CN101233380B - 热交换器、使用该热交换器的空调装置及空气性质转化器 - Google Patents

热交换器、使用该热交换器的空调装置及空气性质转化器 Download PDF

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CN101233380B CN200680027916.XA CN200680027916A CN101233380B CN 101233380 B CN101233380 B CN 101233380B CN 200680027916 A CN200680027916 A CN 200680027916A CN 101233380 B CN101233380 B CN 101233380B
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers

Abstract

在层叠多层的翅片(30)的空气的流入部侧，以相对于空气的流线所成的角度γ为规定的锐角(30度)的方式形成波峰部(34)和波谷部(36)，在空气的流出侧，以空气流向各传热管(22a～22c)的沿空气流动方向的后方的静止区域的方式形成波峰部(34)与波谷部(36)。由此，能够产生对空气的流动有效的二次流动从而提高传热效率，并且在传热管(22a～22c)的沿空气流动方向的后方的静止区域也有空气流动，能够有助于热交换。其结果，能够抑制空气的流动的剥离、局部的增速，并且能够产生空气的有效的二次流动，从而提高热交换效率。

Description

热交换器、使用该热交换器的空调装置及空气性质转化器
技术领域
本发明涉及热交换器以及具备该热交换器的空调装置以及空气性质转化器，更详细地说，涉及进行空气与热交换介质的热交换的热交换器以及使用该热交换器的空调装置以及空气流入并转化性质后流出的空气性质转化器。 
背景技术
以往，作为这种热交换器，提出了如下所述的类型，即，在平行配置的多个翅片(fin)上以贯通的方式配置有多个传热管的翅片管(fin tube)热交换器中，作为多个翅片使用在翅片上加工有细缝的条缝式翅片(slitfin)(例如，参照专利文献1)、或者使用施加了与空气流动方向垂直的波纹形凹凸的波纹形翅片(例如，参照专利文献2)。这些热交换器，通过对翅片的形状设计下功夫，来谋求翅片管热交换器的导热的促进。 
专利文献1：特开2003-161588号公报 
专利文献2：特开2000-193389号公报 
发明内容
但是，在上述的翅片管热交换器中，虽然热导率提高，但由于突起、切削部(cutting)等引起的空气流动的剥离、局部的增速，会造成通风阻力增大的情况。另外，在将上述的热交换器用作制冷循环的蒸发器时，会产生空气中的水蒸气成为露、霜而附着在热交换器上，冷凝水、霜在细缝之间引起堵塞，阻碍空气的流动的情况。 
本发明的热交换器以及使用该热交换器的空调装置，目的之一在于抑 制空气的流动的剥离、局部的增速。另外，本发明的热交换器以及使用该热交换器的空调装置，目的之一在于产生空气的有效的二次流动，从而提高热交换效率。进而，本发明的热交换器以及使用该热交换器的空调装置，目的之一在于实现小型化。另外，本发明的空气性质转化器，目的在于抑制空气的流动的剥离、局部的增速并且高效地进行空气性质的转化、实现其小型化。 
本发明的热交换器以及使用该热交换器的空调装置以及空气性质转化器，为了达成上述目的的至少一部分，采用下面的方案。 
本发明的热交换器，是进行空气与热交换介质的热交换的热交换器，其特征在于，包括： 
多个传热管，其作为所述热交换介质的流路而平行地配置；和 
波纹状的多个翅片构件，其构成空气流入的空气流入部、空气流出的空气流出部和与所述多个传热管进行热交换的从所述空气流入部到所述空气流出部的空气的通路； 
其中，所述多个翅片构件被配置成：至少从所述空气流入部到所述空气流出部方向的规定范围内的空气的流线与波纹所成的角度为锐角范围内的规定角度。 
该本发明的热交换器，以从空气流入部到空气流出部方向的规定范围内的空气的流线与波纹所成的角度为锐角范围内的规定角的方式配置多个翅片构件，由此能够不在空气的流动中产生剥离地产生对促进传热有效的二次流动成分(分量)。因此，能够抑制空气的流动的局部的增速，并且能够提高热交换效率。其结果，能够实现热交换器的小型化。在这里，多个翅片构件，可以将剖面形成为大致圆形、大致矩形中的任意一种。另外，多个翅片部件，也可以设为平行地重叠的波纹状构件。 
在这样的本发明的热交换器中，所述多个翅片构件，可以以波纹相对于相邻的传热管(的中央部)对称的方式形成。这样一来，可以使空气的流动相对于相邻的传热管对称。 
另外，在本发明的热交换器中，所述多个翅片构件，可以以空气向所 述传热管的沿空气流动方向的后方的静止区域流动的方式形成波纹。这样一来，可以设置成在传热管的沿空气流动方向的后方的静止区域也有空气流动，能够提高热交换效率。 
进而，在本发明的热交换器中，所述多个翅片构件，可以设置成以连接波纹的顶部的波峰线(顶部线)弯曲多次的方式形成波纹。此时，所述多个翅片构件，也可以以连接弯曲点的弯曲线与所述空气的流线一致的方式形成波纹，所述弯曲点是在所述规定范围内相邻的波纹的所述波峰线的弯曲点。 
或者，在本发明的热交换器中，所述多个翅片构件，可以以由所设计的空气的流速u和波纹的振幅h定义的雷诺数(レイノルズ数)为10以上的方式构成。这是因为，在雷诺数为10以上时，空气的流动的惯性力超过其粘性力，在波纹的凹凸的凸面前面的滞流点，动压力转换成静压力，通过该压力差产生对促进传热有效的二次流动。 
另外，在本发明的热交换器中，所述规定角度，可以设为10度至60度的范围内的角度。这样一来，能够抑制空气的流动的剥离、空气的流动的局部的增速。另外，该规定角度，优选为15度至45度，更优选为25度至35度，更优选为30度。 
在本发明的热交换器中，所述多个翅片构件，可以是构成从所述空气流入部到所述空气流出部的空气的通路的部件，所述空气的通路以能够与所述多个传热管热交换的方式与该多个传热管交叉。另外，所述多个传热管的特征可以是与所述多个翅片构件一同构成所述空气流入部和/或所述空气流出部。 
本发明的空调装置，其主旨在于，其中构成有将上述任意一种方案所述的本发明的热交换器用于蒸发器以及冷凝器中的至少一方的制冷循环，该热交换器进行空气与热交换介质的热交换，其特征在于，包括：多个传热管，其作为所述热交换介质的流路而平行地配置；和多个翅片构件，其构成空气流入的空气流入部、空气流出的空气流出部和与所述多个传热管进行热交换的从所述空气流入部到所述空气流出部的空气的通路；其中， 所述多个翅片构件被配置成：至少从所述空气流入部到所述空气流出部方向的规定范围内的空气的流线与波纹所成的角度为锐角范围内的规定角度。 
在本发明的空调装置中，使用了上述任意一种方案所述的本发明的热交换器，所以能够起到与本发明的热交换器所起到的效果同样的效果，例如：能够不在空气的流动中产生剥离地产生对促进传热有效的二次流动分量的效果，能够抑制空气的流动的局部的增速的效果，和能够提高热交换效率的效果。起到这些效果的结果，能够实现装置的小型化。 
本发明的空气性质转化器，是使空气流入，转化性质后流出的空气性质转化器，其特征在于： 
包括波纹状的多个翅片构件，该多个翅片构件构成空气流入的空气流入部、空气流出的空气流出部和从所述空气流入部到所述空气流出部的空气的通路； 
其中，该多个翅片构件配置成：至少从所述空气流入部到所述空气流出部方向的规定范围内的空气的流线与波纹所成的角度为锐角范围内的规定角度。 
在该本发明的空气性质转化器中，以从空气流入部到空气流出部方向的规定范围内的空气的流线与波纹所成的角度为锐角范围内的规定角的方式配置多个翅片构件，由此能够不在空气的流动中产生剥离地产生对空气特性变换有效的二次流动分量。因此，能够抑制空气的流动的局部的增速，并且能够提高空气特性变换的效率。其结果，能够实现空气性质转化器的小型化。在这里，作为空气的性质转化，包含从大量含有湿气的空气转化为降低了湿气含量的空气(作为空气性质转化器，相当于湿气分离器)等情况。在这里，所述多个翅片部件，可以设为平行地重叠的波纹状构件。 
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施例的翅片管热交换器20的结构的大概的结构图； 
图2是表示图1中的翅片管热交换器20的A-A剖面的剖面图； 
图3是说明通过仅形成为平板的翅片30B构成翅片管热交换器20B时的空气的流线的说明图； 
图4是表示沿着连结波峰部34以及波谷部36的弯曲部的、图1中的曲线B1-B2将翅片30切断时的剖面的剖面图； 
图5是表示在向波纹板状的平板导入流速较小的均匀流动(uniformair flow)的空气时在平板上产生的空气的二次流动与温度的等高线的说明图； 
图6是表示将表示传热性能的热导率无量纲化(無次元化，dimensionless)了的努塞尔数的相对于平板翅片的提高率的说明图； 
图7是表示传热性能与通风阻力的比即j/f因数的相对于平板翅片的提高率的说明图； 
图8是表示将实施例的翅片管热交换器20用作冷凝器124以及蒸发器128的制冷循环120的结构的概略的结构图； 
图9是表示变形例的翅片管热交换器220的结构的概略的结构图； 
图10是表示作为空气性质转化器的一例的湿气分离器(mistseparator)的概略的说明图； 
图11是表示变形例的翅片管热交换器121的剖面的一例的剖面图。 
具体实施方式
接下来，使用实施例说明本发明的具体实施方式。 
图1是表示作为本发明的一个实施例的翅片管热交换器20的结构的大概的结构图；图2是表示图1中的翅片管热交换器20的A-A剖面的剖面图。另外，图2将剖面放大进行表示，表示的是传热管22a到传热管22b的范围。实施例的翅片管热交换器20如图所示，由形成热交换介质的通路的平行地配置的多个传热管22a～22c、和与该多个传热管22a～22c大致垂直地配置的多个翅片30构成。 
多个传热管22a～22c被配置成：为了使热交换介质、例如冷却水或冷却油等冷却用液体、冷冻循环中所使用的制冷剂气体等介质迂流(crookedflow)或分流(split flow)而平行，并且与冷却用的空气的流动大致垂直。 
多个翅片30，如图1以及图2所示，构成为形成有图1中虚线(波線)所示的多个弯曲的波峰部34和夹在该多个波峰部34之间的单点划线所示的多个弯曲的波谷部36的多个波纹状的平板构件；各翅片30，将与传热管22a～22c的热交换介质的流动方向大致垂直地相邻的翅片30以等间隔且大致平行的方式安装在传热管22a～22c上。另外，多个翅片30的传热管22a～22c的安装部32a～32c，出于安装的必要，形成为没有波峰部34和波谷部36的水平部。在实施例中，图1中通过多个翅片30，在上部侧构成了空气的流入部，在下部侧构成了空气的流出部，在各传热管22a～22c之间构成了空气的通路。 
各翅片30的多个波峰部34和波谷部36，在空气的流入侧，形成为其连续的线(虚线、单点划线)与空气的流动(流线，flow line)所成的角度γ为规定的锐角、例如30度，并且形成为在相邻的传热管22a～22c的中央以空气的流线为对称线对称。因此，连结波峰部34以及波谷部36的弯曲部的曲线，在空气的流入侧与空气的流线一致。将通过翅片30B构成翅片管热交换器20B时的空气的流线表示在图3中，其中所述翅片30B仅形成为没有形成波峰部34和波谷部36的平板。图4是表示沿着连结波峰部34以及波谷部36的弯曲部的图1中的曲线B1-B2将翅片30切断时的剖面的剖面图。如图所示，翅片30的曲线B1-B2面形成为波峰部34和波谷部36交替出现的波纹状。这样以在空气的流入侧波峰部34和波谷部36的连续的线(虚线、单点划线)与空气的流动(流线)所成的角度γ为规定的锐角的方式形成翅片30，是为了有效地产生空气的二次流动。在图5中表示在向波纹板状的平板导入流速较小的均匀流动的空气时在平板上产生的空气的二次流动(箭头)与温度的等高线。如图所示，可知通过波峰部34和波谷部36产生了较强的二次流动，并且在壁面附近产生了较大的温度梯度。在实施例中，将波峰部34和波谷部36的连续的线(虚线、单点划线)与空气的流线所成的角度γ设为30度，是为了有效地产生该二次流动。该 所成角度γ，如果过小就不能产生对空气的流动有效的二次流动，如果过大则空气就不能沿着波峰部34和波谷部36流动而产生剥离、局部的增速从而通风阻力增大。因此，所成角度γ，为了产生空气的二次流动而优选为锐角范围内的10度至60度，更优选为15度至45度，最理想为25度至35度。因此，在实施例中，作为所成角度γ使用了30度。另外，在空气的流动较小时，能够一边将空气的流动的主流保持为与没有波峰部34和波谷部36而仅是平板时的流线大致相同，一边有效地产生由波峰部34和波谷部36引起的二次流动。 
各翅片30的多个波峰部34与波谷部36形成为：在空气的流出侧，空气向各传热管22a～22c的沿空气流动方向的后方的静止区域(dead waterregion，静水区域)流动。通过这样，传热管22a～22c的沿空气流动方向的后方的静止区域也有空气流动，能够有助于热交换。 
在实施例中，各翅片30以雷诺数Re为10以上的方式设计由翅片30的波峰部34与波谷部36构成的波纹的振幅h(参照图4)和各翅片的间隔，其中所述雷诺数Re是通过各翅片间的空气的平均风速u和振幅h定义的。在图6中表示将表示传热性能的热导率无量纲化了的努塞尔数的相对于平板翅片的提高率。图6的纵轴的努塞尔数通过平板翅片的努塞尔数(Nu)flat规格化(标准化)。如从图可知那样，在雷诺数Re为10以上的区域，形成在翅片30上的波峰部34和波谷部36的效果显现，努塞尔数急剧增大。图7中表示传热性能与通风阻力的比即j/f因数的相对于平板翅片的提高率。纵轴的j/f因数通过平板翅片的j/f因数(j/f)flat规格化，j为柯尔伯恩(Colburn)的j因数，f为摩擦系数。如从图可知那样，在雷诺数Re为10以上的区域，形成在翅片30上的波峰部34和波谷部36的效果显现。 
根据上面所说明的实施例的翅片管热交换器20，在空气的流入部侧，以相对于空气的流线所成的角度γ为规定的锐角(30度)的方式在翅片30上形成波峰部34和波谷部36，由此能够产生对空气的流动有效的二次流动从而提高传热效率，提高整体的热交换效率。其结果，能够实现翅片管热交换器20的小型化。另外，在实施例的翅片管热交换器20中，以雷诺 数Re为10以上的方式形成波峰部34与波谷部36，并且将各翅片30安装在传热管22a～22c上，其中所述雷诺数Re是通过各翅片30间的空气的平均风速u和由波峰部34与波谷部36构成的波纹的振幅h定义的，所以能够提高传热性能。 
另外，在实施例的翅片管热交换器20中，在空气的流出侧，以空气流向各传热管22a～22c的沿空气流动方向的后方的静止区域的方式形成各翅片30的波峰部34与波谷部36，所以在传热管22a～22c的空气流动方向的后方的静止区域也有空气流动，能够有助于热交换。其结果，能够进一步提高翅片管热交换器20的热交换效率。 
进而，在实施例的翅片管热交换器20中，在翅片30上形成了由波峰部34与波谷部36构成的波纹，所以没有翅片的切出的突起，另外翅片与翅片之间的间隔也不会变窄，所以能够抑制空气的流动的剥离、局部的增速。另外，在将翅片管热交换器20用作蒸发器时，能够抑制冷凝水、结霜引起的堵塞导致阻碍空气的流动的情况。 
图8是表示将实施例的翅片管热交换器20用作冷凝器124以及蒸发器128的制冷循环120的结构的概略的结构图。图示的制冷循环120由下述部分构成：将低温低压的气态(气相)制冷剂压缩成高温高压的制冷剂气体的压缩机122，通过与大气(外部气体)的热交换将该高温高压的气态制冷剂冷却成低温高压的液态(液相)制冷剂的冷凝器124，将该低温高压的液态制冷剂减压成两相流的制冷剂的减压器126，和通过与大气的热交换将该两相流的制冷剂形成为低温低压的气态制冷剂的蒸发器128。该制冷循环120，在将冷凝器124用作室内机、将蒸发器128用作室外机时，作为对室内进行加热的热泵而起作用。对于该制冷循环120的功能，与通常的功能并无不同，不是本发明的中心，所以更详细的说明从略。在该制冷循环120中，对冷凝器124、蒸发器128使用实施例的翅片管热交换器20，所以冷凝器124、蒸发器128的传热效率提高，其结果能够提高整体的能量效率，能够实现装置的小型化。另外，也可以仅将冷凝器124和蒸发器128中的一个构成为实施例的翅片管热交换器20。 
在实施例的翅片管热交换器20中，如图1所示，设为使翅片30的波峰部34和波谷部36在相邻的传热管之间弯曲3次，但波峰部34和波谷部36的弯曲次数是几次都可以，例如也可以如图9所例示的变形例的翅片管热交换器220所示，使翅片230的波峰部34和波谷部36在相邻的传热管之间弯曲5次。另外，在实施例的翅片管热交换器20中，以在相邻的传热管之间的中央对称的方式使翅片30的波峰部34和波谷部36弯曲，但也可以不使波峰部34和波谷部36弯曲。此时，在相邻的传热管之间的中央处不对称。 
在实施例的翅片管热交换器20中，在空气的流出侧，以空气流向各传热管22a～22c的沿空气流动方向的后方的静止区域的方式形成各翅片30的波峰部34与波谷部36，但也可以不像这样以空气流向各传热管22a～22c的沿空气流动方向的后方的静止区域的方式形成各翅片30的波峰部34与波谷部36。此时，也可以与空气的流入侧相同，以相对于空气的流线所成的角度γ为规定的锐角(30度)的方式在翅片30上形成波峰部34和波谷部36。 
在实施例中，通过翅片管热交换器20对本发明进行了说明，但也可以用作从该翅片管热交换器20中卸下传热管22a～22c的空气性质转化器。作为空气性质转化器，例如可以用作湿气分离器。在图10中表示作为空气性质转化器的一例的湿气分离器的概略。该湿气分离器，导入含湿气(雾状的水)的空气，将湿气分离而流出湿气较少的空气。如上所述，在湿气分离器的内部，安装了没有传热管22a～22c的多个翅片30，所以在流入的空气中在翅片30上产生了二次流动。空气与该二次流动一起流出，但由于湿气不比空气轻，所以与翅片30碰撞，作为液滴附着在翅片30上。如果以垂直的方式配置翅片30，则附着在翅片30上的液滴自然流下，能够从湿气分离器的下部作为水而取出。这样，形成有波峰部34和波谷部36的翅片30，不但能够用作热交换器，也能用作湿气分离器。另外，在将翅片30用于热交换器时，如果着眼于空气的温度，热交换器也可以设计为对空气的性质进行转化的空气性质转化器。 
在实施例的翅片管热交换器20中，作为多个传热管22a～22c使用剖面为大致圆形的管，但也可以如图11所例示的变形例的翅片管热交换器121所示，使用剖面形成为矩形形状的多个传热管122a～122c。此时，如图所示，也可以通过多个翅片130和多个传热管122a～122c构成空气的流入部和空气的流出部。在这样的变形例的翅片管热交换器121中，也与实施例一样，通过在空气的流入部侧，以相对于空气的流线所成的角度γ为规定的锐角的方式在翅片130上形成波峰部134和波谷部136，从而能够产生对空气的流动有效的二次流动从而提高传热效率，提高整体的热交换效率。其结果，能够实现变形例的翅片管热交换器121的小型化。另外，变形例的翅片管热交换器121也一样，通过以雷诺数Re为10以上的方式形成波峰部134与波谷部136，并且将各翅片130安装在传热管122a～122c上，其中所述雷诺数Re是通过各翅片130间的空气的平均风速u和由波峰部134与波谷部136构成的波纹的振幅h定义的，由此能够提高传热性能。 
上面，用实施例对本发明的具体实施方式进行了说明，但本发明当然并不局限于这样的实施例，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够以各种方式实施。 
本发明能够利用于热交换器、空气性质转化器的制造产业。 

Claims (9)

1.一种热交换器，该热交换器进行空气与热交换介质的热交换，其特征在于，包括：
多个传热管，其作为所述热交换介质的流路而平行地配置；和
波纹状的多个翅片构件，其构成空气流入的空气流入部、空气流出的空气流出部和与所述多个传热管进行热交换的从所述空气流入部到所述空气流出部的空气的通路；
其中，所述多个翅片构件被配置成：至少空气流入侧的空气的流线与波纹所成的角度为锐角范围内的预定角度，以连接波纹的顶部的波峰线弯曲多次的方式形成波纹，并且，以在所述流入侧连接弯曲点的弯曲线与所述空气的流线一致的方式形成波纹，所述弯曲点是相邻的波纹的所述波峰线的弯曲点。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中：所述多个翅片构件以波纹相对于相邻的传热管对称的方式形成。
3.如权利要求1或2所述的热交换器，其中：所述多个翅片构件，以空气向所述传热管的沿空气流动方向的后方的静止区域流动的方式形成波纹。
4.如权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中：所述预定角度为10度至60度的范围内的角度。
5.如权利要求1至4中任一项所述的热交换器，其中：所述多个传热管将剖面形成为大致圆形、大致矩形中的任意一种。
6.如权利要求1至5中任一项所述的热交换器，其中，所述多个翅片构件是构成从所述空气流入部到所述空气流出部的空气的通路的部件，所述空气的通路以能够与所述多个传热管热交换的方式与该多个传热管交叉。
7.如权利要求1至5中任一项所述的热交换器，其中：所述多个传热管，与所述多个翅片构件一同构成所述空气流入部和/或所述空气流出部。
8.一种空调装置，其中，构成有将权利要求1～7中的任意一项所述的热交换器用于蒸发器和冷凝器中的至少一方的制冷循环。
9.一种空气性质转化器，该空气性质转化器使空气流入、转化性质而流出，其特征在于：
包括波纹状的多个翅片构件，该多个翅片构件构成空气流入的空气流入部、空气流出的空气流出部和从所述空气流入部到所述空气流出部的空气的通路；
其中，该多个翅片构件配置成：至少空气流入侧的空气的流线与波纹所成的角度为锐角范围内的预定角度，以连接波纹的顶部的波峰线弯曲多次的方式形成波纹，并且，以在所述流入侧连接弯曲点的弯曲线与所述空气的流线一致的方式形成波纹，所述弯曲点是相邻的波纹的所述波峰线的弯曲点。
CN200680027916.XA 2005-07-29 2006-07-28 热交换器、使用该热交换器的空调装置及空气性质转化器 Active CN101233380B (zh)

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