CN1131413C

CN1131413C - 热交换器

Info

Publication number: CN1131413C
Application number: CN98107362A
Authority: CN
Inventors: 鹿园直毅; 畑田敏夫; 伊藤正昭; 安田弘; 畑良树; 佐藤实; 杉山达也
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-28
Filing date: 1998-04-27
Publication date: 2003-12-17
Anticipated expiration: 2018-04-27
Also published as: CN1197922A; JPH10300375A; KR100290120B1; KR19980081761A

Abstract

本发明公开了一种经济的小型热交换器，它具有满意的刚度和传热性能。该交换器包括多个彼此平行地排列的传热片和许多穿过传热片延伸并与这些片接触的传热管。在至少每个片的一端附近形成凸出的或凹陷的波纹。波纹有绕传热管迂回的连续的脊线。传热片在传热管之间有其它的槽。

Description

热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器，它包括多个彼此平行地排列的传热片和多根穿过传热片延伸并与这些传热片接触的传热管。更具体一些，本发明涉及一种适于在冷冻机和空调机中使用的热交换器。

背景技术

图17是现有技术的正交片管式热交换器的透视图。用参考标号100代表的现有技术的正交片管式热交换器用于冷冻机和空调机中，它具有多个传热片101和多根传热管103。片101沿垂直于X方向的Y方向彼此平行地排列，而空气108沿X方向流动。传热管103穿过传热片101延伸并且与这些片101接触。每个片101设有槽102。在每根传热管103的内壁上做有螺旋形槽104。槽102的性能已被改进。曾经用具有较小直径的管作为传热管103。因此，热交换器100的性能已经被加强。其结果是，使制造热交换器100的成本大大地下降。

在实际应用中，正交片散热器100包括通常用铝制成的传热片101和每根由铜管构成的传热管103。铜管的费用占材料成本的大约60～70％，虽然其百分比随管子的直径而变化。当然，减少所用的铝片的量或数目，可以减少制造正交片管式热交换器100的成本。此外，通过减少所用铜管的量或数目，可以有效地降低成本。

图18是正交片管式热交换器100的正立面图，它示出了一种降低成本的方法。穿过传热片101延伸的传热管103由一间距Pd₁彼此间隔开。通过将间距Pd₁增加至最大间距Pd₂，可以降低成本。

图19是正交片管式热交换器100的正立面图，它示出了另一种降低成本的方法。传热管103按给定的间距Pd彼此间隔开。每个传热片101有一宽度W₁。片以间距Pf₁彼此间隔开。通过将宽度W₁减少至较小的宽度W₂，并将间隙Pf₁减小至Pf₂可以有效地降低成本。宽度减小，减小了每个传热片的面积。这样就提高了传热片的效率，从而改善了性能。另一方面，减少片的间距Pf可减小空气流的典型尺寸。因此，空气的传热性能通常得到改善。于是，对于空气的给定传热面积，即对于所用铝片的给定量，可通过减小宽度或片间距Pf而改进热交换器的性能。换言之，对于给定的性能，可通过减少宽度或片间距Pf而降低热交换器的成本。这样，可以通过尽可能地加大间距Pd，尽可能地减小片间距Pf和尽可能地减小宽度W而实现最低的成本。

此外，具有小宽度W的热交换器可有助于装有热交换器的冷冻机或空调机的小型化。在这方面，该热交换器还有助于降低成本。

另外，可以将至风机的距离加大。在此情况下，可以降低由于风机与热交换器之间的干涉而引起的噪声。这将有助于降低噪声。

当谋求实现这样一种低成本的热交换器时，每个传热片101都在Z方向上或沿其纵向是细长的。此细长的片101具有小的刚度。在制造时，它不容易搬运。当将热交换器用作冷冻机或空调单元的一个结构件时，单元本身的刚性将降低。此外，片的效率或性能由于间距Pd大而降低。

图20(A)是已知的正交片管式热交换器的正立面图。图20(B)是沿图20(A)的XX-XX线的剖视图。图20(C)是沿图20(A)的XXI-XXI线的剖视图。用标号101代表的传热片已在日本未审查的专利公报NO.5596/1993中公开并设有多个槽102，该槽通过切割一部分并使其沿垂直于X方向的Y方向隆起而形成。空气沿X方向流动。槽102的一部分如标号105所示被做成凸出的或凹入的，以提高强度。但是，在现有技术的工艺中，凸出的或凹入的部分105垂直于气流直线性地形成。在每个传热管103的两侧都有每个凸出的或凹入的部分105的隆起的横截面。这就增加了片的宽度W。在传热管103的外端和传热片101的外端之间不可避免地有相当大的距离。这就使之不可能减小宽度W。

图21(A)是另一已知的结构上与图20(A)所示传热片稍有不同的传热片101的正立面图。图21(B)是沿图21(A)的XXII-XXII线的剖视图。图22(A)是图21(A)和21(B)所示的传热片的透视图，其中，传热片已经变形。图22(B)是图22(A)所示传热片的正立面图。凸出的或凹入的波纹105不沿Z方向，即不沿传热片101连续地延伸。而是凸出的或凹入的波纹105在传热管103的外面不连续并如图22(A)和22(B)中的虚线所示形成断合107。因此，虽然传热管103之间的区域的刚度得到保持，但不能保持整个结构的刚度，除非脊线106是连续的。

日本未经审查的专利公报No.142196/1983公开了具有改进的性能并和热交换器一起使用的传热片。特别是，形成了交替的梯形槽，以加大传热面积。在这一传热片结构中，如果槽是三个或更多，则某些梯形槽在空气沿其流动的X方向上彼此交叠。这些槽彼此干涉，于是，不能得到满意的性能。

在日本未经审查的专利公报No.87790/1987中公开的传热片有按交替的方向形成并弯曲的槽。在这种传热片中，如果槽的数目是五个或更多，则某些梯形槽在空气沿其流动的X方向上彼此交叠。再有，这些槽彼此干涉。因此，不能使性能是最佳的。

发明内容

本发明的一个目的为提供一种热交换器，它包括多个彼此平行地排列的传热片和多根穿过传热片延伸并与这些传热片接触的传热管，该热交换器的特征为，传热管彼此以较宽的距离隔开，传热片具有减小的宽度，并且热交换器有令人满意的刚性和传热性能。

上述目的按照本发明的技术内容通过一热交换器达到，该热交换器包括：多个沿垂直于X方向的Y方向彼此平行地排列的传热片，第一流体沿X方向流动；多个第二流体经过它流动的传热管，第二流体与第一流体进行热交换，传热管穿过传热片延伸并与传热片接触；在从X方向看去时，在至少靠近上述传热片的相应的一端形成凸出的或凹陷的波纹。波纹连续地沿垂直于X方向和Y方向的Z方向延伸。波纹被沿Y方向做成波形并有绕过传热管的连续的脊线。

凸出的或凹陷的波纹至少在传热片的相应一端处形成，波纹的连续的脊线绕过传热管。这样保证了足够的刚度，减小了宽度，并可很好地保持传热性能。特别是，靠近至少每个传热片的一端的波纹的脊线以非直接的方式沿传热管延伸并围绕管子迂回。因此，可以减小传热片的宽度。这样，可以提供一种经济而紧凑的热交换器。波纹的位置不限于传热片相应一端的附近。波纹也可以位于每个传热片两端的附近。

在上述热交换器的另一特征中，凸出的或凹陷的波纹有沿Z方向延伸的槽，第一流体沿X方向穿过它。设置这些槽除了改善热交换器的操作之外，还改善了传热性能。

在热交换器的又一特征中，热交换器具有设有槽的凸出的或凹陷的波纹，这些槽沿Z方向不连续。这样就保证了具有带有槽的凸出的或凹陷的波纹的热交换器的运行。此外，还保证有足够的刚度和传热性能。

在任何一种热交换器中，传热片在相邻的传热管之间都具有连续的平坦的或不平坦的部分。这样就保证任何一种热交换器的操作。此外，要赋予连续的平坦部分以刚性和传热作用。因此，热交换器的性能进一步得到了改进。

在上述任何一种热交换器中，每个传热片在任两个相邻的传热管之间具有一第二槽，而且此第二槽允许第一流体通过。第二槽沿Z方向延伸并分裂成沿X方向彼此隔开的部分。第二槽保证了上述任何一种热交换器的操作。此外，第二槽还进一步提高了传热性能。

本发明还提供了一种热交换器，它包括多个传热片和多根传热管。传热片沿垂直于X方向的Y方向排列，而第一流体沿X方向流动。与第一流体进行热交换的第二流体流过热交换管，该管穿过传热片延伸并与这些传热片接触。每个传热片设有多个沿Z方向延伸的波形槽。每个波形槽沿X方向分裂成多个彼此间隔开的部分。第一流体通过波形槽。这些波形槽沿X方向依次同相地移位。

由于每个传热片都设有波形槽，以及由于这些波形槽依次同相地移位，大大地加大了传热面积。槽在空气沿其流动的X方向上并不彼此交叠。因此，提高了传热性能。

在设有上述波形槽的热交换器中，波形槽的波形的波长要设定成短于波形槽的长度。波形槽依次以2π/n同相地移位，其中，n为槽的数目。这样就保证了设有波形槽的热交换器的操作。此外，比较理想的是，将波形槽布置成像一个筛网。因此，第一流体均匀地流过槽的整个横截面。这样就保证了传热性能的提高。

在如上所述的任何一种设有波形槽的热交换器中，传热片具有任何一种类型的上述凸出的或凹陷的波纹。这样，就可以获得设有上述波形槽的任何一种类型的热交换器的操作。此外，可以改进传热片的刚度。

附图说明

本发明的其它目的和特征将在其如下所述的说明过程中出现。

图1是和热交换器一起使用的传热片的透视图，传热片按照本发明的第一实施例制造；

图2(A)是按照本发明第二实施例的传热片的正视图；

图2(B)是沿图2(A)的I-I线的剖视图；

图2(C)是沿图2(A)的II-II线的剖视图；

图3(A)是按照本发明第三实施例的传热片的正视图；

图3(B)是沿图3(A)的III-III线的剖视图；

图3(C)是沿图3(A)的IV-IV线的剖视图；

图4(A)是按照本发明第四实施例的传热片的正视图；

图4(B)是沿图4(A)的V-V线的剖视图；

图4(C)是沿图4(A)的VI-VI线的剖视图；

图5是装有图4(A)-4(C)所示传热片的热交换器的透视图；

图6是比较图5所示热交换器的材料成本与现有技术的热交换器的材料成本的图表；

图7(A)是按照本发明第五实施例的传热片的正视图；

图7(B)是沿图7(A)的VII-VII线的剖视图；

图7(C)是沿图7(A)的VIII-VIII线的剖视图；

图8(A)是按照本发明第六实施例的传热片的正视图；

图8(B)是沿图8(A)的IX-IX线的剖视图；

图8(C)是沿图8(A)的X-X线的剖视图；

图9(A)是按照本发明第七实施例的传热片的正视图；

图9(B)是沿图9(A)的XI-XI线的剖视图。

图10是一曲线图，示出了图9(A)和9(B)中所示传热片的刚度的测量结果与现有技术的传热片的刚度的测量结果。

图11(A)是按照本发明第八实施例的热交换器传热片的正视图；

图11(B)是沿图11(A)的XII-XII线至XIX-XIX线的剖视图；

图12(A)是沿图11(A)中由X标示的方向的侧视图；

图13是曲线图，其中绘出了图11(A)和11(B)中所示传热片的性能与现有技术的片的性能之比和表面传热系数的关系。

图14是按照本发明第九实施例的传热片的透视图；

图15是按照本发明第十实施例的传热片的透视图；

图16是按照本发明第十一实施例的传热片的透视图；

图17是按照本发明的现有技术的正交片管式热交换器的透视图；

图18是一热交换器的正视图，示出了降低成本的一种方法；

图19是一热交换器的透视图，示出了降低成本的另一种方法；

图20(A)是用现有技术的工艺制造的正交片管式热交换器的传热片的正视图；

图20(B)是沿图20(A)的XX-XX线的剖视图；

图20(C)是沿图20(A)的XXI-XXI线的剖视图；

图21(A)是与图20(A)-20(C)所示片稍有不同的传热片的正视图；

图21(B)是沿图21(A)的XXII-XXII线的剖视图；

图22(A)是与图21(A)相似的透视图，但是其中的传热片已经变形；以及

图22(B)是图22(A)所示片的正视图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的优选实施例，在图中，各个图中的同样的部件都用同样的标号代表。对相同部件的重复描述均略去。

参看图1，该图示出了与一热交换器一起使用的传热片，该片按照本发明的第一实施例制出。这些用标号3a代表的传热片沿垂直于X方向的Y方向彼此平行地排列，空气或第一流体沿X方向流动。与空气作热交换的第二流体流过传热管18。这些管18垂直地穿过传热片3a延伸并与它们接触。

从X方向看去，在每个传热片3a的两个相对端4和5的附近有凸出的或凹陷的波纹7，波纹7在Y方向上被做出波形。这些波纹7沿垂直于X方向和Y方向的Z方向延伸。波纹7的连续的脊线8绕传热管18迂回。因此，每个片3a的两个相对端4和5沿Z方向笔直地延伸。

凸出的或凹陷的波纹7是凸出的，它们的脊线8沿Z方向或沿传热片的纵向连续地延伸。脊线绕过传热管18，不是笔直的。脊线8的连续性在加强传热片3b的刚性方面是重要的。因此，为了保持足够的刚度并减小片的宽度，重要的是，同本实施例一样，连续的脊线8绕传热管18迂回，而不是直的。

在按照第一实施例的传热片3a中，每个片在相邻的传热管18之间沿X方向分裂成几部分，以形成沿Z方向延伸的槽9，各部分沿X方向彼此隔开。空气通过槽9。因此，传热片3a，因而是装有这些传热片的热交换器有减小的宽度和加大的刚度。

参看图2(A)-2(C)，这里示出了按照本发明第二实施例的热交换器传热片。图2(A)是这些片的正视图。图2(B)是沿图2(A)的I-I线的剖视图。图2(C)是沿图2(A)的II-II线的剖视图。在按照第二实施例的传热片3b中，在任何两个相邻的传热管18之间形成一个连续的平坦部分11。平坦部分11可以由一个不平坦部分代替。在按照图1所示第一实施例的传热片3a中，槽9在传热管18之间形成。这些槽9可以如图2(C)所示由连续的平坦部分11或连续的波形部分11代替。此外，至少其一部分可通过切割和使其间的部分隆起或通过在其中形成槽而被做成不连续的部分。同在第一实施例中的方式一样，凸出的或凹陷的波纹7是凸出的。

按照本发明第三实施例的传热片示于图3(A)-3(C)中。图3(A)是片的正视图。图3(B)是沿图3(A)的III-III线的剖视图。图3(C)是沿图3(A)的IV-IV线的剖视图。在图4(A)-4(C)中示出了按照本发明第四实施例的传热片。图4(A)是这些片的正视图。图4(B)是沿图4(A)的V-V线的剖视图。图4(C)是沿图4(A)的VI-VI线的剖视图。按照第三和第四实施例的这些片分别用标号3c和3d代表。在这些片3c和3d中，在凸出的或凹陷的波纹7的部分上形成槽9，以通过空气，槽9沿Z方向不连续地延伸。槽9的横截面形状是不平坦的和凸出的，将它们的脊线8做成与凸出的或凹陷的脊线8的其它脊线一致。这样就保持了刚性并实现了传热性能的改进。在图3(A)中，在相邻的传热管之间的每一侧形成一个槽9。在图4(A)中，在相邻的传热管之间的每一侧形成两个槽9。也可以形成更多的槽。将槽9缩短可加大刚度，但降低了传热性能。同在第一和第二实施例中的方式一样，凸出的和凹陷的波纹7以外的区域不限于开槽。它们可以是平坦的部分，波形部分，或可以被切割和隆起。此外，它们可以是具有不连续部分的翅形面。

图5是装有按照第四实施例形成的传热片3d的低成本正交片管式热交换器的透视图。在此实施例中，采用了按照第四实施例形成的传热片3d。自然，也可以采用按照本发明其它实施例形成的传热片。与现有技术的热交换器相比，通过增加传热管之间的间距并减小片的间距，以减小宽度，就可以降低成本，同时保持热交换器的刚性。

图6是比较采用按照本实施例的传热片的热交换器的材料成本与采用现有技术传热片的热交换器的材料成本的图表。可以看出，采用按照本实施例的传热片的热交换器可以做到，与采用现有技术的传热片的热交换器相比，其材料成本要少15％左右。

图7(A)-7(C)示出了按照本发明第五实施例的传热片。图7(A)是传热片的正视图。图7(B)是沿图7(A)的VII-VII线的剖视图。图7(C)是沿图7(A)的VIII-VIII线的剖视图。在按照第五实施例的传热片3e中，每个凸出的或凹陷的波纹7的两个端部都沿相反的方向隆起。与端部沿相同方向隆起的情况相似，刚性也得到了加强。

图8(A)-8(C)示出了按照本发明第六实施例的传热片。图8(A)是这些传热片的正视图。图8(B)是沿图8(A)的IX-IX线的剖视图。图8(C)是沿图8(A)的X-X线的剖视图。在第六实施例中，只在每个传热片3f的一侧形成凸出的或凹陷的波纹7。虽然这些传热片在刚度方面略差于上述的按照第一至第五实施例的传热片，但可相应地减小宽度。这可有助于进一步降低成本。

图9(A)-9(B)示出了按照本发明第七实施例的传热片。图9(A)是这些片的正视图。图9(B)是沿图9(A)的XI-XI线的剖视图。按照第七实施例的每个传热片3g在传热管18之间设有其它的槽12，这些槽沿X方向分裂成彼此间隔开的部分。槽12沿Z方向延伸并允许空气通过。这些槽12的形状是凸出的。在此实施例中，使刚性进一步加强，而且传热性能得到了进一步的改善。

图10是一曲线图，示出了按照本发明的传热片的刚度测量结果和现有技术传热片的刚度测量结果。改变作用在传热片上的载荷，并测量所得到的变形量。按照本实施例的传热片所具有的刚度可与已经联系图20(A)-20(C)描述的已知传热片的刚度相比，现有技术的片在每个片的两侧都有直的凸出的或凹陷的波纹。按照第七实施例的片所产生的变形量要比已知的在两端未加强的传热片(图21(A)-21(C))所产生的变形量小得多，于是刚性得到了加强。可以说，即使脊线不是直的，但只要脊线是连续的，就可以保持足够的刚性。

图11(A)-11(B)示出了按照本发明第八实施例的热交换器传热片。图11(A)是这些片的正视图。图11(B)是沿图11(A)的XII-XII线至XIX-XIX线的剖视图。按照第八实施例的传热片3h沿垂直于X方向的Y方向彼此平行地排列，空气沿X方向流动。每个片3h沿X方向分裂成多个彼此隔开的波形槽14。槽14沿Z方向延伸并允许空气流过。这些波形槽14沿X方向依次同相地移位。每个波形槽14的波形的波长λ被设定为小于每个槽的长度1。波形槽14依次同相地按2π/n移位，其中，n为槽的数目。

图12是沿图11(A)的用X标出的方向的侧视图。传热片依次地按λ/n移动位置(按2π/n同相地移位)，其中，n为波形槽14的个数，λ为基波的波长。假设波具有2a的幅度。这样，可防止片沿流动方向彼此交叠。当沿X方向看去时，理想的是，波形槽按网状排列。因此，可以得到卓越的传热性能。基波的波长λ要设成小于槽的长度l，因而使传热面积相对于基板的扁平表面明显地加大。这也改进了性能。

图13将按照本实施例的传热片的性能与现有技术传热片的性能进行比较。可以看到，与现有技术的传热片相比，按照本实施例的传热片具有提高了的传热系数。这样，可以节约所用的片的材料量。因此，按照本实施例的传热片可有助于降低成本。

图14是按照本发明第九实施例的传热片的透视图。用标号3i代表的这些片具有上面所说的波形槽14。此外，片3i具有上述的凸出的或凹陷的波纹7。按照第八实施例的传热片3h显示出有高的传热性能，但其刚度小。在每个片的两端的刚性波纹7同时实现了高的传热性能和良好的刚性。

图15是按照本发明第十实施例的传热片的透视图。图16是按照本发明第十一实施例的透视图。在每个片的两端的部分波形7上形成槽9，进一步提高了传热性能。在此情况下，在任何两个相邻的传热管之间可形成一个，两个，三个或更多的槽9。在只在每个片的一侧形成凸出的或凹陷的波纹7时，可以使宽度小于在每个片的两侧都形成波纹7的情况下的宽度，虽然刚度要稍微差一些。因此，可以进一步降低成本。

在按照本发明的热交换器中，至少在每个片的一侧形成凸出的或凹陷的波纹。它们的脊线绕过传热管。这样，加大了接连的传热片之间的间距。使片的宽度减小。保证有良好的刚性和高的传热性能。此外，使成本降低。还有，可以使机器小型化。

通过采用依次地按2π/n同相位移的传热片，并且在相邻的传热管之间形成波形槽，可以大大地加大传热面积，其中，n为槽的个数。按网状排列翅片。还有，可以得到卓越的传热性能。

另外，通过在每个传热片的至少一侧形成凸出的或凹陷的波纹，可以得到较好的刚性与传热性能。

Claims

1.一种热交换器，包括：

多个沿垂直于X方向的Y方向彼此平行地排列的传热片，第一流体沿X方向流动；

多个穿过上述传热片延伸并与上述传热片接触的传热管，上述传热管允许第二流体从其流过，上述第二流体与上述第一流体进行热交换；以及

从X方向看去，在每个上述传热片的至少一端形成凸出的或凹陷的波纹，上述波纹沿同时垂直于X方向和Y方向的Z方向连续地延伸，上述波纹沿Y方向被做成波形，上述波纹具有绕过上述传热管的连续的脊线。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征为，上述凸出的或凹陷的波纹具有沿Z方向延伸的不连续的槽，上述第一流体沿X方向经过该槽。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征为，上述传热片在上述传热管之间具有平坦的或不平坦的连续部分。

4.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征为，上述传热片在上述传热管之间有第二槽，以通过上述第一流体，以及上述第二槽沿Z方向延伸并沿X方向分裂成彼此隔开的部分。

5.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征为，

在上述传热片上形成第二槽，它沿Z方向延伸，上述第二槽沿X方向分裂成彼此隔开的部分，上述第二槽允许上述第一流体从其通过，上述第二槽沿X方向依次同相地移位。

6.如权利要求5所述的热交换器，其特征为，每个上述的第二槽采取一具有短于第二槽的长度的波长的波的形状，以及上述传热片依次按2π/n同相地移位，其中，n为槽的个数。