CN86102670A - 热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明的热交换器由若干个按一定向间隔平行排列的平板散热片和几个传热管构成。空气可以从散热片之间流通，传热管与平板散热片垂直装配，并且流体在该传热管内流通。传热管沿散热片的长度方向相邻的传热管之间的连线与空气流方向垂直。对于空气流而言，位于上流区的传热管在空气流方向的投影面至少都和位于下流区的一根传热管的位置有一部分重迭。相邻传热管在垂直于空气流方向的间距小于在空气流方向的间距。这样的装配，兼顾了着霜特性和传热性能两个方面的优点。

Description

本发明是关于用于空调、冷冻等方面的热交换器。在这种热交换器中，热量的交换是在制冷媒介和空气等流体之间进行的。

如第4图所示，现有的这类热交换器由铜管1和散热片2构成，铜管1借助于U形弯头相互连接，散热片2是用铝等材料制成的，在铜管1内部流动的制冷媒介与散热片2之间流动的空气3进行热量交换。近年来，对这样的热交换器提出了小型化和高效率的要求。但是，从噪音等观点考虑，由于使散热片之间的空气流速降低了，所以，空气的热阻抗比管内的热阻抗增大了。因此，现在人们设法借助于扩大空气的传热面积，以达到减小与管内热阻抗的差别。但是，传热面积的扩大是有一定限度的，同时，从经济性和节约空间等方面考虑，也存在一定问题，因此，就这类热交换器而论，降低空气的热阻抗就成了重要的课题。另外，近年来，为了进一步提高这类热交换器的性能，在散热片表面加工沟槽和放热孔，但是，如果作为热泵室外机的热交换器使用，到了冬季，由于着霜严重，和平面散热片相比，必须频繁地除霜。因此，室内的温度变化太大，舒适性欠佳。另外，从经济方面考虑，由于除霜状态转换时有能量损失，季节效率不高。因此，对于热泵冷气设备和暖气设备的室内机，使用表面加工有沟槽和放热孔的散热片，而对于室外机所用的热交换器，则使用平面散热片。使用平面散热片时，由于室外机的体积变大，成本也高，所以，期望获得某种改善。

第2a图和第2b图是现有未加工沟槽的热交换器的一个例子。第2a图是平面图，第2b图是侧面图。氟里昂等制冷媒质在铜管4内部循环，该制冷媒质的热量从铜管4传递给散热片轴环5，然后传递到散热片6。空气7从散热片6的前方流动，通过散热片6的间隙时，从温度不同的散热片6的表面与制冷媒质进行热量交换。依靠这种作用，制冷媒质和空气的热交换可以连续地进行。这样的散热器虽然效率较低，但是着霜性能好。也就是说，由着霜所引起的性能降低的程度很小，因此，通常用在热泵冷气设备和暖气设备的室外机上。但是，如果把用这样的平面散热器构成的热交换器与在散热器上加工沟槽和放热孔的热交换器进行比较，那么，前者的缺点是效率低，与单位效率对应的重量或者体积很大。因此，尽管试图用各种办法提高它的着霜性能，但是，仍然难于找到着霜性能和效率两者兼顾的性能优良的散热片构造。

此外，第3a图和第3b图是现有的具有凸带8的典型的热交换器的例子。第3a图是平面图，第3b图是沿Ⅲa-Ⅲa线的散热片剖面图。氟里昂等制冷媒质在铜管内部循环，该制冷媒质的热量从铜管5传递给散热片轴环6，然后传递给散热片7和凸带8。另一方面，从箭头9方向由散热片送来的空气通过散热片的间隙时，与温度不同的散热片表面进行热量交换。

这个例子叫做散热片7上具有凸带8的沟槽散热片，通过实验，和散热片表面没有加工过的平面散热片进行比较，这种散热片表面的热阻抗大约降低了40～50%。但是，根据理论计算，在散热片表面设置这样的凸带时，由于层流的起始段区间的传热效率很高，散热片表面的热阻抗值应该能够降低50%以上。造成实验值与理论值不一致的原因有各种因素，但是，其中主要的有以下几点：（1）通过凸带8的空气流的通风阻抗高，由于通过凸带8以外部分的空气量增加，而通过凸带部的空气量减少，所以，热性能未能充分发挥。（2）由于积水域较宽，所以减小了有效传热面积。特别是由于位于空气流9上流区的铜管5后流的积水域复盖了后部的凸带，所以，这些凸带8的热阻抗增大，从而使散热片的平均热阻抗增大。（3）由于铜管5交错地排列成锯齿形，在铜管5的前边或后边设有凸带8，妨碍来自铜管5的热流传导，致使散热片的效率降低。

但是，由于这种有凸带的散热片的性能比平面散热片高得多，因此，目前室内用的热泵冷气设备和暖气设备或者冷气专用机器中仍然广泛使用。如前所述，尽管具有这种凸带结构的散热片的性能不错，但是着霜性能不佳。

本发明的热交换器中设有平板散热片和传热管，平板散热片按一定间隔平行地排列，气流在其间流通，传热管与该放散热片垂直地装配，流体在管内流动，传热管的装配使相邻传热管之间的连线与空气流方向交叉，同时，位于空气流上流区的传热管在空气流方向的投影面都和位于下流区的传热管的位置有一部重迭，所以，传热管在与空气流正交方向的间隔小于在空气流方向的间隔。

第1图是现有的热交换器实例的斜视图，第2a图和第2b图是目前使用平面散热片的热交换器实例的结构图，第3a图和第3b图是现有的是采用沟槽式散热片的热交换器实例的结构图，第4a图、第4b图、第5a图、第5b图、第6a图、第6b图、第7a图和第7b图是本发明没有沟槽的实施例的结构图，第8图是本发明的热交换器的工作说明图，第9a图、第9b图、第10a图和第10b图是本发明具有沟槽的实施例的结构图。

下面，参照附图说明本发明的一个实施例。第4a图和第4b图是本发明的热交换器的第一个实施例，第4a图是平面图，第4b图是侧面图。10a和10b是铜管，制冷媒质在其内部循环。媒质的热量从铜管10依次传递给散热片轴环11和散热片12，和在其前面流动的空气13进行热交换。铜管10的装配如10a和10b的相互关系那样，上流区的铜管10a的投影面14和铜管10b的位置有一部分重迭，而且铜管群之间的间距b大于相邻铜管间的距离c。也就是说，通常，上流区的铜管10的投影面都和下流区的铜管位置有一部分重迭。这一对铜管的中心距离a和热传递效率以及压力损失的关系如第8图所示：如果b/c值减小，则压力损失增大，因此，在本实施例中，取b＞c。另外，中心距离接近散热片轴环直径的1/2左右时，热传递效率最大。在本实施例中，虽然取a等于直径的1/2，但是，可以期望，如果取a等于直径的2/5～5/8，也能够获得基本相同的效果。这样装配压力损失小于采用交错式锯齿形排列的情况。另外，在本实施例中，铜管排列成斜线，与空气流斜交，和棋盘格式排列相比，铜管距离增大了，所以，着霜良好。并且，如果采用棋盘格式排列，铜管的整个后流域几乎全部变成积水域，而按照本实施例的排列，积水域可以显著地减小。

但是，如实施例所示，本发明的效果只限于带散热片的热交换器，如果不使用散热片，按这种方式构成的热交换器不能获得充分的效果。

第5a图和第5b图是本发明的第二个实施例，第5a图是平面图，第5b图是侧面图。这一实施例的效果和第4a图及第4b图所示的本发明第一个实施例基本相同，所不同的只是铜管15的装配以及有无突起点。铜管15b的位置有一部分与铜管15a的投影面20重迭。另外，散热片17面上加工的突起点18也都有一部和某个铜管的投影面重迭。通过设置这样的突起点18，上流区的管和散热片之间产生的马蹄形旋涡进入由铜管15a、15b、15c和15d组成的铜管群内部，于是，铜管群内部的热传递效率显著提高，同时，由于流体在铜管后部也流动，所以，积水域减小，从而增大了有效传热面积。

第6a图和第6b图是本发明的第三个实施例，第6a图是平面图，第6b图是沿第6a图的Ⅵb-Ⅵb线的剖面图。这一实施例的效果也如上述本发明的其他实施例基本相同，不同点在于设置了横跨在铜管群之间的直线状凸条24。该凸条24是为了促进着霜运转时水滴的下落，抑制由于水膜引起的热传递效率降低和压力损失增大，实现压力损失小而且传热效率高的蒸发器用的散热片而设置的。在本实施例中，直线状凸条24设置在相邻铜管群的一个上流区的铜管之间，譬如象铜管21a和21c之间那样。但是，这个凸条24也可以设置在铜管21a和21d之间，也就是说，可以和空气流方向垂直。另外，这个凸条24可以扰动空气，同时还具有减小积水域的效果，从而可以提高热传递效率和扩大有效传热面积。

根据以上说明，可知本发明的热交换器具有以下性能：（1）由于各传热管群内的传热管在与气流的垂直方向分别稍微错开排列，所以，上流区的管和散热片产生的马蹄形旋涡冲击下流区的管，使管表面出现高效率的热传递区域。（2）从上述上流区产生的马蹄形旋涡冲击到管表面后，向管两侧分开，附着在管上，绕到管后部，所以，积水域减小，有效传热面积增强。（3）由于传热管群之间的距离比传热管群内的传热管之间的距离大，所以，压力损失小。（4）由于传热管群内的传热管在垂直于空气流方向错开排列，所以，传热管间的距离比管子沿气流方向排成一列时大，有水滴附着时容易下落，着露时的传热性能好。由于以上这些作用，即使对于没有进行过加工的散热片即平面散热片也能实现高传热性能。因此，把本发明使用于热泵暖气设备的室外热交换器时，着露时间较长，而且可以作成小型化的室外设备。

另外，第7a图和第7b图是本发明的第四个实施例，第7a图是平面图，第7b图是沿第7a图的Ⅶb-Ⅶb线的剖面图。26是铜管，27是散热片轴环，28是散热片，如图所示，该散热片28靠近空气流29一边的端部30比后端部长。并且，如第7b图所示，散热片28作成波浪形状。铜管26和上述实施例一样，位于空气流上流区的管的投影面都和后流区的管位置有一部分重迭。

在这一实施例中，加上第4a图和第4b图所示的实施例的效果，可以获得如下显著的作用：（1）由于把散热片前端延长了，所以，前端部的散热片效率变坏，可以使前端的着霜量减少。因此，使前端部的霜引起的闭塞时间明显地增长。（2）由于把散热片表面加工成波浪形状，所以，由上流区的管形成的马蹄形旋涡通过散热片的凸部时，向凸部上方放洩，同时冲击下流区的管，所以，旋涡扩散开来，既可以提高热传递效率，又可以减小积水域。（3）流动从波浪的凸凹部流入铜管周围的平面区域时，在波浪部的铜管附近产生二次流，从而可以提高热传递效率。

如上所述，本实施例也可以得到使着霜性能和效率都有明显提高的热交换器。

下面，参照附图说明本发明的第五个实施例，这个实施例具有沟槽结构。

第9a图是本发明具有沟槽结构的一个实施例的热交换图的平面图，第9b图是沿第9a图的Ⅸb-Ⅸb线的剖面图。另外，31a、31b和31c是铜管，在这些铜管的周围嵌合着加工成内缘翻边状的散热片轴环32。33是散热片，34是桥形凸起部。制冷媒质在铜管31a、31b和31c内部流动，该制冷媒质的热量依次传递给铜管31、散热片轴环32、散热片33和凸起部件34。另外，从箭头方向流动过来的空气流35通过散热片间隙时，通过与空气接触的面把从制冷媒质传递过来的热量进行间接的交换。

铜管31b及31c的1/2与用斜线表示的位于空气流上流区的铜管31a的投影面36重迭。由于该铜管31b和31c的作用，铜管31a的后流进入投影面36内流动，所以，积水域显著地减小。铜管31c的位置也可以再向铜管31b的下流区挪动一下，这和本发明的权利要求不矛盾，但是，积水域的减小效果就会比本实施例差些。另外，本实施例的铜管31b和31c与投影面36的重迭部分恰好是铜管直径的1/2，但是，如果象没有沟槽结构的散热片那样只重迭一小部分，也是有效果的。本实施例的情况是铜管31使用了三根铜管，但是，超过三根或少于三根也可以。

本实施例的凸起部34被围在铜管31a、31b和31c当中，并且和散热片33接合的脚部与空气流35的方向斜交。因此，该脚部具有把空气导入铜管群31内的作用，从而使积水积减小。另外，由于该脚部也处于铜管31a和31b的后流区，所以，在铜管群之间，空气流速是均匀的，没有空气流速变快的部分。因此，凸起部34的传热性能不会因空气流速降低而有所影响。而且，由于铜管群31a、31b和31c一概都是一列，所以不会阻碍铜管群之间的热流，这样，也可以提高散热片的效率。因此，整个散热片的传热性能就显著地提高了。

下面，说明本发明的第六个实施例。

第10a和第10b图是本发明的第六个实施例，第10a图是平面图，第10b图是沿第10a图的Ⅹb-Ⅹb线的剖面图。37a、37b、37c和37d是铜管，铜管37b的一部分和铜管37a的投影面重迭，同样，铜管37c和铜管37d的一部分分别和铜管37b及铜管37c的投影面重迭。在本实施例中，重迭的部分是直径的1/2，但是，只要这个值在和第8图的本发明实施例所说的数值范围大体相等的范围内，效果就是最好的。另外，38是散热片轴环，散热片39加工成内缘翻边形状。40是装在散热片39表面的桥形凸起部。为了搅拌空气流43，在铜管37之间，加工成贯穿铜管群的山字形突起41，而在其中的一个山字形突起41的顶部加工很多凹穴42。这些凹穴的底部与气流斜交。由于这些凹穴的作用，引起气流混合，并搅拌边界层，所以，可以提高热传递效率。另外，把这种热交换器作为蒸发器使用时，该山字形凸起41不仅可以搅拌气流，而且还有聚集凝结水的效果，所以，凝结水可以迅速地落下，从而提高传热性能。

如上所述，本实施例具有如下性能：（1）传热管群之间流动的空气流速均匀，显著地减小了凸起部的热阻抗。（2）由于下流区的传热管的影响，位于上流区的传热管的后流改变方向，流入积水域一边，从而使积水域减小，增加有效传热面积。（3）从气流方向看，各个传热管的位置没有显著的错开，所以，并不影响从传热管到散热片及凸起部的热流，提高了散热片的效率。

Claims (14)

1、热交换器的特征在于：由以一定间隔平行设置的若干个散热片和与该散热片正交的几个传热管构成，传热管在上述散热片上的排列使与空气流方向相邻的传热管之间的连线与空气流方向斜交，位于上流区的传热管在上述空气流方向的投影面和位于下流区的传热管的位置有一部分重迭，而上述相邻传热管在与上述空气流正交方向的相互间隔比在上述空气流方向的相互间隔小。

2、按权利要求第1项所述的热交换器的特征在于：任何传热管的投影面都和相邻传热管的位置有一部分重迭。

3、按权利要求第1项所述的热交换器的特征在于：相邻传热管之间的连线呈锯齿形状。

4、按权利要求第1项所述的热交换器的特征在于：相邻传热管之间的连线呈直线形状。

5、按权利要求第1项所述的热交换器的特征在于：把散热片作成沿空气流方向的波浪形状。

6、按权利要求第5项所述的热交换器的特征在于：使散热片的谷部位于传热管之间的间隔处。

7、按权利要求第1项所述的热交换器的特征在于：沿空气流方向排列的传热管列在散热片的长度方向设置了若干列，在上述任意不同列的传热管之间形成凸条。

8、按上述权利要求第7项所述的热交换器的特征在于：凸条与上述散热片的长度方向斜交。

9、按权利要求第1项所述的热交换器的特征在于：在散热片长度方向的传热管之间形成沿散热片长度方向的凸带（第9图）。

10、按权利要求第1项所述的热交换器的特征在于：在散热片表面有突起点。（第5图）

11、热交换器的特征在于：在若干散热片上若气流方向呈非直线状排列的三根以上的传热管列在散热片长度方向装配了若干列，在上述散热片的传热管列之间沿空气流方向设置了几个开口的凸带，在上述各传热管列中，位于空气流上流区的传热管向该传热管下流区的投影面和下流区的传热管的位置有一部分重迭。（第9图）

12、按权利要求第11项所述的热交换器的特征在于：凸带和散热片接合的脚部与上述空气流方向斜交。

13、按权利要求第11项所述的热交换器的特征在于：在沿传热管列方向的传热管之间，各传热管列都形成共同的尖凸形状。

14、按权利要求第13项所述的热交换器的特征在于：尖凸形状呈山字形，在其顶部形成很多凹穴。

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