CN1723378A - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热交换器，特别是用于汽车空调的冷凝器或空气冷却器，它具有至少两列流道，这些流道被制冷剂穿流并且端部与集流管相连；在各流道之间布置着被气体绕流的翅片。按照本发明，若干流道位于一列，至少两列流道在一个平面中被分成至少两个芯体，每个芯体在与该热交换器的平面垂直的方向上被分成至少两段流道。所述各段在与该平面垂直的方向上进行折流，或在平面中进行折流，或者既在平面中又在与平面垂直的方向上进行折流。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及一种热交换器，尤其是指用于汽车空调设备的、优选按照权利要求1前序部分所述的冷凝器或空气冷却器。
背景技术
在欧洲专利EP-B 0 414 433所公开的冷凝器中，两个冷凝器在空气侧按前后排列，并通过辅助的固定元件达到相互之间的机械连接。在制冷剂侧，制冷剂先后或平行地流过这两个冷凝器。在前后排列的布置中，热交换以交叉逆流的方式进行，也就是说，制冷剂首先流过背风面的冷凝器，然后经过一个连接管到达迎风面的冷凝器，并从面朝迎风面的制冷剂出口中流出。两个冷凝器为多流程并且流体断面逐步减小(递减的管路)。这样制冷剂的折流就只发生在每个冷凝器的平面内，也就是说只在宽度上。这种已公开的双冷凝器结构的缺点在于，两个冷凝器之间既必须是机械连接，又必须在制冷剂侧相互连接，这就需要增加部件和装配时间。这就意味着提高了制造成本。此外，这种已公开的冷凝器还由于未使介质的流过达到最优而带有热力学上的势能。
发明内容
本发明的目的是改进本文开头所提到的那种热交换器，尤指空气冷却器或冷凝器，从而在端面相同的情况下提高效率，和/或减少重量和/或制造成本。
这一目的是通过权利要求1所述的特征来实现的。
按照本发明所述的热交换器，特别是指冷凝器或空气冷却器，在制造时优选地采用粘接或焊接的块状形式，最好是“一次性”地钎焊而成。这样就可取消机械连接件，从而减少制造成本。此外，冷凝器在一个或多个流道平面中，即在宽度上被分成若干芯体，和/或在与上述平面垂直的方向上，即在深度上被分成若干段，它们被介质先后流过；同时，折流不仅发生在深度上或宽度上，而且它既发生在深度上又发生在宽度上。通过将冷凝器网分成双列，可以使制冷剂侧的介质流过情况得到优化，从而提高冷凝器的效率。
从属权利要求则提供了本发明具有优点的结构形式。
本发明的优点是，上述段的数量为偶数，因为每个芯体由两段组成，该段又有着相同数量的流道。但该段的数量也可以是奇数，也就是说，一段(或多个段)又被分成若干被制冷剂先后流过的子段。这样可以使冷凝器能更多地被制冷剂流过，从而可以进一步提高冷凝器效率。另外，具有优点的结构是，如果制冷剂进口布置在一个位于背风面或迎风面的段上，那么制冷剂出口则布置在一个位于迎风面或背风面的段上。
按照本发明一个具有优点的结构，各段被先后流过，并且制冷剂的折流交替出现在深度和宽度上。这样就在空气和制冷剂的热交换中出现了交叉流-逆流-直流(Kreuzgegengleichstrom)的方式。
按照本发明另一个具有优点的方案，制冷剂在深度上出现折流后，接着在深度和宽度上同时出现折流。这样就在空气和制冷剂的热交换中出现了交叉逆流，这种对流进一步带来了热力学上的益处。
按照本发明的一个具有优点的方案，流道采用扁平管的形式，也就是说，要么扁平管为两列、三列或更多列，要么扁平管为一列，但这个“直通的”扁平管中有两个、三个或更多的流程。在可能的情况下，这些扁平管具有平行布置的内流道，它们被介质平行流过。并且这些内流道之间还可以有连接孔。而且扁平管中还可以装上紊流装置。
另外一种具有优点的方案是，扁平管端部固定在一个总的集流管中，并且这个集流管同时与一个以上的扁平管相连，而在这个集流管中折流出现在深度上。还有一种具有优点的方案是，扁平管端部在另一侧接入到两个集流管中，在这两个集流管中折流发生在宽度上。在这里，具有优点的是，这两个集流管或者成为一体并将该芯体固定住，或者是分开的集流管并通过一个“直通的”扁平管相互接合。
具有优点的是在扁平管之间布置连续的波浪型翅片，通过将它们与扁平管钎焊在一起保证了冷凝器芯体的紧凑性和稳定性。
按照本发明的另一个具有优点的方案是，集流管之间设置了附加的折流元件，这个装置使制冷剂可以同时在深度上和宽度上发生折流。被介质先后流过的各段通过这个折流元件，如弯管在制冷剂侧相互连接。折流元件可以钎焊在集流管中，因此这种本发明所述的冷凝器的变型能够在一个工步内在钎焊炉中完成钎焊。
附图说明
下面通过附图和实施例对本发明进行详细说明。其中
图1为一个双列热交换器，它在深度和宽度上进行折流，
图2为一个双列热交换器，它在深度上进行折流，随后又在宽度和深度上进行折流，
图3为两个成为一体的用于双列扁平管的集流管，
图4为两个分开的、用于单列双流程扁平管的集流管，
图5为第一种流动模式，
图6为第二种流动模式，
图7为第三种流动模式，
图8为第四种流动模式，
图9为本发明所述的热交换器如冷凝器与现有技术相比较的功率图。
具体实施方式
图1为一个双列热交换器1，如冷凝器或空气冷却器，它带有第一列2和第二列3扁平管4，在扁平管4之间布置着已知的波浪型翅片(图中未示)。
波浪型翅片的翅片高度，即一列中的两个扁平管之间的距离优选为4mm到12mm。翅片密度，即每分米内的翅片数量优选为45到90个/分米，翅片间的距离或片距为1.05到2.33mm。具有优点的是，翅片或波浪型翅片采用一条散热带的形式，在这种情况下，成波浪型或之字形的散热带被装入到扁平管之间。按照本发明，这样成形的翅片起到不同区域之间的隔热作用，这样，位于不同扁平管或扁平管区之间的区域至少一部分被绝热。
在另一个优选的实施形式中，翅片由若干单独的散热带组成，它们被装入到各相邻的扁平管之间。这种形式的优点在于，不同列的各翅片间不存在热连接。
扁平管具有优点的结构是，管的宽度(即管朝着相同平面内相邻管的方向延伸)为1mm到5mm，优选为1.2mm到3mm。管在与上述平面相垂直的方向上的延伸为管的深度，适合的深度为3mm到20mm，优选为5mm到10mm。
在本发明的一个实施例中，热交换器的各芯体中管的深度基本相同。但在本发明的另一个实施例中，在各芯体中，管可以选择不同的深度。特别适合本发明的是，迎风侧平面中的管的深度小于背风侧平面中的管的深度。
在图中所示的热交换器中，从气流方向看，不同平面的管前后排列并对准，也就是说，它们在同一高度上前后排列。
在图中未示的热交换器中，一个平面中的管与另一平面中的管错位排列。这种错位排列可优选为翅片高度的一半加上管的宽度的一半。当然也可以取中间值。在这样一个实施例中，在不同平面的管之间可以有不同或相同的翅片，翅片优选地采用独立的散热带的形式。
两列2、3扁平管4上带有扁平管端部4a，它们接入到一个共同的集流管5中。在另一侧，两列2、3扁平管4上带有扁平管端部4b，它们接入到两个分开的集流管6、7中。集流管7上有一个制冷剂进口8。两个集流管6、7被隔板分成若干集流段。在图中只显示了集流管6中的隔板9。空气按箭头L所示的方向即气流方向穿过冷凝器1。制冷剂在冷凝器1中的流动路线由一条多次转弯的线条表示，它的起点是制冷剂进口KME，终点是制冷剂出口KMA。正如将在后文中详细说明的那样，两列2、3扁平管4被分成三个芯体I、II、III，其中，每个芯体又分为两段Ia、Ib，IIa、IIb和IIIa、IIIb。制冷剂首先流过后面的管列3上的背风侧的段Ia，然后流进集流管5，在那里它如箭头UT1所示在深度上被折流。随后制冷剂进入到迎风侧的段Ib，并进入到迎风侧的集流管6，在那里它如箭头UB1所示在宽度上被折流。制冷剂随后流过下一段IIa并又回到集流管5，在那里它又如箭头UT2所示沿着与之前相反的方向在深度上被折流。之后，它流过背风侧的段IIb进入到背风侧的集流管7，在那里它又再次如箭头UT2所示在宽度上被折流。然后流过另一段IIIa再次进入集流管5，这里它如箭头UT3所示在深度被折流，最后，它流过最后的、迎风侧的段IIIb，到达制冷剂出口KMA。一方面通过制冷剂的这种流动和另一方面通过空气的穿流，于是产生了交叉流-逆流-直流，也就是说，这是由于一方面制冷剂和空气之间成交叉流，另一方面在深度上的折流UT1、UT3与气流方向L相反，而UT2则沿着气流方向。
图2中是冷凝器10的另一个实施例，这里的冷凝器基本上和图1的冷凝器结构相同，所以相同的部件就使用相同的标号。与图1中所示实施例不同的是，冷凝器10在迎风侧的集流管6中增加了一个隔板11，并带有两个管状的折流元件12、13，它们分别将迎风侧的集流管6的各段与背风侧的集流管7的各段连接起来。制冷剂的流动路线在这里也用一条连续并多次转弯的线条表示，它的起点是制冷剂进口KME，终点是制冷剂出口KMA。制冷剂首先流过背风侧的段Ia，在集流管5中按照箭头UT1所示在深度上朝着迎风侧的段Ib的方向折流，并在流过这一段后到达迎风侧的集流管6。由于隔板11的位置，芯体I的段Ia和Ib中有六个扁平管4。然后通过折流元件12，制冷剂在背风侧的集流管7中的一段出现折流，也就是说，它同时在宽度和深度上出现折流，如同箭头UBT1所示。在折流后制冷剂沿朝着集流管5的方向流过背风侧的段IIb，并在集流管5中按箭头UT2所示沿着与气流方向相反的方向折流，并进入到迎风侧的段IIa中。在到达迎风侧的集流管6即隔板9、11之间的段后，制冷剂通过折流元件13再次在宽度和深度上出现折流，如同箭头UBT2所示。然后，制冷剂流过另一个背风侧的段IIIa，并在集流管5中按箭头UT3所示折流，最后流过最后一个迎风侧的段IIIb到达制冷剂出口KMA。这一流动模式是一种交叉逆流，因为在深度上的折流UT1、UT2、UT3分别与气流方向L相反。与图1中所示的流动模式相比，这种流动模式具有热力学上的优点。
在图3中，两个集流管6、7(在图中用6’、7’表示)形成了一个眼镜状的双管结构14。这两个集流管6’、7’由一块连续的、端边为16、17的带钢15制成，这两个端边插入到连接两个集流管6’、7’的腹板18中并钎焊在一起。这样两个集流管6’、7’就被固定连接，而扁平管4的端部4b则插入到集流管中。这样就可以制成一个被钎焊成一个芯体的双列冷凝器。
图4是集流管6、7即6”、7”成形的另一种实施形式，它们形成了两个分开的集流管。在这里，扁平管不是被布置成前面的实施例中的两个分开的列，而是由一个“直通”的、具有两个流程的扁平管19构成，也就是说分为一个前部(迎风侧)19a和一个后部(背风侧)19b。通过一个中央间隔区19c，两个部分19a、19b在介质流动上被分开。直通的扁平管19带有两个分开的扁平管端部19a’和19b’，它们插入到两个集流管6”、7”上的通道20中并钎焊在一起。通过这种方式形成了一个连通的、整体钎焊而成的冷凝器芯体。
图5是图1所示实施例的流动模式的示意图，即交叉流-逆流-直流。冷凝器1的整个管系分为三个芯体I、II、III，其中，每个芯体分别由两段Ia和Ib、IIa和IIb及IIIa和IIIb组成。一个芯体中的各段的管子数量相同，并按气流方向L前后依次排列。在图5的实施例中，段Ia、Ib分别有九个扁平管4，段IIa、IIb分别有七个扁平管，段IIIa、IIIb分别有五个扁平管。这样就在制冷剂侧形成了递减的管路，也就是说，制冷剂侧的出口断面小于制冷剂进口断面，它相当于进口断面的5/9或56％。这对于在管系分为三个芯体和六段的情况下制冷剂侧流道的分级是有利的。其它的由字母数字组成的标号与图1中所示实施例的标号相同，也就是说，流动路线中有三个在深度上的折流UT1、UT2和UT3以及两个在宽度上的折流UB1和UB2。
图6中是以图2所示实施例为基础的流动模式，在这里也使用了相同的字母数字组成的标号。冷凝器10(见图2)的管系也在宽度上被分为三个芯体I、II和III，每个芯体在深度上被分为两个相同的段Ia、Ib，IIa、IIb及IIIa、IIIb。芯体I的管子数量为2×9，芯体II的管子数量为2×7，芯体III的管子数量为2×5，即与前一个实施例相同。在相同的段中，制冷剂在深度上的折流均发生在同一方向上，即与气流方向L相反的、箭头UT1、UT2和UT3所示的方向上。此外，从段Ib到段IIb，折流既出现在宽度上，也出现在深度上，如同箭头UBT1所示；从段IIa到段IIIa，折流同样既出现在宽度上，也出现在深度上，如同箭头UBT2所示。就这点而言，这种流动类型是一种交叉逆流，它与交叉流-逆流-直流相比在效率上具有优点。
图7中是另一种流动模式，在这里，冷凝器的管系在宽度上分为两个芯体I、II。芯体I在深度上分为两个相同的段Ia和Ib，每段带有九个扁平管4。芯体II分成一个带有九个扁平管4的段和两个子段：带有五个扁平管4的子段IIaa和带有四个扁平管的子段IIab。制冷剂首先流过背风侧的段Ia，然后它按箭头UT1所示在深度上折流，接着流过迎风侧的段Ib，之后它按箭头UB1所示在宽度上折流，并流进相邻的子段IIaa，随后它又按UT2在深度上折流并流向背风侧的段IIb，从那里再次按箭头UT3所示在深度上折流到背风侧的子段IIab。由于一个段被分成了两个子段，这里就出现了五段流路，也就是说是一个奇数。这样一种带有子段的流动模式特别有利于制冷剂在最后的子段IIab达到过冷。
在将一段分成若干子段时，具有优点的方法是在集流管设置隔壁。这一隔壁可以相应地采用隔板的形式。
图8中是另一种将冷凝器管系分成七段流路的形式。管系在宽度上分为三个芯体I、II、III；芯体I分成两个相同的、分别带有九个扁平管4的段Ia、Ib。芯体II分成两个相同的、分别带有七个扁平管的段IIa、IIb，芯体III分成一个带有七个扁平管的段IIIa和两个子段，带有四个扁平管的子段IIIba和另一个带有三个扁平管的子段IIIbb。制冷剂在上述各段之间的流动按照后面给出的箭头的顺序：UT1、UB1、UT2、UB2、UT3和UB3。
如果制冷剂出口断面与制冷剂进口断面之间的比例关系处于0.25到0.40的范围内时，前面所描述的所有形式(带递减管路的流动模式)可以使效率达到最大。这一比例等于制冷剂所流过的最后一段的扁平管数量ni与第一段的扁平管数量n1之间的比(前提条件是扁平管断面相同)。
图9为本发明所涉及的冷凝器与现有技术下的冷凝器之间在效率上的比较，这里，变化着的气流速度(单位：m/s)为横坐标。冷凝器的效率(单位：kW)为纵坐标。实线S表示的是传统的、多流程蛇形盘管冷凝器的效率，它的管路呈递减趋势。图1所示的本发明的第一种形式由一条标有KGG的虚线表示，它代表交叉流-逆流-直流。图2所示的本发明的第二种形式由一条标有KG的虚线表示，它代表交叉逆流。从图中可以看出，本发明的两种形式在效率上高于现有技术，其中，当气流速度增大时，形式2优于形式1。这样就可以看出将冷凝器管系分成在深度上折流的芯体和段的明显的优点。图中所示的曲线S、KGG、KG来自对带有相同端面和相同翅片密度的冷凝器的计算。
按照本发明的另一个方案，热交换器可以被从上到下或从下到上穿流。从下或从上由热交换器的安装位置决定。当然也可以是热交换器的一个平面被从下到上穿流，而另一平面则被从上到下穿流。在这种情况下，流道优选为水平布置。
在另一个具有优点的实施例中，流道可以布置在垂直方向上，集流管为水平方向。

Claims (17)

1.热交换器，特别是用于汽车空调的冷凝器或空气冷却器，具有至少两列流道，这些流道被制冷剂穿流并且端部与集流管相连；在各流道之间布置着被气体绕流的翅片，同时若干位于一个列的流道形成一个平面，而主要气流方向与这一平面垂直，并且这至少两列的流道沿气流方向前后依次排列。其特征在于，至少两列(2、3)流道(4)在所在平面中被分成至少两个芯体(I、II)，每个芯体(I、II)在与平面垂直的方向上被分成至少两段(Ia、Ib；IIa、IIb)流道(4)，其中各段在制冷剂侧被制冷剂由以下方式依次流过：在各段之间，在与平面垂直的方向上进行折流(UT1、UT2)，或在平面中进行折流(UB1、UB2)，或者既在平面中又在与平面垂直的方向上进行折流(UBT1、UBT2)。
2.按照权利要求1所述的热交换器，其特征在于，一部分段(IIa、IIIb)，特别是制冷剂侧位于顺流方向的段，在所在平面中被分成子段(IIaa、IIab；IIIba、IIIbb)。
3.按照权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，一个制冷剂进口(8，KME)位于一个背风侧的段(Ia)。
4.按照权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，一个制冷剂进口(8，KME)位于一个迎风侧的段(Ia)。
5.按照权利要求1到4中之一所述的热交换器，其特征在于，一个制冷剂出口位于一个迎风侧的段(IIIb)。
6.按照权利要求1到4中之一所述的热交换器，其特征在于，一个制冷剂出口位于一个背风侧的段(IIIb)。
7.按照权利要求1到6中之一所述的热交换器，其特征在于，芯体(I、II、III)的数量为三、四、五或更多。
8.按照权利要求1到7中之一所述的热交换器，其特征在于，从段到段的折流交替出现在与平面垂直的方向上(UT1)和在平面中(UB1)。
9.按照权利要求1到7中之一所述的热交换器，其特征在于，从段到段的折流交替出现在与平面垂直的方向上(UT1)和既在平面中又在与平面垂直的方向上(UBT1)。
10.按照权利要求1到9中之一所述的热交换器，其特征在于，流道由扁平管(4)构成。
11.按照权利要求1到9中之一所述的热交换器，其特征在于，至少两列流道(2、3)由一列直通的具有双流程或多流程(19a，19b)扁平管(19)构成。
12.按照权利要求1到11中之一所述的热交换器，其特征在于，与平面相垂直的折流(UT1、UT2)出现在一个共同的集流管(5)中，两列(2、3)流道或扁平管(4)的端部(4a)接入到这一集流管中。
13.按照权利要求1到12中之一所述的热交换器，其特征在于，在平面中的折流(UB1、UB2)借助隔板(9、11)在各集流管(6、7)中实现，其中，每列(2、3)流道或扁平管(4)有着相应的集流管(6、7)。
14.按照权利要求1到12中之一所述的热交换器，其特征在于，同时出现在平面中和与平面垂直的方向上的折流(UBT1、UBT2)通过折流元件(12、13)实现，该折流元件(12、13)将先后被制冷剂流过的段(Ib、IIb；IIa、IIIa)相互连接在一起。
15.按照权利要求10到13中之一所述的热交换器，其特征在于，为了实现在平面中的折流，集流管(6′、7′)被一个腹板(18)连接形成一个双管(14)。
16.按照权利要求11到13中之一所述的热交换器，其特征在于，为了实现在平面中的折流，集流管(6″、7″)采用分开的集流管(6″、7″)结构，直通的扁平管(19)的端部(19a′、19b′)则插入到集流管之中。
17.按照以上权利要求中之一所述的热交换器，其特征在于，热交换器是一种空气冷却器或冷凝器(1、10)，由一个钎焊而成并在两侧布置有集流管的管/翅片芯体构成。
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