專利名稱：熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱交換器，更具體地涉及一種改進(jìn)了管和水箱的形狀和 尺寸從而提高了散熱性能的熱交換器。
背景技術(shù)：
圖1是表示一般的車輛冷卻和加熱系統(tǒng)的視圖。在車輛發(fā)動機(jī)1中， 高溫高壓氣體被點(diǎn)燃并燃燒。因此，如果氣體這樣離開車輛發(fā)動機(jī)l，其 將是過熱的，并且用于構(gòu)造發(fā)動機(jī)1的金屬材料熔融，因此汽缸，活塞 等可能被嚴(yán)重?fù)p壞。為了防止此類損壞，如圖1所示，儲存冷卻水的水
套(未示出)圍繞車輛發(fā)動機(jī)1的汽缸形成，并且冷卻水通過水泵5循 環(huán)經(jīng)過散熱器2或加熱器芯3從而冷卻發(fā)動機(jī)1 。根據(jù)加熱和冷卻的目的， 冷卻水可不經(jīng)過加熱器芯3，而是經(jīng)過旁路回路6直接返回水套。這時(shí)， 自動調(diào)溫器4設(shè)置在用于冷卻水的通道中，從而用作控制裝置來通過基 于冷卻水溫度控制通道的打開/關(guān)閉度而防止發(fā)動機(jī)1過熱。
散熱器2是一種用于散去冷卻水的熱的熱交換器，所述冷卻水在發(fā) 動機(jī)1中循環(huán)時(shí)被發(fā)動機(jī)1的熱量加熱。散熱器2置于車輛的發(fā)動機(jī)室 中，并在其中心部分設(shè)有冷卻風(fēng)扇從而冷卻散熱器芯。而且，加熱器芯3 是車輛空調(diào)器的一部分，且還用作所述一種熱交換器，其使用高溫冷卻
水為車輛內(nèi)部供應(yīng)暖空氣，所述高溫冷卻水在發(fā)動機(jī)1中循環(huán)時(shí)吸收發(fā) 動機(jī)1產(chǎn)生的熱。在加熱器芯3中，由發(fā)動機(jī)1的熱量加熱的高溫冷卻 水經(jīng)過加熱器芯3的散熱片和管從而將熱傳遞給從外部供給的空氣，由 此為車輛內(nèi)部提供暖空氣。
為了適當(dāng)加熱車輛內(nèi)部，應(yīng)提高加熱器芯的熱交換性能。因此，為 了更順利地發(fā)生熱交換，通過改變構(gòu)成熱交換器的管和水箱的尺寸和形 狀而做了很多努力，使用的基本原理是應(yīng)增大熱交換的接觸表面使得熱交換順利地進(jìn)行，由此提高熱交換性能。另外，熱交換器由具有高導(dǎo) 熱率的材料制成，該材料可快速地在熱交換器中的熱交換介質(zhì)與經(jīng)過熱 交換器外側(cè)的外部介質(zhì)之間傳遞熱量，因此提高了熱交換性能。每個(gè)部 件的尺寸、形狀和材料的改變在根本上是為了增大與熱交換性能直接相 關(guān)的熱交換系數(shù)。如上所述，如果每個(gè)部件的表面積增大，則熱交換性 能也提高。然而，因?yàn)榘惭b熱交換器的空間有限，所以在受限的容積中 大幅度增加表面積非常困難。而且，在如上所述為了熱交換而增大接觸 表面積的情況下，尤其在增大容納熱交換介質(zhì)的管的表面積的情況下， 熱交換介質(zhì)的通道的截面積變小。如果通道的截面積變小，則熱交換介 質(zhì)的流速增大并且其壓力下降，因此熱交換系數(shù)增大。然而，如果通道 的截面積過度減小，則壓力也過度下降并且因此熱交換系數(shù)減小。因此， 僅通過減小通道的截面積難于優(yōu)化熱交換性能
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種熱交換器，該熱交換器推導(dǎo)出在與上 水箱和熱交換管中的流體流動相關(guān)的尺寸變化與根據(jù)分布的流體流動變 化的熱交換性能之間的關(guān)系，并且因此改進(jìn)了水箱和管的尺寸和形狀， 由此優(yōu)化熱交換性能。
技術(shù)方案
為了達(dá)到上述目的，提供的熱交換器包括熱交換器100，其包括 多個(gè)管20,所述管20以規(guī)則的距離平行布置成與流通方向平行，熱交換 介質(zhì)流經(jīng)所述管20;入口水箱ll，熱交換介質(zhì)被引入其中然后分配到多
個(gè)管20;散熱片30，其置于管13之間，從而增大與經(jīng)過管20之間的空
氣的接觸表面；以及出口水箱12，流經(jīng)管20的熱交換介質(zhì)被收集在該出
口水箱12中，然后排出，其中管20的截面積Stub8和入口水箱ll或出口
水箱12的截面積S^的尺寸滿足以下公式 管的截面積(SJ <aQ6。
水箱的截面積(stank)
優(yōu)選地，入口水箱11或出口水箱12的容積Vg和管20的總截面積200780034940.0 AtubB (其通過管20的截面積乘以管20的數(shù)量而計(jì)算出)滿足以下公式 '入口水箱或出口水箱的容積(Vtank) ^，A 管的總截面積(A, fe) <肌
有益效果
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器，能夠推導(dǎo)出在與上水箱和熱交換管中的流 體流動相關(guān)的尺寸變化與根據(jù)分布的流體流動變化的熱交換性能之間的 關(guān)系，并且因此改進(jìn)了水箱和管的尺寸和形狀，由此優(yōu)化熱交換性能。 而且，能夠簡單地設(shè)計(jì)具有優(yōu)化的熱交換性能的熱交換器，由此節(jié)省勞 動力、成本、時(shí)間等。


在結(jié)合附圖給出的對優(yōu)選實(shí)施方式的下列描述中，本發(fā)明的上述和 其他目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，附圖中
圖1是表示一般的車輛冷卻和加熱系統(tǒng)的視圖。
圖2是熱交換器的立體圖。
圖3是熱交換器的水箱的剖面圖。
圖4是熱交換器的管的剖面圖。
圖5是熱交換器的水箱長度和有效面積的視圖。
圖6是單位有效面積上的熱交換性能相對于各個(gè)因子的曲線圖。
主要元件的詳細(xì)描述
100:熱交換器 10:水箱 11:入口水箱 12:出口水箱 20:管 30:散熱片
具體實(shí)施例方式
在下文中，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖2是熱交換器100的立體圖。熱交換介質(zhì)流入熱交換器100，且
5熱交換器100包括多個(gè)管20，所述管20以規(guī)則的距離平行布置成與流通 方向平行；以及水箱IO，其分別接合至管20的兩端。水箱10分成入口 水箱11和出口水箱12,熱交換介質(zhì)被引入所述入口水箱11然后分配到 多個(gè)管20，經(jīng)過管20運(yùn)動的熱交換介質(zhì)被收集在所述出口水箱12中然 后排出。管20之間設(shè)置散熱片30從而增大與在管20之間流動的空氣的 接觸表面積。如上所述，熱交換介質(zhì)經(jīng)過入口水箱ll的入口引入，經(jīng)過 管20被收集在出口水箱12中，然后經(jīng)過出口水箱12的出口排出。2熱 交換介質(zhì)流經(jīng)管20時(shí)，在管20中接收的熱交換介質(zhì)與經(jīng)過管20和置于 管20之間的散熱片30的外部空氣之間發(fā)生熱交換。換言之，熱交換發(fā) 生在管20和散熱片30上，具體地說，發(fā)生在管20接觸空氣的地方。因 此，熱交換器100的形狀和尺寸對整體熱交換性能的影響非常大。
如在傳統(tǒng)熱交換器中所述，雖然獲得了各個(gè)水箱10和管20的優(yōu)化 的尺寸和形狀，但通過將各個(gè)水箱10和管20接合形成的熱交換器100 的熱交換性能沒有被優(yōu)化。如上所述，因?yàn)闊峤粨Q介質(zhì)被引入到水箱10 然后流經(jīng)管20，所以水箱10和管20的各個(gè)尺寸和形狀都有特定的關(guān)系。
在下文中，將簡要描述發(fā)生在熱交換器中的熱交換現(xiàn)象。首先，通 過管20中的熱交換介質(zhì)與管20的內(nèi)表面之間的對流而發(fā)生熱交換，熱 從管20的內(nèi)表面?zhèn)鬟f到管20和散熱片30的外表面。最終，在管20和 散熱片30的外表面與外部空氣之間通過對流發(fā)生熱交換。如上所述，發(fā) 生在熱交換器中的熱交換現(xiàn)象取決于對流熱交換，熱交換量還取決于接 觸表面積和流速。在接觸表面積方面，管20和散熱片30與外部空氣接 觸的表面積越大越好。并且在流速方面，流入管20的熱交換介質(zhì)的流速 越大越好。
圖3和4為表示影響熱交換的各個(gè)因子的視圖，其中S^是圖3的 表面積，即水箱10的通道的截面積，而St^是圖4的表面積，即管20 的通道的截面積。如圖3和4中所示，St^通常小于水箱10的通道的截 面積，并且由于通道的截面積減小，所以當(dāng)熱交換介質(zhì)從水箱10流到管 20時(shí)流速增大。因?yàn)樵诹黧w流動時(shí)流速與壓力直接相關(guān)，所以隨著水箱 10和管20的通道的截面積之間的差的增大，壓降量也增大。換言之，應(yīng)理解的是，當(dāng)水箱10和管20的通道的截面積之間的差增大時(shí)，流速增 大，并且因此熱交換性能提高。然而，在截面積之間的差過度增大的情 況下，熱交換介質(zhì)不能平滑流動。并且當(dāng)壓降量過度增大時(shí)，熱交換性 能下降。
在熱交換器100中，水箱10和管20的、直接影響單位有效表面積 的熱交換性能并表示出特定的相互關(guān)系的因子表達(dá)如下.-<formula>formula see original document page 7</formula>在式1中，S^是圖3中所示的水箱10的通道的截面積，Sm是圖4 中所示管20的通道的截面積，V"是水箱10的容積，A^是管20的總截 面積。而且，容積Vt^可通過將水箱10的長度lg乘以水箱10的通道的
截面積Stank得到，總截面積At^可通過將每個(gè)管20的通道的截面積Stank
乘以管的數(shù)量N得到。如下表達(dá)的式2顯示了因子之間的關(guān)系。
<formula>formula see original document page 7</formula>
因?yàn)楫?dāng)外部空氣經(jīng)過管20之間時(shí)在管20中的熱交換介質(zhì)與外部空 氣之間進(jìn)行實(shí)際的熱交換，所以熱交換基本上在管20和散熱片30的垂 直于外部空氣的流動方向的表面積處進(jìn)行。此表面積是圖5中所示的有 效表面積Seff。為了在不考慮熱交換器的尺寸的情況下表達(dá)熱交換性能， 僅通過有效表面積S^得到了熱交換性能的估值。假設(shè)基本上產(chǎn)生的熱交 換量是Q，單位有效表面積的熱交換量QA。表達(dá)如下
<formula>formula see original document page 7</formula>
因?yàn)楸景l(fā)明提供了能夠使單位有效表面積的熱交換性能最大化的水
箱10和管20之間的尺寸關(guān)系，所以基于車輛中需要的單位有效表面積
的熱交換量Q。來估算單位有效表面積的熱交換性能。單位有效表面積的
熱交換性能n表達(dá)如下-
<formula>formula see original document page 7</formula>
圖6是表示單位有效表面積的熱交換性能T1相對于各個(gè)因子的曲線
圖，其中圖6a示出了n相對于Su^/Sta。k的變化，圖6b示出了ri相對于Vta k/Atube的變化，其中面積單位是cm2，容積單位是cm3，熱量單位是 kcal/hr。如圖所示，熱交換性能ri逐漸提高，然后從峰值點(diǎn)降低。換言 之，熱交換系數(shù)隨著通道的截面積之間的差增大而增大，然后在通道的 截面積之間的差達(dá)到某個(gè)點(diǎn)之后熱交換系數(shù)由于壓降量的增大而減小。 參照圖6a的曲線圖，當(dāng)StubyStank的值為0. 04 0. 06時(shí)，單位有效表面積 的熱交換性能n被優(yōu)化。因此，從這可以推導(dǎo)出單管和水箱的尺寸之間 的關(guān)系，從而優(yōu)化單位有效表面積的熱交換性能il。
而且，如圖6b中所示，相對于Vtank/At^，熱交換性能ri也逐漸提高， 然后從峰值點(diǎn)降低。換言之，如圖6b中所示，當(dāng)V"/A",h。的值為150 230時(shí)，單位有效表面積的熱交換性能ri被優(yōu)化。圖6a的曲線圖示出了 各個(gè)管和水箱的尺寸之間的關(guān)系，且圖6b的曲線圖示出了全部管和水箱 的尺寸之間的關(guān)系。因此，參照曲線圖能夠推導(dǎo)出整個(gè)熱交換器中尺寸 之間的關(guān)系。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到，以上描述公開的概念和具體實(shí)施方式
可被容易地用作修改或設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明相同目的的其他實(shí)施方式的 基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將認(rèn)識到，此類等價(jià)實(shí)施方式不脫離如所附 權(quán)利要求所述的本發(fā)明的精神和范圍。
工業(yè)應(yīng)用性
根據(jù)本發(fā)明的熱交換器，能夠推導(dǎo)出在與上水箱和熱交換管中的流 體流動相關(guān)的尺寸變化與根據(jù)分布的流體流動變化的熱交換性能之間的 關(guān)系，因此改進(jìn)了水箱和管的尺寸和形狀，由此優(yōu)化熱交換性能。而且，
能夠容易地設(shè)計(jì)具有優(yōu)化的熱交換性能的熱交換器，由此節(jié)省勞動力、 成本、時(shí)間等。
8
權(quán)利要求
1.一種熱交換器(100)，包括多個(gè)管(20)，所述管以規(guī)則的距離平行布置成與流通方向平行，熱交換介質(zhì)流動經(jīng)過所述管；入口水箱(11)，所述熱交換介質(zhì)被引入該入口水箱中，然后分配到所述多個(gè)管(20)；散熱片(30)，該散熱片置于所述管(13)之間，從而增大與經(jīng)過所述管(20)之間的空氣的接觸表面；以及出口水箱(12)，流經(jīng)所述管(20)的所述熱交換介質(zhì)被收集在該出口水箱中，然后排出，其中所述管(20)的截面積Stube和所述入口水箱(11)或所述出口水箱(12)的截面積Stank的尺寸滿足以下公式
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述入口水箱(11)或所述出口水箱(12)的容積Vt^和通過將所述管(20)的截面積乘以管(20)的數(shù)量而計(jì)算出的所述管(20)的總截面積Atuh。滿足以下公式 0入口水箱或出口水箱的容積(V,ank) <管的總截面積(A,*)< 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱交換器，其改進(jìn)了管和水箱的形狀和尺寸從而提高了散熱性能。該熱交換器包括多個(gè)管(20)，所述管以規(guī)則的距離平行布置成與流通方向平行，熱交換介質(zhì)流動經(jīng)過所述管；入口水箱(11)，所述熱交換介質(zhì)被引入該入口水箱中，然后分配到所述多個(gè)管(20)；散熱片(30)，其置于所述管(13)之間，從而增大與經(jīng)過管(20)之間的空氣的接觸表面；以及出口水箱(12)，流經(jīng)所述管(20)的所述熱交換介質(zhì)被收集在該出口水箱中然后排出，其中管(20)的截面積S_tube和入口水箱(11)或出口水箱(12)的截面積S_tank的尺寸滿足以下公式0.04＜(管的截面積(S_tube)/水箱的截面積(S_tank))＜0.06。
文檔編號B60H1/08GK101553375SQ200780034940
公開日2009年10月7日 申請日期2007年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月21日
發(fā)明者全永夏, 李禎宰, 金起弘 申請人:漢拏空調(diào)株式會社