柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管.pdf

一种柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，它包括表面平滑的不锈钢管，不锈钢管外壁上沿其轴线方向螺旋环绕压设有两条或三条螺旋凹槽，并在不锈钢管的内壁表面形成两条或三条呈螺旋状的凸棱。本发明安装在柴油发动机废气循环系统使用的废气再循环冷却器内，通过在不锈钢管的外侧表面均匀压设多条间距相同且分布密度合理的螺旋凹槽，使流过不锈钢管内的废气流能够高效率的将热量散出，大幅度的降低了气体压力的损耗，有效的克服了过去使用的具有单个螺旋凹槽的不锈钢管所存在的各种缺陷和不足，并获得良好的实际应用效果。

1、  一种柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，它包括表面平滑的不锈钢管，其特征在于：不锈钢管外壁上沿其轴线方向螺旋环绕压设有两条或三条螺旋凹槽；所述螺旋凹槽在不锈钢管的内壁表面形成两条或三条呈螺旋状的凸棱；所述两条螺旋凹槽之间的间隔在不锈钢管的横截面的圆周上彼此相距180°；所述三条螺旋凹槽之间的间隔在不锈钢管的横截面的圆周上彼此相距120°；所述不锈钢管的直径为6mm-12mm。

2、  根据权利要求1所述的柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，其特征在于：所述的螺旋凹槽为环绕在不锈钢管表面壁上完整的凹槽，且相邻螺旋凹槽的槽间距为6mm-12mm。

3、  根据权利要求1或2所述的柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，其特征在于：所述的螺旋凹槽的深度为0.4mm-1.0mm。

4、  根据权利要求1所述的柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，其特征在于：所述的不锈钢管的两端具有便于组装的表面平滑段。

5、  根据权利要求1或2或4所述的柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，其特征在于：所述的不锈钢管的壁厚为0.25mm-0.5mm。

6、  根据权利要求1所述的柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，其特征在于：所述的螺旋凹槽的横截面为“V”形或“U”形。

7、  根据权利要求6所述的柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，其特征在于：所述的“V”形螺旋凹槽的底部宽度不大于0.5mm，该“V”形螺旋凹槽的侧壁由底部到不锈钢管平整表面的部分为平滑过渡的弧形。

8、  根据权利要求6所述的柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，其特征在于：所述的“U”形螺旋凹槽的底部宽度不小于0.5mm，该“U”形螺旋凹槽的侧壁由凹槽底部到不锈钢管平整表面的部分为平滑过渡的弧形。

柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管
技术领域
本发明涉及一种散热管，尤其是一种用于柴油发动机废气再循环冷却器中的螺旋凹槽散热管，属于车辆制造及车辆废气排放控制技术领域。
背景技术
随着世界发达国家有关废气排放控制标准、法令的相继颁布，在各个领域中广泛使用的燃油发动机所带来的日益严重的排放废气污染问题，逐渐成为人们关注的焦点。为达到环保要求，已经采取了多种控制措施，在车辆废气循环系统(EGR System)中安装废气再循环冷却器(Exhaust GasRecirculation Cooler)的技术就是其中的一种。
废气再循环冷却器(EGR Cooler)是车辆废气循环系统(EGR System)中的主要部件，它可以在不损害燃油经济性的情况下，降低发动机氮氧化合物的排放量(NOx Emissions)。
早期的废气再循环冷却器，内部安装有数目众多的内外表面平滑不锈钢管(Plain Inner Gas Tubes)；当发动机排放的废气通过这种内外表面平滑不锈钢管时，废气的热量被散出。由于废气在平滑不锈钢管内呈直线流动状态，因此其散热效率较低，而增加平滑不锈钢管的数量，虽然可以增加换热面积，但却使冷却器的体积较大、较重，制造及安装的成本较高。
现有的一种冷却器内部安装具有单个螺旋状凹槽的不锈钢管，这种螺旋状凹槽环绕压设在不锈钢管的外侧表面上，使不锈钢管内壁上形成呈螺旋状的凸棱，当发动机排放的废气通过该不锈钢管时，螺旋状的凸棱使气流内部产生紊乱，从而提高了不锈钢管的换热效率。设置螺旋状的凸棱所附带的有益效果在于紊流使气流中的颗粒物无法沉积在不锈钢管的内侧表面，保证了不锈钢管长期具有较高的换热效率。
然而，这种具有单个螺旋状凹槽的不锈钢散热管也存在着一定的不足，其主要表现在随着对燃油废气排放要求的进一步严格(如欧V排放标准的实施)，不锈钢管的散热效率需要更进一步的提高。从理论上来说，降低螺旋状凹槽的槽间距或者增加凹槽深度可以增加废气流的紊乱，从而在某种程度上提高热交换的效率，但是在实际应用中会遇到如下问题：当减小螺旋状凹槽的槽间距时，导致螺旋升角减小，一方面使得不锈钢管内壁的凸棱对通过的废气流的阻力明显提高，使流经不锈钢管出口和入口的废气压力出现大幅度失衡现象，这在柴油发动机的废气再循环冷却器的使用中是不允许的；另一方面螺旋升角的减小会加大不锈钢管的应力，容易使客户在通过钎焊进行应力释放的过程中造成不锈钢管焊缝部位的破裂，为避免此情况的发生，在装配前需要对不锈钢管进行光亮退火，从而增加了生产成本。当采用增加凹槽深度时，不锈钢管的平均内径会随之减小，而对废气流的阻力也同样会增大，同时还容易造成废气流中颗粒物在不锈钢管内壁上的沉积，降低散热效率。
综上所述，由于目前所使用的平滑不锈钢管及具有单个螺旋状凹槽的不锈钢管都无法有效的进一步提高冷却器的冷却效果，因此，如何通过增强不锈钢管的散热效率去满足日益提高的废气排放标准的要求，现已成为行业人士亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对目前具有单个螺旋状凹槽的不锈钢管在提高散热效率方面所存在的不足提供一种柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，该散热管结构简单，应力小，对废气流的阻力小，不会造成废气中颗粒物的沉积，具有较高的散热、冷却效果。
本发明所要解决的技术问题是通过如下的技术方案实现的：
一种柴油发动机废气再循环冷却器用的螺旋凹槽散热管，它包括表面平滑的不锈钢管。在不锈钢管的外壁上沿其轴线方向螺旋环绕压设有两条或三条螺旋凹槽，并在不锈钢管地内壁表面形成两条或三条呈螺旋状的凸棱。
两条螺旋凹槽之间的间隔在不锈钢管的横截面圆周上彼此相距180°角。三条螺旋凹槽之间的间隔在不锈钢管的横截面圆周上彼此相距120°。不锈钢管的直径为6mm-12mm，壁厚为0.25mm-0.50mm。
不锈钢管可以采用无缝不锈钢管，或者是焊接成型的不锈钢管。两条彼此相距180°角的螺旋凹槽，或者三条彼此相距120°角的螺旋凹槽能够增加不锈钢管上凹槽的排列密度，使废气流的紊流加剧，热交换更加迅速，从而大大提高了换热效率。同时，在相邻凹槽间距相同的情况下每个单条螺旋凹槽的螺距与目前所使用的带有一条螺旋状凹槽的不锈钢管的螺距相比有很大增加，使通过的废气流所遏到的阻力较小，应力也有明显减小。
为使不锈钢管在保证紊流的产生面积尽可能大的前提下，同时尽量减少管内凸棱对废气流的阻力，通过理论计算和实验，可以将不锈钢管上相邻螺旋凹槽之间的槽间距设置为6mm-12mm，而螺旋凹槽的深度设置为0.4mm-1.0mm。
螺旋凹槽的横截面形状可以是“V”形或“U”形。这里所谓的“V”形或“U”形是“V”形或“U”形的类似形。“V”形凹槽的底部宽度不大于0.5mm；“U”形凹槽的底部宽度不小于0.5mm。
由以上技术方案不难看出，本发明安装在柴油发动机废气循环系统使用的废气再循环冷却器内，当冷却器工作时，冷却器内的散热管由于其内壁均匀压设的多条间距相同且分布密度合理的螺旋凹槽，使通过的废气流产生涡流紊乱，从而大大提高了冷却器的热交换效率。相对于具有单个螺旋状凹槽的不锈钢管来说，本发明在提高热交换效率的同时大幅度的降低了气体压力的损耗，降低了凹槽管内壁上的凸棱对废气流造成的阻力。另外，管内良好的紊流效应使废气流中的颗粒物无法沉积在不锈钢管的内壁上，从而有效的克服了过去使用的具有单个螺旋凹槽的不锈钢管所存在的各种缺陷和不足，并获得良好的实际应用效果。
图1为本发明所提供的一个较佳实施例的结构示意图；
图2为图1所示实施例的横截面示意图；
图3为图2的凹槽的放大图；
图4为本发明所提供的另一个较佳实施例中螺旋凹槽截面示意图；
图5为目前常用的一种具有单个螺旋凹槽的不锈钢管的剖视图；
图6为具有与图5凹槽结构相似的本发明的剖视图；
图7为图5、图6所示两种不锈钢散热管的性能曲线比较图；
图8为本发明所提供的双螺旋凹槽散热管的横截面示意图；
图9为具有与图5凹槽结构相似的双螺旋凹槽散热管的剖视图。
以下，通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细说明。
实施例一
图1所示为本发明所提供的一个较佳实施例的整体结构示意图。该实施例具有三条螺旋凹槽。图中，表面平滑，直径为6.35mm，壁厚为0.25mm的不锈钢管10的外壁上沿其轴线方向螺旋环绕压设有第一螺旋凹槽1、第二螺旋凹槽2和第三螺旋凹槽3。这三条螺旋凹槽为环绕在不锈钢管表面壁上完整的螺旋凹槽，并分别在不锈钢管的内壁表面(参见图2)形成第一螺旋状的凸棱11、第二螺旋状的凸棱21和第三螺旋状的凸棱31。三条螺旋凹槽之间的间隔在不锈钢管的横截面的圆周上彼此相距角度A为120°。图1中，三螺旋凹槽管相邻凹槽之间的槽间距为6mm。
为便于将多个不锈钢管组装成冷却器，不锈钢管10的两端分别设有表面平滑段12。该平滑段12的长度为12mm。对于不同的冷却器，平滑段12的长度尺寸可以根据具体需要灵活掌握。
图3所示为本实施例中螺旋凹槽的形状放大示意图。本实施例的三条螺旋凹槽的截面形状均为“V”形。在实际生产中，“V”形螺旋凹槽的截面本身并不是对称的，因此，本实施例螺旋凹槽的截面形状为近似于“V”字形。本实施例中，该“V”形螺旋凹槽的侧壁由底部到不锈钢管10平整表面的部分为平滑过渡的弧形，其深度H为0.7mm。“V”形螺旋凹槽底部宽度小于0.5mm。
实施例二
本实施例与上述实施例一的不同点仅在于采用的螺旋凹槽的截面形状不同，该螺旋凹槽的截面形状为近似“U”字形(参见图4)。图4中的“U”形螺旋凹槽的底部宽度大于0.5mm，并且该“U”形螺旋凹槽的侧壁由底部到不锈钢管10平整表面的部分也呈平滑过渡的弧形。
本发明所涉及的具有两条或三条螺旋凹槽的不锈钢散热管在与具有单个螺旋凹槽的不锈钢管比较中，所具有的优势可以通过参见图5、图6所示的结构以及图7所示的对比参数曲线看出。
图5为具有单个螺旋凹槽的不锈钢管的剖视图；图6为本发明所涉及的具有三条螺旋凹槽不锈钢散热管的剖视图。
为保证对比测量的科学性，图5、图6所示的两个不锈钢管均采用相同的母材，它们的螺旋凹槽的槽深完全相同，即H₁＝H₃。其它尺寸如外径、壁厚、长度等都相同，并且在压设螺旋凹槽时，使上述两种不锈钢管的相邻凹槽的槽间距相等，即P₁＝P₃。
测量中，将具有相同压力、速度变化的热气流分别通过上述两个不锈钢管，并对散热效率和出口气压损失进行测量，得到图7所示参数对比曲线。
从图7中可以明显看出，在热气流的速度逐渐加快时，不锈钢管对气压的损失也逐步提高，其中单个螺旋凹槽不锈钢管的气压损失数值呈现大幅增加的趋势，而本发明所提供的三螺旋凹槽不锈钢管的气压损失数值则增加较少。这一点在柴油发动机废气再循环冷却器中非常重要，因为当散热管的入口气压与出口气压数值发生较大的偏差时，将直接影响废气再循环冷却器的使用效果，从而不能有效的达到废气排放标准的要求。
关于散热效率，随热气流速度的加快，本发明所提供的三条螺旋凹槽不锈钢管具有比单螺旋凹槽不锈钢管更小的散热效率降低值，这是因为：多条螺旋凹槽能够在不增加气流阻力的前提下，加剧流入散热管内气流的紊乱程度，从而导致了散热效率的提高；其次，多条螺旋凹槽使热气流与不锈钢管内壁的接触面积有所增加，从而促进了热交换过程，对提高散热效率起到了辅助的作用。
上述测量实验结果之所以会有这样的差别，其原因就在于：本发明所提供的三螺旋凹槽不锈钢管具有更大的螺旋升角。所谓螺旋升角是指在将不锈钢管竖起时，沿螺旋凹槽上升方向的切线与水平面的夹角E(单个螺旋凹槽不锈钢管的螺旋升角为E₁，三螺旋凹槽不锈钢管的螺旋升角为E₃)。
当不锈钢管的外径确定时，螺旋升角决定了螺旋间距。螺旋升角越大螺旋间距就越大。反之，当设定了螺旋间距后，螺旋升角也就自然确定。在上述对比实验中，由于两个不锈钢管的螺旋间距相同，但是对于三螺旋凹槽管来说，它的每一个螺旋凹槽的螺旋间距实际上是图5所示单螺旋凹槽不锈钢管的螺旋间距的3倍，所以，三螺旋凹槽管的螺旋升角E₃远大于单螺旋凹槽管的螺旋升角E₁。
本发明所涉及的双螺旋凹槽不锈钢管的截面如图8所示。图中，两条螺旋凹槽在不锈钢管的横截面的圆周上相距的角度B为180°。
与上述对比实验相同，图8所示的双螺旋凹槽不锈钢管也采用与单螺旋凹槽不锈钢管相同的母材制造，并且使它们的螺旋凹槽的槽深凹槽间距以及其它尺寸都相同(具体结构参见图9)。
图9所示的双螺旋凹槽不锈钢管与图5所示的单螺旋凹槽不锈钢管比较，两个不锈钢管的相邻凹槽的槽间距相等，即P₁＝P₂，并且两个不锈钢管的槽深完全相同，即H₁＝H₂。此时可以看出，双螺旋凹槽不锈钢管的螺旋升角E₂介于单螺旋凹槽不锈钢管和三螺旋凹槽不锈钢管的螺旋升角之间，同样也远大于单螺旋凹槽不锈钢管的螺旋升角E₁。
由上述分析不难通过推力得到以下结论：双螺旋凹槽不锈钢散热管螺旋升角对加速流过的热气流所造成的气压损失数值和散热效率降低值也同样介于单螺旋凹槽不锈钢管与三螺旋凹槽不锈钢管之间。因此，本发明所提供的双螺旋凹槽不锈钢管同样具有较小的气压损失数值和较高的散热效率。
总之，相对于单螺旋凹槽不锈钢管而言，本发明具有的优势为：
1、由于螺旋升角大，单位形变面积形变量小，使得槽型更加平缓(从管子平整表面部分到凹槽最底部分过渡更加平滑)，紊流的产生面积增大，大大提高了热交换效率。
2、由于螺旋升角大，螺纹本身非常平缓，管内部的凸起也较平缓，对气体的阻力明显减小，解决了冷却器热交换管两端的气体压力差的问题。
3、由于螺旋升角大，管子形变部分单位面积的变形量较小，凹槽显得更加平缓，即凹槽的张口较大，使得管子的应力较小，加工时不易破裂。因此产品报废率低，相对成本也得到了降低，更便于安装使用。
综上所述，本发明能够明显地降低废气的压力损耗，同时还能提高热交换效率，减少管子的内应力，因此具有比单螺旋凹槽不锈钢管更明显的优势，完全可以适应欧V排放标准对废气冷却器所提出的要求。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。