CN86107019A - 热交换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热交换装置，其构成是：让有多个通 孔(3)的传热体(1)沿流体的流动方向周期性地弯曲 成大致的梯形形状，让该传热体在相邻的传热体 (1)之间弯曲的相位同步，并多枚并列设置。上述流 体的主流不通过上述传热体(1)的通孔，而在上述传 热体(1)之间的流道内流过，改善了传热特性，同时 由于设置了通孔(3)，实现了轻量化。

Description

本发明涉及热交换装置，尤其涉及传热片等的传热体的传热特性的改善。

作为以往的热交换装置所使用的传热体，有一种如第12图所示。

该图是图示以往的传热体的局部斜视图，在图中，（1）是沿流体（A）的流动方向（箭头所示方向）设置的传热体，由传热片、发热体、吸热体、蓄热体及散热体等构成。在第6图中，该传热体（1）多枚层叠起来，各传热体（1a）、（1b）、（1c）间形成流道，流体从其间通过。又，各传热体（1）沿流体的流动方向周期性地弯曲成梯形波形状，且在相邻的传热体间，弯曲的相位是同步的。

这样的传热体在此称为无孔梯形波状板。

第13图是图示现有的其他传热体的局部斜视图，它是将多枚平板状的传热体（1）沿流体（A）的流动方向（用箭头表示）设置的。这样的传热体在此称为平行平板。

第2图是图示上述的传热体的传热特性的特性图，其中无孔梯形波形板的特性用▲标记表示，平行平板的特性用●标记表示。在图中，横轴及纵轴的标记如下：

Re＝v·De/ν：雷诺数

Nu＝h/De/λ：努塞尔数

其中，v：传热体的最大通过风速

De：传热面间间距的2倍

h：传热率

ν：流体的动粘性系数

λ：流体的导热率

从第2图可知，第12图所示的无孔梯形波形板的传热体与第13图所示的平行平板的传热体显示出几乎相同的传热特性。也就是，在第12图所示的传热体中，因为流体是沿传热体流动的，所以可以认为与平行平板的传热特性基本不变。

本发明涉及的热交换装置的构成如下：把有多个通孔的传热体沿着流体的流动方向周期性地弯曲成大致为梯形波形状，使该传热体在相邻的传热体间弯曲的相位同步，多枚并列设置，上述流体的主流不通过上述传热体的通孔而在上述传热体间的流道中流动，所以在传热体的一侧面与另一侧面，通过通孔实现了流体的吸入和喷出，由于在吸入部温度边界层变薄，以及喷出部流体团的替换，因此促进了传热，传热体的传热特性得到改善。

第1图是图示本发明第1实施例中的传热体的局部斜视图，第2图是表示本发明第1实施例及以往的传热体的传热特性的特性图，第3图是图示弯曲流道流动方向的壁面压力变化的说明图，第4图及第5图分别图示本发明第2实施例及第3实施例所涉及的传热体的局部斜视图和局部剖视图，第6图是本发明第4实施例、第5实施例及第6实施例所涉及的传热体的局部剖面图，第7图是图示第4实施例的传热加速率的特性图，第8图是图示本发明第5实施例中的通孔外径与传热加速率的关系的特性图，第9图是图示第6实施例中的开孔率与传热加速率的关系的特性图，第10图是图示第7实施例中传热体的斜面的倾斜角度与管外传热率与风压损失之比的关系的特性图，第11图是第8实施例涉及的传热体的重要部斜视图，第12图及第13图分别是图示以往的传热体的局部斜视图。

实施本发明的最佳形态如下。

第1实施例

第1图是图示本发明第1实施例所涉及的传热体的局部斜视图。本实施例是在第12图所示的传热体上设置了多个通孔（3）而形成的。

把这种传热体（1）（称为多孔梯形波形板）的传热特性用第2图的△标记的实验值来表示。与第12图所示无孔梯形波形板的传热体相比，可以看出其传热特性得到了改善。

其原因如下。

第3图是图示普通弯折流道流动方向的壁面压力变化的说明图（泉他，波形流道内的流动及传热，日本机械学会论文志Vo1.46，No.412）。第3图（a）图示波形流道的剖面，（10a）及（10b）是弯折壁。

第3图（b）图示了该场合两壁流动方向无量钢壁面压力的分布。就该图来看，就同一的流动方向的位置来看，可以明白，正如当壁（10a）的压力高时壁（10b）的压力则低那样，对置壁的压力是相反的。也就是可以明白，当这样的流道层叠起来时，在波形流道壁的两侧（表、里侧）存在壁面压力差，它正如第3图（b）所示，是相对于流动方向而反转的。

因此，第1图所示的传热体（1）因为在其弯曲部附近，波形流道壁的两侧（表、里面）产生壁面压力差，所以部分流体通过通孔（3）而流出。即，如果构成第1图那样的传热体，则在传热体的一侧面及另一侧面，通过通孔（3）实现流体的吸入和喷出，吸入面与喷出面顺着流动方向依次排列。在吸入面，由于边界层可形成得非常薄，所以可得到很大的传热加速效果，而在喷出面，通过流体团的替换，同样能得到高的传热性能，由于这两方面的效果，所以认为可获得非常高的传热加速效果。

还有，在上述实施例中，流体（A）的主流沿着传热体（1）流动，而通过通孔（3）的支流是很少的。

即，在传热体（1）的弯曲的一周期中，流体的大部分在其一侧面的流道内通过相同的流道流动，只有有限的流体通过通孔（3）进出。因此，主流不偏向，而沿着传热体（1）流动。

第2实施例

第4图是根据本发明第2实施例的热交换器的局部剖斜视图，图示作为汽车等的散热器而大量使用的波纹片热交换器。

在图中，（1）是与第1实施例中所用的相同的第1传热体，设有很多的通孔（3），沿着空气等的2次流体（A）的流动方向周期性地弯曲成大致为梯形波形，使弯曲的相位同步，且多枚并列设置。（2）是与第1传热体（1）有温度差的第2传热体，是通过引擎冷却水等1次流体（B）的水管。该水管（2）与2次流体（A）的流动方向成正交地设置着。第1传热体（1）与第2传热体（2）传热性地接合在一起，在1次流体（B）与2次流体（A）间进行热交换。

第3实施例

第5图是根据本发明第3实施例的热交换器的局部剖面图，是空调用的散热片管热交换器。在第5图中，作为第2传热体（2）的管子贯穿过与第2实施例相同的第1传热体（1），与流体（A）的流动方向垂直设置。

对于如第4图及第5图所示的热交换器，由于1次流体（B）是使用水等的，所以通过1次流体（B）的第2传热体（2）侧的热交换特性一般较好，而对通过空气等2次流体（A）的第1传热体（1），即传热片的传热特性则希望能改善，与本发明上述实施例一样通过设置通孔（3），能获得性能优良的装置。

第4实施例

通过第6图说明第4实施例。该实施例的传热体（1）的尺寸是特定的。

该图是第1图的扩大剖面图，对于同一部分注上相同的符号。

l是把相当于沿传热体（1）的流动方向周期性地弯曲形成的大致为梯形波形的半个弯曲周期的传热面向着流道方向垂直投影时的长度，L是传热体的长度。

先说明一下梯形形状的周期。本发明的传热加速法因流体的同样吸入和喷出带来的传热加速效果也很大，但随着流体的出入而产生的温度边界层周期性变化引起的助跑区间的反复效果也不可忽视。即长度l对传热加速率的影响比梯形周期更大。因此，用长度l与传热体（1）的长度L之比l/L整理出了实验结果。

通过在空气中的实验来调查l/L的值与传热加速率的关系，其结果获得了第7图的特性图所示的结果。图中纵轴表示传热加速率，横轴表示l/L，参数是雷诺数Re

这儿，Re（基本上显示流速的大小）用下式定义：

Re＝ (2×（平均散热片间隔）×（以平均散热片间隔定义的流速）)/(空气的动粘性系数)

传热加速率是以传热体为平板且多枚平行排列时（平行平板）为基准，用下式定义：

传热加速率＝ (这时的平均努塞尔数)/(平行平板的平均努塞尔数)

其中的平均努塞尔数Nu是表示传热率的无量钢数，用下式定义

Nu＝ (（平均传热率）×2×（平均散热片间隔）)/(空气的导热率)

从第7图可知，传热加速率的特性是，对于l/L，它具有极大值，当l/L＜0.25时，得到平行平板时的1.5倍以上的较高值。又，该倾向几乎不随Re数而变化，另外虽未作图示，但即使改变其他的形状参数，该倾向也几乎不变化。因此，l/L取0.25以下是适当的。

又，作为其他的形状参数，最好用如下范围;

1.通孔（3）的直径;0.5～6mm

2.通孔（3）的开孔率（相对传热体面积的通孔面积）：0.05～0.40

3.传热体（1）间的平均距离：

1～2mm（小型，例如家庭空调用）

6～10mm（中型）

其原因，如前所述，可以认为是由于流体通过通孔（3）而进、出，使温度边界层也从此处起再发展（所谓助跑区间的反复效果）的缘故。因此，该部分的长度（即l）越短，传热加速效果就越高。

但是，如果变得太短，便接近平行平板的传热特性，所以传热加速率相反下降。又从制造考虑，l的长度3mm左右是极限。

为了得到有效的理想的传热加速率，l/L为0.3以下是适当的，从实用性看，l最好为3mm以上到50mm左右。

第5实施例

通过第6图说明第5实施例。该实施例把传热体（1）上设置的多个通孔（3）的孔径（直径）d作为特别规定。在图中，如果把通孔（3）的开孔面积在传热体（1）的面积中占的比例，即开孔率作为β，相邻流道的流道宽度为A₁、A₂（该场合A₁＝A₂），则该实施例中，A₁（或A₂）＝6mm，l＝15mm，L＝100mm，β＝12.5%。

该发明的传热加速法很大部分是通过使相邻的流道间产生静压差，以使流体的一部分经过通孔（3）流通，以此来促进传热的，可以认为，该通孔（3）的孔径d对传热加速特性有很大的影响。

因此，通过空气中的实验，调查了孔径d的值与传热加速率的关系。第8图图示了其结果。

在该图中，参数Re用下式作定义：

$\mathrm{Re\; =}\frac{{\mathrm{（A}}_1{\mathrm{＋A}}_2\mathrm{）\; \times ［用}\frac{{\mathrm{（A}}_1{\mathrm{＋A}}_2）}{2}\mathrm{定义的流速］}}{\mathrm{空气的动粘性系数}}$

纵轴是传热加速率，用下式作定义：

传热加速率＝ (该场合的平均努塞尔数)/(平行平板的平均努塞尔数)

平均努塞尔数 Nu是表示传热率的无量纲数，用下式作定义：

$\mathrm{Nu=}\frac{\mathrm{2\times （平均传热率）\times }\frac{{\mathrm{（A}}_1{\mathrm{＋A}}_2）}{2}}{\mathrm{空气的导热率}}$

第8图的倾向几乎不随Re数（基本上表示流速的大小）而变化，虽未图示，即使改变其他的形状参数也几乎无变化。根据实验，当开孔率β为0.05～0.4，l/L为0.25以下时，得到与第8图同样的倾向。

从第8图可知，传热加速率的特性是相对孔径d，具有极大值，因此，在孔径d＝0.5～4.5mm的范围内，得到1.5倍以上的较高值。

其原因是，一方面，即使开孔率β是一定的，因为传热体（1）具有有限的板厚，随着孔径d的变小，通孔（3）的流通阻力也会变大，即使相邻流道的静压差是一定的，通过通孔（3）的流体量也会下降，传热加速率也会变小;另一方面，如果孔径d变大到一定程度，因为开孔率是一定的，所以可认为通孔（3）部的流通阻力将变成一定的，但是可以想到，如果外径d不断增大，则通孔（3）的配置间距会变大，在第1实施例中所述的传热加速机制便不能维持，传热加速率便下降。根据如上情况，可以认为外径d存在适当值。

即，为了得到有效的传热加速率，理想的通孔孔径d必须为0.5～4.5mm。

不用说，即使通孔不是圆形的场合，如果其面积是与上述范围的圆的直径相对应的面积范围，也可得到同样的结果。

第6实施例

通过第6图说明第6实施例。本实施例对前述的开孔率β作了特别规定。又在本例中，在相邻传热体1之间，使弯曲的相位同步，所以，相邻传热体（1）的距离，即A₁、A₂、基本一定，A₁＝A₂。

如上所述，本发明的传热加速法的很大组成部分是，使相邻两流道间产生静压差，让流体的一部分经过通孔（3）流通，以此来使传热加速。从该意义出发，通孔（3）的开孔率β直接支配着流体的流量。因此，可以认为，β对传热加速特性的影响极大。

用空气中的实验调查了β值与传热加速率的关系，得到第9图所示结果。

在该图中，参数Re用下式作定义：

$\mathrm{Re\; =}\frac{{\mathrm{（A}}_1{\mathrm{＋A}}_2\mathrm{）\; \times ［用}\frac{{\mathrm{（A}}_1{\mathrm{＋A}}_2）}{2}\mathrm{定义的流速］}}{\mathrm{空气的动粘性系数}}$

并且对Re＝400、750、2000作了图示。纵轴是考虑了通孔造成的传热面积损失的传热加速率，它用下式定义：

传热加速率＝ (该场合的平均努塞尔数)/(平行平板的平均努塞尔数) ×（1-β）

平均努塞尔数 Nu是表示传热率的无量纲数，用下式定义：

Nu $=\frac{\mathrm{2\times （平均传热率）\times }\frac{{\mathrm{（A}}_1{\mathrm{＋A}}_2）}{2}}{\mathrm{空气的导热率}}$

第9图的倾向几乎不随Re数（基本上表示流速的大小）而变化，而且虽未图示，即使改变其他的形状参数也几乎不变化。

从第9图来看，传热加速率的特性是相对开孔率β有个极大值，从该结果可知，开孔率β＝0.05～0.5左右时，传热加速率得到2倍左右的较高值。

其原因可考虑为如下。

如果不考虑通孔（3）的存在引起的传热面积的减少量，而单以传热加速率进行评价，则因为随着开孔率β的增大，通孔（3）的流体流量也增加，所以其传热加速率也缓慢增加。

但是，使开孔率β增大即等于使传热面积减小，如用已把这一点考虑进去了的传热加速率进行评价，则结果变成如第9图所示。

实际上的传热加速率是第9图所示的情况，因此可知，为了获得有效的传热加速率，最好开孔率β＝0.05～0.5。

当然，当通孔（3）不是圆形，而是矩形等其他形状时也完全是相同的。

又，作为其他的形状参数，如下范围较理想：

（1）通孔（3）的直径d：0.6～6mm

（2）l/L：0.3以下（1＞2.5mm）

（3）传热体1，1间的平均距离：

1～2mm（小型，例如家庭空调用）

6～10mm（中型）

第7实施例

本实施例如果把第6图所示的传热体（1）的梯形斜面与流体的流动方向所成的角度θ控制在25°～65°的范围内，则从第10图可知，在同一风速下对于保持热交换器性能十分重要的一个因素管外传热率α与风压损失△P的比α/△P在此时为最大。

其原因是，如果角度θ较小，梯形形状的高度方向的尺寸E会变得比空气流流入方向产生的温度边界层的厚度还小，传热特性就降低。另外，如果角度θ很大，传热性能不大提高，而风压损失增大，作为热交换器的特性就下降。又，角度θ较大时，在散热片成形时散热片容易发生断裂等不良情况。

第8实施例

本实施例如第11图所示，通孔（3）从传热体（1）的斜面部（4）起一起架设到平面部（5）。

传热体（1）的斜面部（4）的通孔（3）主要控制流动损失，而平面部（5）的通孔（3）改善传热性能。因此，在开孔率同样为β的场合，如果在上述位置设置通孔（3），传热性能不大变化，而风压损失减少，其结果，管外传热率α与风压损失△P的比α/△P提高。该流动损失所以会下降，是由于空气通过上述位置的通孔（3），流向下流侧的放大部，致使缩小部的流速下降的缘故。

在上述4～8实施例中，对第1实施例中的l/L、l、d、β、θ及倾斜部上的通孔（3）的位置分别作了特别规定，当然，对于第2和第3两个实施例，也可用同样的思考方式作特别规定。

如上所述，根据本发明，由于其结构是，使有多个通孔的传热体沿流体的流动方向周期性地弯曲成大致为梯形形状，并使该传热体在相邻的传热体之间弯曲的相位同步并多枚并列设置，上述流体的主流不通过上述传热体的通孔而从上述传热体间的流道流过，所以传热特性得到改善，同时由于开设通孔，还可取得轻量化的效果。

Claims (10)

1、一种热交换装置，其特征是构成如下：让具有多个通孔的传热体沿流体的流动方向周期性地弯曲成大致梯形形状，让该传热体在相邻传热体间弯曲的相位同步，并多枚并列设置，上述流体的主流不通过上述传热体的通孔而在上述传热体间的流道内流过。

2、按权利要求1记载的热交换装置，其特征是，当把相当于梯形波半个周期的传热体向流道方向垂直投影时的长度作为l，把上述传热体的长度作为L时，l/L为0.3以下。

3、按权利要求2记载的热交换装置，其特征是，相当于梯形波半个周期的传热体向流道方向垂直投影时的长度l为2.5mm以上。

4、按权利要求1记载的热交换装置，其特征是，通孔的直径d为0.5～4.5mm。

5、按权利要求1记载的热交换装置，其特征是，通孔的开孔率β为0.05～0.5。

6、按权利要求1记载的热交换装置，其特征是，传热体的梯形形状中的倾斜面与流体的流动方向成的角度θ为25°～65°。

7、按权利要求1记载的热交换装置，其特征是，通孔从传热体的斜面部起一直开设到平面部。

8、按权利要求1至7中的任一项记载的热交换装置，其特征是，传热体上，传热性地接合着与该传热体有温差的第2传热体。

9、按权利要求8记载的热交换装置，其特征是，第2传热体贯通过多枚并列设置的传热体，并与沿传热体流动的流体的流动方向垂直地设置。

10、按权利要求8或9记载的热交换装置，其特征是，第2传热体是第2流体流通的管子。

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