CN110017705B - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种热交换器。该热交换器具有考虑到挤出管道端部部分的热容量通过优化管道端部部分的形状和厚度来使热传递性能显著提高的最佳设计。还提供了具有基于构造规则以使得能够容易地应用于各种尺寸的其他管道而获得的最佳设计的热交换器。

Description

热交换器
技术领域
下面的公开涉及热交换器，并且更具体地，涉及热交换器管道，该热交换器管道是一种被包含在高压环境下操作的热交换器中的管道，该热交换器管道是通过挤出方法形成的并且具有最佳的热传递性能。
背景技术
热交换器是用于在诸如工作流体、外部空气或其他流体等周围环境之间进行热交换的设备。常见的广泛使用的热交换器包括管道，该管道包括供工作流体经过的通道和用于将热传递到外部介质的管壁(翅片等)。在热交换器中，通常，多个管道平行布置，并且设置有用于改善热传递性能的翅片，所述翅片插设在管道之间。
通常，热交换器管道具有扁平管道形式，并且翅片被钎焊在管道的平坦表面的外侧。这种热交换器管道可按各种方法形成。例如，还广泛使用将薄金属板弯曲并将金属板的端部部分彼此结合的方法等。然而，当工作流体在高压下在热交换器管道中流动时，按如上所述的方法形成的管道可能具有的问题在于，管道因应力集中在结合部分上而受损，从而导致工作流体泄漏等。因此，通常，在高压热交换器中使用按挤出方法形成使得不产生结合部分的管道。
与按板结合方法制造的管道相比，按挤出方法形成的管道(下文中，被称为挤出管道)容易具有复杂的横截面形状。因此，为了进一步改善管道中的通道中的热传递性能，在许多情况下，已引入在通道(也就是说，管道内部的空间)中形成多个隔壁(下文中，被称为内壁)的挤出管道的设计。通过这样做，管道中的壁表面与工作流体(制冷剂)接触的面积变大，使得从工作流体传递到管道的热量增加。结果，能改善热传递性能。
同时，通常，设置在车辆中的热交换器具有以下的设计：暴露于外部的表面具有较高的刚度，以便确保对因与从道路上弹起的石头碰撞引起的外部冲击具有足够的耐久性。通常，热交换器管道被制造成具有扁平形状，并且多个热交换器管道以如下方式平行布置：多个热交换器管道堆叠，使得平坦表面彼此面对。因此，暴露于外部的表面是平坦表面的一侧的端部部分或两侧的端部部分。特别地，按挤出方法制造的管道容易具有如上所述的复杂的横截面形状。因此，在这种情况下，管道的端部部分的外壁的厚度大于管道的其他部分的厚度。通常，管道的端部部分的此横截面形状是近似半圆形的形状。日本特开No.2007-093144(2007年4月12日公开，名称为“热交换管道和热交换器”)公开了出于如上所述的目的而设计的一种挤出管道，该挤出管道的一侧的端部部分的外壁的厚度大于该挤出管道的其他部分的外壁的厚度。
管道的端部部分的形状确定了翅片和管道的结合长度，并且翅片和管道的结合长度与管道和翅片之间的热传递面积成比例。也就是说，翅片和管道的结合长度直接影响从管道到翅片的热传递性能。同时，管道的热容量与管道的重量成比例，并且重量越大，从工作流体传递的热量越大，使得热传递性能得以改善。管道的端部部分最大程度地影响管道的热容量，端部部分首先接触热最终被传递到的外部介质(也就是说，空气)。
然而，在相关技术中，在设计管道的端部部分的形状时尚未考虑到热容量、热传递面积等，而是只考虑到了制造的方便性或者使用的是现有形状，而并不知道需要更新现有形状。因此，需要新的最佳设计，其考虑了如上所述的管道的端部部分的形状与热容量之间的关系等。
[相关技术文献]
[专利文献]
日本特开No.2007-093144(2007年4月12日公开，名称为“热交换管道和热交换器”)
发明内容
本发明的实施方式涉及提供一种热交换器，该热交换器具有考虑到挤出管道端部部分的热容量通过优化管道端部部分的形状和厚度来使热传递性能最大化的最佳设计。本发明的另一个实施方式涉及提供具有基于构造规则以使得能够容易地应用于各种尺寸的其他管道的最佳设计的热交换器。
在一个总体方面，一种热交换器包括：一对集水箱(110)，其彼此分隔开预定距离并且彼此平行设置；多个管道(120)，其的两个端部都固定于所述一对集水箱以形成用于冷却剂的通道；以及翅片(130)，其插设在所述管道(120)之间，其中，所述管道(120)是挤出管道，所述管道的宽度W大于所述管道的高度H，并且当所述管道(120)中的所述通道被在所述管道(120)的高度方向上延伸的多个内壁(121)分隔成在所述管道(120)的宽度方向上彼此平行设置的多个孔(122)时，所述热交换器具有在如下范围内的尺寸：从所述管道的端部部分起算的所述宽度方向上的位置X和所述宽度方向上的位置X处的长度方向上的所述管道(120)的横截面面积A满足以下表达式，使得所述管道(120)的端部部分的横截面具有其角部被倒圆的四边形形状或比其角部被倒圆的四边形形状大的形状。
表达式1：A≤HL(0<X≤w0)
表达式2：A≥HL+2rL(√(1-(X/r-1)2-1)(0<X≤r),0.15H<r<0.45H
(这里，X是所述宽度方向上的位置，A是所述长度方向上的横截面面积，H是所述管道的高度，r是所述管道的倒圆角部的半径，L是所述管道的长度，w0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的外壁在所述宽度方向上的厚度，并且wc是管道-翅片接触点处的X的值。)
所述热交换器100可具有满足以下表达式的范围内的尺寸，使得所述管道(120)与所述翅片(130)的接触位置位于所述管道(120)的第一孔(122)的位置的前方。
表达式3：wc≤w0
(这里，w0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的外壁在所述宽度方向上的厚度，并且wc是管道-翅片接触点处的X的值。)
当用所述宽度方向上的位置X表示从相对端部部分起算的第一孔至第n0孔的一系列位置的表达式是端部部分范围表达式时，所述端部部分范围表达式如下：
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第n0孔：(w0+h0)+((n0-1)w+(n0-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n0-1)(w+h)
第N-n0+1孔：(w0+h0)+((N-n0)w+(N-n0-1)h)≤X≤(w0+h0)+(N-n0)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
(这里，n是孔索引，N是孔的总数，h0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的孔的宽度，h是其余位置处的孔的宽度。)
当用所述宽度方向上的位置X表示与除了与所述端部部分范围表达式的范围对应的区域之外的其余区域对应的孔(122)的一系列位置的表达式是中间部分范围表达式时，所述中间部分范围表达式如下：
第n孔：(w0+h0)+((n-1)w+(n-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n-1)(w+h),n0<n<N-n0+1
(这里，n是孔索引，N是孔的总数，h0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的孔的宽度，h是其余位置处的孔的宽度。)
所述热交换器(100)可具有在如下范围内的尺寸：所述宽度方向上的位置X和孔(122)的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t满足以下表达式，使得在所述端部部分范围表达式的范围内的孔(122)的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t为t0。
t＝t0，(当X在所述端部部分范围表达式的范围内时)
(这里，t0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度。)
所述热交换器(100)具有在如下范围内的尺寸：所述宽度方向上的位置X和孔(122)的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t满足以上表达式，使得tm是所述中间部分范围表达式的范围内的孔(122)的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t，并且所述端部部分范围表达式的范围内的孔(122)的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t大于所述中间部分范围表达式的范围内的孔(122)的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t。
t＝tm，(当X在所述中间部分范围表达式的范围内时)
表达式4：t0>tm
(这里，t0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度，并且tm是所述管道在所述宽度方向上的中间部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度。)
所述热交换器(100)可具有满足以下表达式的范围内的尺寸，使得所述端部部分范围表达式的范围是从相对端部部分起算的第一孔至第二孔或第三孔的一系列位置。
2≤n0≤3
所述管道(120)的总重量的10％至20％可被偏置地分布于与所述宽度方向上的位置X的以下范围对应的区域，使得重量被偏置地分布于与从相对端部部分起算的第一孔至第二孔或第三孔的一系列位置对应的区域。
表达式5：
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第n0孔：(w0+h0)+((n0-1)w+(n0-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n0-1)(w+h)
第N-n0+1孔：(w0+h0)+((N-n0)w+(N-n0-1)h)≤X≤(w0+h0)+(N-n0)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
2≤n0≤3
(这里，n是孔索引，N是孔的总数，h0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的孔的宽度，h是其余位置处的所述孔的宽度。)
所述管道(120)可以由铝材料形成。
根据以下的具体实施方式、附图和权利要求书，将清楚其他特征和方面。
附图说明
图1是常规翅片-管道热交换器的立体图。
图2是根据相关技术的挤出管道和百叶板-翅片联接体的剖视图。
图3是根据本发明的挤出管道和百叶板-翅片联接体的剖视图。
图4的(A)和图4的(B)分别例示了根据相关技术的挤出管道和根据本发明的挤出管道的相应部分的定义。
图5的(A)至图5的(E)是用于描述从宽度方向上的管道的端部部分起算的位置和相应位置处的长度方向上的横截面面积的视图。
图6的(A)和图6的(B)是根据相关技术的管道的局部剖视图和从宽度方向上的根据相关技术的管道的端部部分起算的位置与相应位置处的长度方向上的横截面面积之间的关系的曲线图。
图7的(A)和图7的(B)是根据本发明的管道的局部剖视图和从宽度方向上的根据本发明的管道的端部部分起算的位置与相应位置处的长度方向上的横截面面积之间的关系的曲线图。
图8的(A)至图8的(B)是用于比较从宽度方向上的根据本发明的管道的端部部分起算的归一化位置与相应位置处的长度方向上的横截面面积之间的关系的曲线图。
图9是用于比较从宽度方向上的根据本发明的管道的端部部分起算的归一化位置与相应位置处的长度方向上的横截面面积之间的关系的曲线图。
[对主要元件的详细描述]
100：热交换器
110：集水箱 120:管道
130：翅片 135：百叶板
具体实施方式
下文中，将参照附图来详细描述具有如上所述配置的根据本发明的示例性实施方式的热交换器。
图1是常规翅片-管道热交换器的立体图。如图1中例示的，常见的翅片-管道型热交换器100包括：一对集水箱110，其彼此分隔预定距离并且彼此平行设置；多个管道120，其两端固定于这对集水箱110，以形成用于制冷剂的通道；以及翅片130，其插设在管道120之间。在这种情况下，管道120是按挤出方法形成的挤出管道，因此没有接头。另外，可在翅片130上形成多个百叶板135，并且图2是根据相关技术的挤出管道和百叶板-翅片联接体的剖视图。另外，优选地，热交换器100是冷凝器并且管道120由铝材料形成。
本发明推荐了基于管道120的相应部分的形状和尺寸的构造规则的最佳设计，由此使从管道到空气的热传递性能最大化。
图3是根据本发明的挤出管道和百叶板-翅片联接体的剖视图，并且可直观地理解，根据本发明的挤出管道的端部部分的形状与图2中例示的根据相关技术的形状不同。为了更详细地描述，将参照图4的(A)和图4的(B)定义根据相关技术的挤出管道和根据本发明的挤出管道的相应部分。
如图4的(A)和图4的(B)中例示的，假定根据相关技术的管道的宽度W和管道的高度H与根据本发明的管道的宽度和管道的高度相同。与根据相关技术的管道类似，在根据本发明的管道120中，管道的宽度W基本上大于管道的高度H，并且管道120中的通道被在管道120的高度方向上延伸的多个内壁121分隔成在管道120的宽度方向上彼此平行设置的多个孔122，如图4的(B)中例示的。
图5的(A)至图5的(E)是管道120的立体图和用于描述从宽度方向上的管道的端部部分起算的位置和相应位置处的长度方向上的横截面面积的视图。如图5的(A)中例示的，管道120的横截面的宽度w大于管道的高度H，并且横截面延伸至长度方向上的管道的长度L，使得管道120形成为扁平的长形状。图5的(B)的剖视图与图4的(B)的剖视图相同，并且例示了根据本发明的管道120的横截面。在这种情况下，如图6的(B)中所指示的，从宽度方向上的管道的端部部分起算的位置为X。
当X＝0时，该位置是管道120的最外侧端部。这里，图5的(B)中的长度方向上沿着线C-C’截取的横截面的形状如图5的(C)中所示，并且通过将管道120的最外侧端部处的管道的高度H0乘以管道的长度L来获得这种情况下的长度方向上的横截面面积A。
Xc指示管道120首先接触翅片130的位置。因此，当X＝Xc时，图5的(B)中的长度方向上的沿着线D-D’截取的横截面的形状如图5的(D)中所示，并且通过将管道的高度H乘以管道的长度L来获得这种情况下的长度方向上的横截面面积A。
同时，线E-E’指示位置X在管道120的孔122上的情况。这里，图5的(B)中的长度方向上沿着线E-E’截取的横截面的形状如图5的(E)中所示，并且通过与将孔上的位置处的外壁在高度方向上的厚度t0的两倍对应的值(2t0)乘以管道的长度L来获得这种情况下的长度方向上的横截面面积A。在图5的(E)中，位置X在宽度方向上的管道的端部部分处的孔上，因此，外壁的厚度为t0。然而，在其他位置处的外壁的厚度变化的情况下，通过将与对应位置处的外壁的厚度的两倍对应的值乘以管道的长度L来获得这种情况下的长度方向上的横截面面积A。
如上所述，在设计根据本发明的管道的端部部分的形状时，管道和翅片之间的接触长度被最大化，以使热传递面积增大，并且重量被偏置地分布于管道的端部部分，以使首先接触空气的管道的端部部分的热容量增大。根据相关技术，管道的端部部分的横截面形状是半圆形形状，如图4的(A)和图6的(A)中例示的。因此，管道首先接触翅片的位置基本上远离管道的端部部分，此外，管道的端部部分的热容量不够高。然而，根据本发明，管道的端部部分的横截面形状是其角部被倒圆的四边形形状，如图4的(B)和图7的(A)中例示的。因此，管道首先接触翅片的位置更加靠近管道的端部部分，并且偏置地分布于管道的端部部分的重量大幅增加，从而导致管道的端部部分的热容量提高。以下，将提供对其的详细描述。
确保管道的端部部分的热容量的条件：长度方向上的横截面面积
图6的(A)和图6的(B)是根据相关技术的挤出管道的局部剖视图和从宽度方向上的根据相关技术的挤出管道的端部部分起算的位置与相应位置处的长度方向上的横截面面积之间的关系的曲线图，图7的(A)和图7的(B)是根据本发明的挤出管道的局部剖视图和从宽度方向上的根据本发明的挤出管道的端部部分起算的位置与相应位置处的长度方向上的横截面面积之间的关系的曲线图。
参照图6的(A)和图6的(B)，根据相关技术的管道的端部部分的横截面形状是半圆形形状，因此，当宽度方向上的位置X是0时，长度方向上的横截面面积A为0。当宽度方向上的位置X从0起逐渐增大时，长度方向上的横截面面积A即通过将对应位置处的管道端部部分的横截面的当前高度乘以管道的长度L而获得的值相应地逐渐增大。然而，由于在到达管道120与翅片130的接触点之前宽度方向上的位置X到达孔122，因此长度方向上的横截面面积A的最大值不能到达HL。然后，当宽度方向上的位置X是孔122上的位置时，通过将与孔122的位置处的外壁在高度方向上的厚度t的两倍对应的值(2t)乘以管道的长度L来获得长度方向上的横截面面积A，也就是说，长度方向上的横截面面积A是2tL。当宽度方向上的位置X是内壁121的位置时，通过将管道的高度H乘以管道的长度L来获得长度方向上的横截面面积A，也就是说，长度方向上的横截面面积A是HL。
长度方向上的横截面面积A相对于宽度方向上的位置X的积分值(也就是说，图6的(B)中例示的曲线下方的部分的面积)是体积，并且该体积与重量成比例。也就是说，随着长度方向上的横截面面积A的积分值增大，管道端部部分的重量增大，最终热容量增大，由此使热传递性能提高。在本发明中，基于如上所述的技术目的，如下地设计管道端部部分的形状。
参照图7的(A)和图7的(B)，根据本发明的管道端部部分的横截面形状是角部被倒圆的四边形形状，因此，即使当宽度方向上的位置X是0时，长度方向上的横截面面积A也具有特定值。如图4的(B)和图7的(B)中例示的，长度方向上的横截面面积A是H0L，其中，H0是宽度方向上的位置X为0处的管道的高度。当宽度方向上的位置X从0起逐渐增大并到达管道120与翅片130的接触点时，长度方向上的横截面面积A具有最大值HL，并且该最大值一直保持，直到宽度方向上的位置X进一步增大并到达孔122。在如上所述的根据相关技术的管道的情况下，当X为0(X＝0)时，A为0(A＝0)，并且因为X在到达管道与翅片的接触点之前到达孔(下文中，被称为管道-翅片接触点)，所以A的最大值不能到达HL。相反，在根据本发明的管道的情况下，当X为0(X＝0)时，A为H0L(A＝H0L)，并且因为X在到达孔之前到达管道-翅片接触点，所以其中A的最大值为HL的状态可保持相当长的时间段。
也就是说，在本发明中，与根据相关技术的半圆形形状不同，管道120的端部部分具有管道-翅片接触点与相关技术中的相比进一步向前移动，并且长度方向上的横截面面积A相对于宽度方向上的位置X的曲线位于相关技术中的曲线上方(也就是说，长度方向上的横截面面积A的曲线下方的部分的面积大于相关技术中的面积)。结果，与相关技术相比，管道端部部分的重量增大并且热容量增大，由此相比于相关技术，最终使热传递性能大幅提高。
将如下更详细地描述根据本发明的管道120的端部部分的形状。如上所述，在本发明中，管道端部部分的横截面形状是角部被倒圆的四边形形状(参见图4的(B)和图7的(A))。当倒圆角部的半径为r并且基于高度方向上的管道120的中心部分的位置为Y时，可使用宽度方向上的位置X和高度方向上的位置Y用以下表达式表示管道120的端部部分的形状。以下表达式表示一个圆，该圆的中心为(r，H/2-r)并且半径为r，如图8的(A)中例示的。基于以下表达式的曲线中的满足0<X<r且Y>0的部分对应于管道120的端部部分的形状，在该形状中，以在高度方向上的管道120的中心部分作为原点。
(X-r)2+(Y-(H/2-r))2＝r2
在这种情况下，可用以下表达式表示根据相关技术的管道端部部分的形状(也就是说，管道端部部分的半圆形状)。以下表达式表示一个圆，该圆的中心为(H/2,0)并且半径为H/2，如图8的(A)中例示的。基于以下表达式的曲线中的满足0<X<H/2且Y>0的部分对应于根据相关技术的管道120的端部部分的形状。
(X-H/2)2+Y2＝(H/2)2
在图8的(A)中，示出根据本发明的管道120的端部部分的形状的曲线是用曲线①表示的，并且示出根据相关技术的管道端部部分的形状的曲线是用曲线②表示的。在当X为任意值x时相应曲线①和②的值分别为y和y’的情况下，这些点处的管道的宽度分别为2y和2y’，并且长度方向上的横截面面积A分别是2yL和2yL’。也就是说，长度方向上的横截面面积可用图8B中例示的曲线表示，除了刻度之外，该曲线具有与图8的(A)的曲线相同的形式。如上所述，长度方向上的横截面面积A相对于宽度方向上的位置X的积分值(也就是说，曲线下方的部分的面积)是体积，并且该体积与重量成比例。如从图8的(B)中可直观理解的，在根据本发明的管道120的端部部分的形状的情况下，与根据相关技术的管道的端部部分的形状(半圆形形状)相比，重量可更加有效地偏置地分布于管道的端部部分。
当高度方向上的位置Y用图形①的表达式表示，被加倍并随后乘以管道的长度L(也就是说，2YL)时，宽度方向上的位置X和长度方向上的横截面面积A的关系表达式可如下。
A＝HL+2rL(√(1-(X/r-1)2-1)
在这种情况下，重量偏置地分布于管道端部部分的程度根据r的变化而变化。随着r减小，从管道到空气的热传递性能提高(因为重量偏置地分布于管道端部部分的程度增大)，但是可制造性会劣化(因为管道的角部变尖锐)。相反，随着r增大，可制造性会改善(因为管道的角部变圆)，但是从管道到空气的热传递性能的提高效果减弱(因为重量偏置地分布于管道端部部分的程度减小)。因此，在本发明中，在适当考虑到可制造性和热传递性能提高效果的情况下，r具有与管道的高度H的15％至45％对应的值。
如上所述，用于确保管道端部部分的热容量的条件可以在长度方向上的横截面面积方面被概括如下。
首先，在理论上，最优选地，管道120的端部部分的横截面形状是完整的四边形形状，以便使用管道120的端部部分的形状最大限度地确保热容量。然而，在这种情况下，长度方向上的管道120的横截面面积A在宽度方向上的位置X的整个范围内是HL。然而，实际上，由于诸如可制造性的问题，导致不能制造其端部部分的横截面面积具有完整四边形形状的管道120，并且当X接近0时，A不可避免地小于HL。也就是说，当宽度方向上的位置X在管道端部部分的位置(X＝0)和第一孔的位置(X＝w0)之间时，长度方向上的管道120的横截面面积A可用以下表达式1表示。
表达式1：A≤HL(0<X≤w0)
(这里，X是宽度方向上的位置，A是长度方向上的横截面面积，H是管道的高度，L是管道的长度，并且w0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的外壁在所述宽度方向上的厚度。)
接下来，根据以上描述，在本发明中，优选地，管道120的端部部分的横截面形状是其角部被倒圆的四边形形状。基于图8的(A)和图8的(B)的X和A的关系表达式表示管道120的端部部分的形状是其角部以半径r被倒圆的四边形形状的情况。在根据本发明的管道120中，优选地，端部部分的横截面具有四边形形状，该四边形形状小于用表达式1表示的完整四边形形状，但是等于或者大于其角部被倒圆的四边形形状。也就是说，当宽度方向上的位置X在管道端部部分的位置(X＝0)和角部半径位置(X＝r)之间时，长度方向上的管道120的横截面面积A可用以下表达式2表示。
表达式2：A≥HL+2rL(√(1-(X/r-1)2-1)(0<X≤r),0.15H<r<0.45H
(这里，X是宽度方向上的位置，A是长度方向上的横截面面积，H是管道的高度，r是管道的倒圆角部的半径，并且L是管道的长度。)
另外，根据以上描述，优选地，管道-翅片接触点与相关技术中的相比进一步向前移动，使得宽度方向上的位置X在到达第一孔的位置之前到达管道-翅片接触点，以便更有效地执行从管道到翅片的热传递(在利用如上所述的形状设计确保管道120的端部部分的热容量的时间点)。在用宽度方向上的位置X描述这个时，在管道-翅片接触点处，X＝wc，而在第一孔的位置处，X＝w0。也就是说，管道120可满足以下表达式3，使得管道与翅片的接触点位于第一孔位置的前方。
表达式3：wc≤w0
(这里，w0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的外壁在所述宽度方向上的厚度，并且wc是管道-翅片接触点处的X的值。)
总之，根据本发明的热交换器100的尺寸可在从管道120的端部部分起算的宽度方向上的位置X和宽度方向上的位置X处的长度方向上的管道120的横截面面积A满足以下表达式的范围内。
表达式1：A≤HL(0<X≤w0)
表达式2：A≥HL+2rL(√(1-(X/r-1)2-1)(0<X≤r),0.15H<r<0.45H
表达式3：wc≤w0
(这里，X是宽度方向上的位置，A是长度方向上的横截面面积，H是管道的高度，r是管道的倒圆角部的半径，L是管道的长度，w0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的外壁在所述宽度方向上的厚度，并且wc是管道-翅片接触点处的X的值。)
用于提高管道端部部分的热容量的条件：孔位置处的外壁在高度方向上的厚度
返回参照图7的(A)和图7的(B)，当宽度方向上的位置X在经过第一孔的位置(也就是说，X＝w0)之后到达孔122的位置时，通过将与孔122的位置处的外壁在高度方向上的厚度的两倍对应的值乘以管道的长度L来获得长度方向上的横截面面积A。当宽度方向上的位置X是内壁121的位置时，通过将管道的高度H乘以管道的长度L来获得长度方向上的横截面面积A，也就是说，长度方向上的横截面面积A是HL。
在这种情况下，优选地，重量被偏置地分布于管道的端部部分，以便提高如上所述的管道的端部部分的热容量。为此，根据本发明，管道在宽度方向上的端部部分侧的多个孔中的每个的外壁在高度方向上的厚度大于管道在宽度方向上的中间部分处的孔中的每个的外壁在高度方向上的的厚度。下文中，将更详细地对此进行描述。
首先，在管道120中，可如下地用宽度方向上的位置X表示孔122的位置。
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第二孔：(w0+h0)+w≤X≤(w0+h0)+(w+h)
第三孔：(w0+h0)+(2w+h)≤X≤(w0+h0)+2(w+h)
第四孔：(w0+h0)+(3w+2h)≤X≤(w0+h0)+3(w+h)
...
第n孔：(w0+h0)+((n-1)w+(n-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n-1)(w+h)
在这种情况下，管道的相对端部部分中的每个的n0个孔中的每个的外壁的厚度大于其余孔中的每个的外壁的厚度。当形成在管道120中的孔122的总数为N时，在例如仅相对端部部分中的第一孔和第二孔中的每个的外壁的厚度大于其余孔的外壁的厚度，可如下地用宽度方向上的位置X表示在诸如一定范围内的孔122的位置。
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第二孔：(w0+h0)+w≤X≤(w0+h0)+(w+h)
第N-1孔：(w0+h0)+((N-2)w+(N-3)h)≤X≤(w0+h0)+(N-2)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
在第N-1孔的情况下，在表达第n孔时，代入n取代N-1。同时，类似于第一孔，第N孔的宽度为h0。因此，可通过在表达第n孔时代入n取代N来获得第N孔的下限值，并且第N孔的上限值可以是下限值+h0的值。
上述示例描述了用宽度方向上的位置X表示“的从相对端部部分起算的第一孔和第二孔”的一系列位置的表达式，并且通过代入“第n0孔”取代第二孔来概括表达式。在这种情况下，n0可等于或大于2。
可如下地用宽度方向上的位置X表示“从相对端部部分起算的第一孔至第n孔”的一系列位置。
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第二孔：(w0+h0)+w≤X≤(w0+h0)+(w+h)
...
第n0孔：(w0+h0)+((n0-1)w+(n0-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n0-1)(w+h)
第N-n0+1孔：(w0+h0)+((N-n0)w+(N-n0-1)h)≤X≤(w0+h0)+(N-n0)(w+h)
...
第N-1孔：(w0+h0)+((N-2)w+(N-3)h)≤X≤(w0+h0)+(N-2)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
将如下地对此进行总结。
用宽度方向上的位置X表示“从相对端部部分起算的第一孔至第n0孔”的一系列位置的表达式(下文中，被称为“端部部分范围表达式”)：
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第n0孔：(w0+h0)+((n0-1)w+(n0-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n0-1)(w+h)
第N-n0+1孔：(w0+h0)+((N-n0)w+(N-n0-1)h)≤X≤(w0+h0)+(N-n0)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
用宽度方向上的位置X表示其余范围的表达式(下文中，被称为“中间部分范围表达式”)：
第n孔：(w0+h0)+((n-1)w+(n-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n-1)(w+h),n0<n<N-n0+1
在这种情况下，当n0具有过大的值时，重量集中在端部部分上的效应会稍有下降。因此，优选地，n0具有诸如2至3的适宜的小值。这可被表示为2≤n0≤3。
根据本发明，t0>tm，其中，t0是在端部部分范围表达式的范围内的外壁在高度方向上的厚度，并且tm是中间部分范围表达式的范围内的外壁在高度方向上的厚度。
综上所述，根据本发明的热交换器100可具有一定范围内的尺寸，在该范围中，宽度方向上的位置X和孔122的位置处的外壁在高度方向上的厚度t满足以下表达式使得端部部分范围表达式的范围内的孔122的位置处的外壁在高度方向上的厚度t大于中间部分范围表达式的范围内的孔122的位置处的外壁在高度方向上的厚度t。
表达式4：t0>tm
(这里，t0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度，并且tm是所述管道在所述宽度方向上的中间部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度。)
相关技术与本发明之间的性能比较
图9是用于比较从宽度方向上的根据本发明的挤出管道的端部部分起算的归一化位置与相应位置处的长度方向上的横截面面积之间的关系的曲线图。在进行归一化时，在端部部分范围表达式的范围内将X除以w0，在端部部分范围表达式的范围内将X除以h0，在中间部分范围表达式的范围内的内壁的位置处将X除以w，并且在中间部分范围表达式的范围内将X除以h。在假定根据相关技术的管道的高度与以上的根据本发明的管道的高度相同的情况下，执行相关技术和本发明之间的比较。然而，还可以对此变量进行归一化。在这种情况下，该变量可被归一化为通过将高度方向上的管道的宽度除以管道的整体高度而获得的值。用下标n标记如上所述的归一化变量。X和A也被分别指示为归一化变量Xn和An。
如上所述，Xn-An曲线下方的部分的面积与重量成比例。也就是说，为了改善管道的端部部分的热容量，需要增大Xn-An曲线下方的部分的面积。在这种情况下，如图9中明确示出的，当上述归一化变量的曲线重叠时，根据本发明的管道的端部部分侧的Xn-An曲线的下部部分的面积远大于根据相关技术的管道的端部部分侧的Xn-An曲线的下部部分的面积。
综上所述，与相关技术相比，本发明具有如下的形状特征。
1)管道的端部部分的横截面(与根据相关技术的半圆形形状不同)具有其角部被倒圆的四边形形状(用表达式1至3表示)。
2)端部部分侧的两个或三个孔的位置中的每个处的外壁在高度方向上的厚度大于中间部分侧的孔的位置中的每个处的外壁在高度方向上的厚度(用表达式4表示)。
结果，在根据本发明的管道120中，与根据相关技术的管道的情况相比，重物更偏置地分布于端部部分侧。因此，与空气直接接触的端部部分的热容量进一步提高，由此最终显著提高了从管道到空气的热传递性能。
管道的宽度和高度可与基本尺寸略微不同，以便如上所述提高热传递性能。在实践中，基本尺寸根据热交换器的类型(选自蒸发器、冷凝器、散热器、加热器芯等)、其内安装有热交换器的模块的尺寸(在车辆的热交换器、发动机室的空间的情况下)、热交换器所需的性能(在车辆的热交换器的情况下，选自轻质量车辆的性能、小型车辆的性能、中型车辆的性能、大型车辆的性能等)以各种方式变化。因此，即使当复杂地应用如上所述的形状特性时，重量偏置地分布于端部部分的程度可以以各种方式变化。
以下，将描述详细示例。假定存在具有相当大宽度的管道A和具有宽度小得多的基本尺寸的管道B，也就是说，管道B的宽度是管道A的宽度的1/2。本发明的形状特性被应用于管道的端部部分侧的大致2个至3个孔，并且其余部分是中间部分。当仅仅比较管道A和管道B时，由于管道A的中间部分几乎是管道B的中间部分的2倍长，因此根据相关技术的形状被应用于管道A的端部部分和管道B的端部部分二者。另选地，即使当应用根据本发明的形状时，重量被偏置地分布于管道B的端部部分的程度可能已经高于管道A的情况。在这种情况下，即使当通过将根据本发明的管道形状应用于管道A来使重量的偏置分布程度增大并且通过将根据相关技术的管道形状应用于管道B来使重量的偏置分布程度减小时，重量被偏置地分布于管道B的端部部分的程度可仍然高于管道A的情况。
如此，由于管道的基本尺寸以各种方式显著改变，因此不容易在考虑到上述情形的情况下设置将重量偏置地分布于任何管道的端部部分的程度。然而，同样真实的是，当前被制作为安装在车辆的空调模块中的热交换器中的管道的商购管道中，这种基本尺寸也在一定程度上标准化。另外，当执行具有彼此不同的基本尺寸的管道的重量被偏置地分布于端部部分的程度的比较时，可能没有表现出改进形状的显著效应。然而，当执行具有彼此相同的尺寸的管道的重量被偏置地分布于端部部分的程度的比较时，根据如上所述的理论背景，确定地表现出改进形状的显著效应。
在这方面，已对一定程度上标准化的商购管道执行模拟或实验，并且其结果表明，优选地，管道120的总重量的10％至20％被偏置地分布于与宽度方向上的位置X的以下范围对应的区域。表达式5对应于上述的“端部部分范围表达式”。N0的值为2至3的表述意味着“从端部部分起算的第一孔和第二孔”的范围或“从端部部分起算的第一孔至第三孔”的范围。
表达式5：
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第n0孔：(w0+h0)+((n0-1)w+(n0-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n0-1)(w+h)
第N-n0+1孔：(w0+h0)+((N-n0)w+(N-n0-1)h)≤X≤(w0+h0)+(N-n0)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
2≤n0≤3
(这里，n是孔索引，N是孔的总数，h0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的孔的宽度，h是其余位置处的孔的宽度。)
本发明不限于以上提到的示例性实施方式，而是可以被不同地应用。另外，可在不脱离权利要求书中要求保护的本发明主旨的情况下，由本发明所属领域的技术人员对本发明进行各种修改。
根据本发明，与相关技术的情况相比，可以显著提高从管道到空气的热传递性能。更详细地，根据本发明，通过优化管道的端部部分的形状，使管道和翅片之间的接触长度最大化。结果，热传递面积增大，由此改善了从管道到空气(其是热最终被传递到的外部介质)的热传递性能。另外，根据本发明，通过适宜地将重量偏置地分布于管道的端部部分，使首先接触空气的管道的端部部分的热容量增大，由此进一步提高对于空气的热传递性能。根据本发明，基于上述效应的协同作用，通过优化管道端部部分的形状和尺寸的设计，可以获得最终使热交换器的热传递性能最大化的效果。
另外，根据本发明，即使当热交换器或热交换器管道的整体尺寸变化时，也可容易计算使热传递性能、耐压性和可制造性最佳的尺寸。无须说，在设计新热交换器或修改现有热交换器的设计的过程中，可使设计的便利性最大化。

Claims (12)

1.一种热交换器管道的设计方法，该热交换器包括：
一对集水箱，所述一对集水箱彼此分隔开预定距离并且彼此平行设置；
多个所述管道，所述多个管道的两个端部都固定于所述一对集水箱以形成用于冷却剂的通道；以及
翅片，所述翅片插设在所述管道之间，
其中，所述管道是挤出管道，所述管道的宽度W大于所述管道的高度H，并且当所述管道中的所述通道被在所述管道的高度方向上延伸的多个内壁分隔成在所述管道的宽度方向上彼此平行设置的多个孔时，所述热交换器具有在如下范围内的尺寸：从所述管道的端部部分起算在所述宽度方向上的位置X和所述管道在所述宽度方向上的位置X处在长度方向上的横截面面积A满足以下表达式：
表达式1：A≤HL(0<X≤w0)
表达式2：A≥HL+2rL(√(1-(X/r-1)2-1)(0<X≤r),0.15H<r<0.45H
其中，X是所述宽度方向上的位置，A是所述长度方向上的横截面面积，H是所述管道的高度，r是所述管道的倒圆角部的半径，L是所述管道的长度，w0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的外壁在所述宽度方向上的厚度，并且wc是管道-翅片接触点处的X的值，
其中，所述管道的端部部分的横截面是其角部被倒圆的四边形形状，所述倒圆角部的半径r具有与所述管道的高度H的15％至45％对应的值。
2.根据权利要求1所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述热交换器的尺寸在满足以下表达式的范围内：
表达式3：wc≤w0
其中，w0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的外壁在所述宽度方向上的厚度，并且wc是管道-翅片接触点处的X的值。
3.根据权利要求2所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述热交换器具有在满足表达式3的范围内的尺寸，使得所述管道与所述翅片的接触位置位于所述管道的第一孔的位置的前方。
4.根据权利要求2所述的热交换器管道的设计方法，其中，当用所述宽度方向上的位置X表示从相对端部部分起算的第一孔至第n0孔的一系列位置的表达式是端部部分范围表达式时，所述端部部分范围表达式如下：
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第n0孔：(w0+h0)+((n0-1)w+(n0-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n0-1)(w+h)
第N-n0+1孔：(w0+h0)+((N-n0)w+(N-n0-1)h)≤X≤(w0+h0)+(N-n0)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
其中，n是孔索引，N是孔的总数，h0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的孔的宽度，h是其余位置处的孔的宽度。
5.根据权利要求4所述的热交换器管道的设计方法，其中，当用所述宽度方向上的位置X表示与除了与所述端部部分范围表达式的范围对应的区域之外的其余区域对应的孔的一系列位置的表达式是中间部分范围表达式时，所述中间部分范围表达式如下：
第n孔：(w0+h0)+((n-1)w+(n-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n-1)(w+h),n0<n<N-n0+1
其中，n是孔索引，N是孔的总数，h0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的孔的宽度，h是其余位置处的孔的宽度。
6.根据权利要求5所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述热交换器具有在如下范围内的尺寸：所述宽度方向上的位置X和孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t满足以下表达式：
当X在所述端部部分范围表达式的范围内时，t＝t0
其中，t0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度。
7.根据权利要求6所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述热交换器具有在如下的范围内的尺寸：所述宽度方向上的位置X和孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度t满足以下表达式：
当X在所述中间部分范围表达式的范围内时，t＝tm
表达式4：t0>tm
其中，t0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度，并且tm是所述管道在所述宽度方向上的中间部分侧的孔的位置处的外壁在所述高度方向上的厚度。
8.根据权利要求4所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述热交换器的尺寸在满足以下表达式的范围内：
2≤n0≤3。
9.根据权利要求8所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述热交换器具有在满足以上表达式的范围内的尺寸，使得所述端部部分范围表达式的范围是从相对端部部分起算的第一孔至第二孔或第三孔的一系列位置。
10.根据权利要求8所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述管道的总重量的10％至20％被偏置地分布于与所述宽度方向上的位置X的以下范围对应的区域：
表达式5：
第一孔：w0≤X≤w0+h0
第n0孔：(w0+h0)+((n0-1)w+(n0-2)h)≤X≤(w0+h0)+(n0-1)(w+h)
第N-n0+1孔：(w0+h0)+((N-n0)w+(N-n0-1)h)≤X≤(w0+h0)+(N-n0)(w+h)
第N孔：(w0+h0)+((N-1)w+(N-2)h)≤X≤(w0+2h0)+((N-1)w+(N-2)h)
2≤n0≤3
其中，n是孔索引，N是孔的总数，h0是所述管道在所述宽度方向上的端部部分的孔的宽度，h是其余位置处的孔的宽度。
11.根据权利要求10所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述热交换器具有在满足以上表达式的范围内的尺寸，使得重量被偏置地分布于与从所述相对端部部分起算的所述第一孔至第二孔或第三孔的一系列位置对应的区域。
12.根据权利要求1所述的热交换器管道的设计方法，其中，所述管道由铝材料形成。
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