CN112985117A - 一种弹簧肋结构的热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弹簧肋结构的热交换器，包括第一端盖、第二端盖，还包括换热套管，换热套管包括内管和外套管，第一、第二端盖设有底板，底板上以金属注射方式一体成型有弯通和连通槽，弯通的两端开口于底板，在底板上连接弯通的两开口部的板壁部成型有所述连通槽，弯通的两端开口连接相邻的两换热套管的内管，与弯通连接的两相邻换热套管的外套管夹层通过连通槽连通，使第一、第二端盖与换热套管之间形成两互相独立的换热流道。本发明的换热器上应用金属注射成型技术，附加以合理成熟的钎焊焊接技术，可以以简单有效的方式解决弯管套管整体成型，管体内安装有弹簧，弹簧的螺距L满足L＜50×D，以减少额外热阻，使得换热效果更良好。

Description

一种弹簧肋结构的热交换器

技术领域

本发明涉及换热设备技术领域，更具体地说，是涉及一种弹簧肋结构的热交换器。

背景技术

现有热泵热水器的热交热器主要包括壳体、内筒和盘管，盘管在壳体与内筒之间的环状筒空间内螺旋盘绕，制冷剂进口设在壳体侧壁上部，气相的制冷剂从壳体侧壁进入壳体与内筒之间的环状筒空间后，沿着环状筒空间下行，与盘管外表面接触从而与盘管内的水进行热量交换，逐渐冷凝，制冷剂在环状筒空间中下部漫浸盘管，到达底端后通过内筒底部的四个孔进入内筒，从内筒中上升，由内筒顶端的出口出来。载冷剂例如水在盘管中流动，盘管的进水口可以设在盘管的上端，出水口设在盘管的下端；也可以把出水口设在盘管的上端，进水口设在盘管的下端。

这样设计和制造的热交换器，盘管总体是“浸泡”在制冷剂当中的。制冷剂相对盘管外壁的流动速度不高，对流换热效率不高。盘管环绕占据空间大，盘管环绕中心线附近空间没有被有效利用，盘管环绕直径越大这个问题越严重；盘管环绕直径小则盘管环绕轴线方向的尺寸相应大，盘管弯曲半径小制造困难。

如申请号为CN200810069750.9、名称为一种热交换器的中国发明申请，其热交换器包括壳体，内筒和盘管，内筒设在壳体内，盘管设在内筒外壁和壳体内壁之间（环状筒空间），内筒体内沿其横断面设有一块隔板，隔板上方为存贮空腔，隔板下方为贮液腔，输气管出口穿过内筒顶盖进入存贮空腔，位于存贮空腔侧的内筒设有多个连通存贮空腔和壳体空腔的通孔，位于贮液腔侧的内筒设有多个连通贮液腔和壳体空腔的连通孔，有制冷剂输出管其进口位于贮液腔下方。该专利利用内筒的空腔作下缓冲，使制冷剂较为均匀地喷洒在盘管表面，从而能提高换热效果。显然，这种以盘管形式的热交换器，其有效热交换界面上的制冷剂流速低，因而制冷剂流动表现为层流等原因，其热交换效率机制比套管形式的热交换器要差；另一反面套管换热器通常在双层套管两端以集流器分别汇总制冷剂与载冷剂，但由于现有采用的制造技术的限制，套管总长度较长时，内、外套管难以保证内管外壁与外管内壁之间的间隔，尤其是在进行盘绕加工成型的时候更是如此，所以现有双层套管难以做成较长和任意长度的，常见的套管螺旋只能做一二圈盘绕而已，因套管长度受到限制，虽然内管外壁与外管内壁之间夹层中的制冷剂流动速度可以快，容易形成紊流，但其换热流动距离短，换热时间短导致换热不充分，使套管形式的换热器的缺点也比较明显。因此，研发一种新型的高效换热器对于提高热泵热水器和空调器的效率有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种具有弹簧肋结构的热交换器，该换热器结构合理，工艺性好，能够实现制冷剂与载冷剂充分换热，以克服现有技术之不足。

本发明是采用如下技术解决方案来实现上述目的：

一种弹簧肋结构的热交换器，包括第一端盖、第二端盖，其特征在于，还包括换热套管，所述换热套管包括内管和外套管，所述内管与外套管之间形成夹层，第一、第二端盖设有底板，所述底板上以金属注射方式一体成型有弯通和连通槽，所述弯通的两端开口于底板，在底板上连接所述弯通的两开口部的板壁部成型有所述连通槽，所述弯通的两端开口连接相邻的两换热套管的内管，与所述弯通连接的两相邻换热套管的外套管夹层通过所述连通槽连通，使第一、第二端盖与换热套管之间形成两互相独立的换热流道，所述内管的内壁和外壁上分别紧贴绕设有内弹簧、外弹簧，所述内弹簧的螺距L满足L＜50×D，所述外弹簧的螺距L1满足L1＜50×D1，其中D为内管内壁直径，D1为内管内壁直径。

所述外套管设置连通缺口，所述连通缺口与第一端盖或第二端盖上的连通槽适配连接。

所述第一端盖、第二端盖分别与换热套管通过钎焊连接。

所述第一端盖包括侧板，还包括连接所述底板的进管、出管，在所述侧板上设置入口和出口，所述入口和出口与所述夹层连通。

所述底板上对应弯通的开口部设置有第一安装环槽、第二安装环槽，所述外套管、内管分别插入第一、第二安装环槽内与第一、第二端盖连接。

所述第一安装环槽、第二安装环槽上设置钎焊料槽，所述钎焊料槽内放置钎焊料环。

本发明采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：

1）金属注射成型由塑料注射成型引伸而来，金属注射成型技术与塑料注射成型技术同样具备一次性成型复杂形状制品、产品尺寸精度高和无需机械加工或只需微量加工等优点，同时，金属注射成型技术还克服了传统塑料成型技术中制品强度不高的缺点。无疑，本发明在换热器上应用金属注射技术可以以简单有效的方式解决套管换热器换热行程短的难题，使套管换热具有足够长的流程，水与制冷剂充分换热，换热效率更高。

2）本发明的弹簧结构分布在内管内壁和外壁上，并与壁面紧贴，为了能够破坏冷媒在换热器管壁形成的层流状态液膜，弹簧的螺距和换热管的管径与冷媒的运动粘度保持一定关系，即螺距满足小于50×D，从而减少额外热阻对换热效率的影响。

3）金属注射成型技术具备一次性成型复杂形状制品、产品尺寸精度较高和无需机械加工或只需微量加工等优点，而且金属注射成型不需要侧向抽芯机构，型芯在后续加热过程中气化，使得用金属注射成型方法制造的零件其外部与内部形状设计更加自由，得以实现传统各类加工方法无法实现的“中空”的或者有“倒扣”空间形状。再有，通过使用金属注射成型技术还可以实现套管双层空间结构的转向结构，套管内层与中层空间得以各自保持相互不会串通的空间转向，这种拓扑结构的实现，除了金属注射成型技术外，只有增材制造的例如3D打印可以实现，然而3D打印方法生产在实际大批量制造时不适用。同时，金属注射成型技术，制品经烧结后具有所使用的金属的类似强度。无疑，在换热器上应用金属注射成型技术，附加以合理成熟的钎焊焊接技术，可以以简单有效的方式解决弯管套管整体成型、实现直排套管管路的180度（或其他角度）的转向连接件的制造，即一种以往工业生产方法不能实现的双层管路转向空间拓扑结构还有换热器内部紊流结构的实现，得到过去受热交换器生产各种工业化生产方法制约的，通过引入金属注射成型技术得以拓展的热交换器管路空间布置结构，使得受现有采用的各种制造技术制约的套管两层液体空间结构得到极大的拓展。

附图说明

图1为本发明的高效换热器的第一端盖俯视图。

图2为图1的C-C剖示图。

图3为图2的D-D剖示图。

图4为第一端盖立体图。

图5为第二端盖立体图。

图6为换热套管的外套管结构示意图。

图7为本发明高效换热器在管内增设弹簧的剖面立体图。

图8为图7的局部放大图。

图9为高效换热器的载冷剂走向示意图。

图10为高效换热器的载冷剂和制冷剂走向示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本技术方案作详细的描述。

如图1-10所示，本发明公开一种弹簧肋结构的热交换器，包括第一端盖1、第二端盖3、换热套管2，以及在第一、二端盖与换热套管之间形成的两换热流道，分别是水流道10和制冷剂流道20。换热套管2由内管22和外套管21构成，我们知道，为了使流体换热更加充分，可以通过增加两流体的换热面积、延长两流体的热交换时长来实现。然而，传统的套筒式换热器由于局限于管体的长度而不能延长换热流道的长度，而外筒内设置螺纹缠绕管式换热器虽然螺纹水管的管路可以足够长，但浸润式的外筒流道则较短，而且，由于螺纹水管排列较紧密，使有效换热面积大打折扣。较为理想的换热方式是将套管以蛇形方式弯制成型，从而可兼顾换热面积和流道长度，然而，以传统的工艺无法实现对套管的两端弯位成型，但是，通过金属注射成型，可以将端盖加工有两个流道，使之与套管的两流道连接。端盖具体结构是：第一端盖1、第二端盖3均设置有连接两相邻套管的内管腔的弯通（11，31），并且在弯通的内侧的壁体上设置有连接两相邻套管的外环腔的连通槽（12，32），相应地，两相邻套管的外管连接连通槽处设置连通缺口211。如此，流淌在一个套管里的内外两流道的流体均能够通过端盖进入到邻近的另一套管里，两种流体同向或逆向穿梭在N个套管之间，通过套管的内管完成热量的传递与交换。

如图3-6所示，第一端盖1包括底板18、侧板17，还包括连接底板的弯通11、进管13、出管16，其中，弯通11的两端开口于底板18上，进管13与出管16也开口于底板18，为了与换热套管2的内管22和外套管21形成适合的装配关系，在底板上对应弯通11、进管13、出管16的开口部设置有第一安装环槽191、第二安装环槽192，外套管21、内管22分别插入第一、第二安装环槽内与第一端盖1连接，在底板上连接弯通11两开口部的板壁部成型有连通槽12，外套管21相应设置连通缺口211，使得连接弯通11两端开口的外套管21在连通槽12处连通连接，弯通11两端的两外套管21连通，流体不仅可以从弯通11两端的一个内管流入另外一个内管，还可以从弯通11两端的一个外套管夹层流入另外一个外套管夹层，同理，在第二端盖3的底板上对应弯通31也设置有第一安装环槽、第二安装环槽，外套管21、内管22分别插入第一、第二安装环槽内与第二端盖连接，在底板上连接弯通31两开口部的板壁部成型有连通槽32，从而由弯通（11，31）与内管22形成水流道10，由外套管21与连通槽（12，32）形成制冷剂流道20。在第一端盖1的侧板上设置制冷剂流道20的入口14和出口15。

第一端盖1和第二端盖3是采用金属注射工艺成型的，材料可选择不锈钢，采用金属注射成型工艺，可以使弯通、连通槽的成型简单、易于成型、可批量生产。

两端盖与换热套管2的连接可以使用过盈配合、或两端压力压紧连接等方式，一种较佳的连接方式是钎焊焊接，为此，在靠近台阶式的第一安装环槽191、第二安装环槽192上增加设置第一钎焊料槽193与第二钎焊料槽194，钎焊料4是圆环状的，在焊接前放置在台阶状的焊料槽上，台阶状的焊料槽两面敞口，钎焊料的直径比焊料槽略大，使环形钎焊料以紧配合方式搁置在料槽上，从而焊接加工时可以对工件作180度翻转，从而将换热器的两端依次置入盐焊炉内进行焊接加工。焊接时，第一钎焊料槽193与第二钎焊料槽194的焊料高温熔融，将铜制的内管与不锈钢端盖、不锈钢外套管与不锈钢端盖形成紧密的钎焊连接结构，如此，金属注射成型的端盖与中间的套管结构钎焊形成双流道的、高效的换热器结构。制热器内部的流体走向可参见图9和图10的箭头所示方向，上下走向的箭头X表示载冷剂的走向，箭头Y表示制冷剂的走向，如图所示，制冷剂和载冷剂从别从第一端盖的进管13、入口14（参见图4）进入换热套管2的内管22和内管与外套管21之间的夹层，即分别进入两流体流道，两流体流道在换热套管2的部分通过铜制的内管交换热量。两流体经过换热套管2来到第二端盖的弯通31，载冷剂经弯通进入右侧的内管22，制冷剂经连通槽32进入右侧的换热套管2夹层流道，随换热套管2两流体流向第一端盖，如此流动，两流体在流动的过程中交换热量，最后，载冷剂从出管16离开换热器，制冷剂从出口15离开换热器。

为了进一步加强换热效率，改变换热套管内管壁内外的层流现象，使流体微团不再彼此平行分层流动,互不干扰与混杂，而是促使紊流的发生，使两流体的流体微团间强烈地混合与掺杂、不仅有沿着主流方向的运动,而且还有垂直于主流方向的运动，从而使换热效果更为优异，因此，在内管内与内管外夹层增设螺旋形弹簧，从而打乱沿管壁的层流现象。具体地，内管内插入内弹簧5，在内管与外套管之间的夹层内插入外弹簧6，内弹簧5的外径与内管22的内壁适当过盈配合，外弹簧6与内管的外壁适当过盈配合，从而提高换热效果，弹簧的螺距和换热流体的运动粘度要保持一定关系，特别是当换热流体在热交换器的管壁面上形成的液膜还非常薄，流动状态接近层流状态时，这种层流边界层会使得冷媒换热过程中产生额外热阻，弹簧的设置在增加换热面积和紊流的同时有助于破坏层流，使层流边界层无法得到充分发展，在流体边界层理论中，层流边界层的起始段长度即为0.028Re×D，为了破坏层流状态，根据边界层理论和实验测得，螺距L应小于0.028Re×D的值，其中雷诺数Re指流体当前雷诺数并满足Re=

，ν为流体平均流速，d为弹簧直径，μ为流体当前的运动粘度，D是管径，为了防止出现层流现象，弹簧的直径d必须保证使得Re大于4000，但由于弹簧可能没有从换热管入口就覆盖到换热管壁面，所以对于流经第一段弹簧的流体可能是层流也可能是紊流状态，因此存在两种计算公式，所以若是层流状态，则螺距L应小于0.028Re×D的值，若是紊流状态，则螺距L应小于50D，但是总体来说，即使是层流状态，Re数值约2000，所以弹簧的螺距都是近似小于50D，与紊流状态差距不大，可以认为螺距L小于50D，即内弹簧5的螺距L满足L＜50×D，其中D为内管内壁直径，外弹簧6的螺距L1满足L1＜50×D1，其中D1为内管内壁直径，从而使层流边界层无法发展。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种弹簧肋结构的热交换器，包括第一端盖、第二端盖，其特征在于，还包括换热套管，所述换热套管包括内管和外套管，所述内管与外套管之间形成夹层，第一、第二端盖设有底板，所述底板上以金属注射方式一体成型有弯通和连通槽，所述弯通的两端开口于底板，在底板上连接所述弯通的两开口部的板壁部成型有所述连通槽，所述弯通的两端开口连接相邻的两换热套管的内管，与所述弯通连接的两相邻换热套管的外套管夹层通过所述连通槽连通，使第一、第二端盖与换热套管之间形成两互相独立的换热流道，所述内管的内壁和外壁上分别紧贴绕设有内弹簧、外弹簧，所述内弹簧的螺距L满足L＜50×D，所述外弹簧的螺距L1满足L1＜50×D1，其中D为内管内壁直径，D1为内管内壁直径。

2.根据权利要求1所述一种弹簧肋结构的热交换器，其特征在于，所述外套管设置连通缺口，所述连通缺口与第一端盖或第二端盖上的连通槽适配连接。

3.根据权利要求2所述一种弹簧肋结构的热交换器，其特征在于，所述第一端盖、第二端盖分别与换热套管通过钎焊连接。

4.根据权利要求3所述一种弹簧肋结构的热交换器，其特征在于，所述第一端盖包括侧板，还包括连接所述底板的进管、出管，在所述侧板上设置入口和出口，所述入口和出口与所述夹层连通。

5.根据权利要求4所述一种弹簧肋结构的热交换器，其特征在于，所述底板上对应弯通的开口部设置有第一安装环槽、第二安装环槽，所述外套管、内管分别插入第一、第二安装环槽内与第一、第二端盖连接。

6.根据权利要求5所述一种弹簧肋结构的热交换器，其特征在于，所述第一安装环槽、第二安装环槽上设置钎焊料槽，所述钎焊料槽内放置钎焊料环。

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