CN1153270A - 具有波纹形鳍片的热交换器和具有这种热交换器的空调机 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器和安装了这种热交换器的空调机，该热交换器包括多个以多层结构方式布置的鳍片和以弯曲方式插入在鳍片内的制冷剂管，每一鳍片上沿气流方向形成波浪形部分，该波浪形部分至少具有二个能够产生足以破坏空气温度边界层的强度的空气紊流的波纹段，但该波纹段对气流的阻力并不过高。每个波纹段可设计成三角形截面或梯形截面，而平直部分设置在波纹段之间。

Description

具有波纹形鳍片的热交换器和具有这种热交换器的空调机
本发明涉及一种由大量鳍片和制冷剂管构成的热交换器和具有这种热交换器的空调机，其中，鳍片布置成多层结构，制冷剂管插入在多层鳍片内以便延伸成曲折形式。
在传统的热泵式空调机中，在制冷运行过程中，制冷剂按照压缩机、热源侧(室外侧)热交换器、四通切换阀、流量控制阀(膨胀阀)、用户侧(室内侧)热交换器和四通切换阀的顺序回路，而在加热过程中，制冷剂按照与制冷过程的相反方向进行回路。热源侧的热交换器在加热过程中作为蒸发器，而在制冷过程中作为冷凝器。
为了提高这种热交换器的热交换效率，对鳍片的形状提出了各种改进意见。例如，已知的一种其上带有二个截面均为三角形的突体的鳍片，并将鳍片沿空气流动(送风)方向(鳍片的厚度方向)连续地布置。
然而，上述的传统鳍片存在的一个问题是：当空气流过鳍片与制冷剂管进行热交换时，在鳍片表面上不能建立足以促进散热的空气紊流，因此，仍然存在空气的热边界层，以致于热交换效率不高。
考虑到上述问题，可以在鳍片上随机地形成大量的突体以便于促进流过鳍片表面的空气产生紊流。但是在这种情况下，这些随机设置的突体会增加空气流动的阻力，从而显著地降低热交换的效率。
此外，上述传统的空调机使用如R-12或R-50化合物作为制冷剂充填在制冷剂回路管线内。然而，这种化合物因为它们含有氯族元素可能对大气中臭氧层具有破坏作用。因此，为了保护环境，目前使用几乎不含氯族的R-11(氯二氟甲烷)，没有氯族的化合物如R-32(二氟甲烷)、R-125(五氟乙烷)和R-134a(四氟乙烷)，或者这些化合物的混合物(之后称为“HFC基制冷剂(混合制冷剂)”)作为替代制冷剂。当使用这种HFC基制冷剂作为制冷剂时，由于混合制冷剂的固有特性，制冷回路就需要保持在高压和高温状态下。为了避免制冷回路进入异常高压和高温状态，热交换器需要更高的热交换效率。
本发明的一个目的是提供一种能增强其热交换效率的热交换器和一种使用这种热交换器的空调机。
根据本发明的第一方面，一种热交换器，它包括多个以多层结构方式配置的鳍片和插入在多层鳍片内以便于弯曲设置的制冷剂管，该热交换器使空气和制冷剂之间实现热交换，以便完成制冷和/或加热运行，其特征在于，每一鳍片在气流方向上具有波浪形部分，该波浪形部分至少具有二个能够产生足以破坏空气温度边界层的强度的空气紊流的波纹段，而该波纹段对气流的阻力为最小。
在本发明的第一方面的热交换器中，波浪形部分可以包括沿气流方向形成在每一鳍片上的三个波纹段，每个波纹段的截面大体上为三角形。
根据上述的热交换器，由于在热交换器的鳍片上沿气流方向形成三个波纹段，从而能够形成足以破坏温度边界层的紊流，致使热交换效率提高。此外，所形成的紊流对气流的阻力并不增加过高，因而未增加压力损耗。因此，整个热交换器的效率可以得到提高。
在上述的热交换器中，每个鳍片的宽度设定为制冷剂管管径的二到三倍，每个波纹段的宽度设定为基本上三等分鳍片宽度，而所述的波纹段的高度设定为所述的波纹段的宽度的1/7到1/8。
根据上述的热交换器，由于鳍片宽度设定为制冷剂管管径的二到三倍，因此鳍片宽度可以是最小而根据在热交换中的空气和鳍片之间的温度差的热交换效率为最高。即如果鳍片宽度小于制冷剂管管径的二倍，则就不能得到足够的热交换面积。另一方面，如果鳍片宽度超过制冷剂管管径的三倍，则鳍片宽度过大，不论空气和鳍片之间的温度差有多小。
此外，根据上述的热交换器，波纹段的宽度设定为基本上三等分鳍片的宽度(即波纹段宽度基本等于鳍片宽度的三分之一)，而波纹段的高度设定为其宽度的1/7到1/8。因此能够产生破坏空气温度边界层的空气紊流，而对气流的阻力可为最小。
在本发明的第一方面的热交换器中，波浪形部分可以包括沿气流方向形成在每一鳍片上的二个波纹段和设置在波纹段之间的平直部分，每个梯形波纹段的截面为三角形。
根据上述的热交换器，波浪形部分包括两个波纹段和位于波纹段之间的平直部分，因此沿鳍片表面流动的空气中能产生足以破坏空气温度边界层的紊流，因此能够提高热交换效率。此外，对流动的空气的阻力不是过高。从而能够提高整个热交换器的热交换效率。
此外，每一鳍片本身的平直部分增加了防止鳍片表面结霜的排水效果。例如，当上述的热交换器作为室外热交换器时，因为室外热交换器具有良好的排水效果而能有效地完成除霜运行，而且能够抑制室外热交换器上的水的潜热的效果。所以，即使除霜运行已关闭以恢复加热运行，热交换器效率仍能保持在一高水平上。
在上述的热交换器中，每一鳍片的宽度设定为二到三倍的制冷剂管的管径，平直部分的宽度设定为波纹段宽度的一半，而波纹段的高度设定为波纹段宽度的1/8到1/9。
根据上述的热交换器，由于鳍片宽度设定为制冷剂管的管径的二到三倍，因此鳍片宽度可以是最小而根据在热交换中的空气和鳍片之间的温度差为基础的热交换效率为最高。即如果鳍片宽度小于制冷剂管管径的二倍，则就不能得到足够的热交换面积。另一方面，如果鳍片宽度超过制冷剂管管径的三倍，则鳍片宽度过大，不论空气和鳍片之间的温度差有多小。
根据上述的热交换器，平直部分的宽度设定为波纹段宽度的一半，而波纹段的高度设定为波纹段宽度的1/8到1/9。因此，沿鳍片流动的空气形成足以破坏温度边界层的紊流，然而，对气流的阻力可被减到最小程度。
在本发明的第一方面的热交换器中，波浪形部分可以包括沿气流方向形成在每一鳍片上的二个梯形波纹段和设置在梯形波纹段之间的平直部分，每个梯形波纹段的截面大体为梯形。
根据上述的热交换器，在每一鳍片上形成两个波纹段和在气流方向上位于波纹段之间的平直部分，因而在沿鳍片表面流动的空气中能产生足以破坏空气温度边界层的紊流，因此能够提高热交换效率。此外，对流动的空气的阻力不是过高。从而，能够提高整个热交换器的热交换效率。另外，梯形波纹段具有一上平直段，上平直段和在梯形波纹段之间的平直部分起到了增强排水的效果，因此能够非常有效地防止了鳍片结霜。
在上述热交换器中，每一鳍片的宽度设定为制冷剂管管径的二到三倍，平直部分的宽度与梯形波纹段的宽度之比设定为2/3，梯形波纹段的高度设定为梯形波纹段宽度的1/4到1/5。
根据上述的热交换器，由于鳍片宽度设定为制冷剂管管径的二到三倍，因此鳍片宽度可以是最小而根据在热交换中的空气和鳍片之间的温度差的热交换效率为最高。即如果鳍片宽度小于制冷剂管管径的二倍，则就不能得到足够的热交换面积。另一方面，如果鳍片宽度超过制冷剂管管径的三倍，则鳍片宽度过大，不论空气和鳍片之间的温度差有多小。
此外，根据上述的热交换器，平直部分的宽度与梯形波纹段的宽度之比设定为2/3，梯形波纹段的高度设定为梯形波纹段宽度的1/4到1/5。因此，沿鳍片流动的空气形成足以破坏温度边界层的紊流，然而，对气流的阻力可减到最小。
根据本发明的第二方面，一种具有制冷回路的空调机，制冷剂在由压缩机、用户侧热交换器、膨胀阀和热源侧热交换器构成的制冷回路中流动，其特征在于，至少是用户侧热交换器和热源侧热交换器中的一种包括多个以多层结构方式布置的鳍片和插入在多层鳍片内的以便于弯曲设置的制冷剂管，每一鳍片在气流方向上形成波浪形部分，该波浪形部分至少具有二个能够产生足以破坏空气温度边界层的强度的空气紊流的波纹段，但该波纹段对气流的阻力并不过高。
在本发明的第二方面的空调机中，波浪形部分可以包括沿气流方向形成在每一鳍片上的三个波纹段，每个波纹段具有三角形的截面。
在本发明的第二方面的空调机中，波浪形部分可以包括沿气流方向形成在每一鳍片上的二个波纹段和设置在波纹段之间的平直部分，每个梯形波纹段具有三角形的截面。
在本发明的第二方面的空调机中，波浪形部分可以包括沿气流方向形成在每一鳍片上的二个梯形波纹段和设置在梯形波纹段之间的平直部分，每个梯形波纹段的截面为梯形。
根据上述空调机，能够提高热交换效率，因而，利用安装在空调机中的热交换器的特定结构的鳍片还可提高空调功效。此外，还可使用需要将制冷回路保持在高压和高温状态下的HFC基制冷剂作为制冷剂。
图1是表示本发明空调机的示意图。
图2是图1所示的空调机的制冷回路。
图3是图2所示的制冷回路的控制电路的电路图。
图4是图2所示的制冷回路中使用的第一实施例的热交换器透视图。
图5是制冷回路的热交换器中使用的鳍片的平面图。
图6是表示图4的鳍片主体的放大了的截面图，这是沿图4中的A1-A1线剖开的。
图7是表示图4的鳍片主体部分的平面图。
图8是图4所示的鳍片的截面图。
图9是表示鳍片宽度和流过鳍片的空气温度之间关系的曲线。
图10是表示制冷回路的第二实施例的热交换器透视图。
图11是第二实施例的热交换器中使用的鳍片的平面图。
图12是表示图11的鳍片的放大截面图，这是沿图11中的A1-A1线剖开的。
图13表示图11的部分鳍片的平面图。
图14是图13所示的鳍片的截面图。
图15是表示制冷回路的第三实施例的热交换器透视图。
图16是图15所示的第三实施例的热交换器中使用的鳍片的平面图。
图17是表示图16所示的鳍片的放大截面图，这是沿图16中的A1-A1线剖开的。
图18表示图16的部分鳍片的平面图。
图19是图18所示的鳍片的截面图。
现在参照附图，说明本发明的优选实施例。
图1是通常家用空调机的透视图。这类空调机具有安装在室内的用户侧单元A(室内单元)和安装室外的热源侧单元B(室外单元)，室内单元A和室外单元B通过制冷剂管300彼此相互联通。图2是表示图1所示的空调机的制冷回路的制冷剂回路简图。
如图2所示，制冷剂回路包括一台由电机部分和电机驱动的压缩部分构成的压缩机1；为抑制制冷剂从压缩机1内间断地排出而引起的振动和噪音的消音器；切换制冷剂在制冷/加热运行过程中的流动方向的四通切换阀3；热源侧的热交换器(室外热交换器)4；毛细管(膨胀阀)5；网式过滤器(滤网)6；用户侧热交换器(室内热交换器)7；消音器8；储液罐9和电磁开关阀10。
图2中，从压缩机中排出的制冷剂的流动方向根据三种模式之一(即由实线箭头指示的制冷运行模式、由虚线箭头指示的加热运行模式和由带点的实线箭头指示的除霜运行模式)有选择地确定(由电磁开关阀10和四通切换阀3的切换位置决定)。
在制冷运行中，室外热交换器4用作冷凝器，而室内热交换器7用作蒸发器。相反，在加热运行中，室内热交换器7用作冷凝器，而室外热交换器4用作蒸发器。在除霜运行中(在加热运行下)，从压缩机1排出的制冷剂中的一部分直接流入室外热交换器4内以增加室外热交换器4的温度，因此室外热交换器的温度升高就将结在室外热交换器上的霜化掉。如果上述的除霜运行不能有效地进行(例如当室外温度很低时)，则利用反向回路除霜运行强制进行除霜(制冷剂朝着由实线箭头指示的方向流动)。
图3示出了本发明的空调机的控制电路的原理图。图3的电路原理图根据图中心的点划线分成右侧和左侧两个图。左侧图表示室内机组A的控制电路(此后称为“室内控制电路”)，而右侧图表示室外机组B的控制电路(此后称为“室外控制电路”)。室内和室外控制电路通过驱动导线100和控制导线200相互连接。
室内机组A的室内控制电路包括整流电路11、电机电源电路12、电源控制电路13、电机驱动电路15、开关板17、接收电路18a、显示板18和风向板电机19。
整流电路11对来自插头10a的100V交流电压进行整流。电机电源电路12将供给到DC风扇电机16的DC电压调整为10到36V，DC风扇电机16根据微处理器14输出的信号将热交换后的空气(被冷却或被加热的)吹入待空调的房间内。
电源控制电路13产生一个供给微处理器14的5伏DC电压。电机驱动电路15根据来自微处理器14的信号控制供给到DC风扇电机的定子线圈的供电定时，微处理器14根据DC风扇电机16的旋转位置信息而输出信号。开关板17是固定在室内机组A的操作面板上，该板17上设有通/断开关，测试驱动开关等。接收电路18a接收各种遥控信号(例如，通/断信号，制冷/加热切换信号，室温信号等等)。显示板18显示空调机的运行状态。风向板电机19控制移动风向板来改变冷却的或加热的空气的流动方向。
室内控制电路还包括检测室内温度(室温)的室温传感器20，检测室内热交换器温度的热交换器温度传感器21和检测室内湿度的湿度传感器22。将由这些传感器测出的数值经A/D转换，然后，供给微处理器14。微处理器14的控制信号通过串联电路23和接线板T3输送到室外机组B。
室内控制电路还包括三端双向可控硅开关26和加热器继电器27。三端双向可控硅开关26和加热器继电器27通过驱动器24受微处理器14的控制以便逐步控制供给加热器25上的电源，该加热器25用于到再加热干燥运行中所用的被冷却了的空气。
附图标记30代表外部ROM(只读存储器)，表明空调机的类型和特性的特定数据存储在该存储器中。在电源开关接通和运行停止之后从该外部ROM中读出这些特定数据。当电源开关接通时，在完成特定数据读出之前，不执行无线遥控器60的输入命令的检测和通/断开关或测试驱动开关(以后描述其运行)的检测。
接着，对照图3描述室外机组B的控制电路。
室外机组B包括接线板T1′、T2′和T3′，它们被连接到室内机组A的接线板T1、T2和T3上；并联地连接到T1′、T2′上的变阻器31；噪音过滤器32；扼流圈34；将输入电压加倍的电压倍增器35；噪音过滤器36；以及从100V交流电压得到大约280V的直流电压的交流声滤波器。
在室外机组B中，附图标记39是代表将来自室内机组A的经接线板T3′的控制信号转换并将转换后的信号输送给微处理器41的串联电路。附图标记40是检测供给到室外机组B内的负载和变流器(CT)33的电流的电流检测器，并且将电流整流成DC电压并将DC电压供给微处理器41。附图标记42是产生微处理器41的运行电源的电源开关电路，附图标记38是根据来自微处理器41的控制信号完成供给到压缩机1的电源的PWM(脉宽调制)控制的电机驱动器。电机驱动器38具有六个功率晶体管，这六个晶体管相互连接成三相桥以构成转换器。附图标记43是驱动制冷回路压缩机1的压缩机电机，而附图标记44是检测压缩机1的排放侧制冷剂温度的排放侧温度传感器。附图标记45是转速分三级进行逐级控制的风扇电机，其作用在于将室外空气吹向室外热交换器。四通切换阀3和电磁阀10是如上所述，四通切换阀3和电磁阀10受到控制来切换制冷回路的制冷剂流动通道。
室外机组B还包括检测室外温度并被设在空气吸入口附近的室外温度传感器48和检测室外热交换器温度的室外热交换器温度传感器49。由这些温度传感器48和49得到的检测值先经A/D转换，然后输送到微处理器41。
附图标记50是具有与室内机组A的外部ROM30相同功能的外部ROM。室外机组B所固有的数据以及类似于存储在外部ROM30内的数据被存储在外部ROM50内。在室内机组A和室外机组B中的参考符号F是代表熔丝。
每个微处理器(控制部件)14和41包括事先存储程序的ROM，存储参考数据的RAM(随机存取存储器)，和为控制在该机内程序的中央处理器(例如Intel公司出售的87C 196MC(MCS-96系列)。
下面，详细说明在本空调机中使用的制冷剂。
在本发明中可使用单一制冷剂和混合制冷剂。当本发明中使用混合制冷剂时下面的描述是具代表性。在本说明中，“混合制冷剂”指的是将具有不同特性的两种或更多种制冷剂混合而得到的制冷剂。
例如，R-410A或R-410B作为混合制冷剂使用。R-410A是一种由两种组份混合而成的制冷剂，其中重量的50％为R-32，另外重量的50％为R-125。R-410A的沸点是-52.2℃，露点为-52.2℃。R-410B由45％的R-32(重量比)和55％的R-125(重量比)构成。
当在制冷回路中使用上述的混合制冷剂时，压缩机的排出温度对于R-410A为73.6℃(对HCFC-22为66.0℃)，冷凝压力对于R-410A为27.30巴(HCFC-22为17.35巴)，蒸发压力对于R-410A为10.86巴(HCFC-22为6.79巴)。此外，与传统的单一HCFC-22制冷剂相比，本发明中所使用的混合制冷剂(R-410A)对整个制冷回路提供了高温和高压。
另外，当使用由R-410A和R-410B或类似物形成的共沸混合制冷剂时，因为相应组份的沸点大体上彼此相等，所以制冷剂组份几乎不变，那么就不需要考虑“温度下滑”问题。因此，能够很容易地进行空调运行的控制。
在图2的制冷剂回路内括弧中所示的值是制冷剂管的实际尺寸。即，在图2的制冷剂回路中，在四通切换阀3和室内热交换器7之间的制冷剂管的尺寸设定为3/8″(英寸)，室内热交换器7和网式过滤器(滤网)6之间的制冷剂管的尺寸设定为1/4″(英寸)，毛细管5和室外热交换器4之间的制冷剂管的尺寸设定为1/4″(英寸)，室外热交换器4的旁通管的尺寸设定为1/8″(英寸)，四通切换阀2和储液罐9之间的制冷剂管的尺寸设定为3/8″或1/2″(英寸)，四通切换阀3和室外热交换器4之间的制冷剂管的尺寸设定为3/8″(英寸)。制冷回路中的每根制冷剂管的尺寸并不限于特定值，然而，考虑到与插入热交换器内的制冷剂管的关系，将制冷回路中的每根制冷剂管的尺寸设定为上述的值就能提供最高效率的空调机(热交换器)。
本发明的热交换器可以用作用户侧(室内热交换器)7和热源侧(室外热交换器)4任何一种，但是，下面是特指本发明的热交换器用作为室内热交换器7的情况是从空气流量角度考虑需要更高的热交换效率。
图4示出了本发明的热交换器的第一个实施例。
如图4所示，热交换器7包括布置成多层结构的多个鳍片件81(以下称为“多层鳍片件”)，和插入多层鳍片件81内的并被设置成弯曲形的制冷剂管82。
在本实施例中，使用了直径为7mm的管作为制冷剂管，但管子的直径并不限于该值。例如，可以使用管径为9mm或类似尺寸的管。如图5和图7所示，弯曲的制冷剂管82的间距D并不特别限定，在本实施例中，间距D设定为约21mm，这是因为根据实验结果在该值时可以得到最高的热交换效率。
在本实施例中，每一鳍片件81是由两块鳍片81a和81b整体加工而成且为如图4和图5所示那样的扁平体。换句话说，如图5和图6所示那样将两块鳍片81a和81b并排设置形成每一鳍片件81。当然，鳍片件81可以是由单一扁平鳍片构成。这些鳍片件81以预定的间隔多层排列按箭头A指示的气流方向并排设置。
采用导热性能极好的材料来制作鳍片件81，例如采用铝材。
多层鳍片件81相互保持一定间距(鳍片间距)FP设置，鳍片的间距FP最好设定为1.2到1.7mm，因为该间距范围经实验发现可提供最高的热交换效率。此外，在每一鳍片件81的鳍片81a和81b上沿纵向加工出承插弯曲的制冷剂管82的两排通孔84，以便如图5所示在鳍片81a和81b上的制冷剂管82的设置在鳍片件81的纵向方向可晃动。由每个突起部分85对每个管承插孔84进行限定和切割，突起部分的高度H如图6和图8所示地确定鳍片间距FP。
本发明的主要特征在于，每一鳍片的鳍片件的表面沿气流方向(箭头A所指方向)加工成如后述的波浪形，因此能够提高热交换效率。
图6是第一实施例的鳍片件81的热交换器上使用的鳍片件81的截面图。在本实施例中，如图6所示，在鳍片81a(81b)上沿气流方向(鳍片的厚度方向)连续地形成三个波纹段(波浪形部分)，每个波纹段有一三角形截面。
这里，将描述本实施例的鳍片件81的每一部分的尺寸。
根据权衡提高热交换效率和鳍片外形小型化设计的需要之间的关系确定每个鳍片81a、81b的宽度。在本实施例中，鳍片81a、81b的宽度最好设定为18-19mm，因为经实验发现该范围能够使热交换效率达到最高。在本说明书中，“宽度”指的是鳍片在气流方向上的尺寸(即箭头A指示的方向)。
图9是表示流过鳍片的空气温度(在图9的纵座标轴上)和从制冷剂管的中心到鳍片的边缘部分在其厚度方向上的距离(鳍片宽度的一半)(在图9的横座标上)之间的关系曲线。如从图9中可明显看出，当鳍片的表面和流过的空气之间的温度差较小时热交换效率减低。在图9中，在远离位置T0的区域流过的空气温度不会进一步下降，这是因为在该区域内的鳍片温度和空气温度之间的温度差很小。因此，把从制冷剂管的中心到对应于温度T0的位置的距离最好设定为鳍片81a、81b的宽度的一半(S2)。如果鳍片的宽度小于距离S2的两倍(例如，鳍片宽度设定为距离S1的两倍)，则空气温度不能充分下降。另一方面，如果鳍片宽度大于距离S2的两倍，则流过鳍片的空气的温度已充分降低，从而即使将鳍片宽度设定得更宽也不能期待热交换效率进一步提高(气温降低)。
在本实施例中，确定位置T0以使气温下降6℃，而此时采用距离S2。另外，采用鳍片81a(鳍片81b)的有效宽度S(＝18.19mm)为距离S2的两倍。
下面，详细描述本实施例的每个鳍片81a(81b)上形成的波纹段(波浪形部分)86的详细结构。
如图6所示，有效宽度为S的每个鳍片81a、81b包括宽度为W的波浪形部分和平直边部87，每一侧的平直边部的宽度为W1，且形成在鳍片的两侧边缘处以便在鳍片的厚度方向上引导空气流动。宽度为W的波浪形部分三等分成每个宽度为W2的三个波纹段(凸起)86。
在本实施例中，由于每个鳍片的有效宽度S设定为18.19mm，而每个边部87的宽度设定为0.8mm，波浪形部分的宽度W设定为16.59mm(＝18.19-0.8×2)，每个波纹段86的宽度W2设定为5.53mm(＝16.59/3)。
形成在鳍片上的每个波纹段86的高度H1应该这样确定，以便使每个波纹段86起到气流的扰流器的作用，产生足够的紊流来破坏鳍片上形成的温度边界层。如果波纹段过高，压力损失则会过大，从而热交换效率相当低。考虑到上述的相冲突的两个条件，波纹段86的高度H1应该这样确定，即，应将高度设定为能够产生足够的紊流来破坏温度边界层，与此同时，对气流阻力减到最小。为了满足上述要求，在本实施例中，每个波纹段86的高度H1与其宽度W2的比率(H1/W2)设定为1/7到1/8(即H1为W2的七分之一到八分之一)。尤其是波纹段86的高度H1优选0.5到1.0mm，因为实验发现能够提供最高的热交换效率，而最好是设定为0.7mm。
由于每个波纹段86的宽度W2如上所述地设定为5.53mm，高度H1与宽度W2的尺寸比率(H1/W2)设定为大约1/8。
每个波纹段86的顶峰和谷底可以倒圆角便于鳍片的加工处理。
下面，根据本实施例将描述使用该热交换器的空调机的运行。
在制冷运行过程中，按实线所示那样切换四通切换阀3，从压缩机1排出的制冷剂通过消音器2，四通切换阀3，热源侧热交换器(室外热交换器)4，毛细管5，网式过滤器6，用户侧热交换器(室内热交换器)7，消音器8，四通切换阀3和贮液罐9这样的顺序形成的制冷剂回路中流过。在此情况下，用户侧热交换器7作为蒸发器，由毛细管5降低制冷剂的压力。
另一方面，在加热运行过程中，四通切换阀3按虚线所示的方向切换，从压缩机1排出的制冷剂通过消音器2，四通切换阀3，消音器8，用户侧热交换器(室内热交换器)7，网式过滤器6，毛细管5，热源侧热交换器(室外热交换器)4，四通切换阀3和贮液罐9这样的顺序形成的制冷剂回路中流过。在此情况下，热源侧热交换器4作为蒸发器，由毛细管5降低制冷剂的压力。
在制冷或加热运行过程中，当风扇向室内热交换器7吹风时，空气与流过制冷剂管的制冷剂在室内热交换器7中进行热交换。在本实施例中，空气是在流过多层鳍片件81之间的间隔时进行热交换。
流过鳍片件81之间的间隔的空气形成能够破坏温度边界层的足够强度的紊流，但压力损失不太大，以至于能够得到很高的热交换效率从而增强了空调机的空调能力。
根据本实施例，由于在热交换器的鳍片上沿气流方向形成了三个波纹段，能够形成足以破坏温度边界层的紊流，从而能够提高热交换效率。此外，形成的紊流不会过分增加对空气的阻力，压力损失不会增加。因此，整个热交换器的热交换效率可以得到提高。
另外，根据本实施例，鳍片的宽度设定为二到三倍于制冷剂管的管径，每个波纹段的宽度设定大体为三等分鳍片宽度，波纹段的高度设定为波纹段宽度的1/7到1/8，因此根据热交换运行中空气和鳍片之间的温差，热交换效率可得到最大，而同时鳍片的宽度可以最小。
再者，根据本实施例，上述的热交换器用于空调机中。因此，可提供高热交换效率的空调机，并能提高空调机能力。进一步地，可将以高温HFC为主的制冷剂特别地用于上述空调机中作为制冷剂。
下面，参照附图10到图15描述本发明的热交换器第二实施例。
图10表示本发明热交换器的第二实施例的透视图。如图10所示，本实施例的热交换器包括相互布置成多层结构的多个鳍片件71(即，设成多层鳍片)，和插入多层鳍片件71内的并被设置成弯曲形的制冷剂管82。本实施例中的鳍片件71类似于第一实施例的鳍片件81。
与第一实施例一样，在本实施例中使用了直径为7mm的管作为制冷剂管，但管子的直径并不限于该值。例如，可以使用管径为9mm或类似尺寸的管。如图11和图13所示，弯曲的制冷剂管82的间距D并不特别限定于某个值，然而在本实施例中，间距D设定为约21mm，这是因为根据实验结果在该值时可以得到最高的热交换效率。
在本实施例中，每一鳍片件71由两块鳍片71a和71b整体加工而成且为如图10和图11所示那样的扁平体。换句话说，如图10和图11所示那样将两块鳍片71a和71b并排设置形成每一鳍片件71。然而，鳍片件71可以由单一扁平鳍片构成。这些鳍片件71以预定的间隔层状排列按箭头A指示的气流方向并排设置。
采用导热性能极好的材料来制作鳍片件71，例如采用铝材。
多层鳍片件71相互保持一定间距(鳍片间距)FP，鳍片的间距FP最好设定为1.2到1.6mm，因为该间距范围经实验发现可提供最高的热交换效率。此外，在每一鳍片件71的鳍片71a和71b上沿纵向加工出承插弯曲的制冷剂管的两排通孔74，以便如图11所示在鳍片71a和71b上的制冷剂管82的设置在鳍片件71的纵向方向可晃动。如图12所示由每个突起部分75对每个管承插孔74进行限定和切割，突起部分75的高度H如图12所示确定鳍片间距FP。
图12是第一实施例的热交换器中使用的鳍片件71的截面图。在本实施例中，如图12所示，每一鳍片71a(71b)沿气流方向(鳍片的厚度方向)形成两个波纹段(波浪形部分)76，并在波纹段76之间嵌入平直部分78，因而热交换效率提高很多。
这里，将描述本实施例的鳍片件71的每一部分的尺寸。
根据权衡提高热交换效率和鳍片外形设计小型化的需要之间的关系确定每个鳍片71a、71b的宽度。在本实施例中，鳍片71a、71b的宽度最好设定为18-19mm，该范围经实验发现能够使热交换效率达到最高。
可从图9中明显看出，与第一实施例一样，当鳍片表面和流过的空气之间的温度差较小时热交换效率也减少。如在第一实施例中描述的那样，在远离位置T0的区域流过的空气温度不会进一步下降，这是因为在该区域内的鳍片温度和空气温度之间的温度差很小。因此，在本实施例中，把从制冷剂管的中心到对应于温度T0的位置的距离最好也设定为鳍片71a、71b的宽度的一半(S2)。如果鳍片的宽度小于距离S2的两倍(例如，鳍片宽度设定为距离S1的两倍)，则空气温度不能充分下降。另一方面，如果鳍片宽度大于距离S2的两倍，则流过鳍片的空气的温度已充分降低，从而即使将鳍片宽度设定得更宽也不能期待热交换效率进一步提高(气温降低)。
在本实施例中，确定位置T0以使气温下降6℃，而此时采用距离S2。另外，采用鳍片71a(鳍片71b)的有效宽度S(＝18.19mm)为距离S2两倍的长度。
下面，将描述在本实施例的每个鳍片71a(71b)上形成的波纹段(波浪形部分)76的详细结构。
如图12所示，有效宽度为S的每个鳍片71a、71b包括宽度为W的波浪形部分和平直边部77，每一侧的平直边部的宽度为W1，且形成在鳍片的两侧边缘处以便在鳍片的厚度方向上引导空气流动。宽度为W的波浪形部分包括每个宽度为W2的两个波纹段(凸起)76和设置在波纹段76之间的平直部分78。
边缘部分77的宽度W1例如设定为0.8mm，而波浪形部分的宽度设定为18.19-0.8×2＝16.59mm。
如上所述，在波浪形部分上形成二个波纹段76和位于两个波纹段76之间的平直部分78。平直部分78的宽度W3设定为每个波纹段宽度W2的一半，即，W3＝W2/2，因为每一部分设定上述尺寸经实验证实可得到最高热交换效率。
具体地，波纹段的宽度W2设定为6.636mm，而平直部分78的宽度W3设定为3.318mm。
与第一实施例类似，形成在鳍片上的每个波纹段76的高度H1应该这样确定，以便使每个波纹段76起到气流扰流器的作用，产生足够的紊流来破坏鳍片上形成的温度边界层。如果波纹段76过高，压力损失则会过大，从而热交换效率相当低。
考虑到上述的相冲突的两个条件，波纹段76的高度H1应该这样确定，即，应将高度H1设定为能够产生足够的紊流来破坏温度边界层，与此同时，对气流阻力减到最小。为了满足上述要求，在本实施例中，每个波纹段76的高度H1与其宽度W2的比率(H1/W1)设定为1/8到1/9(即H1为W2的八分之一到九分之一)。具体地，波纹段76的高度H1优选为0.5到1.0mm，因为实验发现能够提供最高的热交换效率，而最好设定为0.8mm(即，H1/W2设定为大约1/8)。
每个波纹段76的顶峰和谷底可以倒圆角以便于鳍片的加工处理。
使用本实施例的热交换器的空调机的运行与第一实施例的运行相同，所以此处省略对其详细的说明。
在制冷或加热运行过程中，当风扇向室内热交换器7吹风时空气与流过制冷剂管的制冷剂在室内热交换器7中进行热交换。在本实施例中，空气流过多层鳍片件71之间的间隔时进行热交换。
流过鳍片件71之间的间隔的空气形成能够破坏温度边界层的足够强度的紊流，但压力损失不太大，以至于能够得到很高的热交换效率从而增强了空调机的空调能力。
特另当使用以HFC为主的制冷剂作为制冷剂时，制冷回路保持在高温高压状态。然而，即使在这样的严格条件下，热交换器可将室内空气和室外空气中任一种实现充分的热交换。
此外，由于在波纹段76之间设置平直部分78，因此鳍片件76排水性能好从而几乎不会结霜。
根据本实施例，由于在热交换器的鳍片上沿气流方向形成了二个波纹段和一个平直部分，能够形成足以破坏温度边界层的紊流，从而能够提高热交换效率。此外，形成的紊流不会过分增加对气流的阻力，因而压力损失不会增加。所以，整个热交换器的热交换效率可以得到提高。
根据本实施例，鳍片的宽度设定为二到三倍于制冷剂管的管径，平直部分的宽度设定为波纹段宽度的一半，而波纹段的高度设定为波纹段宽度的1/8到1/9，因此根据热交换器运行时空气和鳍片之间的温差，热交换效率可得到最大，而同时鳍片的宽度可以最小。
再者，根据本实施例，上述的热交换器用于本空调机中。因此，可提供高热交换效率的空调机，并能提高空调机能力。此外，如上所述，可将以高温HFC为主的制冷剂特别地用于本空调机中作为制冷剂。
下面，参照附图15到图19描述本发明的热交换器的第三实施例。
图15表示本发明热交换器的第三实施例的透视图。如图15所示，本实施例的热交换器包括布置成多层结构的多个鳍片件91(即，设成多层结构)，和插入多层鳍片件91内的并被设置成弯曲形的制冷剂管82。本实施例中的鳍片件91类似于第一和第二实施例的鳍片件81和71。
与第一和第二实施例一样，在本实施例中使用了直径为7mm的管作为制冷剂管，但管子的直径并不限于该值。例如，可以使用管径为9mm或类似尺寸的管。如图16和图18所示，弯曲的制冷剂管82的间距D并不特别限定于某个值，然而在本实施例中，间距D设定为约21mm，这是因为根据实验结果在该值时可以得到最高的热交换效率。
此外，在本实施例中，每一鳍片件91由两块鳍片91a和91b整体加工而成且为如图16和图17所示那样的扁平体。换句话说，如图16和图17所示那样将两块鳍片91a和91b并排设置形成每一鳍片件91。然而，鳍片件91可以由单一扁平鳍片构成。这些鳍片件91以预定的间隔层状排列按箭头A指示的气流方向并排设置。
采用导热性能极好的材料来制作鳍片件91，例如采用铝材。
多层鳍片件91相互保持一定间距(鳍片间距)FP，鳍片间距FP最好设定为1.2到1.8mm，因为该间距范围经实验发现可提供最高的热交换效率。此外，在每一鳍片件91的鳍片91a和91b上沿纵向加工出承插弯曲的制冷剂管82的两排通孔94，以便如图16所示在鳍片91a和91b上的制冷剂管82的设置在鳍片件91的纵向方向可晃动(P37，1行，wobble)。由每个突起部分95对每个管承插孔94进行限定和切割，突起部分95的高度H如图17和图19所示确定鳍片间距FP。
图17是第三实施例的热交换器中使用的鳍片件91的截面图。在本实施例中，如图17所示，在每一鳍片91a(91b)上沿气流方向(鳍片的厚度方向)形成二个波纹段(波浪形部分)96和设置在波纹段之间的平直部分98，每个波纹段的顶峰被削平，从而波纹段的截面为梯形，因此能进一步提高热交换效率。在此情况下，之后将第三实施例的波纹段96称作为″梯形波纹段″。每个梯形波纹段96由两个(左和右)斜坡部分(上倾部分)96a和在斜坡96a之间的上部平直部分96b。
因此，在第二实施例和第三实施例之间的主要不同点在于每个波纹段的顶峰部分在第三实施例中被削平。
这里，将描述本实施例的鳍片件91的每一部分的尺寸。
根据权衡提高热交换效率和鳍片外形小型化设计的需要之间的关系确定每个鳍片91a、91b的宽度。在本实施例中，鳍片91a、91b的宽度最好设定为18-19mm，因为该范围经实验发现能够使热交换效率达到最高。
可从图9中明显看出，与第一和第二实施例一样，当鳍片表面和流过的空气之间的温度差较小时热交换效率下降。如在第一和第二实施例中描述的那样，在远离位置T0的区域流过的空气温度不会进一步下降，这是因为在该区域内的鳍片温度和空气温度之间的温度差很小。因此，在本第三实施例中，把从制冷剂管的中心到对应于温度T0的位置的距离最好也设定为鳍片91a、91b的宽度的一半(S2)。如果鳍片的宽度小于距离S2的两倍(例如，鳍片宽度设定为距离S1的两倍)，则空气温度不能充分下降。另一方面，如果鳍片宽度大于距离S2的两倍，则流过鳍片的空气的温度已充分降低，从而即使将鳍片宽度设定得更宽也不能期待热交换效率进一步提高(气温降低)。
在本实施例中，确定位置T0以使气温下降6℃，而此时采用距离S2。另外，采用鳍片91a(鳍片91b)的有效宽度S(＝18.19mm)为距离S2两倍的长度。
下面，将描述在本实施例的每个鳍片91a(91b)上形成的梯形波纹段(波浪形部分)96的详细结构。
如图17所示，有效宽度为S的每个鳍片91a、91b包括宽度为W的波浪形部分和平直边部97，每一侧的平直边部的宽度为W1，且形成在鳍片的两侧边缘处以便在鳍片的厚度方向上引导空气流动。宽度为W的波浪形部分包括左斜坡部分96a，二个梯形波纹段部分(凸起)96，每个波纹段的宽度为W2，一个设置在梯形波纹段部分之间的平直部分98和右斜坡部分96a。
边缘部分97的宽度W1设定为0.8mm。边缘部分97的形状与梯形波纹段96的上部平直部分96b的一半相同，并且设置在距平面部分98为高度H1处。
斜坡部分96a的宽度W5和上部平直部分96b的宽度W3彼此相等，平直部分98的宽度W4设定为W5或W3的二倍(即W4＝2W5或2W3)。梯形波纹段96的宽度W2等于(W3+2×W5)＝3XW3(或3xW5)。这样设定上述尺寸经实验发现可得到最高热交换效率。
具体地，将梯形波纹段的宽度W2设定为4.1445mm，上部平直部分96b的宽度W3设定为1.3815mm，平直部分98的宽度W4设定为2.7636mm，而斜坡部分96a的宽度W5设定为1.3815mm。
与第一和第二实施例一样，形成在鳍片上的每个梯形波纹段96的高度H1应该这样确定，以便使每个梯形波纹段96起到气流的扰流器的作用，以产生足够的紊流来破坏鳍片上形成的温度边界层。如果梯形波纹段96过高，压力损失则会过大，从而热交换效率相当低。考虑到上述的相冲突的两个条件，梯形波纹段96的高度H1应该这样确定，即，应将高度设定为能够产生足够的紊流来破坏温度边界层，同时，对气流阻力也是最小。为了满足上述要求，在本实施例中，每个梯形波纹段96的高度H1与其宽度W2的比率(H1/W1)设定为1/4到1/5(即H1为W2的四分之一到五分之一)。具体是梯形波纹段96的高度H1优选为0.3到0.8mm，因为实验发现能够提供最高的热交换效率，而最好设定为0.6mm。
由于每个梯形波纹段96的宽度W2如上所述设定为4.445mm，因此高度H1和宽度W2的尺寸比(H1/W2)设定为约1/5。
每个梯形波纹段96的顶峰和谷底可以倒圆角以便于鳍片的加工处理。
因为使用本实施例的热交换器的空调机的运行与第一实施例的运行相同，所以此处省略对其的详细说明。
在制冷或加热运行过程中，当风扇向室内热交换器7吹风时空气与流过制冷剂管的制冷剂在室内热交换器7中进行热交换。在本实施例中，空气是在流过多层鳍片件91之间的间隔时进行热交换。
流过鳍片件91之间的间隔的空气形成能够破坏温度边界层的足够强度的紊流，但压力损失不太大，以至于能够得到很高的热交换效率从而增强了空调机的空调能力。
特别当使用以HFC为主的制冷剂作为制冷剂时，制冷回路保持高温高压状态。然而，即使在这样的严格条件下，热交换器可将室内空气和室外空气中任一种实现充分的热交换。
此外，由于梯形波纹段96的顶部和在梯形波纹段96之间的底部被设计成平面形状，因此鳍片件91排水性能好于第二实施例，从而几乎不会结霜。
根据本实施例，由于在热交换器的鳍片上沿气流方向形成了二个梯形波纹段和该平直部分，能够形成足以破坏温度边界层的紊流，从而能够提高热交换效率。此外，形成的紊流不会过分增加对气流的阻力，压力损耗不会增加。因此，整个热交换器的热交换效率可以得到提高。
此外，由于梯形波纹段96的顶部和在梯形波纹段96之间的底部设计成平面形，因此鳍片件91排水性能好，从而几乎不会结霜。
根据本实施例，鳍片的宽度设定为二到三倍于制冷剂管的管径，平直部分的宽度设定为梯形波纹段宽度的一半，而梯形波纹段的高度设定为梯形波纹段宽度的1/4到1/5，因此根据热交换器运行时空气和鳍片之间的温差，热交换效率可得到最大，而同时鳍片的宽度可以为最小。
再者，根据本实施例，上述的热交换器用于本空调机中。因此，可提供高热交换效率的空调机，并能提高空调机能力。此外，可将以高温HFC为主的制冷剂特别地用于上述空调机中作为制冷剂。
在上述的这些实施例中，本发明是用于空调机上，然而，本发明也可以用于其它一些机器上，例如，作为冰箱或类似装置的制冷机上。

Claims (14)

1.一种热交换器，包括多个以多层结构方式布置的鳍片和以弯曲方式插入在多层鳍内的制冷剂管，该热交换器使空气和制冷剂之间实现热交换，以便完成制冷和/或加热运行，其特征在于，每一鳍片在气流方向上具有波浪形部分，该波浪形部分至少具有二个能够产生足以破坏空气温度边界层的强度的空气紊流的波纹段，而该波纹段对气流的阻力为最小。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，波浪形部分包括沿气流方向形成在每一鳍片上的三个波纹段，每个波纹段的截面大体为三角形。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述每个鳍片的宽度设定为所述制冷剂管管径的二到三倍，每个波纹段的宽度设定为基本上三等分鳍片宽度，而所述的波纹段的高度设定为所述的波纹段宽度的1/7到1/8。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，波浪形部分包括沿气流方向形成在每一鳍片上的二个波纹段和设置在所述波纹段之间的平直部分，每个所述的梯形波纹段的截面大体为三角形。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，每一所述鳍片的宽度设定为二到三倍的制冷剂管的管径，所述平直部分的宽度设定为波纹段宽度的一半，而所述波纹段的高度是波纹段宽度的1/8到1/9。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述波浪形部分包括沿气流方向形成在所述每一鳍片上的二个梯形波纹段和设置在所述梯形波纹段之间的平直部分，每个梯形波纹段的截面大体为梯形。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，每一所述鳍片的宽度设定为所述制冷剂管管径的二到三倍，所述平直部分的宽度与梯形波纹段的宽度之比设定为2/3，所述梯形波纹段的高度设定为所述梯形波纹段宽度的1/4到1/5。
8.一种具有制冷回路的空调机，制冷剂在由压缩机、用户侧热交换器、膨胀阀和热源侧热交换器构成的制冷回路中流动，其特征在于，至少是用户侧热交换器和热源侧热交换器中的一种包括多个多层的鳍片和以弯曲方式插入在多层鳍片内的制冷剂管，每一鳍片在气流方向上具有波浪形部分，该波浪形部分至少具有二个能够产生足以破坏空气温度边界层的强度的空气紊流的波纹段，而该波纹段对气流的阻力为最小。
9.根据权利要求8所述的空调机，其特征在于，所述波浪形部分包括沿气流方向形成在所述每一鳍片上的三个波纹段，每个波纹段的截面大体为三角形。
10.根据权利要求9所述的空调机，其特征在于，所述每个鳍片的宽度设定为所述制冷剂管的管径的二到三倍，所述每个波纹段的宽度设定为基本上三等分鳍片宽度，而所述的波纹段的高度设定为所述的波纹段宽度的1/7到1/8。
11.根据权利要求8所述的空调机，其特征在于，所述波浪形部分包括沿气流方向形成在所述每一鳍片上的二个波纹段和设置在所述波纹段之间的平直部分，每个梯形波纹段的截面大体为三角形。
12.根据权利要求11所述的空调机，其特征在于，所述每一鳍片的宽度设定为二到三倍的所述制冷剂管的管径，所述平直部分的宽度设定为波纹段宽度的一半，而所述波纹段的高度是波纹段宽度的1/8到1/9。
13.根据权利要求8所述的空调机，其特征在于，波浪形部分包括沿气流方向形成在所述每个鳍片上的二个梯形波纹段和设置在所述梯形波纹段之间的平直部分，每个梯形波纹段的截面为梯形。
14.根据权利要求13所述的空调机，其特征在于，每一所述鳍片的宽度设定为所述制冷剂管管径的二到三倍，所述平直部分的宽度与所述梯形波纹段的宽度之比设定为2/3，所述梯形波纹段的高度设定为所述梯形波纹段宽度的1/4到1/5。
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