Система охлаждения, способ охлаждения и система энергосбережения

Изобретение относится к охлаждению двигателей внутреннего сгорания. Система охлаждения имеет первый теплообменник, имеющий первую величину теплоотвода, и второй теплообменник, по существу, находящийся в одной плоскости с первым теплообменником. Второй теплообменник может иметь вторую величину теплоотвода, большую, чем первая величина теплоотвода. Система охлаждения может иметь также третий теплообменник, не находящийся в одной плоскости с первым и вторым теплообменниками. Третий теплообменник может иметь входную температуру и меньшую выходную температуру. Третий теплообменник может быть расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно со вторым теплообменником, и участок третьего теплообменника, выдающий текучую среду при меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с первым теплообменником. Изобретение обеспечивает повышение эффективности охлаждения в ограниченном пространстве. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится, в общем, к системе охлаждения, имеющей разнообразные теплообменники, и, в частности, к системе охлаждения, имеющей разнообразные теплообменники, стратегически выполненные в разнообразных рядах с целью рационального рассеивания тепла.

Уровень техники

Установки, включающие в себя гусеничные тракторы, трелевочные тягачи и другое тяжелое строительное и горное оборудование, применяют для разных задач. Решающие эти задачи установки обычно включают в себя двигатель внутреннего сгорания, например дизельный двигатель, бензиновый двигатель или работающий на газе двигатель, который вырабатывает значительное количество энергии путем сжигания горюче-воздушной смеси. Этот процесс сжигания вырабатывает большое количество тепла, и для гарантирования соответствующей и эффективной работы двигателя требуется система охлаждения для охлаждения подаваемых в двигатель и выдаваемых из него текучих сред.

Например, двигатель внутреннего сгорания обычно посредством текучей среды связан с несколькими различными теплообменниками типа жидкость - воздух и воздух - воздух для охлаждения как жидкостей, так и газов, циркулирующих в двигателе. Эти теплообменники часто расположены близко вместе и/или близко к двигателю с целью экономии пространства на установке. Приводимый в действие двигателем вентилятор расположен либо впереди системы двигатель/теплообменник для продувки воздуха через теплообменники и двигатель, или между теплообменниками и двигателем для всасывания воздуха после теплообменников и продувки его после двигателя.

Размер и мощность двигателя могут, по меньшей мере, частично, зависеть от величины охлаждения, подаваемого к двигателю. Т.е. двигатель может иметь максимальную температуру и самый большой диапазон эффективных рабочих температур, и работа двигателя может быть ограничена способностью действующих совместно теплообменников по поддержанию температур в двигателе ниже максимального предела и в пределах оптимального диапазона. Дополнительно, заданное пространство ограничено особым ограждением двигателя, поэтому размер теплообменников может быть также ограничен. Следовательно, необходимо максимизировать эффективность охлаждения в заданном ограниченном пространстве.

Максимизация эффективности охлаждения может быть затруднительна, особенно, когда разнородные, для двигателя и не для двигателя, теплообменники расположены вместе. Т.е. в некоторых конфигурациях трансмиссионные маслоохладители и/или маслоохладители гидравлики расположены вместе с теплообменниками двигателя с целью использования преимущества воздушного потока, созданного приводимым в действие двигателем вентилятора. В этих ситуациях передача тепла от маслоохладителей может оказать воздействие на передачу тепла от теплообменников двигателя, а также на использование пространства внутри расположения двигателя.

Один пример максимизации системы охлаждения внутри заданного расположения двигателя раскрыт в публикации патента США 2004/0045749 (публикация '749), опубликованной в Jaura et. al., март, 11, 2004. В публикации '749 описана система охлаждения для гибридного транспортного средства. Система охлаждения включает в себя электрический вентилятор, расположенный во всасывающем устройстве, для всасывания воздуха, по существу, унифицированным способом через электронный управляющий модуль, охлаждающий воздушный кондиционер, трансмиссионный маслоохладитель и радиатор, которые все расположены последовательно относительно воздушного потока, создаваемого вентилятором. Охлаждающий воздушный поток, создаваемый источником питания с напряжением 42 В, приводящим в действие электрический вентилятор, регулируют в зависимости от скорости транспортного средства и температуры окружающего воздуха, так что обеспечивается достаточное охлаждение критических систем транспортного средства.

Хотя система охлаждения по публикации '749 может обеспечить адекватное охлаждение в ограниченном пространстве установкой разнообразных теплообменников последовательно, однако эффективности, требуемой для оптимального теплоотвода, может не хватить. Т.е. некоторые теплообменники работают при более высокой средней температуре и/или отводят большее количество тепла с целью охлаждения, чем другие теплообменники в пределах одной и той же системы. В этой ситуации, если более горячий теплообменник (т.е. теплообменник, имеющий более высокую среднюю температуру и величину теплоотвода) расположен ранее более холодного теплообменника или ранее холодных участков расположенного далее теплообменника, то эффективность расположенного далее теплообменника может существенно и негативно снизиться. Система охлаждения по публикации '749 не обращается к этим ситуациям.

Раскрываемая система охлаждения направлена на преодоление одной или более установленных, указанных выше, проблем.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению система охлаждения включает в себя:

- первый теплообменник, имеющий первую величину теплоотвода;

- второй теплообменник, по существу, находящийся в одной плоскости с первым теплообменником и имеющий вторую величину теплоотвода, большую, чем первая величина теплоотвода; и

- третий теплообменник, не находящийся в одной плоскости с первым и вторым теплообменниками и имеющий входную температуру и меньшую выходную температуру, причем третий теплообменник расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно со вторым теплообменником, и участок третьего теплообменника, выдающий текучую среду при меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с первым теплообменником.

В указанной системе охлаждения направление потока текучей среды через первый теплообменник, по существу, параллельное с направлением потока текучей среды через второй теплообменник.

Предпочтительно, третий теплообменник имеет величину теплоотвода больше, чем величины теплоотвода как первого, так и второго теплообменников; и направление потока текучей среды через третий теплообменник, по существу, перпендикулярное направлению потока текучей среды через первый и второй теплообменники.

Предпочтительно, текучая среда на входе третьего теплообменника, текучая среда на выходе третьего теплообменника течет в направлении, по существу, параллельном направлению потока текучей среды через первый и второй теплообменники.

Система охлаждения может включать в себя далее четвертый теплообменник, по существу, находящийся в одной плоскости с третьим теплообменником и имеющий величину теплоотвода больше, чем величина теплоотвода третьего теплообменника.

Система охлаждения может быть выполнена таким образом, что четвертый теплообменник имеет вторую входную температуру и вторую меньшую выходную температуру, причем четвертый теплообменник расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при второй входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно со вторым теплообменником, и участок четвертого теплообменника, выдающий текучую среду при второй меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с первым теплообменником.

Предпочтительно, поток текучей среды через четвертый теплообменник происходит в направлении, по существу, совмещенном с направлением потока текучей среды через третий теплообменник.

Систему охлаждения целесообразно выполнять так, что первый теплообменник имеет третью входную температуру и третью меньшую выходную температуру;

второй теплообменник имеет четвертую входную температуру и четвертую меньшую выходную температуру; и

третий и четвертый теплообменники расположены так, что участки первого и второго теплообменников, принимающие текучую среду при третьей и четвертой входных температурах, выполнены также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с третьим теплообменником, и участки первого и второго теплообменников, выдающие текучую среду при третьей и четвертой меньших выходных температурах, выполнены с возможностью принятия потока воздуха последовательно с четвертым теплообменником.

В системе охлаждения первый теплообменник может быть представлен радиатором, связанным с двигателем внутреннего сгорания; и

второй теплообменник может быть представлен маслоохладителем трансмиссии.

В системе охлаждения третий теплообменник может быть представлен воздухоохладителем, связанным с воздушным потоком в двигателе внутреннего сгорания; и

четвертый теплообменник может быть представлен маслоохладителем гидравлики рабочего органа.

Предпочтительно, система охлаждения включает в себя вентилятор, выполненный для создания потока воздуха по первому, второму, третьему и четвертому теплообменникам.

В системе охлаждения может быть установлен вентилятор для вытяжки прошедшего двигатель воздуха и продувки его через первый, второй, третий и четвертый теплообменники.

Другим объектом изобретения является способ охлаждения, включающий в себя этапы, на которых:

- создают первый поток текучей среды под давлением;

- создают второй поток текучей среды под давлением, имеющий среднюю температуру выше, чем средняя температура первого потока текучей среды под давлением, причем второй поток текучей среды под давлением имеет, по существу, то же самое направление потока, что и первый поток текучей среды под давлением;

- создают третий поток текучей среды под давлением в направлении, по существу, перпендикулярном первому и второму потокам текучей среды под давлением; и

- направляют поток воздуха для удаления тепла из первого, второго и третьего потоков текучей среды под давлением;

в котором текучая среда под давлением третьего потока сначала охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения второго потока текучей среды, причем текучая среда под давлением ранее охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения первого потока текучей среды под давлением.

Способ дополнительно может включать этапы, на которых:

- создают четвертый поток текучей среды под давлением; и

- направляют поток воздуха также для удаления тепла из четвертого потока текучей среды под давлением,

при этом текучая среда под давлением четвертого потока сначала охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения второго потока текучей среды, причем ранее охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения первого потока текучей среды под давлением.

В описанном способе из второго потока текучей среды под давлением удаляют большее количество тепла, чем из первого потока текучей среды под давлением.

В описанном способе из четвертого потока текучей среды под давлением удаляют большее количество тепла, чем из третьего потока текучей среды под давлением.

Предпочтительно, чтобы в указанном способе

средняя температура второго потока текучей среды под давлением была выше, чем средняя температура первого потока текучей среды под давлением; и

средняя температура четвертого потока текучей среды под давлением была выше, чем средняя температура третьего потока текучей среды под давлением.

Еще одним объектом изобретения является система энергоснабжения, включающая в себя:

- двигатель внутреннего сгорания;

- вентилятор для создания потока воздуха, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания;

- радиатор, выполненный с возможностью циркуляции охлаждающего вещества в двигателе, причем радиатор имеет первую среднюю рабочую температуру;

- маслоохладитель трансмиссии, выполненный по существу, в той же самой плоскости, что и радиатор, и имеющий вторую среднюю рабочую температуру выше, чем первая средняя рабочая температура;

- маслоохладитель гидравлики, имеющий первую входную температуру и первую меньшую выходную температуру, причем маслоохладитель гидравлики расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при первой входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с маслоохладителем трансмиссии, и участок маслоохладителя гидравлики, выдающий текучую среду при первой меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с радиатором; и

- воздухоохладитель, выполненный, по существу, в той же самой плоскости, что и маслоохладитель гидравлики, и имеющий вторую входную температуру и вторую меньшую выходную температуру, причем воздухоохладитель расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при второй входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с маслоохладителем трансмиссии, и участок воздухоохладителя, выдающий текучую среду при второй меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с радиатором.

В указанной системе целесообразно, чтобы направление потока текучей среды через радиатор было, по существу, параллельным направлению потока текучей среды через маслоохладитель трансмиссии;

направление потока текучей среды через маслоохладитель гидравлики и направление потока через воздухоохладитель было, по существу, перпендикулярным направлению потока текучей среды через радиатор и маслоохладитель трансмиссии; и

поток текучей среды на входе и выходе воздухоохладителя был, по существу, параллельным с направлением потока текучей среды через радиатор и маслоохладитель трансмиссии.

Целесообразно выполнение системы энергоснабжения таким образом, что

- радиатор имеет третью входную температуру и третью меньшую выходную температуру;

- маслоохладитель трансмиссии имеет четвертую входную температуру и четвертую меньшую выходную температуру; и

- маслоохладитель гидравлики и воздухоохладитель расположены так, что участки радиатора и маслоохладителя трансмиссии, принимающие текучую среду при третьей и четвертой входных температурах, выполнены также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с воздухоохладителем, и участки радиатора и маслоохладителя трансмиссии, выдающие текучую среду при третьей и четвертой выходных температурах, выполнены с возможностью принятия потока воздуха последовательно с маслоохладителем гидравлики.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематичное изображение типичной установки по изобретению;

фиг.2 - графическое и схематичное изображение типичной системы охлаждения по изобретению для применения с установкой по фиг.1;

фиг.3 - графическое изображение теплообменника для применения с системой охлаждения по фиг.2;

фиг.4 - графическое изображение сечения типичных охлаждающих ребер по изобретению для применения с системой охлаждения по фиг.3;

фиг.5А, 5B - виды сечений типичных ребер охлаждения по изобретению фиг.4; и

фиг.6 - графическое изображение сечения типичных ребер охлаждения по изобретению фиг.4.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена установка 10 с двигателем 12. Установка 10 может выполнять некоторый вид работы, связанной с промышленностью, например горным делом, строительством, сельским хозяйством, производством электроэнергии или другим известным в технике производством. Например, установка 10 может представлять собой установку по перемещению грунта, например бульдозер, погрузчик, экскаватор с обратной лопатой, экскаватор, автогрейдер, самосвал или соответственно любую другую установку по перемещению грунта. Альтернативно, установка 10 может представлять собой стационарную установку, например генераторную установку, насос или другую промышленную установку.

Двигатель 12 может включать в себя разнообразные компоненты, объединяющие сжигание топливной смеси и выработку силовой мощности. В частности, двигатель 12 может включать в себя блок цилиндров 14, который имеет множество цилиндров 16, с размещенным в каждом цилиндре скользящим поршнем 18 и крышкой блока цилиндров (не показано), связанной с каждым цилиндром 16. Теоретически данный двигатель 12 может включать в себя дополнительные или различные компоненты, например, такие, как клапанное устройство, связанное с каждой головкой блока цилиндров, одну или более топливных форсунок и другие известные в технике компоненты. Для целей данного раскрытия двигатель 12 представлен и описан как четырехтактный дизельный двигатель. Однако специалисту понятно, что двигатель 12 может быть двигателем внутреннего сгорания любого другого типа, например, такого как бензиновый или работающий на газе двигатель.

Цилиндр 16, поршень 18 и головка блока цилиндров могут иметь камеру 20 сгорания. В приведенном варианте осуществления двигатель 12 включает в себя четыре камеры 20 сгорания. Однако теоретически данный двигатель 12 может включать в себя большее или меньшее число камер 20 сгорания и эти камеры 20 сгорания могут быть расположены соосно, V-образно или с любым другим соответствующим расположением.

Как показано на фиг.1, двигатель 12 может включать в себя одну или более систем, которые облегчают работу установки 10 и выработку энергии двигателем 12. В частности, установка 10 может включать в себя систему 22 всасывания воздуха, связанную с двигателем 12, трансмиссионную систему 24, оперативно соединяющую двигатель 12 с одним или более устройствами 26 сцепления с грунтом, систему 28 гидравлики рабочего органа, связанную с рабочим органом 30, смонтированным на установке 10, и систему 32 охлаждения, выполненную с возможностью отвода тепла от двигателя 12. Теоретически данный двигатель 12 может включать в себя дополнительные системы, например, такие как система подачи горючего, система смазки, тормозная система, система воздушного кондиционирования, система контроля и другие такие известные системы, которые могут быть применены для облегчения работы установки, а также получения преимущества от отвода тепла, осуществляемого системой 32 охлаждения.

Система 22 всасывания воздуха может включать в себя средство для введения дозированного воздуха в камеры 20 сгорания двигателя 12. Например, система 22 всасывания воздуха может включать в себя один или более компрессоров 35 (на фиг.1 показан только один) для подачи текучей среды в один или более выпускных каналов (не показано) каждого блока цилиндров. Теоретически данные дополнительные и/или различные компоненты могут быть введены в систему 22 всасывания воздуха, например, такие как один или более воздухоочистителей, перепускной или разгрузочный клапан, дроссельный клапан, рециркуляционный клапан и другие известные в технике средства для введения дозированного воздуха в камеры 20 сгорания.

Компрессоры 35 могут сжимать подаваемый в двигатель 12 воздух до заданного давления. Компрессоры 35 могут быть расположены параллельно и представлены компрессором с фиксированной геометрией, компрессором с переменной геометрией или известным в технике компрессором любого другого типа. Теоретически данные компрессоры 35 альтернативно могут быть расположены последовательно, или данная система 22 всасывания воздуха может включать в себя только один компрессор 35.

Трансмиссионная система 24 включает в себя элементы, которые взаимодействуют для передачи мощности от двигателя 12 к устройству 26 сцепления с грунтом в диапазоне отношений мощность/скорость. Один из этих элементов может включать в себя гидравлический редуктор 34. Гидравлический редуктор 34 может включать в себя, например, пару противоположных гидравлических импеллеров, приводимых в движение маслом, подаваемым под давлением к выборочно спаренному, частично спаренному и/или неспаренному двигателю 12 со ступенчатой трансмиссией (не показано). Гидравлический редуктор 34 может допускать в некоторой степени независимое от трансмиссии вращение двигателя 12. Величина независимого вращения между двигателем 12 и трансмиссией может быть изменена корректировкой давления рабочей жидкости, подаваемой к гидравлическому редуктору 34.

Система 28 гидравлики рабочего органа включает в себя множество компонентов текучей среды, которые объединены для перемещения рабочего органа 30. В частности, система 28 гидравлики рабочего органа может включать в себя один или более гидравлических линейных исполнительных механизмов 36, приводимых в действие подаваемой под давлением рабочей жидкостью, выборочно к выдвинутому и вдвинутому, в соответствии с командой оператора, тем самым, поднимая и опуская рабочий орган 30 относительно установки 10. Теоретически данная система 28 гидравлики рабочего органа может также, или альтернативно, включать в себя исполнительные механизмы вращательного типа (не показано) при применении вращательного рабочего органа 30 и/или эти гидравлические исполнительные механизмы 36 могут быть применены на установке с рулевым управлением 10, на дробильной установке 10 или при выполнении, если потребуется, других, связанных с установкой, задач.

Система 32 охлаждения может включать в себя компоненты, которые совместно работают по отводу тепла от двигателя 12, систему 22 всасывания, трансмиссионную систему 24 и систему 28 гидравлики рабочего органа. Например, система 32 охлаждения может включать в себя первый ряд 38 копланарных теплообменников, второй ряд 40 копланарных теплообменников и охлаждающий вентилятор 42, расположенный между двигателем 12 и первым и вторым рядами 38, 40.

Охлаждающий вентилятор 42 может приводиться в действие косвенно двигателем 12. В частности, как показано на фиг.2, охлаждающий вентилятор 42 может включать в себя входное устройство 44, например приводной ремень со шкивом, мотор с гидравлическим приводом или электромотор, который установлен на двигателе 12 или на установке 10, и лопасти 46 вентилятора, закрепленные прочно или регулируемые. Привод охлаждающего вентилятора 42 может быть осуществлен двигателем 12 для продувки воздуха лопастями 46 вентилятора через первый и второй ряды 38, 40.

Первый ряд 38 может включать в себя два теплообменника 48, 50, ориентированные горизонтально относительно силы тяжести. Теплообменник 48 может быть расположен вертикально над теплообменником 50 и связан с системой 22 всасывания воздуха. Например, теплообменник 48 может быть типа "воздух - воздух после охладителя" (АТААС), спаренный с помощью текучей среды для охлаждения воздуха вверху или внизу компрессора 35, прежде чем он попадет в двигатель 12. Поток воздуха из компрессора 35 может поступать вертикально вниз через вход на первой верхней стороне 52 теплообменника 48 к первой торцевой поверхности 54. От входа поток может изменить направление приблизительно на 90°, чтобы течь, по существу, горизонтально через теплообменник 48 к противоположной второй торцевой поверхности 56, и опять изменить направление приблизительно на 90°, чтобы течь вертикально вверх через выход на первой верхней стороне 52, противоположно входящему воздуху. Первая верхняя сторона 52 теплообменника 48 может быть расположена противоположно теплообменнику 50.

Теплообменник 48 может иметь среднюю рабочую температуру выше и отводить тепла больше, чем теплообменник 50. Т.е. теплообменник 48 может иметь входную температуру во время расчетной операции установки 10 около 150°С и массовый расход на входе потока около 0,188 кг/сек. По существу, когда температура воздуха, нагнетаемого охлаждающим вентилятором 42, находится около 40°С, теплообменник 48 может иметь выходную температуру около 62°С и теплоотвод около 30 кВт.

Теплообменник 50 может быть связан с системой 28 гидравлики рабочего органа и представлен, например, гидравлическим маслоохладителем (НОС). Поток масла к и/или от гидравлического исполнительного механизма 36 может течь горизонтально через вход на первой торцевой поверхности 58 и выходить через выход на противоположной второй торцевой поверхности 60. Теплообменник 50 может иметь входную температуру во время расчетной операции установки 10 около 86°С и расход на входе потока около 80 л/мин. По существу, когда температура воздуха, нагнетаемого охлаждающим вентилятором 42, находится около 40°С, теплообменник 50 может иметь выходную температуру около 76°С и теплоотвод около 20 кВт.

Второй ряд 40 может быть расположен за первым рядом 38 относительно потока воздуха, создаваемого охлаждающим вентилятором 42, и включать в себя два вертикально ориентированных теплообменника 62, 64. Теплообменник 62 может быть расположен с возможностью принятия воздушного потока последовательно с торцевыми поверхностями 56 и 60 теплообменников 48 и 50 соответственно, в то время как теплообменник 64 может быть расположен с возможностью принятия воздушного потока последовательно с противоположными первыми торцевыми поверхностями 54 и 58. Аналогично, верхние торцевые поверхности (т.е. торцевые поверхности, связанные с горячими входящими потоками текучей среды) обоих теплообменников 62, 64 могут быть расположены с возможностью принятия воздушного потока последовательно с теплообменником 48, в то время как нижние торцевые поверхности (т.е. торцевые поверхности, связанные с выходящими из охладителей потоками текучей среды) обоих теплообменников 62, 64 могут быть расположены с возможностью принятия воздушного потока последовательно с теплообменником 50. Оба теплообменника 62 и 64 могут иметь более высокие средние рабочие температуры и отводить тепло в большем количестве, чем любой из теплообменников 48 и 50.

Теплообменник 62 может представлять собой радиатор, расположенный с возможностью отвода тепла от воды, гликоля, смеси вода/гликоль или перемешанной с воздухом смеси, циркулирующей по всему двигателю 12. Поток охлаждающего вещества от двигателя может проходить вертикально вниз через вход на первой верхней торцевой поверхности 66 теплообменника 62 к противоположной второй нижней торцевой поверхности 68 в направлении, по существу, совпадающем с силой тяжести.

Теплообменник 62 может иметь меньшую среднюю рабочую температуру и отводить меньшее количество тепла, чем теплообменник 64. Т.е. теплообменник 62 имеет входную температуру во время расчетной работы установки 10 около 99°С и расход на входе потока около 250 л/мин. Т.е. когда температура воздуха, нагнетаемого охлаждающим вентилятором 42, находится около 40°С, теплообменник 62 может иметь выходную температуру около 86°С и теплоотвод около 56.5 кВт.

Теплообменник 64 может быть связан с трансмиссионной системой 24 и представлен, например, маслоохладителем гидравлического редуктора (ТСОС). Поток масла к и/или от гидравлического редуктора 34 может также протекать вертикально вниз через вход на первой торцевой поверхности 70 теплообменника 64 и выходить через выход на противоположной второй торцевой поверхности 72. Теплообменник 64 может иметь входную температуру во время расчетной работы установки 10 около 117°С и расход на входе потока около 80 л/мин. Т.е. когда температура воздуха, нагнетаемого охлаждающим вентилятором 42, находится около 40°С, теплообменник 64 может иметь выходную температур около 94°С и теплоотвод около 61 кВт.

На фиг.3 представлен один типичный вариант осуществления теплообменника. Хотя вариант осуществления на фиг.3 будет описан в качестве подобного теплообменнику 50 или гидравлическому маслоохладителю, связанному с двигателем внутреннего сгорания и конструкцией установки, теплообменники 48, 62 и 64 могли бы точно также легко иметь ту же самую или подобную конфигурацию оборудования. Далее, теоретически, хотя вариант осуществления теплообменника будет описан как воздушно-жидкостный теплообменник, при желании, альтернативно можно было бы его использовать в сочетании с охлаждающими веществами из двух жидкостей или двух газов.

Теплообменник 50 может включать в себя первую концевую крышку 74 и вторую концевую крышку 76, множество трубок 78, расположенных между первой и второй концевыми крышками 74, 76, и множество ребер 80, расположенных поперечно между рядами трубок 78. Трубки 78 могут быть, по существу, пустотелыми прямолинейными проводниками текучей среды, изготовленными из теплопроводного металла, например алюминия, меди или нержавеющей стали, и простирающимися от первой торцевой поверхности 58 через первую и вторую концевые крышки 74, 76 до второй торцевой поверхности 60. Масло из системы 28 гидравлики рабочего органа может быть распределено для потока в трубки 78 на первой торцевой поверхности 58 и собрано на второй торцевой поверхности 60 для возврата в систему 28 гидравлики рабочего органа. В одном варианте осуществления в каждом копланарном ряду могут быть расположены три трубки 78.

Ребра 80 могут быть кондуктивно соединены и ограничены между рядами трубок 78. Точнее, множество ребер 80, изготовленных из теплопроводного материала, такого, например, как алюминий, медь или нержавеющая сталь, могут быть выполнены, по существу, перпендикулярно к направлению длины трубок 78 и расположены между рядами трубок 78 так, что вентилятор 42 может продувать воздух через каналы, образованные между ребрами 80. Когда воздух протекает через каналы и по трубкам с маслом 78, он может контактировать с ребрами 80 и/или наружными поверхностями трубок 78 с возможностью проведения и отвода тепла от масла, содержащегося в трубках 78. Температура и расход как воздуха, так и масла могут оказывать влияние на величину передачи тепла между ними.

Как показано на фиг.4, охлаждающими ребрами 80 можно создать множество, по существу, трапецеидальной формы каналов 82. Т.е. охлаждающие ребра 80 можно рассматривать как боковые стеновые участки, отделяющие каждый из каналов 82. Каждое ребро 80 может быть непараллельным непосредственно примыкающему ребру, но параллельным каждому другому ребру так, что могут быть созданы, по существу, повторяющиеся идентичные каналы 82. Дополнительно, каждое ребро 80 может быть боковым стеновым участком для двух непосредственно примыкающих каналов 82а и 82b, причем каждый из этих каналов перевернут относительно каждого соседнего. В данном случае воздух, протекающий через один канал, например 82а, может быть в прямом контакте с наружной поверхностью верхнего ряда труб 78, тогда как воздух, протекающий через соседний канал, например 82b, может быть в прямом контакте с наружной поверхностью нижнего ряда труб 78.

Каждый канал 82 имеет кривизну в поперечном направлении. Т.е. каждый канал может быть выполнен с возможностью повторения S-образной формы 84, которая, по существу, имеет сходство с синусоидой, ориентированной вдоль каждого канала 82 в поперечном направлении горизонтальной плоскости. Другими словами, на первом участке по длине каждого канала 82 его симметрично расположенная средняя линия 86 может быть удалена от первой концевой крышки 74 (см. фиг.3) на первое расстояние, тогда как на втором участке по длине каждого канала 82 средняя линия 86 может быть удалена от первой концевой крышки 74 на второе расстояние.

Ширина "w" каждого канала 82 на граничной поверхности 88, соединяющей два непосредственно примыкающих ребра 80, может изменяться по длине каждого канала 82. Т.е. каждый канал 82 может иметь размер высоты "h", относительно которого два примыкающих ребра 80, по существу, симметричны. По всей длине каждого канала 82 размер "h" остается, по существу, постоянным. Однако внутренний угол θ, между граничной поверхностью 88 и непосредственно примыкающими к ней ребрами 80, может меняться. Например, в сечении, показанном на фиг.5А, представляющем место на первом участке по длине каналов 82 (т.е. в точке, по существу, средней между соседними вершинами синусоиды), внутренний угол θ1, между граничной поверхностью 88 и непосредственно примыкающими к ней ребрами 80, может быть тупым. Аналогично, в типичном сечении на фиг.5В, представляющем место на втором участке по длине каналов 82 (т.е. на пиковом участке синусоиды), внутренний угол θ2, между граничной поверхностью 88 и непосредственно примыкающими ребрами 80, может быть острым. Т.е. ширина "w1" в вершине поперечной синусоиды в канале 82 может быть больше ширины "w2" в точке, по существу, посередине между вершинами. Следует отметить, что даже принимая во внимание поперечную синусоиду, изменяющуюся ширину граничной поверхности 88, и альтернативную "тупой - острый" природу угла θ (т.е. угловую ориентацию ребер 80 относительно граничной поверхности 88), площадь сечения и, таким образом, сужение в любом конечном месте канала 82 по его длине могут остаться, по существу, постоянными.

В альтернативном варианте осуществления, представленном на фиг.6, каналы 82 могут, вместо или дополнительно к поперечно ориентированной синусоиде, также иметь кривизну в другом направлении, по существу, перпендикулярном направлению длины каждого канала 82. Т.е. в направлении размера "h" высоты каждый канал 82 может быть выполнен с возможностью повторения S-образной формы 90, которая, по существу, имеет сходство с синусоидой, ориентированной в вертикальной плоскости, симметрично расположенной в любом конечном месте относительно примыкающих ребер 80. Другими словами, на первом участке по длине каждого канала 82 его граничная поверхность 88 может быть удалена от первого ряда трубок 78 (см. фиг.3) на первое расстояние, тогда как на втором участке по длине каждого канала 82 граничная поверхность 88 может быть удалена от первого ряда трубок 78 на второе расстояние.

Вертикальная кривизна каждого канала 82 может быть прерывистой. Конкретно, сегмент 92 граничной поверхности 88 (т.е. внутренний и наружный участки граничной поверхности 88) в выпуклой и вогнутой вершинах каждой синусоиды могут быть в общем плоскими и, по существу, параллельными друг другу. Длина сегментов 92 может изменяться и зависеть от назначения, охлаждающих текучих сред, пропускаемых через теплообменник 50, температур охлаждающих веществ и/или расходов текучих сред.

Промышленная применимость

Раскрытая система охлаждения может быть применена в любой установке или системе энергоснабжения, где важны компактная установка разнообразных теплообменников и эффективный отвод тепла. В частности, раскрытая система охлаждения может обеспечить уникальную стратегию системы теплообменников, которая улучшает эффективность отвода тепла внутри замкнутого пространства. Раскрытая система может также обеспечить новое устройство ребер для применения с теплообменниками, что максимизирует передачу тепла, минимизируя сужение потока. Теперь опишем работу системы 32 охлаждения.

Во время работы установки 10 разные текучие среды внутри двигателя 12, системы 22 всасывания воздуха, трансмиссионной системы 24 и системы 28 гидравлики рабочего органа могут нагреваться. Например, охлаждающее двигатель вещество может, с целью охлаждения, циркулировать внутри и абсорбировать тепло от блока 14 цилиндров, наружных стенок цилиндров 16 и/или головок блоков цилиндров. Температура сжатого компрессором 35 воздуха при повышении его давления может подниматься и при смешивании с горючим и сгорании может еще возрасти. Проходящее через гидравлический редуктор 34 под давлением масло при непрерывной работе может поднять его температуру. Аналогично, используемое для перемещения рабочего органа 30 под давлением масло может работать непрерывно и нагреваться. Эти возросшие температуры, при их игнорировании, могли бы снизить эффективность или даже вывести из строя соответствующие системы.

Для поддержания соответствующих температур разных систем установки и двигателя текучие среды из каждой системы могут быть пропущены, с целью отвода тепла через специальный теплообменник. Например, воздух до или после компрессора 35 может быть пропущен через теплообменник 48 (АТААС). Масло из гидравлического редуктора 34 может быть пропущено через теплообменник 64 (ТСОС). Масло из гидравлического исполнительного механизма 36 может быть пропущено через теплообменник 50 (HOC). Охлаждающее вещество из двигателя 12 может быть пропущено через теплообменник 62 (радиатор). При пропуске этих текучих сред через соответствующие им теплообменники может быть включен охлаждающий вентилятор 42, создающий, тем самым, поток воздуха, направленный сначала через теплообменники 48 и 50 и затем через теплообменники 62 и 64.

Поскольку теплообменник, имеющий самую высокую среднюю температуру и наибольший отвод тепла одного ряда копланарных теплообменников, расположен последовательно с самыми горячими участками теплообменников другого ряда, то можно оптимизировать эффективность системы 32 охлаждения. Т.е. нагретый воздух может оказывать существенное воздействие на расположенные далее холодные теплообменники, но несущественное или, по меньшей мере, меньшее воздействие на расположенные далее более горячие теплообменники, поскольку последние могут иметь еще значительное температурное превышение над входящим воздухом. Наоборот, расположенные далее более холодные теплообменники, под воздействием нагретого воздуха, могут иметь меньшее температурное превышение над воздухом и, тем самым, способны отдавать меньше тепла воздуху.

Теперь опишем работу одного типичного теплообменника. Когда масло течет по трубкам 78 теплообменника 50, воздух из охлаждающего вентилятора может быть пропущен через каналы 82 и может абсорбировать тепло из ребер 80, граничной поверхности 88 и наружных поверхностей трубок 78. Частицы воздуха при попадании в каждый из каналов 82, из-за поперечной синусоиды (см. фиг.4), могут сталкиваться с ребрами 80. Результатом этого столкновения может быть трехмерное движение частиц воздуха, которое улучшает эффект турбулентного перемешивания теплообменника 50. И благодаря тому что общая площадь сечения в любом конечном месте канала 82 по его длине может оставаться неизменной, влияние сужения по всей длине может быть несущественным.

В варианте осуществления по фиг.6, в общем, та же самая работа и преимущества, что и в варианте осуществления по фиг.4. Однако, противоположно варианту осуществления по фиг.4, синусоида на фиг.6, как описано выше, может включать в себя плоские участки 92 в ее вершинах. В то время как частицы воздуха в варианте осуществления по фиг.4 текут и сталкиваются с противоположной стенкой вершины, здесь может быть некоторая тенденция для частиц отражаться от граничной поверхности 88 благодаря экстремальному изменению угла траектории. Плоские участки 92 могут сработать на снижение этого экстремального изменения угла и вероятности отражения от граничной поверхности 88, что может содействовать улучшению теплопроводной способности и/или эффективности теплообменника 50.

Специалистам в данной области техники ясно, что в раскрытой системе охлаждения могут быть осуществлены разные модификации и изменения, не выходящие за рамки объема изобретения. Другие варианты осуществления системы охлаждения будут очевидны специалистам в данной области техники из рассмотрения описания и осуществления раскрытой системы охлаждения. Надеемся, что описание изобретения и примеры, лишь как типичные, будут рассмотрены в объеме, определяемом следующей формулой изобретения и ее эквивалентов.

1. Система охлаждения, включающая в себя:
- первый теплообменник, имеющий первую величину теплоотвода;
- второй теплообменник, по существу, находящийся в одной плоскости с первым теплообменником, и имеющий вторую величину теплоотвода, большую, чем первая величина теплоотвода; и
- третий теплообменник, находящийся в одной плоскости с первым и вторым теплообменниками, и имеющий входную температуру и меньшую выходную температуру, причем третий теплообменник расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно со вторым теплообменником, и участок третьего теплообменника, выдающий текучую среду при меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с первым теплообменником.

2. Система охлаждения по п.1, в которой направление потока текучей среды через первый теплообменник, по существу, параллельное с направлением потока текучей среды через второй теплообменник.

3. Система охлаждения по п.2, в которой:
- третий теплообменник имеет величину теплоотвода больше, чем величины теплоотвода как первого, так и второго теплообменников; и
- направление потока текучей среды через третий теплообменник, по существу, перпендикулярное направлению потока текучей среды через первый и второй теплообменники.

4. Система охлаждения по п.3, в которой текучая среда на входе третьего теплообменника, текучая среда на выходе третьего теплообменника течет в направлении, по существу, параллельном направлению потока текучей среды через первый и второй теплообменники.

5. Система охлаждения по п.3, включающая в себя далее четвертый теплообменник, по существу, находящийся в одной плоскости с третьим теплообменником, и имеющий величину теплоотвода больше, чем величина теплоотвода третьего теплообменника.

6. Система охлаждения по п.5, в которой четвертый теплообменник имеет вторую входную температуру и вторую меньшую выходную температуру, причем четвертый теплообменник расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при второй входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно со вторым теплообменником, и участок четвертого теплообменника, выдающий текучую среду при второй меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с первым теплообменником.

7. Система охлаждения по п.6, в которой поток текучей среды через четвертый теплообменник происходит в направлении, по существу, совмещенном с направлением потока текучей среды через третий теплообменник.

8. Система охлаждения по п.5, в которой:
- первый теплообменник имеет третью входную температуру и третью меньшую выходную температуру;
- второй теплообменник имеет четвертую входную температуру и четвертую меньшую выходную, температуру; и
- третий и четвертый теплообменники расположены так, что участки первого и второго теплообменников, принимающие текучую среду при третьей и четвертой входных температурах, выполнены также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с третьим теплообменником, и участки первого и второго теплообменников, выдающие текучую среду при третьей и четвертой меньшей выходных температурах, выполнены с возможностью принятия потока воздуха последовательно с четвертым теплообменником.

9. Система охлаждения по п.5, в которой:
- первый теплообменник представлен радиатором, связанным с двигателем внутреннего сгорания; и
- второй теплообменник представлен маслоохладителем трансмиссии.

10. Система охлаждения по п.9, в которой:
- третий теплообменник представлен воздухоохладителем, связанным с воздушным потоком в двигателе внутреннего сгорания; и
- четвертый теплообменник представлен маслоохладителем гидравлики рабочего органа.

11. Система охлаждения по п.5, включающая в себя далее вентилятор, выполненный для создания потока воздуха по первому, второму, третьему и четвертому теплообменникам.

12. Система охлаждения по п.11, в которой установлен вентилятор для вытяжки прошедшего двигатель воздуха и продувки его через первый, второй, третий и четвертый теплообменники.

13. Способ охлаждения, включающий в себя этапы, в которых:
- создают первый поток текучей среды под давлением;
- создают второй поток текучей среды под давлением, имеющий среднюю температуру выше, чем средняя температура первого потока текучей среды под давлением, причем второй поток текучей среды под давлением имеет, по существу, то же самое направление потока, что и первый поток текучей среды под давлением;
- создают третий поток текучей среды под давлением в направлении, по существу, перпендикулярном первому и второму потокам текучей среды под давлением; и
- направляют поток воздуха для удаления тепла из первого, второго и третьего потоков текучей среды под давлением;
в котором текучая среда под давлением третьего потока сначала охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения второго потока текучей среды, причем текучая среда под давлением ранее охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения первого потока текучей среды под давлением.

14. Способ по п.13, включающий в себя далее этапы, в которых:
- создают четвертый поток текучей среды под давлением; и
- направляют поток воздуха также для удаления тепла из четвертого потока текучей среды под давлением,
в котором текучая среда под давлением четвертого потока сначала охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения второго потока текучей среды, причем ранее охлаждена воздухом, также направленным для охлаждения первого потока текучей среды под давлением.

15. Способ по п.14, в котором из второго потока текучей среды под давлением удаляют большее количество тепла, чем из первого потока текучей среды под давлением.

16. Способ по п.15, в котором из четвертого потока текучей среды под давлением удаляют большее количество тепла, чем из третьего потока текучей среды под давлением.

17. Способ по п.16, в котором:
- средняя температура второго потока текучей среды под давлением выше, чем средняя температура первого потока текучей среды под давлением; и
- средняя температура четвертого потока текучей среды под давлением выше, чем средняя температура третьего потока текучей среды под давлением.

18. Система энергоснабжения, включающая в себя:
- двигатель внутреннего сгорания;
- вентилятор для создания потока воздуха, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания;
- радиатор, выполненный с возможностью циркуляции охлаждающего вещества в двигателе, причем радиатор имеет первую среднюю рабочую температуру;
- маслоохладитель трансмиссии, выполненный по существу, в той же самой плоскости, что и радиатор, и имеющий вторую среднюю рабочую температуру выше, чем первая средняя рабочая температура;
- маслоохладитель гидравлики, имеющий первую входную температуру и первую меньшую выходную температуру, причем маслоохладитель гидравлики расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при первой входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с маслоохладителем трансмиссии, и участок маслоохладителя гидравлики, выдающий текучую среду при первой меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с радиатором; и
- воздухоохладитель, выполненный, по существу, в той же самой плоскости, что и маслоохладитель гидравлики, и имеющий вторую входную температуру и вторую меньшую выходную температуру, причем воздухоохладитель расположен так, что его участок, принимающий текучую среду при второй входной температуре, выполнен также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с маслоохладителем трансмиссии, и участок воздухоохладителя, выдающий текучую среду при второй меньшей выходной температуре, выполнен с возможностью принятия потока воздуха последовательно с радиатором.

19. Система энергоснабжения по п.18, в которой:
- направление потока текучей среды через радиатор, по существу, параллельное направлению потока текучей среды через маслоохладитель трансмиссии;
- направление потока текучей среды через маслоохладитель гидравлики и направление потока через воздухоохладитель, по существу, перпендикулярные направлению потока текучей среды через радиатор и маслоохладитель трансмиссии; и
- поток текучей среды на входе и выходе воздухоохладителя, по существу, параллельный с направлением потока текучей среды через радиатор и маслоохладитель трансмиссии.

20. Система энергоснабжения по п.18, в которой:
- радиатор имеет третью входную температуру и третью меньшую выходную температуру;
- маслоохладитель трансмиссии имеет четвертую входную температуру и четвертую меньшую выходную температуру; и
- маслоохладитель гидравлики и воздухоохладитель расположены так, что участки радиатора и маслоохладителя трансмиссии, принимающие текучую среду при третьей и четвертой входных температурах, выполнены также с возможностью принятия потока воздуха последовательно с воздухоохладителем, и участки радиатора и маслоохладителя трансмиссии, выдающие текучую среду при третьей и четвертой выходных температурах, выполнены с возможностью принятия потока воздуха последовательно с маслоохладителем гидравлики.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системе охлаждения рабочей машины. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к системам охлаждения силовых установок транспортных средств, а также может быть применено для стационарных теплоэнергетических установок.

Изобретение относится к автотракторному машиностроению, в частности к системам жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания с устройствами для поддержания двигателя в прогретом состоянии после его остановки в холодное время года.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, и может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с наддувом. .

Изобретение относится к теплообменным аппаратам систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания и позволяет повысить надежность при эксплуатации радиатора в условиях отрицательных температур.

Изобретение относится к электрическому транспортному средству. .

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и предназначено для принудительного воздушного охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов (БПТР) электровоза с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими от высоковольтной контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. .

Изобретение относится к области транспортного машиностроения. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к устройству для направления охлаждающего воздуха к передаче автомобиля с помощью направляющего воздух элемента.

Изобретение относится к автомобилю (2) и крышке (17) задней части автомобиля. .

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к передней части автомобиля, содержащей бампер и расположенный позади бампера охлаждающий модуль, который удерживается посредством первых и разъемных вторых удерживающих средств.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения

Изобретение относится к охлаждению двигателей внутреннего сгорания

Наверх