具有水分离器的空气冷却器

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本申请要求2020年7月24日提交的美国申请序列号第16/937,650号的优先权，其全部内容在此以参见的方式明显地纳入本文。

技术领域

本发明的方面总体上涉及具有水分离器的空气冷却器，并且具体地涉及具有包括螺旋叶片的水分离器的空气冷却器。

背景技术

空气冷却器，例如增压空气冷却器，其也可称之为中间冷却器或后冷却器，可以用在诸如柴油发动机的发动机上，以便在发动机空气进入发动机的进气歧管和气缸之前对已经穿过压缩机(例如，涡轮增压器或增压器)的发动机空气进行冷却。

涡轮增压器压缩空气以提高功率和效率。为了进一步增加功率并满足排放标准，需要冷却空气。这种热空气可能含有大量的水蒸气，当它冷凝时，会导致腐蚀、结垢积累堆积、润滑剂流失及可能的冻结问题。

将会期望提供一种空气冷却器，其减少或克服现有已知设备中固有的一部分或全部困难。鉴于本发明的下述公开和某些实施例的详细描述，特定的优点对本领域技术人员、即在该技术领域中具有知识或经验的人而言将是显而易见的。

鉴于本发明的下述公开以及特定的优选实施例的详细描述，本发明的具体的目的和优点对本领域技术人员、即在该技术领域中具有知识或经验的人而言是显而易见的。

发明内容

本发明的方面可用于有利地提供具有水分离器的空气冷却器，该水分离器在空气流进入发动机的进气歧管和气缸之前改善水与空气流的分离。从空气流中分离水在其他压缩空气应用中也可能是有益的。

根据第一方面，空气冷却器组件包括空气冷却器，该空气冷却器具有空气入口歧管、空气出口歧管和热交换器芯，该热交换器芯在空气入口歧管的第一端处连接到空气入口歧管，并且在其第二端处连接到空气出口歧管。水分离器包括具有第一端和相对的第二端的腔室、靠近第一端并连接到空气出口歧管的空气入口以及靠近第二端的空气出口。水出口形成在该腔室的底部表面中，并且通道定位在该水出口的下方。冷凝物出口定位在该通道的底部表面上。螺旋叶片具有第一端和第二端，并且定位在位于空气入口与空气出口之间的腔室内。

根据另一方面，空气冷却器组件包括空气冷却器，该空气冷却器具有空气入口歧管、空气出口歧管和热交换器芯，该热交换器芯在空气入口歧管的第一端处连接到空气入口歧管，并且在其第二端处连接到空气出口歧管。水分离器组件包括具有第一端和相对的第二端的腔室、靠近第一端并连接到空气出口歧管并基本上竖直地延伸的空气入口以及靠近第二端的空气出口。该空气出口由从腔室向下且向外延伸的第一部分形成，并且定位在该腔室内的第一端和相对的第二端。第二部分连接到第一部分的第一端，并且基本上水平地延伸。包括多个槽的出水口形成在腔室的底部中。通道定位在水出口的下方，且冷凝物出口从通道的底部表面向下且向外延伸。螺旋叶片具有第一端和第二端，并且定位在空气入口与空气出口之间的腔室内。该螺旋叶片的第一端表面限定了在腔室内基本上竖直地延伸的第一平面，且第二端表面限定了在腔室内基本上竖直地延伸的第二平面。该螺旋叶片的内部边缘限定了沿着腔室的纵向轴线延伸的中心孔，并且该螺旋叶片的外部边缘沿着腔室的内部表面延伸。

根据上述公开，对本领域技术人员、即在该技术领域中具有知识和经验的人而言显而易见的是，如本文中所公开的空气冷却器的优选实施例在改进冷凝水的去除方面提供了显著的技术进步。这些和附加的特征和优点将从以下某些优选实施例的详细公开中进一步理解。

附图说明

图1是部分组装的空气冷却器和连接到空气冷却器的水分离器的示意性立体图。

图2是部分断开的连接到图1的空气冷却器的空气腔室出口的水分离器的示意性立体图。

图3是局部剖视的图1的水分离器和空气腔室出口的侧视图。

图4是局部剖视的图1的水分离器和空气腔室出口的端视图。

图5是局部剖视的图1的水分离器和空气腔室出口的后视立体图。

图6是图1的水分离器和空气腔室出口的示意性后视立体图。

以上提及的附图不一定是按比例绘制的，并且应当理解的是，上述附图提供了本发明的示意图以及所涉及的原理的图示。为了便于说明和理解，在附图中描述的空气冷却器的一些特征已经相对于其他的特征进行了放大或变形。在附图中采用了相同的附图标记以用于各种替代实施例中所示的相似或相同的部件和特征。本文所公开的空气冷却器将具有部分由所用于的预期应用和环境所确定的构造和部件。

具体实施方式

本发明可以以各种形式实施。图1示出了具有连接到其上的水分离器12的空气冷却器10的实施例。例如，空气冷却器10可以是增压空气冷却器。空气冷却器10可用于例如在从发动机涡轮增压器排出的热压缩空气进入发动机的进气歧管和气缸之前对其进行冷却。然而，应当理解，空气冷却器不限于用于冷却发动机中的热空气，并且可以容易地用于其他领域的流体或气体。

为了方便起见，在本文中使用术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”以在空气冷却器和特定元件的上端与下端之间进行区分。应当理解的是，“上”、“下”、“顶部”、“底部”仅用于易于描述和理解，并且上述术语不意在对组装或使用期间的空气冷却器或其部件的可能的空间定向进行限制。

空气冷却器10可以包括空气腔室入口14，该空气腔室入口允许将加热的空气引入到入口歧管16中。然后，加热的空气可以从入口歧管16通过热交换器芯17。在所示实施例中，热交换器芯17包括在其外部表面上具有翅片19的多个流管18。为了清楚起见，在图1中仅示出了两个带翅片的流管18。应当理解，其他类型的热交换器芯可用于冷却通过空气入口14进入入口歧管16的热空气。例如，在某些实施例中，流管18可以设为不带翅片。其他示例性热交换器芯包括U形管、单通(single pass)和双通(two pass)以及棒－板式热交换器芯。鉴于本公开的益处，其他合适的热交换器芯对于本领域技术人员来说将变得显而易见。

冷空气可以在流动箭头F的方向上被引导横跨多个带翅片的流管18的外部。应当理解，可以由风扇(未示出)或通过自然对流产生横跨流管的空气流动。还应当理解，流动箭头F的方向可以在任何方向上延伸。流过翅片管18的空气已经被流过带翅片的流管18的外部表面的空气所冷却，然后可以流到出口歧管21，并且然后从出口歧管21通过下面描述的空气入口58流到水分离器12。

借助空气出口歧管21离开空气冷却器10并进入水分离器12的冷却空气可能包括水，如上所述，水可能对发动机有害。当空气流和水流穿过水分离器12时，水可以被除去，从而防止水进入发动机。

水分离器12及其部件可以由非腐蚀性材料形成。水分离器可以由树脂或塑料、或金属形成。示例性金属包括铝和不锈钢。考虑到本公开的益处，用于水分离器12的其他合适材料对于本领域技术人员来说将变得显而易见。

如图2-6所示，水分离器12可以包括腔室50，该腔室具有第一端52、相对的第二端54和在第一端52与第二端54之间延伸的侧壁56。在某些实施例中，腔室50的横截面可以是基本上圆柱形的。

本文中使用的术语“基本上”意指在水分离器制造和使用领域中的合理商业工程目标、成本、制造公差和能力的约束范围内的大部分或几乎相同。类似地，这里使用的术语“大约”意味着接近或大约特定值，在水分离器制造和使用领域中合理的商业工程目标、成本、制造公差和能力的约束内。

空气入口58可以定位在腔室50的第一端52附近，并且可以连接到空气冷却器10的出口歧管21，使得腔室50与空气冷却器10的热交换器芯17流体连通。通过出口歧管21流出热交换器芯17的冷却空气可以通过空气入口58进入水分离器12的腔室50。空气入口58的横截面可以是基本上圆柱形的，并且可以基本上竖直地延伸。应当理解，空气入口58可以具有任何横截面形状，并且可以定向在任何期望的方向上。在某些实施例中，如图4所示，空气入口58的下表面60可以限定相对于空气入口58的纵向轴线M成角度α的平面，在该实施例中，空气入口58的纵向轴线M在竖直方向上定向。在某些实施例中，角度α可以是大约45°，然而，应当理解，角度α可以具有任何值。

腔室50还可以包括定位在第二端54附近的空气出口62，并且空气可以通过空气出口62离开腔室50。在某些实施例中，空气出口62的横截面可以是基本上圆柱形的。应当理解，空气出口62可以具有任何横截面形状。

如图5所示，空气出口62可以由具有第一端65和相对的第二端67的第一部分64形成。第一部分64可以从腔室50的内部向下且向外延伸穿过侧壁56。如图6所示，第一部分64的纵向轴线D可以相对于水平面以角度β向下且向外延伸。在某些实施例中，角度β可以为大约45°。第一部分64的第一端65可以定位在腔室50内，并且可以限定基本上竖直地延伸的平面。第二部分66可以连接到第一部分64的第二端67，并且基本上水平地延伸。应当理解，在其他实施例中，空气出口62可以由单个部分形成，并且可以以任何期望的角度定向。

螺旋叶片66可以定位在腔室50内，并且可以具有第一端68和相对的第二端70。在某些实施例中，螺旋叶片66的第一端68可以定位在空气入口58的下游。在其它实施例中，第一端68可以定位在空气入口58的上游，而在其他元件中，第一端68可以定位在空气入口58处。在某些实施例中，螺旋叶片66的第二端70可以定位在空气出口62的上游。在其他实施例中，第二端70可以定位在空气出口62的下游，而在其他元件中，第二端70可以定位在空气出口62处。

在某些实施例中，螺旋叶片66的第一端68可以具有基本上水平地延伸的第一端表面72，并限定在腔室50内基本上竖直地延伸的第一平面。应当理解，在其他实施例中，第一端68可以具有任何期望的定向。类似地，螺旋叶片66的第二端70可以具有基本上水平地延伸的第二端表面74，并限定在腔室50内基本上竖直地延伸的第二平面。应当理解，在其他实施例中，第二端70可以具有任何期望的定向。

螺旋叶片60可以具有第一表面76、相对的第二表面78、在第一表面76与第二表面78之间从第一端68延伸到第二端70的外部边缘80、以及在第一表面76与第二表面78之间从第一端68延伸到第二端70的相对的内部边缘82。在某些实施例中，外部边缘80可以与腔室50的内部表面84接触。外部边缘80可以例如通过焊接直接固定到腔室50的内部表面84。在某些实施例中，外部边缘80可以沿其长度在多个点处点焊或缝焊，而在其他实施例中，外部边缘80可以沿其整个长度焊接。如图5所示，螺旋叶片60的内部边缘82可以限定沿螺旋叶片60的整个长度与螺旋叶片60的纵向轴线L同轴延伸的基本上圆柱形的中心通道85。

在所示实施例中，螺旋叶片的第一表面76和相对的第二表面78可以从第一端68朝向第二端70顺时针缠绕。在其他实施例中，螺旋叶片的第一表面76和相对的第二表面78可以从第一端68朝向第二端70逆时针缠绕。在某些实施例中，螺旋叶片60的外部边缘80和内部边缘82中的每一个可以在螺旋叶片60的第一端68与第二端70之间完成整周旋转。应当理解，在其他实施例中，外部边缘80和内部边缘82可以在螺旋叶片60的第一端68与第二端70之间完成大于或小于整周的旋转。

水出口86可以定位在腔室50的底部处，靠近螺旋叶片66的第二端74并靠近空气出口62，并用于允许水从腔室50排出。在某些实施例中，水出口86可以是延伸穿过侧壁56的多个孔或槽88的形式，其允许水从腔室50排出。在某些实施例中，槽88可以是跑道形状的。槽88可以是共线的，并且具有基本上平行于腔室50的纵向轴线L延伸的公共纵向轴线S。应当理解，水出口86可以采取任何期望的形式，包括例如滤网或多孔板。

槽或通道90可以固定到格栅86(grate)下方的腔室50的底部。在某些实施例中，通道90可以具有基本上圆柱形的横截面，其中纵向轴线A基本上平行于腔室50的纵向轴线L延伸。应当理解，通道90可以具有任何期望的横截面形状。

冷凝物出口92可以连接到通道90的底部上的出口开口94，允许水从通道90排出。在某些实施例中，冷凝物出口92可以具有基本上圆柱形的横截面。应当理解，冷凝物出口92可以具有任何期望的横截面形状。

如图3所示，在某些实施例中，空气出口62可以沿着腔室50的纵向轴线L定位在格栅86和通道90的中点附近。

当加热的空气移动通过腔室50时，它被螺旋叶片66重定向，帮助从空气中去除湿气。当空气沿着螺旋叶片66的表面移动并通过中心孔85时，较重的水滴从螺旋叶片66的内部边缘82落下，并通过水出口86进入通道90。

如图4和图6所示，空气入口58可以与腔室50一起定位，使得其纵向轴线M与腔室50的纵向轴线L间隔开并靠近侧壁56，这有助于向流入腔室50的空气引入快速旋转(spin)，引导其沿着侧壁56并沿着螺旋叶片66。

如图4所示，空气出口62的第一部分64的第一端65可以定位在腔室50的靠近纵向轴线L的中心部分中，这可以有助于防止当空气离开腔室50时来自腔室50的湿气进入空气出口62。

因此，尽管已经对各种实施例的基本新颖特征进行了显示、描述和指明，但应当理解的是，熟悉本领域的技术人员可在所示装置的形式和细节中和在其运行中作出各种省略、替代和改变，而不脱离本发明的精神和范围。例如，明确的意图是，以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以实现相同结果的那些元件和/或步骤的所有组合都在本发明的范围内。从一个描述的实施例到另一个实施例的元件的替换也是完全预期和设想的。因此，只用所附权利要求书的范围所指来进行限制。