傳熱單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及傳熱單元（5），具有殼體（31），其包含管（32）和護套（33），其包圍該管（32）以形成環(huán)形通道（34），具有主入口（35）和主出口（36），其通過主通路（37）和支路路徑（38）流體地互連，該主通路（37）通過環(huán)形通道（34）引導主要介質(zhì)，該支路路徑（38）通過該管（32）引導主要介質(zhì)，具有用于控制主要介質(zhì)流經(jīng)主通路（37）和支路路徑（38）的控制裝置（39），具有二級入口（42）和二級出口（43），其通過至少兩個引導二級介質(zhì)的二級通路（44）流體地互連，其中所述主通路（37）以介質(zhì)分離和熱傳遞的方式與二級通路（44）耦合。
【專利說明】傳熱單元
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及傳熱單元和配備有該傳熱單元的裝置。
【背景技術】
[0002]用于不同【技術領域】并且廣為人知的熱傳遞單元使得在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)之間的熱傳遞成為可能。在這種情況下特別重要的是車輛應用，因為為此目的該傳熱單元需要緊湊且成本有效的結(jié)構(gòu)。在包括用于驅(qū)動機動車的內(nèi)燃機的機動車中，可例如在一個或多個用于冷卻內(nèi)燃機的發(fā)動機組、冷卻潤滑油、冷卻增壓空氣和冷卻再循環(huán)廢氣的冷卻回路中采用多個傳熱單元。
[0003]為了能夠更好地利用內(nèi)燃機廢氣中所含的熱量，已知廢熱利用系統(tǒng)以朗肯循環(huán)過程，優(yōu)選以朗肯-克勞修斯循環(huán)過程的方式運行，從而蒸發(fā)、膨脹、凝結(jié)及壓縮工作介質(zhì)，其中壓縮、蒸發(fā)和過熱的工作介質(zhì)的膨脹用于產(chǎn)生機械能，例如用于驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。在這種情況下，通過蒸發(fā)器蒸發(fā)工作介質(zhì)，該蒸發(fā)器同樣對應于傳熱單元。例如，該傳熱單元或蒸發(fā)器可以合適的方式集成在內(nèi)燃機的排氣系統(tǒng)中，從而將廢氣的熱量傳遞至工作介質(zhì)以蒸發(fā)該工作介質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的問題是提出上述類型的傳熱單元或配備這種單元的裝置的改進實施方式，其特征特別地在于具有緊湊設計形式的高效熱傳遞。
[0005]本發(fā)明基于這樣的總體思路，即，提供至少兩個用于傳熱單元中的二級介質(zhì)的分離的二級通路，該傳熱單元用于具有主通路的主要介質(zhì)，該主通路平行地流體互連共同的二級入口與共同的二級出口。通過提供至少兩個二級通路，通過它該二級介質(zhì)可以平行流動，這兩個二級通路都以熱傳遞的方式將單獨介質(zhì)與主通路耦合，可降低用于二級介質(zhì)的傳熱單元的流動阻力，使得最終實現(xiàn)傳熱單元中二級介質(zhì)的更大流速并具有足夠的停留時間。總之，由此可實現(xiàn)提高主要介質(zhì)和二級介質(zhì)之間的高傳熱效率，其中可同時實現(xiàn)緊湊設計。
[0006]特別有利的是，由此產(chǎn)生的傳熱單元可作為蒸發(fā)器使用，以蒸發(fā)作為二級介質(zhì)的工作介質(zhì)。例如，為此傳熱單元可以廢氣形成主要介質(zhì)的方式連接到內(nèi)燃機的廢氣輸送線上。根據(jù)所述內(nèi)燃機的運行狀態(tài)，內(nèi)燃機的廢氣可達到非常高的溫度，從而借助在本文中公開的傳熱單元，從廢氣中帶出大量用于蒸發(fā)工作介質(zhì)的熱量。借助在本文中公開的傳熱單元，這些可特別有效地實現(xiàn)并具有緊湊設計，因為待蒸發(fā)的二級介質(zhì)或工作介質(zhì)平行地流過至少兩個二級通路，從而可以平行吸收熱量。
[0007]為了實現(xiàn)根據(jù)優(yōu)選實施方式的傳熱單元，本發(fā)明詳細提出了一種管狀設計，其中殼體包含管和護套，該護套圍繞管以形成環(huán)形通道。通過該環(huán)形通道規(guī)定主通路的路線，而通過該管規(guī)定支路路徑的路線，該支路路徑繞過環(huán)形通道，同樣將主入口流體地互連至主出口。此外，提出了控制裝置，借助該控制裝置可控制主通路和具有主要介質(zhì)的支路路徑的流通。同樣地，通過該環(huán)形通道以其在環(huán)形通道中以介質(zhì)分離和熱傳遞方式耦合主通路而規(guī)定所述至少兩個二級通路的路線。通過這樣的設計，主要介質(zhì)和二級介質(zhì)之間的熱傳遞僅僅發(fā)生在環(huán)形通道中，使得僅在主要介質(zhì)流經(jīng)該環(huán)形通道時發(fā)生向二級介質(zhì)的主動熱傳遞。流經(jīng)支路路徑的主要介質(zhì)繞過在主通路和二級通路之間耦合的熱傳遞，并最佳地多可導致例如在通過廢氣流加熱該殼體的基礎上向二級介質(zhì)的被動熱傳遞。借助該控制裝置，現(xiàn)在可控制該主要介質(zhì)，使得它僅流經(jīng)該主通路，即通過該環(huán)形通道，或僅通過該支路路徑，即通過該管。根據(jù)該控制裝置的優(yōu)選實施方式，至少一個中間位置也是可調(diào)節(jié)的，其中該主要介質(zhì)流經(jīng)主通路以及支路路徑，其結(jié)果是可控制可轉(zhuǎn)移到二級介質(zhì)的熱熱量。本文中公開的管狀設計，其中該管和護套具有圓形橫截面并呈圓柱狀延伸，使得有可能在主要側(cè)面上產(chǎn)生較高壓力，其結(jié)果是促使在廢氣流中的主要側(cè)面上使用該傳熱單元。
[0008]本文中公開的傳熱單元設計的特點在于具有非常緊湊的幾何形狀和可實現(xiàn)成本效益的結(jié)構(gòu)。
[0009]實際上，可設計共同的殼體使得其僅包括用于至少兩個二級通路的一個共同二級入口和一個共同二級出口。然后，相同的二級介質(zhì)可分布在所述至少兩個二級通路上，使得二級介質(zhì)平行地流經(jīng)二級通路。正因為如此，可顯著擴大總計用于二級介質(zhì)的可通流截面，由此可降低二級介質(zhì)的流動阻力以及在傳熱單元直流過程中的壓力損失。
[0010]根據(jù)有利的實施方式，提供至少兩個線圈，其設置在所述環(huán)形通道中，螺旋形地圍繞所述管，并通過每個線圈規(guī)定二級通路的路徑。使用這種線圈實現(xiàn)了用于二級介質(zhì)的較長的二級通路，由此可實現(xiàn)在傳熱單元內(nèi)或在環(huán)形通道內(nèi)的較長停留時間，這有利于強化傳熱。在內(nèi)部以及外部，這種線圈同樣可暴露于較高的壓力下，從而簡化了例如在廢熱利用回路的廢氣流中的主要側(cè)面上和輔面上的傳熱單元的使用。
[0011]為了提高主要介質(zhì)和二級介質(zhì)之間的熱傳遞，根據(jù)有利實施方式的每個線圈可包括盤管，其在內(nèi)部傳導二級介質(zhì)并在外部承載與暴露于主要介質(zhì)的散熱片。這種散熱片例如可通過多個盤形元件實現(xiàn)，其壓制或焊合或焊接到盤管上。這種散熱片同樣可通過至少一個螺旋帶元件實現(xiàn)，其螺旋地包圍各個盤管。
[0012]根據(jù)另一有利實施方式，環(huán)形通道中的至少兩個線圈可徑向地上下設置或者高低設置。通過這樣的設計，可在軸向上實現(xiàn)極其緊湊的傳熱單元。通過使線圈徑向地上下或者高低設置，出現(xiàn)內(nèi)部回路，其屬于位于內(nèi)部的線圈或位于內(nèi)部的線圈部分，該內(nèi)部回路直接從管隔開，而在內(nèi)部回路和護套之間配置了另一線圈或另一線圈部分的其它回路。同樣存在位于外部的回路，其屬于位于外部的線圈或位于外部的線圈部分，該回路直接與該護套相鄰，而在位于外部的回路和管之間配置了另一線圈或另一線圈部分的回路。
[0013]在恰好提供兩個線圈的情況下，將位于內(nèi)部的回路配置成直接與管相鄰并通過位于外部的回路間接與護套相鄰，而將位于外部的回路配置為直接與護套相鄰并通過位于內(nèi)部的回路間接與管相鄰。在三個或更多線圈的情況下，其徑向地上下或高低設置，除了位于內(nèi)部和外部的回路之外還存在位于中間的回路，其配置在至少一個中間位置中，該中間位置位于內(nèi)部回路和外部回路之間。
[0014]根據(jù)有利的進一步改進，所述至少兩個線圈可各自形成至少兩個軸向相鄰的線圈組件，其中每個線圈的線圈部分包括多個回路擴展延伸部。在相同的線圈組件中，各線圈部分的回路徑向位置是相同的。然而，在相鄰線圈組件中相同線圈的回路徑向位置是不同的。例如在只有兩個線圈的實施方式中，這意味著存在至少兩個軸向相鄰的線圈組件，其中兩個線圈部分各徑向地配置為一個位于另一個之上。在第一線圈組件中，位于內(nèi)部的回路形成第一線圈的第一線圈部分，而位于外部的回路形成第二線圈的第一線圈部分。與之相t匕，在第二線圈組件中，位于內(nèi)部的回路形成第二線圈的第二線圈部分，而位于外部的回路形成第一線圈的第二線圈部分。因此，每個線圈具有位于內(nèi)部并帶有位于內(nèi)部回路的線圈部分以及位于外部并帶有位于外部回路的線圈部分。因此，相同線圈的回路的徑向位置對于不同的線圈組件有所不同。通過這樣的設計，可實現(xiàn)從主要介質(zhì)到二級介質(zhì)熱傳遞的完全均化。這種設計基于線圈徑向地上下設置而實現(xiàn)，使位于更外部的線圈具有比位于更內(nèi)部的線圈更長的二級通路，由此在傳熱單元中出現(xiàn)二級介質(zhì)的不同停留時間，因此，通過不同的二級通路實現(xiàn)不同的熱吸收。通過改變屬于相同線圈從而屬于相同二級通路的回路的徑向位置，均化不同二級通路的熱吸收。
[0015]在本發(fā)明的特別有利的實施方式中，在η對應線圈數(shù)量的情況下，提供至少η個線圈組件，其中該回路可能有η個不同的徑向位置，其中對于每個線圈來說，線圈部分的回路隨后至少一次假設每個可能的徑向位置。這意味著恰好有三個線圈的情況中，即恰好有三個二級通路，提供至少三個線圈組件，其中恰好三個不同的徑向位置各自都可能用于回路，即位于內(nèi)部的回路、位于外部的回路以及位于中間的回路。此外，這意味著，對于這三個線圈中的每一個來說，在所述至少三個線圈組件中，為至少一個線圈部分提供位于內(nèi)部的回路，至少一個線圈部分提供位于外部的回路以及至少一個線圈部分提供位于中間的回路。
[0016]在另一有利的進一步改進中，在相鄰的線圈組件之間設置了用于每個線圈的連接管，其流體連接徑向位于一個線圈組件更內(nèi)部的線圈部分和徑向位于另一線圈組件更外部的線圈部分。正因如此，原則上能夠構(gòu)造相同的各個線圈組件，并借助連接管將這些線圈組件與前面提到的設置互連，其中相鄰線圈組件的相同徑向位置的單個線圈部分屬于不同的線圈。
[0017]例如，為了能夠以特別簡單的方式流體地連接這些連接管與盤管，可以設置連接套管，該盤管和連接管的端部可軸向地插入其中。特別地，這種連接套管可簡單地焊合該連接管和盤管。
[0018]根據(jù)另一有利的實施方式，可作為如上變形的另外形式或者替換形式來實施，所述至少兩個線圈可通過不同的傳熱性能而彼此不同。正因如此，有可能或多或少抵消位于更內(nèi)部線圈或位于更內(nèi)部線圈部分與位于更外部線圈或位于更外部線圈部分之間的傳熱差。
[0019]例如，線圈可通過不同的可通流截面而彼此不同。特別地，盤管可以有不同的流動截面。例如，位于更外部的線圈可比位于更內(nèi)部的線圈具有更大的可通流截面。
[0020]另外地或可選擇地，不同的線圈可以提供不同數(shù)量的回路。該回路數(shù)量限定了各二級通路的長度，從而由此可實現(xiàn)線圈具有不同長度的二級通路。例如，位于更外部的線圈比位于更內(nèi)部的線圈具有更少的回路。類似的情況也適用于線圈組件內(nèi)的線圈部分。
[0021]另外地或可選擇地，可設置線圈具有帶有散熱片的盤管，該線圈通過散熱片的不同尺寸和/或通過散熱片的不同配置密度和/或通過散熱片的不同幾何形狀和/或通過散熱片的不同材料而彼此不同。散熱片的不同配置密度對應于每單位長度盤管的散熱片的不同數(shù)量。散熱片和/或盤管的不同材料通過不同的導熱系數(shù)而不同。散熱片的不同配置和/或設置極大影響了各個線圈的傳熱性能，使得通過這樣能夠以特別簡單的方式實現(xiàn)所需的均化。
[0022]此外，可另外或選擇地可以提供不同的材料而使得線圈有所不同。不同的材料的特征特別地在于不同的熱傳導系數(shù)。
[0023]在特定實施方式中，所有的線圈可以徑向上下地設置，使得在各個徑向位置中軸向相鄰的回路屬于同一線圈。特別地，正因如此，上述線圈組件可以特別簡單的方式實現(xiàn)。
[0024]與之相比，在另一實施方式中，可至少在徑向位于更外部的位置上以雙螺旋或多螺旋的方式軸向纏繞地配置至少兩個線圈，從而在該徑向位置上彼此軸向相鄰地配置不同線圈的回路。通過使用位于徑向更外部的位置上的至少兩個線圈，回路數(shù)量至少為單線圈時的一半，由此，也可以相應地減少各個二級通路的長度。
[0025]在另一有利的實施方式中，可在環(huán)形通道中以雙螺旋或多螺旋的方式軸向纏繞地配置至少兩個線圈，使得彼此軸向相鄰地配置不同線圈的回路。這種方式的結(jié)果是至少兩個線圈在相同徑向位置上彼此平行的運行，由此實現(xiàn)對二級介質(zhì)的均勻熱傳遞。
[0026]在本發(fā)明的優(yōu)選的進一步改進中，環(huán)形通道中的所有線圈軸向地配置，使得所有線圈的回路位于相同的徑向位置。在這種情況下，所有的回路相對于管和護套均直接相鄰配置。
[0027]作為殼體，尤其是管和護套以及線圈，特別是各個盤管和散熱片的材料，取決于使用條件，可優(yōu)選采用鐵合金，優(yōu)選是鋼，特別是不銹鋼。此外，也可采用輕金屬或輕金屬合金，例如鋁或鋁合金?？蛇x擇地，也可采用銅或銅合金。為防止腐蝕性的廢氣，暴露于廢氣的表面也可配備特定的陶瓷保護涂層。優(yōu)選地，由銅制成的線圈可在外部設置這種保護涂層。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的裝置，特別是可布置在車輛中，特別是在陸地車輛以及船舶中或飛機中，包括內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機包括將新鮮空氣供給該內(nèi)燃機燃燒室的新風系統(tǒng)和將廢氣從燃燒室排出的排氣系統(tǒng)以及任選的將廢氣從排氣系統(tǒng)再循環(huán)到新風系統(tǒng)的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)。此外，該裝置這種設備可配備廢熱利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)在廢熱利用回路中，工作介質(zhì)在該回路中，該廢熱利用系統(tǒng)包括蒸發(fā)工作介質(zhì)的蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器下游是擴張該工作介質(zhì)的膨脹設備，膨脹設備下游是冷凝該工作介質(zhì)的冷凝器，冷凝器下游是驅(qū)動余熱利用電路中工作介質(zhì)的輸送裝置。對于這種廢熱利用系統(tǒng)另外地或可選擇地，該裝置可配備至少一個冷卻回路，冷卻介質(zhì)在該回路中循環(huán)，該回路例如可用于冷卻所述內(nèi)燃機。最后，這種裝置配備至少一種上述類型的傳熱單元。在此，這種傳熱單元集成在設備中，使得主通路結(jié)合在排氣系統(tǒng)或廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中，從而使廢氣或再循環(huán)廢氣形成主要介質(zhì)。相反地，二級通路可結(jié)合在廢熱利用回路中，使得工作介質(zhì)形成次級介質(zhì)?？蛇x擇地，該二級通路也可結(jié)合在冷卻回路中，使得該冷卻介質(zhì)形成二級介質(zhì)。借助在此介紹的傳熱單元，可在該設備中實現(xiàn)特別有效的在廢氣或再循環(huán)廢氣中傳送的熱量的利用或再循環(huán)。根據(jù)在廢熱利用回路中的輔面上的傳熱單元的使用，該傳熱單元作為蒸發(fā)器工作，而根據(jù)在冷卻回路中的輔面上的使用，其作為冷卻器工作。在將傳熱單元作為冷卻器使用的情況下，優(yōu)選在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中的主要側(cè)面上采用，以便有效地實現(xiàn)再循環(huán)廢氣所需的冷卻。
[0029]在廢氣再循環(huán)和廢熱利用回路通過這種傳熱單元的傳熱耦合的情況下，可大大減輕用于冷卻常規(guī)廢氣回路冷卻器的發(fā)動機冷卻回路的負載?？赏ㄟ^作為蒸發(fā)器的傳熱單元可從廢氣中帶走的全部能量不再需要由發(fā)動機冷卻回路吸收。
[0030]此外，能夠為該裝置配備至少兩個這種傳熱單元，其中一個可設置在排氣系統(tǒng)中的主要側(cè)面上而另一個設置在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)中的主要側(cè)面上。在輔面上，這兩個傳熱單元可彼此獨立地連接。同樣可以想到的是在輔面上將兩個傳熱單元串聯(lián)連接，例如，為了蒸發(fā)在首先進行直流的傳熱單元中的廢熱利用回路的工作介質(zhì)并使在隨后進行直流的傳熱單元中的所述工作介質(zhì)過熱。
[0031]本發(fā)明另外的重要特征和優(yōu)點從附圖以及通過附圖的相應附圖描述中獲得。
[0032]應當理解的是，如上所述且仍在以下進行說明的特征不僅可用于陳述的各個組合，而且可用于其它組合或它們本身而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0033]附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選示例性實施方式，并在以下說明中進行更詳細地解釋，其中相同的附圖標記涉及相同或相似或功能相同的組件。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]在每種情況下，示意性地示出，
[0035]圖1和2分別示出了車輛的極大簡化的線路圖，該車輛具有包括不同實施方式中的傳熱單元的裝置，
[0036]圖3和4分別示出了通過不同運行狀態(tài)的傳熱單元的極大簡化的縱截面，
[0037]圖5是不同實施方式a和b的傳熱單元的縱截面放大細節(jié)圖，該傳熱單元在徑向上下設置的多個線圈區(qū)域中，
[0038]圖6是分配元件a或收集元件b的簡化剖視圖，
[0039]圖7是通過具有多個線圈組件的線圈配置的簡化縱截面，
[0040]圖8和9分別是不同實施方式的傳熱單元的極大簡化的縱截面，
[0041]圖10是通過另一實施方式中的傳熱單元的簡化縱截面，
[0042]圖11是圖10的傳熱單元的線圈配置的等距視圖，
[0043]圖12是圖11線圈配置的等距展開表示，
[0044]圖13是另一種實施方式中的傳熱單元的簡化縱截面，
[0045]圖14是在去耦元件區(qū)域中的傳熱單元的等距剖視圖，
[0046]圖15是另一種實施方式中的傳熱單元的簡化縱截面。
【具體實施方式】
[0047]根據(jù)圖1和2，車輛1，優(yōu)選陸地車輛，特別是公路車輛，但是其同樣可以是水運工具或航空器，可包括裝置2，其包括內(nèi)燃機3和廢熱利用系統(tǒng)4以及傳熱單元5。
[0048]該內(nèi)燃機3具有發(fā)動機組6，其包含多個燃燒室7，形成于氣缸中，并裝配有可調(diào)節(jié)沖程的活塞。內(nèi)燃機3進一步包括將新鮮空氣供給至燃燒室7的新風系統(tǒng)8。由箭頭9表示相應的新鮮空氣流。所述內(nèi)燃機3還配備有從燃燒室7排出廢氣的排氣系統(tǒng)10。在此處所示的實施方式中，內(nèi)燃機3還配備有廢氣再循環(huán)系統(tǒng)12，其用于將來自排氣系統(tǒng)10的廢氣再循環(huán)至新風系統(tǒng)8。該廢氣再循環(huán)系統(tǒng)12包含冷卻再循環(huán)廢氣的廢氣再循環(huán)冷卻器13和控制再循環(huán)廢氣量，即控制廢氣再循環(huán)率的廢氣再循環(huán)閥14。為了改進廢氣再循環(huán)，該排氣系統(tǒng)10可包括連接點15下游的動態(tài)壓力瓣16，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)12在連接點15連接到該排氣系統(tǒng)10。該新風系統(tǒng)8可包括連接點17上游的節(jié)流閥18，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)12在連接點17連接到新風系統(tǒng)8。
[0049]為了冷卻發(fā)動機組6，內(nèi)燃機3具有發(fā)動機冷卻回路19，其對應于穿過發(fā)動機組6而規(guī)定路線的虛線，并包括散熱器20。該散熱器20可流通冷卻空氣流，其在駕駛車輛1通過所謂的逆風時形成，也可通過鼓風
[0050]機22產(chǎn)生或增強。
[0051]該廢熱利用系統(tǒng)4包括廢熱利用回路23，其中循環(huán)工作介質(zhì)。該廢熱利用系統(tǒng)4優(yōu)先根據(jù)朗肯-克勞修斯循環(huán)過程運行，因此包括在廢熱利用回路23中的工作介質(zhì)連續(xù)流動方向上的蒸發(fā)器24、膨脹設備25、冷凝器26和輸送裝置27。蒸發(fā)器24用于蒸發(fā)工作介質(zhì)。膨脹設備25用于膨脹蒸發(fā)的并優(yōu)先過熱的工作介質(zhì)，其中膨脹設備25將熱和壓力轉(zhuǎn)換為機械作業(yè)，例如以驅(qū)動發(fā)電機28。該發(fā)電機28產(chǎn)生電能，例如其可存儲在合適的能量存儲裝置中，優(yōu)選電池。在冷凝器26中，可冷凝該膨脹的工作介質(zhì)。為此，冷凝器26連接到冷卻回路29，其特別地可集成在發(fā)動機冷卻回路19中。輸送裝置27在廢熱利用回路23中驅(qū)動工作介質(zhì)。同時，輸送裝置27使液體工作介質(zhì)受到較高的壓力。
[0052]在圖1所示的實施方式中，傳熱單元5形成蒸發(fā)器24，使得廢氣形成流經(jīng)傳熱單元5的主要介質(zhì)。在這種情況下，該廢熱利用回路23的工作介質(zhì)形成流經(jīng)傳熱單元5的二級介質(zhì)，并在此以熱傳遞和介質(zhì)分離的方式與主要介質(zhì)結(jié)合，即與廢氣結(jié)合。此外，在圖1所示的實施方式中，廢氣再循環(huán)冷卻器13連接冷卻回路30，其可集成在發(fā)動機冷卻回路19中。
[0053]與之相比，圖2示出的實施方式中傳熱單元5結(jié)合在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)12中，以這樣的方式傳熱單元5在廢氣再循環(huán)系統(tǒng)12中形成廢氣再循環(huán)冷卻器13并在廢熱利用系統(tǒng)4中形成蒸發(fā)器24。因此，在這種情況下，傳熱單元5的主要介質(zhì)由再循環(huán)廢氣形成，而傳熱單元5的二級介質(zhì)由工作介質(zhì)再次形成。在另一實施方式中，可在傳熱單元5的下游配置另外的傳熱單元，其作為剩余冷卻器或額外的廢氣再循環(huán)冷卻器運行，以將廢氣冷卻至所需的目標溫度。當廢熱利用回路23的溫度水平高于該再循環(huán)廢氣的目標溫度時這可能需要的。
[0054]根據(jù)圖3、4、8-10、13和15，傳熱單元5包括殼體31，其包含管32并包括護套33。該護套33利用徑向空間封閉管32，使得在管32和護套33之間徑向形成環(huán)形通道34。在殼體31上形成主入口 35和主出口 36。此外，該殼體31包含主通路37，其流體地連接主入口 35與主出口 36，并引導主要介質(zhì)，例如根據(jù)圖1所示實施方式的內(nèi)燃機3的廢氣或根據(jù)圖2所示實施方式的再循環(huán)廢氣通過環(huán)形通道34。因此，環(huán)形通道34限定了主通路37。與之相比，管32限定了支路38，其同樣流體地連接主入口 35和主出口 36，并引導主要介質(zhì)通過管32。
[0055]傳熱單元5還裝備有控制裝置39，借助該裝置可控制通過主通路37和支路路徑38的主要介質(zhì)流動。例如為此目的，控制裝置39包括控制元件40，優(yōu)選瓣，其配置在管32中，借助它可改變管32的可通流截面。例如，圖3示出了控制元件40處于關閉位置，其中管32的可通流截面在很大程度上被堵塞，使得根據(jù)箭頭41的廢氣沿著主通路37并因此流經(jīng)該環(huán)形通道34。與此相反，圖4示出了一種狀態(tài)，其中控制元件40調(diào)節(jié)到打開位置，其中最大限度地打開了管32的可通流最大截面。由于管32比環(huán)形通道34具有明顯更低的流動阻力，在這種情況下，對應于箭頭41的廢氣幾乎全部流經(jīng)管32并因此沿著支路路徑38。在圖8至10、13和15中，在每種情況下，實線表示控制元件40處于其關閉位置，而虛線表示控制元件40處于打開位置。顯然，控制裝置39也可調(diào)節(jié)至少一個中間位置，優(yōu)先任何中間位置以便能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)遍及主通路37和支路路徑38分布的所需流量。
[0056]傳熱單元5還配備有二級入口 42和二級出口 43，其通過多個二級通路44流體地相互連接，其中該二級通路44引導二級介質(zhì)。在圖1和2的實施例中，通過廢熱利用回路4的工作介質(zhì)形成二級介質(zhì)。該二級通路44同樣通過環(huán)形通道34規(guī)定路線，從而獲得主通路37和二級通路44之間介質(zhì)分離的熱傳遞耦合。
[0057]根據(jù)圖3至15，二級通路44借助至少兩個線圈45而形成。在這種情況下，這些線圈45配置在環(huán)形通道34內(nèi)，并圍繞管32螺旋纏繞。每個線圈45引導一個二級通路44。在此，線圈45借助各盤管46形成，其螺旋延伸并在內(nèi)部引導二級介質(zhì)，即包含各個二級通路44以及在外部的承載散熱片47，其與該主要介質(zhì)接觸。
[0058]目前，圖3至9中示出的實施方式中，至少兩個線圈45在環(huán)形通道44中徑向上下地配置。在這種情況下，徑向方向是指線性護套33或直線管32的縱向軸線48。管32和護套33實際為圓柱形地配置。在此，所有實施方式中的管32和護套33可分別具有圓形橫截面，其可以是圓形或卵形或橢圓形。
[0059]各線圈45具有多個回路，其包圍管32并在圖5a和5b中標示為49。通過徑向上下地配置線圈45，根據(jù)圖5a和5b，有位于在內(nèi)部的線圈45i內(nèi)部的回路4%，其與管32直接相鄰。此外，還有位于在外部的線圈452外部的回路492，其配置為與護套33直接相鄰。如果通常是此處所示實施方式的情況，提供兩個以上的線圈45，還存在至少一個中間線圈453，其具有中間回路493，其只是間接地與管32和護套33相鄰，即分別通過位于內(nèi)部的回路4%和位于外部的回路492。
[0060]根據(jù)圖5a，徑向相鄰的線圈45可配置為與其回路49徑向?qū)R。根據(jù)圖5b，當該徑向相鄰的線圈45分別配置為通過半環(huán)截面而相對于彼此軸向地偏移時，能獲得更緊湊的設計。
[0061]所以，根據(jù)控制元件40的位置，主要介質(zhì)擬根據(jù)需要可遍及主通路37和支路路徑38分布，在此處所示實施方式中的管32配置為連續(xù)的，使其直接連接到或形成主入口 35和主出口 36。此外，管32包括穿孔的、帶槽的入口區(qū)域50和穿孔的、帶槽的出口區(qū)域51，由此形成管32和環(huán)形通道34之間的流體連接。在這種情況下，入口區(qū)域50位于線圈45的上游，而出口區(qū)域51位于線圈45的下游。對于開啟的控制元件40，通過配置在環(huán)形通道34中的線圈45，環(huán)形通道流動阻力如此之大，使得主要介質(zhì)幾乎全部流過具有明顯較小的流動阻力的管32。
[0062]在圖3、4、8至10和13的實施例中，殼體31具有入口漏斗58和出口漏斗59，入口漏斗58在入口側(cè)上形成從管32到護套33的過渡，其中穿孔入口區(qū)域50位于入口側(cè)中，出口漏斗59在出口側(cè)上形成從管32到護套33的過渡，其中穿孔出口區(qū)域51位于出口側(cè)中。與此相反，圖15示出了這樣一種實施例，代替入口漏斗58而包括在入口側(cè)上的端底部60或入口端底部60，代替出口漏斗59而包括在出口側(cè)上的端底部61或出口端底部61，這些限定了殼體31的表面端部并例如通過凸緣與護套33緊固。在這種情況下，護套33和管不是直接地彼此連接。在這種情況下，該護套33覆蓋了軸向48上的透氣入口區(qū)域50以及透氣出口區(qū)域51。
[0063]為了使二級流體可流過各個平行的線圈45，根據(jù)圖6a可設置分配元件52，其在入口側(cè)與二級入口 42連接，在出口側(cè)與線圈45連接。與此類似，根據(jù)圖6b可設置收集元件53，其在入口側(cè)與線圈45連接，在出口側(cè)與二級出口 43連接。原則上，分配元件52和收集元件53可構(gòu)造成類似的，優(yōu)選相同的。
[0064]這種分配元件52可配置在殼體31的內(nèi)部，并連接到位于外部的二級入口 42。同樣能將這種分配元件52配置在外殼31的外部，使得直接形成二級入口 42。這同樣也適用于收集元件53，其配置在殼體31內(nèi)部并與布置在殼體31外部的二級出口 43連接，或配置在殼體31外部并自身形成二級出口 43。
[0065]圖7示出了沒有管32和護套33的線圈配置54，其同樣可在另一種實施方式的傳熱單元5的環(huán)形通道34中實現(xiàn)。在此，線圈配置54包括三個線圈45，即第一線圈451、第二線圈452和第三線圈453。線圈45形成三個軸向相鄰的線圈組件55，即第一線圈組件55p第二線圈組件552和第三線圈組件553。在此，通過殼體31的縱向軸線48再次限定了軸線方向。在每個線圈組件55中，包括多個線圈49的線圈部分56從各線圈45延伸。通過線圈45或線圈部分56的總共三層配置，獲得用于回路49的總共三個不同的徑向位置，即徑向地位于內(nèi)部、徑向地位于外部和徑向地位于內(nèi)部位置和外部位置之間的中間位置。在各個線圈部分56中，相應回路49的徑向位置在同一個線圈組件55中是相同的。與此相反，相同線圈45的回路49的徑向位置在不同線圈組件55中是不同的。
[0066]在圖7的實施例中，所述第一線圈ASi的第一線圈部分561配置在徑向位于內(nèi)部的所述第一線圈組件55i (如圖7左側(cè)所示)中，使得該第一線圈部分56i的所有回路49假設為內(nèi)部位置。在第二線圈452的第一線圈部分56i中，回路49位于外部并因此假設為外部位置。在第三線圈453的情況下，回路49位于所述第一線圈部分中間位置上。所以，這三個在第一線圈組件55i的線圈45各具有第一線圈部分56i，相應回路49分別軸向彼此相鄰的設置在第一線圈部分56i，并配置在相同的徑向位置中。
[0067]在第二線圈部分552 (如圖7中間所示)中，第二線圈部分562的徑向位置現(xiàn)在改變了。因此，第一線圈第二線圈部分562現(xiàn)在位于中間位置。第二線圈452的第二線圈部分562現(xiàn)在位于內(nèi)部位置，第三線圈453的第二線圈部分562現(xiàn)在位于外部位置。
[0068]在第三線圈組件553 (如圖7右側(cè)所示)中，相應的第三線圈部分563的徑向位置再次轉(zhuǎn)換。因此，第一線圈第三線圈部分563現(xiàn)在位于外部位置。第二線圈452的第三線圈部分563現(xiàn)在位于中間位置，第三線圈453的第三線圈部分563現(xiàn)在位于內(nèi)部位置。
[0069]根據(jù)圖7，用于各線圈45的連接管57可設置在相鄰線圈組件55之間，該連接管57流體地連接分別位于線圈組件55更外部的線圈部分56和徑向地位于另一線圈組件55更內(nèi)部的線圈部分56。
[0070]參考圖8和9，對示例性的實施方式進行說明，其中線圈45由于不同的熱傳遞性能而有所不同。在此，這些實施方式擬以任何方式與上述和下述實施方式結(jié)合。
[0071]例如圖8示出的實施方式，其中每個線圈45由于不同的可通流截面而彼此不同。因此，例如在圖8中所示的線圈45具有增加的可通流截面，該截面與管32具有增加的徑向間隔。在各個線圈45或各個線圈部分56中，該可通流截面是恒定的。根據(jù)圖8，位于內(nèi)部的線圈45i具有最小的可通流截面，而位于外部的線圈452具有最大的可通流截面。該中間線圈453具有中間的可通流截面。此外，在圖8和9實施方式的情況下，通過不同數(shù)量的回路49將線圈45設置為彼此不同。顯然，位于更外部的線圈45或線圈部分56具有比位于更內(nèi)部的線圈45或線圈部分56具有更少的回路49。例如，位于內(nèi)部的線圈45i由此具有最多的回路，而位于外部的線圈452具有最少的回路。位于中間的線圈453具有中間數(shù)的回路。
[0072]影響線圈45熱傳遞性能的其它措施，例如使用不同材料的線圈45或盤管46和散熱片47。此外，散熱片47也可相對于其尺寸和/或相對于其配置密度和/或相對于其幾何形狀而彼此不同。使用不同的材料導致了不同的傳熱系數(shù)。上述措施可根據(jù)需要彼此結(jié)合。不同線圈45中的不同熱傳遞性能的目標是使主要介質(zhì)到二級介質(zhì)的熱傳遞盡可能均勻。
[0073]在圖8所示的實施方式中，并在圖3至5和7變形的情況下，所有線圈45專門徑向上下地配置。其結(jié)果是，在相同徑向位置中彼此軸向相鄰的回路49屬于相同的線圈45或相同的線圈部分56，并將線圈45分為線圈組件55。徑向上的三層線圈配置54則也僅包括三個線圈45。
[0074]與之相比，圖9現(xiàn)在示出的實施方式中，徑向上的三層線圈配置54包括三個以上的線圈45，即6個線圈45。徑向內(nèi)部，即在內(nèi)部位置中設置了第一線圈45lt)第一線圈45i的所有回路49則是第一回路4%，其軸向相鄰。在中間位置設置了第二線圈452和第三線圈453，其具有第二和第三回路492和493，其在軸向上彼此交替。在此，兩個線圈452和453以雙螺旋形式軸向地纏繞。因此，第二回路492和第三回路493沿軸向彼此相鄰地交替設置。在位于外部的位置中，在圖9的實施例中甚至設置了三個線圈45，即第四線圈454、第五線圈455和第六線圈456。在這種情況下，這三個線圈454、455和456以三股螺旋或多螺旋形式軸向地設置為一個位于另一個之中，使得第四回路494、第五回路495和第六回路496彼此相鄰地軸向配置并有規(guī)律地交替。
[0075]現(xiàn)在圖10示出的實施方式中，設置了徑向單層或單層線圈配置54，其中兩個所示的線圈45在環(huán)形通道34內(nèi)軸向地布置為一個位于另一個之中，使得在這里，不同線圈45的回路49也彼此相鄰的軸向設置。因為這里只設置了兩個線圈45，所以線圈配置54具有雙螺旋形狀。由于在這種情況下，所有的線圈45在環(huán)形通道34內(nèi)軸向地相互纏繞，所有線圈45的所有回路49在相同的徑向位置，其中它們分別與管32和護套33直接相鄰。
[0076]術語“直接相鄰”在本上下文中是指在各自回路49和各自線圈45或各自線圈部分56之間沒有設置另外的回路、線圈部分或線圈，同時不需要與管32或者護套33接觸，其甚至可以將位于內(nèi)部的回路49設置為通過熱絕緣體抵靠在管32上。另外地或可選擇地，位于外部的回路49可通過熱絕緣體抵靠在護套33上。類似的，然后應用到圖10和13的一層或一層結(jié)構(gòu)上。另外地或可選擇地，對位于外部的絕緣而言，可設置支架，一方面在護套33上自我支撐，另一方面在各線圈45上或線圈配置54上自我支撐，以在護套33中軸向固定線圈45或線圈配置54。特別有利的是，該支架可以是熱絕緣軸承，例如軸承墊形式。在圖14中，位于外部的絕緣層63或軸承64是顯而易見的。
[0077]根據(jù)圖11和12，這兩個線圈45可根據(jù)雙螺旋結(jié)構(gòu)設置為沿軸向纏繞。在這種情況下，單個線圈45可構(gòu)造成相同的。
[0078]圖13示出了圖10的傳熱單元的變體，其中僅僅是示例性的，該線圈配置54不是僅包括兩個線圈45，而是三個線圈45，其以三股螺旋方式配置成軸向纏繞，使得在這里，不同線圈45的回路49也彼此相鄰地軸向設置。
[0079]根據(jù)圖14，根據(jù)優(yōu)選的實施方式，不直接影響流體地連接各線圈45和在殼體側(cè)上的二級連接，即二級入口 42或二級出口 43，但通過去耦元件62，即間接作用。在這種情況下，將各去耦元件62設置在殼體31的內(nèi)部。它是可移動的或靈活的，并可抵消各線圈45和殼體31或護套33之間的相對移動。發(fā)生這種相對移動是由于例如護套33和各線圈45的熱膨脹系數(shù)不同。例如，將該去耦元件62配置為金屬波紋軟管或雙聯(lián)鎖金屬軟管，其可徑向地構(gòu)造為一層或多層，其可具有彈性的內(nèi)部和/或外部保護層，其覆蓋該波紋軟管的波結(jié)構(gòu)。例如，這種保護層可配置為雙聯(lián)鎖型。在圖14的實施例中，去耦元件62的一端流體地連接到各二級連接42、43，另一端流體地連接到分配元件52或收集元件53，在圖14中其又依次流體地連接到僅示例性的三個線圈45。
【權利要求】
1.傳熱單元-具有殼體(31)，包含管(32)并包括護套(33)，所述護套(33)包圍所述管(32)以形成環(huán)形通道(34)，-具有主入口(35)和主出口(36)，所述主入口(35)和主出口(36)通過主通路(37)和支路路徑(38 )流體地互連，所述主通路(37 )通過所述環(huán)形通道(34)引導主要介質(zhì)，所述支路路徑(38 )通過所述管(32 )引導主要介質(zhì)，-具有控制裝置(39)，用于控制主要介質(zhì)在主通路(37)和支路路徑(38)的通流，-具有二級入口(42)和二級出口(43)，所述二級入口(42)和二級出口(43)通過至少兩個引導二級介質(zhì)的二級通路(44)流體地互連，-其中所述主通路(37)以介質(zhì)分離、熱傳遞的方式與二級通路(44)耦合。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳熱單元，其特征在于，至少兩個線圈(45)配置在環(huán)形通道(34)中，所述環(huán)形通道(34)螺旋地包圍管(32)，并通過所述環(huán)形通道(34)引導各二級通路(44)。
3.根據(jù)權利要求2所述的傳熱單元，其特征在于，各線圈(45)包括盤管(46)，所述盤管(46)內(nèi)部引導二級介質(zhì)，外部承載暴露至主要介質(zhì)的散熱片(47)。
4.根據(jù)權利要求2或3 所述的傳熱單元，其特征在于，所述至少兩個線圈(45)在環(huán)形通道(34)中徑向上下地配置。
5.根據(jù)權利要求4所述的傳熱單元，其特征在于-所述至少兩個線圈(45)各自形成至少兩個軸向相鄰的線圈組件(55),其中包括多個回路(49)的線圈部分(56)從每個線圈(45)延伸，-其中在相同線圈組件(55)內(nèi)的各個線圈部分(56)的回路(49)的徑向位置是相同的，-其中在相鄰線圈組件(55)內(nèi)的相同線圈(45)的回路(49)的徑向位置是不同的。
6.根據(jù)權利要求5所述的傳熱單元，其特征在于-在η對應線圈(45)的數(shù)量的情況下，設置至少η個線圈組件(55)，其中在每種情況下所述回路(49)可能有η個不同的徑向位置，-對于每個線圈(45)，所述線圈部分(56)的回路(49)至少一次假定為每個可能的徑向位置。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的傳熱單元，其特征在于，在用于各個線圈(45)的相鄰線圈組件(55)之間設置連接管(57)，所述連接管(57)流體地連接徑向位于一線圈組件(55)更內(nèi)部的線圈部分(56)和徑向位于另一線圈組件(55)更外部的線圈部分(56)。
8.根據(jù)權利要求2~7任一項所述的傳熱單元，其特征在于，所述線圈(45)由于不同的熱傳遞性能而彼此不同。
9.根據(jù)權利要求2-8任一項所述的傳熱單元，其特征在于，所述線圈(45)由于不同的可通流截面而彼此不同。
10.根據(jù)權利要求2-9任一項所述的傳熱單元，其特征在于，所述線圈(45)由于不同數(shù)量的回路(49)而彼此不同。
11.根據(jù)權利要求3所述并根據(jù)權利要求4-10任一項所述的傳熱單元，其特征在于，所述線圈(45)由于散熱片(47)的不同尺寸和/或通過每單位長度散熱片(47)的不同數(shù)量和/或通過散熱片(47)的不同幾何形狀和/或通過散熱片(47)的不同材料而彼此不同。
12.根據(jù)權利要求2-11任一項所述的傳熱單元，其特征在于，所述線圈(45)由于不同材料而彼此不同。
13.根據(jù)權利要求4-12任一項所述的傳熱單元，其特征在于，所有線圈(45)徑向上下地配置。
14.根據(jù)權利要求4-12任一項所述的傳熱單元，其特征在于，至少在徑向位于更外部的位置中，至少兩個線圈(45)軸向地配置為一個位于另一個之中，使不同線圈(45)的回路(49)彼此軸向相鄰配置。
15.根據(jù)權利要求2或3所述的傳熱單元，其特征在于，至少兩個線圈(45)在環(huán)形通道(34)內(nèi)軸向地配置為一個位于另一個之中，使不同線圈(45)的回路(49)彼此軸向相鄰配置。
16.根據(jù)權利要求15所述的傳熱單元，其特征在于，在環(huán)形通道(34)內(nèi)的所有線圈(45)軸向地配置為一個位于另一個之中。
17.根據(jù)權利要求1-16任一項所述的傳熱單元，其特征在于，至少一個線圈(45)通過去耦元件(62)流體地連接到二級入口(42)或二級出口(43)。
18.一種裝置-具有內(nèi)燃機(3)，所述內(nèi)燃機(3)包括用于向所述內(nèi)燃機(3)的燃燒室(7)供給新鮮空氣的新風系統(tǒng)(8)和用于從所述燃燒室(7)排放廢氣的排氣系統(tǒng)(10)以及任選的用于從排氣系統(tǒng)(10)向新風系統(tǒng)(8)再循 環(huán)廢氣的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(12)，-具有廢熱利用系統(tǒng)(4)，所述廢熱利用系統(tǒng)(4)包括廢熱利用回路(23)，其中工作介質(zhì)在所述廢熱利用回路(23)中循環(huán)，用于蒸發(fā)所述工作介質(zhì)的蒸發(fā)器(24)，所述蒸發(fā)器(24)下游是用于膨脹所述工作介質(zhì)的膨脹設備(25)，所述膨脹設備(25)下游是用于冷凝所述工作介質(zhì)的冷凝器(26)，所述冷凝器(26)下游是用于在廢熱利用回路(23)中驅(qū)動所述工作介質(zhì)的輸送裝置(27)，-具有根據(jù)權利要求1-17任一項所述的傳熱單元(5)，-其中所述主通路(37)結(jié)合在排氣系統(tǒng)(10)或廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(12)中，使所述廢氣或再循環(huán)廢氣形成主要介質(zhì)，-其中所述二級通路(44)結(jié)合在廢熱利用回路(23)中，使所述工作介質(zhì)形成二級介質(zhì)。
19.一種裝置-具有內(nèi)燃機(3 )，所述內(nèi)燃機(3 )包括用于向所述內(nèi)燃機(3 )的燃燒室(7 )供應新鮮空氣的新風系統(tǒng)(8)和用于從所述燃燒室(7)排放廢氣的排氣系統(tǒng)(10)以及任選的用于從排氣系統(tǒng)(10)向新風系統(tǒng)(8)再循環(huán)廢氣的廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(12)，-具有冷卻回路，冷卻介質(zhì)在其中循環(huán)，-具有至少一個根據(jù)權利要求1-17任一項所述的傳熱單元(5)，-其中所述主通路(37)結(jié)合在排氣系統(tǒng)(10)或廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(12)中，使所述廢氣或再循環(huán)廢氣形成主要介質(zhì)，-其中所述二級通路(44)結(jié)合在冷卻回路中，使所述冷卻介質(zhì)形成二級介質(zhì)。
【文檔編號】F02M25/07GK103670810SQ201310420381
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權日:2012年9月14日
【發(fā)明者】馬庫斯·比爾勒, 魯文·埃格, 格爾德·蓋澤, 馬蒂亞斯·費爾巴哈, 于爾根·施魏策爾, 馬克·哈特曼, 迪米特爾·彭納, 費邊·弗羅賓尼斯 申請人:埃貝斯佩歇廢氣技術合資公司