ВОЗДУШНО-ЖИДКОСТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F02M31/20 F28F1/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к теплообменникам, и, в частности, к теплообменнику для применения в качестве охладителя наддувочного воздуха двигателя.

Уровень техники

Известно, что автомобильные двигатели с наддувом оснащают охладителем наддувочного воздуха (воздушного заряда) с целью охлаждения воздуха перед его впуском в двигатель. В традиционных схемах охладитель наддувочного воздуха (который часто называют промежуточным охладителем или интеркулером) устанавливают в передней части автомобиля, и при этом наддувочный воздух охлаждается наружным воздухом, который обтекает охладитель при движении автомобиля. Такие промежуточные охладители необходимо выполнять большого размера из-за их низкой эффективности. Их трудно устанавливать на автомобиле, поскольку для них требуется воздуховод большого диаметра, отходящий от передней стороны автомобиля - источника наддувочного воздуха к двигателю. Кроме того, если не предусмотрены средства принудительной прокачки воздуха через промежуточный охладитель, то располагаемая степень охлаждения очень ограничена, когда автомобиль неподвижен или движется с малой скоростью. Помимо этого на располагаемую степень охлаждения влияет температура наружного воздуха, проходящего через промежуточный охладитель, и поэтому, когда двигатель должен работать с высокой нагрузкой при высокой наружной температуре, приходится использовать более крупный охладитель, чем это необходимо при более низкой наружной температуре.

Известно также, что для решения указанных проблем, в целях охлаждения воздушного заряда перед его подачей в двигатель предусматривают воздушно-жидкостный теплообменник, который часто называют водяным охладителем воздушного заряда, WCCAC (Water Cooled Charge Air Cooler). В охладителе WCCAC наддувочный воздух с целью охлаждения проходит через закрытую камеру или корпус. Корпус содержит теплообменник, у которого имеется ряд каналов, через которые проходит жидкий хладагент, и ряд ребер, которые имеют тепловую связь с указанными каналами, и которые обтекает подлежащий охлаждению наддувочный воздух.

Такие известные теплообменники в сечении обычно имеют прямоугольную или квадратную форму, при этом площадь сечения потока наддувочного воздуха на входе в теплообменник по существу равна площади сечения потока наддувочного воздуха на выходе из теплообменника.

Но раз ребра расположены в пределах потока наддувочного воздуха, то понятно, что есть возможность отрегулировать ребра так, чтобы эффективность теплообменника увеличилась.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в создании теплообменника воздушно-жидкостного типа, обладающего увеличенной эффективностью.

В соответствии с изобретением в его первом аспекте, предлагается теплообменник, содержащий трубчато-реберный блок, расположенный с возможностью передачи воздушного потока со стороны впуска трубчато-реберного блока на сторону выпуска трубчато-реберного блока, при этом площадь сечения воздушного потока на стороне впуска трубчато-реберного блока больше, чем площадь сечения воздушного потока на стороне выпуска трубчато-реберного блока.

Трубчато-реберный блок может характеризоваться первой шириной на стороне впуска воздуха и второй шириной на стороне выпуска воздуха, причем первая ширина больше второй ширины.

Трубчато-реберный блок может иметь трапецеидальную форму.

Трубчато-реберный блок может содержать ряд теплопередающих секций, через которые при работе теплообменника течет теплопередающая жидкость в направлении поперек трубчато-реберного блока, и ряд реберных секций, которые установлены между соседними теплопередающими секциями и образуют воздушные каналы, через которые при работе теплообменника проходит воздух в направлении вдоль трубчато-реберного блока от стороны впуска воздуха к стороне выпуска воздуха трубчато-реберного блока.

Теплопередающие секции могут быть расположены параллельно друг другу, и образовывать между собой промежутки, в которых расположены реберные секции.

Каждая теплопередающая секция может представлять собой плоскую пластину, содержащую ряд параллельных друг другу каналов, выполненных за одно целое с пластиной, при этом каждая теплопередающая секция ориентирована так, что указанные каналы проходят в направлении поперек трубчато-реберного блока.

Каждая из плоских пластин может иметь трапецеидальную форму.

Каждый реберный блок может содержать ряд ребер, образующих воздушные каналы, причем указанные ребра могут сходиться в направлении движения воздушного потока через трубчато-реберный блок, так что шаг ребер на стороне впуска воздуха в трубчато-реберный блок больше шага ребер на стороне выпуска воздуха из трубчато-реберного блока.

Каждая реберная секция может представлять собой гофрированное изделие из листового материала, которое образует ряд ребер.

Теплообменник может являться охладителем наддувочного воздуха для двигателя, при этом воздух, проходящий через трубчато-реберный блок, может являться наддувочным воздухом для двигателя.

В соответствии с изобретением в его втором аспекте, предлагается система двигателя, содержащая двигатель внутреннего сгорания, источник наддувочного воздуха для двигателя и промежуточный охладитель для охлаждения воздуха, поступающего в двигатель, причем указанный промежуточный охладитель содержит герметичный корпус, связанный выпускным отверстием с впускным воздушным отверстием двигателя, и теплообменник, выполненный в соответствии с изобретением в его первом аспекте, и установленный в указанном корпусе, при этом корпус выполнен с возможностью приема наддувочного воздуха и передачи наддувочного воздуха в двигатель через выпускное отверстие корпуса.

Система может дополнительно содержать нагнетатель воздуха для увеличения давления наддувочного воздуха, при этом промежуточный охладитель может быть выполнен с возможностью охлаждения наддувочного воздуха, поступающего от нагнетателя воздуха к двигателю.

Нагнетатель воздуха может представлять собой турбонагнетатель.

Система может дополнительно содержать систему охлаждения для двигателя, при этом жидкий хладагент может подаваться к теплообменнику из системы охлаждения двигателя.

Краткое описание чертежей

Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему системы двигателя, которая соответствует изобретению в его втором аспекте, и содержит теплообменник, соответствующий изобретению в его первом аспекте,

фиг.2a схематически в горизонтальной проекции изображает теплообменник, соответствующий изобретению в его первом аспекте,

фиг.2b представляет вид торца теплообменника, показанного на фиг.2a, в направлении стрелки «X» фиг.2a, изображающий сторону впуска воздуха в теплообменник,

фиг.2c представляет вид торца теплообменника, показанного на фиг.2a, в направлении стрелки «Y» фиг.2a, изображающий сторону выпуска воздуха из теплообменника,

фиг.2d представляет боковую проекцию теплообменника, показанного на фиг.2a, в направлении стрелки «Z» фиг.2a,

фиг.3 в перспективной проекции изображает охладитель наддувочного воздуха в сборе для двигателя с наддувом, содержащий теплообменник типа, изображенного на фиг.2a-2d,

фиг.4 в горизонтальной проекции представляет промежуточный охладитель в сборе, изображенный на фиг.3, с показом направления течения жидкого хладагента через теплообменник и направления течения через теплообменник наддувочного воздуха,

фиг.5a в перспективной проекции изображает воздушно-жидкостный теплообменник, отвечающий существующему уровню техники,

фиг.5b в горизонтальной проекции представляет теплообменник, изображенный на фиг.5a, с показом направления течения через теплообменник наддувочного воздуха,

фиг.5c изображает график скорости наддувочного воздуха по мере его прохождения через теплообменник, показанный на фиг.5a,

фиг.5d изображает график температуры наддувочного воздуха по мере его прохождения через теплообменник, показанный на фиг.5a,

фиг.5e изображает график плотности расположения лопаток (ребер) в теплообменнике, показанном на фиг.5a,

фиг.6a в перспективной проекции изображает воздушно-жидкостный теплообменник, построенный в соответствии с настоящим изобретением в его первом аспекте,

фиг.6b в горизонтальной проекции представляет теплообменник, изображенный на фиг.6a, с показом направления течения через теплообменник наддувочного воздуха,

фиг.6c изображает график скорости наддувочного воздуха по мере его прохождения через теплообменник, показанный на фиг.6a,

фиг.6d изображает график температуры наддувочного воздуха по мере его прохождения через теплообменник, показанный на фиг.6a,

фиг.6e изображает график плотности расположения лопаток (ребер) в теплообменнике, показанном на фиг.6a.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена система 5 двигателя, содержащая двигатель 10 с наддувом. В данном случае, наддув двигателя осуществляется турбонагнетателем 20, содержащим турбину 21, приводимую в движение отработавшими газами, которая приводит в движение воздушный компрессор 22. Однако, следует понимать, что турбонагнетатель 20 может быть заменен компрессором наддува (не показан).

Отработавший газ выходит из двигателя, как показано стрелкой «A», и протекает через турбину 21, заставляя ее приводить во вращение компрессор 22, что хорошо известно в данной области техники. После прохождения через турбину 21 отработавший газ выходит в атмосферу, как показано стрелкой «B», обычно после пропускания через одно или более устройств (не показаны) снижения токсичности выбросов и через один или более глушителей (не показаны).

Вращение воздушного компрессора 22 приводит к всасыванию воздуха через воздушный фильтр 12, как показано стрелкой «C». В компрессоре 22 воздух подвергается сжатию, выходит из компрессора в виде наддувочного воздуха, как показывает стрелка «D», а затем проходит по воздуховоду 13 и поступает в герметичный корпус 14 (изображен пунктирной линией), как показано стрелкой «E». Внутри герметичного корпуса 14 установлен теплообменник 15 трапецеидальной формы, при этом наддувочный воздух поступает в теплообменник 15 со стороны 15a впуска, а выходит из теплообменника со стороны 15b выпуска. Для охлаждения наддувочного воздуха через теплообменник 15, как показано стрелкой «G», циркулирует жидкий хладагент, например, вода из системы (на фиг.1 показана штрих-пунктирной линией) охлаждения двигателя 10. После выхода из теплообменника 15 охлажденный наддувочный воздух поступает непосредственно во впускной коллектор двигателя 10, как показано стрелкой «F». Следует отметить, что корпус 14 расположен близко к впускному воздушному отверстию двигателя 10, и длина воздуховода для связи с двигателем значительно сокращена. Следует понимать, что система 11 охлаждения двигателя будет включать в себя один или более радиаторов, циркуляционный насос и клапаны для управления потоком хладагента через радиатор (-ры) и двигатель 10.

На фиг.2a-2d изображен трапецеидальный трубчато-реберный теплообменник, построенный в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Трубчато-реберный блок 15 содержит сторону 15a впуска шириной «W1» и общей высотой «Ht», и сторону 15b выпуска шириной «W2», общей высотой «Ht» и длиной «L».

Трубчато-реберный блок 15 содержит ряд теплопередающих секций 31, 32, 33 и 34, через которые при работе теплообменника проходит жидкая теплопередающая среда, например, течет хладагент на водной основе в направлении поперек трубчато-реберного блока 15.

Между соседними теплопередающими секциями 31, 32, 33 и 34 вставлены реберные секции 41, 42 и 43, каждая из которых содержит ряд лопаток или ребер, образующих воздушные каналы, через которые при работе теплообменника проходит воздух в продольном направлении трубчато-реберного блока 15 от стороны 15a впуска к стороне 15b выпуска.

Теплопередающие секции 31, 32, 33 и 34 расположены параллельно друг другу, так что между ними образованы одинаковые промежутки высотой «Н», в которые помещены реберные секции 41, 42 и 43.

Каждая из теплопередающих секций 31, 32, 33 и 34 состоит из плоской теплопроводящей металлической пластины, содержащей ряд отверстий, выполненных в пластине и расположенных параллельно друг другу. Другими словами, через каждую плоскую пластину проходит ряд микроотверстий, и данные микроотверстия образуют каналы, через которые при работе теплообменника течет жидкий хладагент. Теплопередающие секции 31, 32, 33 и 34 могут быть удобным образом изготовлены путем экструзии алюминия или алюминиевого сплава, и за одно целое с пластиной получены встроенные микроотверстия.

Следует понимать, что каждая теплопередающая секция 31, 32, 33 и 34 может быть изготовлена иным способом из набора отдельных трубок, расположенных параллельно друг другу и скрепленных друг с другом посредством пайки твердым припоем, чтобы получился пакет трубок. Однако, использование пластин с микроотверстиями предпочтительно в силу простоты их изготовления и меньшей сложности по сравнению с пакетами трубок.

Независимо от выбранного способа изготовления каждой теплопередающей секции 31, 32, 33 и 34, указанные секции ориентированы так, что каналы проходят в поперечном направлении трубчато-реберного блока 15. То есть поток жидкого хладагента, проходящий через теплопередающие секции 31, 32, 33 и 34, направлен поперек потока воздуха, проходящего через трубчато-реберный блок 15.

В изображенном предпочтительном варианте осуществления теплообменника, каждая реберная секция представляет собой гофрированную секцию 41, 42 и 43, изготовленную в виде единого ребристого листа, выполненного из теплопроводящего металла, например алюминия или алюминиевого сплава. Каждый ребристый лист имеет тепловую связь с соседними теплопередающими секциями 31, 32; 32, 33 и 33, 34, обеспечиваемую пайкой твердым припоем. Использование для гофрированной конструкции реберных секций 41, 42 и 43 тонкого листового материала с очень высокой теплопроводностью и крепление реберных секций 41, 42 и 43 к теплопередающим секциям 31, 32, 33 и 34 обеспечивает хорошую передачу тепла от воздуха, проходящего через трубчато-реберный блок 15, через гофрированные реберные секции 41, 42 и 43 к теплопередающим секциям 31, 32, 33 и 34, и тем самым способствует максимальному охлаждению пропускаемого воздуха.

Кроме того, за счет скрепления теплопередающих секций 31, 32, 33 и 34 с гофрированными реберными секциями 41, 42 и 43 обеспечивается хорошая механическая прочность трубчато-реберного блока 15, и нет необходимости в какой-либо усиливающей раме.

На фиг.2a, 3 и 4 хорошо видно, что каждая из пластин, образующих теплопередающие секции 31, 32, 33 и 34, имеет трапецеидальную форму; в данном случае - форму трапеции. Гофрированные реберные секции 41, 42 и 43 аналогично имеют трапецеидальную форму.

Индивидуальные ребра каждой реберной секции 41, 42 и 43 сходятся в направлении движения воздуха через реберно-трубчатый блок 15, так что шаг P1 ребер на стороне 15a впуска воздуха в трубчато-реберный блок 15 больше шага P2 на стороне 15b выпуска воздуха из трубчато-реберного блока 15. Иными словами, плотность расположения ребер на стороне 15b выпуска воздуха больше плотности расположения ребер на стороне 15a впуска воздуха.

Хотя в данном предпочтительном варианте осуществления теплообменника реберные секции сформированы из единого гофрированного куска листового материала, обладающего высокой теплопроводностью, следует понимать, что можно было бы использовать отдельные ребра, индивидуально прикрепленные к теплопередающим секциям 31, 32, 33 и 34, но сложность конструкции и стоимость изготовления значительно бы возросли.

Фиг.3 и 4 обе изображают применение трубчато-реберного теплообменника вышеописанного типа в качестве элемента охладителя наддувочного воздуха или промежуточного охладителя для двигателя с наддувом, такого как двигатель 10 на фиг.1.

Конструкция трубчато-реберного блока 115 такая же, что и трубчато-реберного блока 15, изображенного на фиг.2a-2d, за исключением того, что в блоке 115 имеются пять теплопередающих секций 131, 132, 133, 134 и 135 вместо четырех, и четыре реберных секции 141, 142, 143 и 144 вместо трех.

Коллектор 16 жидкого хладагента насажен и герметично закреплен на одной стороне трубчато-реберного блока 115, а камера 20 передачи хладагента насажена и герметично закреплена на противоположной стороне трубчато-реберного блока 115.

Коллектор 16 жидкого хладагента и камера 20 передачи хладагента герметично прикреплены посредством пайки твердым припоем к торцам теплопередающих секций 131, 132, 133, 134 и 135 и реберных секций 141, 142, 143 и 144 трубчато-реберного блока 115.

Хладагент, такой как вода или смесь воды с этиленгликолем, подается в коллектор 16 жидкого хладагента через патрубок 17 от источника хладагента, например, системы 11 охлаждения двигателя 10, и возвращается в систему 11 охлаждения через выпускной патрубок 18. Коллектор 16 жидкого хладагента содержит внутреннюю перегородку 19, которая герметично соединена с соответствующим торцом трубчато-реберного блока 115, к которому прикреплен коллектор 16 жидкого хладагента. Перегородка 19 разделяет коллектор 16 жидкого хладагента на сторону впуска и сторону выпуска, а также, если рассматривать движение хладагента, то разделяет трубчато-реберный блок 115 на заднюю часть 115R и переднюю часть 115F.

При работе теплообменника, как показано стрелками на фиг.4, жидкий хладагент втекает во все каналы теплопередающих секций 131, 132, 133, 134 и 135 в задней части 115R через впускной патрубок 17 и сторону впуска коллектора 16 жидкого хладагента, проходит через соответствующие каналы и вытекает в камеру 20 передачи хладагента, совершая тем самым первый проход через трубчато-реберный теплообменник 115. Затем хладагент вытекает из камеры 20 передачи хладагента через все каналы теплопередающих секций 131, 132, 133, 134 и 135 в передней части 115F трубчато-реберного блока 115, и затем выходит через выпускной патрубок 18.

Теплообменник, образованный трубчато-реберным блоком, коллектором 16 хладагента и камерой 20 передачи, устанавливают в герметичный металлический корпус (не показан), так чтобы в сочетании с корпусом получить охладитель наддувочного воздуха или промежуточный охладитель с сборе.

Хотя настоящее изобретение описано на примере конструкции с отдельным корпусом, следует понимать, что корпус можно было бы частично сформировать, как неотъемлемую часть трубчато-реберного блока 115, прикрепив при этом торцевые камеры к стороне впуска воздуха и стороне выпуска воздуха.

Корпус содержит впускное окно для впуска наддувочного воздуха в корпус, и выпускное окно для выпуска охлажденного наддувочного воздуха из корпуса. Выпускное окно корпуса соединяется с впускным коллектором или иным корпусным элементом двигателя 10 для впуска воздуха, так чтобы сделать минимальным расстояние между узлом промежуточного охладителя и двигателем 10. Весь наддувочный воздух, проходящий через корпус, вынужден проходить через трубчато-реберный блок 115, там охлаждаться и быть готовым к всасыванию двигателем 10. Впускной и выпускной патрубки 17 и 18 проходят через одну из стенок, образующих корпус, герметично уплотнены относительно корпуса, чтобы воздух не мог уходить из корпуса.

Следует понимать, что можно было бы использовать и другую организацию каналов жидкого хладагента, и что изобретение не ограничено вышеописанной схемой каналов жидкого хладагента, и применением коллектора охладителя и камеры передачи того типа, который был изображен и описан.

Далее, согласно фиг.5a-5e и 6a-6e, будет рассмотрен полезный эффект теплообменника, построенного в соответствии с настоящим изобретением, при этом указанные фигуры соответствуют прямоугольному трубчато-реберному блоку, отвечающему существующему уровню техники, и вышеописанному трапецеидальному трубчато-реберному блоку 115.

По причинам сравнительно низкой стоимости и простоты известные теплообменники обычно имеют прямые ребра и построены в виде блоков прямоугольного или квадратного сечения, как, например, на фиг.5a и 5b.

К примеру, который не ограничивает собой идею изобретения, в типовой задаче применения промежуточного охладителя может потребоваться охлаждение наддувочного воздуха приблизительно от 180°C (453°K) до приблизительно 45°C (318°K).

Когда производится охлаждение наддувочного воздуха, он сжимается, и плотность его увеличивается. Из-за того, что воздух сжимается, проходя через промежуточный охладитель, скорость наддувочного воздуха снижается.

Это изменение скорости можно оценить, используя объединенный газовый закон (уравнение Бойля) для идеального газа:

где:

V₁ - объем воздуха, поступающего в теплообменник;

V₂ - объем воздуха, выходящего из теплообменника;

T₁ - температура воздуха, поступающего в теплообменник;

T₂ - температура воздуха, выходящего из теплообменника;

P₁ - давление воздуха, входящего в теплообменник;

P₂ - давление воздуха, выходящего из теплообменника.

В случае прохождения воздуха через промежуточный охладитель, приближенный результат можно получить, полагая P₁=P₂.

Тогда, преобразовав уравнение 1, можно получить

Следовательно, в данном примере, объем воздуха на выходе из трубчато-реберного блока 1 будет приблизительно на 30% меньше объема воздуха на входе в промежуточный охладитель.

Применяя уравнение неразрывности потока жидкости, получим:

Если массовый расход через трубу постоянный, то можно сделать вывод, что:

ρ₁*A₁*U=ρ₂*A₂*U₂

Последнее выражение можно переписать так:

U₁=(ρ₂*A₂*U₂)/(ρ₁*A₁)

И если площади сечения потока на входе в трубу и на выходе из трубы одинаковы, то последнее выражение сводится к следующему:

Затем, используя результат уравнения 2 и соотношения:

ρ₁=1/V₁ и ρ₂=1/V₂, можно произвести и соответствующие замены в уравнении 4.

при этом:

Q - массовый расход через трубу;

ρ₁ и ρ₂ - плотность газа соответственно на входе в трубу и на выходе из трубы;

A₁ и A₂ - площадь живого сечения трубы соответственно на входе и выходе; и

U₁ и U₂ - скорость потока в трубе, соответственно, на входе и выходе.

Можно сделать вывод, что в теплообменнике, отвечающем существующему уровню техники и показанном на фиг.5a и фиг.5c, скорость воздуха на выходе также приблизительно на 30% меньше, чем на входе.

Это связано с тем, что в таком теплообменнике площади сечения воздушного потока на входе и выходе равны между собой, и плотность ребер или лопаток является постоянной, что показывает фиг.5e.

Поскольку аэродинамическое сопротивление и падение давления зависят от квадрата скорости, то потери из-за аэродинамического сопротивления можно ожидать равными половине в данном случае. Иными словами, сопротивление на выходе равно 0,7²~0,5 сопротивления на входе.

Фиг.5d изображает падение температуры по мере прохождения воздуха через трубчато-реберный блок 1.

Следовательно, в конструкции, отвечающей существующему уровню техники, в которой площадь сечения воздушного потока в каналах является постоянной, скорость воздушного потока значительно снижается по мере прохождения воздуха через трубчато-реберный блок 1, поскольку интервалы между ребрами постоянные; и такая конструкция неоптимальна.

Как показано на фиг.6a и 6b, за счет изменения межреберных интервалов или шага ребер, за счет использования более широких интервалов на стороне входа по сравнению со стороной выхода, имеет место меньшее снижение скорости воздуха по сравнению с конструкцией трубчато-реберного блока, отвечающей существующему уровню техники (сравнить фиг.6c с фиг.5c).

Поскольку и на стороне входа и на стороне выхода трапецеидального трубчато-реберного блока 115 имеется одинаковое число ребер, то есть имеется одинаковое число воздушных каналов, ширина трубчато-реберного блока на стороне впуска больше ширины блока на стороне выпуска воздуха (см. обозначения «W1» и «W2» на фиг.2a, 2b и 2c), и поскольку высота ребер постоянна, то это означает, что площадь сечения воздушного потока на стороне впуска трубчато-реберного блока 115 больше, чем на стороне выпуска.

Площади сечения воздушных потоков для трубчато-реберного блока 15, изображенного на фиг.2a-2b могут быть вычислены следующим образом:

AA₁=(3*H*W1)-(Af₁); и

AA₂=(3*H*W2)-(Af₂),

где:

AA₁ - площадь сечения воздушного потока на стороне впуска трапецеидального трубчато-реберного блока;

H - высота ребер;

W1 - ширина стороны впуска трапецеидального трубчато-реберного блока, через которую проходит воздушный поток;

Af₁ - суммарная площадь ребер, блокирующая течение воздуха на стороне впуска трапецеидального трубчато-реберного блока;

AA₂ - площадь сечения воздушного потока на стороне выпуска трапецеидального трубчато-реберного блока;

H - высота ребер;

W2 - ширина стороны выпуска трапецеидального трубчато-реберного блока, на через которую проходит воздушный поток; и

Af₁ - суммарная площадь ребер, блокирующая течение воздуха на стороне выпуска трапецеидального трубчато-реберного блока;

В силу того, что W1 больше, чем W2, а все остальные составляющие по существу постоянны, площадь сечения воздушного потока на стороне впуска будет больше площади сечения воздушного потока на стороне выпуска.

Следовательно, путем использования конструкции, отличающейся тем, что площадь сечения воздушного потока на выпуске меньше площади сечения воздушного потока на впуске, теплообменник может быть оптимизирован для конкретной задачи применения в отношении размера корпуса, падения давления и теплоотдачи.

Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что путем согласования размера корпуса, падения давления и теплоотдачи можно получить теплообменник для конкретной задачи применения с характеристиками, близкими к идеальным.

Другое преимущество использования трапецеидальной формы состоит в том, что построенный таким образом теплообменник будет направлять воздух в точку, за счет чего улучшается процесс втекания воздушного потока в расположенные после теплообменника элементы.

В зависимости от способа оптимизации теплообменника дополнительные преимущества изобретения могут включать:

- Меньший размер корпуса при том же охлаждающем эффекте;

- Меньший вес из-за уменьшения размера;

- Более эффективное охлаждение;

- Минимальное или нулевое влияние на стоимость изготовления по сравнению с теплообменниками, отвечающими существующему уровню техники, и предназначенными для той же цели.

Хотя изобретение было описано с конкретным упоминанием его применения в качестве промежуточного охладителя для двигателя с наддувом, следует понимать, что изобретение не ограничивается применением в качестве промежуточного охладителя, и может быть с пользой применено в других задачах.

Следует также понимать, что материалом, из которого построен трубчато-реберный блок, не обязательно должен быть алюминий или его сплав, и что могут быть использованы и другие материалы, обладающие высокой теплопроводностью и подходящими механическими свойствами.

Хотя изобретение было представлено и описано с упоминанием использования теплообменника трапецеидальной формы с равными углами каждой боковой стороны относительно продольной оси, которая образует ось симметрии, следует понимать, что могут быть использованы и другие формы для получения теплообменника, обладающего различной площадью впускного и выпускного отверстий, и что изобретение не ограничено теплообменником в форме равнобокой трапеции.

Также следует понимать, что конструкция ребер не обязательно должна иметь в своем сечении «V» образную форму. Ребра могли бы иметь «U» образную форму или какую-то другую, например, синусоидальную форму. Поэтому изобретение не ограничивается «V» образной формой ребер.

Хотя настоящее изобретение было описано на примерах предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области должно быть понятно, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами, и что могут быть созданы один или более иных вариантов, не выходящих за границы идеи и объема изобретения, установленные прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к теплообменникам, и, в частности, к теплообменнику для применения в качестве охладителя наддувочного воздуха двигателя. Воздушно-жидкостной теплообменник, содержащий трубчато-реберный блок (15, 115) трапецеидальной формы, содержащий ряд воздушных каналов, через которые проходит воздух, подлежащий охлаждению. Трапецеидальная форма теплообменника получена за счет использования неоднородных по сечению потока воздушных каналов, которые сужаются от стороны впуска воздуха к стороне выпуска воздуха. За счет использования таких неоднородных по сечению потока воздушных каналов теплообменник может быть оптимизирован в отношении размера корпуса, падения давления и теплоотдачи, чтобы соответствовать конкретной задаче применения. Техническим результатом является увеличение эффективности теплообменника. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Воздушно-жидкостный теплообменник, содержащий:

реберный блок, содержащий ребра, проходящие вдоль направления движения воздушного потока, причем соседние ребра сходятся друг с другом в направлении движения воздушного потока, образуя между ними воздушные каналы, имеющие площадь поперечного сечения на стороне впуска больше, чем площадь поперечного сечения на стороне выпуска при измерении площади сечения перпендикулярно направлению движения воздушного потока;

первую и вторую пластины, контактирующие с соответствующими противоположными сторонами реберного блока и имеющие соответствующие первые параллельные кромки, совпадающие с концами воздушных каналов на стороне впуска, и вторые параллельные кромки, более короткие, чем первые, и совпадающие с концами воздушных каналов на стороне выпуска, при этом каждая пластина содержит внутренние каналы, проходящие перпендикулярно направлению движения воздушного потока и несущие жидкий хладагент; и

первый и второй коллекторы, прикрепленные к указанным пластинам и соединенные по жидкостной среде с указанными внутренними каналами.

2. Теплообменник по п. 1, отличающийся тем, что реберный блок содержит гофрированное изделие из листового материала, которое формирует ребра.

3. Система двигателя внутреннего сгорания, содержащая двигатель внутреннего сгорания, источник наддувочного воздуха для двигателя и промежуточный охладитель для охлаждения воздуха, поступающего в двигатель, причем промежуточный охладитель содержит герметичный корпус, связанный выпускным отверстием с впускным воздушным отверстием двигателя, и теплообменник, установленный в указанном корпусе, при этом корпус выполнен с возможностью приема наддувочного воздуха и передачи наддувочного воздуха в двигатель через выпускное отверстие корпуса, причем указанный теплообменник содержит трубчато-реберный блок, расположенный с возможностью передачи воздушного потока со стороны впуска трубчато-реберного блока на сторону выпуска трубчато-реберного блока, при этом площадь сечения воздушного потока на стороне впуска трубчато-реберного блока больше, чем площадь сечения воздушного потока на стороне выпуска трубчато-реберного блока.

4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит нагнетатель воздуха для увеличения давления наддувочного воздуха, при этом промежуточный охладитель выполнен с возможностью охлаждения наддувочного воздуха, поступающего от нагнетателя воздуха к двигателю.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что нагнетатель воздуха представляет собой турбонагнетатель.

6. Система по п. 3, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему охлаждения для двигателя, при этом жидкий хладагент подается к теплообменнику из системы охлаждения двигателя.

7. Промежуточный охладитель для двигателя внутреннего сгорания, содержащий:

теплопередающие пластины, расположенные параллельно друг другу с образованием между ними промежутков, причем указанные пластины имеют соответствующие первые параллельные кромки, совпадающие с концом забора воздуха, и вторые параллельные кромки, более короткие, чем первые, и совпадающие с концом выпуска воздуха, при этом каждая пластина содержит внутренние каналы, несущие жидкий хладагент и проходящие перпендикулярно направлению движения воздушного потока между указанными пластинами; и

реберные блоки, расположенные в указанных промежутках и контактирующие с парами соседних пластин, причем по меньшей мере один реберный блок содержит ребра, проходящие вдоль направления движения воздушного потока, причем соседние ребра сходятся друг с другом в направлении движения воздушного потока таким образом, что первый интервал между соседними ребрами на конце забора воздуха больше, чем второй интервал между соседними ребрами на конце выпуска воздуха, при этом соседние ребра образуют между ними воздушные каналы, имеющие площадь на стороне впуска больше, чем площадь на стороне выпуска при измерении площади перпендикулярно направлению движения воздушного потока.

8. Охладитель по п. 7, отличающийся тем, что по меньшей мере один реберный блок содержит гофрированное изделие из листового материала, которое формирует ребра.

9. Теплообменник, содержащий:

две трапецеидальные пластины, имеющие первые параллельные кромки, задающие первую ширину на конце стороны забора воздуха, и вторые параллельные кромки, более короткие, чем первые, и задающие вторую, меньшую ширину на конце стороны выпуска воздуха, и внутренние каналы для текучей среды, проходящие перпендикулярно направлению движения воздушного потока между указанными пластинами; и ребра, проходящие вдоль направления движения воздушного потока, причем соседние ребра сходятся друг с другом в направлении движения воздушного потока таким образом, что воздушные каналы, заданные между соседними ребрами, имеют площадь стороны забора воздуха больше, чем площадь стороны выпуска воздуха.

10. Теплообменник, содержащий:

две пластины, имеющие конец стороны забора воздуха и конец стороны выпуска воздуха с шириной меньше, чем конец стороны забора воздуха, и внутренние каналы для текучей среды, проходящие перпендикулярно направлению движения воздушного потока между указанными пластинами; и

гофрированное изделие из листового материала, имеющее ребра, проходящие вдоль направления движения воздушного потока, причем соседние ребра сходятся в направлении движения воздушного потока, задавая воздушные каналы между соседними ребрами, которые имеют площадь стороны забора воздуха больше, чем площадь стороны выпуска воздуха.