CN107314699B - 一种用于换热器的高性能换热片及其换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于换热器的换热片，该换热片的表面沿长度方向分成入口段、换热芯段和出口段，在换热芯段，换热片的一侧表面具有多个平行的凹槽道，换热片的另一侧表面具有多个平行的凸肋；凹槽道在流动方向上分成一段或多段，每段凹槽道包括多个短凹槽道，每段凹槽道的首端部和尾端部都具有平顺过渡段；凸肋在流动方向上分成一段或多段，每段凸肋的首端部和尾端部都具有平顺过渡段。本发明还公开了一种换热器，多个换热片层叠拼接，凹槽道与相邻换热片之间形成多个逆流换热通道，凸肋在相邻换热片之间提供支撑；多个逆流换热通道组成蜂窝状。本发明的换热器能够实现均匀的流量分配，具有优异的换热性能。

Description

一种用于换热器的高性能换热片及其换热器

技术领域

本发明涉及一种换热器，尤其涉及一种带有蜂窝状换热通道的高性能换热器。

背景技术

换热器性能对于提高能源系统、电子设备热管理、以及汽车和航空航天发动机性能具有重要的作用，对于热能回收和利用也具有重要和广泛的应用。例如，换热器作为间冷器和回热器用在燃气轮机/航空发动机中，以提高发动机性能；换热器用于风力发电机机舱热管理，以把机舱内温度控制在合理范围；换热器用于电信机柜热管理，以把机柜内的环境和电子器件温度降低。

在这些换热应用中，大多采用空气-空气板式换热器，或者液体-空气板式换热器。这些换热器通常由多个金属换热薄片层叠拼接而成，常用的金属如铝、铜或不锈钢等。在换热器中，相邻金属换热片之间形成间距为数个毫米的换热通道。为增强换热性能，这些金属换热片表面上通常加工有波纹结构以强化换热，但这也使得换热通道流阻显著增大，换热器性能提升幅度也很有限，特别是对于流速较慢的应用场合，换热提升幅度很小。另一方面，对于一些较软的薄金属换热片材料(如铝、铜等)，狭窄的换热通道之间还需要有支撑结构，以固定换热通道间距，但这也带来了较大的流阻损失。这些板式换热器另一个问题是，相邻换热片之间通道内的流量分布不均匀，这限制了换热器性能的提升。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效提升空气-空气板式换热性能，并且加工方便、成本低、质量轻的换热器。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种用于换热器的换热片，所述换热片的表面沿长度方向分成入口段、换热芯段和出口段，在所述换热芯段，所述换热片的一侧表面具有多个平行的凹槽道，所述换热片的另一侧表面具有多个平行的凸肋；所述凹槽道在流动方向上分成一段或多段，每段凹槽道包括多个短凹槽道，每段凹槽道的首端部和尾端部都具有平顺过渡段；所述凸肋在流动方向上分成一段或多段，每段凸肋的首端部和尾端部都具有平顺过渡段。此处“长度方向”指的是换热器中由凹槽道形成的逆流换热通道的长度方向。

进一步地，所述平滑过渡段为圆锥面、斜面或倒圆形成的渐扩或渐缩的平顺过渡。

进一步地，相邻两段凹槽道中的多个短凹槽道为顺列排列或错列排列。

进一步地，所述凹槽道的深度小于或等于相邻两换热片之间的间距，或有些凹槽道深度小于相邻换热片之间的间距。

进一步地，有些凹槽道的深度等于相邻换热片之间的间距，有些凹槽道深度小于相邻换热片之间的间距。

进一步地，所述凹槽道为长条形，所述凹槽道的横截面呈U形或正弦形，或者呈正六边形的一部分。

进一步地，所述凹槽道的长度大于或等于或小于所述换热芯段的长度。

本发明第二方面提供了一种换热器，包括多个上述任意一种换热片，多个所述换热片层叠拼接，换热片之间具有一定间距，相邻换热片表面设置的凹槽道位置横向偏移半个凹槽道间距，使得换热片上的凹槽道的底部与一侧相邻的换热片的表面相接触，而与另一侧相邻的换热片的顶面相对，从而所述凹槽道与相邻换热片之间形成多个逆流换热通道；所述多个逆流换热通道组成蜂窝状。

进一步地，所述凸肋在相邻换热片之间提供支撑。

进一步地，多个换热片交替层叠拼接，使得上换热片的凹槽道底部与下换热片的顶部表面相接触并支撑换热通道，而上换热片的顶部表面与下换热片的凹槽道底部相对并且距离为两个凹槽道深度。

进一步地，每个所述换热片的上、下两侧形成多个分隔的相邻的逆流换热通道，冷、热流体在分隔的多个相邻逆流换热通道内交替逆向流动进行换热；每个逆流换热通道内流体都与周围的多个逆流换热通道内另一种流体进行逆流换热。

进一步地，冷、热流体经过换热片之间入口段后，流入换热芯段的多个平行的逆流换热通道，再流出至出口段。冷、热流体在换热芯段的多个相邻的平行逆流换热通道内交替进行逆流换热。

进一步地，所述逆流换热通道在流动方向上分成多段，每段逆流换热通道的首端部和尾端部都具有平顺过渡。

在本发明的较佳实施方式中，换热片的厚度通常为0.1mm～1.5mm，逆流换热通道的高度通常为0.5mm～20mm。在换热芯段，以冲压方式在换热片的表面通过模压加工出多个平行的直凹槽道，这些凹槽道的深度与逆流换热通道的间距相同或小于逆流换热通道间距，凹槽道长度大致与换热芯段的长度相等；或凹槽道的长度小于换热芯段长度，因此在换热芯长度上可加工出多段凹槽道。

在本发明的较佳实施方式中，凹槽道的横截面呈正弦曲线形、或波纹形、或U形、或六边形等。相邻换热片表面设置的凹槽道位置横向偏移半个凹槽道间距，这样安装时使得换热片上的凹槽道的底部与一侧相邻的换热片的表面相接触，而与另一侧相邻的换热片的顶面相对，相邻换热板侧边包折密封焊接。并采用这种方式将多片换热片层叠拼接装配，形成具有多个蜂窝逆流换热通道的换热器。

在本发明的较佳实施方式中，在换热器的换热芯段，每个换热片的一侧具有多个相邻的平行逆流换热通道，每个逆流换热通道都由四周换热面包围，因此每个冷流体通道都与相邻的四个热流体通道进行逆流热交换；或者每个热流体通道都与相邻的四个冷流体通道进行逆流热交换，因此换热器性能获得大大提升。换热片上每个凹槽道底部与相邻换热片的表面接触，从而提供逆流换热通道的支撑，并且也增加了相邻换热片之间的接触换热。相邻逆流换热通道内冷、热流体形成逆流换热，具有很高的换热效率。因此由很多个逆流式逆流换热通道组合构成了蜂窝状的换热芯体，具有很高的换热效率。

为降低逆流换热通道内的压力损失，在本发明的优选实施方式中，换热片上加工的每个凹槽道的首、尾端部采用平滑过渡，每个凹槽道首、尾端部呈子弹头或圆锥形状。更优选地，沿换热芯体长度段，每个凹槽道在流动方向上分成多段，即每个凹槽道是间断的凹槽道，每个短凹槽道都有首、尾过渡，比如圆锥面或斜面形成渐扩或渐缩的平顺过渡，以减小流动压力损失。这种间断的凹槽道能够持续地扰动流动边界层，从而进一步提升流动换热性能，也不会带来较大的压力损失；并且这种间断的凹槽道能够容易地通过模压进行加工。

在本发明的另一种优选实施方式中，沿换热芯体的长度段，每个凹槽道是间断的凹槽道，前排和后排的凹槽道呈错列排布，以增强逆流换热通道内的流动掺混以及提高换热性能。此处的“前”和“后”是沿流动方向的相对位置。

传统的换热器芯体逆流换热通道通常具有多个横截面为矩形的直通道，宽度方向贯通，逆流换热通道高度通常为0.5mm～20mm。换热片为平直表面，或者加工有波纹结构，这些波纹结构横贯宽度方向，为长度方向的流动增加湍流。流体经过换热器入口进入逆流换热通道入口段，流体需要经过折弯进入换热芯段的逆流换热通道，流出换热芯后再经过折弯流出换热器出口。在这个流动过程中，流体通常在换热芯通道路径较短的流路上聚集，导致每个逆流换热通道内实际流量分配不均匀；而流量较低的更大面积范围换热片表面换热效率较低，这制约了换热器性能的提升。

与现有技术相比，本发明的换热器换热性能提升的原因为：

1、本发明的逆流换热通道的水力尺寸相较于现有的逆流换热通道减小，因此有利于换热系数提升。

2、本发明的换热器中，在换热芯段，每个逆流换热通道具有多个平行的换热凹槽道，每个换热凹槽道都由四周换热面包围，因此每个冷流体凹槽道都与相邻的四个热流体凹槽道进行热交换；或者每个热流体凹槽道都与相邻的四个冷流体凹槽道进行热交换，即本发明的逆流换热通道内流体流动具有四周(四个面)传热，而现有的逆流换热通道内流体流动是双面传热，因此本发明的换热器显著提升了换热效率。

3、换热片上每个凹槽道底部与相邻换热片接触，从而提供逆流换热通道的支撑，并且也增加了相邻换热片之间的接触换热。

4、相比于现有换热器的换热直通道，本发明的换热器在每个换热片的换热芯段设置多个平行的小换热通道，小换热通道内流动的压降对流速增加更敏感，这使得流量在这些平行的小换热通道内更容易实现均匀的流量分配，从而达到充分利用换热面积以提升换热性能的目的，而现有的逆流换热通道内流量分配不均匀。

5、与现有的换热直通道相比，本发明设置多个平行的小换热通道后，流动总截面积并未减少，因此各小通道内的平均流速并不会明显增大，从而换热器的流阻不会有明显增大。

6、换热器具有很多个逆流式换热小通道组合构成了蜂窝状的换热芯体，具有很高的换热效率。

7、换热片上间断的凹槽道端部，增强了换热片两侧通道内流动扰动和掺混，并且两侧流体逆流换热，这显著提升了换热片两侧流体流动换热性能。

实验或数值计算结果表明，相比传统的未加工凹槽板式逆流式换热器，本发明的换热器性能提升15％-100％，流阻相应提升10％-100％。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明实施例1的换热片的示意图；

图2是本发明实施例1的换热片之间冷、热流体流动示意图；

图3是本发明实施例1的换热器的局部结构示意图；

图4是本发明实施例2的换热片的示意图；

图5是本发明实施例2的换热片之间冷、热流体流动示意图；

图6是本发明实施例3的换热片的示意图；

图7是本发明实施例3的换热片之间冷、热流体流动示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1～3所示，本实施例提供了一种换热器，包括多个换热片100，该换热片100沿换热器的换热通道24的长度方向分成入口段1、换热芯段2和出口段3，在换热芯段2，换热片100的一侧表面具有多个平行的凹槽道21，从而另一侧表面具有多个平行的凸肋。较佳地，该凹槽道21为通过冲压的方式在换热片100的表面加工而成。凹槽道21呈长条形，其横截面呈U形或正弦形，或者呈正六边形的一部分。

凹槽道21的深度小于或等于相邻两换热片之间的间距；也可以有些凹槽道的深度等于相邻换热片之间的间距，而有些凹槽道深度小于相邻换热片之间的间距。凹槽道21的长度大于或等于或小于与换热芯段2的长度。

如图1所示，在换热芯体长度段，多个凹槽道21在流动方向上分成多段，每段凹槽道包括多个短凹槽道211，每个短凹槽道211的首端部和尾端部都具有平顺过渡段，比如圆锥面或斜面形成渐扩或渐缩的平顺过渡，以减小流动压力损失。这种间断的凹槽道21能够持续地扰动流动边界层，从而进一步提升流动换热性能，也不会带来较大的压力损失；并且这种间断的凹槽道21能够容易地通过模压进行加工。与凹槽道21对应的凸肋在流动方向上也分成多段，每段凸肋的首端部和尾端部都具有平顺过渡段。本实施例中，相邻两段凹槽道中的多个短凹槽道为顺列排列。

本实施例的换热片100的厚度为0.1mm～1.5mm，但不以此为限。

在本实施例的换热器中，如图2～3所示，多个换热片100层叠拼接，使得两相邻换热片100上的凹槽道21横向偏移半个凹槽道间距，使得换热片上的凹槽道21的底部与一侧相邻的换热片的表面相接触并支撑换热通道24，而与另一侧相邻的换热片的顶面相对，从而凹槽道21与相邻换热片之间形成多个逆流换热通道24；多个逆流换热通道24组成蜂窝状。与凹槽道21对应的凸肋在相邻换热片之间提供支撑。逆流换热通道24的高度为0.5～20mm。

具体地，多个换热片100交替层叠拼接，使得上换热片的凹槽道底部与下换热片的顶部表面相接触，而上换热片的顶部表面与下换热片的凹槽道底部相对并且距离为两个凹槽道深度，从而所述换热片之间形成多个平行的逆流换热通道24。冷、热流体经过换热片之间入口段后，流入换热芯段的多个平行的逆流换热通道24，再流出至出口段。如图2～3所示，冷、热流体在换热芯段的多个相邻的平行逆流换热通道内交替进行逆流换热。图中箭头22和23分别表示冷流体和热流体的流向。

另一方面，每个换热片100的上、下两侧形成多个分隔的相邻的逆流换热通道24，冷、热流体在分隔的多个相邻逆流换热通道内交替逆向流动进行换热；每个逆流换热通道24内流体都与周围的多个逆流换热通道内另一种流体进行逆流换热。

如图2～3所示，在换热芯段2，每个换热片100的一侧具有多个相邻的平行逆流换热通道24，每个逆流换热通道24都由四周换热面包围，因此每个冷流体通道都与相邻的四个热流体通道进行逆流热交换；或者每个热流体通道都与相邻的四个冷流体通道进行逆流热交换，因此换热器性能获得大大提升。换热片上每个凹槽道21底部与相邻换热片的凹槽道21顶部接触，从而提供逆流换热通道的支撑，并且也增加了相邻换热片之间的接触换热。相邻逆流换热通道内冷、热流体形成逆流换热，具有很高的换热效率。因此由很多个逆流式逆流换热通道组合构成了蜂窝状的换热芯体，具有很高的换热效率。

与现有的换热器相比，本实施例的逆流换热通道的水力尺寸减小，因此有利于换热系数提升；另外，由于逆流换热通道内流体流动具有四周(四个面)传热，因而显著提升了换热效率；在每个换热片的换热芯段设置多个平行的小换热通道，使得更容易实现均匀的流量分配，因而提升了换热性能，而流动总截面积并未减少，因此各小换热通道内的平均流速并不会增大，从而换热器的流阻不会有明显增大。另外，换热器具有由很多个逆流式换热小换热通道组合构成了蜂窝状的换热芯体，具有很高的换热效率。换热片上间断的凹槽道，增强了流动掺混，提升了流动换热性能。

实施例2

本实施例提供了一种换热器，包括多个换热片100。与实施例1不同之处在于，如图5所示，每个换热片100中，相邻两段凹槽道中的多个短凹槽道为错列排列，即前排和后排的凹槽道呈错列排列。此处的“前”、“后”是沿流动方向的相对位置。如图5所示，相较于实施例1中的顺排凹槽道，这种错列排列方式使得上游每个凹槽道内流出的流体都冲击到下游凸肋(属于上换热片)表面，增强了流体与凸肋另一侧的流体的逆流换热，并且流体重新分配到下游各换热通道内，这有利于强烈地增强换热通道内的流动和温度掺混，十分有利于提高了换热性能。

实施例3

本实施例提供了一种换热器，包括多个换热片100。与实施例1和2不同之处在于，如图6所示，换热片100上的凹槽道21为单段式，即每个凹槽道21在长度方向上没有分段。每个凹槽道21的首端部和尾端部都采用平顺过渡，呈子弹头或圆锥形状。相较于实施例1和2，采用这种布置方式，如图7所示，流体在多个平行小换热通道内进行逆流流动换热，流动受到的扰动较少，换热通道内的压力损失会明显降低，换热通道仍具有较佳换热性能。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于换热器的换热片，其特征在于，所述换热片的表面沿长度方向分成入口段、换热芯段和出口段，在所述换热芯段，所述换热片的一侧表面具有多个平行的凹槽道，所述换热片的另一侧表面具有多个平行的凸肋；所述凹槽道在流动方向上分成多段，每段凹槽道包括多个短凹槽道；所述凸肋在流动方向上分成多段；

相邻两段凹槽道中的多个短凹槽道为顺列排列或错列排列；

所述凹槽道的深度小于或等于相邻两换热片之间的间距，或有些凹槽道深度小于相邻换热片之间的间距；

多个所述换热片层叠拼接，相邻换热片表面设置的凹槽道位置横向偏移半个凹槽道间距，使得换热片上的凹槽道的底部与一侧相邻的换热片的表面相接触，而与另一侧相邻的换热片的顶面相对，相邻换热板侧边包折密封焊接，从而所述凹槽道与相邻换热片之间形成多个逆流换热通道；所述多个逆流换热通道组成蜂窝状。

2.根据权利要求1所述的换热片，其特征在于，每段凹槽道的首端部和尾端部都具有平顺过渡段，以及每段凸肋的首端部和尾端部都具有平顺过渡段，所述平顺 过渡段为圆锥面、斜面或倒圆形成的渐扩或渐缩的平顺过渡。

3.根据权利要求1所述的换热片，其特征在于，有些凹槽道的深度等于相邻换热片之间的间距，有些凹槽道深度小于相邻换热片之间的间距。

4.根据权利要求1所述的换热片，其特征在于，所述凹槽道为长条形，所述凹槽道的横截面呈U形或正弦形，或者呈正六边形的一部分。

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