CN102203538A - 气体冷却器 - Google Patents
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Abstract
本发明提高具备散热片·管方式的热交换器的气体冷却器的传热性能。一种气体冷却器(10),具备热交换器(6),通过在从外部导入的被加热后的被冷却气体与热交换器(6)之间进行热交换,而对被冷却气体进行冷却并向外部排出,所述气体冷却器(10)的特征在于,热交换器(6)具备:相互隔着规定的间隙并列设置,且使被冷却气体在间隙中流动的多个传热散热片(8);贯通传热散热片(8),并沿着被冷却气体流动的方向设置多列的传热管(7),其中,传热管(7)的外径d0为20~30mm。
Description
技术领域
本发明涉及对从气体压缩机等排出的高温的气体进行冷却的气体冷却器,尤其是涉及通过提高热交换器的传热性能而能够小型化的气体冷却器。
背景技术
为了对从气体压缩机排出的被加热成100℃以上的高温的气体进行冷却而使用气体冷却器。该气体冷却器具备使高温的气体与冷却介质进行热交换的热交换器。本热交换器的形式为壳体·和·管方式。而且作为热交换器管,已知有裸管方式(例如,专利文献1、专利文献2)和散热片·管方式。裸管方式为了增多传热面积而必须增多传热管的根数或延长传热管的长度,因而具有气体冷却器的尺寸增大的难点。尤其是伴随着气体压缩机的大容量化,在同一尺寸下,相对于更高效率地冷却高温的气体的必要性,而散热片·管方式的热交换器仅通过改变散热片间距就能够增大传热面积,因此能够将尺寸的大型化抑制成最小限度并提高传热性能。
然而,在缩小散热片间距方面存在界限,因此在散热片·管方式的热交换器中,也希望通过调整散热片间距以外的方法来提高传热性能。
众所周知,散热片·管方式的热交换器也使用于空气调和装置(以下称为空调)。在空调所使用的散热片·管方式的热交换器中,提出有用于提高传热性能的多个方法。例如,专利文献3公开有一种散热片·管方式的热交换器,当传热管的外径为DO,被冷却气体的流动方向的传热管的排列间距为L1,与被冷却气体的流动方向垂直的方向的传热管的排列间距为L2时,满足1.2DO≤L1≤1.8DO,2.6DO≤L2≤3.3DO。而且,专利文献4提出有将散热片的宽度尺寸W形成为22.2≤W≤26.2mm的方法。
专利文献1:日本特开2008-65412号公报
专利文献2:日本特开2008-256303号公报
专利文献3:日本特开昭63-3186号公报
专利文献4:日本特开2004-245532号公报
然而,专利文献3、专利文献4等的提案主要考虑了以空调用等的热交换器为对象的情况,并未以压缩机用那样的超过100℃的被冷却气体为对象,而作为压缩机用热交换器是否能够确保规定的传热性能是不清楚的状态。
发明内容
本发明基于作为此种压缩机用气体冷却器的技术性课题而作出,其目的在于提高具备散热片·管方式的热交换器的气体冷却器的传热性能。
本发明者们为了实现上述目的而对热交换器的规格进行了研究,了解到了通过使传热管的外径为特定的范围,在100~150℃左右的被冷却气体的冷却时,能够抑制压力损失并得到高传热率。本发明是基于该见解而作出,其涉及一种气体冷却器,该气体冷却器具备热交换器,通过在从外部导入的被加热后的被冷却气体与热交换器之间进行热交换,而对被冷却气体进行冷却并向外部排出,所述气体冷却器的特征在于,热交换器具备:相互隔着规定的间隙并列设置,且使被冷却气体在该间隙中流动的多个传热散热片;贯通多个传热散热片,并沿着被冷却气体流动的方向设置多列的传热管,其中,传热管的外径d0为20~30mm。
在本发明的气体冷却器中,与被冷却气体的流动方向正交的方向上的传热管的间距为S1,且被冷却气体的流动方向上的传热管的间距为S2时,S1为30~50mm且S2为30~50mm的情况有利于抑制压力损失并得到高传热率。
另外,在本发明的气体冷却器中,传热散热片和传热管经由填充材料接合的情况对于提高传热率来说优选。
此外,在本发明的气体冷却器中,优选,填充材料为传热性粘结剂。
在本发明的气体冷却器中,通过将冲模压入到传热管的内部而扩开传热管的外径,传热管的扩管率为0.3~1.5%的情况有利于得到高的接触传热率。其中,扩管率(%)={扩管后传热管外径dTO2-扩管前传热散热片内径dfin1}/扩管前传热散热片内径dfin1×100≒{(冲模外径dD+传热管壁厚ΔdT)-扩管前传热散热片内径dfin1}/扩管前传热散热片内径dfin1×100。
[发明效果]
根据本发明,由于能够抑制压力损失并得到高的传热率,因此即使气体冷却器(热交换器)为小型,也能够充分地冷却高温的被冷却气体。
附图说明
图1是表示本实施方式中的气体冷却器的简要结构的图。
图2是表示本实施方式的传热管与传热散热片的接合方法的剖视图。
图3是表示本实施方式的经由填充材料将传热管和传热散热片接合的部分的剖视图。
图4表示热交换器的主要部分,是表示传热管7的外径d0、传热管7的配管间距S1、S2的图。
图5是表示传热管的外径d0与传热率、压力损失的关系的图形。
图6是表示传热管的配管间距S1与传热率、压力损失的关系的图形。
图7是表示传热管的配管间距S2与传热率、压力损失的关系的图形。
图8是表示是否夹设传热性粘结剂与传热率、压力损失的关系的图形。
图9是表示本实施方式的传热管与传热散热片的接合和尺寸的剖视图。
图10是表示扩管率与接触传热率的关系的图形。
具体实施方式
以下,基于附图所示的实施方式对本发明进行详细说明。
图1是表示本实施方式中的气体冷却器10的简要结构的图。
气体冷却器10具备通过冷却水(冷却介质)对向例如气体压缩机(未图示)供给的工艺气体(被冷却气体)进行冷却的散热片·管方式的热交换器6。
气体冷却器10具备形成为横置的筒状的气体冷却器主体1,在其长度方向的一端侧设有冷却水入口2和冷却水出口3。而且,气体冷却器10在气体冷却器主体1的外周面开设形成有气体入口4和气体出口5。
在气体冷却器主体1的内部设有热交换器6。热交换器6具备:沿冷却器主体1的长度方向相互隔开规定的间隙并列设置,且使工艺气体在该间隙中流动的多个传热散热片8;贯通传热散热片8,并沿被冷却气体流动方向设置多列的传热管7。
本发明并未限定构成传热管7、传热散热片8的材料,但分别优选以下的材料。
传热管7由SUS304、铜·镍合金、钛合金及铜材料等构成。
另外,传热散热片8优选铝(包含合金)或铜(包含合金)。作为铝,优选成形性及导热性优良的纯铝系的1000系合金(尤其是1050)合金。
在热交换器6中,传热管7与传热散热片8的接合可以是钎焊,但从成本方面以及铝合金与不锈钢的钎焊困难的情况出发,优选扩大传热管7的直径的扩管方式。图2示出扩管方式的图像,在将传热管7***传热散热片8的贯通孔后,将冲模D压入到传热管7内,通过扩大传热管7的直径,使传热管7和传热散热片8发生塑性变形而进行接合。
通过扩管方式将传热管7和传热散热片8接合时,如图3所示,为了提高传热管7与传热散热片8之间的传热性能,而优选将填充材料9夹设在传热管7与传热散热片8之间。在扩管方式的情况下,传热管7和传热散热片8发生塑性变形,但在微观上该变形不规则产生,因此有可能会在传热管7与传热散热片8之间形成间隙。因此,通过将填充材料9夹设在传热管7与传热散热片8之间来填埋间隙,扩大有效传热面积,从而能够提高传热性能。
作为填充材料9,优选使用传热性粘结剂。作为传热性粘结剂,能够使用在由热硬化性树脂构成的粘结剂基质中含有作为传热物质的金属填料的粘结剂。作为金属填料,使用铝、铜、银等。金属填料若包含30~50体积%左右的范围,则会将充分的导热性施加到传热管7与传热散热片8之间。作为粘结剂基质,能够使用环氧树脂系、聚酯系、聚氨脂系、酚醛树脂系等公知的物质。此种传热性粘结剂既可以在热交换器6的制造阶段加热而硬化,也可以在以未硬化状态装入气体冷却器10后,通过与高温的被冷却气体接触而硬化。
作为填充材料9,除了以上的传热性粘结剂之外,还能够使用具有150℃左右的耐热性的各种硬化剂、粘结剂等。都能够填埋传热管7与传热散热片8的间隙并将充分的导热性施加到传热管7与传热散热片8之间。
从未图示的冷却水供给源由冷却水入口2供给的冷却水依次流过各传热管7而在热交换器6内循环后由冷却水出口3排出。在传热管7内流动的热交换后的冷却水大致为15~50℃左右的温度。另一方面,从未图示的气体压缩机由气体入口4供给到气体冷却器主体1内的100~150℃左右的被冷却(工艺)气体在通过热交换器6、即传热散热片8之间的过程中,与在传热管7中流动的冷却水进行热交换而被冷却至15~50℃左右。冷却后的气体由气体出口5经由未图示的配管再次向气体压缩机供给,从而反复进行压缩。
图4表示热交换器6的主要部分,(a)是局部主视图,(b)是局部侧视图。
在图4中,传热管7的外径为d0,传热管7的配管间距为S1(与被冷却气体的流动方向正交)、S2(被冷却气体的流动方向)。需要说明的是,本发明中的被冷却气体的流动方向的传热管7的配管间距不是S3而定义为S2。研究了它们对热交换器6的传热率(总传热率)U、通过热交换器6的被冷却气体的压力损失ΔP的影响。需要说明的是,传热管7由SUS304制作,传热管7的壁厚为约1.7mm。传热散热片8由1050合金系的铝制作,板厚为约0.35mm。而且,被冷却气体的温度约120℃,在传热管7内流动的冷却水为45℃。
<传热管7外径d0>
改变传热管7的外径d0,测定了传热率U及压力损失ΔP。传热率U及压力损失ΔP的倾向如图5所示。
需要说明的是,S1、S2如下所述。
S1=40mm,S2=40mm
由图5可知,通过增大外径d0,而传热率U升高。该理由虽然未明确可知,但推测为以下的情况。
(1)增大传热管7的外径d0时,每单位体积的传热散热片8的传热面积减少,但在传热管7外流动的被冷却气体的流速增加,传热散热片8表面、传热管7外表面的传热率增大。
(2)而且,通过减少传热管7的配管间距,而散热片效率增大,散热片的有效传热面积增加,传热管7的管外侧的传热率增加,总传热率U增加。
然而,若增大传热管7的外径d0,则由于管外(气体侧)的流速增加而气体侧的压力损失增大。考虑使冷却后的气体向气体压缩机循环的情况时,优选尽可能减小压力损失。需要说明的是,压力损失的目标值是入口工艺气体压力的约2%左右,当入口压力为1~5(kg/cm2)左右时,优选为约200~1000mmAq左右。而且,若考虑压缩机与气体冷却器间的循环线路等的压损时,则容许压力损失在其以下。
考虑以上情况,本发明优选使传热管7的外径d0为20~30mm。更优选使传热管7的外径d0为23~27mm。
作为增大外径d0的其他效果,如以下所述。传热管7的外径部与传热散热片8的根部的接触如上所述通过扩管法进行,但该接触力与直径的平方的倒数成反比,并与扩管量成正比。因此,传热管7的外径d0越大,越难以受到扩大量的误差的影响,制造的管理越容易。
<传热管7间距S1、S2>
改变传热管7的间距S1,测定传热率U及压力损失ΔP。传热率U及压力损失ΔP的倾向如图6所示。
需要说明的是,传热管7的外径d0、传热管7的间距S2如下所述。
d0=25.4mm,S2=40mm
改变传热管7的间距S2,测定了传热率U及压力损失ΔP。传热率U及压力损失ΔP的倾向如图7所示。
需要说明的是,传热管7的外径d0,传热管7的间距S1如下所述。
d0=25.4mm,S1=40mm
根据图6,若减小间距S1,则传热率U升高。同样地,根据图7,若减小间距S2,则传热率U升高。在传热管7外流动的被冷却气体的流速增加,传热散热片8表面、传热管7外表面的传热率U增大。在本发明中,考虑传热率U及压力损失ΔP,而使间距S1及间距S2处于30~50mm的范围。优选的间距S1及间距S2为35~45mm。
<填充材料9>
与传热率U及压力损失ΔP相关地评价了在传热管7与传热散热片8之间应用传热性粘结剂作为填充材料时的最大的效果。结果如图8所示。在此,应用的传热性粘结剂的粘结剂自身的厚度比管的壁厚及散热片的壁厚薄,进行了设想为作为热阻可忽略时的最大效果的评价。
需要说明的是,d0、S1、S2如下所述。
d0=25.4mm,S1=40mm,S2=40mm
根据图8,通过在传热管7与传热散热片8之间夹设填充材料9而减小传热管7与传热散热片8之间产生的接触阻力,不使管外的压力损失ΔP变化而能够提高传热率U。
根据以上的本实施方式,能够将传热率U至少提高约20%左右。因此,能够将气体冷却器10的尺寸减小约20%左右,同时也有助于减少成本。
另外,在传热管7的扩管时,通过将扩管率形成为规定的范围而能够提高传热管7和传热散热片8的导热性。扩管率根据图9所示的冲模的外径dD、传热管的壁厚ΔdT、扩管前的传热散热片内径dfin1及扩管后的传热管外径dTO2的关系求出。在本发明中,通过下式导出的扩管率优选0.3~1.5%。
扩管率(%)={扩管后传热管外径dTO2-扩管前传热散热片内径dfin1}/扩管前传热散热片内径dfin1×100≒{(冲模外径dD+传热管壁厚ΔdT)-扩管前传热散热片内径dfin1}/扩管前传热散热片内径dfin1×100。
如图10所示,扩管率越增大,接合的传热管7与传热散热片8的接触传热率越增加。若接触传热率小于约5000W/(m2·K),则接触阻力成为统治性的,因此接触传热率优选约5000W/(m2·K)以上。另一方面,扩管率增大为1.5%以上时,传热散热片8对传热管7进行紧固的弹性力下降,接触松弛。其结果是,产生传热散热片8的倒下等,传热散热片8发生歪斜而尺寸精度下降。由此,扩管率优选0.3~1.5%,更优选0.5~1.0%。
除此以外,只要不脱离本发明的主要内容,就能够取舍选择上述实施方式所列举的结构或适当变更为其他结构。
[符号说明]
10...气体冷却器
1...气体冷却器主体
2...冷却水入口
3...冷却水出口
4...气体入口
5...气体出口
6...热交换器
7...传热管
8...传热散热片
d0...外径
S1...间距
S2...间距
dD...冲模外径
ΔdT...传热管壁厚
dfin1...扩管前传热散热片内径
dTO2...扩管后传热管外径
Claims (8)
1.一种气体冷却器,具备热交换器,通过在从外部导入的被加热后的被冷却气体与所述热交换器之间进行热交换,而对所述被冷却气体进行冷却并向外部排出,所述气体冷却器的特征在于,
所述热交换器具备:
相互隔着规定的间隙并列设置,且使所述被冷却气体在所述间隙中流动的多个传热散热片;
贯通所述多个传热散热片,并沿着所述被冷却气体流动的方向设置多列的传热管,
所述传热管的外径d0为20~30mm。
2.根据权利要求1所述的气体冷却器,其特征在于,
与所述被冷却气体的流动方向正交的方向上的所述传热管的间距为S1,且所述被冷却气体的流动方向上的所述传热管的间距为S2时,S1为30~50mm,S2为30~50mm。
3.根据权利要求1所述的气体冷却器,其特征在于,
所述传热管的外径d0为23~27mm。
4.根据权利要求2所述的气体冷却器,其特征在于,
所述传热管的间距S1及间距S2为35~45mm。
5.根据权利要求1或2所述的气体冷却器,其特征在于,
所述传热散热片和所述传热管经由填充材料接合。
6.根据权利要求5所述的气体冷却器,其特征在于,
所述填充材料为传热性粘结剂。
7.根据权利要求1所述的气体冷却器,其特征在于,
通过将冲模压入到所述传热管的内部而扩开所述传热管的外径,所述传热管的扩管率为0.3~1.5%,其中,扩管率(%)={扩管后传热管外径dTO2-扩管前传热散热片内径dfin1}/扩管前传热散热片内径dfin1×100≒{(冲模外径dD+传热管壁厚ΔdT)-扩管前传热散热片内径dfin1}/扩管前传热散热片内径dfin1×100。
8.根据权利要求7所述的气体冷却器,其特征在于,
所述传热管的所述扩管率为0.5~1.0%。
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