一种带有内翅片的换热管和热交换器

摘要

本发明涉及一种带有内翅片的换热管和热交换器，包括：截面形状为长条矩形的管体，所述的管体内上下面对应的设有沿管内流体运动方向的多条成对长条形凹陷，所述的多条长条形凹陷在管体外表面形成长条形凸起；上下对应的长条凹陷中连接至少一条带有点凸起或短线状凸起的翅片。本发明通过在换热管中设置散热翅片的方式，增大传热面，翅片为二次传热面，热气流加热翅片，翅片上的热量通过换热管上的条状凸起在传输到换热管表面的同时，通过条状凸起传输至冷却液体中，在翅片上设置的点状或短线状能够搅动和干扰流动气体，避免积碳和提高换热效率。由于管体和翅片均可以冲压生产，在满足换热需求的前提下，可以减少翅片的布置，翅片减少，焊点较少，可靠性得到提高，焊接十分方便，适合于大批量生产，具有制造成本较低的优势。

权利要求

1.一种带有内翅片的换热管，其特征在于，包括：截面形状为长条矩形的管体，所述的管体内上下面对应的设有沿管体内流体运动方向的多条成对长条形凹陷，所述的多条成对长条形凹陷在管体外表面形成长条形凸起；上下对应的长条形凹陷中连接至少一条带有点状凸起或短线状凸起的翅片，所述的凸起的高度为0.4-2mm；所述的翅片为长条形翅片，所述的翅片在与管体的所述长条形凹陷结合部设有平直折弯，所述翅片沿径向边缘小的所述平直折弯呈“C”型或呈“Z”型。

2.根据权利要求1所述的换热管，其特征在于，所述的管体由上下两部分构成。

3.根据权利要求2所述的换热管，其特征在于，所述的管体外表面设有支撑凸起。

4.根据权利要求3所述的换热管，其特征在于，翅片上所述的点状凸起是圆形或椭圆形凸起。

5.根据权利要求3所述的换热管，其特征在于，所述的短线状凸起是四角倒圆的矩形，或为两端半圆中间为矩形的结合体，或为半个流线体。

6.根据权利要求5所述的换热管，其特征在于，所述短线状凸起两个一组，每组两个短线状凸起呈八字形排列，所述的八字形排列的短线状凸起的排列方式为：单八字形的头对头、脚对脚反复出现，或者双八字形的头对头、脚对脚反复出现。

7.根据权利要求4-6之一所述的换热管，其特征在于，所述的翅片为单片设置，凸起的突出方向是交错间隔正反设置。

8.根据权利要求4-6之一所述的换热管，其特征在于，所述的翅片为双片设置，单片翅片上的凸起方向朝向一个方向，两个翅片合在一起，形成相反的两个方向凸起。

9.一种使用权利要求1所述带有内翅片的换热管的热交换器，包括：依次连接的扩散器、扩散器端管板、换热管组件和管壳、收集器端管板、收集器；以及进水管和出水管，其特征在于，所述的换热管组件使用至少一组带有内翅片换热管。

说明书

一种带有内翅片的换热管和热交换器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种带有内翅片的换热管和热交换器，是一种汽车发动机使用的设备，是一种发动机的设施所使用的设备，是一种发动机EGR系统所使用的热交换设备。

背景技术

[0002] 对于热交换器，提高换热效率和减小热交换器的体积，一直是业内研究的方向和主题，特别是对于应用在汽车发动机上的热交换器，尽可能的在保持或增加热交换效率的前提下，减小热交换器的体积更为重要。同时还要考虑产品的工艺性能，是否符合大批量生产的需要。

[0003] 传统热交换器基本为两种形式：板翅式热交换器和管壳式热交换器，这两种热交换器各自具有优缺点。

[0004] 管壳式热交换器是在一个圆筒形或截面为矩形的壳体内设置管束，冷热两种流体分别从管内空间和管外空间流过进行热量的交换。此类热交换器选材范围广，结构简单，工艺性好，适合大批量生产。但管壳热交换器的换热效率相对板翅式热交换器较低，可以通过强化内部换热管来提高换热效率，但会相应的增大压力损失，由于管壳热交换器的换热管之间必须有一定的间隙，因此，体积相对较大。

[0005] 板翅式换热器，是由很多块薄板和板间的二次表面组成，二次表面既作为肋化面，又能起到管板间距并增强刚度的作用。此类热交换器相对体积较小，热交换效率较高，但结构复杂、制造成本高。

[0006] 传统的板翅式热交换器通常为整体翅片式设计，翅片沿轴向为平直状，随着发动机对废气再循环冷却器性能要求的提高，在有限空间下，可以通过采用波浪形整体翅片来提高换热效率，但必须不断的减小翅片的间距来达到高性能，这样在积碳产生的情况下可能造成翅片间的堵塞，从而使冷却器的性能不能得到有效的发挥；另外，由于翅片与扁管或隔板的接触点较多，也就是焊接点较多，容易产生失效，在翅片发生脱落的情况下，同样对换热性能会产生较大的影响。

发明内容

[0007] 为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种带有内翅片的换热管和热交换器。所述的换热管和热交换器，将传统的板翅式和管壳式热交换器结合，在换热管中设置翅片，形成一种全新的换热管。

[0008] 本发明的目的是这样实现的：一种带有内翅片的换热管，包括：截面形状为长条矩形的管体，所述的管体内上下面对应的设有沿管内流体运动方向的多条成对长条形凹陷，所述的多条长条形凹陷在管体外表面形成长条形凸起；上下对应的长条凹陷中连接至少一条带有点凸起或短线状凸起的翅片。

[0009] 进一步的，所述的管体由上下两部分构成。

[0010] 进一步的，所述的管体外表面设有支撑凸起。

[0011] 进一步的，所述的翅片在与管体凹陷结合部设有折弯。

[0012] 进一步的，翅片上所述的点状凸起是圆形或椭圆形凸起。

[0013] 进一步的，所述的短线状凸起是四角倒圆的矩形，或为两端半圆中间为矩形的结合体，或为半个流线体。

[0014] 进一步的，所述短线状凸起两个一组，每组两个短线状凸起呈八字形排列，所述的八字形排列短线状凸起的排列方式为：头对头、脚对脚反复出现，或者两个八字形成对的头对头脚对脚反复出现。

[0015] 进一步的，所述的翅片为单片设置，凸起的突出方向是交错间隔正反设置。

[0016] 进一步的，所述的翅片为双片设置，单片翅片上的凸起方向朝向一个方向，两个翅片合在一起，形成相反的两个方向凸起。

[0017] 一种使用上述带有内翅片的换热管的热交换器，包括：依次连接的扩散器、扩散器端管板、换热管组件和管壳、收集器端管板、收集器；以及进水管和出水管，所述的换热管组件使用至少一组带有内翅片换热管。

[0018] 本发明产生的有益效果是：本发明通过在换热管中设置散热翅片的方式，增大传热面，翅片为二次传热面，热气流加热翅片，翅片上的热量通过换热管上的条状凸起在传输到换热管表面的同时，通过条状凸起传输至冷却液体中，在翅片上设置的点状或短线状能够搅动和干扰流动气体，避免积碳和提高换热效率。由于管体和翅片均可以冲压生产，在满足换热需求的前提下，可以减少翅片的布置，翅片减少，焊点较少，可靠性得到提高，焊接十分方便，适合于大批量生产，具有制造成本较低的优势。使用这种换热管的热交换器结构十分紧凑，具有较高的换热性能，不易积垢，成本较低。

附图说明

[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0020] 图1是本发明的实施例一所述换热管的结构示意图；

[0021] 图2是本发明的实施例一所述换热管的结构示意图，是图1中的A-A的剖面图；

[0022] 图3是本发明的实施例二所述的管体的结构示意图；

[0023] 图4是本发明的实施例三所述的管体上设置凸起的示意图；

[0024] 图5是本发明的实施例四所述的翅片边缘折弯的示意图；

[0025] 图6是本发明的实施例五所述的带有圆形凸起的翅片示意图，是图5中B向视图；

[0026] 图7是本发明的实施例五所述的带有椭圆形凸起的翅片示意图，是图5中B向视图；

[0027] 图8是本发明的实施例六所述的带有矩形短线段凸起的翅片示意图，是图5中B向视图；

[0028] 图9是本发明的实施例六、七所述的带有两端半圆中间为矩形的结合体凸起的翅片示意图，是图5中B向视图；

[0029] 图10是本发明的实施例六、七所述的带有半个流线体的短线段凸起的翅片示意图，是图5中B向视图；

[0030] 图11是本发明的实施例七所述的带有双八字形短线段凸起的翅片示意图，其中的短线段凸起的形状是四角倒圆的矩形，是图5中B向视图；

[0031] 图12是本发明的实施例七所述的带有双八字形短线段凸起的翅片示意图，其中的短线段凸起的形状是两端半圆中间为矩形的结合体，是图5中B向视图；

[0032] 图13是本发明的实施例八所述的单片翅片椭圆形交错凸起的翅片示意图，是图7中C向视图；

[0033] 图14是本发明的实施例八所述的单片翅片流线型交错凸起的翅片示意图，是图10中D向视图；

[0034] 图15是本发明实施例九所述的正反交错排列的双片翅片分离状态示意图；

[0035] 图16是本发明实施例九所述的正反交错排列的双片翅片合在一起状态示意图；

[0036] 图17是本发明实施例九所述的正反一一对应排列的双片翅片分离状态示意图；

[0037] 图18是本发明实施例九所述的正反一一对应排列的双片翅片合在一起状态示意图；

[0038] 图19是本发明实施例十所述的换热器外形示意图；

[0039] 图20是本发明实施例十所述的换热器剖面图，是图19中E-E的剖面图。

具体实施方式

[0040] 实施例一：

[0041] 本实施例是一种带有内翅片的换热管，如图1所示。本实施例包括：截面形状为长条矩形的管体1，所述的管体内上下面对应的设有沿管内流体运动方向的多条成对长条形凹陷2，所述的多条长条形凹陷在管体外表面形成长条形凸起3；上下对应的长条凹陷中连接至少一条带有点凸起或短线状凸起4的翅片5，见图2。

[0042] 本实施例所述的管体形状类似于传统的扁管，其截面形状为长边较长的矩形，或简单的说是横截面拉长的扁管，如图2所示，矩形的两个短边可以是直边，也可以是半圆过渡（如图2中的管体截面形状）。

[0043] 管体可以用一片板材折弯成型，也可以分为上下两部分，折弯成型后再搭接或对接焊接在一起。

[0044] 本实施例的关键在于管内设置了多片传导热量的翅片，相对于扁管的一次传热面，翅片为二次传热面，这些翅片沿气流的流动方向设置，并与管体牢固连接，将管体分割为多个窄小的空间，热气流进入管体后，分散的进入这些狭小空间。热气流在这些狭小空间中运动时，充分接触组成狭小空间的翅片，并将气体中的热量传导至翅片上，翅片再将热量传输至与冷却液接触的管壁上，冷却液将热量带走。

[0045] 在翅片上沿轴向有规律的布置拱型或翼型的凸起或凹陷，这些凸起和凹陷能够干扰气体的流动，使其在凸起或凹陷处产生湍流，既能够充分的产生散热作用，也能够避免积碳。传统的翅片为提高换热性能，需进一步减小翅片高度，增大了积碳堵塞的风险，，因此，本实施例相对传统翅片换热管有明显的优势。

[0046] 翅片上设置的凸起或凹陷有多种方式。在翅片沿轴向的同一位置可以布置单个拱型的凸起或凹陷，也可以布置一对翼型的凸起或凹陷，在翅片的同一侧可以看到凸起和凹陷的拱型或翼型交错排布，同一翅片的两侧凸起和凹陷是相对的，一侧为凸起另一侧则对应凹陷。凸起的形状为中间凸起，周边向翅片本体自然延伸，凸起的高度为0.4-2mm。这种翅片尤其适用于作为废气再循环（简称EGR）冷却器的换热元件，成组放置在扁状管或者隔板之间，扁状管或隔板的平面上布置有长条形的凹槽，翅片固定与凹槽中，形成高温废气的流通通道，由于翅片上拱型或翼型的凸起或凹陷的布置，极大的增加了流体的扰动，热边界层得到有效的减薄，使得冷却器的换热效果较常规翅片进一步提升，同时也不易积垢。

[0047] 在长条形的翅片上，从一个侧面看，布置有凸起和凹陷，在翅片的另一侧面看，凸起在翅片的另一侧面看为凹陷，凹陷在翅片的另一侧面看为凸起，凸起与凹陷的形状相对应，凸起的形状为中间凸起，周边向翅片本体自然延伸并连接到翅片本体，翅片沿径向边缘有小的平直折弯。

[0048] 本实施例所述的翅片为长条形翅片，沿径向边缘小的平直折弯呈“C”型或呈“Z”型，用于翅片与管或隔板对应平面的搭接，可以有效增强焊接的强度。

[0049] 本实施例所述的凸起或凹陷交替排布。翅片作为主换热元件，只有布置在热交换器中才能有效发挥其作用。翅片平行排布在扁管或者两隔板之间，当气体在翅片之间通过时，相连两片翅片的凸起和凹陷相对应，使气流方向发生较大的折弯，随着气流的前进，气流方向向另外方向发生折弯，流动路径呈“S”型，一方面延长了气流的流动方向，另一方面气流受到凸起的强烈冲击，增加了气体的扰动，极大的减薄了热边界成，提高了流体的湍流度，换热效果大大提高。传统的翅片为整体式设计，为实现较高的换热效率，翅片间的间距较小，而采用所述翅片的热交换器，在同样的边界条件下，可以减少翅片的数量，使翅片的间距增大，从而减少了积碳的风险。

[0050] 翅片上的凸起或凹陷深度可以控制在0.4 2mm，根据换热性能的要求不同进行调~整，单独对翅片进行加工，可以有效降低零件的加工成本，从而降低整体的制造成本。

[0051] 管体的上下表面平行布置有长条状的突起，从管体内部看，外侧的突起是管内的条形凹槽；管体的上下表面还布置有鼓包，上下表面的鼓包对称。由于管体端部需要与管板焊接在一起，因此管体端部需预留平段，也就是长条状凹槽距离管体的管端要有一定的距离，距离范围为2 10mm。翅片与管体内的凹槽一一对应并置于管以内。~

[0052] 翅片放置在管体内的凹槽中，且一一对应，由于凹槽距离管端有一定的距离，相应的翅片也距管端有一定的距离。翅片的高度等于管体内高度加上两个凹槽的深度，翅片沿径向的平直折弯与凹槽内的平面刚好对应搭接在一起，可以有效的提高此处的焊接强度。

[0053] 两相邻管体外表面的鼓包相对应，起到互相支撑的作用，防止管体的热变形，从而预防翅片处焊点在扁管上脱落，有效的保障换热性能的实现。

[0054] 翅片上的凸起或凹陷的形状为可以是立方体状，与翅片连接处为矩形。沿翅片轴向（气流方向）的同一位置布置有两个凸起或凹陷，两凸起或凹陷呈一定的角度排列，夹角为15 165°。翅片上凸起或凹陷可以布置为沿翅片的轴向（气流方向），一组凸起和一组凹陷~交替排布，交替排布的凸起和凹陷为正翼型和倒翼型相互交替。

[0055] 翅片上凸起或凹陷的形状可以呈锥状（近似于流线体，所述的流线体的截面形状是流线型，回转后形成流线体），沿流动方向，截面逐渐变大，再迅速缩小，各突起的面之间圆滑过渡。沿翅片轴向的同一位置布置有两个平行的凸起或凹陷。当高温气体在翅片间通过时，受到两侧突起的强烈冲击，气体不断的收缩和扩充，扰动明显，有效的减薄了热边界层，提高换热效果。与传统的翅片式换热器相比，应用该翅片的热交换器，翅片的间距增大，从而减少了积碳的风险，使换热效率始终保持在较高的水平。

[0056] 翅片还可以双片布置，两片翅片叠加在一起形成一个组合翅片，组合翅片的外表面均为凸起。每个翅片只包含单侧的凸起，翅片叠加组合后作为独立的换热元件顺次排布在热交换器中。高温气体在组合翅片间通过，由于交错凸起的存在，使得气体的流动路径呈波浪形。

[0057] 两个相同的翅片叠加在一起形成一个组合翅片，组合翅片按一定的顺序排布，应用在热交换器中时，翅片放在扁管内或者隔板之间。翅片的凸起结构，可以有效增加流体的湍流度，提高热交换器的换热效率。

[0058] 实施例二：

[0059] 本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于管体的细化。本实施例所述的管体由上下两部分101、102构成，如图3所述。

[0060] 为便于加工管体，本实施例将管体分为上下两部分，折弯后，在折弯部分连接成为一体。也就是说，管体有两块板折弯焊接而成，有两个连接焊口。这样设计的管体有十分良好的工艺性能。管体板面上的长条形凸起可以十分方便冲压成型，同时也方便翅片方便的焊接在管体中。上下两部分管体的接口处可以对称的设计在管体的两侧，也可以如图3中的管体那样交错的设置在接近一侧折弯的部位。由于上下管体的 形状完全一致，可以使用同一模具冲压成型，节约模具的成本。

[0061] 实施例三：

[0062] 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于管体的细化。本实施例所述的管体外表面设有支撑凸起103，如图4所示。

[0063] 换热管在工作时通入高温气体，管体本身会发生热膨胀，使换热管之间的距离变小，这是十分有害的。换热管之间的距离变小，意味着冷却液的流通通道变窄，影响了冷却液带走热量的效率。为维持换热管之间的距离不变，本实施例在管体外设置了点状或短线状的凸起，两个相邻换热管之间的凸起相互作用，可以有效的放置管体之间的相互接近，维持相互之间的距离。

[0064] 实施例四：

[0065] 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于翅片的细化。本实施例所述的翅片在与凹陷结合部设有折弯501，如图5所示。

[0066] 本实施例所述的翅片为长条形翅片，沿径向边缘设有小的平直折弯。这个折弯的方式有两种，一种呈“C”字型，如图2-4所示。另一种呈“Z” 字型，如图5所示。这个翅片边缘的小折弯用于翅片与管体对应面的搭接，可以有效增强焊接的强度。

[0067] 实施例五：

[0068] 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于翅片上的点状凸起的细化。本实施例所述的点状凸起是圆形，如图6所示，或椭圆形凸起，如图7所示。

[0069] 圆形凸起和椭圆形凸起是一种加工比较简单的凸起形状，并且能够起到十分良好的干扰气流运动效果。圆形凸起和椭圆形凸起在翅片上的排列方式有多种，可以是单排排列，也可以是两个一排，或者三个一排的圆形或椭圆形排列。对于椭圆形，还有两种选择，一种是椭圆形的长轴与气流运动方向一致，一种是椭圆形的长轴与气流方向垂直。

[0070] 实施例六：

[0071] 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于翅片上的短线状凸起的细化。本实施例所述的短线状凸起是四角倒圆的矩形，如图8所示，或为两端半圆中间为矩形的结合体，如图9所示，或为半个流线体，如图10所示。

[0072] 短线状突起的形状有多种选择，可以是四角倒圆的矩形、两个半圆中间加矩形等。排列的方式也有多种选择，可以是长轴沿气流方向、垂直方向、倾斜方向等多种选择。

[0073] 为产生较好的扰流作用，流线体的大端迎气流面设置。

[0074] 实施例七：

[0075] 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于翅片的细化。本实施例所述短线状凸起两个一组，每组两个短线状凸起呈八字形排列，所述的八字形排列短线状凸起的排列方式为：头对头、脚对脚反复出现，如图8、9所示，或者两个八字形成对的头对头脚对脚反复出现，如图11、12所示。

[0076] 本实施例中短线状凸起在翅片上的排列呈八字形，或者称为翼型排列，具体为：短线状凸起成对出现，两个短线状凸起的长轴分别与气流方向成相反的一定夹角，类似于向后掠的翅膀，或者是八字形的一撇一捺。短线状凸起的长轴与气流方向之间夹角的角度α在0 90度之间选择，见图8、9。
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[0077] 实施例八：

[0078] 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于翅片的细化。本实施例所述的翅片为单片设置，凸起的突出方向是交错间隔正反设置。

[0079] 凸起的突出方向是相对于翅片板面而言，如果从翅片的单面角度描述，则可以将翅片表面形容为一个凸起、一个凹陷，反复出现。图13为交错出现的椭圆形凸起，图14为交错出现的流线型凸起。

[0080] 实施例九：

[0081] 本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于翅片的细化。本实施例所述的翅片为双片设置，单片翅片上的凸起方向朝向一个方向，两个翅片合在一起，形成相反的两个方向凸起。

[0082] 所述的双片设置，就是有两个翅片和在一起，各翅片上的凸起方向一致向一个方向，翅片上的凸起背对背，两个合在一起。图15、17显示了两片翅片分开的状态，图16、18显示了两片翅片合在一起的状态。

[0083] 图15-19显示两种不同的突起排列方式，一种是正反间隔的方式，如图15、16所示。另一种是正反一一对应的方式，如图17、18所示。

[0084] 实施例十：

[0085] 一种使用上述所述带有内翅片的换热管的热交换器，包括：依次连接的扩散器7、扩散器端管板8、换热管组件和管壳9、收集器端管板10、收集器11；以及进水管12和出水管13，见图19，所述的换热管组件14使用至少一组带有内翅片换热管，见图15。

[0086] 本实施例所述的热交换器，尤其适用于发动机废气再循环冷却系统，作为EGR冷却器使用。

[0087] 本实施例所述的热交换器所使用的换热管组件是带有内翅片的扁管，管内的翅片沿气流方向有规律的交错布置拱型或翼型的凸起或凹陷，且沿径向的端部布置有小的折弯，扁状管外表面的平面上沿管长方向设置多条长条形凸起，扁状管的内部对应为凹槽，长条形翅片布置在扁状管内部对应的长条形凹槽内，翅片上的折弯与扁管上凹槽内平面相贴合，可以保证焊接的牢固性；翅片固定在凹槽中形成高温废气的流通通道，由于翅片上拱型或翼型的凸起或凹陷的布置，极大的增加了流体的扰动，热边界层得到有效的减薄，使得冷却器的换热效果较常规翅片进一步提升，同时也不易积垢。扁状管与管壳之间形成冷却剂的流通通道，扁状管外表面还均匀布置若干个高于长条形凸起的鼓包，布置在热交换器中的相邻的扁状管通过鼓包相互支撑，避免扁状管受热变形，同时由于鼓包的设置使得冷却液的流动加强，对提高冷却器的换热性能有促进作用。

[0088] 换热管可以成组出现，如图15中有两组换热管，也可以有更多组换热管。

[0089] 最后应说明的是，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（比如管体的形式、直管或U型管、翅片的形式、突起的形式、换热器的形式等）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。