专利名称：具有弯曲翅片的环形中冷器的制作方法
技术领域：
本发明涉及中冷器(中间冷却器)，更具体地，涉及具有弯曲翅片的环形中冷器。
背景技术：
建筑和土方设备，及许多其它类型的机器，通常在许多应用中使用。通常，机器由 内燃发动机提供动力。为了增强机器的性能，发动机必须尽可能有效地运行。由于许多机 器都由内燃发动机提供动力，所以开发了许多不同的方法来增加内燃发动机效率。一种方 法是将两级或双压缩机涡轮增压器结合到内燃发动机中。涡轮增压器可以在空气进入发动 机进气口或燃烧室之前对空气进行压缩。将压缩的空气(“增压空气”)供给至发动机进 气口可供用于更完全的燃烧。这可以产生改进的功率密度和更好的发动机效率。然而，压 缩空气也可能导致进气温度增大。将这种热的增压空气供给至发动机进气口可能导致发动 机排放物的量不希望地增大。另外，由于发动机通过已经产生大量的热量，所以将热的增压 空气加到发动机进气口或燃烧室可能增大发动机的工作温度，从而导致发动机部件过度磨 损。空气对流体中冷器可以设在双压缩机涡轮增压器的第一级压缩机和第二级压缩 机之间，并通过将来自第一级压缩机的增压空气在其进入第二级压缩机和最终进入发动机 进气歧管之前进行冷却，来减少烟雾和其它发动机排放物如氮氧化物。利用空气对流体中 冷器还可以产生较低的燃烧温度，从而通过减小发动机上的热应力和增加发动机功率输 出，来改进发动机部件使用寿命。另外，将中冷器设在第一级压缩机和第二级压缩机之间可 以增大部件使用寿命和第二级压缩机的效率。空气对流体中冷器可以包括一个或多个通路，所述通路构造成用来导引热的增压 空气流。通路可以包括传热增强件，例如一个或多个翅片、波纹或其它表面变形。通路可以 连结到环形管体上，该环形管体构造成用来导引某种冷却流体流，例如液体冷却剂流，所述 冷却流体流可以冷却通路。随着热的增压空气流过通路，它可以与通路主体的传热增强件 如翅片接触。热量可以从增压空气传送到通路的翅片，然后从翅片传送到液体冷却剂中，从 而消除增压空气中的热量。来自第一级压缩机的增压空气流可以涡流运动进入空气对流体中冷器。随着增压 空气流进入空气对流体中冷器的通路，通路的翅片可以干扰和改变增压空气的流动方向， 从而产生增压空气的压力降低和最终不良的发动机性能。另外，由于空气对流体中冷器可 以设在第一级压缩机和第二级压缩机之间，所以可能存在径向和轴向空间及尺寸限制。因 此，热的增压空气可以在空气对流体中冷器的通路中流动时间不够长，从而产生不良的热 交换性能。在Meshenky等人的2007年10月9日出版的美国专利No. 7278472 (简称之为’ 472 专利)中说明了一种在上述状况下改进空气对流体中冷器的性能的方法。’ 472专利说明了 用作燃烧用空气增压装置(如涡轮增压器或增压器)中的中冷器的热交换器。热交换器设 在壳体中并且设在压缩机叶轮和出口之间。热交换器具有环形芯部。该环形芯部包括基本是径向延伸的气体流路、与压缩机叶轮流体连通的气体入口、和与壳体出口流体连通的气 体出口。冷却剂流路以可与气体流路热交换的方式设在中冷器中，并基本是轴向延伸。在 环形芯部中还采用了扁平管，扁平管布置成与环形芯部的中心同心的圆相切。扁平管的倾 斜(canting)与进入中冷器的涡流增压空气流的方向相反，并提供了空气流进入各管道之 间的空间的更平滑过渡，以便使空气流的转弯损失最小，并因此减小压力损失。尽管’ 472专利的中冷器可以改进空气对流体中冷器的性能，但它可能具有局限 性。例如，由于扁平管的倾斜构造，所以仍会干扰增压空气的涡流。因为空气流动和方向会 被扁平管的切向壁干扰，所以由扁平管形成的通路不适应增压空气的涡流方向，从而最终 导致压力损失。而且，由扁平管形成的通路不产生足够的空气流动长度，用于增压空气流动 和进行冷却。本发明的空气对流体中冷器涉及对现有技术的改进。
发明内容
本发明的一方面涉及一种空气对流体中冷器。空气对流体中冷器可以包括芯部组 件、至少一个环形管体和至少一个弯曲翅片，所述芯部组件包括外周边和内周边，所述至少 一个环形管体构造成导引冷却流体在芯部组件内的流动，所述至少一个弯曲翅片连结到所 述至少一个环形管体的外表面上，并构造成导引增压空气流过所述芯部组件。本发明的另一方面涉及一种利用空气对流体中冷器冷却压缩的增压空气的方法， 所述空气对流体中冷器包括芯部组件、外周边和内周边。所述方法可以包括导引冷却流体 经由至少一个环形管体流到所述芯部组件，和利用连结到所述至少一个环形管体的外表面 上的至少一个弯曲翅片导引压缩的增压空气流。
图1是设有根据示例性实施例的空气对流体中冷器的机器的示意图；图2是在根据示例性实施例的双压缩机涡轮增压器中应用的空气对流体中冷器 的示意图；图3是用于根据示例性实施例的机器的空气对流体中冷器的示意图；和图4是用于根据示例性实施例的机器的空气对流体中冷器的剖视图。
具体实施例方式图1示意性示出一种示例性机器10。轮廓2代表机器10的底盘的一部分。发动 机1可以安装在底盘2上。发动机1可以是任何类型的发动机，例如，汽油、柴油、和/或 气体燃料类型的内燃发动机。在所示的示例中，发动机1具有用于产生动力的六个燃烧室 3a_3f，每个燃烧室都设有活塞、一个或多个进气门、一个或多个排气门、以及本领域技术人 员已知的其它部件(未示出)。发动机1可以包括涡轮增压器4，该涡轮增压器4用于压缩 进气5a，以形成压缩的增压空气。涡轮增压器4可以是双压缩机涡轮增压器，包括第一级压 缩机7和第二级压缩机8。由于来自第一级压缩机7的压缩热，所以压缩的增压空气作为热 的增压空气5b从第一级压缩机7排出并流向空气对流体中冷器9，在此处流体可以是冷却 流体，如液体冷却剂或气态流体。空气对流体中冷器9将热的增压空气5b在进入第二级压缩机8和最终进入进气歧管6之前进行冷却。在这个实施例中，示出一个涡轮增压器4，它具有第一级压缩机7和第二级压缩机8，但应该理解，涡轮增压器的数量或压缩机的数量可 以是一个或一个以上，这仍然属于本发明的范围内。另外，可以应用除涡轮增压器之外的备 选设计，如发动机驱动式一个或多个增压器，来压缩进气5a，以形成热的增压空气5b。第一级压缩机7和第二级压缩机8可以通过涡轮机11提供动力，涡轮机11由发 动机废气流12驱动。第一级压缩机7可以将进气5a加压，以便在发动机1的发动机气缸 中提供较大量的燃料/空气混合物。结果可以是增大功率和提高发动机效率。然而，作为 加压的副产物，进气5a的温度也可能增大，这是不希望有的。从第一级压缩机7排出的压 缩进气为了方便也可称之为热的增压空气5b。如上所述，热的增压空气5b可以通过流过 空气对流体中冷器9而在进入第二级压缩机8之前被冷却。空气对流体中冷器9可以设置 在第一级压缩机7的下游和第二级压缩机8和进气歧管6的上游。一旦经过冷却的增压空 气5c从空气对流体中冷器9排出，则该增压的空气5c通过第二级压缩机8经历第二压缩 过程，并在进入进气歧管6之前作为燃烧用空气5d排出，以便进一步增大燃烧室3a-3f中 燃料/空气混合物的量。尽管未示出，但本领域的技术人员应该理解，燃烧用空气5d可以 在进入进气歧管6之前从涡轮增压器4的第二级压缩机8排出并进入另一个热交换器如空 气对空气二次/后冷却器。图2示出空气对流体中冷器9如何配置的示例性实施例。涡轮增压器4可以包括 壳体13，该壳体13构造成包围旋转轴14的第一级压缩机7和第二级压缩机8及空气对流 体中冷器9，所述空气对流体中冷器9可操作地连接在第一级压缩机7和第二级压缩机8之 间。第一级压缩机7和第二级压缩机8可包括叶轮，如所示，或其它合适的备选设计。旋转 轴14还可以包括涡轮叶轮11，该涡轮叶轮11构造成由发动机废气流12驱动并且随后驱动 旋转轴14。壳体13还可以包括进气入口 15，该进气入口 15构造成将进气5a导引到涡轮增压 器4的第一级压缩机7的入口侧。燃烧用空气出口 20在第二级压缩机8的出口侧上，该出 口 20可以构造成排出燃烧用空气5d。进气5a可以进入进气入口 15并流到第一级压缩机7的入口侧。随着废气流12 驱动涡轮叶轮11和旋转轴14，第一级压缩机7可以将进气5a压缩成热的增压空气5b。热 的增压空气5b可以径向向外和以涡流运动的方式从第一级压缩机7排出。热的进气5b可 以继续流过壳体13的空间16并进入空气对流体中冷器9的外周边17。热的进气5b然后 可以朝径向向内的方向流过空气对流体中冷器9的芯部组件18，并被流过芯部组件18的冷 却流体冷却，芯部组件18在后面实施例中说明。一旦冷却，热的增压空气5b就可以作为冷 却的增压空气5b从空气对流体中冷器9的内周边19排出，并以涡流运动的方式流向第二 级压缩机8的入口侧，同时保存来自第一级压缩的动能。冷却的增压空气5c然后经受进一 步压缩并作为燃烧用空气5d排出。燃烧用空气5d然后从涡轮增压器4经由燃烧用空气出 口 20排放到进气歧管6，如图1中所示。下面更详细地说明空气对流体中冷器9的示例性实施例，如图3和4所示。空气 对流体中冷器9的芯部组件18可以包括外周边17和内周边19，如图2的前一实施例所述。 空气对流体中冷器9还可以包括至少一个冷却流体通路如环形管体21和至少一个弯曲翅 片22。弯曲翅片22可以连结到环形管体21的外表面23上，并可以构造成导引热的增压空气5b的流动。芯部组件18还可以包括许多轴向组合的环形管体21和弯曲翅片22。入口管24和出口管25可以与芯部组件18相关联。入口管24可以构造成将冷却流体导引到环 形管体21中，而出口管可以构造成将冷却流体导引出环形管体21。
如图3所示，来自入口管24的入口冷却流体流26可以分流并在环形管体21的径 向内侧方向上流过。入口冷却流体流26然后可以反向流动并变成出口冷却流体流27，从而 在环形管体21的径向外侧方向上流到出口管25。因此，入口冷却流体流26可以被导引到 空气对流体中冷器9的内周边19，并提供对已在外周边17被出口冷却流体流27冷却的热 的增压空气5b进一步冷却。尽管未示出，但应该理解，环形管体21可以构造成以其它流动 方向导引冷却流体，例如交叉流动、平行流动、多道流动和对流。如图4所示，弯曲翅片22可以形成径向延伸的弧形件28，该弧形件28包括第一端 29和第二端30，第一端29与空气对流体中冷器9的外周边17相关联，第二端30与空气对 流体中冷器9的内周边19相关联。弧形件28还可以构造成朝与热的增压空气5b的流动 相同的方向弯曲。附加的弯曲翅片22可以连结到环形管体21的外表面25上，并与相邻的 弯曲翅片22形成通路31。通路31可以包括第一开口 32和第二开口 33，第一开口 32与外 周边17相关联并用作热的增压空气5b的入口，第二开口 33与内周边19相关联并用作冷 却的增压空气5c的出口。尽管在图3和图4中未示出，但应该理解，可以应用除了翅片之 外的备选设计，如波纹或其它具有弯曲构造的表面增强件，以便导引热的增压空气5b的流 动，并将热量从增压空气传递到冷却流体。工业适用性所公开的示例性空气对流体中冷器9可应用于内燃发动机。具体地，如图1和图2 所示，空气对流体中冷器9可以用来在从涡轮增压器4的第一级压缩机7排出的热增压空 气5b进入第二级压缩机8和最终进入发动机1的进气歧管6之前对所述热增压空气5b冷 却，从而减少排放物水平，增大发动机部件的使用寿命和增大发动机功率密度。在机器10中，离开发动机1的废气流12可以被导向涡轮增压器4的涡轮叶轮11。 废气流12可以给涡轮叶轮11提供动力，从而使旋转轴14旋转并驱动第一级压缩机7和第 二级压缩机8。进气5a可以被导引到第一级压缩机7中，在该处进气5a可以经历压缩作 用，作为压缩的附带结果，进气5a也可以被加热成热的增压空气5b。热的增压空气5b可 以涡流运动的方式从第一级压缩机7流出，并流入空气对流体中冷器9的外周边17中。如 图3和图4所示，热的增压空气5b可以经由通路31的第一开口 32进入空气对流体中冷器 9。形成通路31的弯曲翅片22的弧形件28朝热的增压空气5b流动的方向弯曲。因此，弯 曲翅片22可以导引并保持热的增压空气5b的涡流，从而防止热的增压空气5b的流动方向 及最终压力降低的显著改变。通路31的弯曲翅片22可以连结到环形管体21上，该环形管 体21构造成导引某种冷却流体例如液体冷却剂的流动，所述冷却流体可以冷却通路31。随 着热的增压空气5b流过通路31，该增压空气5b可以与通路31的弯曲翅片22接触。热量 可以从热的增压空气5b传递到通路31的弯曲翅片22，然后从弯曲翅片22转移到液体冷 却剂中，从而消除热的增压空气5b中的热量。由弯曲翅片22形成的通路31与由笔直构造 的翅片形成的类似通路相比，通路更长。因此，通路31可以使热的增压空气5b冷却更长的 时间段，从而改进热交换性能。一旦冷却，热的增压空气5b就可以作为冷却的增压空气5c 从空气对流体中冷器9的内周边19排放到第二级压缩机8，在第二级压缩机8处冷却的增压空气经受进一步压缩。通路31的弯曲翅片22可以保持热的增压空气5b的涡流运动，并因此，从与内周边19相关联的通路31的第二开口 33流出的冷却的增压空气5c可以继续 以涡流运动流动。所保持的冷却的增压空气5c的涡流运动可以形成空气流到第二级压缩 机8的平滑过渡，并节约旋转动能，因为第二级压缩机8可以沿与涡流相同的方向旋转。经 过压缩、冷却的增压空气5c可以作为燃烧用空气5d从第二级压缩机8出来，然后经由燃烧 用空气出口 20从涡轮增压器4排放。燃烧用空气5d可以在发动机1的一个或多个燃烧室 3a-3f中与燃料混合。由于冷却空气具有比热空气大的密度，所以在一定压力下的压缩空 气5d的体积可以比相同压力下相同体积的热空气包括更大量的空气分子。增加发动机的 燃烧室3a-3f中空气分子的数量可以减少从发动机1排出的烟雾和/或排放物的量、改进 发动机性能、及改进发动机效率。另外，降低热的增压空气5b的温度可以降低发动机的工 作温度，从而使发动机部件磨损减小。将弯曲翅片22装配到空气对流体中冷器9的芯部组件18上可以促进冷却的增压 空气5c进入第二级压缩机8和最终燃烧用空气5d进入发动机1内的燃烧室3a-3f。弯曲 翅片22可以保持进入空气对流体中冷器9的热增压空气5b的涡流，从而防止从空气对流 体中冷器9排出的冷却的增压空气5c的压力降低和密度减小。另外，由弯曲翅片22形成 的通路31可以使热的增压空气5b经过更长时间的冷却，从而增大冷却的增压空气5c的密 度和空气分子数量。对本领域的技术人员来说，很显然，在不脱离本发明的范围的情况下，能对本发明 的空气对流体中冷器进行各种不同的修改和变动。本领域的技术人员基于本说明书公开的 一些实施例的详细说明和实际应用可以获知其它的实施例。说明书和示例仅是示例性的， 本发明的实际范围由所附权利要求指示。
权利要求
一种空气对流体中冷器(9)，包括芯部组件(18)，该芯部组件(18)包括外周边(17)和内周边(19)；至少一个环形管体(21)，该至少一个环形管体(21)构造成导引冷却流体在芯部组件内的流动；和至少一个弯曲翅片(22)，该至少一个弯曲翅片(22)连结到所述至少一个环形管体的外表面(23)上，并构造成导引增压空气(5b)流过所述芯部组件。
2.如权利要求1所述的空气对流体中冷器，其特征在于，所述至少一个弯曲翅片从与 所述外周边相关联的第一端(29)延伸到与所述内周边相关联的第二端(30)。
3.如权利要求2所述的空气对流体中冷器，其特征在于，所述弯曲翅片朝进入所述中 冷器的增压空气的流动方向弯曲。
4.如权利要求3所述的空气对流体中冷器，其特征在于，附加的弯曲翅片和相邻的弯 曲翅片形成通路(31)，该通路包括与所述外周边相关联的第一开口(32)和与所述内周边 相关联的第二开口(33)。
5.如权利要求1所述的空气对流体中冷器，包括入口管(24)和出口管(25)，所述入口 管与所述芯部组件相关联并构造成将冷却流体导引到所述至少一个环形管体中，所述出口 管(25)与所述芯部组件相关联并构造成将冷却流体从所述至少一个环形管体导引出。
6.一种用于利用空气对流体中冷器冷却压缩的增压空气(5b)的方法，所述空气对流 体中冷器包括芯部组件(18)，外周边(17)，和内周边(19)，所述方法包括导引冷却流体经由至少一个环形管体(21)流到所述芯部组件；和利用连结到所述至少一个环形管体的外表面(23)上的至少一个弯曲翅片导引压缩的 增压空气流。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，导引压缩的增压空气流包括将增压空气流 从与所述空气对流体中冷器的外周边相邻的弯曲翅片的第一端(29)导引到与所述空气对 流体中冷器的内周边相邻的弯曲翅片的第二端(30)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，导引压缩的增压空气流包括朝与进入所述 中冷器的压缩的增压空气流相同的方向导引压缩的增压空气流。
9.如权利要求6所述的方法，还包括经由入口管(24)导引冷却流体流到所述芯部组件 和经由出口管(25)导引冷却流体流出所述芯部组件，所述入口管(24)构造成将冷却流体 导入所述至少一个环形管体，所述出口管(25)构造成将冷却流体导出所述至少一个环形 管体。
10.一种发动机组件(1)，包括发动机进气歧管(6)；多压缩机涡轮增压器(4)，该多压缩机涡轮增压器(4)构造成在增压空气(5b)进入所 述发动机进气歧管之前压缩该增压空气(5b)，所述多压缩机涡轮增压器包括壳体(13)，该壳体(13)包括至少一个进气入口(15)和至少一个燃烧用空气出口 (20)；旋转轴(14)，该旋转轴(14)贯穿壳体，所述旋转轴包括至少两个压缩机(7、8)，和安装 于其上的涡轮叶轮(11)；和如权利要求1-5中任一项所述的空气对流体中冷器，该空气对流体中冷器可操作地连接在所述至少两个压缩机之间。
全文摘要
本发明涉及一种空气对流体中冷器。空气对流体中冷器可以包括芯部组件(18)、至少一个环形管体(21)、和至少一个弯曲翅片(22)，所述芯部组件(18)包括外周边(17)和内周边(19)，所述环形管体(21)构造成导引冷却流体在所述芯部组件内流动，所述至少一个弯曲翅片(22)连结到所述至少一个环形管体的外表面上，并构造成导引增压空气(5b)流过芯部组件。
文档编号F28F1/34GK101878358SQ200880118163
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月25日 优先权日2007年11月30日
发明者D·B·塔卡尔, M·T·阿尔-沙瓦夫, R·辛哈, 李彬 申请人:卡特彼勒公司