CN202216603U - 折叠蒸发器管及蒸发器组件 - Google Patents

Abstract

一种折叠蒸发器管，包括：折叠成一横截面形状的具有厚度t的整条导热材料，该横截面形状具有：带有两个相对的管边缘的底壁，该管边缘过渡到一对与限定了内表面的所述底壁间隔开并与其基本平行的顶壁；一对邻接的中心壁，该中心壁基本垂直地从所述顶壁向外弯曲并且朝所述底壁延伸；基本垂直地从每个所述中心壁向外朝着所述相应的管边缘延伸的波纹部分；其中所述底壁具有宽度2w，其中所述波纹部分包括邻接所述内表面的交替凸缘部分和连接所述交替凸缘部分的通道壁，其中所述交替的相邻凸缘部分中的至少一个具有长度a，与相邻的所述通道壁相配合以限定的通道具有宽度b；并且每毫米宽度端口的数量PPMW在由等式PPMW＝2/(a+b+t)限定的1/w至2/t的范围内。本实用新型还公开了一种蒸发器组件，包括：第一集管；第二集管；至少两排在所述第一和第二集管之间延伸并且水力连通所述第一和第二集管的蒸发器管。

Description

折叠蒸发器管及蒸发器组件

相关申请的相互参照 

本申请主张名称为装配式管蒸发器、申请日为2010年5月20日、申请号为No.61/346，522的美国临时专利申请的权利，因此从整体上将其结合作为参考。 

技术领域

本实用新型大体涉及用于热交换器的管；特别是涉及用于蒸发器的装配式管；更尤其涉及折叠蒸发器管。 

实用新型的背景技术 

热交换器组件，例如用于机动车辆的散热器、冷凝器或蒸发器，通常包括入口集管、出口集管、水力连接两集管用于其之间流体流动的多根管和连接这些管的外翅片。集管、管和翅片通常组装成整体结构并且进行钎焊以形成热交换器组件。 

第一传热流体，例如液体冷却剂，通过这多根管从入口集管流向出口集管。第一传热流体接触管的内表面，同时第二传热流体，例如外部空气，接触管的外表面。在第一和第二流体之间存在温差之处，热量通过管壁从高温流体传给低温流体。在管的通道内设置内翅片以增加传热的有效表面积以及增加管的结构整体性是已知的。内翅片基本沿着管的长度延伸并且限定出多个通道或端口用于集管之间的传热流体流动。 

具有多个通道的热交换器管也就是多端口管。已知的制造多端口管的方法是通过冲模挤压出可变形导热材料的坯料。挤压成型工序能够用于形成不容易通过其他已知的制造工序提供的具有复杂几何特征以改善传热效率的内翅片。然而，已知的是，挤压成型工序因需要频繁更换挤压成型冲模以维持所需的复杂几何特征尺寸而费用昂贵。对于在机动车辆中的应用，挤压成型管也更容易受到道路盐分和酸雨的侵蚀并且需要大面积的缓蚀涂层，其增加了成本和制造的复杂性。 

形成多端口管的另一已知的方法是折叠易弯的导热材料板。典型的是，折叠金属材料的扁平伸长板以形成具有由内波纹褶皱限定的多个端口的管。内波纹褶皱形成限定了端口的形状和大小的内翅片。折叠管与挤压成型管相比，在节约成本和方便管自身的制造以及热交换器的最终装配方面提供了许多优势。一个优点是折叠管可以由无需涂敷额外涂层就能具有较好防腐蚀性的复合铝板形成。另一个优点是由于管上覆层的存在，热交换器的其他部件，例如集管和空气翅片，无需被包覆，从而简化用于防腐蚀的材料系统。更进一步的优点是由于无需被包覆，集管可以通过挤压成型技术形成以降低制造成本。 

然而，折叠管的缺点是导热材料板的厚度或规格限制了折叠工序能够提供的端口的几何形状和数量。端口的几何形状和数量是蒸发器型热交换器应用中的用以在特定的核心部件中满足传热需求的重要因素。 

在蒸发器型热交换器的应用中，对折叠管的一项长期需求是具有与挤压成型管相比，若不能提供更好的，也能提供等效的传热效率的几何形状和特征。 

实用新型内容

本实用新型的一方面是由具有一厚度(t)的整条导热材料折叠形成的蒸发器管。该折叠管的横截面形状具有底壁、一对邻接的中心壁和波纹部分，底壁带有两个相对的管边缘，管边缘过渡到一对与底壁间隔并基本平行的顶壁，该中心壁基本垂直地从顶壁向外弯曲并且朝底壁延伸，该波纹部分基本垂直地从每个中心壁向外朝着相应的管边缘延伸。 

底壁具有一宽度2w，波纹部分具有邻接管的内表面的交替凸缘部分和连接该交替凸缘部分的通道壁；交替的相邻凸缘部分中的至少一个具有与相邻的通道壁配合的长度a以限定具有一宽度b的通道，并且每毫米宽度端口的数量PPMW在由等式PPMW＝2/(a+b+t)限定的1/w至2/t的范围内。蒸发器管具有从管的底部外表面到顶部外表面测量得到的高度(h)和由从凸缘部分到通道壁的过渡半径限定的拐角半径(r_c)。该蒸发器管还具有由等式PPMW＝2/(a+b+t)限定的范围在0.40至0.80内的每毫米宽度端口的数量PPMW、由等式PS率＝a/b限定的范围在0.05至0.5内的端口形状PS率、由等式NDG率＝t/h限定的范围在0.11至0.21内的无因次规格NDG率和由等式NDCR率＝r_c/2t限定的范围在0.10至0.5内的无因次拐角半径NDCR率。 

或者，较佳地，PPMW的范围为0.40至1.0，更佳地为0.57；较佳地，端口形状率具有由等式PS率＝a/b限定的0.0至1.0的范围，更佳地，上述范围为0.05至0.60，最佳地，PS率为0.39。 

或者，较佳地，蒸发器具有由等式NDG率＝t/h限定的范围在0.05至0.333内的无因次规格NDG率；更佳地，上述NDG率的范围为0.11至0.21；上述NDG率为0.186。 

较佳地，蒸发器管具有由等式NDCR率＝r_c/2t限定的范围在0.0至1.0内的无因次拐角半径NDCR率，更佳地，述NDCR率的范围为0.10至0.50，最佳地，NDCR率为0.288。 

本实用新型的另一方面是具有第一集管、第二集管和至少两排在第一和第二集管之间延伸并且与其水力连通的蒸发器管的蒸发器组件。至少一个蒸发器管包括具有一厚度t的整条复合铝材，被折叠成其横截面形状具有底壁、一对邻接的中心壁和波纹部分，该底壁带有两个相对的管边缘，管边缘过渡为一对与底壁间隔并基本平行的顶壁，该中心壁基本垂直地从顶壁向外弯曲并且朝底壁延伸，该波纹部分基本垂直地从每个中心壁向外朝着相应的管边缘延伸。 

底壁具有一宽度2w并且波纹部分具有邻接内表面的交替凸缘部分和连接该交替凸缘部分的通道壁。交替的相邻凸缘部分中的至少一个具有长度a，凸缘部分与相邻的通道壁配合限定的通道具有宽度b。该蒸发器管具有从底部外表面到顶部外表面测量得到的高度h和由从凸缘部分到通道壁的过渡半径限定的拐角半径r_c。其中，每毫米宽度端口的数量PPMW由等式PPMW＝2/(a+b+t)限定在0.40至1.0的范围内；端口形状PS率由等式PS率＝a/b限定在0.05至0.6的范围内；无因次规格NDG率由等式NDG率＝t/h限定在0.11至0.21的范围内；无因次拐角半径NDCR率由等式NDCR率＝r_c/2t限定在0.10至0.5的范围内 

该蒸发器管还具有由等式PPMW＝2/(a+b+t)限定的范围在0.40至0.80内的每毫米宽度端口(PPMW)的数量、由等式PS率＝a/b限定的范围在0.05至0.5内的端口形状(PS)率、由等式NDG率＝t/h限定的范围在0.11至0.21内的无因次规格(NDG)率和由等式NDCR率＝r_c/2t限定的范围在0.10至0.5内的无因次拐角半径(NDCR)率。 

较佳地，PPMW为0.57；PS率为0.39；NDG率为0.186；并且NDCR率为0.288。 

较佳地，通道壁和内表面的交叉部分限定出41.5°的角度θ；w＝8.8mm；h＝1.4mm；并且t＝0.26mm；同时，a＝0.9mm；b＝2.3mm；并且r_c＝0.15mm。 

此外，还具有由公式 

限定的数值为0.738mm的水力直径D_h，其中 

具有上述临界参数的折叠蒸发器管提供了具有改善了的传热性能、减小了的制冷剂压降、增加了的爆裂强度、增加了的钎焊工序的坚固性和减小了的每单位体积热交换器质量的蒸发器。 

附图说明

本实用新型将结合附图做进一步的描述，其中： 

图1是用于机动车辆的具有两排折叠蒸发器管的蒸发器的立体图。 

图1A是图1的蒸发器的细节图。 

图2A-E示出形成用于图1所示蒸发器的折叠蒸发器管的中间阶段。 

图3是具有本实用新型的几何特征的折叠蒸发器管的横截面图。 

图4A-D是折叠蒸发器管的临界参数范围对于图1所示蒸发器的运行特性的影响的曲线图。 

具体实施方式

参考图1至3，其中相同数字始终表示视图中的相应部分，图中示出具有蒸发器管16的蒸发器10的一个实施例，蒸发器管16具有改进蒸发器10的运行特性的特征。图1所示是用于机动车辆的具有双排18、20的蒸发器管16的蒸发器10的立体图。蒸发器10被典型地容置在机动车辆的HVAC模块中并且包括多根蒸发器管16，这些蒸发器管16水力连接两个间隔开的集管12、14用于集管间两相制冷剂流动。作为示例性的两行程蒸发器10，第一集管12典型地是限定了空腔的入口/出口集管，其包括沿第一集管12的长度延伸的大致中心隔板13，并且将该空腔分成入口腔26和出口腔28。入口腔26水力连通入口端口30并且出口腔28水力连通出口端口32。第一排18的大致平行的蒸发器管16将入口腔26水力连接到返回集管14并且第二排20的蒸发器管16将返回集管14连接到出口腔28。外翅片22设置在蒸发器管16之间并且使其相互连接以增加用 于传热的有效表面积。蒸发器管16和翅片22一起限定蒸发器10的外部空气通过其流动的芯部34。 

在正常的运行条件下，部分膨胀的两相制冷剂经由入口端口30流入第一集管(入口/出口集管)的入口腔26并且继续通过第一排18的蒸发器管16流向第二集管(返回集管)14。从第二集管14，两相制冷剂通过第二排20的蒸发器管16流向第一集管12的出口腔28并且流出出口端口32。当两相制冷剂流过蒸发器管16时，两相制冷剂通过吸收外部空气的热量继续膨胀成气相。为了进一步增加传热效率，蒸发器管16包括具有提供用于改善蒸发器10性能的特殊临界参数的内部几何特征。 

图1A所示是图1中蒸发器10的细节部分1A的视图。图1A示出双排的B型折叠蒸发器管16。所示的B型蒸发器管16典型地通过折叠导热材料板形成以限定用于制冷剂流动的一连串内通道36。通过导热材料板的折叠形成的通道壁72作为内翅片以增加传热的有效面积。图2A-E示出形成B型折叠蒸发器管的典型阶段。 

图2A所示是局部的导热材料条50，优选是连续的复合铝条50，具有沿纵向的A轴线延伸的第一表面52和第二表面54。将导热材料条50在纵向上进入到具有多对设置用于使导热材料条50发生对称塑性变形的辊子的多位置滚轧成形设备中，以在A轴线的两侧形成波纹部分56。每个波纹部分56包括一连串交替波峰57和连接部分63。交替波峰57可以是与相应于导热材料条50的第一和第二表面52、54的基本平坦表面成尖锐拐角的，其重要性将在下文论述。 

滚轧成形设备中的中间位置继续进一步使导热材料条50变形到如图2B所示的中间结构。波纹部分56朝第二表面54向内折叠，使得在第二表面54同一侧的波峰57面向并且接触第二表面54。波纹部分56的折叠限定出邻接表面58。如图2C和2D所示，折叠的波纹部分56朝第二表面54再次被折叠，使得第一表面52的一部分限定出外管边缘60。如图2E所示，A轴线任一侧的波纹部分56的邻接表面58相互接近并且钎焊形成具有沿管长度的中心接缝的B型蒸发器管16。在离开滚轧成形设备时，连续的蒸发器管16被切成所需的长度。 

图3所示是具有中心壁62、两个相对的管边缘60、底壁64和一对顶壁66的图2A-E所示的B型折叠蒸发器管16的横截面视图。折叠蒸发器管16也具有由折叠材料条50的波峰57限定的，邻接折叠管的内表面70并且过渡到由连 接部分63限定的通道壁72的内水平凸缘部分68。与此处公开的一样，中心壁62、管边缘60、底壁64、顶壁66和波纹部分56通过折叠连续的复合铝条50形成。术语“底”、“上”和“水平”是任意的，因为蒸发器管可以以任意方向定向。同样地，中心壁62无需精确地处在横截面的宽度的中心，但是典型地是这样。 

B型蒸发器管较佳地由具有一原材料厚度(t)的复合铝条50折叠而成，且具有从外管边缘60到外管边缘60测量得到的宽度(2w)。对于具有双排蒸发器管16的蒸发器10，应用在汽车上的典型的B型蒸发器管具有10mm至30mm范围内的宽度(2w)。蒸发器管16的高度(h)从底壁64的外表面到顶壁66的外表面测量得到。邻接管表面的内表面70的凸缘部分68的长度由(a)表示。限定在管的通道壁72和内表面70的相邻交叉部分之间的通道36的距离由(b)表示。通道壁72和内表面70之间的角度由(θ)表示。从凸缘到通道壁72的过渡拐角半径由(r_c)表示。 

折叠蒸发器管16的水力参数和润湿参数定义为： 

水力直径， $D_h=\frac{2(a+b)(h-3t)}{(a+b+2(h-3t)/\sin \mathrm{\θ})},$ 其中 $\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{2h-6t}{b-a}\right)$

润湿周长， 

(大约) 

令人惊奇的发现是，具有根据临界参数定义的在某一因次范围内的特征的蒸发器管16改善了传热性能，减小了制冷剂压降，增加了爆裂强度，增加了钎焊工序的坚固性，以及减小了蒸发器的每单位体积的热交换器质量。临界参数确定如下：每单位毫米宽度端口(PPMW)的数量；端口形状率(PS率)；无因次规格(NDG率)；和无因次拐角半径(NDC率)。应用在蒸发器10中的临界参数的公式由下表1提供： 

	临界参数	公式
			1	每单位毫米宽度端口(PPMW)的数量	2/(a+b+t)
2	端口形状率(PS率)	a/b
			3	无因次规格(NDG率)	t/h
4	无因次拐角半径(NDCR率)	rc/2t

表1 

图4A-D示出B型蒸发器管16的临界参数范围对于蒸发器10性能的影响的曲线图。每个曲线图呈现出蒸发器10的工作特性，如同由(1)至(5)标识 的五条曲线所图解表示的，对应的是：(1)传热性能，(2)制冷剂压降，(3)管的爆裂强度，(4)有关钎焊工序坚固性的横跨管宽度的钎焊接触量，和(5)每单位体积的热交换器质量。每个单独的临界参数在X轴上表示并且蒸发器10性能的相应变化在Y轴上表示。曲线图中示出随着各自的临界参数的相应变化而产生的蒸发器10性能的相应变化。 

参照图4A，对于具有一固定宽度(2w)的蒸发器管16，端口的理论最小数量是2，使得蒸发器管16仅仅由中心壁62支撑，其中a＝b＝w，t≈0。端口的理论最大数量可仅受通道壁72的厚度(t)或材料规格的限制。如果端口的数量太大，管的横截面会充满很多显著减小流动横截面的垂直通道壁72。为了认识端口数量的变化所产生的影响，对不同的运行条件做评价，其中包含θ的参数保持不变。因而事实上这意味着等量改变a和b。当PPMW从1/w增加到2/t时，工作特性曲线(1)、(2)、(3)和(5)上升而工作特性曲线(4)下降。 

参照图4B，PS率可以通过a和b两者被改变来调节，这样(a+b)必须保持不变以保持恒定的端口数量。端口形状也随着h改变。然而，改变h影响其他临界参数。改变端口形状率涉及角度θ和水力直径D_h，其将影响上述列表中的一些工作特性。当PS率从0.0增加到1.0时，端口的形状从三角形横截面变成矩形横截面。如图4B所示，工作特性曲线(2)至(5)上升而工作特性曲线(1)下降。 

参照图4C，规格的影响比其他参数更容易理解。高规格的需求典型地来自腐蚀和机械强度问题。然而，传热也在某些程度上被规格影响。在非常低的规格下，限定通道36的网不能充分导热，其结果是具有低翅片效率。其也降低了爆裂强度。当NDG率从0.0增加到0.333时，工作特性曲线(2)、(3)和(5)上升，同时工作特性曲线(4)保持基本不变并且工作特性曲线(1)先上升然后显著下降。 

参照图4D，拐角半径(r_c)在管的制造方面上的影响远大于其在产品特性上的影响。然而，这个特征在工作特性上会具有如下描述的次要的影响。拐角半径越大，θ越不清晰。当由通道壁72和紧邻的凸缘部分68形成的网呈“S”形时拐角半径达到最大。当NDC率从0.0增加至0.5时，工作特性曲线(1)少量下降然后上升，工作特性曲线(2)和(5)上升，而工作特性曲线(4)保持不变，并且工作特性曲线(3)先上升然后下降。 

基于曲线图中所示的性能，对于具有双排蒸发器管16的蒸发器10而言理想的是具有相应于下表2所示的临界参数的几何特征： 

	参数名	工作范围	需求范围	当前管
					1	每单位毫米宽度端口(PPMW)的数量	1/w-2/t	0.4-1.0	0.57
2	端口形状率(PS率)	0.0-1.0	0.05-0.6	0.39
					3	无因次规格(NDG率)	0.05-0.333	0.11-0.21	0.186
4	无因次拐角半径(NDCR)	0-1.0	0.1-0.5	0.288

表2 

对于用在具有双排蒸发器管16的蒸发器10中的具有17mm至18mm宽度的典型的蒸发器管16，下表3所列基于上述临界参数的管的尺寸被发现能够提供显著改善的性能。 

尺寸	数值(mm)
		W	8.8
h	1.4
		t	0.26
a	0.9
		b	2.3
端口数	10
		rc	0.15
θ	41.5°
		Dh	0.738

表3 

这里所提供的具有带临界参数的双排B型蒸发器管16的蒸发器10具有改善传热性能、减小制冷剂压降、增加管的爆裂强度、增加钎焊工序的坚固性和减小蒸发器的每单位体积热交换器质量的优势。由复合铝板折叠而成的蒸发器管16提供比挤压成型管更加优良的腐蚀保护。对于具有复合铝材折叠而成的管的蒸发器，主要的钎焊合金来自覆层。管上唯一的这一覆层足以将主要部件例如蒸发器管16、外翅片22和集管12、14钎焊和粘附在一起。一些剩余部件例如集管的端部插头和跨接件，其尺寸要小得多，也需要被包覆，但是这些所需的包覆量是极少的。因此，采用无覆层的集管12、14和核心34是有益的，其不仅节约材料成本而且在材料品质和一致性的维持上更加简单。同样，这也使集管能够由不那么昂贵的挤压成型工序形成。 

虽然本实用新型根据具有双排蒸发器管和两行程的蒸发器进行描述，但不意味着局限于此，而仅是处在下述权利要求提出的范围内。所公开的蒸发器管 16可以用于具有两排以上蒸发器管16和许多制冷剂行程的蒸发器10。 

Claims (17)

1.一种折叠蒸发器管，包括：

折叠成一横截面形状的具有厚度t的整条导热材料，该横截面形状具有：

带有两个相对的管边缘的底壁，该管边缘过渡到一对与限定了内表面的所述底壁间隔开并与其基本平行的顶壁；

一对邻接的中心壁，该中心壁基本垂直地从所述顶壁向外弯曲并且朝所述底壁延伸；

基本垂直地从每个所述中心壁向外朝着所述相应的管边缘延伸的波纹部分；

其中所述底壁具有宽度2w，

其中所述波纹部分包括邻接所述内表面的交替凸缘部分和连接所述交替凸缘部分的通道壁，

其中所述交替的相邻凸缘部分中的至少一个具有长度a，与相邻的所述通道壁相配合以限定的通道具有宽度b；并且

每毫米宽度端口的数量PPMW在由等式PPMW＝2/(a+b+t)限定的1/w至2/t的范围内。

2.如权利要求1所述的折叠蒸发器管，其特征在于，PPMW的范围为0.40至1.0。

3.如权利要求1所述的折叠蒸发器管，其特征在于，PPMW为0.57。

4.如权利要求1所述的折叠蒸发器管，其特征在于，还具有端口形状PS率，所述端口形状率具有由等式PS率＝a/b限定的0.0至1.0的范围。

5.如权利要求4所述的折叠蒸发器管，其特征在于，所述PS率的范围为0.05至0.60。

6.如权利要求4所述的折叠蒸发器管，其特征在于，所述PS率为0.39。

7.如权利要求1所述的折叠蒸发器管，其特征在于，蒸发器管还具有从所述蒸发器管的底部外表面到顶部外表面测量得到的高度h，和由等式NDG率＝t/h限定的范围在0.05至0.333内的无因次规格NDG率。

8.如权利要求7所述的折叠蒸发器管，其特征在于，所述NDG率的范围为0.11至0.21。 

9.如权利要求7所述的折叠蒸发器管，其特征在于，所述NDG率为0.186。

10.如权利要求1所述的折叠蒸发器管，其特征在于，还具有：

从所述凸缘部分到所述通道壁的过渡半径所限定的拐角半径r_c，和

由等式NDCR率＝r_c/2t限定的范围在0.0至1.0内的无因次拐角半径NDCR率。

11.如权利要求10所述的折叠蒸发器管，其特征在于，所述NDCR率的范围为0.10至0.50。

12.如权利要求10所述的折叠蒸发器管，其特征在于，所述NDCR率为0.288。

13.一种蒸发器组件，包括：

第一集管；

第二集管；

至少两排在所述第一和第二集管之间延伸并且水力连通所述第一和第二集管的蒸发器管；

其中至少一个所述蒸发器管包括：

折叠成一横截面形状的具有厚度t的整条复合铝材，该横截面形状具有：

带有两个相对的管边缘的底壁，该管边缘过渡到一对与限定出内表面的所述底壁间隔开并与其基本平行的顶壁，

一对邻接的中心壁，该中心壁基本垂直地从所述顶壁向外弯曲并且朝所述底壁延伸，

基本垂直地从每个所述中心壁向外朝着所述相应的管边缘延伸的波纹部分，

从所述蒸发器管的底部外表面至顶部外表面测量得到的高度h，以及

从所述凸缘部分到所述通道壁的过渡半径所限定的拐角半径r_c；

其中所述底壁具有一宽度2w，

其中所述波纹部分包括邻接所述内表面的交替凸缘部分和连接所述交替凸缘部分的通道壁，

其中所述交替的相邻凸缘部分中的至少一个具有与相邻的所述通道壁相配合以限定出具有一宽度b的通道的长度a；并且

每毫米宽度端口的数量PPMW由等式PPMW＝2/(a+b+t)限定在0.40 至1.0的范围内；

端口形状PS率由等式PS率＝a/b限定在0.05至0.6的范围内；

无因次规格NDG率由等式NDG率＝t/h限定在0.11至0.21的范围内；无因次拐角半径NDCR率由等式NDCR率＝r_c/2t限定在0.10至0.5的范围内。

14.如权利要求13所述的蒸发器组件，其特征在于：

PPMW为0.57；

PS率为0.39；

NDG率为0.186；并且

NDCR率为0.288。

15.如权利要求13所述的蒸发器组件，其特征在于，所述通道壁和所述内表面的交叉部分限定出41.5°的角度θ；

w＝8.8mm；

h＝1.4mm；并且

t＝0.26mm。

16.如权利要求15所述的蒸发器组件，其特征在于：

a＝0.9mm；

b＝2.3mm；并且

r_c＝0.15mm。

17.如权利要求16所述的蒸发器组件，其特征在于，还具有由公式 

限定的数值为0.738mm的水力直径D_h，其中 

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