CN103256850A

CN103256850A - 一种后掠型百叶窗翅片

Info

Publication number: CN103256850A
Application number: CN2013101983890A
Authority: CN
Inventors: 张日葵; 曹先伟; 丁可琦
Original assignee: Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd; NANJING RESEARCH INSTITUTE COLLEGE OF ENGINEERING OF PEKING UNIVERSITY; NANJING PEKING UNIVERSITY GOODING SOFTWARE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Nanjing Peking University Gooding Innovation Co Ltd; NANJING RESEARCH INSTITUTE COLLEGE OF ENGINEERING OF PEKING UNIVERSITY; NANJING PEKING UNIVERSITY GOODING SOFTWARE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-08-21

Abstract

本发明公开了一种后掠型百叶窗翅片，其端面与热交换器侧壁面平贴相接，其特征在于：所述翅片的百叶窗前缘与翅片展向，即散热流道宽度方向，呈一定的夹角，称之为后掠角。与传统的百叶窗翅片相比较，在材质、散热面积相同的条件下，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有换热效率高、流动阻力小等显著优势。并且，这种后掠型百叶窗翅片只改变了翅片百叶窗窗体的后掠角度，在实际加工时，无需对现有翅片的加工工艺作大幅度改造。因此，与其他具有强化换热功能的百叶窗翅片相比较，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有加工工艺简单等优势。特别地，这种后掠型百叶窗翅片由于流动结构特殊而具有独特的自清洁能力。

Description

一种后掠型百叶窗翅片

技术领域

本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种优化的后掠型百叶窗换热翅片。

背景技术

紧凑热交换器由于具有占用空间小、质量轻、换热效率高等技术优点，已被广泛应用于汽车、工程机械、空调电器或电子产品等行业所涉及的散热领域。板翅式热交换器是紧凑型热交换器的重要形式。如图1所示，大量板式翅片组合在一起可以显著扩大热交换器的有效散热面积，因此可以大幅提高热交换器的散热效率。目前，工程界广泛使用的板式翅片主要有两种：波纹形翅片和百叶窗翅片。相对而言，百叶窗翅片的散热流道更小，结构更紧凑，散热效率更高，但因此其流道阻力也更大。一般地，百叶窗翅片的散热效率和流道阻力是波纹翅片的5-10倍。通常地，百叶窗翅片多用于轿车、高端电子电器等行业的散热设备中。

国内外与百叶窗翅片相关的专利技术比较多， 200480017155.0、200910119663.4、201110043299.5、201210223874.4等。如图2所示，百叶窗翅片是在平直基片2的基础上，开设了几组具有一定开窗角度的百叶窗窗体101。平直基片2和百叶窗窗体101构成热交换器的一个散热流道。若干个散热流道组合在一起，就构成了图1所示的热交换器换热芯体，可以将热交换器管道内流动的高温介质V_hot，如高温水、油或固体导热等的热量快速传递至翅片表面，并通过翅片附近冷却介质V_cold，如冷却空气，将热量带走，最终扩散至热交换器体外。传统百叶窗翅片散热流动结构如图3所示。在散热流道内，百叶窗窗体将改变冷却介质V_cold的流动方向，使平直基片上原来沿流向发展的边界层被中断，从而提高近壁换热效率，实现强化传热的目的。但由于百叶窗翅片间隙流动处于层流分离状态,散热流道内的流动阻力通常都比较大。

近年来，一些新颖的强化传热方式被引入到百叶窗翅片中。如专利200910020823.X中，通过在百叶窗翅片上游增设一组三角形的扰流片或涡流发生器，可以达到增强翅片局部传热的目的。但这些措施并没有从根本上改善翅片散热流道内的流动结构特征，因此无法改变百叶窗翅片流动阻力大的缺陷，并且没有充分挖掘百叶窗翅片的强化传热潜力。

因此，从强化换热的角度来看，有必要对上述传统百叶窗翅片作进一步地优化或创新性地设计，以便大幅提高翅片热交换效率，并显著降低散热流道阻力，进而可以降低配套风扇的功率负荷和噪声水平等。这正是本发明的根本目的所在。

发明内容

针对传统百叶窗翅片的技术现状，本发明给出了一种优化的后掠型百叶窗翅片设计，该类型翅片可以作为热交换器芯体，如图1所示，广泛应用于汽车、工程机械、电器、半导体等行业的热交换设备中。与传统百叶窗翅片相比较，在材质、结构体积或散热面积相同的条件下，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有换热效率高、流动阻力小等显著优势。并且，这种后掠型百叶窗翅片只改变了翅片百叶窗窗体的后掠角度，在实际加工时，无需对现有翅片的加工工艺作大幅度改造。因此，与其他具有强化换热功能的百叶窗翅片相比较，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有加工工艺简单等优势。特别地，这种后掠型百叶窗翅片由于流动结构特殊而具有独特的自清洁能力。

为解决传统百叶窗翅片中存在的技术问题，达到本发明所述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种后掠型百叶窗翅片，包括基片和从基片上翘起的百叶窗，其特征在于：所述翅片的百叶窗前缘与翅片展向，即散热流道宽度方向，呈一定的角度，称之为后掠角β。

所述后掠角β设置为10°至80°之间任意角度，优选30°至60°区间，此时翅片流动阻力小、换热效率高。

进一步的，本发明所述的后掠型百叶窗翅片，百叶窗窗体与基片所在平面的夹角，即开窗角度α，为25°-45°。

进一步的，在一个后掠型百叶窗翅片的基片上，可以沿翅片展向和流向，即流道长度方向，分别设置一个或多个百叶窗区域。在一个百叶窗区域内，相邻百叶窗窗体的间距，即开窗间距L为0.5-3.0mm。mm为长度单位毫米。

进一步的，本发明所述的后掠型百叶窗翅片厚度为0.05-0.5mm，其所在的流道长为5-100mm，流道宽为2-20mm，流道高为1-5mm。

进一步的，本发明所述后掠型百叶窗翅片的制造材料可以采用金属材料、合金或导热性能好的非金属材料等。其中，百叶窗窗体可以采用专用模具滚压成形。

相对于传统的百叶窗翅片来说，在本发明中，由于百叶窗窗体具有一定的后掠角，冷却介质经过百叶窗前缘时，其运动速度V可以分解为两部分：垂直百叶窗窗体前缘的速度分量V1，它将促使冷却介质在经过前缘后从百叶窗表面分离，形成强旋转的分离涡；沿窗体前缘方向也即分离涡的旋转轴方向的速度分量V2，它将使上述分离涡结构沿前缘方向拉伸，最终将分离涡拉伸成流向涡结构，并在旋涡核心处形成强轴向射流Vn。本发明所述的后掠型百叶窗翅片的散热流动结构如图5所示。该流向涡结构显著提高了流道内冷却介质与翅片表面的热交换能力，同时轴向射流Vn可以大幅降低分离区的压差阻力，从而使整个散热流道的流动阻力和压降大幅降低、换热效率显著提高。特别地，轴向射流Vn还可以将沉积在分离区内的污垢冲向翅片散热流道下游。因此，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有独特的自清洁能力。

所述后掠型百叶窗翅片作为热交换器芯体的应用。

进一步地，在一个后掠型百叶窗翅片的基片上，可以沿翅片展向和流向分别开设一个或多个百叶窗区域；在同一百叶窗区内，百叶窗窗体沿同一方向后掠，此时两个相邻的百叶窗窗体前缘方向是相互平行的，相邻的两个百叶窗区既可以沿同一方向后掠，此时这两个窗区之间的百叶窗窗体的前缘方向是相互平行的；也可以沿相反方向后掠，此时这两个窗区之间的百叶窗窗体前缘方向是相互交叉的。

进一步地，本发明所述的后掠型百叶窗翅片中，两个相邻的后掠型百叶窗翅片组合成一个大的散热通道时，这两个相邻翅片上的百叶窗区既可以沿同一方向后掠，此时这两个翅片上对应的百叶窗窗体前缘方向是相互平行的；也可以沿相反方向后掠，此时这两个翅片上对应的百叶窗窗体前缘方向是相互交叉的。

本发明所述的后掠型百叶窗翅片，可以作为散热芯体安装在各种热交换器内，如图1所示，可以广泛应用于汽车、工程机械、电器、半导体等行业所涉及的散热或热交换领域中，例如但不限于汽车、工程机械、电子或电器产品所使用的散热器、冷凝器、中冷器等。与传统的百叶窗翅片相比，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有换热效率高、流动阻力小等显著优势。并且，这种后掠型百叶窗翅片只改变了翅片百叶窗窗体的后掠角度，在实际加工时，无需对现有翅片的加工工艺作大幅度改造。因此，与其他具有强化换热功能的百叶窗翅片相比较，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有加工工艺简单等优势。此外，这种后掠型百叶窗翅片由于流动结构特殊而具有独特的自清洁能力。因此，本发明给出的后掠型百叶窗翅片可以在更复杂、更恶劣的工程环境中使用。

附图说明

图1是普通热交换器换热芯体结构示意图。

图2是现有技术设计的百叶窗翅片几何结构示意图。

图3是本发明中后掠型百叶窗翅片的几何结构示意图。

图4是本发明中后掠型百叶窗翅片的主要结构参数示意图。

图5是本发明中冷却介质经过后掠型百叶窗翅片所产生的流动结构示意图。

图6是同一翅片上两个相邻的百叶窗区的组合示意图：（a）在翅片流向方向上的两个百叶窗区沿同一方向后掠；（b）在翅片流向方向上的两个百叶窗区沿相反方向后掠；（c）在翅片展向方向上的两个百叶窗区沿同一方向后掠；（d）在翅片展向方向上的两个百叶窗区沿相反方向后掠。

图7是两个相邻的翅片散热流道的组合示意图：(a)上、下两个相邻的百叶窗区沿同一方向后掠；(b) 上、下两个相邻的百叶窗区沿相反方向后掠。

图8是本发明所述的后掠型百叶窗翅片与传统百叶窗翅片的散热性能和流道阻力性能对比图。

其中：1散热流道侧壁，2 翅片基片，101百叶窗窗体，201 后掠型百叶窗窗体，202 后掠型百叶窗前缘，203流向涡；Re是雷诺数，是表征冷却介质流动速度的无量纲参数；j是表征翅片散热性能的无量纲参数；f是表征流道阻力性能的无量纲参数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1

如图3所示，一种后掠型百叶窗翅片，包括基片2和百叶窗窗体201。基片2的端面与散热流道侧壁面1平贴相接，二者构成一个散热流道，二者可以通过焊接等方式相连。百叶窗窗体201的前缘202与翅片展向，即散热流道宽度B方向，呈一定夹角，称之为后掠角β，所述后掠角β为45°。百叶窗开缝间距L为1mm，开窗角度α（即百叶窗窗体201与基片2所在平面的夹角）为30°，如图4所示。

所述后掠型百叶窗翅片的厚度t为0.1mm，翅片所在流道长A为15mm，流道宽B为7.5mm，流道高S（即两个相邻的百叶窗翅片间距）为2.5mm。

在基片2上，可以沿翅片展向（即流道宽度B的方向）和流向（即流道长度A方向）分别开设一个或多个百叶窗区域。在同一百叶窗区内，百叶窗窗体沿同一方向后掠，此时两个相邻的百叶窗窗体前缘方向是相互平行的。相邻的两个百叶窗区既可以沿同一方向后掠，此时这两个窗区之间的百叶窗窗体的前缘方向是相互平行的，如图6a、6c所示；也可以沿相反方向后掠，此时这两个窗区之间的百叶窗窗体前缘方向是相互交叉的，如图6b、6d所示。

以百叶窗翅片（含基片2和百叶窗窗体201）为中心，翅片宽B、长A、高S的冷却介质流动区间就构成热交换器的一个散热流道。多个散热流道组合在一起，就构成了一个热交换器芯体，如图1。两个相邻的后掠型百叶窗翅片流道组合成一个大的散热通道时，这两个相邻翅片上的百叶窗区既可以沿同一方向后掠，此时这两个翅片上对应的百叶窗窗体前缘方向是相互平行的，如图7a所示；也可以沿相反方向后掠，此时这两个翅片上对应的百叶窗窗体前缘方向是相互交叉的，如图7b所示。

相对于传统的百叶窗翅片来说，在本发明中，由于百叶窗窗体具有一定的后掠角，冷却介质如空气，在经过百叶窗前缘时，其运动速度V可以分解为两部分，垂直百叶窗窗体前缘的速度分量V1，它将促使冷却介质在经过前缘后从百叶窗表面分离，形成强旋转的分离涡；沿窗体前缘方向也即分离涡的旋转轴方向的速度分量V2，它将使上述分离涡结构沿前缘方向拉伸，最终将分离涡拉伸成流向涡结构，并在旋涡核心处形成强轴向射流Vn。本发明所述的后掠型百叶窗翅片的散热流动结构如图5所示。该流向涡结构显著提高了流道内冷却介质与翅片表面的热交换能力，同时轴向射流Vn则降低了分离区的压差阻力，从而使冷却介质在整个翅片中流动阻力和压降大幅降低、换热效率显著提高。并且，这种后掠型百叶窗翅片只改变了翅片百叶窗窗体的后掠角度，在实际加工时，无需对现有翅片的加工工艺作大幅度改造。因此，与其他具有强化换热功能的百叶窗翅片相比较，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有加工工艺简单等优势。此外，轴向射流Vn还可以将沉积在分离区内的污垢冲向翅片散热流道下游。因此，本发明给出的后掠型百叶窗翅片具有独特的自清洁能力。

在本实施例中，后掠型百叶窗翅片的制造材料可以采用金属材料、合金或导热性能好的非金属材料等。其中，金属材料如铝、铜、金等。百叶窗窗体可以采用专用模具滚压成形。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体201的后掠角β为30°，百叶窗开缝间距L为0.5mm，开缝角度α为25°；百叶窗翅片厚度t为0.05mm，翅片所在的散热流道长A为20mm，流道宽B为10mm，流道高为1mm。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体后掠角β为60°，百叶窗开缝间距L为2.0mm，开缝角度α为35°；百叶窗翅片厚度t为0.3mm，翅片所在的散热流道长A为40mm，流道宽B为15mm，流道高为3mm。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体后掠角β为10°，百叶窗开缝间距L为3.0mm，开缝角度α为45°；百叶窗翅片厚度t为0.5mm，翅片所在的散热流道长A为100mm，流道宽B为20mm，流道高为5mm。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体后掠角β为80°，百叶窗开缝间距L为1.0mm，开缝角度α为27°；百叶窗翅片厚度t为0.1mm，翅片所在的散热流道长A为10mm，流道宽B为5mm，流道高为1.8mm。

实施例6

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体后掠角β为40°，百叶窗开缝间距L为0.7mm，开缝角度α为40°；百叶窗翅片厚度t为0.08mm，翅片所在的散热流道长A为78mm，流道宽B为13mm，流道高为4mm。

实施例7

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体后掠角β为50°，百叶窗开缝间距L为1.5mm，开缝角度α为32°；百叶窗翅片厚度t为0.15mm，翅片所在的散热流道长A为50mm，流道宽B为9mm，流道高为3mm。

实施例8

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体后掠角β为35°，百叶窗开缝间距L为2.5mm，开缝角度α为42°；百叶窗翅片厚度t为0.2mm，翅片所在的散热流道长A为65mm，流道宽B为18mm，流道高为2mm。

实施例9

本实施例与实施例1的区别在于：百叶窗窗体后掠角β为55°，百叶窗开缝间距L为1.3mm，开缝角度α为31°；百叶窗翅片厚度t为0.4mm，翅片所在的散热流道长A为30mm，流道宽B为16mm，流道高为4mm。

实施例1-9所述的后掠型百叶窗翅片，包括基片2和百叶窗窗体201。基片2的端面与散热流道侧壁1平贴相接，二者构成一个散热流道。散热流道内流动的是冷却空气，气流速度V为9.5m/s；在散热流道外也即侧壁1的另一侧是80℃的高温水。

图8(a,b)是实施例1所述的后掠型百叶窗翅片与同等材质的非后掠百叶窗翅片的散热性能和流道阻力性能对比图。该图表明：在冷气空气流动雷诺数Re=600时，以无量纲参数j因子表示的后掠型百叶窗翅片的散热效率提高了10.8%，达到0.03，以无量纲参数f因子表示的流道阻力降低了16.2%，降至0.12；在其他流动雷诺数下，后掠型百叶窗翅片的散热性能和流道阻力特性也有相应幅度的改善。测试结果表明，与相同材质的非后掠百叶窗翅片相比较，实施例2-9所述的后掠型百叶窗翅片也具有与实施例1一致的性能提升效果。其中，以j因子表示的翅片散热性能提高了3%-12%，以f因子表示的流道阻力降低了2%-18%。

综上，经多次实施例和检测证明，本发明所述的后掠型波纹翅片，冷却介质流动雷诺数Re=580时，j因子最高可达0.08，f因子可降低至0.10。

需注意的是，上述实施例仅用于说明本发明的技术用途，而非对本发明的限制。本领域的技术人员，在本发明的实质范围内所做出的各种变化或替代，也应属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种后掠型百叶窗翅片，包括基片和从基片上翘起的百叶窗，其特征在于：所述翅片的百叶窗前缘与翅片展向即散热流道宽度方向，呈一定的角度，称之为后掠角。

2.根据权利要求1所述的后掠型百叶窗翅片，其特征在于：所述后掠角设置为10度至80度之间任意角度。

3.根据权利要求2所述的后掠型百叶窗翅片，其特征在于：所述后掠角的设置区间为30度至60度。

4.根据权利要求1-3任一项所述的后掠型百叶窗翅片，其特征在于：百叶窗窗体与基片所在平面的夹角，即开窗角度，为25-45度。

5.根据权利要求1-3任一项所述的后掠型百叶窗翅片，其特征在于：一个翅片沿其展向和流向方向分别设置一个或多个百叶窗区域；在每个百叶窗区域内，相邻百叶窗窗体的间距，即开窗间距，为0.5-3.0毫米。

6.根据权利要求4所述的后掠型百叶窗翅片，其特征在于：翅片厚度为0.05-0.5毫米，翅片所在流道长为5-100毫米，流道宽为2-20毫米，流道高为1-5毫米。

7.根据权利要求1所述的后掠型百叶窗翅片，其特征在于：所述翅片的制造材料采用金属材料、合金或导热性能好的非金属材料中的任意一种。

8.一种权利要求1所述的后掠型百叶窗翅片可以用作热交换器的散热芯体。

9.根据权利要求7所述的后掠型百叶窗翅片作为热交换器的散热芯体，其特征在于：一个翅片上沿其展向和流向方向分别设置了一个或多个百叶窗区域；在同一百叶窗区域内，百叶窗窗体沿同一方向后掠；相邻的两个百叶窗区域沿同一方向后掠或者沿相反方向后掠。

10.根据权利要求7所述的后掠型百叶窗翅片作为热交换器的散热芯体，其特征在于：两个相邻的翅片流道中，其百叶窗区可以沿同一方向后掠，或者沿相反方向后掠。