CN101135542A - 车用热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明使用热阻概念，提出了将散热器的散热性能最大化的最佳设计范围。提供了一种热交换器，用来进行被发动机加热的冷却水和冷却发动机的空气间的热交换，包括：在一侧的封头，用于连通由发动机提供的、流经恒温器和水泵的冷却水，该恒温器根据冷却水的温度调节开闭；换热管，其结构上紧固，以在其一侧端部与该封头连通，且平行于驱动风的方向布置；在另一侧的封头，其结构上紧固在换热管的另一侧端部以与其连通，用于将冷却水排入发动机；及固定连接在换热管之间的翅片，其中当管的材料厚度Tth在0.15到0.23mm时，管的内宽b和节距Tp由公式1.50≤b×Tp^0.2≤1.94确定，该公式由热阻Rw导出。此时，热交换器可用作高效薄式散热器，且冷却水在管内的流动在大部分区域内为湍流。

Description

车用热交换器

技术领域

本发明涉及车用热交换器，更具体地说，本发明涉及的车用热交换器为高效薄式热交换器，用以降低车体的重量和提高散热性能。

背景技术

图1是表示通用车辆的冷却系统的概念视图。由于车用发动机1总是点燃和燃烧高温高压气体，因此发动机1在任其自然的情况下会过热，使得可能由于构成发动机1的金属材料熔化而导致气缸和活塞被严重损坏。为了防止这种情况，如图1所示，储存有冷却水的水套(未示出)安装在车用发动机1的气缸周围，通过使用水泵5使冷却水通过散热器2或者加热器芯3来循环冷却发动机，并且根据进行冷却还是加热，冷却水可不经过加热器芯3，而是通过旁通管路6直接流回。此时，在冷却水流经的路径上安装恒温器4，以便根据流经发动机1的冷却水的温度来调节开闭度，从而起到防止发动机1过热的调节机构的作用。

图2(a)和(b)分别为通用散热器的透视图和分解透视图。散热器为热交换器的一种，用以在循环至发动机时接收发动机传递的热量的冷却水在流动时，使冷却水的热量辐射。散热器安装在发动机室内，并且冷却风扇安装在发动机室的中部，用来将风吹进发动机芯内。

散热器通常由具有显著热传导效果的铝制成，并且散热器具有散热性能依赖换热管和换热翅片元件的特性。也就是说，即使在具有相同芯子的散热器中，如果管和翅片的高度降低，则散热性能在理论上也将会提高。然而，如果翅片的高度太低，则杂质会阻塞或者堆积在翅片之间，从而干扰通风。而且如果管的高度太低，则由于防冻液或者反应剂所产生的杂质堆积在管内，所以会出现流道被堵塞的现象，从而可导致传热性能恶化。在这种情况下，因为管和翅片的数量变得很大，所以可导致对散热器结构的稳定性和制造生产力非常不利的问题。

在现有技术的美国专利号4,332,293(1982.6.1)的实例中，提出了安装在有限的芯安装空间的范围内的散热器元件的数值域，其中翅片在空气流动方向上的长度应为12到23mm，翅片间距应为1.5到3.3mm，管的间距应为8.5到14mm，以便克服在具有2或3排的管布置的散热器中随着翅片长度在空气流动方向上增加而产生的空气阻力和由此导致的传热性能的降低。

然而，传统散热器的焦点在空气流通管外侧的散热性能上。而且，为了防止水侧压力损失，将管的口径设置的比较大，同时考虑到空气侧的传热效果，将翅片的高度设置的相对较高。在通用散热器的情况下，存在一种被忽略的情况，尽管基于导热的传热率由于空气侧的对流而被频繁改变，然而传热率的变化并不像散热器元件的结构改变程度那么大，同时，尽管基于换热管中的对流换热的热值在总的传热率中占很低的比例，但是其根据散热器元件的结构改变程度而灵敏变化，并且其变化相当大。这要求更细致地观察散热器管中冷却水的流动和散热器管内部的传热特性，而且需要对散热性能更有效的散热器进行更多的研究和实验。

发明内容

本发明的目标是提供一种热交换器，即用以降低车体重量和提高散热性能的高效薄式热交换器。

本发明的另一个目标是使用热阻概念，提供最佳的设计条件，以最大化散热器的散热性能。

本发明的再一个目标是提供散热器各主要元件的优选设计范围，其能够满足最佳的设计范围。

为了实现本发明的这些目标，提供了一种车用热交换器，用来进行被发动机加热的冷却水和流入车辆前部以冷却发动机的空气之间的热交换，本发明的车用热交换器包括：在一侧的封头(header)，用于连通由发动机提供的、流经恒温器和水泵的冷却水，该恒温器根据冷却水的温度调节开闭；换热管，其结构上紧固，以在其一侧端部与该封头连通，并且平行于驱动风的方向布置；在另一侧的封头，其结构上紧固在换热管的另一侧端部以与其连通，用于将冷却水排入发动机；以及固定焊接在换热管之间的翅片，其中当管的材料厚度Tth在0.15到0.23mm的范围内时，管的内宽b和节距Tp由公式1.50≤b×Tp^0.2≤1.94确定，该公式由热阻Rw推导得出。此时，该热交换器可用作高效薄式散热器，并且冷却水在管内的流动在大部分区域内为湍流。

优选地，管的内宽b在1.02到1.3mm的范围内，且管的节距Tp在6.78到7.4mm的范围内。

优选地，外宽Th在1.48到1.6mm的范围内，且其中翅片的高度Fh在5.3到5.8mm的范围内。

附图说明

图1是表示通用车辆的冷却系统的概念视图。

图2(a)和(b)分别是作为通用换热器的散热器的透视图和分解透视图。

图3是说明热阻的概念视图。

图4是表示散热器中的管和翅片的连接特征的放大透视图。

图5是说明在本发明中根据热阻的变化的、散热器的传热率和压力损失的变化的曲线图。

图6是说明在本发明中根据翅片的高度的、散热器的传热率和压力损失的变化的曲线图。

图7是说明在本发明中根据管的外宽的、散热器的传热率和压力损失的变化的曲线图。

图8是说明在本发明中根据管的材料厚度的、散热器的传热率和压力损失的变化的曲线图。

图9是分别说明根据本发明和现有技术的、散热器的流量和传热率的曲线图。

图10是分别说明根据本发明和现有技术的、散热器的重量的曲线图。

[主要元件说明]

10：散热器封头

20：散热器换热管

30：散热器翅片

具体实施方式

在附例和比较例中说明了本发明的实用的和当前优选的实施例。

然而，应该意识到本领域的技术人员在考虑本公开内容后，可在本发明的实质和范围内进行修改和改进。

为了说明如图2中所示的散热器那样的热交换器的传热特性，本发明推导出了如图3中所示的热阻的概念，热阻如同在电气工程中由电压和电流的比值表示电阻一样。此时，使传热在热交换器中得以完成的因素是温差，而将阻止由温差引起的热流的因素设为热阻，热阻类似地应用于电气工程中使用的公式I＝V/R。在此情况下，传热率q＂由下面的公式表示，并且随着热阻R变小和温差Th-Tc变大，传热率q＂增大。

q＂＝C×(Th-Tc)/R    ...........................(1)

这里，C表示一个常量，Th表示高温侧的温度，Tc表示低温侧的温度，而R表示热阻。

同时，分别相对于对流换热和导热的情况，将热阻R进一步表示如下。

对流换热：R＝1/hA    ...........................(2)

导热：R＝1/kA    ...........................(3)

这里，h表示对流换热系数，k表示导热系数，且A表示传热面积。

应用于如本发明的散热器那样的热交换器的总热阻Rtot，由热阻Rh、Rc和Rwall三者的和如下表示，其中Rh为高温侧的管中的对流换热所引起的热阻，Rc为低温侧的空气中的对流换热所引起的热阻，Rwall为穿过管本身的厚度的导热所引起的热阻，并且每个热阻都与传热系数和传热面积的乘积的倒数成比例。

Rtot＝Rh+Rc+Rwall    ...........................(4)

然而，尽管空气侧的对流换热占据了在散热器的情况下的传热所引起的传热率的最大部分，但是根据散热器元件的结构改变程度的散热特性的变化并不是很大，同时，尽管由高温侧的换热管中的对流换热所引起的传热率占总传热率的一小部分，但是根据散热器元件的结构改变程度的传热率的变化十分灵敏。由于传热率的变化相对较大，所以作为确定散热器元件和相应散热性能的主要因素的热阻是上述公式(4)中的Rh。

在本发明中，将会对散热器中的主要元件的优选元件范围提出建议，其中RH可根据上述的传热理论定量确定，通过散热器元件间的关系可实现轻量化，同时散热性能的提高也能够显现出来。

在热阻的定义中，流入散热器管中的冷却水的平均流量是决定散热性能的主要因素，而冷却水的平均流量为流入散热器中的总流量除以冷却水流通的管的总截面积所得到的值。使冷却水流动的动力源为车辆的水泵，然而尽管将总流量保持均匀，但是流量和压力损失会根据管的数量和宽度而变化。例如，尽管在管的宽度变窄和管的数量增加的替换结构中可以增加管内的流速，但是由于入流阻力的增大，导致压力损失的增大，而且，如果管的宽度变得很大，则尽管流量可降低，但是传热量减小。因此，为了得到高效的散热性能，管的宽度应该是适当的。此外，为了在相同芯子面积的条件下增大管的数量，应该对应管的宽度将翅片高度设计为最佳高度。增加管的数量使冷却水流经路径的面积增大，使得可降低压力损失同时可增大流量。另外，具有有效散热面积的翅片的高度也是优化传热效率的主要因素之一。因此，将管的宽度和材料厚度以及翅片高度，作为优化单位重量传热率的条件，适当地确定为最大化散热器的散热性能的参照，使得散热器的材料成本可得以降低且油耗量可进一步改善。

平均流速Uw为冷却水的总流量除以管的截面积所得到的值，并且其可如下近似。

Uw＝Qw/Ac    ………………………(5)

这里，Qw表示冷却水的总流量，且Ac表示管的截面积。

此外，当散热器的芯子宽度W给定时，散热器的管数n等于散热器的芯子宽度w减去一个翅片的高度Fh后的长度除以管节距Tp所得的值。此时，由于芯子宽度W远远大于翅片高度Fh，使得W》Fh的关系式数学上成立，所以管数n可以如下定义。

n＝(W-FH)/Tp

此时，由于截面积等于散热器的内截面积和管数的乘积，因此管的截面积可进一步以下面的公式表示。

Ac＝bxTdxn

这里，如图4中所示，b表示管的内宽，Td表示管的内高。因此，冷却水在管中的平均流速Uw可由以下从公式(5)和(7)导出的公式(8)表示。

Uw＝Qw/Ac

＝Qw×WP/(bxTdxW)    ………………………(8)

进一步地，假设管的内高Td，芯子宽度W和总流量Qw均为常数，则上述公式(8)还可以管的内宽b和节距Tp的函数如下表示。

Uw＝C1×(Wp/b)    ………………………(9)

这里，C1表示一个常量。

同时，管的传热面积Aw表示在管中可被冷却水润湿的总表面积。由于管的长度H和芯子的宽度W为常数，且关系式Td》b成立，假设

所以Aw如下定义。

Aw＝2x(b+Td)xHxn

＝C2x(1/Wp)    ………………………(10)

这里，C2表示一个常量。

同时，为了提高散热性能，散热器中的内部流动被设计成在大部分区域内可为湍流，在内部流动为湍流的情况下，努塞尔特数(Nusseltnumber)Nu可由Dittus-Boelter等式表示如下。

Nu＝0.023xRe^0.8xPr^0.3=0.023×(pxUwxDh/μ)^0'8×Pr^0.3

＝C3×(UwxDh)^0.8    ………………………(11)

这里，ρ表示流体密度，μ表示粘滞系数，而C3为常量。由于水力直径Dh为4bxTd/2(b+Td)，且如上面假设的，b是相对小于Td的值，所以水力直径Dh还可由以下公式近似计算。

同时，努塞尔特数Nu为无量纲数，表示在流体和固体之间热量交换的比值，且其如下定义。

Nu＝hxDh/k    ………………………(13)

这里，h代表传热系数，而k表示流体的热导率。

因此，管的内表面的传热系数hw可由上述公式(9)、(11)、(12)和(13)如下定义。

Hw＝C4x(UwxDh)^0.8Dh＝C4xUw^0.8xDh^-0.2

＝C5x(Tp/b)^0.8x(2b)^-0.2

=C6xTp^0.8/19    ………………………(14)

同时，由于如上所述，本发明的散热器中的散热特性的变化在很大程度上受管的高温区域中的对流换热的影响，因此观察在此区域中热阻的变化和特性是非常重要的。因此，散热器管的高温区域中的热阻Rw可由公式(2)和(14)如下导出。

Rw＝1/(hwxAw)

＝C7xTp^-0.8xbxTp

＝C7xbxTp^0.2

＝C7x(Th-2Tth)×(Th+Fh)^0.2    ………………………(15)

这里，Th表示管的宽度，Tth表示管的材料厚度，而Fh表示翅片的高度。

也就是说，根据热阻Rw值的变化可以观察到由对流换热引起的传热率的变化，并且通过传热率的变化结果，可以对散热器元件中对应于主要因素的元件的优选设计提供建议。

以下将参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

图5是说明上面导出的热阻Rw和公式(1)中的传热率的关系的曲线图。在图5中，水平轴表示作为变量的、热阻公式(15)中除常值C7以外的变量的变化值，而垂直轴表示在翅片的高度Fh分别为5.3mm、5.5mm和5.7mm的情况下、作为变量的传热率和压力损失。如图5中所示，传热率关于热阻Rw的变化呈现缓慢的变化，但是压力损失表现为在某一区域、尤其是小于某一值时迅速增加。

用于选择热阻的适当范围的最高值和最低值，是通过考虑了散热器所要求的传热率等的公式来恰当选择的。理论上，尽管传热率随着热阻变小而增大，但是考虑到在最低值情况下管中的压力损失，应该确定热阻的合适范围。当参照图5选择热阻的最高值和最低值时，应该同时考虑到当热阻值小于图5中水平轴上的1.5时，实际管中的压力损失是急剧增大的，并且考虑到在最低值情况下散热器所需要的传热率，当热阻值大于1.94时是不利的。因此，本发明中表现散热器要求的最低散热性能、并且使压力损失不会显著增加的适合区域如下设置。

1.50≤(Th-2Tth)×(Th+Fh)^0.2≤1.94    ...........................(16)

图6是说明在本发明中当管的高度Th分别为1.50mm、1.54mm和1.6mm时，散热器的传热率和压力损失根据翅片高度Fh变化的曲线图。这里，Q为散热器的传热率，即，散热器冷却发动机所需要的最低传热率。也就是说，在图6中，左垂直轴为Q/Q₀，Q₀表示需要的最低传热率，而右垂直轴表示流体侧的压力损失量。此时，曲线图中的实线表示传热率比值，而虚线表示流体侧压力损失量。本发明中的翅片高度Fh可以设定为具有图6中的优选范围。也就是说，在翅片高度Fh超过5.8mm的情况下，传热率降低到低于要求的最小散热值，使得发动机温度不能适当保持，并且在翅片厚度很薄时，翅片有可能弯曲。同时在翅片高度Fh低于5.3mm时会引起堆叠的翅片和散热管的数量过大的问题，使得散热器的重量显著增加，并且翅片和管会阻碍空气的流通。更糟的是，在实际车辆行驶的情况下，翅片的高密度会引起杂质严重堆积，使得通过散热器的空气不能平稳流动。因此，参照图6中要求的条件和特性，将翅片高度Fh设定在一定的范围内，使传热率保持为足够高的值，而且管中的压力损失不会急剧增加。将以下范围设为优选区域。

5.3mm≤Fh≤5.8mm    ...........................(17)

图7是说明在本发明中当翅片高度Fh分别为5.3mm、5.5mm和5.7mm时，散热器的传热率和压力损失根据管的高度Th变化的曲线图。本发明的散热器的管高Th可以设定为具有图7中的优选范围。也就是说，在管高Th超过1.6mm时，会导致管中的流体流动难以形成湍流，使得传热率降低到低于最小要求传热率的问题，而相反地，在管高Th低于1.48mm时，会使管中流体侧的压力损失量急剧增加，使得需要额外的动力循环流体。因此，参照图7中要求的条件和特性，将管的高度Th设定在一定的范围内，使传热率保持为足够高的值，并且管中的压力损失不会急剧增加。将以下范围设为优选区域。

1.48mm≤Th≤1.6mm    ...........................(18)

图8是说明本发明中的散热器的传热率和压力损失根据管的材料厚度Tth变化的曲线图。本发明的散热器管的材料厚度Tth可以设定为具有图8中的优选范围。也就是说，存在这样的问题，随着管的材料厚度Tth变厚，散热器的重量增加，并且流体侧的压力损失量急剧增大，使得需要额外的动力循环流体。另一方面，存在这样的问题，在管的材料厚度Tth低于0.15mm时，材料变得太薄，使得在制造过程中当注入流体时，管子可能严重变形，并且管可能破裂，或者由于压阻的问题导致芯子的叠置的翅片可能被压碎。因此，参照图8中要求的条件和特性，将管的材料厚度Tth设定在一定的范围内，使传热率保持为足够高的值，而且管中的压力损失不会急剧增加。将以下范围设为优选区域。

0.15mm≤Tth≤0.23mm    ...........................(19)

本发明已经提出了管和翅片的优选设计条件，其满足上述的热阻范围的条件，且同时促进了散热器的轻量化。而且，在图9中可以看到，与传统的散热器相比，采用此设计条件的散热器的散热性能已得到提高。

图9为具有相同热交换值的传统的散热器产品与满足本发明的Fh、Th和Tth条件的散热器，在相同的空气侧压力损失条件下的传热率的比较图。这里，通过关于各自的宽度调节翅片的密度(FPDM)，而将各个散热器的压力损失条件设定为具有相同的值。

图10为当芯子的尺寸W，即散热器的热交换面积相同时，管和翅片的总重量的比较图。如图10中所示，与具有相同芯子尺寸的传统散热器相比，本发明的散热器实现了轻量化，使得其直接帮助改善车辆的油耗。

工业适用性

如上所述，由于本发明的散热器降低了车体重量和提高了散热性能，因此其在轻量化和提高油耗方面有很大的作用。

而且，本发明使用热阻的概念可提出最大化散热器的散热性能的最佳设计范围。

本领域的技术人员将可理解，前述说明中公开的概念和具体实施例可容易地应用为修改或设计其它实施例的基础，以实现本发明的相同的目的。本领域的技术人员还将理解，这些等效实施例没有脱离由所附权利要求所确定的本发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种车用热交换器，用于进行被发动机加热的冷却水和流入车辆前部以冷却发动机的空气之间的热量交换，所述热交换器包括：

在一侧的封头，用于连通由发动机提供的、流经恒温器和水泵的冷却水，所述恒温器根据冷却水的温度调节开闭；

换热管，其结构上紧固，以在其一侧端部与所述封头连通，并且平行于驱动风的方向布置；

在另一侧的封头，其结构上紧固在所述换热管的另一侧端部以与其连通，用于将冷却水排入所述发动机；以及

固定焊接在所述换热管之间的翅片，

其中当管的材料厚度Tth在0.15到0.23mm的范围内时，各个管的内宽b和节距Tp由公式1.50≤b×Tp^0.2≤1.94确定，该公式由热阻Rw推导得出。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中各个管内的冷却水的流动在大部分区域内为湍流。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中各个管的内宽b在1.02到1.3mm的范围内。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其中各个管的节距Tp在6.78到7.4mm的范围内。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其中外宽Th在1.48到1.6mm的范围内。

6.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述翅片的高度Fh在5.3到5.8mm的范围内。

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