CN110017703A

CN110017703A - 热交换器

Info

Publication number: CN110017703A
Application number: CN201811531274.8A
Authority: CN
Inventors: 林弘永; 沈琥昌; 李仙美; 赵伟杉
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2038-12-14
Also published as: KR20190072413A; CN110017703B

Abstract

本发明涉及热交换器。提供了一种具有最佳设计的热交换器，该设计满足适当耐压性和制造特性以及使挤出管道的内壁厚度、外壁厚度和孔数量中的热传递性能最大化。本发明的另一个实施方式涉及提供一种具有最佳设计的热交换器，该设计基于更系统的规则形成以便容易地应用于各种尺寸的管道。

Description

热交换器

技术领域

以下公开涉及热交换器，更具体地，涉及在高压环境下操作的热交换器，该热交换器包括根据挤出方法制造的并且在耐压性和热传递性能方面优化的管道。

背景技术

热交换器是用于在工作流体与诸如环境空气和其他流体的周围环境之间产生热交换的装置。通常，广泛使用的热交换器包括：流动通道，工作流体经过该流动通道；和管道，该管道包括用于将热传递到外部传导体(翅片等)的管壁。在热交换器的配置中，多个管道通常平行布置并且翅片设置在管道之间以改善热传递性能。

热交换器管道通常各自具有扁平管的形状，其中，翅片被钎焊以分别联接于管道的平坦表面的外部。这种热交换器管道可按各种方式形成。例如，一般使用弯曲薄金属板并接合端部的方法。然而，在以上述方式形成管道的情况下，如果热交换器管道中的工作流体在高压下流动，则应力可能集中在接合部分上，使接合部分开裂，从而造成工作流体泄漏的问题。因此，高压热交换器通常使用根据不造成接合部分的挤出方法形成的管道。

与以板结合方式制造的管道相比，挤出管道可容易地被制造成具有形状复杂的横截面。因此，与根据板结合方案制造的管道相比，挤出管道更容易被制造成具有形状复杂的横截面。因此，为了进一步增强管道中的流动通道的热传递性能，在挤出管道的情况下，在许多情况下引入在流动通道(即，管道内部空间)中形成多个隔板(下文中，被称为“内壁”)的设计。以这种方式，增加了管道内部空间与工作流体(制冷剂)接触的面积，使从工作流体传递到管道的热量增加，从而最终提高了热传递性能。

然而，如果在管道流动通道中形成太多内壁(也就是说，如果形成太多孔)，则工作流体本身的流速会降低，从而使热传递性能稍微劣化。为了避免这种问题，可引入用于减小内壁厚度的设计。在这种情况下，如果内壁太薄，则内壁可能由于工作流体的内部压力而爆裂，不能实现设计性能。另外，如果内壁的厚度太薄，则难以大量制造内壁本身。

考虑到如此各种因素，必须使挤出管道的内壁厚度、外壁厚度和孔数量中的热传递性能最大化，同时必须具有满足适当耐压性和制造特性的最佳设计。作为展现出这种设计的技术的示例，日本特开No.2007-093144(2007年4月12日公布的“热交换管道和热交换器”公开了一种限制关于挤出管道各种尺寸的数值以保持对抗外部冲击的刚度同时确保热传递性能的技术。另外，日本特开No.2016-186398(2016年10月27日公布的“热交换管道和使用热交换管道的热交换器”)公开了一种关于能够增强制造特性同时确保重量轻的挤出管道的形状和尺寸的技术。

然而，仍然需要更系统的热交换器的优化设计，该设计根据期望可容易地应用于各种尺寸的管道同时使热传递性能、耐压性、制造特性等全都满足。

[相关技术文献]

[专利文献]

1.日本特开No.2007-093144(“热交换管道和热交换器”，2007.04.12)

2.日本特开No.2016-186398(“热交换管道和使用热交换管道的热交换器”，2016.10.27)

发明内容

本发明的实施方式涉及提供一种具有最佳设计的热交换器，该设计满足适当耐压性和制造特性以及使挤出管道的内壁厚度、外壁厚度和孔数量中的热传递性能最大化。本发明的另一个实施方式涉及提供一种具有最佳设计的热交换器，该设计基于更系统的规则形成以便容易地应用于各种尺寸的管道。

在一个总体方面，一种热交换器包括：一对集水箱，所述一对集水箱平行形成并且彼此分隔开预定距离；多个管道，所述多个管道的两端固定于所述一对集水箱，从而形成制冷剂的流动通道；翅片，所述翅片插设在所述管道之间，其中，所述多个管道是挤出管道，并且当每个管道被形成为使得管道宽度大于管道高度并且所述管道中的流动通道被在所述管道的高度方向上延伸的多个内壁划分成在所述管道的宽度方向上平行形成的多个孔时，所述管道宽度、所述管道在宽度方向上的端部部分处的外壁厚度、孔宽度和内壁厚度具有在满足以下公式的范围内的尺寸：

公式1：2.5<A/B<4；

公式2：0.07mm<B<0.2mm；

公式3：0.2mm<Tw(A+B)/(Tw-2Tn)<0.6mm

这里，Tw：管道宽度，Tn：管道在宽度方向上的端部部分处的外壁厚度，A：孔宽度，B：内壁厚度。

另外，在所述热交换器中，可在所述翅片上形成有多个百叶板，并且所述孔宽度、所述内壁厚度、百叶板间距可具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式4：A+B<Lp

这里，A：孔宽度，B：内壁厚度，Lp：百叶板节距。

另外，在所述热交换器中，所述内壁厚度B可具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2-11：0.1mm<B<0.18mm。

或者，更优选地，在所述热交换器中，所述内壁厚度B可具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2-12：0.07mm<B<0.18mm。

或者，在所述热交换器中，所述内壁厚度B可具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2-21：0.1mm<B<0.15mm。

公式2-22：0.07mm<B<0.15mm。

所述多个管道可由铝形成。

根据以下的具体实施方式、附图和权利要求书，将清楚其他特征和优点。

附图说明

图1是常规翅片-管道热交换器的立体图。

图2是挤出管道和百叶板-销组件的俯视图。

图3是例示挤出管道的各部分的定义的视图。

图4例示了孔宽度/内壁厚度与爆裂压力或热传递性能之间的关系的模拟结果。

图5例示了孔宽度、内壁厚度组合的数量与热传递性能之间的关系的模拟结果。

图6例示了孔宽度和内壁厚度的最佳设计条件的范围。

图7例示了在与孔宽度和内壁厚度相关的附加条件下的最佳设计条件的范围。

图8例示了最佳设计条件范围的区域小于图6中例示的区域。

具体实施方式

下文中，将参照附图来详细描述根据本发明的热交换器。

图1是常规翅片-管道热交换器的立体图。如图1中例示的，典型的翅片-管道型热交换器100包括：一对集水箱110，其平行形成并且彼此分隔开预定距离；多个管道120，其两端被固定于这对集水箱110，以形成制冷剂的流动通道；以及翅片130，其被插设在管道120之间。这里，管道120是通过挤出方法形成并且没有接头的挤出管道。另外，可在翅片130上形成多个百叶板135，并且图2例示了挤出管道和百叶板的组件的俯视图。热交换器100可以是冷凝器，并且管道120可以由铝形成。

在本发明中，提出了在管道120的每个部分的尺寸之间按更系统的规则制成的优化设计，以增强从制冷剂到管道内壁的热传递性能，并且利用适当的管道的内壁和外壁厚度来确保耐压性和制造特性。

图3例示了挤出管道的各部分的定义，其中例示了管道宽度的Tw、管道高度Th、管道120在宽度方向上的端部部分处的外壁厚度Tn、孔宽度A和内壁厚度B。如图3中例示的，在本发明的管道120中，管道宽度Tw大于管道高度Th，并且管道120中的流动通道被在管道120的高度方向上延伸的多个内壁121划分成在管道120的宽度方向上平行形成的多个孔122。

<确保耐压性的条件>

为了改善从制冷剂到管道内壁的热传递性能，必须增大在制冷剂所经过的管道的内部横截面处与冷却剂的接触长度，进一步增大冷却剂通道截面面积。从这个观点来看，随着孔122的数量增加，随着内壁121和外壁的厚度减小，热传递性能可得以改善。

然而，由于在管道120中流动的制冷剂具有相当高的压力，因此如果内壁厚度B太薄，则内壁121可能爆裂。已知在管道120中流动的制冷剂的最大工作压力为25kg/cm²。这里，安全系数通常3至4倍大，因此，当使内壁121爆裂的压力是爆裂压力Pb时，可确定内壁厚度B，使得爆裂压力Pb为大约85kg/cm²。内壁121彼此分隔开与孔宽度A对应的间隔，并且尽管内壁厚度B相同，但是随着孔宽度A减小，耐压性增加。结果，可在同时考虑到内壁厚度B和孔宽度A的情况下确定而非仅由内壁厚度B这单个指标来确定耐压性。

从这个观点来看，假定其中形成有一对内壁121的工作空间是高度等于管道高度Th的空间，并且模拟了孔宽度A/内壁厚度B与在内壁121爆裂的时间点在工作空间中流动的制冷剂的压力之间的关系。

根据图4的(A)中例示的结果，随着孔宽度A/内壁厚度B增大，爆裂压力Pb趋于减小。这里，当爆裂压力Pb对应于85kg/cm²(如上所述)时的孔宽度A/内壁厚度B为大致2.5。因此，可确定孔宽A/内壁厚度B的值大于2.5。

如上所述，随着孔宽度A/内壁厚度B的值增大，耐压性增强，但是如果该值太大，则可能引起另一个问题。其细节如下。当孔宽度A/内壁厚度B的值增大时，意味着当孔壁宽度A固定时内壁厚度B减小或者当内壁厚度B固定时孔宽度A增大。特别地，当孔宽度A过度增大时，可能在单个管道120中形成的孔122的数量会减少，并且在这种情况下，制冷剂和管道内壁之间的接触截面面积减小，从而使热传递性能减弱。本发明的最终目的是使热传递性能最大化，因此，必须确定孔宽度A/内壁厚度B的值在热传递性能没有劣化的范围内。

从这个观点来看，模拟了传热系数h随着孔宽度A/内壁厚度B的增大而变化的方面。

如图4的(B)中例示的，随着孔宽度A/内壁厚度B增大，制冷剂侧(即，管道内部)的传热系数h趋于增大并且在某一点开始减小。当然，可确定制冷剂侧的传热系数h的值最大化的点对应的孔宽度A/内壁厚度B是最大值，但是在这种情况下，设计自由度会过度受限制。同时，制冷剂侧的传热系数(h)为最大值的大约75％的点对应的孔宽度A/内壁厚度B的值为大约4。实际上，测得在没有内壁的常规管道中和具有孔宽度A/内壁厚度B的管道中制冷剂侧(即，管道内部)的传热系数h为4，并且所得的结果表明，根据本发明的设计的管道中的制冷剂侧的传热系数值增强至比常规管道的值高大约650％。也就是说，与现有情况相比，即使在传热系数值不是最大值的点处，也可充分显著地增强传热系数。考虑到此，可确定孔宽A/内壁厚度B的值小于4。

也就是说，管道120的尺寸可在满足以下公式的范围内：

公式1：2.5<A/B<4

<确保制造特性的条件>

如上所述，在确保耐压性的条件下，孔宽度A/内壁厚度B值的增大指示当孔宽度A固定时内壁厚度B的减小。随着内壁厚度B在满足耐压性的范围内减小，可增强热传递性能。然而，如果内壁厚度B过度减小，则在根据挤出方案制造管道120的过程中，不能适当地制造内壁121。也就是说，为了确保制造特性，内壁厚度B的值必须等于或大于可通过常规挤出而制造的厚度，并且这里，在挤出工艺技术领域中，已知可在挤出过程中制造的厚度的极限值是0.07mm至0.10mm。因此，可确定内壁厚度B大于0.07mm，这是制造极限。

然而，以上提到的制造极限是可使用最佳设备、材料、条件等获得的值，并且实际上，在批量生产系统的实际生产领域中，不容易实现制造极限。也就是说，随着内壁厚度减小，内壁可能在制造过程中发生弯曲或爆裂，或者诸多内壁的厚度可能不一致。也就是说，随着内壁厚度减小，缺陷率增加(合格率降低)，而相反，随着内壁厚度增大，缺陷率降低(合格率增加)。也就是说，优选的是，内壁厚度减小至使合格率没有过度降低的适宜水平。换句话讲，可根据合格率来确定内壁厚度的最大值。据报道，在挤出管道的批量生产现场，当内壁厚度B是0.2mm时，合格率是大约98％，因此，内壁厚度B的最大值可以是0.2mm。总之，内壁厚度B的尺寸可在满足以下公式的范围内：

(确保批量生产时合格率为98％或更高)

公式2：0.07mm<B<0.2mm。

如上所述，已知当前制造极限为0.07mm，但是如果挤出制造技术发展，则也可能具有较小的值。然而，当考虑到当前挤出制造技术的发展状态使内壁厚度B降低至制造极限时，内壁厚度B的最小值可最优选地为0.07mm。这里，当进一步考虑制造容易性时，内壁厚度B的最小值可以是0.1mm，使得内壁厚度可被制造成具有略大于制造极限的值。此外，据报道，当内壁厚度B为0.18mm时合格率为95％。从这个观点来看，内壁厚度B的尺寸可在满足以下公式的范围内：

(确保批量生产时合格率为95％或更高)

公式2-11：0.1mm<B<0.18mm(考虑到制造容易性)

公式2-12：0.07mm<B<0.18mm(当被制造成与制造极限一样薄时)。

此外，据报道，当内壁厚度B为0.15mm时，合格率为大约90％。从这个观点来看，如上所述，内壁厚度被制造成与制造极限一样薄或者类似地考虑制造的容易性，并且内壁厚度B的尺寸可在满足以下公式的范围内：

(确保批量生产时合格率为90％或更高)

公式2-21：0.1mm<B<0.15mm(考虑到制造容易性)

公式2-22：0.07mm<B<0.15mm(当被制造成与制造极限一样薄时)。

<增强热传递性能的条件>

通常，可预先根据热交换器100本身所需的尺寸确定管道120的外部尺寸，或者为了在现有热交换器中替换上本发明的新设计的管道120，可预先确定管道120的外部尺寸，因为其将与现有热交换器管道的外部尺寸相同。这里，管道120的外部尺寸包括管道宽度Tw和管道高度Th。当在车辆空气调节系统中采用热交换器100时，可能有被从地面弹起的石块碰撞的风险。考虑到这种风险，也可预先确定管道120在宽度方向上的端部处的外壁厚度Tn(作为具有抵抗上述碰撞风险的足够刚度的特定值)。由于如上所述预先确定了管道宽度Tw和管道120在宽度方向上的端部部分处的外壁厚度Tn，因此可在考虑到管道宽度Tw和外壁厚度Tn的情况下设计管道120中的流动通道空间。

如上所述，随着流动通道中形成的内壁121的数量和由管道120中的内壁121形成的孔122的数量增加，制冷剂和管道内壁之间的接触面积增大，从而使热传递性能增强。然而，如果内壁121和孔122的数量太大，则制冷剂本身的绝对流量可能减少，从而使热传递性能稍微劣化。

也就是说，在考虑到改善热传递性能的条件的这个阶段中，在考虑到管道宽度Tw、管道120在宽度方向上的端部处的外壁厚度Tn等的情况下，适当地确定流动通道空间中包括的孔122和内壁121的数量，从而使热传递性能最大化。详细地，通过将使管道宽度Tw归一化的值(即从管道宽度Tw中减去一对外壁厚度Tn而获得的值)与孔宽度A和内壁厚度B组合相乘而获得的值被设置为确定指标(Tw(A+B)/(Tw-2Tn))。

图5例示了孔宽度和内壁厚度组合的数量与热传递性能之间的关系的模拟结果。随着确定指标(Tw(A+B)/(Tw-2Tn))的值增大，传热性能趋于逐渐增大并且在某一点开始减小。从与描述图4的(B)类似的观点来看，可确定确定指标(Tw(A+B)/(Tw-2Tn))值是使热传递性能最大化的值，但是在这种情况下，设计自由度会过度受限制。考虑到这一点，在与热传递性能的最大值的大约75％对应的点处的确定指标(Tw(A+B)/(Tw-2Tn))范围的边界值可为大约0.2/0.6mm。因此，可确定确定指标(Tw(A+B)/(Tw-2Tn))的值为0.2mm至0.6mm范围内的值。

也就是说，管道120的尺寸可在满足以下公式的范围内：

公式3：0.2mm<Tw(A+B)/(Tw-2Tn)<0.6mm。

<与翅片形状关联的条件>

从制冷剂传递到管道120中的内壁表面的热被传递到管道120的外表面并最终被作为外部空气排出。设置翅片130是为了将传递到管道120的外表面的热更高效传递到外部空气。也就是说，传递到管道120的外表面的热被传递到翅片130，使得与外部空气接触的区域扩展到管道120的外表面和翅片130的表面，结果，可显著改善向外部空气进行热传递的性能。这里，如图2中例示的，可在翅片130上形成多个百叶板135，以进一步增大与外部空气的接触面积。

如图2中例示的，百叶板135平行布置所沿的方向以及内壁121和孔122组合平行布置所沿的方向与管道120的宽度方向相同。从管道120的内部传递到管道120的外表面的热量在与内壁121的位置对应的位置处局部略大，而在与孔122的位置对应的位置处较小。鉴于此，为了使传热性能最大化，优选地，在一个百叶板135的宽度范围内包括至少一个内壁121和孔122组合。

也就是说，管道120的尺寸优选地在满足以下公式的范围内：

公式4：A+B<Lp

(A：孔宽度，B：内壁厚度，Lp：百叶板节距)。

<最佳设计条件>

在考虑到耐压性、制造特性和热传递性能的情况下，孔宽度A和内壁厚度B的最佳设计条件可被归纳如下：

公式1：2.5<A/B<4

公式2：0.07mm<B<0.2mm

公式3：0.2mm<Tw(A+B)/(Tw-2Tn)<0.6mm。

图6是例示孔宽度和内壁厚度的最佳设计条件的范围的曲线图。在图6中，①所指示的一对曲线分别表示公式1的上限值和下限值，②所指示的一对曲线分别表示公式2的上限值和下限值，并且③所指示的一对曲线分别表示公式3的上限值和下限值。三个区域(即由①所指示的一对曲线形成的区域、由②所指示的一对曲线形成的区域和由③所指示的一对曲线形成的区域)重叠的部分(也就是说，在图6中被示出为最密集的区域部分)是最佳设计条件范围。

也就是说，根据本发明的管道120可被设计成使具有在图6中例示的最佳设计条件范围内的孔宽度A和内壁厚度B。

同时，如以上相对于用于确保制造特性所描述的，A/B的最小值和最小值条件可更严格地被收窄。与A/B相关的附加条件的公式被归纳如下，并且图7例示了在这些附加条件下的最佳设计条件的范围。也就是说，图7的(A)例示了根据公式2-11的最佳设计条件范围，图7的(B)例示了根据公式2-12的最佳设计条件范围，图7的(C)例示了根据公式2-21的最佳设计条件范围，并且图7的(D)例示了根据公式2-22的最佳设计条件范围。

公式2-11：0.1mm<B<0.18mm

公式2-12：0.07mm<B<0.18mm

公式2-21：0.1mm<B<0.15mm

公式2-22：0.07mm<B<0.15mm

此外，可在考虑到甚至百叶板节距Lp的情况下进一步引入公式4。

公式4：A+B<Lp

在图6中，④所指示的曲线表示公式4，并且④所指示的曲线下方形成的区域部分是根据公式4的最佳条件范围。在图6的示例中，由于④所指示的曲线位于③所指示的上限曲线上方，因此最佳设计区域并未改变。然而，如果百叶板节距Lp减小，则④所指示的曲线变成低于③所指示的上限值曲线，并且在这种情况下，最佳设计条件范围的区域小于图6中例示的区域。在图8中例示了此示例。

根据本发明，与相关技术相比，有显著改善从冷却剂到管道的热传递性能的效果。更具体地，根据本发明，可通过增加管道的内部横截面处与制冷剂的接触长度并进一步增大制冷剂通道的截面面积来增强从制冷剂到管道内壁的热传递性能，并且可优化管道的内壁和外壁厚度，以确保适当的耐压性和制造特性。

另外，根据本发明，虽然热交换器或热交换器管道的整体尺寸变化，但是可容易计算使热传递性能、耐压性和制造特性最佳的尺寸。因此，可以在设计新热交换器或者进行改善现有热交换器的设计的过程中使设计方便度最大化。

本发明不限于以上提到的实施方式，而是可按各种方式进行应用，并且可在不脱离权利要求书中要求保护的本发明主旨的情况下，由本发明所属领域的技术人员进行各种修改。

Claims

1.一种热交换器，该热交换器包括：

一对集水箱，所述一对集水箱平行形成并且彼此分隔开预定距离；

多个管道，所述多个管道的两端固定于所述一对集水箱，从而形成制冷剂的流动通道；

翅片，所述翅片插设在所述管道之间，

其中，所述多个管道是挤出管道，并且当每个管道被形成为使得管道宽度大于管道高度并且所述管道中的流动通道被在所述管道的高度方向上延伸的多个内壁划分成在所述管道的宽度方向上平行形成的多个孔时，所述管道宽度、所述管道在宽度方向上的端部部分处的外壁厚度、孔宽度和内壁厚度具有在满足以下公式的范围内的尺寸：

公式1：2.5<A/B<4

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，

A/B的值大于2.5，以确保使爆裂压力大于预定的爆裂压力参考值的耐压性，并且

所述A/B的值小于4，以防止热传递性能劣化至低于预定的热传递性能参考值。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，

所述管道宽度、所述管道在宽度方向上的端部部分处的外壁厚度、所述孔宽度和所述内壁厚度具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2：0.07mm<B<0.2mm

4.根据权利要求3所述的热交换器，其中，

B的值大于0.07mm，使得所述内壁被形成为等于或大于挤出工艺的制造极限，并且

所述B的值小于0.2mm，以确保批量生产所述管道时合格率为98％或更高。

5.根据权利要求3所述的热交换器，其中，

公式3：0.2mm<Tw(A+B)/(Tw-2Tn)<0.6mm

6.根据权利要求5所述的热交换器，其中，

Tw(A+B)/(Tw-2Tn)的值在0.2mm至0.6mm的范围内，以防止热传递性能低于预定的热传递性能。

7.根据权利要求5所述的热交换器，其中，

在所述翅片上形成有多个百叶板，并且

所述孔宽度、所述内壁厚度和百叶板节距具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式4：A+B<Lp

这里，A：孔宽度，B：内壁厚度，Lp：百叶板节距。

8.根据权利要求7所述的热交换器，其中，A+B小于Lp，使得在一个百叶板宽度范围内包括至少一个内壁和孔的组合，以增强热传递性能。

9.根据权利要求5所述的热交换器，其中，所述内壁厚度B具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2-11：0.1mm<B<0.18mm。

10.根据权利要求9所述的热交换器，其中，所述内壁厚度B具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2-12：0.07mm<B<0.18mm。

11.根据权利要求5所述的热交换器，其中，所述内壁厚度B具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2-21：0.1mm<B<0.15mm。

12.根据权利要求11所述的热交换器，其中，所述内壁厚度B具有在进一步满足以下公式的范围内的尺寸：

公式2-22：0.07mm<B<0.15mm。

13.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述多个管道由铝形成。