專利名稱：熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在兩種分開的介質(zhì)之間進行熱交換的熱交換器。
背景技術(shù)：
在本技術(shù)領(lǐng)域中，熱交換器具有非常多的用途，以實現(xiàn)在兩種介質(zhì)之間進行熱傳導(dǎo)。熱交換器用于對欲處理的介質(zhì)進行加熱或冷卻。
熱交換器的一個用途就是對熱氣體進行冷卻。例如，在內(nèi)燃動力機械領(lǐng)域中，要噴出具有1000℃或更高溫度的廢氣。在某些情況下，要求將這種熱氣體冷卻到50℃或更低的溫度。在一定的情況下，即在空間較小或出于某些因素要求在盡可能短的距離上完成熱交換的情況下，就需要體積小或結(jié)構(gòu)短的熱交換器。
現(xiàn)有技術(shù)中沒有公開這樣的熱交換器，該熱交換器的特點在于在最短的距離上產(chǎn)生很高的溫度梯度(例如對入口溫度為1000℃或更高至出口溫度在80℃，最好在50℃，而結(jié)構(gòu)長度大約為30cm)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱交換器，其可以緊湊的結(jié)構(gòu)達到高的熱交換效率。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明提供一種用于在兩種介質(zhì)之間進行熱交換的熱交換器，具有一個外管和一個內(nèi)管，外管具有用于被冷卻介質(zhì)的入口和出口，內(nèi)管設(shè)置在外管之中，其與入口相對的一側(cè)封閉，而與出口相對的一側(cè)與冷卻介質(zhì)入口相連并且具有一個冷卻介質(zhì)出口，冷卻介質(zhì)出口通到內(nèi)管與出口相對的一側(cè)并通入由此沿入口的方向圍繞著內(nèi)管纏繞的螺旋管，螺旋管通入冷卻介質(zhì)排出管。
根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)管的冷卻介質(zhì)出口連接排出管上，排出管在內(nèi)管中向著內(nèi)管與入口相對的一側(cè)延伸。內(nèi)管封閉的一側(cè)上設(shè)有用于通過入口流入外管中的被冷卻介質(zhì)的擋板。螺旋管至少沿著內(nèi)管的整個長度在其附近延伸。螺旋管相對內(nèi)管壁和外管壁有徑向間隙地設(shè)置。螺旋管相對內(nèi)管壁的徑向間隙與其相對外管壁的徑向間隙基本相同。至少螺旋管由具有良好導(dǎo)熱性能的材料，優(yōu)選由銅構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，利用上述的熱交換器冷卻從內(nèi)燃機中排出的燃燒廢氣，尤其是從機動車發(fā)動機中排出的燃燒廢氣。這并不是唯一可能的利用方式。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器因一根設(shè)置在外管之中、一端封閉的內(nèi)管而與眾不同。內(nèi)管封閉端位于外管入口側(cè)，例如需要冷卻的熱氣體或其它熱介質(zhì)流入外管中。冷卻介質(zhì)首先進入內(nèi)管，并在封閉端和管壁上冷卻在此流過的被冷卻介質(zhì)。然后，冷卻介質(zhì)通過圍繞內(nèi)管纏繞的螺旋管從內(nèi)管中流出，并且在離開熱交換器之前，還在螺旋管上產(chǎn)生進一步的冷卻作用。
利用這種方法，首先可以得到比常規(guī)熱交換器明顯增大的接觸面積，在這個面積上分別通過內(nèi)管和螺旋管的壁形成冷卻介質(zhì)和被冷卻介質(zhì)之間的接觸。這種結(jié)構(gòu)上的設(shè)置所起的作用是形成一個渦流，利用這種結(jié)構(gòu)首先使被冷卻介質(zhì)流到內(nèi)管的封閉端上，然后在內(nèi)管的側(cè)面沿著纏繞的螺旋管流動，此時介質(zhì)是以部分渦流的形式相對原來的主流流動的。由此在熱交換器中為被冷卻介質(zhì)形成一個特別長的停留時間或一個長的移動路徑，從而在熱交換器的短的結(jié)構(gòu)長度上、在被冷卻介質(zhì)和由介質(zhì)流過的元件內(nèi)管--和螺旋管--之間產(chǎn)生緊密的接觸。這個事實導(dǎo)致在熱交換器非常短的長度上產(chǎn)生非常明顯的冷卻作用。
很明顯，根據(jù)本發(fā)明的熱交換器也適用于借助于在“冷卻介質(zhì)”通路中流動的加熱介質(zhì)對冷的、流入外管之中的介質(zhì)進行加熱。就此而言，“冷卻介質(zhì)入口”、“冷卻介質(zhì)出口”和“冷卻介質(zhì)排出”的概念都不局限于冷卻介質(zhì)，而是可以很好地用于一種介質(zhì)，這種介質(zhì)可以用來加熱流過外管的介質(zhì)，因而是一種“加熱介質(zhì)”。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在內(nèi)管之中設(shè)置的排出管的優(yōu)點在于流入該內(nèi)管中的冷卻介質(zhì)在通過排出口進入螺旋管之前必須分布在整個內(nèi)管上。利用這種方式將加強在內(nèi)管壁上實現(xiàn)的冷卻效果，這種增強的冷卻效果導(dǎo)致冷卻效果或熱傳導(dǎo)效果整體上變好。很顯然，類似的考慮適用于對介質(zhì)進行加熱的熱交換器的工作。
內(nèi)管封閉側(cè)用作擋板的結(jié)構(gòu)形成在其幾何形狀上已經(jīng)出現(xiàn)的流入介質(zhì)的第一渦流，這個渦流總是有助于流入介質(zhì)在熱交換器中停留較長時間并因而有助于熱交換器的高效熱交換。
同樣，根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的進一步的結(jié)構(gòu)有助于形成高的熱交換效率，這種結(jié)構(gòu)是螺旋管至少沿著內(nèi)管的整個長度在其附近延伸。有利的是螺旋管的各個匝靠近地纏繞，但相互不接觸。在螺旋管的各匝之間必須保留一定的距離，由此使被冷卻或被加熱的介質(zhì)與冷卻介質(zhì)或加熱介質(zhì)流過的螺旋管的表面相接觸。
另一種結(jié)構(gòu)有助于形成所希望的流過外管的介質(zhì)的渦流以及隨之出現(xiàn)的提高的熱交換效率，這種結(jié)構(gòu)是相對內(nèi)管壁和外管壁有徑向間隙地設(shè)置螺旋管。由此證明，使螺旋管相對內(nèi)管壁的徑向間隙與其相對外管壁的徑向間隙基本相等會帶來特別好的結(jié)果(權(quán)利要求6)。
假如至少熱交換器的螺旋管由一種具有良好熱交換性能的材料制成的話，則按照本發(fā)明的另一個實施例畢竟是有好處的。在此，最好是使用銅，但其他具有良好導(dǎo)熱性能的材料都在考慮之列，例如銀。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器優(yōu)選用于冷卻由內(nèi)燃機排出的燃燒廢氣，尤其是用于冷卻機動車發(fā)動機排出的燃燒廢氣。在機動車發(fā)動機或機動車發(fā)動機廢氣系統(tǒng)中這種熱交換器具有高冷卻效果，以至于將1000℃或更高溫度的、從燃燒室中排出的熱的廢氣冷卻到80℃或更低，最好是50℃以下的溫度。然而這種熱交換器必須還要具有緊湊的結(jié)構(gòu)，因為機動車廢氣系統(tǒng)中的空間是有限的。根據(jù)本發(fā)明的熱交換器在這方面具有突出的優(yōu)點。


下面結(jié)合附圖的描述將展現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的熱交換器的其它優(yōu)點和特征。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的熱交換器剖視圖。
具體實施例圖1示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明的熱交換器12的剖視圖。根據(jù)本發(fā)明的熱交換器12具有一個外管8，其通過一個徑向收縮部分通入在圖中上側(cè)表示的入口1和圖中下側(cè)表示的出口2。熱交換器12的這個實施例優(yōu)選設(shè)計用于熱氣體的冷卻。但本發(fā)明的熱交換器也可以用于其它任何用途，因此也適用于流體的冷卻，氣體或流體的加熱或者類似的熱傳導(dǎo)。
在外管8中與其同心地設(shè)置一個內(nèi)管3，與入口1相對的、圖中在上側(cè)表示的內(nèi)管3的一側(cè)是封閉的。內(nèi)管3封閉的一側(cè)具有一個用于通過入口1將介質(zhì)，尤其是氣體引入熱交換器12中的擋板11。在內(nèi)管3與出口2相對的一側(cè)上設(shè)有一個冷卻介質(zhì)入口5，冷卻介質(zhì)入口穿過外管8并與一個冷卻介質(zhì)供入管9相連。在內(nèi)管3中設(shè)有一個排出管6，排出管6一直通到擋板11附近并在此處具有一個開口。這個開口在大約中心的位置位于內(nèi)管3的中軸線上。排出管6從內(nèi)管3中伸出轉(zhuǎn)入螺旋管7中，螺旋管7以很緊的匝、但在各匝之間留有間隙的形式、沿著內(nèi)管3的整個長度并圍繞著內(nèi)管3設(shè)置。螺旋管7在其端部處通入冷卻介質(zhì)排出管10，冷卻介質(zhì)排出管10則穿過外管8向外伸出。
在對內(nèi)燃機排出的熱廢氣進行冷卻的過程中，熱廢氣通過入口1進入外管8中。熱廢氣在此處與擋板11相遇，從而將流體分開并產(chǎn)生第一渦流。圖中示意性地通過箭頭表示了這個渦流。在擋板11上已經(jīng)發(fā)生與流入內(nèi)管3中的冷卻介質(zhì)的第一次間接接觸，從而已經(jīng)產(chǎn)生首次冷卻效果。此后，已經(jīng)流入的優(yōu)選為氣體的熱介質(zhì)在擋板11處轉(zhuǎn)向，進入外管8和內(nèi)管3之間形成的環(huán)形空間。螺旋管位于這個環(huán)形空間中，在本實施例中該螺旋管在徑向方向上位于內(nèi)管3的壁和外管8的壁之間的大約中間的位置。一方面通過由螺旋管7構(gòu)成的流動阻力，同時也通過在被流入的新鮮冷卻介質(zhì)所冷卻的內(nèi)管3的壁和由于流過已經(jīng)變熱的冷卻介質(zhì)而變熱的螺旋管7的壁之間的對流，強制流入外管8中的優(yōu)選為氣體的介質(zhì)形成渦流。這在圖中右側(cè)上、在螺旋管7的最上方的匝處以相應(yīng)的箭頭予以表示。通過這種渦流，流入的優(yōu)選為氣體的介質(zhì)，便在外管8中行進很長一段路程，并與冷卻介質(zhì)流過的元件內(nèi)管3--和螺旋管7--的表面充分接觸。
在流過外管8或螺旋管7的整個長度以及經(jīng)歷由此而形成的強烈的渦流之后，被冷卻的優(yōu)選為氣體的介質(zhì)，便從出口2排出。
從冷卻介質(zhì)供入管9穿過內(nèi)管3和螺旋管7直至冷卻介質(zhì)排出管10的冷卻介質(zhì)流也是通過箭頭表示的。
在根據(jù)本發(fā)明的、圖中所示的熱交換器的實施例中，內(nèi)管3的直徑d為60mm，螺旋管的直徑ds，即從外壁至外壁測量的直徑為110mm，外管直徑D為150mm，外管長度在200至300mm之間，入口1和出口2的直徑(圖中沒有表示)大約為50至60mm?？梢杂镁哂袌A形橫截面、直徑為15mm的銅管作為螺旋管7。
這種熱交換器用于將從內(nèi)燃機中排出的大約1000℃或更高溫度的廢氣冷卻到大約50℃。為此，將室溫條件(大約25℃)下的n-丁烷輸入冷卻介質(zhì)供入口，然后，這些n-丁烷以大約120℃的溫度從冷卻介質(zhì)排出口排出。為了輸送n-丁烷冷卻介質(zhì)，采用一個大約30巴的泵。作為變換，也可以不用n-丁烷而是使用水或其它流體或流體混合物。
基于其尺寸的原因，根據(jù)本發(fā)明的熱交換器可以安裝在汽車排氣系統(tǒng)中，或者作為三元催化器或消聲器的附件。
作為對廢氣進行強烈冷卻的有益效果，廢氣中所含的有害物質(zhì)，那些在采用三元催化技術(shù)的時候必須排出的有害物質(zhì)，沉淀在熱交換器中。這說明，通過快速地將廢氣從內(nèi)燃機中排出的溫度冷卻到水的露點便形成了水。這種水幾乎完全溶解了在廢氣流中所包含的有害成分。利用在將廢氣冷卻到水的露點而形成的水可以產(chǎn)生一種附加的冷卻效果，因為水也吸收了一部分熱量。
另外，因為所有的氣體的溫度升高1℃便膨脹1/126并且在溫度降低的時候又收縮，氣體在高于100℃的溫度差時體積變化最小。這就使得在采用本發(fā)明的熱交換器對從汽車內(nèi)燃機中排出的廢氣進行冷卻時幾乎可以完全不用消聲裝置，并且普通的消聲器直至終端消聲器都可以不用。
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器并不局限于在上述實施例中所描述的用途，而是可以用于對各種各樣的介質(zhì)進行加熱或冷卻。例如可以想象，為了冷卻發(fā)電廠或工業(yè)設(shè)備排出的廢氣而采用一個類似的大尺寸的相應(yīng)比例的熱交換器，這時也可以通過上述建議的冷卻而實現(xiàn)對氣體的清潔作用。
當(dāng)然，這種熱交換器也可以僅僅用作熱交換而沒有清潔作用。
至此，本發(fā)明的效果和范圍詳見限定本發(fā)明范圍的權(quán)利要求。
1入口2出口3內(nèi)管4下管端5冷卻介質(zhì)入口6排出管7螺旋管8外管9冷卻介質(zhì)供入管10冷卻介質(zhì)排出管11擋板12熱交換器D直徑d直徑ds直徑L長度
權(quán)利要求
1.用于在兩種介質(zhì)之間進行熱交換的熱交換器，具有一個外管(8)和一個內(nèi)管(3)，外管(8)具有用于被冷卻介質(zhì)的入口(1)和出口(2)，內(nèi)管(3)設(shè)置在外管(8)中，其與入口(1)相對的一側(cè)封閉，而與出口(2)相對的一側(cè)與冷卻介質(zhì)入口(5)相連并且具有一個冷卻介質(zhì)出口，冷卻介質(zhì)出口通到內(nèi)管(3)與出口(2)相對的一側(cè)并通入由此沿入口(1)的方向圍繞著內(nèi)管(3)纏繞的螺旋管(7)，螺旋管(7)通入冷卻介質(zhì)排出管(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，內(nèi)管(3)的冷卻介質(zhì)出口(7)連接排出管(6)上，排出管(6)在內(nèi)管(3)中向著內(nèi)管(3)與入口(1)相對的一側(cè)延伸。
3.如權(quán)利要求1或2之一所述的熱交換器，其特征在于，內(nèi)管封閉一側(cè)上設(shè)有用于通過入口(1)流入外管(8)中的被冷卻介質(zhì)的擋板。
4.如前述權(quán)利要求之一所述的熱交換器，其特征在于，螺旋管(7)至少沿著內(nèi)管(3)的整個長度在其附近延伸。
5.如前述權(quán)利要求之一所述的熱交換器，其特征在于，螺旋管(7)相對內(nèi)管(3)的壁和外管(8)的壁有徑向間隙地設(shè)置。
6.如權(quán)利要求5所述的熱交換器，其特征在于，螺旋管(7)相對內(nèi)管(3)的壁的徑向間隙與其相對外管(8)的壁的徑向間隙基本相同。
7.如前述權(quán)利要求之一所述的熱交換器，其特征在于，至少螺旋管(7)由具有良好導(dǎo)熱性能的材料，優(yōu)選銅構(gòu)成。
8.利用權(quán)利要求1至7之一所述的熱交換器冷卻從內(nèi)燃機中排出的燃燒廢氣，尤其是從機動車發(fā)動機中排出的燃燒廢氣。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明提供一種用于在兩種介質(zhì)之間進行熱交換的熱交換器，該熱交換器具有一個外管(8)和一個設(shè)在外管(8)中的內(nèi)管(3)，外管(8)具有用于被冷卻介質(zhì)的入口(1)和出口(2)，內(nèi)管(3)與入口(1)相對的一側(cè)封閉，其與出口(2)相對的一側(cè)與冷卻介質(zhì)入口(5)相連并且具有一個冷卻介質(zhì)出口，冷卻介質(zhì)出口通到內(nèi)管(3)與出口(2)相對的一側(cè)并通入由此沿入口(1)的方向圍繞著內(nèi)管(3)纏繞的螺旋管(7)，螺旋管(7)通入冷卻介質(zhì)排出管(10)。
文檔編號F28D7/02GK101080605SQ200580043483
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月18日
發(fā)明者烏韋·漢森 申請人:新能源應(yīng)用有限公司