CN1023253C - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热交换器，它由多片平行设置的散热片和多根垂直插入该散热片的传热管组成。在该平板散热片上的传热管之间的位置上设有栅片群，该栅片面对气流方向的两侧边开口，该栅片群与上述散热片相连接处的栅片片脚，与散热片前缘或后缘的法线方向成一个角度，栅片沿气流方向连续设置，因此，在流动于散热片之间的气流中可产生带有旋转成分的气流和紊流，并可显著地达到混合气流、促进紊流、减少死区以及气流速度均匀化带来的边界层前缘效果，从而提高散热片的传热性能。

Description

本发明涉及一种用于空调、冷冻等方面的、流体之间间接进行热传递的热交换器。

JP56-56590公开了一种热交换器，这类热交换器由铜管和散热片组成，由U形弯管将铜管相互连接起来的，散热片由铝一类材料制成。在热交换器中，铜管内部流动的冷却介质和在散热片之间流动的空气进行热交换。

近年来，人们希望这种热交换器向小型化、高性能化发展，但由于噪音等问题的存在，现在散热片间的空气流速一直被限制得很低，同管内部的热阻相比，空气的热阻极高。因此，虽然采用大幅度扩大空气的传热面积，可以减少空气热阻与管内部热阻之差距，但是，由于受到传热面积不能无限增大的限制，至今空气的热阻还是大大超过管内的热阻。

因此，近年来，人们正试图将散热片的表面进行适当的加工，使空气和散热片间的热阻减少。

现有技术中经改进过的热交换器中如图1和图2所示。在这种热交换器中，对散热片表面进行加工，加工部位呈栅片状（即在散热片上切口并将其突起），因此，这种散热片比普通的平板散热片的表面热阻要低40～50%。

冷却介质在铜管的内部流动，其中的热量从与铜管相配合的散热片套圈传到散热片及桥形栅片上。另一方面，按箭头方向由风扇传送过来的空气在散热片之间通过，同时和与其具有温度差的散热片表面进行热 交换。在这一作用条件下，冷却介质与空气的热交换便持续进行下去。但是，虽然这种具有栅片的散热片同表面未加工的散热片相比较，表面热阻减少了，但仍然遗留下一些尚未彻底解决的问题。如：（1）由于下游的铜管传出的热流，受到位于其正上方或正下方的桥形栅片的阻碍，因此使整个散热片的热阻增加，散热片的效率降低，（2）桥形栅片以及散热片与空气流动方向是平行的，而且其结构并不能造成较大的紊流，因此，流动在散热片之间的空气流很难混合，使散热片表面的热阻增加;（3）由于传热管处的尾流而产生的死区，在桥形栅片中占了很大的面积，从而使本来热阻很低的桥形栅片的有效面积降低，并使单位面积的热阻增加;（4）空气流在传热管之间流动，但由于受到其间桥形栅片的片脚的阻挡，使空气流动阻力增大等等。

鉴于如上所述，本发明的目的是提供一种由带百叶窗形或桥形栅片组的散热片和传热管组成的热交换器，这种热交换器的结构不妨碍散热片内热流的流动，但气流中产生涡流和紊流，促使气流混合，降低散热片的热阻，改进传热效果。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案，即在本发明的热交换器中，装有以一定间隔平行设置的其间有气流流动的平板散热片，以及垂直插入该平板散热片且内部有流体流动的传热管，在上述散热片上横跨在上述每排的相邻传热管之间，设有多组由多个连续的沿气流方向设有开口的百叶窗形或桥形栅片组成的栅片组，栅片开口端与上述散热片的前缘或后缘相平行，而且，上述栅片同上述散热片相连接处的片脚的连线，与上述散热片的前缘或后缘形成一个倾角。

现将采用上述技术方案的热交换器的工作情况叙述如下：（1）由于栅片是连续地设在传热管之间及列之间，特别是当栅片为桥形栅片时，流入散热片之间的气流中，其流动在栅片内部的气流和流动在栅片外部的气流的流动方向不同，因此气流之间会产生侧滑，出现紊流;（2）由于栅 片的片脚同气流方向保持一个角度，形成二维流动造成涡流，使气流发生旋转的同时，便可使散热片间的气流得到混合;（3）由于栅片在传热管管间及列间都有倾角，故栅片不会对其前后传热管的热流产生妨碍，从而使散热片效率的降低少。（4）气流中产生紊流，使气体流向传热管的尾流部分，从而减少了死区。

因此，这种带散热片的热交换器，具有比现有的热交换器更低的热阻。

在本发明的第二种热交换器中，装有以一定间隔平行设置的，其间有气流流动的平板散热片，以及垂直插入该平板散热片且内部有流体流动的传热管，在上述平板散热片中插入的上述传热管的管相互之间，使对着气流的两边制出百叶开口，成为桥形或百叶窗形的栅片群，其特征是：在每排的相邻传热管之间的栅片群A，其脚部纵列做成和上述平板散热片的前缘的法线方向有一定的角度，在上述传热管的气流上游和下游的上述平板散热片的不设上述栅片群A的部分，使对着气流的两边开成百叶窗，在其他的两边设置用作脚部的桥形或百叶窗形栅片群B、C，在上述传热管的气流上游的栅片群B上的各栅片的脚部，做成向着气流下游相互接近那样地和上述平板散热片的前缘的法线方向成一定的角度，并且在气流下游的栅片群C上的各栅片的脚部，做成向着气流下游相互离开那样地和上述平板散热片的前缘的法线方向成一定的角度。

采用上述技术方案，可减少气流下游的栅片落入温度边界层中的部分，其中温度边界层是由上方栅片所产生的，这样便可使栅片上的边界层前缘效果非常明显，从而提高了散热片的传热性能。而且，由于栅片片脚同气流方向有一个角度，使流动在栅片内部的气流同流动在外部的气流相混合，这种混合效果可促进传热的进行。进一步地说，片脚可造成旋转的气流，携带着这种旋转成分的气流可提高上述的混合效果，同时还可明显减少传热管尾流部分的死区，从而增大了散热片面积，大大 提高了传热性能。

因此，在带有散热片的热交换器的小型高性能化方面，获得了非常明显的效果。

同现有技术相比较，本发明的特点和积极的效果如下：

在本发明中，在散热片上传热管之间装有多列连续地沿气流方向开口的百叶窗形或桥形栅片，而且栅片的片脚延长线同散热片的前缘或后缘相交成一个角度，因此，本发明的热交换器具有如下效果：（1）在流动于散热片间的气流中造成紊流和涡流，使散热片表面热阻显著减少;（2）栅片在传热管之间及栅片列之间均有一倾角，减小了由于栅片截断热流带来散热片效率的降低;（3）栅片片脚对气流的阻碍很小，使压力损失降低;（4）在气流中造成紊流，使气流向传热管尾流部分流动，从而减少死区，增加了有效传热面积。由于如上所述的积极效果使得在制造与以前的热交换器具有相同换热能力的带散热片的热交换器时，可大幅度减少散热片的传热面积，实现明显的小型化，且成本也可大幅度降低。另外，如果按照本发明制作一种具有与现有换热器传热面积相同的热交换器，便可以显著提高其热交换能力。因此，如果把本发明的带散热片的热交换器应用在热泵上的话，则可提高EER（能量的效率比）。

因此，实施本发明可以获得高性能小型化的带散热片的热交换器，其效果明显。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

附图图面简单说明如下：

图1为现有技术的热交换器的透视图;

图2中的图（a）为该热交换器中的散热片的平面图，图（b）为该热交换器中的散热片的沿E-E线的剖视图;

图3为本发明的一个实施例的一种热交换器，其中图（a）为平面图，图（b）为该图（a）的C-C剖面图，图（c）为该图（a）的D-D剖面图;

图4为本发明的另一个实施例的热交换器的平面图;

图5为图4中的F-F′面的剖面图;

图6为图4的G-G′面剖面图。

图3所示为本发明的一个实施例，图3（a）为热交换器的平面图，图3（b）为C-C剖面图，图3（c）为D-D剖面图，16a、16b、16c为铜管，17为散热片上经过内缘翻边加工过的散热片套圈，19、20为桥形栅片。铜管16a、16b、16c的内部流动着冷却介质，该冷却介质中的热，向铜管16a、16b、16c，散热片套圈17、散热片18及桥形栅片19或20传导。另一方面，沿21方向流动的空气在通过散热片之间时，与冷却介质通过散热片18（包括栅片19、20、散热片套圈17）间接进行热交换。由于栅片19从上游向下游连续地设置，因此，气流分为在栅片19的内部和在栅片19的外部流动的这样两部分，并产生紊流。同时可降低压力损失。另外，连接到散热片18处的栅片19的片脚19a、19b相对于空气流有一倾角，故在冲击到片脚的气流和通过的气流之间产生干涉，造成涡流。该涡流一面在散热片18上下面旋转，一面前进，故气流在散热片之间得到很好的混合。这些由于气流的滑移而产生的紊流和涡流，造成了散热片间气流的混合，从而大大减少了散热片18表面的热阻。位于铜管16a、16b之间的桥形栅片20与散热片18上铜管16a、16b的中心连线几乎平行，因此，热流沿着与传热管16a、16b、16c的连线几乎平行的方向流动。在本发明的一个方案中，就是使栅片19、20的片脚总是大体上在这条连线上与管相衔接，故很少阻碍热流流动，散热片效率的降低也较小。另外，因栅片20及19的片脚中的一部分位于铜管16a、16b的尾流部分，故可使气流向死区流动，或者说是利用紊流来减少死区，这样便增加了有效传热面。

在本方案中，栅片19或20的形状为一上一下地向两面突起的桥形，但如果采用单侧栅片或栅片突起面向气流方向倾斜的百叶窗形栅片的话， 也可取得几乎与上面相同的效果。

本实施方案是在传热管之间的散热片上，沿气流方向多列连续地设置开口的百叶窗形或桥形栅片，而且由于栅片的片脚是与散热片的前缘或后缘成一角度的，故具有如下效果：（1）在流动于散热片间的气流中产生紊流和涡流，使散热片表面的热阻显著降低，（2）由于在传热管之间及在列之间的栅片有一个倾角，故由于栅片影响传热所造成的散热片效率的降低就很少，（3）片脚对气流的阻碍减小，压力损失降低;（4）气流中有紊流，使气流流向传热管的尾流区域，从而减少了死区，增加了有效传热面积，等等。正是由于这些效果，将使其与现有技术的具有同等换热能力的热交换器相比，可大大减少其散热片的面积。因此，既可以实现比现有技术更小型的热交换器，又可显著降低成本。另外，如果采用与现有技术相同的传热面积的话，便可显著增加热交换器能力。如果将本发明的热交换器用于热泵等，可提高EER（能量的效率比）。

下面，参照附图就本发明的第二实施例进行说明。图4为本发明第二实施例的带散热片的热交换器中的散热片的平面图;图5为图4中的F-F′剖面图，图6为从气流方向看的栅片的剖面图。

如图4所示，传热管24插进以一定的间隔设在平板散热片22上经内缘翻边加工过的套圈23中，气流按箭头25所示方向流入。

在平板散热片22上，设置有使与气流25相对的两侧边28a、28b开口的栅片群A26，其中，两侧边28a、28b与平板散热片22的前缘平行，且未开口的两侧边（即栅片片脚）29a、29b与平板散热片22的前缘成一角度，且各侧边29a及29b相互平行。还有，在上述平板散热片22上，在传热管24的气流上游和下游未设置上述栅片群A26的地方，分别设置使两侧边30a、30b开口的栅片群B27a和C27b，其中，两侧边30a、30b、与平板散热片22的前缘平行，而未开口的两侧边（栅片片脚）31a、31b、32a、32b与平板散热片的前缘成一角度，在位于传热管的气流 上游处的栅片群B27a中，片脚31a、31b沿气流方向互相合拢，而在位于传热管的气流下游处的栅片群C27b中，片脚32a、32b互相分离（即沿气流方向，两片脚相距越来越远）。

本实施例的作用如下：（1）狭缝形或百叶窗形栅片上开口的两侧均为逐一偏置设置，故位于气流下游的栅片中，总是有些部分位于由上游侧栅片产生的温度边界层之外，这部分的传热性能是比较好的。（2）栅片群A26在传热管间与散热片前缘成一角度，故流动在栅片内部和外部的气流具有不同的流动方向，使气流间产生滑移和紊流。该紊流具有破坏在栅片处产生的温度边界层的作用，提高了散热片的传热性能。（3）栅片上未开口的两侧边（栅片片脚）29、31、32均与气流方向成一角度，故于片脚产生带有旋转成分的气流，该旋转成分是由二维流造成的。该带有旋转成分的气流可以：（Ⅰ）使在栅片处进行热交换后的气体，与新鲜气体进行混合;（Ⅱ）其中带有向传热管的气流尾处流动的旋转成分，故可减少死区、扩大散热片的有效传热面积。（4）在栅片群B27a中，带有与上述相同的旋转成分的气流于栅片片脚31a、31b处产生，该气流可以：（Ⅰ）直接作用于传热管处的散热片套圈23上，可提高该部分的传热性能;（Ⅱ）在流向气流下游的栅片群的气流中，产生紊流，从而提高散热片的传热性能。（5）在栅片群C27b中，栅片中开口的两侧边30a、30b沿气流方向逐渐扩大间距，故使气流转向传热管的尾流区域，从而有效地减少了死区的面积。而且，于片脚32a、32b产生的带有旋转成分的气流，也可有效地减少死区面积，并促进气流下游的紊流的生成，使散热片的传热性能提高。（6）栅片片脚在传热管间均匀设置，使从上游向下游流动的压力损失均匀化，并使传热管间的气流速度均匀化，因此，可达到有效的前缘效果。因此，可在栅片部分获得显著的高热传导率。另外，在栅片群A、B、C中的各栅片中，栅片方向均匀交错突出在平板散热片22的上下表面上。而且，若使上述栅片方向为一上一下的 两片栅片为一对，将这样的一对栅片与相邻的一对栅片之间空出间隔，即在对与对之间，在平板散热片22上有一部分未经过开口突起处理的地方，则这样制出的散热片同样具有如上作用。这就是说，本发明为在散热片上的传热管之间，设置在相对于气流方向的部分开口的桥形或百叶窗形栅片群A、B、C，各栅片群的栅片片脚分别与散热片前缘成一角度，因此，在散热片间流动的气流中，将产生带有旋转成分的气流和紊流，充分体现出气流的混合效果，促进紊流的效果，减少死区的效果，以及由于气流速度均匀化带来的边界层前缘效果，显著提高散热片的传热性能。因此，可显著提高热交换器的传热性能，实现热交换器的小型高性能化。

Claims (8)

1、一种热交换器，其中装有以一定间隔平行设置的、其间有气流流动的平板散热片，以及垂直插入该平板散热片且内部有流体流动的传热管，在上述散热片上，设有多组由多个连续的百叶窗形或桥形栅片组成的栅片组，上述百叶窗形或桥形栅片横跨在上述每排的相邻传热管之间，且在气流方向上有开口，栅片开口端与上述散热片的前缘或后缘相平行，其特征是：上述栅片与上述散热片相连接处的片脚的连线与上述散热片的前缘或后缘形成一个倾角。

2、按照权利要求1所述的热交换器，本发明的特征是：连结栅片片脚的连线在栅片组之间相互交叉。

3、按照权利要求1所述的热交换器，本发明的特征是：各组中栅片片脚的连线与传热管之间的连线相平行或垂直。

4、按照权利要求1所述的热交换器，本发明的特征是：位于传热管排与排之间的桥形栅片的几个栅片平面向上述散热片的平面倾斜。

5、一种热交换器，其中装有以一定间隔平行设置的、其间有气流流动的平板散热片，以及垂直插入该平板散热片且内部有流体流动的传热管，在上述平板散热片中插入的上述传热管的管相互之间，使对着气流的两边制出百叶开口，成为桥形或百叶窗形的栅片群，其特征是：在每排的相邻传热管之间的栅片群A（26），其脚部纵列做成和上述平板散热片的前缘的法线方向有一定的角度，在上述传热管的气流上游和下游的上述平板散热片的不设上述栅片群A的部分，使对着气流的两边开成百叶窗，在其他的两边设置用作脚部的桥形或百叶窗形栅片群B（27a）、C（27b），在上述传热管的气流上游的栅片群B上的各栅片的脚部，做成向着气流下游相互接近那样地和上述平板散热片的前缘的法线方向成一定的角度，并且在气流下游的栅片群C上的各栅片的脚部，做成向着气流下游相互离开那样地和上述平板散热片的前缘的法线方向成一定的角度。

6、按照权利要求5所述的或热交换器，本发明的特征是：桥形或窗形栅片群A、B、C中的各个栅片的突起方向交互突出在散热片的上面和下面。

7、按照权利要求5所述的热交换器，本发明的特征是：各组中的栅片片脚的连线与传热管间的相互连线相平行或垂直。

8、按照权利要求5所述的热交换器，本发明的特征是：使位于传热管排与排之间的桥形栅片中的几个栅片平面向上述散热片平面倾斜。

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