专利名称：热交换装置以及工作介质的调节方法
技术领域：
本发明涉及一种热交换装置以及一种用来调节工作介质-即工质的方法，特别是通过该热交换装置来调节该工质。
背景技术：
在一种热交换装置中，工质通过换热面与热交换介质进行热量交换从而达到所要求的工作点。这类热交换装置已公开多种。例如，这种热交换装置可以是汽车散热器，它的工质是发动机的冷却液，而热交换介质则是所流经的周围空气。而内燃机之类的发动机的其它工质也需要使用热交换介质。例如，内燃机的燃烧用空气在回到燃烧腔室之前被一个热交换器冷却。同样已为人所知的是，为了操纵汽车制动或汽车发动机制动，需压缩空气冷却。
这些已公开的热交换器是特殊的部件，它们被安装在单独的外壳之内，并且只是部分地参加到发动机的的整个冷却系统中。
在这种热交换器中，工质以强制流动的方式流经一个区域，而热交换介质也流经这个区域，其缺点在于，外壳必须相应匹配并且耐压性好；此外，还必须以强制的方式使工质流动。因此，本发明的目的是提供一种热交换装置，从而以一种尽可能简单的方式对工质进行调节。
发明内容
本发明的目的是由本发明所涉及的一种热交换装置实现的。本发明所涉及的一种工质的调节方法同样适用于实现本发明目的。
在一个热交换装置中，通过热交换介质来调节工质。在这一过程中，调节是通过工质和热交换介质之间的热交换来达到所需要的工作点。为此目的，换热面在热交换装置中形成，而两种介质之间相互分隔并通过这一换热面进行热量交换。在本发明中，一个腔室相应形成，工质则流入到这个腔室中。这个腔室至少有一部分被一根管道贯穿，而热交换介质在这根管道中流过。
在这种结构中，工质不必主动地流过换热面，这样，热交换就可以在部分强制流动或完全没有强制流动的情况下通过自由的对流实现。在这种情况下，工质的调节就特别指对工质的冷却。
按照本发明的优选结构，所述腔室在其纵向长度为最大的这一方向上至少被一根管道贯穿。管道沿着腔室的纵向长度为最大的这一方向，可以使管道在腔室中的表面积尽可能的大，从而形成一个尽可能大的换热面。如果热量交换主要是或者几乎仅仅通过自由的对流实现，这种结构对热量交换就尤为有利。
按照本发明的优选结构，至少一根管道具有热交换翅片，如换热片。热交换翅片用来增大管道的表面，从而增大换热面，进而提高两种介质之间的热量交换。按照一个优选改型，热交换翅片布置在管道的外侧，并从管道向腔室中突出。这样将尤其增大由热交换翅片形成的、与工质接触的换热面面积。通过采用合适的、导热性好的材料如金属，可以提高材料中的热传导。这样，即使热交换翅片的内侧没有被热交换介质流过，表面的增大也能发挥效果。按照实际情况以及工质进出腔室的要求，也可以使热交换翅片的延伸方向垂直于腔室中管道的延伸方向，这有利于形成良好的热量交换。在这里，特别具有优点的是，将翅片与重力的作用方向平行布置。
按照本发明的优选改型，热交换翅片按照工质流入腔室的方向和/或流出腔室的方向形成。
按照本发明的另一个优选结构，至少一根管道布置在腔室的至少一个流入口的区域。通过将管道布置在流入口的区域，使管道出现强制性的绕流，这样，除了一种单纯的自由对流的热量交换之外，还部分地出现了一种强制对流的热量交换。按照另外的结构，也可以为腔室设置多个流入口，在每个流入口区域都有一根管道。当然也可以为多个流入口设置一根共同的管道。特别是，也可以出现以下情况只设置少量的管道，而其中的每个管道布置在多个流入口区域。另一方面，也可以为每个流入口设置另一根只属于它的管道。这样，管道的数量与流入口的数量至少是相同的。
同样地，作为替代性的或补充性的设置，至少一根管道布置在至少一个流出口区域。在这里，当工质从腔室中流出时，管道的绕流也导致一种强制对流，从而形成对自由对流的补充。特别是在这种情况下，每个流出口区域都布置一根管道。在这种情况下，一根管道同样也可以对应多个流出口。但也可以这样设置每个流出口都有另一个相对应的管道。而流入口和流出口也可以为同一个开口，也就是说，一个开口在循环上可以既作为流入口也作为流出口。
按照特殊的结构，每根管道对应至少一个流入口，优选的是精准地对应一个流入口，并且对应至少一个流出口，优选的是至少精准地对应一个流出口。尤其是，可以设置一根管道对应多个流入口，但只对应一个流出口。
按照一种具有优点的方式，当工质在从流入口开始的或流向流出口的流路上直接流经设有热交换翅片的区域，那么这个区域就可以被介质很好地穿流。这样就使流入或流出的工质出现一种特别有益的强制流动，从而提高强制对流的效率。
按照本发明的一个优选结构，腔室成为工质的一个储存器。通过这种方法，一个可能需要的储存器同时成为一个热交换装置。这样就可以省去热交换装置的单独的外壳。这种结构的优点特别在于，对热交换装置的外壳的结构要求至少在主要部分上与一个储存器相同。两者对密封性、耐压性和热允许负荷的要求基本一致。
在本发明的进一步改型中，腔室也可以成为蓄压器。特别是当工质为气相时，蓄压器具有以下优点处于压力之下的工质与热交换介质之间的热量交换优于大气压力下的工质与热交换介质的热量交换。
按照发明的另一个改型结构，腔室成为发动机部件或压缩机部件、特别是发动机废气循环系统、废气循环装置或制动装置的组成部分。无论热交换装置是否具有储存器的功能，一旦使其成为功能元件，将会大幅度降低热交换装置的制造成本。按照优选的结构，热交换装置所需的腔室可以直接成形在发动机组区域上或成为其组成部分。这样，就可以用特别简单的方式制成腔室。
在本发明中，通过热交换介质对工质进行调节的方法规定，工质流入一个腔室中，而热交换介质则通过一根贯穿这个腔室的管道从这个腔室流过。这种工作方式使得热量交换能够不再依靠工质强制穿流经过热交换器的方式实现。按照具有优点的方式，工质在腔室中的调节至少部分地通过自由对流。这种热量交换可以通过特别简单方便的方式实现。按照具有优点的实施方式，工质至少在流入或流出腔室的时候流经一个带有热交换翅片的区域。介质流经带有热交换翅片的区域，从而形成了一种强制性的对流，它将提高热交换的效率，但不会要求工质必须强制穿流热交换装置。总之，它只会充分利用已有的工质的流动。这种流动尤其是通过压降产生，或者在大多数情况下，它的产生具有介质自动形成的流动特征，除了工质必需的绕流或者从腔室中流出的情况。按照优选的方式，热交换翅片应沿着工质的流入或流出方向定向，这样工质就可以特别方便地从翅片中间流过。这种定向方式将会减少流动阻力，同时使介质可以很好地从热交换翅片之间穿过。
按照本发明中方法的优选实施方式，热交换翅片沿着对流流动的方向定向。在停留时间相当长和腔室中的结构有利于对流流动的情况下，这种定向将促进对流流动在腔室中的生成。这种流动面临的流动阻力小，并且可以很好地围绕热交换翅片流动，从而加强了自由对流。如果与腔室的容积相比工质的流出量相对较少，并且流动速度低，将会首先出现对流流动。通过腔室的这种结构和腔室的容积，可以使工质得到很好的调节，因为通过工质在腔室中与之相关的、较长的平均停留时间，工质和热交换介质之间能够实现非常良好的热量交换。当然也可以在布置流入口和流出口时，通过它们的穿流方向以及在腔室上的位置来促进对流流动的产生。
按照本方法的另外的优选实施方式，工质在腔室中被施加压力。当工质处于气相状态时，这种工质在腔室中的增压储存尤其具有优点。通过增压可以提高质点的密度，从而改善自由对流所进行的热量交换。通过具有优点的方式，工质可以用于汽车发动机(内燃机)、制动装置或蓄压器的运行。
优选的方式是，本发明中的方法通过根据本发明形成的热交换装置实施。
下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。其中图1为本发明中的热交换装置的第一个实施例的横截面示意图；图2为本发明中的热交换装置的第二个实施例的横截面示意图；图3为本发明中的热交换装置的第三个实施例的纵截面示意图；图4为本发明中的热交换装置的第四个实施例的纵截面示意图；图5为本发明中的热交换装置上管道区域处的热交换翅片；图6为第五个热交换装置的横截面示意图；图7为第六个热交换装置的横截面示意图；图8为一个热交换装置的纵截面示意图；
图9为一个热交换装置变型实施形式的纵截面示意图。
具体实施例方式
图1到图4中为腔室和布置在其中的管道的不同实施例，其中，热交换翅片在管道上成形。这些实施例的不同在于腔室10的不同结构、至少一个的流入口和流出口的不同形式以及至少一根管道在腔室中所具有的不同定位。
图1中为热交换装置99，它带有一个腔室10，其截面为矩形。在这里，这个腔室形成了工质的储存器，特别是在工质被施加压力的情况下。
在图中所示的实施形式中，腔室10被三根管道20贯穿，而热交换介质21在管道20中流过。同时三根管道20中的每根都在外面被热交换翅片22包围。在图示平面中可以看到流入口11，工质13通过它进入到腔室10中。在这里，三根管道20的布置使得进入的工质13直接从管道旁掠过或穿过热交换翅片区域。在图中所示的实施形式中，流入口11对应着多个管道20。在热交换装置99的纵向上，还可以对应这些管道布置另外的流入口，或者作为替代或补充，相应地布置一个或多个流出口12，如后面的图3和4中的纵截面图所示。
在这里，工质13和热交换介质21之间的热量交换，一方面通过工质13流入时与热交换翅片22的接触得以实现，另一方面通过工质13随后在腔室10中的停留并且以自由对流的方式冷却而实现。
在图1中所示的发明的实施例中，管道20由圆管构成，它们由外部轮廓同样为圆形的热交换翅片所包围，这些翅片优选地位于一个以管道20为轴心沿径向延伸的平面内，如图5所示。
图2中为一个废气热交换装置的变型结构。图1和2中的热交换装置基本相同，所以图2中只展示了两个结构之间的差别。在图2中，热交换翅片22的外部轮廓为矩形，这样，热交换翅片就构成了腔室的一个中间被隔断的区域，这个区域与热交换翅片间没有间隙区。另外还形成了一个单独的储存器14，它不带有热交换翅片，并且储存器容积与腔室10基本相同。除此之外，图2中的热交换装置99的结构与图1中相同。热交换翅片的这种结构，一方面增大了换热面，另一方面使流入的工质更好地穿过翅片区域。
图1和2显示的是本发明的热交换装置99结构的横截面。随后的图3和4显示的是腔室10的纵截面。
图3为带有腔室10的热交换装置99，它在纵向上被一根管道20贯穿。同时，管道20在其外侧带有向腔室10内部突出的热交换翅片，在这里，热交换介质21(图未示)按箭头23所示从管道中流过。其中，热交换翅片22按图中所示从管道20沿径向向四周突出。工质13(图未示)通过流入口11进入到工作腔室10中。流入口11则沿管道20的纵向走向依次布置，它们当然也可以不按图中所示在垂直方向上相互错开，并且不必对应同一根管道20。流入的工质13首先到达管道20和热交换翅片22的区域，并按箭头16所示方向穿过这些区域。另外，腔室10还具有一个储存区域14，在这个区域中没有热交换翅片22，并最大限度地储存工质13。在这个区域，工质通过自由对流进行调节，在这一过程中，工质和热交换介质之间进一步进行热量交换。所有的对热交换介质通过热量交换对工质进行调节的描述，要么是指对工质的冷却，要么是指对工质的加热。调节的类型仅取决于温差的走向。不论是加热还是冷却，本发明中的热交换装置的结构原理不受影响。
在图3中有两个作为替代或可同时使用的流出口12的布置形式。其中一个流出口12布置在流入口11的纵向延长方向上，而另一个则是沿轴向从储存区域向外布置。在第一个所述的流出口12的情况下，流出的工质13再次穿过带有至少一根管道20和热交换翅片22的区域，而在第二个所述的流出口的情况下，工质直接由储存区域14经流出口12流出，不再直接从热交换翅片22和管道20旁掠过。在这两种流出口的结构中可以设置一个阀15(图未示)来对流出介质进行控制，并且两个流出口的阀可以相互独立操作。
图4同样为热交换装置或加压冷却器的腔室10的纵截面图。在腔室10的纵向侧交替布置着流入口11和流出口12。在腔室10中，沿流入方向16首先为一个间隙区18。在间隙区18中布置着隔板19，它们将间隙区18中对应流入口和流出口的区域相互分隔开。
流入腔室10的工质首先按箭头16所示穿过流入口11，流经间隙区18到达带有热交换翅片22的区域。在这一过程中，介质绕流经过管道20。然后工质到达溢流区14。在本发明的这个结构中特别有利的是，热交换翅片22与管道20的纵向延伸相对，沿径向突出，介质从它们之间穿过，同时保证了与热交换翅片22所形成的换热面的长时间接触。在溢流区14，工质13通过自由对流得到进一步调节。工质受自由对流的调节也发生在间隙区18中。工质按箭头17所示流向流出口12，在这一过程中，管道20和热交换翅片22的区域被介质再次绕流或穿流经过。
另外，还可以设置一个直接从溢流区14向外的流出口12。并且也可以采用下列结构替代，即在侧面只布置流入口11，而两个流入口之间的间隙区18由隔板19相互隔开，并且各单独流入的工质只是在溢流区14才汇合在一起。然后，工质通过唯一的、直接从溢流区14向外的流出口12流出，这个流出口之前被称为是补充的流出口，并沿纵向从腔室10向外伸出。
图5中为翅片22，它们沿径向从管道20上突出。如果工质的流入或流出垂直于管道20的延伸方向并且在流入或流出时工质13相对于管道20内的穿流进行横向流动，使用这种定向的翅片22就特别有利。特别的是，热交换翅片与重力的作用方向平行。翅片的高度优选为1mm到约40mm之间，翅片间距优选为0.1到大约20mm之间。
图6是本发明的热交换装置的100的另一个实施例，它基本上与图1中所示的实施例相同。工质113首先经过流入口111进入到腔室110中。腔室110被管道120贯穿，热交换介质121从管道中流过，并且管道被热交换翅片122包围。为了增加热交换介质121和工质113之间的热量交换，在腔室110的壁130中设置了另一根用来容纳热交换介质121的管道140，这样腔室110就以管道140为界。管道140包围了腔室110的至少一部分。为了增加腔室110和管道140之间的换热面，壁130还带有热交换翅片150，它们在本实施例中与贯穿腔室110的管道120平行，并与热交换翅片122垂直。
图7中为热交换装置200，它与图6中的热交换装置100的基本区别在于，管道220的热交换翅片222在腔室210的截面中所占的比例较大，这样就使工质213和热交换介质221之间的换热面增大，与图2中所示的热交换装置99相似。
图8中为热交换装置300的纵截面图。热交换装置300基本上与图6中的热交换装置100相同，包括工质313的流入口311、腔室310和流出口312以及热交换介质321的流入口324、管道320、340和流出口325，其中，管道320和340带有热交换翅片322以及350。
工质313经过流入口311进入到腔室310中，然后沿箭头355所示从热交换翅片322流向热交换翅片350，然后沿箭头360所示方向流动，并沿箭头365、366之一所示再次流经热交换翅片322，并最终经流出口312从腔室310中流出。翅片322、350通过它们的布置成为流动介质313的导向件，这就使得工质和沿箭头370所示流动的热交换介质321之间的热量交换得到提高，并在必要时受到控制。
由于在热交换装置300上，流入口311与流出口312之间没有一一对应，这样，工质313可以任意通过一个或多个流入口311流进腔室310和/或通过一个或多个流出口312从腔室310中流出。
图9中是图8中所示热交换装置300的简化实施例。该热交换装置400带有腔室410以及用于热交换介质421的、贯穿腔室410并带有翅片422的管道420，以及带有翅片450的壁430。翅片450用于增大腔室410中的工质413和热交换装置400的周围环境之间的热量交换。在一个图中未示的实施例中，壁430中布置另一根用于热交换介质的管道，与图8中的实施形式相似。
各翅片450均为中间间断，在这种情况下，各中断的翅片优选地分别位于工质413的流入或流出口411、412的区域，以减少工质413在这些区域中的流动阻力，这样可以在对工质有利的情况下减少腔室410中的压力损失。
除此之外，热交换装置400的工作原理与图8中所示相同。
权利要求
1.热交换装置，具有工质和热交换介质，其中，工质通过换热面与热交换介质进行热量交换从而达到所要求的工作点，其特征在于，该装置形成一个工质可流入的腔室，并且该腔室被至少一根管道贯穿和/或分界或包围，热交换介质则在管道中流过。
2.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，腔室在其纵向长度为最大的这一方向上至少被一根管道贯穿。
3.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，至少一根管道具有热交换翅片。
4.根据权利要求3所述的热交换装置，其特征在于，热交换翅片布置在管道的外侧，并从管道向腔室中突出。
5.根据权利要求4所述的热交换装置，其特征在于，热交换翅片的走向垂直于至少一根管道的延伸方向，尤其是沿径向向外突出。
6.根据权利要求4或5所述的热交换装置，其特征在于，热交换翅片按照工质流入腔室的方向形成。
7.根据权利要求4到6之一所述的热交换装置，其特征在于，热交换翅片按照工质流出腔室的方向形成。
8.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，至少一根管道布置在腔室的至少一个流入口的区域。
9.根据权利要求8所述的热交换装置，其特征在于，它还设置有多个流入口，在每个流入口区域都有一根管道。
10.根据权利要求9所述的热交换装置，其特征在于，多个流入口各自对应一根共同的管道。
11.根据权利要求9所述的热交换装置，其特征在于，每个流入口都有另一根相对应的管道。
12.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，至少一根管道布置在至少一个流出口区域。
13.根据权利要求12所述的热交换装置，其特征在于，设置多个流出口，同时每个流出口区域布置一根管道。
14.根据权利要求13所述的热交换装置，其特征在于，多个流出口各自对应一根共同的管道。
15.根据权利要求13所述的热交换装置，其特征在于，每个流出口都有另一根相对应的管道。
16.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，每根管道对应至少一个流入口和至少一个流出口，至少一个特别是正好一个流入口对应一个流出口。
17.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，至少一个包围腔室的管道布置在腔室的壁之中，其中，壁带有热交换翅片。
18.根据权利要求17所述的热交换装置，其特征在于，壁的热交换翅片及贯穿腔室的管道的热交换翅片形成工质的导向件。
19.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，工质在从流入口通向流出口的流路上流经设有热交换翅片的区域。
20.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，腔室形成工质的储存器。
21.根据权利要求20所述的热交换装置，其特征在于，腔室形成一个蓄压器。
22.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，腔室是汽车功能元件的组成部分
23.根据权利要求22所述的热交换装置，其特征在于，腔室成为发动机部件、特别是发动机废气循环系统、废气循环装置、制动装置或压缩机的组成部分。
24.根据权利要求23所述的热交换装置，其特征在于，腔室直接成形在发动机组区域上或成为其组成部分。
25.根据前述权利要求之一所述的热交换装置，其特征在于，翅片的高度为1mm到40mm之间，翅片间距为0.1到20mm之间。
26.一种通过热交换介质对工质进行调节的方法，其特征在于，工质流入到腔室中，热交换介质在至少一根贯穿腔室的管道中流过。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，工质在腔室中的调节至少一部分通过自由对流。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其特征在于，工质至少在流入或流出腔室的时候穿过带有热交换翅片的区域。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，热交换翅片沿工质的流入或流出方向定向。
30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，热交换翅片沿着腔室中对流流动的方向定向。
31.根据权利要求26到30中之一所述的方法，其特征在于，工质储存在腔室中，同时工质在腔室中被施加压力。
32.根据权利要求26到31中之一所述的方法，其特征在于，工质用于汽车发动机或制动器的运行。
33.根据权利要求26到32中之一所述的方法，其特征在于，该方法由如前述权利要求1到23中之一所述的热交换装置实施。
全文摘要
本发明提供了一种热交换装置，在该装置中通过热交换介质来调节工作介质。在调节过程中，通过工质和热交换介质的热量交换达到所要求的工作点。换热面在热交换装置中形成，两种介质之间相互分隔并通过这一换热面进行热量交换。在本发明中，所述的装置具有一个腔室，工作介质流入到这个腔室中。腔室至少被一个管道贯穿或者分界，热交换介质从该管道中流过。
文档编号F28F1/24GK1754078SQ200380109945
公开日2006年3月29日 申请日期2003年11月10日 优先权日2003年2月25日
发明者卡斯滕·埃姆里希, 沃尔夫冈·克雷默, 埃伯哈德·潘托 申请人:贝洱两合公司