CN101589285A - 热交换器 - Google Patents

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CN101589285A CNA2008800031125A CN200880003112A CN101589285A CN 101589285 A CN101589285 A CN 101589285A CN A2008800031125 A CNA2008800031125 A CN A2008800031125A CN 200880003112 A CN200880003112 A CN 200880003112A CN 101589285 A CN101589285 A CN 101589285A
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Abstract

各散热片(30)形成为：波峰部(34)、波谷部(36)的连接线相对于空气的主流所成角度在10度到60度的范围内，以沿空气的主流的、折回间隔W的折回线对称地折回，包括波峰部(34)和波谷部(36)的波形的振幅a与散热片间距p之比(a/p)为1.3×Re－0.5＜a/p＜0.2，折回间隔W与波形的波长z之比(W/z)为0.25＜W/z＜2.0，波峰部(34)的顶部、波谷部(36)的底部的曲率半径r与波形的波长z之比(r/z)为0.25＜r/z，波形的截面的倾斜角α为25度以上。由此，能够使得热交换器的热传导率良好，能够使热交换器小型化。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，详细而言涉及通过使流体在至少两个相对的传热部件之间流通而进行热交换的热交换器。
背景技术
以往作为这种热交换器，有人提出了车载用的波纹散热片管热交换器(コルゲ一トフインチユ一ブ熱交换器，波纹翅片管热交换器)(例如参照专利文献1)，其中具备使制冷剂流通的多个扁平管、和安装在各管之间的波纹散热片。另外，针对交叉散热片管热交换器(クロスフインチユ一ブ熱交换器，交叉翅片管热交换器)，有人提出：作为多个散热片(フイン，翅片)使用在散热片上加工出细缝隙的缝隙散热片的方案(例如参照专利文献2)、使用实施了与空气流动方向垂直的波形凹凸的波形散热片的方案(例如参照专利文献3)、使用相对于空气流具有30度的角度并呈V字形地设置波形凹凸的V字形波形散热片的方案(例如参照专利文献4)等。这些热交换器，通过研究散热片的形状来谋求促进散热片管热交换器的传热。
专利文献1：日本特开2001-167782号公报
专利文献2：日本特开2003-161588号公报
专利文献3：日本特开2000-193389号公报
专利文献4：日本特开平1-219497号公报
发明内容
但是，在上述的使用缝隙散热片的热交换器、使用波形散热片的热交换器中，虽然热传导率上升，但有时由于突起、切边(切り起こし)等导致的空气流的剥离、局部增速，会导致通风阻力以热传导率以上的程度增大。另外，在将这样的热交换器作为制冷循环的蒸发器使用时，有时空气中的水蒸气凝结成露、霜而附着于热交换器，在缝隙间凝结水、霜引起堵塞，会阻碍空气的流动。在上述使用V字形波形散热片的热交换器中，不会发生由于突起、切边等导致的空气流的剥离、局部增速，但由于V字形的波形凹凸的形状，会产生热传导率低的情况，或者也会产生通风阻力变大的情况。
本发明的热交换器，其目的在于针对使用V字形波形散热片的热交换器，提供通过形成更为适当的波状的凹凸而使热交换效率变高的、高性能且小型的热交换器。
本发明的热交换器，为了实现上述的目的而采用了下面的技术方案。
本发明的热交换器，通过使流体在至少两个相对的传热部件之间流通而进行热交换，其特征在于，所述相对的传热部件，在使所述流体流通的传热面上具有波状的凹凸，该波状的凹凸，与所述流体的主流所成的角为10度至60度的范围内的角度，且以沿该主流的、预定间隔的折回线对称地折回；所述波状的凹凸被形成为，在将所述波状的凹凸的振幅设为a、将间距设为p、将由整体流速与间距所定义的雷诺数设为Re时，满足1.3×Re-0.5＜a/p＜0.2的不等式，其中，间距是该相对的传热部件的传热面的间隔。
在该本发明的热交换器中，相对的传热部件的波状的凹凸以满足上述不等式的方式形成，由此能够使在流体的流通时所产生的二维流的涡流不受相对的传热部件的传热面的影响地作为对促进传热有效的二维流成分发挥作用。其结果，能够成为热交换效率更高的高性能且小型的热交换器。
在这样的本发明的热交换器中，所述相对的传热部件的所述波状的凹凸被形成为，在将所述折回线的所述预定间隔设为W、将所述波状的凹凸的波长设为z时，满足0.25＜W/z＜2.0的不等式。这样一来，能够抑制二维流成分的移动跨度(span)方向距离与相对于相对的传热部件的传热面的垂直方向距离之比变大，能够将对促进传热有效的二维流成分维持得较大。其结果，能够成为热交换效率更高的高性能且小型的热交换器。
另外，在本发明的热交换器中，所述相对的传热部件的所述波状的凹凸被形成为，在将所述波状的凹凸的顶部和/或底部的曲率半径设为r、将所述波状的凹凸的波长设为z时，满足0.25＜r/z的不等式。这样一来，能够抑制越过波状的凹凸中的凸部的流体流的局部增速，能够抑制通风阻力的增大。其结果，能够成为热交换效率更高的高性能且小型的热交换器。
并且，在本发明的热交换器中，所述相对的传热部件的所述波状的凹凸被形成为，所述波状的凹凸的截面中的斜面的倾斜角为25度以上。这样一来，能够增强沿着波状的凹凸的二维流成分，由此，能够有效地产生有助于传热的二维流，并且能够增加波状的凹凸的截面中斜面的对传热起有效作用的区域的面积。其结果，能够成为热交换效率更高的高性能且小型的热交换器。
或者，在本发明的热交换器中，所述相对的传热部件，由多个传热小部件形成，该多个传热小部件由相对于所述流体的流动大致垂直的多个面分断开。这样一来，促进对传热促进有效的二维流，并且在分断部切断边界层的发展，由此能够实现高的热传导率。其结果，能够成为热交换效率更高的高性能且小型的热交换器。
另外，在本发明的热交换器中，具有作为热交换媒介物的流路平行地配置的多个传热管；所述相对的传热部件作为多个散热片部件而形成，该多个散热片部件被安装成与所述多个传热管能够进行热交换地垂直于该多个传热管，并且平行地以预定距离的间隔重叠。这样一来，能够成为热交换效率更高的高性能且小型的散热片管式的热交换器。
附图说明
图1是表示作为本发明的一个实施例的波纹散热片管热交换器20的概略构成的构成图。
图2是表示图1中的波纹散热片管热交换器20的A-A剖面的剖面图。
图3是表示在波板状的平板上导入了流速小的同样流动的空气时、在平板上所产生的空气的二维流与温度的等高线的说明图。
图4是表示求出了振幅间距比(a/p)、雷诺数Re与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果的说明图。
图5是表示求出了热传导率为比较例的2倍以上的振幅间距比(a/p)与雷诺数Re的关系的计算结果的说明图。
图6是表示求出了振幅间距比(a/p)与提高率{(j/f)/(j/fplate)}的关系的计算结果的说明图，所述提高率是柯尔伯恩j因数(コルバ一ンのj因子)与相对于通风的摩擦系数f之比即传热摩擦比(j/f)的提高率。
图7是表示求出了间隔波长比(W/z)与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果的说明图。
图8是表示求出了曲率半径波长比(r/z)与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果的说明图。
图9是表示求出了倾斜角α与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果的说明图。
图10是表示变形例的波纹散热片管热交换器20B的概略构成的构成图。
图11是表示图10的波纹散热片管热交换器20B的B-B剖面的剖面图。
具体实施方式
下面，使用实施例对用于实施本发明的优选方式进行说明。图1是表示作为本发明的一个实施例的波纹散热片管热交换器20的概略构成的构成图，图2是表示图1中的波纹散热片管热交换器20的A-A剖面的剖面图。另外，图2放大地表示剖面，示出了从传热管22a到传热管22b的范围。实施例的波纹散热片管热交换器20，如图所示，由成为热交换媒介物的通路的平行地配置的多条传热管22a～22c；和与该多条传热管22a～22c大致垂直地配置的多个散热片30构成。
多条传热管22a～22c，为了使热交换媒介物例如冷却水、冷却油等的冷却用液体、制冷循环所用的制冷剂等的媒介物绕流或分流而以平行地且与冷却用的空气流大致垂直的方式配置。
多个散热片30，如图1以及图2所示，作为多个波状的平板部件而构成，该平板部件形成有图1中单点划线所示的多个弯曲的波峰部(凸部)34和介于该多个波峰部34之间的双点划线所示的多个弯曲的波谷部(凹部)36。各散热片30以与传热管22a～22c的热交换媒介物的流动方向大致垂直、相邻的散热片30等间隔地大致平行的方式被安装于传热管22a～22c。在实施例中，在图1中，由多条传热管22a～22c与多个散热片30在上部侧构成空气的流入部，在下部侧构成空气的流出部，在各传热管22a～22c之间构成空气的通路。
各散热片30的多个波峰部34与波谷部36被形成为，波峰部34、波谷部36的连接线(单点划线、双点划线)相对于空气的主流所成的角γ为10度至60度的范围内的角度、例如30度，且以沿空气的主流的、预定间隔(折回间隔)W的折回线(在图1中连接单点划线、双点划线的弯曲部的没有图示的线)对称地折回。这样，将散热片30形成为波峰部34、波谷部36的连接线(单点划线、双点划线)与空气流(主流)所成的角γ为10度至60度的范围内的角度，是为了有效地产生空气的二维流。图3表示在波板状的平板上导入了流速小的同样流动的空气时、在平板上所产生的空气的二维流(箭头)与温度的等高线。如图所示，可知由于波峰部34、波谷部36而产生强二维流，而且在壁面附近产生大的温度梯度。在实施例中，将波峰部34、波谷部36的连接线(波线、单点划线)与空气的主流所成的角γ设为30度，是为了有效地产生该二维流。如果该所成角γ过小，则不能使空气流中产生有效的二维流；如果该角γ过大，则空气不能沿着波峰部34、波谷部36流动，会发生剥离、局部的增速，而使通风阻力增大。因此，为了产生空气的二维流，所成角γ，在锐角的范围内优选10度至60度、更优选15度至45度、25度至35度更为理想。因此，在实施例中作为所成角γ使用了30度。另外，在空气流小时，能够保持空气流的主流与没有波峰部34、波谷部36的单纯平板时的主流大致相同，并且使因波峰部34、波谷部36所产生的二维流有效地产生。这里，在实施例中，所成角γ恒定为30度，但该角γ没有必要恒定，也可以是使波峰部34和波谷部36变为曲线那样变化的角度。
在实施例中，各散热片30形成为振幅间距比(a/p)在下式(1)的不等式的范围内，并且将该各散热片30组装于波纹散热片管热交换器20，所述振幅间距比是波峰部34和波谷部36的波形的振幅a(参照图2)与各散热片30的间隔即散热片间距p(参照图2)之比。这里，在式(1)中“Re”是雷诺数，当用整体流速(バルク流速)u与散热片间距p时，Re＝up/υ(υ是动粘度系数)。式(1)左侧的不等式，基于振幅间距比(a/p)在比1.3×Re-0.5大的范围内，提高率(h/hplate)为2.0以上的计算结果，该提高率作为形成有包括波峰部34和波谷部36的波形的实施例的散热片30的热传导率h、与由没有形成包括波峰部34和波谷部36的波形的平板所形成的散热片的热传导率hplate之比来计算。图4表示求出了振幅间距比(a/p)、雷诺数Re与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果，图5表示求出了热传导率变为比较例的2倍以上的、振幅间距比(a/p)与雷诺数Re的关系的计算结果。根据图4的结果可知对于雷诺数Re存在最佳振幅间距比(a/p)，根据图5的结果可知能够导出式(1)的左侧的不等式。式(1)右侧的不等式，基于振幅间距比(a/p)在小于0.2的范围内，抑制通风阻力的增加的影响、传热性能良好的计算结果。图6表示求出了振幅间距比(a/p)与提高率{(j/f)/(j/fplate)}的关系的计算结果，该提高率是柯尔伯恩j因数与相对于通风的摩擦系数f之比即传热摩擦比(j/f)的比较例的散热片的传热摩擦比(j/fplate)之比。这里，柯尔伯恩j因数是热传导率的准数(量纲为1的数)。因此，传热摩擦比(j/f)，为传热性能与通风阻力之比，所以该比越大则作为热交换器的性能越高。根据图6可知，在振幅间距比(a/p)小于0.2的范围内，能够使传热摩擦比的提高率{(j/f)/(j/fplate)}在0.8以上，当振幅间距比(a/p)变得大于0.2时，通风阻力的增加的影响变大，作为热交换器的性能降低。另外，波形的振幅a并非必须恒定，只要在设为振幅间距比(a/p)时整体的平均值在式(1)的范围内即可。
1.3×Re-0.5＜a/p＜0.2                    (1)。
另外，在实施例中，各散热片30形成为，间隔波长比(W/z)如下式(2)所示在大于0.25且小于2.0的范围内，所述间隔波长比(W/z)是波峰部34、波谷部36的连接线(单点划线、双点划线)相对于空气的主流对称地折回的间隔即折回间隔W(参照图1)、与包括波峰部34和波谷部36的波形的波长z(参照图2)之比。这是基于间隔波长比(W/z)在大于0.25且小于2.0的范围内、作为实施例的散热片30的热传导率h与比较例的散热片的热传导率hplate之比的提高率(h/hplate)良好的计算结果。图7表示求出了间隔波长比(W/z)与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果。如图所示，可知间隔波长比(W/z)在大于0.25且小于2.0的范围内、热传导率的提高率(h/hplate)良好。另外，从图7中可知，间隔波长比(W/z)，优选大于0.25且小于2.0，更加优选大于0.5且小于2.0，更加优选大于0.7且小于1.5。另外，波形的波长z并非必须恒定，只要在设为间隔波长比(W/z)时整体的平均值在式(2)的范围内即可。
0.25＜W/z＜2.0        (2)
并且，在实施例中，各散热片30形成为，曲率半径波长比(r/z)如下式(3)所示在大于0.25的范围内，所述曲率半径波长比(r/z)是波峰部34的顶部、波谷部36的底部的曲率半径r(参照图2)、与包括波峰部34和波谷部36的波形的波长z之比。这是基于曲率半径波长比(r/z)在大于0.25的范围内、作为实施例的散热片30的热传导率h与比较例的散热片的热传导率hplate之比的提高率(h/plate)变得良好的计算结果。图8表示求出了曲率半径波长比(r/z)与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果。波峰部34的顶部、波谷部36的底部的曲率半径r，与空气越过波峰部34、波谷部36时的空气流的局部增速有关，通过抑制该局部增速能够抑制通风阻力的增大，所以存在曲率半径r的适当范围。曲率半径波长比(r/z)，是以该曲率半径r的适当范围与波长z的关系而求出的。如图8所示，可知曲率半径波长比(r/z)在大于0.25的范围内、热传导率的提高率(h/hplate)良好。另外，根据图8可知，曲率半径波长比(r/z)，优选大于0.25、更优选大于0.35、更加优选大于0.5。另外，曲率半径r并非必须恒定，只要在设为曲率半径波长比(r/z)时整体的平均值在式(3)的范围内即可。
0.25＜r/z        (3)
而且，在实施例中，各散热片30形成为：包括波峰部34与波谷部36的波形的截面的倾斜角α(参照图2)为25度以上。这是基于倾斜角在25度以上的范围内、作为实施例的散热片30的热传导率h与比较例的散热片的热传导率hplate之比的提高率(h/hplate)变得良好的计算结果。这是因为使得沿着包括波峰部34与波谷部36的波形的空气流增强，有效地产生有助于传热的二维流。图9表示求出了倾斜角α与热传导率的提高率(h/hplate)的关系的计算结果。如图所示，可知在倾斜角α在25度以上的范围内、热传导率的提高率(h/hplate)良好。另外，根据图9可知，倾斜角α优选设为25度以上、更优选设为30度以上，更加优选设为40度以上。
根据上述说明了的实施例的波纹散热片管热交换器20，通过将各散热片30形成为：波峰部34、波谷部36的连接线(单点划线、双点划线)相对于空气的主流所成的角γ为10度到60度范围内的预定角(例如30度)，并且以沿空气的主流的预定间隔(折回间隔)W的折回线对称地折回，由此能够使空气流中产生有效的二维流而使传热效率提高，使整体的热交换效率提高。其结果，能够谋求波纹散热片管热交换器20的小型化。另外，在散热片30上形成包括波峰部34和波谷部36的波，所以也不会有散热片的切边(切り起し，切起)，散热片与散热片的间隔也不会狭窄，所以能够抑制空气流的剥离、局部增速。
另外，根据实施例的波纹散热片管热交换器20，将各散热片30形成为作为包括波峰部34和波谷部36的波形的振幅a、与各散热片30的间隔即散热片间距p之比的振幅间距比(a/p)在上述式(1)的不等式的范围内，并且波纹散热片管热交换器20为组装而成的，所以能够使得波纹散热片管热交换器20的热传导率良好。其结果，能够使波纹散热片管热交换器20更加小型化。
并且，根据实施例波纹散热片管热交换器20，将各散热片形成为：间隔波长比(W/z)如上述式(2)所示在大于0.25且小2.0的范围内，所述间隔波长比(W/z)是将波峰部34、波谷部36的连接线相对于空气的主流对称地折回的折回间隔W、与包括波峰部34和波谷部36的波形的波长z之比，所以能够使得波纹散热片管热交换器20的热传导率良好。其结果，能够使波纹散热片管热交换器20更加小型化。
而且，根据实施例波纹散热片管热交换器20，将散热片30形成为曲率半径波长比(r/z)如上述式(3)所示在大于0.25的范围内，所述曲率半径波长比(r/z)是波峰部34的顶部、波谷部36的底部的曲率半径r、与包括波峰部34和波谷部36的波形的波长z之比，所以能够抑制空气越过波峰部34、波谷部36时的空气流的局部增速，能够抑制通风阻力的增大。其结果，能够使波纹散热片管热交换器20成为更高性能的热交换器。
另外，根据实施例的波纹散热片管热交换器20，将散热片30形成为包括波峰部34与波谷部36的波形的截面的倾斜角α为25度以上，所以能够使得波纹散热片管热交换器20的热传导率良好。其结果，能够使波纹散热片管热交换器20更加小型化。
在实施例的波纹散热片管热交换器20中，将各散热片30形成为间隔波长比(W/z)如上述式(2)所示在大于0.25且小2.0的范围内，所述间隔波长比(W/z)是将波峰部34、波谷部36的连接线相对于空气的主流对称地折回的折回间隔W、与包括波峰部34和波谷部36的波形的波长z之比，但是也可以将各散热片30形成为间隔波长比(W/z)不在大于0.25且小2.0的范围内。
在实施例的波纹散热片管热交换器20中，将散热片30形成为曲率半径波长比(r/z)在大于0.25的范围内，所述曲率半径波长比(r/z)是波峰部34的顶部、波谷部36的底部的曲率半径r、与包括波峰部34和波谷部36的波形的波长z之比，但也可以将散热片30形成为曲率半径波长比(r/z)在小于0.25的范围内。
在实施例的波纹散热片管热交换器20中，将散热片30形成为包括波峰部34与波谷部36的波形的截面的倾斜角α为25度以上，但也可以将散热片30形成为倾斜角α不满25度。
在实施例的波纹散热片管热交换器20中，用单一的板状部件将各散热片30形成为：波峰部34、波谷部36的连接线相对于空气的主流成30度、且以沿空气的主流的、预定间隔(折回间隔)W的折回线对称地折回，但也可以如图10以及图11的变形例的波纹散热片管热交换器20B所示，由被相对于空气流垂直的多个截面分断开的多个散热片部件30a～30f构成各散热片30B。这里，图11是表示图10的变形例的波纹散热片管热交换器20B的B-B剖面的剖面图。通过这样由沿空气流方向分断开散热片而成的多个散热片部件30a～30f构成各散热片30B，能够抑制温度边界层的发展。另外，通过包括波峰部34和波谷部36的波形的凹凸的效果产生更为有效的二维流，因此能够得到高传热性能。
在实施例的波纹散热片管热交换器20中，通过在多条传热管22a～22c的内部流通的热交换媒介物与空气而进行热交换，但也可以利用在多条传热管22a～22c的内部流通的热交换媒介物与空气以外的流体(例如液体、气体)而进行热交换。
在实施例中，作为用于实施本发明的最优方式的一个实施例，对波纹散热片管热交换器20进行了说明，但也可以不是波纹散热片管热交换器的形态，而是交叉散热片管热交换器的形态等。例如，也可以从实施例的波纹散热片管热交换器20中去除全部的散热片30，在多条传热管的与相邻的传热管相对的传热面上，如实施例的散热片30那样，形成包括波峰部和波谷部的波形的凹凸，使得波峰部、波谷部的连接线相对于与空气的主流所成的角为10度至60度的范围内的角度，且以沿空气的主流的、预定间隔的折回线对称地折回。这样一来，使流体在至少两个相对的传热部件之间流通而进行热交换的热交换器中，将传热部件的形成流体的通路的面作为传热面，并形成波状的凹凸，该波状的凹凸，与流体的主流所成的角度为10度至60度的范围内的角度、且以沿主流的、预定间隔的折回线对称地折回，该形成的波状的凹凸的振幅与相邻的传热部件的传热面的间隔之比满足上述的式(1)的不等式，这样能够适用于任何的传热部件的传热面。
以上，对于用于实施本发明的最优的方式，利用实施例进行了说明，但本发明并不限定于这样的实施例，当然能够在不脱离本发明的要旨的范围内，以各种各样的方式实施。
本发明能够应用于热交换器的制造工业等。

Claims (6)

1.一种热交换器，通过使流体在至少两个相对的传热部件之间流通而进行热交换，其特征在于，
所述相对的传热部件，在使所述流体流通的传热面上具有波状的凹凸，该波状的凹凸，与所述流体的主流所成的角为10度至60度的范围内的角度，且以沿该主流的、预定间隔的折回线对称地折回；
所述波状的凹凸被形成为，在将所述波状的凹凸的振幅设为a、将间距设为p、将由整体流速与间距所定义的雷诺数设为Re时，满足式子(1)的不等式，其中，间距是该相对的传热部件的传热面的间隔，
1.3×Re-0.5＜a/p＜0.2       (1)。
2.根据权利要求1所记载的热交换器，其中，
所述相对的传热部件的所述波状的凹凸被形成为，在将所述折回线的所述预定间隔设为W、将所述波状的凹凸的波长设为z时，满足式子(2)的不等式，
0.25＜W/z＜2.0              (2)。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，
所述相对的传热部件的所述波状的凹凸被形成为，在将所述波状的凹凸的顶部和/或底部的曲率半径设为r、将所述波状的凹凸的波长设为z时，满足式子(3)的不等式，
0.25＜r/z                   (3)。
4.根据权利要求1～3中任一项所记载的热交换器，其中，
所述相对的传热部件的所述波状的凹凸被形成为，所述波状的凹凸的截面中的斜面的倾斜角为25度以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所记载的热交换器，其中，
所述相对的传热部件，由多个传热小部件形成，该多个传热小部件由相对于所述流体的流动大致垂直的多个面分断开。
6.根据权利要求1～5中任一项所记载的热交换器，其中，
具有作为热交换媒介物的流路平行地配置的多个传热管；
所述相对的传热部件作为多个散热片部件而形成，该多个散热片部件被安装成与所述多个传热管能够进行热交换地垂直于该多个传热管，并且平行地以预定距离的间隔重叠。
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