專利名稱：輕型流動式換熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的主題是一種用于機動車排氣系統(tǒng)的換熱器，更具體地是 一種具有主權利要求前序部分所述特征的用于機動車內(nèi)燃機的廢氣再 循環(huán)系統(tǒng)。
背景技術：
由于針對機動車廢氣排放尤其是對氮氧化物的排放的法律規(guī)范日 益嚴厲，在內(nèi)燃機進氣側上的燃燒廢氣再循環(huán)是內(nèi)燃機領域的公知技 術。燃燒氣體本身并不再次參與內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)的燃燒過程，所以燃燒 氣體就作為一種惰性氣體稀釋燃燒室內(nèi)的燃燒空氣和燃料的混合物，并
確保更均勻的混合。因此可能使燃燒過程中發(fā)生所謂"熱斑"(hot spot)的現(xiàn)象的幾率降到最小，所述熱斑的特征是局部的燃燒的溫度極 高。如此高的燃燒溫度加劇氮氧化物的形成，所以是絕對有必要避免的。 因為內(nèi)燃機的效率通常取決于供入內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)的燃燒空氣的 溫度，所以燃燒氣體在離開內(nèi)燃機燃燒室之后不能馬上被再循環(huán)到進氣 側。實際上，燃燒氣體的溫度必須被充分地降低。通常，離開內(nèi)燃機燃 燒室的燃燒氣體的溫度在90(TC及以上。相比之下，在進氣側供入內(nèi)燃 機燃燒室的燃燒空氣的溫度應該不超過150°C，優(yōu)選地應該大幅度地低 于所述溫度值。為了冷卻被再循環(huán)的燃燒氣體，公知的技術是利用被稱 為廢氣再循環(huán)冷卻器的設備。在公知的各種結構中，待冷卻的燃燒氣體 一般是循環(huán)經(jīng)過熱交換管，冷卻劑圍繞所述熱交換管外側流動，所述冷 卻劑通常是機動車的冷卻水。為了提高效率，現(xiàn)有技術中通過沿流體流 動方向平行連接一束熱交換管來使燃燒氣體冷卻，所述冷卻劑一般圍繞 所述管流動。
從DE102004019554A1中可以獲知一種用于內(nèi)燃機的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，其包括一個作為分半鑄造零件的廢氣換熱器。由于燃料不可能完全 燃燒所導致高溫燃燒氣體具有反應性，所以在技術上很難設計出一種金 屬鑄件的表面能作為與不銹鋼面相當?shù)亩栊员砻?，或者說設計不出來。
從DE102005055482A1中可以獲知一種用于內(nèi)燃機的廢氣換熱器， 它通過用非腐蝕鋼表面作為熱燃燒氣體接觸的表面來避免前述問題。熱 交換管和收納所述熱交換管的殼體設計成分開的零件，在生產(chǎn)過程中組 裝在一起。
在從DE102006009948A1中所獲知的廢氣換熱器中，輸送熱氣的通 道和冷卻劑圍繞排氣通道在其中流動的殼體被設計為整體地形成一個 板式換熱器。僅當單獨的例如深拉拔的板被組裝從而形成板式換熱器 時，熱燃燒氣體的流徑和冷卻劑的流徑才形成。相似的內(nèi)容也公開在 DE102006049106A1中。
關于內(nèi)燃機中廢氣再循環(huán)技術的 一 般信息可以從例如 DE10011954A1中得到。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于機動車排氣系統(tǒng)的換熱器，其在重 量和制造成本上優(yōu)于現(xiàn)有的結構。
所述目的通過具有主權利要求特征的用于機動車排氣系統(tǒng)的廢氣 換熱器來實現(xiàn)。
本發(fā)明的換熱器用于機動車的排氣系統(tǒng)，特別是用于冷卻被再循 環(huán)到內(nèi)燃機燃燒室進氣側的出口側燃燒廢氣。換熱器包括至少一個置于 分離設計的封閉殼體中的分離設計的輸送廢氣的交換管。冷卻劑流過該 殼體；所述冷卻劑可以是來自例如機動車內(nèi)燃機的冷卻劑回路的冷卻 劑。所述流過殼體的冷卻劑圍繞至少一個交換管的外側流動，從而吸收 再循環(huán)燃燒廢氣中攜帶的燃燒熱量，并且通過機動車冷卻劑回路將熱量 散掉。
根據(jù)本發(fā)明，換熱器的殼體被分成至少兩個殼體部分，稱為殼蓋 和殼身。殼身被殼蓋緊密地封閉。根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個交換管的 兩端都以氣液密封的形式被引導通過所述換熱器殼體的同一個殼體部分，所述殼體部分在本發(fā)明的范圍內(nèi)被稱為殼蓋部分。 一般地，被稱為 殼身的殼體部分包容機械固定在殼蓋上的交換管，由此形成換熱器的殼 體?？商鎿Q地，殼蓋本身實質上完全包容機械固定在其上的交換管，然 后通過將一個被稱為殼身的第二殼體部分置于其上來封閉本發(fā)明的換 熱器殼體也是允許的，甚至在這個具體實施方式
中，被稱為"殼身"的 殼體部分實際上并不包容交換管。應當明白的是殼蓋和殼身兩者各自部 分地包容所述至少一個交換管的組合也是允許的。
為了分離地實現(xiàn)本發(fā)明所述的交換管和換熱器殼體，本發(fā)明的這 些換熱器的零部件可以用不同的材料制造。為了將殼體分為兩部分，至 少一個熱交換管的兩端僅被引導通過一個殼體部分，該殼體部分的材料 要能適合針對使用目的的熱力、機械和/或腐蝕方面的要求。如果所述 至少一個交換管采用耐腐蝕和耐熱材料，如不銹鋼或鋁制造，將會具有 特別的優(yōu)點。采用不銹鋼還具有另外的優(yōu)點采用不銹鋼制造交換管能 提高韌性，這在交換管內(nèi)實現(xiàn)巻繞流動路徑時能帶來實質的優(yōu)勢。如果 對耐腐蝕或耐熱性要求不那么高，那么使用鋁或鋁合金制造所述至少一 個交換管就足以滿足要求。
殼蓋有利地采用和所述至少一個交換管相同的材料制造，因為這 樣能確保這兩部分很容易地通過機械方式連接在一起，并且更不易被腐 蝕。如果兩部分，殼蓋和交換管，都用不銹鋼制造，那么一般能確保它 們具有優(yōu)良的耐腐蝕性和非常高的熱負荷容量。更進一步，不銹鋼更低 的熱導率能夠使高溫的燃燒熱排氣經(jīng)過殼蓋到殼身過程中的熱損失最 小。附帶說明，具有適合耐熱性的鋁或鋁合金或其他金屬材料的使用在 這里也是適合的，因為這種材料可以以氣密和液密的方式連接到延伸穿 過其中的交換管，例如焊接、釬焊或者必要時也可以用膠粘。
本發(fā)明的廢氣換熱器的殼身當然也可以用不銹鋼制造，例如具有 插入底部的無縫拉制不銹鋼管。換熱器殼體的分隔使得可以將殼身形成 為鑄造件，這提供了特別的優(yōu)點。該殼身例如可以通過可鑄造材料來生 產(chǎn)，如鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、灰鑄鐵或具有足夠耐熱性的塑料。由 于本發(fā)明的廢氣換熱器的殼身并不與腐蝕性的燃燒廢氣接觸，而且溫度
被限制在普通冷卻劑的溫度，也就是低于15(TC，所以上面所述的更加便宜的材料事實上可以使用。更特別地，殼身可以通過鑄造來生產(chǎn)，例 如通過塑料或金屬模鑄手段，或者其他低成本手段例如深拉。除了上述 己經(jīng)提到的鑄造或拉制的殼身具有低成本和生產(chǎn)簡易性的優(yōu)點以外，鑄 造的殼體零件還具有顯著輕于不銹鋼殼體的優(yōu)點，這也構成了本發(fā)明的 廢氣換熱器的另一個優(yōu)點。機動車復雜性提高所帶來的不期望的副作用 是重量平穩(wěn)增加，這抵消了機動車制造商在減小機動車的油耗和排放率 方面所作的努力。
如果在殼身和殼蓋之間插入密封可以獲得特別的好處，所述密封 尤其可以使用金屬材料制成，如金屬壓條密封或彈性密封(例如彈性體 密封)。在本文中，如果殼蓋和殼身設計成分離的零件，通過機械保持 裝置將它們連接在一起的話尤其具有優(yōu)勢。例如螺桿或鉚釘可用作所述 保持裝置。應當明白的是現(xiàn)有技術中公知的其他適合連接殼蓋和殼身的 任何機械保持裝置是可以想到的。在本文中，連接不須借助輔助裝置如 金屬壓條也是其優(yōu)點。
在特別優(yōu)選改進的本發(fā)明換熱器的實施例中，殼蓋形成一個連接
換熱器和機動車排氣系統(tǒng)的連接部(interface)。通過這種方式，能簡 化機動車中本發(fā)明換熱器的安裝。
本發(fā)明換熱器的交換管優(yōu)選地至少在穿過換熱器殼蓋的點之間一 體制造。特別地，可以彎成U形或者半圓形。通過這種方式，防止在管 段之間的過渡段上發(fā)生腐蝕。另外，該優(yōu)選實施例對與經(jīng)過的廢氣換熱 器的流體僅有一次單獨的流體機械收縮，所以排氣流過換熱器的壓力下 降被最小化。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，在交換管內(nèi)延伸的流徑至少以巻繞 流徑的形式位于換熱器殼體以內(nèi)。更特別地，該流徑在殼體內(nèi)具有一個 至少45°的旋轉夾角a ，優(yōu)選地旋轉角a的范圍在135-225°之間。特 別優(yōu)選地是一個180。的角，也就是說，離開本發(fā)明換熱器的被冷卻的 燃燒廢氣沿和進氣相反的方向離開換熱器。
由于將被冷卻的燃燒廢氣的流徑被實施成彎的，所以空間明顯大 于現(xiàn)有技術中公知的具有直線式交換管的廢氣換熱器。本發(fā)明換熱器的 殼體和交換管的分離設計使得其制造簡單，而且還可以根據(jù)各自不同的
8對耐腐蝕性和耐熱性的要求來選擇適合本發(fā)明換熱器的材料。
在一個優(yōu)選的改進實施例中，不同于單個交換管，而是在本發(fā)明 的換熱器中設置一束在流體流動方面平行連接的交換管。尤其是，這樣 一束交換管構造使得形成在分散的交換管中的流徑和相鄰交換管中的 流徑在對應的進口和出口之間不接觸。通過這種方式，避免了要被冷卻 的廢氣流在流過本發(fā)明的廢氣換熱器吋不得不經(jīng)過多次截面收縮。所 以，本發(fā)明換熱器的流動阻力在一側明顯地下降，在另一側被發(fā)現(xiàn)在實 際運行中廢氣換熱器內(nèi)每個流徑中的收縮都形成這樣的位置，在該位 置，冷凝物和再循環(huán)燃燒排氣中夾帶的顆粒發(fā)生沉積，長期運行中，這 可能導致?lián)Q熱器的部分或完全堵塞，從而導致整個機動車廢氣再循環(huán)系 統(tǒng)的故障。
如果釆用一束交換管，尤其是水被用作冷卻劑時，相鄰交換管的
外表面之間的最小距離d的范圍最好是在0. 5mro-5腿之間。特別優(yōu)選的 在間隙寬度1-2mm之間。尤其是考慮到水作為冷卻劑，所述間距寬度最 好設置在關于冷卻劑的流動阻力的一側，以及設置在關于優(yōu)化與冷卻劑 流過的容量相關的交換管溢流表面的另一側是最好的。
如果采用一束交換管，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在空間利用方面這樣是最好的， 那么交換管的入口的中點和多出口的中點或者可替換的支承點，也就是 交換管穿過換熱器殼體壁的那些點，位于一個矩形或六邊形網(wǎng)格的中點 上。優(yōu)選地，入口和出口或者支承點位于相同網(wǎng)格的格點上?？商鎿Q的， 作為補充，分散交換管在入口側和出口側上穿過換熱器殼體壁的通道點 位于相當?shù)木W(wǎng)格的格點上。交換管入口或出口或者它們穿過換熱器殼體 壁的通道點的這種布置能特別有效地利用換熱器殼體內(nèi)的可利用空間。 特別是，如果換熱管布置成六邊形，那么具有交換管的換熱器殼體內(nèi)的 空間會特別緊密地被填充，所以所述空間被有效率地縮小。
特別是，如果交換管設計成U形，那么如果使交換管至少成對地 相互交叉，換熱器殼體內(nèi)的空間利用還可以被進一步優(yōu)化。
在一個優(yōu)選實施例中，所述至少一個交換管以及一束交換管中的 大多數(shù)可以以簡單設計的實施方式設計成平滑壁面管。如果所述至少一 個交換管，或者一束交換管中的大多數(shù)，被設計成渦旋管的話，可以在本發(fā)明熱交換器的熱效率方面獲得優(yōu)勢，也就是說管設計成使得管內(nèi)輸 送的熱廢氣流經(jīng)歷一個強烈的紊流。為了實現(xiàn)這個目的，至少一個或多 個交換管的內(nèi)表面具有螺旋結構使流過其中的廢氣流發(fā)生渦旋運動。
這樣的螺旋結構特別地也可以通過在例如不銹鋼制造的平滑壁面 管的管壁上形成一種螺旋形凹陷結構來實現(xiàn)。交換管內(nèi)壁的螺旋結構通 過加寬或加深螺旋形狀可容易地制造，優(yōu)選例如不銹鋼制造的薄壁交換 管。在水作為冷卻劑的給定的應用場合下，所述螺旋結構的繞線間距
DS有利地在l-15mm之間，優(yōu)選在3-8mm之間。在給定的應用場合下螺 旋結構的高度或者深度在交換管外徑D的1%-20%之間，優(yōu)選在2%-16% 之間。交換管外徑D，也和特殊的應用場合相關，優(yōu)選在1-15miii之間， 而在6-12mm之間是被認為是特別具有優(yōu)勢的。對于優(yōu)選的范圍，對于 一側的再循環(huán)燃燒廢氣而言，所產(chǎn)生的壓力損失或者流動阻力和本發(fā)明 廢氣換熱器的熱效率之間的比率被證明是最好的，所述比率取決于管道 截面和另一側熱交換管內(nèi)表面的比率。
如果交換管是彎的，基本上在管被引導穿過殼體壁的點之間是U 形或者半圓形的話，那么能獲得更加有效率的換熱器殼體內(nèi)的空間利 用。與將交換管設計成渦旋管的方案相組合，可以使熱排氣流過交換管 時獲得特別強烈的紊流，從而導致與交換管的管壁的特別有效的熱傳 遞，進而導致到冷卻劑的熱傳遞。
綜上所述，在一個優(yōu)選實施例中，所述至少一個交換管，優(yōu)選是 多個交換管中的大多數(shù)，機械牢固連接到所述殼蓋上，各個管穿過殼蓋。 通過這種方式，所述至少一個交換管/多個交換管中的大多數(shù)機械固定 在殼蓋上，在本發(fā)明換熱器的最終組裝過程中形成一種以最簡單的方式 機械連接到換熱器殼體的殼身的簡單操作安裝單元。
如果通道點，也就是所述至少一個交換管在入口側和出口側被引 導穿過換熱器殼體的那些點，基本上布置在公共平面E上的話，還可以 進一步獲得好處。交換管的入口和出口也可以基本上布置在一個與前述 通道點的公共平面E'更加重合的公共平面E'上。平面E或E'中的一個 可形成連接換熱器和機動車排氣系統(tǒng)的連接部，這樣本發(fā)明的換熱器可 以更加容易地安裝到冷卻劑回路或者機動車排氣系統(tǒng)。將用于使冷卻劑流過本發(fā)明換熱器殼體的入口和出口布置在交換
管通道點的平面E或者交換管入口和出口的平面E'中，還能進一步增強 上述優(yōu)點。在優(yōu)選實施例中，平面E和E，重合，這樣交換管的通道點和 出入口以及冷卻劑的出入口基本上處于同一個平面。這個公共平面能有 利地形成一個連接部，用于將換熱器和機動車的排氣系統(tǒng)和冷卻劑系統(tǒng) 連接起來。優(yōu)選地，至少冷卻劑入口和/或冷卻劑出口形成在換熱器殼 體的殼蓋上。通過該方式，安裝連接部能以最簡單的方式形成在換熱器 上。
如果將本發(fā)明換熱器的交換管位于出入口之間的部分制造成一個 單件的話，至少將前述通道點之間的部分制造成單件，還能獲得進一步 的好處。特別是，將所述至少一個交換管出入口之間的部分或者穿過殼 體壁的通道點之間的部分基本上彎曲成半圓形或者U形。
最后，應當注意本發(fā)明的換熱器中的介質可以互換，也就是說冷 卻介質也可以在交換管中流動，同時即將被冷卻的介質，例如即將被冷 卻的廢氣流，也可以在環(huán)繞交換管的殼體內(nèi)部容積中流動。
本發(fā)明的換熱器還適合用于具有內(nèi)燃機的機動車上的進氣空氣制 冷機，燃燒空氣通過內(nèi)燃機上游的壓縮機如渦輪增壓器或壓縮機，被壓 縮到高于大氣壓的壓力。特別是適合用于和低壓廢氣再循環(huán)系統(tǒng)相連的 進氣空氣制冷機。


本發(fā)明的換熱器的其他優(yōu)點和特征根據(jù)從屬權利要求和下面討論 的具體實施例，以及參考附圖所進行的詳細說明而變得明顯。所述附圖 中
圖l:本發(fā)明廢氣換熱器第一典型實施例的分解圖，
圖2:是根據(jù)第二典型實施例的廢氣換熱器的安裝接E的正視圖，
圖3:是根據(jù)第三典型實施例的廢氣換熱器的一束交換管的正視
圖，
圖4:是圖1中換熱器的交換管的示意圖。 圖5:是圖4中交換管的剖視圖，圖6:是為了顯示旋轉角a而給出的形成巻繞流徑的交換管的示意
圖，
圖7:是通過殼蓋形成的連接部E的正視圖，入口和出口都布置在
矩形網(wǎng)格的格點上，
圖8:是通過殼蓋形成的連接部E的正視圖，入口和出口都布置在
六邊形形網(wǎng)格的格點上，
圖9:是在殼蓋區(qū)域的交換管的出/入口的剖視圖，以及
圖10a-10g:是適合用在本發(fā)明的換熱器中的渦旋管的選擇。
具體實施例方式
圖1示出了本發(fā)明第一典型實施例的廢氣換熱器1的分解圖。換
熱器1包括殼體40，殼體包括殼身50，殼身由殼蓋60閉合。殼身50 設計成一個鑄造零件，特別是可以用鋁壓鑄而成。可替換的，在示例性 實施例中所示的殼身50可以通過任何材料制得，所述材料一方面可通 過鑄造被加工，并在另一方面具有足夠的熱穩(wěn)定性。因為本發(fā)明換熱器 1的殼身50只和通常源自機動車冷卻劑回路的冷卻劑接觸，所以對于 大部分應用場合來說對于達到15(TC的溫度的耐熱性己經(jīng)足夠了。鎂、 鎂合金、灰鑄鐵或者耐熱壓模塑料材料也被發(fā)現(xiàn)是適合制作殼身的其它 材料。
在前側，殼身50形成法蘭59用于連接到殼蓋60。如示例性的實 施例中所示，殼蓋60由幾毫米厚的沖壓鋼板制成，優(yōu)選厚度約l-2mm。 殼身50連接到殼蓋60用于氣密液密連接， 一個密封件52，如示例性 實施例中所示，被設計成一種金屬壓條密封件，插入它們中間。殼蓋 60通過螺桿54螺紋緊固到殼身50的法蘭59。為此，殼身50形成多個 大螺紋孔55。在對應的位置，殼蓋60包括大直徑通孔65，尺寸匹配的 螺桿54旋入所述通孔中，并插入該螺紋孔55中，用于將殼蓋60螺紋 連接到殼身50。
殼身50形成內(nèi)部容積42用于容納一束U形交換管20。交換管20 在尺寸上是相同的，例如內(nèi)外徑，但是U形形狀的開口寬度W (參見圖 4)是可變的。殼身50的內(nèi)部容積42的形狀通常與所述一束交換管20的形狀相適應，這樣所述一束交換管能最有效率地利用內(nèi)部容積42內(nèi) 的空間。
在每個交換管20的相應的端部都形成入口 22和出口 24。交換管 20的端部被引導穿過殼蓋60上對應的孔，其形成交換管20的入口 22 或出口 24的通道點66、 68。交換管20的入口 22和出口 24被引導穿 過殼蓋60上形成的孔。在通道點66、 68處，交換管20以氣密液密連 接的方式被連接到殼蓋60上，例如焊接或者釬焊。結果，交換管20機 械地抵靠著殼蓋60。
在一個優(yōu)選實施例中，交換管20由薄壁不銹鋼管組成。交換管20 具有印模結構，這樣在交換管20的內(nèi)表面上形成凸出的螺旋形結構26。 所述一束交換管20被放置成使所有的入口 22和出口 24都各自形成一 個緊密聯(lián)系的(cohesive)組以便于例如將本發(fā)明的換熱器1連接到機 動車的排氣系統(tǒng)。為此，殼蓋60的前側形成一種組裝連接部S，其根 據(jù)殼蓋60的平面結構被設計成基本上類似法蘭的式樣。為了將換熱器 l安裝到機動車上，還在殼身50中形成另外的螺紋孔53，所述孔的直 徑小于螺紋孔55。在金屬壓條密封件52和殼蓋60中也形成對應的通 孔63。通過這些孔，換熱器1利用多個螺桿(圖1中未示出)被連接 到機動車的排氣和冷卻劑系統(tǒng)。
除了容納一束交換管20的內(nèi)部容積42以外，殼身50還形成冷卻 劑的入口通道56和出口通道58;所述冷卻劑可以是來自機動車內(nèi)燃機 冷卻系統(tǒng)的冷卻液體。入口通道56和出口通道58為了形成從頂部到底 部延伸的流徑(圖1)被布置成穿過殼身50的內(nèi)部容積42，當換熱器 l根據(jù)其用途運行時，冷卻劑密集地流過所述一束交換管20。為了使冷 卻劑和輸送廢氣的交換管20的表面之間的相互作用盡可能地強烈，一 塊擋板36被放置在U形交換管20的支腿內(nèi)，示例性實施例中，擋板優(yōu) 選地也是用不銹鋼制造，并被對逢釬焊連接或者對縫焊接到同樣是不銹 鋼制成的殼蓋60上。擋板36延長了冷卻劑在殼體40的內(nèi)部容積42內(nèi) 的流徑，所以確保交換管20中流動的廢氣和內(nèi)部容積42中流動的冷卻 劑之間發(fā)生更強烈的熱交換。
入口通道56和出口通道58都形成在殼身50上，同樣都終止于殼身50所形成的法蘭59，腹板57形成在通道56和58的端部處以形成 將金屬壓條密封件52支承到法蘭59上的機械抵靠連接。所述密封件也 形成冷卻劑流過換熱器1的通道，所述通道對應于形成在殼蓋60上的 冷卻劑入口 62和冷卻劑出口 64。在組裝好的換熱器1中，冷卻劑可通 過冷卻劑入口 62供入，通過冷卻劑出口 64排出，需要冷卻的燃燒廢氣 通過交換管20的入口 22供入，通過出口 24從殼蓋60的前側排出。在 所示的結構中，通過一個單獨的共同安裝連接部S，這是可行的。
從圖2所示的內(nèi)容可以很明顯地看出在一個稍作修改的實施例中 的換熱器1的安裝連接部S的正視圖。形成在殼蓋60上的冷卻劑入口 62和冷卻劑出口 64清晰可見。通過比較，交換管20的大部分入口 22 和出口 24都被圖2中所示的網(wǎng)格結構23所覆蓋。殼蓋60上的入口 22 和出口 24的布置基本上對應于圖1中的設計。至于其它，圖2中所示 的換熱器的區(qū)別基本上在于修改了殼身50上的緊固點51的布置，這些 緊固點51將換熱器1緊固到機動車的安裝結構上。
圖3示出了第三實施例中換熱器1的一束交換管20的透視圖。和 圖1中的換熱器1相比，該所示的一束交換管20的區(qū)別基本在于交換 管20是平滑的，例如不帶有類似圖1所示的螺旋結構26的拉制無縫薄 壁不銹鋼管。另外，從圖3中的U形交換管20的反轉視點可以明顯看 出，交換管20被布置成成對地交叉。
在圖1中還可以看出通過技術措施能防止不希望出現(xiàn)的殼體40的 內(nèi)部容積42中的一束交換管20的振動。機械的剛性連接到殼蓋60并 置于一束交換管20中的擋板36，在其側壁和彎曲的頂部例如通過釬焊 或者焊接被連接到相鄰的交換管20，用于形成機械牢固連接。所以擋 板36機械地加強了其內(nèi)的交換管束的交換管20，所以減弱了它們的振 動。
作為減少振動的一個額外手段，提供一個用低厚度印模不銹鋼板 制成的箍帶30。所述箍帶完全包圍交換管束20，并在接觸點連接到相 鄰的交換管20，用于形成機械牢固連接，例如通過釬焊或焊接的方式。 由于被布置成圍繞交換管束，箍帶30能防止位于外側的交換管20彼此 之間的相對振動。另外，箍帶30形成有一體成型的由傾斜凸起構成的支承件32。這些支承件32相對于殼體40的內(nèi)壁彈性地支撐著整個交 換管束。
最終，加強元件34被布置在同樣用印模不銹鋼條制成的交換管束 20內(nèi)。所述加強元件34構成交換管束中交換管20的機械剛性支承件。 為此，它們以機械牢固連接的方式如焊接或釬焊被連接到交換管20。
應當注意的是將箍帶30或加強元件34連接到分散交換管20的機 械牢固連接也可以被取消。可能地，為了給交換管束和箍帶30或者加 強元件34提供足夠的支承，僅在交換管束和箍帶30或者加強元件34 之間設置互鎖也能使其足夠牢固地位于交換管束上。
圖4示出了根據(jù)第一典型實施例的換熱器1的一個交換管20的正 視圖。交換管20的自由長度取決于換熱器1的尺寸，用L表示，其范 圍在2-30cm之間；如果用于具有低輸出(35-100kW)內(nèi)燃機的機動車， 那么一般L的合適尺寸是大約5cm。對于輸出在100kW或以上的大輸出 私人汽車來說，L的尺寸范圍在10-15cm之間是合適的。如果用于卡車， L的尺寸等于20cm或者更高是合適的。
交換管20的外徑D—般在1-15mm之間，優(yōu)選在6-12ram之間，因
為該直徑被認為是特別適合用于目的是用作機動車廢氣換熱器的換熱 器。如圖4和圖5所示，圖5構成了圖4中交換管20的透視剖視圖， 交換管20的壁厚WS的范圍在0. 1-lmm之間是合適的，在該具體的換熱 器1中該壁厚也特別取決于交換管20的長度L。優(yōu)選地，交換管20的 壁厚WS在0. 2-0. 6mm之間。
U形交換管20的支腿之間的間距W，其被發(fā)現(xiàn)優(yōu)選大于或等于交 換管20的外徑D的1. 8倍。下面特別地應用
W大于或等于1. 8XD，如果采用的交換管20是具有連續(xù)螺旋結構 26的薄壁管的話，例如用不銹鋼或鋁制成，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)支腿寬度W要大 于W二2R，所述寬度和U形交換管20的彎曲半徑R有直接聯(lián)系。由于機 動車內(nèi)非常有限的可利用空間，所以特別小的支腿寬度W是非常有利 的，因為能最有效地利用殼體40的內(nèi)部容積，并且是優(yōu)選的。
在實際測試的范圍內(nèi)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果交換管20至少在其內(nèi)壁包 含有螺旋結構26的話，能夠實現(xiàn)在流經(jīng)交換管20的排氣中產(chǎn)生紊流的特殊的優(yōu)點，同時因此，也將實現(xiàn)從廢氣到交換管壁的特別強的熱傳遞。
螺旋結構26的繞線之間的間距DS有利地在1-15mm之間，優(yōu)選在4-8mm 之間。合成夾角(pitch)在圖4中用DW表示。交換管20的內(nèi)壁上凸 出的螺旋結構26的高度DT在相應的交換管20的外徑D的1%-20%之間， 優(yōu)選在2.0%-14%之間。
如果多個交換管20設置成形成交換管束，那么已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果交換 管束的相應交換管20的外表面之間的最小距離d在0. 5-5mm之間的話， 如果換熱器按照其使用目的被使用，其可達到的效率特別高。優(yōu)選在 l-2mm的范圍之間，因為如果用水作為冷卻劑的話，這樣做能在效率方 面能產(chǎn)生特別好的結果。
在一個特別優(yōu)選的實施例中，交換管20的螺旋結構26不僅僅形 成在交換管20的內(nèi)表面上。同樣，螺旋結構26通過在交換管20的外 表面壓印螺旋形狀可以得到，這導致交換管20的內(nèi)表面上有壓印的凸 出螺旋結構26。
圖6示意性地示出了被形成在交換管20內(nèi)的流徑所圍繞的旋轉角 a。在本發(fā)明的換熱器1的該優(yōu)選實施例中，旋轉角(1=180° ，也就是 說廢氣流離開換熱器1的內(nèi)部容積42的流向和廢氣流進入的流動方向 反了 180° 。在其他方案中，旋轉角a可以小于或者大于180° ， 一般 推薦在135° -225°之間。使用在內(nèi)表面上形成有螺旋結構26的交換 管20被發(fā)現(xiàn)在旋轉角0是45°時能提高效率。
圖7示意性地再次示出了在換熱器殼體40的內(nèi)部容積42中成束 布置的多個交換管20的入口 22和出口 24的正視圖。明顯看出入口 22 和出口 24都置于矩形網(wǎng)格的格點上。
如果入口 22和出口 24按圖8所示那樣布置，能獲得更加有效率 的空間利用。這里，入口 22或出口 24都置于六邊形網(wǎng)格的格點上，意 味著每個入口 22或每個出口 24被六個相鄰的入口 22或者出口 24所包 圍。在該方案中，在殼體40內(nèi)部容積42內(nèi)的空間能被最好地用于交換 管20.
圖9示出了殼蓋60在開有一個被交換管20的入口側端或出口側 端22/24螺旋穿過的孔的區(qū)域中的剖視圖。在對于制造非常有利的優(yōu)選實施例中，交換管20在其入口側端或出口側端22/24包含支承結構27， 其形成管端相對于殼蓋60的機械支承。支撐結構可以由例如一個或多 個點狀凸起形成，在圖4的示例性實施例中是被壓印為圓周凸起。在圖 9所示的示例性實施例中，交換管20的外端被巻邊(beaded),這樣交 換管20通過支承結構27和巻邊端的組合被機械固定到殼蓋60上。因 為交換管20已經(jīng)被機械地預先固定在殼蓋60上，所以所述固定基本上 方便了本發(fā)明的換熱器的制造。這樣就省去了額外將交換管20固定到 殼蓋60的需求，比如隨后在將交換管端釬焊或者焊接到殼蓋60過程中 的激光焊接點。圖9中所示的結構可以用最簡單的方法形成在交換管端 中通過將具有一致的內(nèi)外徑的交換管20旋入殼蓋60中相對應的孔。 隨后，用合適的工具同時制出圓周凸起27和被巻邊的邊緣。所述合適 的工具例如是管膨脹工具。
接下來的圖10a-g最后通過實例示出了渦旋管的選擇，渦旋管的 內(nèi)表面的結構適合使其中流動的廢氣流中產(chǎn)生紊流，特別是如果形成在 渦旋管構成的換熱器1中的至少一個交換管20中的流徑有一個大于45 度的角度a的話，尤其是180° 。圖10再一次示出了圖5中的具有恒 定夾角和恒定結構高度DT的螺旋結構，其形成在沿長度具有恒定截面 的管20中。
圖10b示出了具有兩個基本相同螺旋結構的渦旋管，它們沿相反 的方向巻繞。除了縮小的夾角以外，所述兩個螺旋結構中的每一個都對 應于圖5所示的螺旋結構。管道的截面基本上也是在其整個長度上恒定 的。
圖10c示出一種管道截面在其長度上具有錐度/拓寬的渦旋管。螺 旋結構本身也是基本上對應于圖5所示的結構。
通過對比，在圖10f所示的渦旋管中，管道的截面也是基本上在 其整個長度上恒定的，但是螺旋結構的夾角在管道的長度上是變化的。
圖10d示出其他結構實施例的一種替換性螺旋結構，也就是在管 道壁中的平坦圓形凹坑，其在管道內(nèi)壁上產(chǎn)生圓形凸起結構。也可以用 形成在壁上的環(huán)形凹坑取代平坦圓形凹坑。
圖10e所示的紊流結構也不是螺旋形的；相反，管道壁在均勻的
17間隔處被環(huán)形變形，這導致內(nèi)壁面上形成規(guī)則的收縮。在管道的長度上， 收縮的深度和/或它們之間的間距可以是變化的。
圖10g最后示出了具有基本上恒定截面的渦旋管，其在壁面上形
成多個具有恒定夾角和結構高度的相同的螺旋結構。
總之，應當明白圖10a-g中所示的紊流結構不僅被獨立地使用， 如果技術上可行的話也可以自由地組合。圖10a-c的結構特征及f和g 的結構組合在一起特別具有優(yōu)勢。
權利要求
1. 一種用于機動車排氣系統(tǒng)的換熱器(1)，其具有單獨形成的輸送廢氣的交換管(20)，該交換管置于單獨形成的封閉殼體(40)中，冷卻劑流過該殼體并圍繞所述交換管(20)的外側流動，其特征在于，所述殼體(40)形成至少一個殼蓋(60)和一個殼身(50)，a. 所述殼身(50)被所述殼蓋(60)緊密地封閉，以及b. 所述交換管(20)的兩端以氣密液密的連接方式被引導穿過所述殼蓋(60)，這樣所述交換管(20)的入口(22)和出口(24)都置于所述殼體(40)的外側。
2. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 用耐腐蝕和耐熱的彈性材料制成，如不銹鋼或鋁。
3. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，殼蓋(60)用 與所述交換管(20)相同的材料組中的一種材料(例如不銹鋼)制成。
4. 如權利要求l所述的換熱器(1),其特征在于，殼身(50)用 一種可鑄造材料制成，如鋁、鎂、灰鑄鐵或者塑料材料。
5. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，殼身(50)用 可以被深拉的材料制成，如鋁、鎂、鋼或熱塑性材料。
6. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，殼身(50)形 成為鑄造零件。
7. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，密封件(52) 被插入殼身(50)和殼蓋(60)之間。
8. 如權利要求6所述的換熱器(1),其特征在于，密封件(52) 由金屬或者另一種彈性材料制成。
9. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，殼蓋(60)和殼身(50)被構造成分離的零件，通過機械固定裝置連接在一起。
10. 如權利要求1所述的換熱器(1)，其特征在于，所述殼蓋(60) 形成用于連接換熱器(1)和機動車排氣系統(tǒng)的連接部S。
11. 如權利要求l所述的換熱器(1),其特征在于，交換管(20) 在它螺紋穿過殼蓋(60)的點之間基本上由一個單件構成。
12. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 在其螺紋穿過殼蓋(60)的點之間被彎成基本上U形或半圓形。
13. 如權利要求1所述的換熱器(1)，其特征在于，設置多個交 換管(20)，所述交換管置于殼體(40)中并形成在流體流動方面平行 連接的交換管朿。
14. 如權利要求12所述的換熱器(l)，其特征在于，各交換管(20) 的流徑在它們相應的入口和出口之間不彼此接觸。
15. 如權利要求1所述的換熱器(1)，其特征在于，所述交換管 (20)構造成平滑壁面管。
16. 如權利要求1所述的換熱器(1)，其特征在于，所述交換管 (20)構造成渦旋管。
17. 如權利要求15所述的換熱器(1)，其特征在于，換熱管按螺 旋樣式拓寬或加深。
18. 如權利要求16所述的換熱器(1)，其特征在于，螺旋結構(26) 的巻繞間距在1-15毫米之間，優(yōu)選4-8毫米。
19. 如權利要求16所述的換熱器(1)，其特征在于，螺旋結構的 高度或深度在交換管外徑的1%-20Q/6之間，優(yōu)選2%-14%。
20. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 被機械地牢固連接到其被引導穿過的殼蓋(60)。
21. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，a. 換熱器(1)形成冷卻劑入口 (62)和冷卻劑出口 (64),以及b. 冷卻劑入口 (62)禾口/或冷卻劑出口 (64)形成在殼蓋(60)中。
22. 如權利要求1所述的換熱器(1)，其特征在于，流徑在交換 管(20)內(nèi)延伸，所述流徑至少在殼體(40)內(nèi)延伸成巻繞流徑，其中 它包括一個至少135。的轉角a，優(yōu)選180° 。
23. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 在入口側和出口側被引導穿過殼體(40)壁的通道點(66, 68)基本上 位于一個公共平面E中，該公共平面E形成連接換熱器(1)和機動車 排氣系統(tǒng)的連接部S。
24. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 的入口 (22)和出口 (24)基本上被置于一個公共平面E，中，該公共平 面E'形成連接換熱器(1)和機動車排氣系統(tǒng)的連接部S。
25. 如權利要求l所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 的外徑D在l-15毫米之間，優(yōu)選在6-12毫米之間。
26. 如權利要求12所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 的外表面相隔最小距離d，所述距離在0.5-5毫米之間，優(yōu)選在l-2毫 米之間。
27. 如權利要求12所述的換熱器(1)，其特征在于，交換管(20) 被布置成至少成對地交叉。
28. 如權利要求12所述的換熱器(1),其特征在于，入口 (22) 和/或出口 (24)的中心點M位于矩形或者六邊形網(wǎng)格的格點上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于機動車排氣系統(tǒng)的換熱器(1)，其具有獨立形成的輸送排氣的交換管(20)，該交換管置于獨立形成的殼體(40)中，冷卻劑流過該殼體并包圍所述交換管(20)的外側。殼體(40)形成至少一個殼蓋(60)和一個殼身(50)，所述殼身(50)被所述殼蓋(60)緊密地封閉。交換管(20)的兩端以氣液密封的連接被引導穿過所述殼蓋(60)，這樣所述交換管(20)的入口(22)和出口(24)都置于所述殼體(40)的外側。
文檔編號F28D7/06GK101424489SQ20081016117
公開日2009年5月6日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權日2007年7月11日
發(fā)明者A·卡佩勒, J·諾特鮑姆, O·菲舍爾, P·西斯佩拉, P·迪爾 申請人:威斯通全球技術公司