CN101523151A - 具有带凸缘的孔口的传热面 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器、湍流增强器或传热面及其制造方法，其中湍流增强器是波纹状构件，具有平行的、间隔开的脊以及在脊之间延伸的平面散热片。平面散热片具有间隔开的孔口，该孔口具有包括横向延伸的凸缘的相对的外围边缘部分。

Description

具有带凸缘的孔口的传热面
技术领域
本发明涉及一种热交换器，并且更具体地，涉及用于提高热交换器的热交换性能的诸如散热片、湍流增强器或湍流器的流动增强装置。
背景技术
在热交换器中，特别是那种用于加热或冷却诸如油的液体的热交换器类型中，通常使用流动增强装置以增强混流或湍流或者防止形成边界层，从而改善热交换器的热传递效率。过去，使用过多种类型的多孔金属(expanded metal)散热片或湍流增强器。一种常见的类型是波纹散热片，其中波纹形成有狭缝的图案并且波纹的材料横向移位以产生偏移开口。这样通过湍流增强器产生曲折的流动路径，从而增强湍流并破坏边界层。
在授予Joshi的美国专利No.4,945,981中示出了另一种类型的湍流增强器。该专利示出了作为湍流增强器的百叶窗式散热片的使用。百叶窗式散热片通常用在气液热交换器的气体侧。然而，在该Joshi的专利中，百叶窗式散热片则位于通常容纳诸如油的液体的热交换器管或通道内。
多孔金属湍流增强器或百叶窗式湍流增强器所具有的一些困难在于，它们在热交换器中产生不希望的高的压降或流量损失，或者它们在热交换器中产生不规则或不均匀的流型。这会在热交换器的某些区域中产生滞留，但是即使不发生这种情况，不均匀的流型一般也表明未达到热交换器的理想热传递效率。
发明内容
在本发明中，波纹状传热面具有多个间隔开的孔口，该孔口具有相对的外围边缘部分，所述外围边缘部分包括用于增强热传递效率的横向凸缘。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于热交换器的传热面，该传热面包括波纹状构件，该波纹状构件具有平行的、间隔开的脊和在脊之间延伸的平面散热片。所述平面散热片形成有间隔开的孔口，该孔口具有相对的外围边缘部分。此外，每个孔口的相对的边缘部分包括从平面散热片横向延伸的相应凸缘。
根据本发明的另一个方面，提供了一种热交换器，该热交换器包括通常平坦的管，该管具有间隔开的第一和第二壁。管中设置有波纹状传热面。传热面包括平行的、间隔开的脊，在脊之间延伸有平面散热片。交替的脊分别与第一和第二壁接触。平面散热片形成有间隔开的孔口，该孔口具有相对的外围边缘部分。此外，每个孔口的相对的外围边缘部分包括从平面散热片横向延伸的相应凸缘。
根据本发明的另外又一个方面，提供了一种制造传热面的方法。所述方法包括提供片材的步骤。给片材穿孔以形成间隔开的、平行的多行间隔开的孔口，该孔口具有包括横向凸缘的相对的外围边缘部分。另外，沿平行于该多行孔口的弯折线使片材横向弯折。弯折线在多行孔口之间间隔开，从而沿弯折线形成脊并且平面散热片在脊之间延伸。
附图说明
现在将参照附图通过示例来描述本发明的优选实施方式，在附图中：
图1是包括根据本发明的传热面的优选实施方式的热交换器或热交换器管的透视图；
图2是图1中示出的传热面的从正面、左侧的透视图；
图3是图2中示出的传热面的正视图；
图4是图2的由虚线圈4所指示的部分的放大侧视图；
图5是类似于图2的透视图，但是示出根据本发明的传热面的另一种优选实施方式；
图6是图5的由虚线圈6所指示的部分的放大侧视图；
图7是根据本发明的散热片孔口的优选构造的透视图；
图8是根据本发明的散热片孔口的另一优选构造的透视图；
图9是根据本发明的散热片孔口的另外又一优选构造的透视图；
图10是图4或图6的沿10-10线的示意性剖视图；
图11是类似于图10的示意性剖视图，但是示出略微偏置的散热片孔口；
图12是类似于图11的示意性剖视图，但是示出偏置稍大的散热片孔口；
图13是类似于图11和图12的示意性剖视图，但是示出完全偏置的散热片孔口；
图14是类似于图11和图12的示意性剖视图，但是示出具有不同宽度和角度的凸缘的散热片孔口；
图15是类似于图14的示意性剖视图，但是示出偏置的散热片孔口和更高的散热片密度；
图16是示出具有不同宽度或大小的散热片孔口的类似于图10的示意性剖视图；
图17是示出具有不同大小和间距的散热片孔口的另一实施方式的类似于图10的示意性剖视图；
图18是示出具有不同大小和不同间距的散热片孔口的另外又一实施方式的类似于图10的示意性剖视图；
图19是示出菱形孔口的散热片的一部分的平面图；
图20是示出三角形孔口的类似于图19的平面图；
图21是示出圆形孔口的类似于图19的平面图；以及
图22是示出沙漏形孔口的类似于图19的平面图。
具体实施方式
首先参见图1，大体由附图标记10来指示根据本发明的简单交换器的优选实施方式。热交换器10包括容纳有湍流增强器或传热面14等的单管12，并且能够用于通过将热量传递至管12周围的环境流体或从所述环境流体传递出热量来加热或冷却一种流经管12的流体。然而更为可能的是，管12可以是构建模块，从而使得多个这种管12可以以间隔开的关系垂直地堆叠，同时波纹状散热片设置在管12之间。在管12的各个端部处的开口端16或者可以形成用于热交换器的相应的流体入口和出口，或者可以附连成与歧管或总管(未示出)连通以将流体供给至管12的堆垛和从管12的堆垛接受流体。
传热面14还能够附连至管12的外表面或者设置于堆叠的、间隔开的管12之间。在传热面14用于管12内部的情况下，因为它们使流动通过管的流体产生湍流或增强湍流，所以通常称它们为湍流增强器。然而，取决于流速，传热面14可以仅导致流体中的混流而非实际的湍流。为了公开的目的，名称“湍流增强器”旨在包括在湍流或非湍流的所有流态下操作的传热面。
下面参见图2、图3以及图4，可以看出传热面或湍流增强器14是波纹状构件18，其具有平行的、间隔开的上脊20和下脊22以及在脊20、22之间延伸的平面散热片24。在图2和图4所示的实施方式中，上脊20和下脊22通常是平坦的，并且平面散热片24通常是直立或垂直且平行的。
平面散热片24形成有多个间隔开的、“火山状”穿孔或孔口26。孔口26是细长的并具有沿横向于脊20、22的方向延伸的纵轴线。下文还将结合图7、图8和图9来描述孔口26。
应当理解，如图1所示，管12通常是具有顶部和底部或间隔开的第一和第二壁28和30以及纵向侧壁32的细长管。湍流增强器的上脊20和下脊22通常与第一和第二壁28、30的内表面接触，并且如果热交换器10由铝制成，那么湍流增强器的脊20、22通常会铜焊至第一和第二壁28、30上。如图1所示，湍流增强器14设置在管12中，使得上脊20和下脊22横向于管12的纵轴线34设置。因此通过管12的流动将垂直于脊20、22。这被称作湍流增强器14的高压降方向。该高压降方向横向于平面散热片24，并且孔口26沿该高压降方向延伸。然而，湍流增强器14还具有平行于平面散热片24的低压降方向。湍流增强器14可以旋转90°，使得上脊20和下脊22平行于管12的纵轴线34延伸。于是孔口26将横向于流经管12的纵向流动方向延伸。在散热片24是直立的并与管壁28、30平行或垂直的情况下，通过孔口26的流动大体与散热片24垂直或正交。
下面参见图5和图6，示出了传热面或湍流增强器40，除了间隔开的上脊42和下脊44是圆的并且平面散热片46相对于彼此是倾斜的之外，该传热面或湍流增强器40类似于湍流增强器14。因而散热片同样相对于管壁28、30是倾斜的。
下面参见图7、图8以及图9，孔口26具有相对的外围边缘部分48、50。外围边缘部分48、50具有从平面散热片24、46横向延伸的相应的凸缘52、54。在图7至图9中，与各个孔口26相关联的横向凸缘52、54相对于彼此略成角度。然而，横向凸缘52、54可制成垂直于平面散热片24、46。即使在如图7至图9所示的凸缘52、54相对于彼此成角度的情况下，为了说明的目的仍然认为凸缘大体垂直于平面散热片24、46。
在图7中，可以看出，与孔口26相关联的凸缘绕孔口26的外围是连续的。这种构造产生上述称作火山状的孔口26。在图8和图9中，与各个孔口26’和26”相关联的凸缘绕所述孔口的外围是裂开的或中断的。如下文将进一步描述的，这源自于形成孔口的方法。
在图4和图6所示的实施方式中，所有孔口26或至少凸缘52、54在湍流增强器中沿相同的方向延伸。如上所述，通过这些孔口的流动是指沿高压降方向流动。实际上，在图4和图6中，从右至左流动时的压降略高于从左至右流动时的压降。在图4所示的实施方式中，交替的平面散热片24上的凸缘52、54在湍流增强器中能够在相反的方向上延伸。如果散热片24间隔得足够远以至于相邻散热片中的凸缘52、54不会互相干扰，那么在图6的实施方式中同样能够这样。当凸缘52、54在交替的平面散热片24中在相反的方向上延伸时，在高压降方向上沿任一路径的压降都相同。湍流增强器14和40能够设置于管12内，从而使得经湍流增强器的流动沿任一方向通过孔口26。
下面参见图10和图13，图10对应于图2和图5中所指示的孔口的结构，其中，所有孔口26均沿热交换器管12的纵向方向排列。因此孔口26沿热交换器10的高压降方向排列，并且通过管12的流动的一些部分会径直穿过孔口26。在图11中，孔口26略微偏离在下一相邻平面散热片24中的孔口26。在图12中，孔口26相对于在下一相邻平面散热片24中的孔口26而言偏置的更多，而图13中，孔口26完全偏置。在图11至图13所示的实施方式中，从图11到图13通过湍流增强器14和40的流动将采取逐渐增强的蛇形流动路径。应当理解，当湍流增强器14、40在热交换器或管12中沿高压降方向或沿低压降方向取向时孔口26可以对齐或偏置。
图14示出与各个孔口26相关联的凸缘52、54可以相对于平面散热片24以不同的角度设置。而且，与各个孔口26相关联的凸缘52、54能够具有不同的长度、宽度或高度。类似地，与不同孔口相关联的凸缘同样可以具有不同的长度、宽度或高度。此外，如以下进一步描述的，孔口26可以是诸如菱形、三角形或圆形的其它形状并且可以间隔开不同的距离。平面散热片24中的孔口还可以设置成间隔开的组。图15示出如果需要散热片和孔口的密度同样可以变化。图15中的实施方式具有比前述实施方式更多的散热片和孔口，因而具有更高的散热片和孔口密度。
图16类似于图10至图13，但是示出一些孔口26’可以宽于或大于孔口26，并且一些孔口26”能够窄于或小于孔口26。在图16中，每隔一片散热片就具有这些更大和更小的孔口26’和26”。
在图17中，交替散热片24中的孔口具有不同大小并且在相邻平面散热片24中以不同的方式间隔开。
图18示出了在相邻或交替的平面散热片24中孔口26可以以不同的方式间隔开。
图19以平面图示出孔口26可以是菱形或正方形的。
图20示出孔口26可以是三角形的。优选地，交替行中的孔口可以颠倒(未示出)。
图21示出孔口的形状可以是圆形的。尽管示出散热片24中具有两行孔口26，但是也能够设置单行孔口26。
图22示出孔口26可以是沙漏形的。
应当理解，图中所示的孔口形状和尺寸可以按需要进行混合和匹配，孔口的大小和间隔同样可以如此，以便通过传热面14来提供任何期望的特定流型。
制造传热面或湍流增强器14和40的方法将首先从诸如铝、铜或不锈钢的金属片材开始。然后给该片材穿孔以形成间隔开的、平行的多行间隔开的孔口。在图7至图9所示的实施方式的情况下，可通过制出狭缝而开始形成孔口，然后扩大狭缝以形成外围凸缘52、54。如果材料足够软，或者孔口足够小，可以形成如图7所示的连续的外围凸缘。如果材料较脆或孔口较大，可以形成如图9所示的孔口26”，其中，孔口的外围凸缘在成形过程中裂开并变成不连续的或锯齿状的。图9示出外围凸缘的端部的两种不同形状(正方形或三角形)。通常会是两个端部中的一种或另一种，但是如所示出的它们可以是不同的。在图8的实施方式中，可以在材料中制出H型狭缝，并且展开或扩开狭缝以形成相对的外围凸缘部分52、54。当孔口26为如图19至图22所示的其它形状时，将进行适当的穿孔，从而使得当展开时，就会形成这些形状。
一旦孔口形成期望的构形，那么沿平行于该多行孔口的线使片材弯折。弯折线在该多行孔口之间间隔开，从而形成沿弯折线的脊20、22或24，并且平面散热片24在脊之间延伸。
为了形成图5所示的实施方式，可以使片材在交替的弯折线上沿相反的横向弯折。为了制成图2所示的实施方式，可以使片材沿各行孔口26之间的两条平行的弯折线弯折，从而形成具有大体平坦的顶峰的脊20、22。可以沿孔口26的交替行之间的平行弯折线使图2的实施方式中的片材沿相同的横向方向弯折，或者可以仅在孔口26的一些相邻行之间形成这种双弯折，而沿孔口26的其它相邻行之间的单条弯折线使片材弯折，从而产生图2和图5所示构造的组合。
通常，在单项操作中完成片材的开缝和带凸缘的孔口的成形。可以针对所有孔口沿相同的横向方向给板穿孔，或者可以在相邻行的孔口中沿相反的横向方向给板穿孔。可以同时或以单独的操作对片材进行穿孔和弯折。
如上所述，片材可以被穿孔以在每行孔口中形成间隔开的孔口组。此外，片材可以在每行孔口中的相邻孔口组中沿相反的横向方向被穿孔。如果片材足够软，那么可以在进行穿孔的同时拉伸片材，从而形成细长的或者宽于或高于正常情况的凸缘52、54。如上所述，孔口26一般是细长的，具有沿横向防线延伸至脊20、22以及42、44的纵轴线。然而如图19和图22所示，如果需要，孔口可以是圆形、环形、三角形、菱形或其它一些形状。
如果期望使平面散热片24更近地在一起，可以在沿弯折线使板横向弯折之后将湍流增强器集合在一起。在图4所示的实施方式中，平面散热片24可以相对于彼此和相对于管12的第一和第二壁28，30成角度，或者它们大体上垂直和平行。在使图4所示的湍流增强器成形时，可以将片材弯折直到平面散热片24成一定角度，然后将湍流增强器集合在一起以使平面散热片彼此平行。
已经描述了本发明的优选实施方式，应当理解可以对上述结构做出多种变化。例如，两种类型的传热面14和40可以用于同一管12中，并且它们可以以不同的方式定向，从而使得它们中的一些在高压降方向上，以及它们中的一些在低压降方向上。凸缘52、54可以在传热面或其部分的不同节段或不同平面散热片24上沿相反的方向延伸以根据需要改变压降。每个管12中可以使用多个相同类型的传热面的节段，同样地，它们中的一些沿高压降方向定向，以及它们中的一些沿低压降方向定向。此外，每个管12中可以设置两层或更多层传热面，同样地，类型和方向可以根据需要进行混合和匹配。而且，本发明的传热面也能够用于管与管之间，并且它们能够用于气-气式热交换器中以增强通过或围绕热交换器流动的流体中的混流或湍流。最后，管12无需是严格意义上的管，根据需要它们可以由配合板对、或面板及包套构造、或其它一些结构形成。
从上文可知，对本领域技术人员将显而易见的是本发明的保护范围仅由特意说明的附属权利要求来限定。

Claims (44)

1.一种用于热交换器的传热面，所述传热面包括：
波纹状构件，所述波纹状构件具有平行的、间隔开的脊以及在所述脊之间延伸的平面散热片；
所述平面散热片形成有间隔开的孔口，所述孔口具有相对的外围边缘部分；以及
每个孔口的所述相对的外围边缘部分包括从所述平面散热片横向延伸的相应凸缘。
2.如权利要求1所述的传热面，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘相对于彼此成角度。
3.如权利要求1所述的传热面，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘绕所述孔口的外围是连续的。
4.如权利要求1所述的传热面，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘绕所述孔口的外围是中断的。
5.如权利要求1所述的传热面，其中，所述孔口是细长的，具有在横向于所述脊的方向上延伸的纵轴线。
6.如权利要求1所述的传热面，其中，所述传热面具有平行于所述平面散热片的低压降方向和横向于所述平面散热片的高压降方向，所述孔口沿所述高压降方向对齐。
7.如权利要求1所述的传热面，其中，所述传热面具有平行于所述平面散热片的低压降方向和横向于所述平面散热片的高压降方向，所述孔口沿所述高压降方向偏置。
8.如权利要求1所述的传热面，其中，所述凸缘在所述传热面中全部沿相同方向延伸。
9.如权利要求1所述的传热面，其中，在交替平面散热片上的所述凸缘在所述传热面中沿相反方向延伸。
10.如权利要求1所述的传热面，其中，所述平面散热片相对于彼此倾斜。
11.如权利要求1所述的传热面，其中，所述平面散热片彼此平行。
12.如权利要求1所述的传热面，其中，所述凸缘中的至少一些大体上垂直于所述平面散热片。
13.如权利要求2所述的传热面，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘相对于所述平面散热片以不同的角度设置。
14.如权利要求1所述的传热面，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘具有不同的宽度。
15.如权利要求1所述的传热面，其中，每个平面散热片中的所述孔口设置成间隔开的组。
16.如权利要求1所述的传热面，其中，所述孔口是不同形状的。
17.如权利要求1所述的传热面，其中，所述孔口是不同尺寸的。
18.如权利要求1所述的传热面，其中，所述孔口在相邻的平面散热片中不同地间隔开。
19.一种热交换器，所述热交换器包括：
具有间隔开的第一和第二壁的大体平坦的管；
位于所述管中的波纹状传热面，所述传热面包括平行的、间隔开的脊，平面散热片在所述脊之间延伸，交替的脊分别与所述第一和第二壁接触；
所述平散射片形成有间隔开的孔口，所述孔口具有相对的外围边缘部分；以及
每个孔口的所述相对的边缘部分包括从所述平面散热片横向延伸的相应凸缘。
20.如权利要求19所述的热交换器，其中，所述平面散热片相对于所述间隔开的壁是倾斜的。
21.如权利要求19所述的热交换器，其中，所述平面散热片垂直于所述间隔开的壁。
22.如权利要求19所述的热交换器，其中，所述管具有纵轴线，所述传热面的脊垂直于所述纵轴线定向。
23.如权利要求19所述的热交换器，其中，所述管具有纵轴线，所述传热面的脊平行于所述纵轴线定向。
24.如权利要求19所述的热交换器，其中，所述管具有限定用于所述热交换器的流体入口和流体出口的相应端部。
25.如权利要求20所述的热交换器，其中，所有所述凸缘基本都沿相同的方向在所述管内延伸。
26.如权利要求22所述的热交换器，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘绕所述孔口的外围是连续的。
27.如权利要求22所述的热交换器，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘绕所述孔口的外围是中断的。
28.如权利要求27所述的热交换器，其中，与各个孔口相关联的所述凸缘相对于彼此是成角度的。
29.一种制造传热面的方法，所述方法包括步骤：
提供片材；
给所述片材穿孔以形成间隔开的、平行的多行间隔开的孔口，所述孔口具有包括横向凸缘的相对的外围边缘部分；以及
沿与所述多行孔口平行的弯折线横向弯折所述片材，从而沿所述弯折线形成脊，并且平面散热片在所述脊之间延伸，其中，所述弯折线在所述多行孔口之间间隔开。
30.如权利要求29所述的方法，其中，使所述片材在交替的弯折线上沿相反的横向方向弯折。
31.如权利要求29所述的方法，其中，沿在至少一些相邻行的孔口之间的两条平行弯折线弯折所述片材，从而形成具有大体平坦的顶峰的脊。
32.如权利要求31所述的方法，其中，沿在所述至少一些相邻行的孔口之间的所述平行弯折线在相同的横向方向上弯折所述片材。
33.如权利要求29所述的方法，其中，对于所有孔口沿相同的横向方向给所述片材穿孔。
34.如权利要求29所述的方法，其中，在相邻行的孔口上沿相反的横向方向给所述片材穿孔。
35.如权利要求29所述的方法，其中，同时对片材进行穿孔和弯折。
36.如权利要求29所述的方法，其中，给所述片材穿孔以在每行孔口中形成间隔开的孔口组。
37.如权利要求36所述的方法，其中，在每行孔口中的相邻孔口组中沿相反的横向方向给所述片材穿孔。
38.如权利要求29所述的方法，还包括步骤：在对所述片材进行穿孔的同时，拉伸位于所述凸缘的区域中的片材。
39.如权利要求29所述的方法，其中，所述片材被穿孔以形成细长的孔口，每个孔口具有沿横向于所述脊的延伸的纵轴线。
40.如权利要求39所述的方法，其中，所述板被穿孔成使得与各个孔口相关联的所述凸缘绕所述孔口的外围是连续的。
41.如权利要求39所述的方法，其中，所述板被穿孔成使得与各个孔口相关联的所述凸缘绕所述孔口的外围是中断的。
42.如权利要求30所述的方法，所述方法还包括步骤：在沿所述弯折线横向弯折所述片材之后将所述平面散热片集合在一起。
43.如权利要求32所述的方法，所述方法还包括步骤：在沿所述弯折线横向弯折所述片材之后将所述平面散热片集合在一起。
44.如权利要求43所述的方法，其中，集合所述平面散热片直至它们彼此平行。
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