CN100595509C - 热交换元件和用其制造的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种热交换元件，其具有相邻的、传热的、平滑的壁(1)，所述壁(1)在彼此之间界定了用于至少一种流体的带有预选定的通道宽度(B)的流动通道(4)，所述壁(1)设置有横向于假想的中心面(7)在两侧突出的波纹部(6)，所述波纹部具有预选定的波长(λ)以及波峰(9a，9b)，所述波峰(9a，9b)带有曲率半径(R)以及横向于中心面(7)测量的波峰间距(W)。依照本发明，不等式0.1≤B/W≤0.55和R≥1.2B至少部分地应用于通道宽度(B)/波峰间距(W)的比和通道宽度(B)/曲率半径(R)(图2)的比。

Description

热交换元件和用其制造的热交换器
技术领域
本发明涉及一种技术方案1的前序部分所述类型的热交换元件，还涉及一种用其制造的热交换器。
背景技术
根据用途，具有相邻的平滑壁的热交换元件为管式、板式或肋片式的热交换器和/或构成为翅片配置或薄片(波形肋片)，所述壁相互之间界定了流动通道。它们被用于例如机动车辆、压缩机、烘干洗衣机、空调和用于压缩空气装置的制冷装置或制冷干燥机，还被用于冷却电子器件和许多机械中，比如建筑机械、农业机械和和林业机械等。这种类型的热交换元件的流动通道通常由平滑的平坦壁限定，根据用途，流体例如空气、水或油穿过流动通道流动，起到将热量传递给各个流体的目的或分别自吸收热量的作用。在流动通道中，由此在抵接壁的区域形成层流或湍流，所述层流或湍流诱发特征边界层，在特征边界层中，流过的流体以基本上静止的方式位于层流的理想状态下。与此相比，流动通道的中心区域的流体以最大的速度前进。
边界层的形成导致所处的壁表面不能完全用来传热，可获得的热交换输出很小。很长时间以来，在流动通道的壁上设置从壁表面露出来的产生湍流的压花是众所周知的(DE-PS 596 871)，所述压花与流动轴线平行或成一锐角。从而，靠近壁流动的一部分流体再次分流形成局部湍流，而形成边界层的其他部分被瓦解和破坏。因此，热交换输出发生明显改善。
然而，形成湍流的所述压花导致两个缺陷。一方面，它们不但能够使靠近壁的一部分流动朝中心区域的方向偏移，从而增加热交换输出，而且也能够减少流动横截面，从而导致沿流动通道发生的压力损失的不期望的增大。结果，对于自然对流，沿流动通道流过的流动体积相应降低，而对强制对流，为了维持预定的流动体积，需要功率更大的风扇、泵等等。另一方面，因为它们的横截面形式的缘故，所述类型的压花具有变脏的倾向，尤其是在它们用于例如农业机械、林业机械和建筑机械或车辆或家庭用烘干洗衣机的冷却器的情况下以及在流体为工艺用风和/或冷却空气的情况下。
所以，开头描述的类型的热交换元件也已经是众所周知的(例如US-PS 3 907 032)，其中，界定流动通道的壁设置有波纹部，所述波纹部相对于流动方向横向延伸，或配置成连续波纹的形状。即使对这样的热交换元件来说，迄今为止也没有达到最佳的效果，这是因为存在不利的输出/压力损失比率，或者因为在试图优化的过程中，增加了变脏的倾向。即使当波纹部设有预定尺寸或较复杂的形式的时候也不能达到最佳效果(例如DE 195 03 766A1，EP 1 357 345A2)。已知的热交换元件，其中相邻的壁设置有不同结构的波纹部(例如DE 102 18274A1)，同样具有上述所有的缺点，即，它们的流动通道具有变化很大的横截面，这样的横截面对于降低压力损失没有作用。
发明内容
由此，本发明的目的在于，配置开头所述类型的热交换元件，以实现热交换输出与压力损失比率的增大和变脏的倾向的同时降低，特别是在涉及气态流体的热交换的情况下。技术方案1和22的特征用于实现这个目的。
本发明的技术方案1提供一种热交换元件，其具有相邻的、传热的、平滑的壁，所述壁彼此之间界定了用于至少一种流体的带有预选定的通道宽度的第一流动通道或第二流动通道或第三流动通道或第四流动通道，所述壁设置有横向于假想的中心面在两侧突出的波纹部，所述波纹部具有预选定的波长和波峰，所述波峰带有曲率半径和横向于中心面测量的波峰间距，其特征在于：不等式0.1≤B/W≤0.55和0≤B/R≤0.75应用于通道宽度/波峰间距的比和通道宽度/曲率半径的比。
通过本发明，尤其是在与气态流体、例如空气同时使用的情况下，可实现热交换输出的增加，而不会相应地增加所需要考虑的压力损失。另外，配置波纹部使得变脏的倾向降低。所以，依照本发明的热交换元件和配备有该热交换元件的热交换器尤其适合应用于农业、林业和建筑机械的冷却器以及洗衣机烘干机、车辆的增压冷却器或用于冷却电子器件的装置。
本发明的更多有益的特征披露在从属技术方案中。
附图说明
下面，将结合附图在实施例中更加详细地解释本发明，附图显示的是：
图1：依照本发明的、具有薄片(波纹状肋片)形式的波纹壁的热交换元件的透视图；
图2：依照本发明构成的、图1的热交换元件的多个相邻壁的放大平面图；
图3：对应于图2所示的、图1中的热交换元件的单个壁的平面图；
图4-6：对应于图3的、依照本发明的热交换元件的壁部的另外三个实施例的平面图；
图7：对应于图2的、具有不同的总长度的四个热交换元件的平面图；
图8：对应于图3的、依照本发明的热交换元件的另一个实施例的单个壁的平面图；
图9和10：平管式热交换器和带有板状结构的热交换器的透视图，两者都设置有依照本发明的热交换元件；和
图11：设置有依照本发明的热交换元件的肋片式冷却体的透视图。
具体实施方式
图1-3示出了依照本发明以及依照被视为迄今最好的实施例的热交换元件。热交换元件包括多个相邻的传热壁1，所述壁1最好彼此平行地设置。壁1由具有高度D(图1)和厚度S(图2)的薄板形成，所述壁1通过上、下同样板状的连接部分2a、2b在图1中的上、下纵向边缘上彼此连接成弯曲形状。由此在由箭头3所示的热交换元件的纵向方向上，形成多个用于流体的相邻的流动通道4，所述流动通道4具有U形截面，这些流动通道4各自由两个相邻的壁1界定，另外在图1中，流动通道4交替地由上连接部分2a或下连接部分2b界定。
流动通道4沿纵向方向在它们的前端和后端开口。当采用依照图1的热交换元件的时候，相对于纵方向横向地在图1中的顶部或底部开口的流动通道4的区域，反而通常由热交换器等的功能部分封闭。流动通道4用于达到引导流体(例如，空气、水、油等等)沿箭头3的方向或沿相反方向流动的目的，所述流体由此与壁1和连接部分2a、2b接触并进行热交换，从而根据情况，或被冷却，或被加热。
壁1包括标准的用于热交换器的材料(如，诸如铝或铜的金属，石墨，塑性材料等等)。而且，它们最好是平滑的，即，它们设置在朝流动通道4定向的宽侧面5a、5b上，并设置在上边缘和下边缘之间，既没有球形突出物、薄片、鳞片或其他压花，也没有切口、孔等形式的开口。因此，在流动通道4中广泛地或完全地避免了破坏性的污垢聚积死角等。
图2以平面图显示了四个相邻的壁1，在这里，为了避免不清楚，省略了不重要的连接部分2a、2b(图1)。可以认为，在实施例中，所有的壁1具有大体上相同的结构，并且成对地彼此相对设置，它们的宽侧面5a和5b形成流动通道4。
由于缓慢移动或完全静止的边界层，壁1和流体之间的传热减少了，为了提高该传热，壁1以已知的方式设置有波纹部或正弦曲线的波纹部6，这些波纹部6可通过沿在图1中的高度D方向延伸的线和大体上平行于壁1的宽边5a、5b的线使形成壁1的板变形而得到。另外，尤其是图3显示的是，波纹部6在由虚线所指的假想中心面7的一侧或另一侧上交替延伸，所述中心面对应于原本没有变形的平行平面的板的中心平面。因而，波纹部6分别包含在流动方向3(图3)引导的第一半波纹部6a和在流动方向3尾随的第二半波纹部6b，第一半波纹部6a设置在中心面7的一侧，而第二半波纹部6b设置在中心面7的另一侧，两个半波纹部6a、6b彼此抵接或沿位于中心面7中的连接线8彼此连接。因而，半波纹部6a分别形成从壁1的中心面7开始在一个方向上突出的压花，而半波纹部6b分别表示从壁1的中心面7在相反方向突出的压花。这些压花或半波纹部连续地形成封闭表面，没有开口槽或其他中断。
在实施例中，依照图1的热交换元件的整个壁1上的波纹部6以同样的方式构成，并平行设置，在流动方向3上没有偏移，即，相互之间具有恒定的净间距，这样，图2的流动通道4大体上连续地具有对应于尺寸B的同一通道宽度。在图2和图3中还披露了，波纹部6具有沿位于中心面7上的线弯曲的上波峰9a和下波峰9b。依照图2和图3，相对于中心面7横向地测量的波峰间距的尺寸为W，其是在壁1的假想中心线的高点或低点之间测量的。另外，波峰9a、9b的区域中的波纹部6分别具有对应于图2和图3中的尺寸R的曲率半径。
依照本发明，热交换元件配置成，一方面，通过增加每单位体积的热交换表面来获得输出的提高，另一方面，由于流动通道4内具有大的曲率半径，因此压力损失和变脏的倾向都得到了遏制。
为了增加输出，将依照本发明的热交换元件的通道宽度B选择为对应于不等式B≤0.55W，比波峰间距W小很多。已经证明，B/W的比满足不等式0.1≤B/W≤0.55是有利的，满足不等式0.35≤B/W≤0.50最好。因而得到，如图2中箭头所示，流体流动在各半波纹部6a、6b的区域中偏移，而不是像通道宽度B大于或最多稍微小于波峰间距W的传统热交换元件那样，没有明显的偏移、实际上直线地穿过流动通道4。尺寸B≤0.55W具有这样的结果，即，图2的波纹部6在横向于中心面7的方向上重叠相当大的程度，也就是说，各半波纹部6a、6b深深地伸入到位于其上或其下的相邻壁1的半波纹部6a、6b中，并且实际上稍微超过了相关中心面7的位置。因此获得的壁1的较紧密的组件或较小的节距或间距T(图1)使单位体积的热交换元件的输出的增大。
为了获得如下的效果，即，尽管存在波纹部6和条件B≤0.55W，但与平坦壁相比压力损失百分比最多小于由波纹部6获得的输出增加百分比，建议将波峰9a、9b区域的曲率半径R选择得相当大。依照本发明，已经证明，R的值满足不等式R≥1.3B是有利的。如果B/R的比满足不等式0≤B/R≤0.75，则更有利，满足不等式0.2≤B/R≤0.55最有利。由此获得的优点是，与曲率半径至多为3mm或甚至更小的结构相比，显著但比较平缓地增加了流体在流动通道4中的偏移，产生的压力损失基本上较小。
依照本发明的波纹部6的结构和通道宽度B，还可以使得对波纹部6的从中心面7开始上升或下降、再回到中心面7的部分采用较大的角α和β(图3)成为可能。因而获得的优点是，在同样的通道宽度B和波长λ的情况下，波纹部6或半波纹部6a、6b可以具有较大的重叠，由此可以扩大热交换表面。然而，角度α和β最好不要大于40°。
此外，热交换元件的尺寸设置为λ≥15mm或≥4W，最好为例如18mm，2.4mm≤R≤6.5mm，α＝β＝大约30°，0.08mm≤S≤5mm，以及B＜2mm，当然，这些尺寸仅仅是示例性的，本发明并不仅限定于此。
最后，图3主要显示的是，半波纹部6a、6b的上升部分和下降部分最好是直的或平坦，并通过具有半径R的曲线部分在波峰9a、9b的区域连接。图4显示基本上对应于图3的实施例的壁11。唯一的不同在于，位于波峰的曲线部分具有不同的曲率半径R1至R4。所有的半径R1至R4位于上述的区域。
图5显示了依照本发明的热交换元件的壁12，所述壁只具有直的和平坦部分。尤其是波纹部14的第一半波纹部14a具有在角度α处直线上升的平坦部分15、在角度β处直线下降的平坦部分16、以及连接两者并设置在波峰区域的平坦部分17，所述部分17最好设置成与中心面7平行。在这种情况下，曲率半径R＝∞。但是，就部分17的尺寸而言，应当考虑到，它具有如此大的长度(例如L1)以致于部分15、16的两个相应端也可以由虚线所指的假想曲线部分18任意连接，所述假想曲线部分18的曲率半径位于上述的区域。因而，可获得较长的部分15和16，这对半波纹部14a、14b的良好的重叠而言是有利的，不会引起不可容忍的压力损失。直的部分17的长度可以都具有相同的长度，或者如图5所示具有不同的长度的尺寸L1-L4。
依照另一个实施例，未显示，可以以多边形的方式由多个近似于虚线所示的部分18的短的部分来代替图5的虚线所示的曲线部分18。由此获得的假想曲率半径呈现与图3中同样的尺寸。
最后，图6显示了依照本发明的壁20的实施例，所述壁20具有半波纹部21a、21b，所述半波纹部21a、21b配置成上述的结构，并通过直的、平坦部分22彼此连接，所述直的、平坦部分22最好位于中心面7内，可以具有相同的长度或不同的长度。另外，图6还显示，半波纹部21a、21b相对于中心面7具有不同的波峰高度W1和W2，两个波峰高度的和为波峰间距W。相应地，在没有偏离所示的波峰间距W的尺寸的情况下，在图1-5的实施例中也可以设置不同的波峰高度W1、W2。
图7显示了依照本发明的四个热交换元件23-26，所述热交换元件23-26的区别在于具有沿流动方向3测量的不同的总长度，它们通过沿流动方向3一前一后地连续的三个、四个、五个或六个不同数目的波纹部获得。因而显然，波纹部可以具有不同的形状和/或尺寸。另外，图7还显示，流动通道4最好具有平行于中心面地进行布置的进口端和/或出口端27、28，虽然这里未显示，但是其目的在于，当流体进入热交换元件23至26或当从后面(latter)流出的时候，流体也会被转移，在某种意义上有助于降低压力损失。
此外，在本发明的范围内，使波长λ和/或波峰间距W沿流动方向3逐渐增大，或者如依照图8的实施例所示，按照波长λ1、λ2和λ3以及波峰间距W3、W4和W5逐渐减小，都是有利的。由此可以获得在流动方向上逐渐增强的湍流形式，以及获得逐渐增大的传热输出。另外，图8显示，它们的波峰两侧的半波纹部还可以具有非对称的结构。
可通过不同的方法来应用所述的热交换元件。例如，图9显示了带有平管31的平管(管)式热交换器，平管31之间的依照图1-8配置的热交换元件设置成薄片32(波形肋片)的形式。这里的薄片32折叠成类似于图1的弯曲形状，薄片32设置有侧壁33，所述侧壁33通过大体上平坦的上或下连接部分34a、34b彼此连接。依照本发明，侧壁33设置有类似于图3-8中配置的波纹部。侧壁33分别界定了流动通道，例如气态的冷却介质流过该流动通道，以冷却在平管31中流动的液态流体。流动方向由例如箭头35、36指示。
图10显示了标准板形状构造的热交换器。热交换器包括多个平行且一个在另一个上面叠置地设置的矩形板38，所述板在它们的边缘由平行于长边延伸的轮廓39和平行于短边延伸的轮廓40交替地保持一定间距。因而，在板38和轮廓39或40之间形成了用于引导第一流体和第二流体的纵向延伸的流动通道41和横向延伸的流动通道42。另外，示意性指示的翅片板或薄片43、44设置在流动通道41和/或42中，这里所述的翅片板或薄片43、44配置成Z字形或波纹形的结构，而不配置成弯曲结构，所述薄片用于提高两种流体之间的传热。另外，两个标准收集柜(头部)之一用附图标记45表示，通过该收集柜45，第一流体、即液体分配到流动通道41或由此排出。板38、轮廓39和40、薄片43和44以及收集柜45彼此通过已知的方式、例如由粘结或焊接连接在一起。薄片43和/或44具有依照图1-8配置的侧壁46。流体的流动方向由例如箭头指示。
最后，图11显示了带有多个传热壁48的热交换元件，所述传热壁48彼此平行地设置，并由变形为波纹形状的薄板形成。壁48通过下短边利用焊接、粘结或其他方式安装于基板49上，所述基板49彼此固定地连接壁48，从基板49开始，壁48具有高度D。彼此分别成对地对置的壁48的两个宽边50界定了用于流体的流动通道51。基板49抵接在例如要被冷却的电子器件上，这样，热交换元件形成肋片式冷却体。在实施例中，例如冷却空气沿它们的平行于基板49延伸的纵轴方向流过流动通道51，流动方向的选择例如由箭头52指示。此外，图1-10的一般实施例可相应应用。
除了输出(功率)的显著增加之外，所述的实施例在压力损失方面只带来了小的百分比增长。结果，一方面，具有较大的热交换表面，并且用于流体的流程相应地变长，同时，另一方面，流动可以容易地贴随圆形的流动通道。另外，带来的特殊优点是，尽管为波形，由于界定流动通道的宽边是连续平坦的或稍微是圆形的和平滑的，没有断裂性的角部和角度形成，所以流动通道中变脏的倾向变小。如图2所示，即使波纹部6的重叠的尺寸较大，所述类型的热交换元件也能够很好地适用于农业、林业和建筑领域的所有应用。另外，尤其是壁包括基本上平坦部分的热交换元件，带来的好处是容易制造。
本发明不局限于所述的实施例，可以在许多方面进行修改。其最主要是应用于不同波纹部的所示的形状和/或尺寸以及其配置的密度。不同参数的选择广泛地取决于个别情况和所需要的热交换输出或传热输出。另外，可以将相邻的壁的波纹部在流动方向上设置为预选定的偏差，如果这样，压力损失不会非期望地增大。此外，设置在波纹部的波峰中的曲线部分可以具有圆形或椭圆形的结构，或遵行其他弧形。此外，很明显，本发明还可以应用于附图所示的那些之外的、例如配置成翅片的热交换元件以及装有这些热交换元件的热交换器。除此之外，应当至少部分地采用给定的尺寸和/或不等式，整个热交换元件带来的特殊的优点始终与此有关。但是，这些尺寸和/或不等式的误差也可能在同一个相同的热交换元件或热交换器内。最后，不言而喻，不同的特征可以以除了附图所述以及所示的方式之外的方式彼此结合。

Claims (22)

1.一种热交换元件，其具有相邻的、传热的、平滑的壁(1，11，12，33，46，48)，所述壁彼此之间界定了用于至少一种流体的带有预选定的通道宽度(B)的第一流动通道(4)或第二流动通道(41)或第三流动通道(42)或第四流动通道(51)，所述壁设置有横向于假想的中心面(7)在两侧突出的波纹部(6)，所述波纹部具有预选定的波长(λ)和波峰(9a，9b)，所述波峰(9a，9b)带有曲率半径(R)和横向于中心面(7)测量的波峰间距(W)，其特征在于：
不等式0.1≤B/W≤0.55和0≤B/R≤0.75应用于通道宽度(B)/波峰间距(W)的比和通道宽度(B)/曲率半径(R)的比。
2.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，不等式0.2≤B/R≤0.55应用于通道宽度(B)/曲率半径(R)的比。
3.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，不等式0.35≤B/W≤0.50应用于通道宽度(B)/波峰间距(W)的比。
4.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，λ≥15mm应用于波长(λ)。
5.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，不等式2.4mm≤R≤6.5mm应用于曲率半径(R)，而R＝∞相当于壁部分(17)在相应的波峰处设置成直的平面。
6.如权利要求5所述的热交换元件，其特征在于，所述壁部分(17)设置为平行于相关联的中心面(7)。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，波纹部(6)具有在直的平面上上升和下降的第一平坦部分(15，16)以及在波峰处的第二壁部分，所述第二壁部分连接第一平坦部分(15，16)，并连续地弯曲或设计成多边形。
8.如权利要求1-6中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，波纹部(14)具有上升和下降的、形成为直的平面的第一平坦部分(15，16)及在波峰处的第二平坦直壁部分(17)，所述第二平坦直壁部分(17)连接第一平坦部分(15，16)。
9.如权利要求8所述的热交换元件，其特征在于，在波峰处设置的第二平坦壁部分(17)设置成平行于中心面(7)。
10.如权利要求1-6中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，波纹部分别具有在中心面(7)的相对侧设置的第一组的两个半波纹部(6a，6b)或第二组的两个半波纹部(14a，14b)或第三组的两个半波纹部(21a，21b)。
11.如权利要求10所述的热交换元件，其特征在于，所述第三组的两个半波纹部(21a，21b)由大体上设置在中心面(7)中的平坦部分(22)连接。
12.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，所有的波纹部(6)具有同样的结构。
13.如权利要求1所述的热交换元件，其特征在于，所述第一流动通道(4)具有用于流体的大体上平行于中心面(7)延伸的进口端和/或出口端(27，28)。
14.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，波纹部设置有在流动通道的方向上具有不同尺寸的波长(λ1至λ3)和/或波峰间距(W3至W5)。
15.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，壁(1，11，12，33，46，48)具有0.08mm至5mm的厚度(S)。
16.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，波纹部(6)设置有至少为波峰间距(W)的四倍的波长(λ)。
17.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，相邻的壁(1，11，12，33，46，48)的波纹部(6)被设置成在流动方向上在相互之间没有偏移。
18.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，它是肋片式冷却体的一部分。
19.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，它是平管式热交换器的一部分。
20.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，它被构成为翅片。
21.如权利要求1-6、12和13中的任一项所述的热交换元件，其特征在于，它被构成为薄片，该薄片形成为波状肋片(32，43，44)。
22.一种热交换器，其特征在于，它具有至少一个依照权利要求1-21中的任一个所述的热交换元件。
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