特别有效地利用换热器壳体内的可利用空间。 特别是，如果换热管布置成六边形，那么具有交换管的换热器壳体内的 空间会特别紧密地被填充，所以所述空间被有效率地縮小。
特别是，如果交换管设计成U形，那么如果使交换管至少成对地 相互交叉，换热器壳体内的空间利用还可以被进一步优化。
在一个优选实施例中，所述至少一个交换管以及一束交换管中的 大多数可以以简单设计的实施方式设计成平滑壁面管。如果所述至少一 个交换管，或者一束交换管中的大多数，被设计成涡旋管的话，可以在本发明热交换器的热效率方面获得优势，也就是说管设计成使得管内输 送的热废气流经历一个强烈的紊流。为了实现这个目的，至少一个或多 个交换管的内表面具有螺旋结构使流过其中的废气流发生涡旋运动。
这样的螺旋结构特别地也可以通过在例如不锈钢制造的平滑壁面 管的管壁上形成一种螺旋形凹陷结构来实现。交换管内壁的螺旋结构通 过加宽或加深螺旋形状可容易地制造，优选例如不锈钢制造的薄壁交换 管。在水作为冷却剂的给定的应用场合下，所述螺旋结构的绕线间距
DS有利地在l-15mm之间，优选在3-8mm之间。在给定的应用场合下螺 旋结构的高度或者深度在交换管外径D的1%-20%之间，优选在2%-16% 之间。交换管外径D，也和特殊的应用场合相关，优选在1-15miii之间， 而在6-12mm之间是被认为是特别具有优势的。对于优选的范围，对于 一侧的再循环燃烧废气而言，所产生的压力损失或者流动阻力和本发明 废气换热器的热效率之间的比率被证明是最好的，所述比率取决于管道 截面和另一侧热交换管内表面的比率。
如果交换管是弯的，基本上在管被引导穿过壳体壁的点之间是U 形或者半圆形的话，那么能获得更加有效率的换热器壳体内的空间利 用。与将交换管设计成涡旋管的方案相组合，可以使热排气流过交换管 时获得特别强烈的紊流，从而导致与交换管的管壁的特别有效的热传 递，进而导致到冷却剂的热传递。
综上所述，在一个优选实施例中，所述至少一个交换管，优选是 多个交换管中的大多数，机械牢固连接到所述壳盖上，各个管穿过壳盖。 通过这种方式，所述至少一个交换管/多个交换管中的大多数机械固定 在壳盖上，在本发明换热器的最终组装过程中形成一种以最简单的方式 机械连接到换热器壳体的壳身的简单操作安装单元。
如果通道点，也就是所述至少一个交换管在入口侧和出口侧被引 导穿过换热器壳体的那些点，基本上布置在公共平面E上的话，还可以 进一步获得好处。交换管的入口和出口也可以基本上布置在一个与前述 通道点的公共平面E'更加重合的公共平面E'上。平面E或E'中的一个 可形成连接换热器和机动车排气系统的连接部，这样本发明的换热器可 以更加容易地安装到冷却剂回路或者机动车排气系统。将用于使冷却剂流过本发明换热器壳体的入口和出口布置在交换
管通道点的平面E或者交换管入口和出口的平面E'中，还能进一步增强 上述优点。在优选实施例中，平面E和E，重合，这样交换管的通道点和 出入口以及冷却剂的出入口基本上处于同一个平面。这个公共平面能有 利地形成一个连接部，用于将换热器和机动车的排气系统和冷却剂系统 连接起来。优选地，至少冷却剂入口和/或冷却剂出口形成在换热器壳 体的壳盖上。通过该方式，安装连接部能以最简单的方式形成在换热器 上。
如果将本发明换热器的交换管位于出入口之间的部分制造成一个 单件的话，至少将前述通道点之间的部分制造成单件，还能获得进一步 的好处。特别是，将所述至少一个交换管出入口之间的部分或者穿过壳 体壁的通道点之间的部分基本上弯曲成半圆形或者U形。
最后，应当注意本发明的换热器中的介质可以互换，也就是说冷 却介质也可以在交换管中流动，同时即将被冷却的介质，例如即将被冷 却的废气流，也可以在环绕交换管的壳体内部容积中流动。
本发明的换热器还适合用于具有内燃机的机动车上的进气空气制 冷机，燃烧空气通过内燃机上游的压縮机如涡轮增压器或压縮机，被压 缩到高于大气压的压力。特别是适合用于和低压废气再循环系统相连的 进气空气制冷机。


本发明的换热器的其他优点和特征根据从属权利要求和下面讨论 的具体实施例，以及参考附图所进行的详细说明而变得明显。所述附图 中
图l:本发明废气换热器第一典型实施例的分解图，
图2:是根据第二典型实施例的废气换热器的安装接E的正视图，
图3:是根据第三典型实施例的废气换热器的一束交换管的正视
图，
图4:是图1中换热器的交换管的示意图。 图5:是图4中交换管的剖视图，图6:是为了显示旋转角a而给出的形成巻绕流径的交换管的示意
图，
图7:是通过壳盖形成的连接部E的正视图，入口和出口都布置在
矩形网格的格点上，
图8:是通过壳盖形成的连接部E的正视图，入口和出口都布置在
六边形形网格的格点上，
图9:是在壳盖区域的交换管的出/入口的剖视图，以及
图10a-10g:是适合用在本发明的换热器中的涡旋管的选择。
具体实施例方式
图1示出了本发明第一典型实施例的废气换热器1的分解图。换
热器1包括壳体40，壳体包括壳身50，壳身由壳盖60闭合。壳身50 设计成一个铸造零件，特别是可以用铝压铸而成。可替换的，在示例性 实施例中所示的壳身50可以通过任何材料制得，所述材料一方面可通 过铸造被加工，并在另一方面具有足够的热稳定性。因为本发明换热器 1的壳身50只和通常源自机动车冷却剂回路的冷却剂接触，所以对于 大部分应用场合来说对于达到15(TC的温度的耐热性己经足够了。镁、 镁合金、灰铸铁或者耐热压模塑料材料也被发现是适合制作壳身的其它 材料。
在前侧，壳身50形成法兰59用于连接到壳盖60。如示例性的实 施例中所示，壳盖60由几毫米厚的冲压钢板制成，优选厚度约l-2mm。 壳身50连接到壳盖60用于气密液密连接， 一个密封件52，如示例性 实施例中所示，被设计成一种金属压条密封件，插入它们中间。壳盖 60通过螺杆54螺纹紧固到壳身50的法兰59。为此，壳身50形成多个 大螺纹孔55。在对应的位置，壳盖60包括大直径通孔65，尺寸匹配的 螺杆54旋入所述通孔中，并插入该螺纹孔55中，用于将壳盖60螺纹 连接到壳身50。
壳身50形成内部容积42用于容纳一束U形交换管20。交换管20 在尺寸上是相同的，例如内外径，但是U形形状的开口宽度W (参见图 4)是可变的。壳身50的内部容积42的形状通常与所述一束交换管20的形状相适应，这样所述一束交换管能最有效率地利用内部容积42内 的空间。
在每个交换管20的相应的端部都形成入口 22和出口 24。交换管 20的端部被引导穿过壳盖60上对应的孔，其形成交换管20的入口 22 或出口 24的通道点66、 68。交换管20的入口 22和出口 24被引导穿 过壳盖60上形成的孔。在通道点66、 68处，交换管20以气密液密连 接的方式被连接到壳盖60上，例如焊接或者钎焊。结果，交换管20机 械地抵靠着壳盖60。
在一个优选实施例中，交换管20由薄壁不锈钢管组成。交换管20 具有印模结构，这样在交换管20的内表面上形成凸出的螺旋形结构26。 所述一束交换管20被放置成使所有的入口 22和出口 24都各自形成一 个紧密联系的(cohesive)组以便于例如将本发明的换热器1连接到机 动车的排气系统。为此，壳盖60的前侧形成一种组装连接部S，其根 据壳盖60的平面结构被设计成基本上类似法兰的式样。为了将换热器 l安装到机动车上，还在壳身50中形成另外的螺纹孔53，所述孔的直 径小于螺纹孔55。在金属压条密封件52和壳盖60中也形成对应的通 孔63。通过这些孔，换热器1利用多个螺杆(图1中未示出)被连接 到机动车的排气和冷却剂系统。
除了容纳一束交换管20的内部容积42以外，壳身50还形成冷却 剂的入口通道56和出口通道58;所述冷却剂可以是来自机动车内燃机 冷却系统的冷却液体。入口通道56和出口通道58为了形成从顶部到底 部延伸的流径(图1)被布置成穿过壳身50的内部容积42，当换热器 l根据其用途运行时，冷却剂密集地流过所述一束交换管20。为了使冷 却剂和输送废气的交换管20的表面之间的相互作用尽可能地强烈，一 块挡板36被放置在U形交换管20的支腿内，示例性实施例中，挡板优 选地也是用不锈钢制造，并被对逢钎焊连接或者对缝焊接到同样是不锈 钢制成的壳盖60上。挡板36延长了冷却剂在壳体40的内部容积42内 的流径，所以确保交换管20中流动的废气和内部容积42中流动的冷却 剂之间发生更强烈的热交换。
入口通道56和出口通道58都形成在壳身50上，同样都终止于壳身50所形成的法兰59，腹板57形成在通道56和58的端部处以形成 将金属压条密封件52支承到法兰59上的机械抵靠连接。所述密封件也 形成冷却剂流过换热器1的通道，所述通道对应于形成在壳盖60上的 冷却剂入口 62和冷却剂出口 64。在组装好的换热器1中，冷却剂可通 过冷却剂入口 62供入，通过冷却剂出口 64排出，需要冷却的燃烧废气 通过交换管20的入口 22供入，通过出口 24从壳盖60的前侧排出。在 所示的结构中，通过一个单独的共同安装连接部S，这是可行的。
从图2所示的内容可以很明显地看出在一个稍作修改的实施例中 的换热器1的安装连接部S的正视图。形成在壳盖60上的冷却剂入口 62和冷却剂出口 64清晰可见。通过比较，交换管20的大部分入口 22 和出口 24都被图2中所示的网格结构23所覆盖。壳盖60上的入口 22 和出口 24的布置基本上对应于图1中的设计。至于其它，图2中所示 的换热器的区别基本上在于修改了壳身50上的紧固点51的布置，这些 紧固点51将换热器1紧固到机动车的安装结构上。
图3示出了第三实施例中换热器1的一束交换管20的透视图。和 图1中的换热器1相比，该所示的一束交换管20的区别基本在于交换 管20是平滑的，例如不带有类似图1所示的螺旋结构26的拉制无缝薄 壁不锈钢管。另外，从图3中的U形交换管20的反转视点可以明显看 出，交换管20被布置成成对地交叉。
在图1中还可以看出通过技术措施能防止不希望出现的壳体40的 内部容积42中的一束交换管20的振动。机械的刚性连接到壳盖60并 置于一束交换管20中的挡板36，在其侧壁和弯曲的顶部例如通过钎焊 或者焊接被连接到相邻的交换管20，用于形成机械牢固连接。所以挡 板36机械地加强了其内的交换管束的交换管20，所以减弱了它们的振 动。
作为减少振动的一个额外手段，提供一个用低厚度印模不锈钢板 制成的箍带30。所述箍带完全包围交换管束20，并在接触点连接到相 邻的交换管20，用于形成机械牢固连接，例如通过钎焊或焊接的方式。 由于被布置成围绕交换管束，箍带30能防止位于外侧的交换管20彼此 之间的相对振动。另外，箍带30形成有一体成型的由倾斜凸起构成的支承件32。这些支承件32相对于壳体40的内壁弹性地支撑着整个交 换管束。
最终，加强元件34被布置在同样用印模不锈钢条制成的交换管束 20内。所述加强元件34构成交换管束中交换管20的机械刚性支承件。 为此，它们以机械牢固连接的方式如焊接或钎焊被连接到交换管20。
应当注意的是将箍带30或加强元件34连接到分散交换管20的机 械牢固连接也可以被取消。可能地，为了给交换管束和箍带30或者加 强元件34提供足够的支承，仅在交换管束和箍带30或者加强元件34 之间设置互锁也能使其足够牢固地位于交换管束上。
图4示出了根据第一典型实施例的换热器1的一个交换管20的正 视图。交换管20的自由长度取决于换热器1的尺寸，用L表示，其范 围在2-30cm之间；如果用于具有低输出(35-100kW)内燃机的机动车， 那么一般L的合适尺寸是大约5cm。对于输出在100kW或以上的大输出 私人汽车来说，L的尺寸范围在10-15cm之间是合适的。如果用于卡车， L的尺寸等于20cm或者更高是合适的。
交换管20的外径D—般在1-15mm之间，优选在6-12ram之间，因
为该直径被认为是特别适合用于目的是用作机动车废气换热器的换热 器。如图4和图5所示，图5构成了图4中交换管20的透视剖视图， 交换管20的壁厚WS的范围在0. 1-lmm之间是合适的，在该具体的换热 器1中该壁厚也特别取决于交换管20的长度L。优选地，交换管20的 壁厚WS在0. 2-0. 6mm之间。
U形交换管20的支腿之间的间距W，其被发现优选大于或等于交 换管20的外径D的1. 8倍。下面特别地应用
W大于或等于1. 8XD，如果采用的交换管20是具有连续螺旋结构 26的薄壁管的话，例如用不锈钢或铝制成，已经发现支腿宽度W要大 于W二2R，所述宽度和U形交换管20的弯曲半径R有直接联系。由于机 动车内非常有限的可利用空间，所以特别小的支腿宽度W是非常有利 的，因为能最有效地利用壳体40的内部容积，并且是优选的。
在实际测试的范围内，已经发现，如果交换管20至少在其内壁包 含有螺旋结构26的话，能够实现在流经交换管20的排气中产生紊流的特殊的优点，同时因此，也将实现从废气到交换管壁的特别强的热传递。
螺旋结构26的绕线之间的间距DS有利地在1-15mm之间，优选在4-8mm 之间。合成夹角(pitch)在图4中用DW表示。交换管20的内壁上凸 出的螺旋结构26的高度DT在相应的交换管20的外径D的1%-20%之间， 优选在2.0%-14%之间。
如果多个交换管20设置成形成交换管束，那么已经发现如果交换 管束的相应交换管20的外表面之间的最小距离d在0. 5-5mm之间的话， 如果换热器按照其使用目的被使用，其可达到的效率特别高。优选在 l-2mm的范围之间，因为如果用水作为冷却剂的话，这样做能在效率方 面能产生特别好的结果。
在一个特别优选的实施例中，交换管20的螺旋结构26不仅仅形 成在交换管20的内表面上。同样，螺旋结构26通过在交换管20的外 表面压印螺旋形状可以得到，这导致交换管20的内表面上有压印的凸 出螺旋结构26。
图6示意性地示出了被形成在交换管20内的流径所围绕的旋转角 a。在本发明的换热器1的该优选实施例中，旋转角(1=180° ，也就是 说废气流离开换热器1的内部容积42的流向和废气流进入的流动方向 反了 180° 。在其他方案中，旋转角a可以小于或者大于180° ， 一般 推荐在135° -225°之间。使用在内表面上形成有螺旋结构26的交换 管20被发现在旋转角0是45°时能提高效率。
图7示意性地再次示出了在换热器壳体40的内部容积42中成束 布置的多个交换管20的入口 22和出口 24的正视图。明显看出入口 22 和出口 24都置于矩形网格的格点上。
如果入口 22和出口 24按图8所示那样布置，能获得更加有效率 的空间利用。这里，入口 22或出口 24都置于六边形网格的格点上，意 味着每个入口 22或每个出口 24被六个相邻的入口 22或者出口 24所包 围。在该方案中，在壳体40内部容积42内的空间能被最好地用于交换 管20.
图9示出了壳盖60在开有一个被交换管20的入口侧端或出口侧 端22/24螺旋穿过的孔的区域中的剖视图。在对于制造非常有利的优选实施例中，交换管20在其入口侧端或出口侧端22/24包含支承结构27， 其形成管端相对于壳盖60的机械支承。支撑结构可以由例如一个或多 个点状凸起形成，在图4的示例性实施例中是被压印为圆周凸起。在图 9所示的示例性实施例中，交换管20的外端被巻边(beaded),这样交 换管20通过支承结构27和巻边端的组合被机械固定到壳盖60上。因 为交换管20已经被机械地预先固定在壳盖60上，所以所述固定基本上 方便了本发明的换热器的制造。这样就省去了额外将交换管20固定到 壳盖60的需求，比如随后在将交换管端钎焊或者焊接到壳盖60过程中 的激光焊接点。图9中所示的结构可以用最简单的方法形成在交换管端 中通过将具有一致的内外径的交换管20旋入壳盖60中相对应的孔。 随后，用合适的工具同时制出圆周凸起27和被巻边的边缘。所述合适 的工具例如是管膨胀工具。
接下来的图10a-g最后通过实例示出了涡旋管的选择，涡旋管的 内表面的结构适合使其中流动的废气流中产生紊流，特别是如果形成在 涡旋管构成的换热器1中的至少一个交换管20中的流径有一个大于45 度的角度a的话，尤其是180° 。图10再一次示出了图5中的具有恒 定夹角和恒定结构高度DT的螺旋结构，其形成在沿长度具有恒定截面 的管20中。
图10b示出了具有两个基本相同螺旋结构的涡旋管，它们沿相反 的方向巻绕。除了縮小的夹角以外，所述两个螺旋结构中的每一个都对 应于图5所示的螺旋结构。管道的截面基本上也是在其整个长度上恒定 的。
图10c示出一种管道截面在其长度上具有锥度/拓宽的涡旋管。螺 旋结构本身也是基本上对应于图5所示的结构。
通过对比，在图10f所示的涡旋管中，管道的截面也是基本上在 其整个长度上恒定的，但是螺旋结构的夹角在管道的长度上是变化的。
图10d示出其他结构实施例的一种替换性螺旋结构，也就是在管 道壁中的平坦圆形凹坑，其在管道内壁上产生圆形凸起结构。也可以用 形成在壁上的环形凹坑取代平坦圆形凹坑。
图10e所示的紊流结构也不是螺旋形的；相反，管道壁在均匀的
17间隔处被环形变形，这导致内壁面上形成规则的收縮。在管道的长度上， 收縮的深度和/或它们之间的间距可以是变化的。
图10g最后示出了具有基本上恒定截面的涡旋管，其在壁面上形
成多个具有恒定夹角和结构高度的相同的螺旋结构。
总之，应当明白图10a-g中所示的紊流结构不仅被独立地使用， 如果技术上可行的话也可以自由地组合。图10a-c的结构特征及f和g 的结构组合在一起特别具有优势。
权利要求
1. 一种用于机动车排气系统的换热器(1)，其具有单独形成的输送废气的交换管(20)，该交换管置于单独形成的封闭壳体(40)中，冷却剂流过该壳体并围绕所述交换管(20)的外侧流动，其特征在于，所述壳体(40)形成至少一个壳盖(60)和一个壳身(50)，a. 所述壳身(50)被所述壳盖(60)紧密地封闭，以及b. 所述交换管(20)的两端以气密液密的连接方式被引导穿过所述壳盖(60)，这样所述交换管(20)的入口(22)和出口(24)都置于所述壳体(40)的外侧。
2. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 用耐腐蚀和耐热的弹性材料制成，如不锈钢或铝。
3. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，壳盖(60)用 与所述交换管(20)相同的材料组中的一种材料(例如不锈钢)制成。
4. 如权利要求l所述的换热器(1),其特征在于，壳身(50)用 一种可铸造材料制成，如铝、镁、灰铸铁或者塑料材料。
5. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，壳身(50)用 可以被深拉的材料制成，如铝、镁、钢或热塑性材料。
6. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，壳身(50)形 成为铸造零件。
7. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，密封件(52) 被插入壳身(50)和壳盖(60)之间。
8. 如权利要求6所述的换热器(1),其特征在于，密封件(52) 由金属或者另一种弹性材料制成。
9. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，壳盖(60)和壳身(50)被构造成分离的零件，通过机械固定装置连接在一起。
10. 如权利要求1所述的换热器(1)，其特征在于，所述壳盖(60) 形成用于连接换热器(1)和机动车排气系统的连接部S。
11. 如权利要求l所述的换热器(1),其特征在于，交换管(20) 在它螺纹穿过壳盖(60)的点之间基本上由一个单件构成。
12. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 在其螺纹穿过壳盖(60)的点之间被弯成基本上U形或半圆形。
13. 如权利要求1所述的换热器(1)，其特征在于，设置多个交 换管(20)，所述交换管置于壳体(40)中并形成在流体流动方面平行 连接的交换管朿。
14. 如权利要求12所述的换热器(l)，其特征在于，各交换管(20) 的流径在它们相应的入口和出口之间不彼此接触。
15. 如权利要求1所述的换热器(1)，其特征在于，所述交换管 (20)构造成平滑壁面管。
16. 如权利要求1所述的换热器(1)，其特征在于，所述交换管 (20)构造成涡旋管。
17. 如权利要求15所述的换热器(1)，其特征在于，换热管按螺 旋样式拓宽或加深。
18. 如权利要求16所述的换热器(1)，其特征在于，螺旋结构(26) 的巻绕间距在1-15毫米之间，优选4-8毫米。
19. 如权利要求16所述的换热器(1)，其特征在于，螺旋结构的 高度或深度在交换管外径的1%-20Q/6之间，优选2%-14%。
20. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 被机械地牢固连接到其被引导穿过的壳盖(60)。
21. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，a. 换热器(1)形成冷却剂入口 (62)和冷却剂出口 (64),以及b. 冷却剂入口 (62)禾口/或冷却剂出口 (64)形成在壳盖(60)中。
22. 如权利要求1所述的换热器(1)，其特征在于，流径在交换 管(20)内延伸，所述流径至少在壳体(40)内延伸成巻绕流径，其中 它包括一个至少135。的转角a，优选180° 。
23. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 在入口侧和出口侧被引导穿过壳体(40)壁的通道点(66, 68)基本上 位于一个公共平面E中，该公共平面E形成连接换热器(1)和机动车 排气系统的连接部S。
24. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 的入口 (22)和出口 (24)基本上被置于一个公共平面E，中，该公共平 面E'形成连接换热器(1)和机动车排气系统的连接部S。
25. 如权利要求l所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 的外径D在l-15毫米之间，优选在6-12毫米之间。
26. 如权利要求12所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 的外表面相隔最小距离d，所述距离在0.5-5毫米之间，优选在l-2毫 米之间。
27. 如权利要求12所述的换热器(1)，其特征在于，交换管(20) 被布置成至少成对地交叉。
28. 如权利要求12所述的换热器(1),其特征在于，入口 (22) 和/或出口 (24)的中心点M位于矩形或者六边形网格的格点上。
全文摘要
本发明涉及一种用于机动车排气系统的换热器(1)，其具有独立形成的输送排气的交换管(20)，该交换管置于独立形成的壳体(40)中，冷却剂流过该壳体并包围所述交换管(20)的外侧。壳体(40)形成至少一个壳盖(60)和一个壳身(50)，所述壳身(50)被所述壳盖(60)紧密地封闭。交换管(20)的两端以气液密封的连接被引导穿过所述壳盖(60)，这样所述交换管(20)的入口(22)和出口(24)都置于所述壳体(40)的外侧。
文档编号F28D7/06GK101424489SQ20081016117
公开日2009年5月6日 申请日期2008年7月11日 优先权日2007年7月11日
发明者A·卡佩勒, J·诺特鲍姆, O·菲舍尔, P·西斯佩拉, P·迪尔 申请人:威斯通全球技术公司