熱交換器及其制造方法

專利名稱：熱交換器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及能夠用在空調，尤其用于機動車的熱交換器。另外，本發明還涉及到制造這種熱交換器的方法。
本申請基于在日本提交的專利申請平11-153022，該申請的內容在此引作參考。
熱交換器管道一般用在安裝于例如機動車的空調中的熱交換器。熱交換器主要分為兩類管道，分別示于

圖19和圖20。
圖19示出的是一個稱之為“縫焊管道”的例子，用標號1來表示。縫焊管道1由扁平狀的管道2和波紋狀的內翅片4構成。其中，波紋狀內翅片4通過管道2的兩個開口3插進管道2中。波紋狀內翅片4的形狀為波紋形，其波峰部分4a通過焊接等手段接合于管道2的內表面。
圖20所示的是一個擠壓管道的例子，用標號5來表示。擠壓管道5具有管道部6和分隔壁7，這些部分經擠壓模塑一體成型。
如果熱交換器用圖19所示的縫焊管道1設計，則其優點是由于波紋狀內翅片4插進管道2中，擴大了整個的加熱面積，提高了傳熱速率。但是，其缺點是，生產這種熱交換器在將波紋狀內翅片4插進管道2并接合到管道2的內表面上時需要大量的工時。工人的這些工作帶來了生產成本增加的問題。
如果熱交換器用圖20所示的擠壓管道5來設計，則其優點是，由于分隔壁7將擠壓管道5的內部空間分隔成多個管道部6，所以擴大了整個的加熱面積，提高了傳熱速率。而因為擠壓管道5用擠壓模塑技術生產，所以，很難將管道部6作得很小，也很難使分隔壁7的厚度足夠地薄。另外，擠壓模塑技術需要大量的材料用于形成擠壓管道5，因此，增加了生產成本。而且，由于分隔壁7的厚度較大，所以不可能提高熱交換能力太大。
本發明的目的是提供一種熱交換器，能夠提高其承壓強度和熱交換能力，而不會使生產成本增加很大。
本發明的另一個目的是提供一種生產這種熱交換器的方法。
一種由裝配在一起的管道、波紋狀翅片和集流管構成的熱交換器，其中，管道是通過彎曲一個表面覆蓋有釬焊材料的平板形成第一壁和第二壁構成的，第一壁和第二壁相對設置，其間有預定的間隔，形成致冷劑通道。在彎曲前，通過施壓形成多個從平板內表面突出的凸起部分。通過彎曲，這些凸起部分在第一壁和第二壁之間沿高度方向成對對應，因此，它們的頂部相互接觸，形成具有預定截面形狀的支柱。該截面形狀與由一個短軸和一個長軸構成的橢圓或長圓對應。這些支柱設置成在與致冷劑流動方向一致的管道的長度方向沿著其長軸對齊，于是，相對于管道長度方向斜向相鄰設置的斜向相鄰支柱，從垂直于管道長度方向的寬度方向看，設置在不同的位置上，并且沿著長度方向相互部分重疊。這些管道、波紋狀翅片和集流管裝配在一起，然后放在熱爐中加熱預定時間。
因為管道中支柱的這種布置和形狀，能夠提高管道的整個熱交換速率，也可能提高管道的抗壓強度。
其中，每一個支柱都有一個由下述關系式定義的預定截面形狀2.0≤d2/d1≤3.0另外，利用沿管道寬度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第一中心距離p1和沿管道長度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第二中心距離p2，支柱被設置于管道內部，滿足下述關系式1.5≤p1/d1≤3.00.5≤p2/d2≤1.5下面參照附圖，詳細地描述本發明的上述和其它目的、情況和實施例。其中，圖1是根據本發明第一實施例的熱交換器的前視圖；圖2是圖1的熱交換器主要部件管道詳細結構的放大透視圖；圖3是沿圖2中III-III線的管道剖視圖；圖4是沿圖2中IV-IV線的管道剖視圖；圖5是插進集流管中的管道端部部分剖開的平面圖；圖6A是平板的立體圖；圖6B是平板受壓時的立體圖；圖6C是平板彎成管道的立體圖；圖6D是管道和波紋翅片同集流管裝配在一起的立體圖；圖7是放在流場中具有橢圓形和圓形截面的的支柱體間，表面流動長度和表面局部熱交換率間關系的比較曲線；
圖8是支柱體間雷諾數和阻力系數間關系的比較曲線；圖9是具有橢圓形支柱的管道和擠壓管間，致冷劑循環量與熱交換率間關系的比較曲線；圖10是具有橢圓形支柱的管道和擠壓管間，致冷劑循環量與壓損關系的比較曲線；圖11A是內有支柱的管道11A的剖視圖；圖11B是內有支柱的管道11B的剖視圖；圖11C是內有支柱的管道11C的剖視圖；圖11D是內有支柱的管道11D的剖視圖；圖12是管道11A、11B、11C和11D間關于致冷劑循環量和熱交換率關系的比較曲線；圖13是管道11A、11B、11C和11D間關于致冷劑循環量和壓損關系的比較曲線；圖14是根據本發明第二實施例用于熱交換器的裝有支柱的管道的剖視圖；圖15是根據本發明第三實施例的用于熱交換器的裝有支柱和半支柱的管道的剖視圖；圖16是第三實施例用于熱交換器的管道的變例；圖17是根據本發明第四實施例用于熱交換器的裝有不同形狀和尺寸的支柱的管道透視圖；圖18是作為本發明第五實施例的熱交換器的主要部件的致冷劑通路平面圖；圖19是目前用于熱交換器的縫焊管道的一個例子的立體圖；圖20是目前用于熱交換器的擠壓管道的一個例子的立體圖。
下面參照附圖詳細描述本發明。第一實施例下面參照附圖1-13描述本發明的第一實施例。
圖1是根據本發明第一實施例設計的熱交換器10的前視圖。其中，熱交換器10由扁平形狀的管道11、一對集流管12和13、波紋翅片14構成。集流管12和13設置成與管道11的兩端接觸，并分別與管道11內的致冷劑通路連通。各個波紋翅片14設在管道11之間，其波峰部分與管道11接觸。
集流管12的內部空間被分隔板15分成了兩個部分(下文稱上部和下部)。分隔板15位于集流管12中心高度稍下的地方。致冷劑入口管16安裝成與集流管12的上部連通，而致冷劑出口管17安裝成與集流管12的下部連通。
熱交換器10的整個前部的面積被分隔板15分成了兩個區(即上區a和下區b)。導入的致冷劑在兩個區中沿不同的方向A在管道11中流動。在上區a，致冷劑沿著從集流管12到集流管13的方向流動；而在下區b，致冷劑沿著從集流管13到集流管12的另一個方向流動。
各個管道11的結構如圖2所示。管道11通過彎曲平板20形成第一壁21和第二壁22來構成。第一壁21和第二壁2設置成彼此相對并平行。這樣，在壁21和22包圍成的空間中形成致冷劑通道。
在管道11的外表面通過向壁21和22施加外部壓力形成了多個凹坑24，在選定的位置處凹下。因為形成了凹坑24，所以相應地形成了多個凸起部分25，在致冷劑通道23內從管道11的內表面突出來。
俯視看，凸起部分25的頂部25a為橢圓形，由一個短軸(或短徑)和一個長軸(或長徑)定義，并沿著管道11的長度方向(即圖2的A向)放置。鑒于兩個凸起部分25設置成彼此相對，它們的頂部25a相互接觸，如圖3所示。即，頂部25a相互接觸的兩個凸起部分25連接在一起形成了一個支柱26。支柱26位于第一、二壁21和22之間，其截面為橢圓形。順便提一下，支柱26的截面形狀并不一定要限制為橢圓形，例如，也可以是長圓形。另外，支柱26不一定非要制成中空的形狀，也可以將支柱制成實心的。
如圖4所示，凸起部分25設置成彼此相鄰。其中，相對于方向A斜向相鄰設置的相鄰凸起部分以之字形的方式設置，沿著垂直于方向A的方向看時，部分地重疊。因此，支柱26相應地按著與凸起部分25一致的之字形方式設置。
在圖2中，導入氣體來完成熱交換的氣體入口方向與管道11的寬度方向B一致。管道11有一個前端部30和后端部31，二者沿著氣體入口方向隔開設置。另外，分流板32和33分別與前端部30和后端部31結合在一起。每個分流板32和33有預定的厚度，該厚度較薄，用作整流器，使管道11周圍的入口氣流展平。
如圖1所示，管道11的兩端分別插入集流管12和13中。具體地說，圖5示出了插入集流管13的管道11的一端。為了進行插入，通過部分地切除管道11的分流板32和33形成了切割部34和35。也就是說，管道11的每端都有預定的形狀，利用該形狀可將其插入集流管12或13。
在集流管12和13的選定位置處形成有多個管道插孔36。各個管道插孔36與管道11的端部形狀一致，使管道11能夠插在里面。為了引導管道11的插入，在管道插孔36的兩端形成槽37(見圖6D)，使管道11的分流板32和33的切除端插在里面。
管道插孔36為細長狀，其寬度w1基本上與形成切除部分34和35的管道11端部寬度w2一致。另外，包括分流板32和33的管道11的整個寬度w3大于管道插孔36的寬度w1。因此，當管道11的端部插入管道插孔36時，管道11分流板32和33的切除端部與集流管(12或13)頂觸，防止管道11進一步插入管道插孔36中。
下面，參照圖6A到6D對熱交換器10的制造方法進行描述。
首先，制備圖6A所示的用來制造管道11的平板(或金屬片)20。在平板20的表面覆蓋釬焊材料，用作待制造的管道11的內、外表面。另外，事先從平板20的選定端部切除預定的部分，其中，這些部分表示為切除部分34和35。
接著，平板20進行壓操作或碾壓操作，形成與致冷劑通道23相關聯的凸起部分25，如圖6B所示。另外，形成了與前端部30相關聯的彎曲重疊寬度40，同時形成了與后端部31相關聯的釬焊接頭41。然后，沿著彎曲重疊寬度40的中線彎曲平板20，如圖6C所示。當彎曲平板20時，折疊彎曲重疊寬度40，使其兩部分相互連接，同時，釬焊部分41相互接近并相互接觸。接著，凸起部分25的端部25a相互接觸。于是形成了扁平狀的管道11。
接著，制備如圖6D所示的具有管道插孔36的集流管12(或13)。這里，管道11的端部插入集流管12(或13)的管道插孔36中。另外，波紋翅片14沿高度方向設置在相鄰的管道間，于是裝配成一個熱交換器10。隨后，將裝配成的熱交換器10放入熱爐(未示出)中，在預定溫度下加熱一定時間。因此，覆蓋在平板20(即管道11)的表面上的釬焊材料熔化，對熱交換器10的各部分進行焊接。也就是說，在兩個部分的彎曲重疊寬度40上、釬焊部分41和凸起部分25的頂部25a上進行焊接，使所有的這些部分分別結合在一起，另外，在管道11的端部和管道插孔36間進行焊接，將它們結合起來。在管道11和波紋翅片14的波峰部分之間還進行焊接，使它們結合起來，當波紋翅片14與前端部30連接時，管道11和波紋翅片14相互接觸。
在上述的熱交換器10中，設置于致冷劑通道23內的各個支柱26具有預定的截面形狀，該形狀與長軸同方向A匹配的橢圓形一致。因此，可以改善傳熱速率，減少流動阻力。具體地說，致冷劑流首先碰到曲率沿著側面變小的支柱26的前端部。于是，促進了致冷劑流的流速，而從支柱26的前端部沿著其側面前進。因此，能夠提高局部的傳熱速率。然后，致冷劑流經過前端部，到達支柱26的后端部。這時，對于支柱26的后端部，曲率沿著側面變大。這就很難發生流動分離。發生流動分離時，渦流會從致冷劑流的主流分離出去。也就是說，可以將支柱26的形狀阻力抑制到很小，因此能夠減少流動阻力。
下面，對置于流場中的截面形狀分別對應圓形和橢圓形的支柱體進行比較。這里，橢圓形截面的支柱體置于流場中，其長軸方向與流動方向一致。另外，沿著支柱體側面的表面流長度由數學式s/d2給出，其中，s代表從支柱體頂端的臨界點沿著側面的長度，而表面的局部傳熱速率由數學式Nu/Re1/2給出，其中，Nu代表努塞爾數，而Re代表雷諾數。
圖7表示上述支柱體關于表面流長度和表面局部傳熱速率間關系的比較結果。圖8是支柱體關于雷諾書Re和代表流動阻力的阻力系數CD間關系的比較結果。順便地說，具有橢圓形截面的支柱體稱為橢圓形的支柱體，而具有圓形截面的支柱體稱為圓形支柱體。
參見圖7，橢圓形支柱體前端部(靠近臨界點)的表面局部傳熱速率與圓形支柱體相比，具有大得多的值。另外，橢圓形支柱體的表面局部傳熱速率隨著致冷劑流經過前端部到達后端部而減小，但是一般高于圓形支柱體的表面局部傳熱速率。
圖8表明了橢圓形支柱體的阻力系數一般小于圓形支柱體，不管雷諾數Re如何變化。大致講，橢圓形支柱體的阻力系數大約是圓形支柱體的一半。
最好，支柱26的橢圓形截面滿足下面的不等式2.0≤d2/d1≤3.0.....(1)其中，d1表示短軸，d2表示長軸，如圖4所示。
在不等式(1)中，當d2/d1的值小于2.0，支柱26的截面形狀從橢圓形逐漸變化到圓形，因此，表面局部傳熱速率減少，而阻力系數增加。相反地，當d2/d1的值大于3.0時，支柱體前端部附近的曲率變得太小，不能產生前述的流動分離，結果降低了表面局部傳熱速度。
另外，將熱交換器10設計成在致冷劑通道23內以之字形方式設置支柱26。這里，致冷劑在致冷劑通道23內通過網狀的支路流動，其中，支柱26位于致冷劑流的支路交叉處。即，致冷劑流能夠有效地與支柱26的前端部碰撞。因此，可以提高熱交換器10的傳熱速率。
下面，對管道11(其形狀與管道11A一致，見圖11A)和用擠壓模塑法制造的傳統擠壓管的熱交換性能進行比較。其中，管道11中形成多個有截面形狀滿足不等式(1)的支柱。這里，提供了兩種曲線來表示二者的比較結果。具體地說，圖9示出了致冷劑循環量和熱交換速率間的關系，圖10示出了致冷劑循環量與壓損間的關系。這些曲線表示，帶有支柱的管道11和擠壓管道的壓損隨著致冷劑循環量的增加類似地增加。但可清楚地看出，與擠壓管道相比，隨著致冷劑循環量的增加，管道11能顯著地增加傳熱速率。
在圖4中，p1代表沿方向B(對應于管道的寬度方向)斜向相鄰設置的兩個支柱間的中心距離(或間距)，p2代表沿方向A斜向相鄰設置的兩個支柱間的中心距離。根據發明人的試驗結果，中心距離p1和p2應該按預定關系分別與短軸d1和長軸d2相關，這些關系用下述的不等式(2)、(3)表示1.5≤p1/d1≤3.0....(2)0.5≤p2/d2≤1.5....(3)也就是說，支柱按之字形方式設置，以滿足上述的關系。
不等式(2)是按下述理由確定的。
如果p1/d1的值小于1.5，則沿著方向B斜向相鄰的支柱間的間距變窄，增加了致冷劑通道23中的流動阻力。如果p1/d1的值大于3.0，則沿著方向B斜向相鄰的支柱間的間距變寬，減小了致冷劑通道23中的流動阻力，但是支柱間的致冷劑流速減小，降低了傳熱速率。
不等式(3)是按下述理由確定的。
如果p2/d2的值小于0.5，則沿著方向A斜向相鄰的支柱間的間距變窄，使支柱周圍的致冷劑支流相互干擾。如果p2/d2的值大于1.5，則沿著方向A斜向相鄰的支柱間的間距變寬，減小了支柱后側致冷劑的支流，也降低了傳熱速率。
下面對圖11A、11B、11C和11D所示的支柱排列不相同的四種類型的管道11A、11B、11C和11D(即管道A、B、C、D)進行比較。
用兩種曲線來表示它們間的比較結果。具體地說，圖12示出的是致冷劑循環量和傳熱速率間的關系。圖13示出的是致冷劑循環量和壓損間的關系。在四種類型的管道中，所有的支柱都具有相同的截面形狀，其中d1＝3.0，d2＝6.1。
圖12表明對于管道A(其中，p1＝4.5，d1＝3.0，p2＝3.65，d2＝6.1，p1/d1≈1.5，p2/d2≈0.6)、管道B(其中，p1＝4.5，d1＝3.0，p2＝7.0，d2＝6.1，p1/d1≈1.5，p2/d2≈1.15)和管道C(其中，p1＝6.0，d1＝3.0，p2＝7.0，d2＝6.1，p1/d1≈2.0，p2/d2≈1.15)，測出的針對致冷劑循環量的傳熱速率值基本相同。與這些管道A、B和C相比，管道D(其中，p1＝3.8，d1＝3.0，p2＝7.0，d2＝6.1，p1/d1≈1.27，p2/d2≈1.15)針對致冷劑循環量的傳熱速率值一般更大些。
圖13表明對于管道A、B和C，測出的針對致冷劑循環量的壓損值基本相同，與這些管道A、B和C相比，管道D針對致冷劑循環量的壓損值更大些。其中，管道D和其它管道(A、B、C)間的傳熱速率的差較小。
在熱交換器10(見圖4)中，所有的支柱26設置成相互分開，其中斜向相鄰的支柱設置成沿方向A相互部分重疊。支柱的這種布局提高了管道11整體上的傳熱速率和抗壓強度。具體地說，沿著支柱側面測量的表面局部傳熱速率在前端部取得最大值，而沿著向后端部的方向變小。發明人對沿方向A設置的兩個斜向相鄰的支柱進行了研究，這兩個斜向相鄰的支柱一個為上游支柱，一個為下游支柱，沿著致冷劑流動方向設置在不同的位置。這里，上游支柱和下游支柱沿方向A設置成部分重疊。即，下游支柱的前端部位于上游支柱的上游側而不是其后端部。這時，下游支柱的前端部補償了上游支柱后端部處的表面局部傳熱速率的降低。因此，能夠平均地提高管道11的整個傳熱速率。
在上述斜向相鄰的支柱中，下游支柱的前端部位于上游支柱的上游側而不是其后端部。換句話說，這些支柱沿方向A在排列上部分重疊。所以，沿著垂直于方向A的一條直線得到的任何一個剖面一般都有一個或多個支柱。如圖3所示，通過用焊接的方法將第一、二壁21、22上分別形成的凸起部分25的頂部25a結合在一起，制成了各個支柱。換句話說，各支柱作為第一、二壁21、22間的結合部。因為這些支柱沿方向A按一定規律設置，所以能夠保證凸起部分25的頂部25a間寬的結合部分。因此，管道11沿方向A的任何剖面都含有第一、二壁21、22的凸起部分25間的粘結部分。于是，能夠增加管道11第一、二壁21、22間的結合強度，從而能夠保證管道11足夠高的抗壓強度，即使是平板20的厚度很薄。第二實施例下面參照圖14描述根據本發明第二實施例設計的有管道11的熱交換器。其中與第一實施例相同的零件使用相同的標號，并略去其描述。
如圖14所示，在管道11的內表面，按照與方向A相傾斜的方式設置有凸起部分42，其截面形狀與有長軸和短軸的橢圓一致。即，各個凸起部分的設置方式是，其長軸設置成相對于對應方向A的水平線傾斜預定角度θ。與前述第一實施例相似，每對凸起部分42設置成沿高度方向相互對準，使二者的頂部能夠相互接觸。于是，通過把成對的凸起部分42結合在一起，在管道11內制成了支柱43。另外，支柱43也是相對方向A按之字形設置。即，沿方向A斜向相鄰設置的斜向相鄰凸起部分相互獨立設置，但是沿方向A相互部分重疊。因此，按照與凸起一致的方式對應地設置支柱43。
與前述第一實施例相似，設計第二實施例的熱交換器時，在管道11中斜向相鄰的支柱43設置成沿方向A相互部分重疊。因此，能夠提高管道11的傳熱速率和抗壓強度。另外，第二實施例的特征是構成支柱43的各個凸起部分42按傾斜方式設置，其長軸相對于方向A傾斜一個角度θ。下面結合兩個支柱43詳細描述第二實施例的技術特征。這兩個支柱一個是上游支柱，一個是下游支柱，彼此相鄰設置，但在致冷劑流內設置在不同的位置處。這里，下游支柱的前端部的位置稍稍不同于上游支柱的后端部，沿方向B(垂直于方向A，但圖14中沒有示出)存在預定的偏離。因此，對于致冷劑流，下游支柱的前端部不會成為“陰影區”。這增加了與各個支柱43前端部碰撞的致冷劑量。所以，能夠提高管道11整體上的傳熱速率。
順便地說，最好將傾斜角θ設置在±7°的范圍內。該范圍由下述的理由確定。
如果傾斜角從0°逐漸增加，則傳熱速率相應地增加，所以，第二實施例就能夠顯示出熱交換性質上的顯著效果。但是，當傾斜角大于或者小于±7°的范圍時，在致冷劑流中就很容易出現流動分離，降低了傳熱速率。第三實施例下面參照圖15就16描述根據本發明第三實施例設計的具有管道11的熱交換器。其中，與第一實施例等效的零部件用相同的標號表示，并略去其描述。
與前述的第一實施例相似，設計第三實施例時，主要是管道11由第一、二壁21、22構成，在第一、二壁間形成有由凸起部分25形成的支柱26，支柱26斜向相鄰設置。在圖15中，第三實施例的特征是側壁44與第一、二壁21、22的側端部一體形成。因此，致冷劑通道23由這些壁21、22、44包圍形成。另外，在側壁44上設置有半支柱46，其預定形狀與前述截面形狀為橢圓形的支柱26半個的形狀一致。每個半支柱46由一對頂部相互接觸的半凸起部分45形成。這里，通過向第一、二壁21、22的外表面施加外力使其在選定位置凹進，而形成了半凸起部分45。
截面形狀與半橢圓形一致的各個半支柱46結合截面形狀與橢圓形一致并按之字形設置的支柱26進行設置。即，在側壁44的預定位置設置一個支柱46，該位置大致對應于支柱26中沿方向A相鄰設置的兩個支柱(用標號26a表示)間的中心位置。另外，半支柱46也設置成與支柱26b相鄰，支柱26b沿方向B與支柱26a斜向相鄰設置。
根據具有管道11的第三實施例的熱交換器，其中具有支柱26的半個形狀的半支柱46設置在側壁44上，能夠提高管道11的傳熱速率和抗壓強度。具體地說，截面形狀為橢圓形的支柱26在管道11內沿方向A按之字形設置，其中，在沿著方向B的每個剖面內都有一或兩個支柱26。換句話說，沿方向B能夠取得兩種剖面，即列有兩個支柱26a的第一剖面和列有一個支柱26b的第二剖面。這些剖面在管道11中沿方向A交替設置。與具有兩個支柱26a的第一剖面相比，具有支柱26b的第二剖面的結合強度降低了，因為由支柱26b結合在一起的第一、二壁21、22間形成的總的結合面積小。換句話說，與具有兩個支柱26a的第一剖面相比，具有支柱26b的第二剖面的抗壓強度降低了。為了補償抗壓強度的降低，具有支柱26的半個形狀的半支柱46結合具有支柱26b的第二剖面設置，增加了由支柱26b結合在一起的第一、二壁21、22間形成的總的結合面積。因此，能夠增加第二剖面的抗壓強度，而基本等效于具有兩個支柱26a的第一剖面的抗壓強度。
通過提供半支柱46，沿著側壁44在致冷劑流中產生了紊流，因為增加了紊流效應，所以能夠提高管道11的整個傳熱速率。
圖16示出了第三實施例的熱交換器的一個改進的例子，其設計成一個用于蒸發器的層狀熱交換器。這里，圖16的熱交換器具有一個致冷劑通道單元47，致冷劑通道單元47上設置有U形的致冷劑通道50，致冷劑通道50的上端具有致冷劑入口48和致冷劑出口49。即，致冷劑引入致冷劑入口48并流進U形致冷劑通道50的里面，致冷劑首先向下流到下端，然后向上流向致冷劑出口49。U形致冷劑通道50的形狀不象前述的致冷劑通道23那樣是直的，但是，其基本設計還是具有支柱，類似于圖15所示的管道11內的致冷劑通道23。也就是說，沿著致冷劑通道50的側壁設有半支柱。因此，能夠提高致冷劑通道單元47的抗壓強度和傳熱速率。第四實施例下面參照圖17描述根據本發明第四實施例設計的帶有管道11的熱交換器。其中，與第一實施例等效的零部件用相同的標號表示，因此略去其描述。
第四實施例設計成一個冷凝器，通過向外部空氣輻射熱量來冷卻致冷劑。該熱交換器使用圖17所示的管道11。該管道11的特征是各凸起部分25沿著方向A尺寸逐漸變大，同時保持截面形狀相似。沿著方向A較小的凸起部分25設置于上游側，而相對較大的凸起部分設置于下游側。因此，凸起部分在上游側的密度(或占據面積)相對較小，而凸起部分在下游側相互緊密地設置。所以，支柱26按與凸起部分25一致的方式設置。結果，沿方向A從管道11的上游側到下游側，沿垂直于方向A截取的致冷劑通道23的截面積變小。
在熱交換器被設計成冷凝器的情況下，致冷劑從上游側流向下游側而前進時，干燥度減小。換句話說，在致冷劑前進時，與氣相相比，液相增加。因此，沿著方向A致冷劑施加到管道11內壁面上壓力逐漸減小。為了補償壓力的減小，設計第四實施例的熱交換器所用的管道11時，隨著壓力的減小，致冷劑通道23的截面積也逐漸減小。于是，能夠提供作用于管道11內壁表面上的基本不變的壓力。于是，在長度方向，在整個管道的面積內，保證較高的穩定的傳熱率。另外，在管道11的整個區域內沿其長度方向能夠減小壓損，而使壓損保持較小。
如上所述，第四實施例的管道11的特征是沿著方向A從上游側到下游側，支柱26的尺寸逐漸增大，同時保持相似的一定形狀。因此，沿著方向A從上游側到下游側，沿著垂直于方向A的直線截取的致冷劑通道23的截面積逐漸變小。第四實施例也可以修改成，支柱26的尺寸及形狀都發生變化，而不再保持形狀的相似。或者，可以修改成，沿著方向A，支柱26尺寸不變，但排列(或密度)變化。第五實施例下面參照圖18描述根據本發明第五實施例設計的熱交換器10。
第五實施例的熱交換器設計成蒸發器，從外界氣體中吸收熱，來使致冷劑汽化。該熱交換器由層狀的致冷劑通道單元53構成，通過將大致為矩形的平板51和52疊加在一起，如圖18所示，構成了各個致冷劑通道單元53。這里，通過將平板51和52的邊緣部分和中央部分結合在一起而將它們裝配起來。因此，在致冷劑通道單元53中形成了形狀象扁平管道的U形致冷劑通道56，其上端具有致冷劑入口54和致冷劑出口55。這樣，致冷劑被導入致冷劑入口54，并流進U形致冷劑通道56內，向下流向底部，然后向上流向致冷劑出口55。
當平板51和52的中央部分結合在一起時，形成了分隔部分57，將致冷劑通道56分成兩個部分(即圖18的右部和左部)。其中，分隔部分57以傾斜方式形成。即，分隔部分57的下端57b大致設置在中心，從平板51和52的兩端測量的距離相等，而分隔部分57的上端靠近致冷劑入口54而不是出口55設置。結果，沿垂直于致冷劑流動方向的直線截取的致冷劑通道56的截面積在上游側變小，在下游側變大。即，沿著致冷劑流動方向從上游側到下游側，致冷劑通道56的截面形狀逐漸增大。
另外，平板51和52的相對設置的外壁表面在選定位置處受壓而凹進，形成了多個凸起部分58。因此，通過將對應的凸起部分58的頂部結合起來形成了多個支柱59。這些凸起部分形成于平板51和52的內壁表面上，彼此相關地設置。
在致冷劑通道56中，支柱59均勻地設置，在致冷劑流動方向和垂直方向上保持不變的距離。即，在致冷劑流動方向上，相鄰支柱59間的距離不變。另外，在垂直于致冷劑流動方向的方向上，相鄰支柱間的距離也不變。由于支柱59的這種均勻排列以及分隔部分57的傾斜設置，沿著從上游側到下游側的方向，沿垂直于致冷劑流動方向的直線截取的致冷劑通道56的截面積就會變大。
在熱交換器設計成蒸發器的情況下，在致冷劑從上游側流向下游側而前進時，干燥度增加，換句話說，隨著致冷劑的前進，與液相相比，汽相增加。因此，在致冷劑通道單元53中，作用于致冷劑通道56內壁表面上的壓力逐漸增加。為了處理壓力的增加，使用致冷劑通道單元53的第五實施例的熱交換器設計成，隨著壓力的增加，致冷劑通道56的截面積逐漸變大。這樣，在致冷劑通道56的整個區域內沿著其致冷劑流動方向，能夠保持具有較高值的傳熱速率不變。另外，在致冷劑通道56的整個區域內沿著其致冷劑流動方向，能夠減小壓損，使其保持低值。
在前述的致冷劑通道單元53中，支柱59均勻地設置在致冷劑通道56中，而使相鄰的支柱間的距離不變，因此，沿著致冷劑流動方向從上游側到下游側致冷劑通道56的截面積逐漸增加。第五實施例能夠修改成，支柱59均勻排列，但沿著致冷劑流動方向向著下游側其尺寸逐漸增大。或者，能夠修改成，支柱59的尺寸不變，但沿著致冷劑流動方向向著下游側其數量逐漸增多。換句話說，沿著致冷劑流動方向向著下游側支柱59的密度逐漸增大。
如上所述，本發明具有多個技術特征和效果，總結如下(1)本發明的熱交換器主要地利用了管道，每個管道設計成在致冷劑通道內設置有多個支柱，這些支柱是通過將第一、二壁的凸起部分的頂部結合在一起制成的，第一、二壁相對設置。根據本發明的一種情形，相鄰支柱沿致冷劑流動方向設置在不同的位置，下游支柱的前端部與上游支柱的后端部相比設置于上游側。這里，下游支柱的前端部補償了上游支柱在后端部的表面局部傳熱速率的減小。因此，能夠平均地提高管道的整個傳熱速率。
(2)因為相鄰支柱設置成下游支柱的前端部與上游支柱的后端部相比設置于上游側，所以沿著垂直于管道長度方向的直線截取的任何一個截面上，直線支柱相互部分重疊，換句話說，第一、二壁的凸起部分在管道的任何一個截面上都結合在一起。因此，提高了第一、二壁結合的結合強度，并提高了管道整體上的抗壓強度。
(3)根據本發明第二種情形，在由第一、二壁構成的管道側壁上設有半支柱，這些半支柱是將半凸起部分的頂部結合在一起而制成的。這樣，增加了第一、二壁的結合面積，因此能夠增加第一、二壁間整個的結合強度。通過在管道側壁上設置半支柱，沿著側壁在致冷劑流中產生了紊流。這增加了紊流效應，因此能夠提高管道的整個傳熱速率。
(4)根據本發明的第三種情形，各個支柱具有橢圓形的截面，并具有一個長軸和一個短軸。這些支柱按傾斜方式設置，使其長軸相對于管道的長度方向傾斜一定的傾斜角。這就沿管道的寬度方向在下游支柱的前頂部和上游支柱的后頂部之間形成了偏離。換句話說，下游支柱的前頂部不會作為致冷劑流的陰影區。也就是說，能夠增加致冷劑與支柱前頂部的撞擊量，因此能夠提高管道整個的傳熱速率。
(5)為了將熱交換器用作冷凝器，管道內設置的支柱沿著致冷劑流動方向數量或密度逐漸增加，這樣，隨著壓力的減小，沿垂直于管道長度方向的直線截取的致冷劑通道的截面積逐漸減小。壓力作用于管道內壁表面上，沿著致冷劑流動方向從上游側到下游側逐漸減小。因此，能夠穩定壓力，使其基本保持不變。這樣，就能夠在管道在整個區域上沿著其長度方向，保證具有較高值的傳熱速率不變。另外，能夠在管道在整個區域上沿著其長度方向，減少壓損，使其保持低值。
(6)為了將熱交換器用作蒸發器，管道內設置的支柱沿著致冷劑流動方向數量或密度逐漸減小，使致冷劑通道的截面積隨著壓力的增加而逐漸變大。壓力作用于管道內壁表面，沿著致冷劑流動方向從上游側到下游側逐漸增加。因此，能夠穩定壓力，使其基本保持不變。這樣，就能夠在管道在整個區域上沿著其長度方向，保證具有較高值的傳熱速率不變。另外，能夠在管道在整個區域上沿著其長度方向，減少壓損，使其保持低值。
由于在不脫離本發明基本特征精神的情況下，可以按照不同的方式實施本發明，所以，本發明的實施例是解釋性的，而不是限制性的。既然本發明的范圍由所附權利要求書而不是前面的說明書來限定，所以，落入權利要求的界限內的所有變形以及界限內的等效物都應該包括在權利要求書中。
權利要求
1.一種熱交換器，包括扁平管道(11)，其由相對設置的第一壁和第二壁構成，第一壁(21)和第二壁(22)相互平行，其間有預定的間隔，二者裝配在一起形成致冷劑通道(23)；形成在扁平管道內的多個支柱(26)，其中，多個支柱(26)中的每一個都是通過將凸起部分(25)的頂部(25a)結合在一起而形成的，這些凸起部分通過向第一壁和第二壁的外表面施加外部壓力而凹進，并從第一壁和第二壁的內表面突出來，這些凸起部分在扁平管道內彼此關聯地相對設置，每一個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸(d1)和長軸(d2)定義，其中，這些支柱設置成在扁平管道的長度方向(A)沿著其長軸對齊，使相對于管道長度方向斜向相鄰設置的斜向相鄰支柱，設置在不同的位置上，并且從垂直于管道長度方向的寬度方向(B)看，沿著長軸相互部分重疊。
2.如權利要求1的熱交換器，其特征在于，扁平管道由側壁(44)構成，這些側壁設置在第一壁和第二壁的側端，在其上面與所述多個支柱相關聯地形成有多個形狀為支柱的半個形狀的半支柱(46)，每個半支柱與預定的支柱(26a)斜向相鄰設置，并與其前端部或后端部部分重疊。
3.一種熱交換器，包括扁平管道(11)，其由相對設置的第一壁和第二壁構成，第一壁(21)和第二壁(22)相互平行，其間有預定的間隔，二者裝配在一起形成致冷劑通道(23)；多個支柱(26)，每一個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸d1和長軸d2定義，其中，這些支柱設置在第一壁和第二壁之間，在扁平管道的長度方向(A)沿著其長軸對齊，使相對于管道長度方向斜向相鄰設置的斜向相鄰支柱，設置在不同的位置上，并且從垂直于管道長度方向的寬度方向(B)看，沿著長軸相互部分重疊，其中，各個支柱的預定的截面形狀由關系式2.0≤d2/d1≤3.0定義，其中，利用沿管道寬度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第一中心距離p1和沿管道長度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第二中心距離p2，所述多個支柱的設置滿足下述關系式1.5≤p1/d1≤3.0 0.5≤p2/d2≤1.5。
4.一種熱交換器，包括扁平管道(11)，其由相對設置的第一壁和第二壁構成，第一壁(21)和第二壁(22)相互平行，其間有預定的間隔，二者裝配在一起形成致冷劑通道(23)；設置在第一壁和第二壁之間的多個支柱(26)，每一個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸和長軸定義，這些支柱沿長軸對齊，這些支柱的長軸相對于扁平管道的長度方向(A)傾斜，使長軸相對于扁平管道的長度方向傾斜預定的傾斜角(θ)。
5.如權利要求4的熱交換器，其特征在于，預定傾斜角設置在±7°的范圍內。
6.一種熱交換器，包括扁平管道(11)，其由相對設置的第一壁和第二壁構成，第一壁(21)和第二壁(22)相互平行，其間有預定的間隔，二者裝配在一起形成致冷劑通道(23)；多個支柱(26)，每一個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸d1和長軸d2定義，其中，多個支柱(26)中的每一個都是通過將凸起部分的頂部結合在一起而形成的，這些凸起部分通過分別向第一壁和第二壁的外表面施加外部壓力而凹進，并從第一壁和第二壁的內表面突出來，這些凸起部分在扁平管道內彼此關聯地相對設置，在扁平管道的長度方向(A)沿著其長軸對齊，使相對于管道長度方向斜向相鄰設置的斜向相鄰支柱，設置在不同的位置上，并且從垂直于管道長度方向的寬度方向(B)看，沿著長軸相互部分重疊，其中，各個支柱的預定的截面形狀由關系式2.0≤d2/d1≤3.0定義，其中，利用沿管道寬度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第一中心距離p1和沿管道長度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第二中心距離p2，所述多個支柱的設置滿足下述關系式1.5≤p1/d1≤3.0 0.5≤p2/d2≤1.5。
7.一種熱交換器，包括扁平管道(11)，其由相對設置的第一壁和第二壁構成，第一壁(21)和第二壁(22)相互平行，其間有預定的間隔，二者裝配在一起形成致冷劑通道(23)；多個支柱(43)，每一個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸和長軸定義，其中，多個支柱(26)中的每一個都是通過將凸起部分的頂部結合在一起而形成的，這些凸起部分通過分別向第一壁和第二壁的外表面施加外部壓力而凹進，并從第一壁和第二壁的內表面突出來，這些凸起部分在扁平管道內彼此關聯地相對設置，其中，這些支柱沿長軸對齊，這些支柱的長軸相對于扁平管道的長度方向(A)傾斜，使長軸相對于扁平管道的長度方向傾斜預定的傾斜角(θ)。其中，這些支柱相鄰設置，使相對于管道長度方向斜向相鄰設置的斜向相鄰支柱，設置在不同的位置上，并且從垂直于管道長度方向的寬度方向看，沿著長軸相互部分重疊。
8.如權利要求7的熱交換器，其特征在于，預定傾斜角設置在±7°的范圍內。
9.一種熱交換器，包括扁平管道(11)，其由相對設置的第一壁和第二壁構成，第一壁(21)和第二壁(22)相互平行，其間有預定的間隔，二者裝配在一起形成致冷劑通道(23)；多個支柱(26)，每一個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸和長軸定義，其中，這些支柱設置在第一壁和第二壁之間，在扁平管道的長度方向(A)沿著其長軸對齊，這些支柱沿著對應于扁平管道長度方向的致冷劑流動方向，按照逐漸密集的方式設置。
10.如權利要求9的熱交換器，其特征在于，所述多個支柱按照沿著致冷劑流動方向數量、尺寸或密度逐漸增加的方式設置。
11.一種熱交換器，包括扁平管道(11)，其由相對設置的第一壁和第二壁構成，第一壁(21)和第二壁(22)相互平行，其間有預定的間隔，二者裝配在一起形成致冷劑通道(23)；多個支柱(26)，每一個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸和長軸定義，其中，這些支柱設置在第一壁和第二壁之間，在扁平管道的長度方向(A)沿著其長軸對齊，這些支柱沿著對應于扁平管道長度方向的致冷劑流動方向，按照逐漸稀疏的方式設置。
12.如權利要求11的熱交換器，其特征在于，所述多個支柱按照沿著致冷劑流動方向數量、尺寸或密度逐漸減小的方式設置。
13.一種熱交換器，包括多個管道(11)，每個管道都為扁平形，里面有多個支柱(26)，每個支柱具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，其中，橢圓形或長圓形由短軸(d1)和長軸(d2)定義，其中，多個支柱中的每一個都設置成在扁平管道的長度方向(A)沿著其長軸對齊，使相對于管道長度方向斜向相鄰設置的斜向相鄰支柱，設置在不同的位置上，并且從垂直于管道長度方向的寬度方向(B)看，沿著長軸相互部分重疊；多個波紋翅片(14)，每個翅片設置在管道之間，使翅片的波峰波峰與管道的外表面接觸；兩個集流管，彼此間隔開預定距離地分開設置，二者間設置有多個管道和多個波紋翅片，使管道內形成的致冷劑通道(23)與兩個集流管分別連通。
14.如權利要求13的熱交換器，其特征在于，各管道是通過彎曲一個平板(20)形成第一壁(21)和第二壁(22)構成的，第一壁和第二壁相對設置，其間有預定的間隔，形成致冷劑通道，其中，通過分別向第一壁和第二壁施加外部壓力，形成了從第一壁和第二壁的內表面突出的凸起部分，這些凸起部分設置在預定的位置，它們的頂部相互接觸，形成支柱。
15.如權利要求14的熱交換器，其特征在于，通過將第一壁和第二壁在預定位置處用焊接的方法結合在一起而形成了管道，這些凸起的端部通過焊接的方法結合在一起而形成了支柱。
16.一種制造熱交換器的方法，包括下述步驟彎曲表面覆蓋有釬焊材料的平板(20)來形成多個具有扁平形狀的管道(11)，其中，多個凸起部分(25)從管道的內表面突出而成，這些凸起部分的頂部(25a)成對對應，并相互接觸而在管道內形成多個支柱(26)；提供多個波紋翅片(14)，并將這些翅片分別設在多個管道之間；用兩個集流管(12，13)將多個管道和多個翅片裝配在一起，使多個管道和多個波紋翅片沿著高度方向交替設置，并水平地固定在兩個集流管之間，其中，每個管道都有與兩個集流管分別連通的致冷劑通道(23)；將裝配在一起的多個管道、多個波紋翅片和兩個集流管放進加熱爐中，加熱預定時間。
17.如權利要求16的熱交換器的制造方法，還包括提供施壓，在平板的預定位置處形成多個從平板內表面突出來的凸起部分(25)；彎曲平板(20)形成第一壁(21)和第二壁(22)，第一壁和第二壁相對設置，其間有預定的間隔，從而形成管道(11)，其中，調節第一壁和第二壁的位置，使多個凸起部分沿著高度方向彼此成對對應，其頂部相互接觸，而在管道內部形成多個支柱(26)。
18.如權利要求16的熱交換器的制造方法，其中，多個支柱都具有對應于橢圓形或長圓形的預定截面形狀，橢圓形或長圓形由短軸d1和長軸d2定義，這些支柱設置成在扁平管道的長度方向(A)沿著其長軸對齊，使相對于管道長度方向斜向相鄰設置的斜向相鄰支柱，設置在不同的位置上，并且從垂直于管道長度方向的寬度方向(B)看，沿著長軸相互部分重疊，其中，各個支柱的預定的截面形狀由關系式2.0≤d2/d1≤3.0定義，其中，利用沿管道寬度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第一中心距離p1和沿管道長度方向在斜向相鄰的支柱間測量的第二中心距離p2，所述多個支柱的設置滿足下述關系式1.5≤p1/d1≤3.0 0.5≤p2/d2≤1.5。
全文摘要
一種熱交換器,其管道通過彎曲一個平板形成第一壁和第二壁構成。多個凸起部分通過向平板施壓形成,其頂部相互接觸,形成具有預定截面形狀的支柱。該截面形狀與由短軸和長軸定義的橢圓或長圓一致。這些支柱設置成在管道的長度方向沿著其長軸對齊,使斜向相鄰支柱從管道寬度方向看,設置在不同的位置上,并且沿著長度方向相互部分重疊。這些管道、波紋狀翅片和集流管裝配在一起,然后放在熱爐中加熱預定時間。
文檔編號F28D1/03GK1275708SQ0011761
公開日2000年12月6日 申請日期2000年5月24日 優先權日1999年5月31日
發明者渡邊吉典, 吉越明, 鈴木敦, 安井清登, 五百川博, 古藤広之, 渡部真, 井上正志, 仲戶宏治 申請人:三菱重工業株式會社