CN101553375B - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热交换器，其改进了管和水箱的形状和尺寸从而提高了散热性能。该热交换器包括：多个管(20)，所述管以规则的距离平行布置成与流通方向平行，热交换介质流动经过所述管；入口水箱(11)，所述热交换介质被引入该入口水箱中，然后分配到所述多个管(20)；散热片(30)，其置于所述管(20)之间，从而增大与经过管(20)之间的空气的接触表面；以及出口水箱(12)，流经所述管(20)的所述热交换介质被收集在该出口水箱中然后排出，其中管(20)的截面积S_tube和入口水箱(11)或出口水箱(12)的截面积S_tank的尺寸满足以下公式：

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Description

热交换器 

技术领域

本发明涉及热交换器，更具体地涉及一种改进了管和水箱的形状和尺寸从而提高了散热性能的热交换器。 

背景技术

图1是表示一般的车辆冷却和加热系统的视图。在车辆发动机1中，高温高压气体被点燃并燃烧。因此，如果气体这样离开车辆发动机1，其将是过热的，并且用于构造发动机1的金属材料熔融，因此汽缸、活塞等可能被严重损坏。为了防止此类损坏，如图1所示，储存冷却水的水套(未示出)围绕车辆发动机1的汽缸形成，并且冷却水通过水泵5循环经过散热器2或加热器芯3从而冷却发动机1。根据加热和冷却的目的，冷却水可不经过加热器芯3，而是经过旁路回路6直接返回水套。这时，自动调温器4设置在用于冷却水的通道中，从而用作控制装置来通过基于冷却水温度控制通道的打开/关闭度而防止发动机1过热。 

散热器2是一种用于散去冷却水的热的热交换器，所述冷却水在发动机1中循环时被发动机1的热量加热。散热器2置于车辆的发动机室中，并在其中心部分设有冷却风扇从而冷却散热器芯。而且，加热器芯3是车辆空调器的一部分，且还用作所述一种热交换器，其使用高温冷却水为车辆内部供应暖空气，所述高温冷却水在发动机1中循环时吸收发动机1产生的热。在加热器芯3中，由发动机1的热量加热的高温冷却水经过加热器芯3的散热片和管从而将热传递给从外部供给的空气，由此为车辆内部提供暖空气。 

为了适当加热车辆内部，应提高加热器芯的热交换性能。因此，为了更顺利地发生热交换，通过改变构成热交换器的管和水箱的尺寸和形状而做了很多努力，使用的基本原理是：应增大热交换的接触表面使得热交换顺利地进行，由此提高热交换性能。另外，热交换器由具有高导热率的材料制成，该材料可快速地在热交换器中的热交换介质与经过热交换器外侧的外部介质之间传递热量，因此提高了热交换性能。每个部件的尺寸、形状和材料的改变在根本上是为了增大与热交换性能直接相关的热交换系数。如上所述，如果每个部件的表面积增大，则热交换性能也提高。然而，因为安装热交换器的空间有限，所以在受限的容积中大幅度增加表面积非常困难。而且，在如上所述为了热交换而增大接触表面积的情况下，尤其在增大容纳热交换介质的管的表面积的情况下，热交换介质的通道的截面积变小。如果通道的截面积变小，则热交换介质的流速增大并且其压力下降，因此热交换系数增大。然而，如果通道的截面积过度减小，则压力也过度下降并且因此热交换系数减小。因此，仅通过减小通道的截面积难于优化热交换性能。

发明内容

技术问题 

本发明的一个目的是提供一种热交换器，该热交换器推导出在与上水箱和热交换管中的流体流动相关的尺寸变化与根据分布的流体流动变化的热交换性能之间的关系，并且因此改进了水箱和管的尺寸和形状，由此优化热交换性能。 

技术方案 

为了达到上述目的，提供的热交换器包括：热交换器100，其包括多个管20，所述管20以规则的距离平行布置成与流通方向平行，热交换介质流经所述管20；入口水箱11，热交换介质被引入其中然后分配到多个管20；散热片30，其置于管20之间，从而增大与经过管20之间的空气的接触表面；以及出口水箱12，流经管20的热交换介质被收集在该出口水箱12中，然后排出，其中管20的截面积S_tube和入口水箱11或出口水箱12的截面积S_tank的尺寸满足以下公式： 

优选地，入口水箱11或出口水箱12的容积V_tank和管20的总截面积A_tube(其通过管20的截面积乘以管20的数量而计算出)满足以下公式： 

有益效果 

根据本发明的热交换器，能够推导出在与上水箱和热交换管中的流体流动相关的尺寸变化与根据分布的流体流动变化的热交换性能之间的关系，并且因此改进了水箱和管的尺寸和形状，由此优化热交换性能。而且，能够简单地设计具有优化的热交换性能的热交换器，由此节省劳动力、成本、时间等。 

附图说明

在结合附图给出的对优选实施方式的下列描述中，本发明的上述和其他目的、特点和优点将变得显而易见，附图中： 

图1是表示一般的车辆冷却和加热系统的视图。 

图2是热交换器的立体图。 

图3是热交换器的水箱的剖面图。 

图4是热交换器的管的剖面图。 

图5是热交换器的水箱长度和有效面积的视图。 

图6是单位有效面积上的热交换性能相对于各个因子的曲线图。 

主要元件的详细描述 

100：热交换器 

10：水箱 

11：入口水箱 

12：出口水箱 

20：管 

30：散热片 

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。 

图2是热交换器100的立体图。热交换介质流入热交换器100，且 热交换器100包括多个管20，所述管20以规则的距离平行布置成与流通方向平行；以及水箱10，其分别接合至管20的两端。水箱10分成入口水箱11和出口水箱12，热交换介质被引入所述入口水箱11然后分配到多个管20，经过管20运动的热交换介质被收集在所述出口水箱12中然后排出。管20之间设置散热片30从而增大与在管20之间流动的空气的接触表面积。如上所述，热交换介质经过入口水箱11的入口引入，经过管20被收集在出口水箱12中，然后经过出口水箱12的出口排出。当热交换介质流经管20时，在管20中接收的热交换介质与经过管20和置于管20之间的散热片30的外部空气之间发生热交换。换言之，热交换发生在管20和散热片30上，具体地说，发生在管20接触空气的地方。因此，热交换器100的形状和尺寸对整体热交换性能的影响非常大。 

如在传统热交换器中所述，虽然获得了各个水箱10和管20的优化的尺寸和形状，但通过将各个水箱10和管20接合形成的热交换器100的热交换性能没有被优化。如上所述，因为热交换介质被引入到水箱10然后流经管20，所以水箱10和管20的各个尺寸和形状都有特定的关系。 

在下文中，将简要描述发生在热交换器中的热交换现象。首先，通过管20中的热交换介质与管20的内表面之间的对流而发生热交换，热从管20的内表面传递到管20和散热片30的外表面。最终，在管20和散热片30的外表面与外部空气之间通过对流发生热交换。如上所述，发生在热交换器中的热交换现象取决于对流热交换，热交换量还取决于接触表面积和流速。在接触表面积方面，管20和散热片30与外部空气接触的表面积越大越好。并且在流速方面，流入管20的热交换介质的流速越大越好。 

图3和4为表示影响热交换的各个因子的视图，其中S_tank是图3的表面积，即水箱10的通道的截面积，而S_tube是图4的表面积，即管20的通道的截面积。如图3和4中所示，S_tube通常小于水箱10的通道的截面积，并且由于通道的截面积减小，所以当热交换介质从水箱10流到管20时流速增大。因为在流体流动时流速与压力直接相关，所以随着水箱10和管20的通道的截面积之间的差的增大，压降量也增大。换言之，应 理解的是，当水箱10和管20的通道的截面积之间的差增大时，流速增大，并且因此热交换性能提高。然而，在截面积之间的差过度增大的情况下，热交换介质不能平滑流动。并且当压降量过度增大时，热交换性能下降。 

在热交换器100中，水箱10和管20的、直接影响单位有效表面积的热交换性能并表示出特定的相互关系的因子表达如下： 

$\frac{S_{\mathrm{tube}}}{S_{\tan k}},$ $\frac{V_{\tan k}}{A_{\mathrm{tube}}}$ [式1] 

在式1中，S_tank是图3中所示的水箱10的通道的截面积，S_tube是图4中所示管20的通道的截面积，V_tank是水箱10的容积，A_tube是管20的总截面积。而且，容积V_tank可通过将水箱10的长度l_tank乘以水箱10的通道的截面积S_tank得到，总截面积A_tube可通过将每个管20的通道的截面积S_tank乘以管的数量N得到。如下表达的式2显示了因子之间的关系。 

V_tank＝l_tank×S_tank

A_tube＝N×S_tube    [式2] 

因为当外部空气经过管20之间时在管20中的热交换介质与外部空气之间进行实际的热交换，所以热交换基本上在管20和散热片30的垂直于外部空气的流动方向的表面积处进行。此表面积是图5中所示的有效表面积S_eff。为了在不考虑热交换器的尺寸的情况下表达热交换性能，仅通过有效表面积S_eff得到了热交换性能的估值。假设基本上产生的热交换量是Q，单位有效表面积的热交换量Q_Ae表达如下： 

$Q_{\mathrm{Ae}}=\frac{Q}{S_{\mathrm{eff}}}$ [式3] 

因为本发明提供了能够使单位有效表面积的热交换性能最大化的水箱10和管20之间的尺寸关系，所以基于车辆中需要的单位有效表面积的热交换量Q₀来估算单位有效表面积的热交换性能。单位有效表面积的热交换性能η表达如下： 

$\mathrm{\η}=\frac{Q_{\mathrm{Ae}}}{Q_0}$ [式4] 

图6是表示单位有效表面积的热交换性能η相对于各个因子的曲线图，其中图6a示出了η相对于S_tube/S_tank的变化，图6b示出了η相对于 V_tank/A_tube的变化，其中面积单位是cm²，容积单位是cm³，热量单位是kcal/hr。如图所示，热交换性能η逐渐提高，然后从峰值点降低。换言之，热交换系数随着通道的截面积之间的差增大而增大，然后在通道的截面积之间的差达到某个点之后热交换系数由于压降量的增大而减小。参照图6a的曲线图，当S_tube/S_tank的值为0.04～0.06时，单位有效表面积的热交换性能η被优化。因此，从这可以推导出单管和水箱的尺寸之间的关系，从而优化单位有效表面积的热交换性能η。 

而且，如图6b中所示，相对于V_tank/A_tube，热交换性能η也逐渐提高，然后从峰值点降低。换言之，如图6b中所示，当V_tank/A_tube的值为150～230时，单位有效表面积的热交换性能η被优化。图6a的曲线图示出了各个管和水箱的尺寸之间的关系，且图6b的曲线图示出了全部管和水箱的尺寸之间的关系。因此，参照曲线图能够推导出整个热交换器中尺寸之间的关系。 

本领域的技术人员将认识到，以上描述公开的概念和具体实施方式可被容易地用作修改或设计用于实现本发明相同目的的其他实施方式的基础。本领域的技术人员还将认识到，此类等价实施方式不脱离如所附权利要求所述的本发明的精神和范围。 

工业应用性 

根据本发明的热交换器，能够推导出在与上水箱和热交换管中的流体流动相关的尺寸变化与根据分布的流体流动变化的热交换性能之间的关系，因此改进了水箱和管的尺寸和形状，由此优化热交换性能。而且，能够容易地设计具有优化的热交换性能的热交换器，由此节省劳动力、成本、时间等。 

Claims (2)

1.一种热交换器(100)，包括：

多个管(20)，所述管以规则的距离平行布置成与流通方向平行，热交换介质流动经过所述管；

入口水箱(11)，所述热交换介质被引入该入口水箱中，然后分配到所述多个管(20)；

散热片(30)，该散热片置于所述管(20)之间，从而增大与经过所述管(20)之间的空气的接触表面；以及

出口水箱(12)，流经所述管(20)的所述热交换介质被收集在该出口水箱中，然后排出，

其中所述管(20)的截面积S_tube和所述入口水箱(11)或所述出口水箱(12)的截面积S_tank的尺寸满足以下公式：

2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述入口水箱(11)或所述出口水箱(12)的容积V_tank和通过将所述管(20)的截面积乘以管(20)的数量而计算出的所述管(20)的总截面积A_tube满足以下公式：

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