專利名稱:翼片管熱交換器的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及翼片管熱交換器。
背景技術:
人們熟知具有平行排列的多個傳熱翼片(以下簡稱為“翼片”)和貫通多個翼片的傳熱管的翼片管熱交換器。其中,尤其是形成為沿著氣流方向交替呈現山和谷的翼片,其被稱為“波紋翼片”并因具有高性能的好評而被廣泛利用。作為波紋翼片以外的翼片,還熟知有專利文獻1或2所記載的翼片。專利文獻1 或2所記載的翼片形成有被稱為“百葉”的翹起部。該翼片常常被稱為“百葉翼片”,其與波紋翼片同樣被廣泛利用。專利文獻1 日本特開平11181279號公報專利文獻2 日本特開2001-141383號公報作為將翼片管熱交換器用于熱泵的室外熱交換器(蒸發(fā)器)的情況下的問題之一,公知有在低溫時的翼片上結霜。隨著結霜的附著,風路逐漸變窄,導致壓力損失增大以及傳熱性能下降。因此,熱泵需要定期進行用于除霜的運轉(所謂除霜運轉)。如果能夠在不降低翼片管熱交換器的性能的前提下減少除霜運轉的次數,則可期待改善循環(huán)的 COP(性能系數coefficient of performance)。
發(fā)明內容
鑒于上述的情況,本發(fā)明的目的在于提供一種延緩了因結霜而造成的壓力損失增大和傳熱性能下降的翼片管熱交換器。S卩,本發(fā)明所提供的翼片管熱交換器具有多個翼片,該多個翼片具有直線狀的前緣,并且為了形成空氣的流路而以規(guī)定的間隔平行排列;傳熱管,其貫通所述多個翼片,并且在內部流通有與空氣進行熱交換的介質,在將所述多個翼片的排列方向定義為高度方向,將與所述前緣平行的方向定義為寬度方向,將與所述高度方向和所述寬度方向垂直的方向定義為氣流方向,將為了通入所述傳熱管而在所述翼片上形成的貫通孔的直徑定義為φ,將從所述前緣到所述傳熱管的上游端的最短距離定義為a,將作為所述翼片的表面上的點的、處于在所述寬度方向上距離所述貫通孔的中心0.8φ處的點定義為基準點,將通過所述基準點并與所述寬度方向垂直的平面定義為基準面,將俯視所述翼片時的所述基準面與所述前緣的交點定義為前緣基準點, 將作為由連接兩個所述基準點和兩個所述前緣基準點的線段所包圍的所述翼片的表面上的區(qū)域的、與所述貫通孔相鄰的區(qū)域定義為基準區(qū)域,將作為所述翼片的表面上的虛擬線的、處于距離所述前緣0. 4a處的線定義為上游側基準線,將所述虛擬線的處于距離所述前緣0. 6a處的線定義為下游側基準線,將作為所述基準區(qū)域中所包含的區(qū)域的、所述上游側基準線與所述下游側基準線之間的區(qū)域定義為特定區(qū)域時,
在所述翼片上,通過使該翼片的一部分翹起,從而形成在所述特定區(qū)域內具有不同于所述前緣的另外的前緣的翹起部。一般,霜并非均勻附著在翼片的表面,而是局部性結霜。只要能夠抑制局部性結霜,即可長時間避免風路的阻塞,而且也能延緩傳熱性能隨著時間的劣化。本發(fā)明者們對翼片管熱交換器中的結霜狀態(tài)進行了仔細觀察。觀察結果表明,通過抑制翼片前緣的局部性結霜,能夠延緩因結霜造成的壓力損失的增加以及傳熱性能的下降,從而可減少除霜運轉次數。根據本發(fā)明的翼片管熱交換器,通過翹起翼片的一部分而形成翹起部。翹起部在特定區(qū)域具有與翼片的前緣不同的另外的前緣。正如在后面的說明中所說明的那樣,在該特定區(qū)域形成了翹起部的情況下,能夠不降低翼片的傳熱性能而有效抑制翼片前緣的結霜。其結果是,能夠延緩因翼片的前緣結霜而造成的壓力損失的增加以及傳熱性能的下降, 從而能夠減少除霜處理的次數。
圖1是本發(fā)明的第一實施方式的翼片管熱交換器的立體圖。圖2A是在圖1的翼片管熱交換器中使用的翼片的俯視圖。圖2B是圖2A的局部放大圖。圖3是圖1的翼片管熱交換器的III-III線剖面圖。圖4A是沿著氣流方向的翹起部的剖面圖。圖4B是翹起部的主視圖。圖4C是翹起部的其它例的主視圖。圖4D是翹起部的另一其它例的主視圖。圖5是表示距翼片前緣的距離與局部熱傳導率的關系的曲線圖。圖6是表示翹起部的位置與平均熱傳導率的關系的曲線圖。圖7是表示在距翼片前緣的距離為b的位置設置有翹起部時的局部熱傳導率α 的變化的曲線圖。圖8是表示傳熱管周圍的溫度分布的等高線圖。圖9Α是表示翹起部的其它良好形狀的俯視圖。圖9Β是圖9Α的局部放大圖。圖10是本發(fā)明的第二實施方式的翼片管熱交換器的立體圖。圖11是在圖10的翼片管熱交換器中使用的翼片的俯視圖。圖12是圖10的翼片管熱交換器的XII-XII線剖面圖。圖13是在變形例的翼片管熱交換器中使用的翼片的俯視圖。圖14是圖13的翼片管熱交換器的XIV-XIV線剖面圖。圖15是狹縫部的放大剖面圖。圖16是表示距翼片前緣的位置與霜的厚度的關系的曲線圖。圖17Α是表示運轉時間與熱交換量的關系的曲線圖。圖17Β是表示運轉時間與累計熱交換量的關系的曲線圖。
具體實施例方式下面,結合附圖,對本發(fā)明的實施方式進行詳細地說明。(第一實施方式)如圖1所示,本實施方式的翼片管熱交換器1具有為了形成空氣A的流路而以規(guī)定的間隔(翼片間隔)平行排列的多個翼片31、貫通這些翼片31的多個傳熱管21。翼片管熱交換器1使流過傳熱管21內部的介質B與沿著翼片31表面流動的空氣A進行熱交換。介質B的具體例是二氧化碳以及水氟碳等制冷劑。傳熱管21可以連成一根,也可以不連成一根。如圖2A所示,翼片31具有直線狀的前緣31f。在本說明書中,將翼片31的排列方向定義為高度方向,將與前緣31f(參照圖2A)平行的方向定義為寬度方向,將與高度方向和寬度方向垂直的方向定義為氣流方向。如圖1所示,氣流方向、高度方向以及寬度方向分別與X方向、Y方向以及Z方向對應。翼片31具有長方形的平板形狀。翼片31的長度方向與寬度方向一致。在本實施方式中,翼片31以固定的間隔(翼片間隔)排列。但是,沿高度方向相鄰的兩個翼片31的間隔無須固定,可以不同。作為翼片31的材料,可以使用例如沖裁加工形成的厚度為0.05 0. 8mm的鋁制平板。從提高翼片效率的方面等考慮,翼片31的厚度為0. 08mm以上特別理想。也可以對翼片31的表面實施勃姆石處理及親水性涂料的涂敷等親水性處理。如圖2A所示,傳熱管21被插入在翼片31上形成的貫通孔31h中。在貫通孔31h 的周圍,由翼片31的一部分形成翼片套環(huán)5a,該翼片套環(huán)fe與傳熱管21緊密接觸。貫通孔31h的直徑φ例如為1 20mm,也可以是4mm以下。貫通孔31h的直徑φ與傳熱管21的外徑一致。另外,氣流方向上的翼片31的尺寸L例如為15 25mm。在從傳熱管21觀察到的氣流方向的上游側,通過使翼片31的一部分翹起而形成具有與翼片31的前緣31f不同的另外的前緣的翹起部12。翹起部12的前緣位于用斜線表示的特定區(qū)域內,并且與寬度方向平行。具體而言,在寬度方向上多個貫通孔31h以固定的間隔形成,對應一個貫通孔31h至少形成一個翹起部12。在本實施方式中,對應一個貫通孔 31h形成有兩個(多個)翹起部12。翹起部12具有俯視下呈半圓的形狀??扇绫緦嵤┓绞侥菢樱┮曄鲁拾雸A形狀的翹起部12可以全部位于斜線所示的特定區(qū)域內,也可以是翹起部12的下游側的一部分從特定區(qū)域超出。除去翹起部12以外的第一翼片31的其它部分平坦,具有與氣流方向和寬度方向平行的表面。如圖2B所示,在翹起部12的前緣12f為俯視下呈直線形狀的情況下,氣流方向上的翹起部12的最上游側的部分也位于特定區(qū)域。如圖3所示,在將翼片間隔設為FP時,翹起部12具有小于翼片間隔FP的高度H。 優(yōu)選高度H在0.4FP<H<0.6FP的范圍內?!案叨菻”是指距翼片31表面的高度?!耙砥g隔”是指假設翼片31的厚度為零的情況下的翼片31的配置間隔。通過適當調節(jié)翹起部 12的高度H,則可抑制翹起部12的前緣結霜時的氣流速度的下降。而且,翹起部12不會妨礙翼片管熱交換器1的組裝,通過沖壓加工等可容易地形成翹起部12。另外,如圖2A所示,在寬度方向上相鄰的兩個翹起部12的間隔W被調節(jié)為(FP)/2 以上。優(yōu)選間隔W在0.5FP<W<5FP的范圍內。通過適當調節(jié)翹起部12的間隔W,可充分獲得提高傳熱性能的效果,并且能夠獲得充分抑制向翼片31的前緣31f局部性結霜的效
6^ ο如圖4A所示,翹起部12具有能夠接收來自氣流方向的上游側的空氣的開口 12p, 由此可容許空氣從翼片31的第一主面?zhèn)认虻诙髅鎮(zhèn)攘鲃?。如圖4B所示,從氣流方向的上游側觀察時,開口 12p為半圓形狀。氣流方向上的翹起部12的尺寸Ll (長度)例如是 0. 5 1. 5mm,寬度方向上的翹起部12的尺寸Wl (橫寬)例如是1. 0 3. 0mm。另外,從氣流方向的上游側觀察時的開口 12p的形狀不限于半圓形,例如也可以是多邊形。具體而言, 也可以是如圖4C所示的三角形,或者如圖4D所示的梯形。對于翹起部12的個數和形狀可以進行適當的設定,從而獲得期望的傳熱性能。對于翹起部12的前緣所在的特定區(qū)域,按照以下的規(guī)則進行設定。如圖2A和圖 2B所示,將貫通孔31的直徑設為φ,將從翼片31的前緣31f到傳熱管21的上游側21p的最短距離設為a,將翼片31表面上的點即在寬度方向上距貫通孔31h的中心0 0.8φ的距離的點設為基準點BP。將通過基準點BP并與寬度方向垂直的平面設為基準面VL。將俯視翼片 31時的基準面VL與前緣31f的交點設為前緣基準點BPF。將由連接兩個基準點BP和兩個前緣基準點BPF的線段所包圍的翼片31表面上的區(qū)域、即鄰接貫通孔31h的區(qū)域設為基準區(qū)域。而且,將翼片31表面上的虛擬線的距前緣31f的距離為0. 4a的線設為上游側基準線LU,將所述虛擬線的距前緣31f的距離為0. 6a的線設為下游基準線LD。而且,將基準區(qū)域中包含的區(qū)域即上游側基準線LU與下游側基準線LD之間的區(qū)域定義為特定區(qū)域。在圖 2A中,特定區(qū)域由斜線表示。下面說明將翹起部12設置在上述特定區(qū)域中的理由。如本領域技術人員所知,在假設翼片(平板)的溫度為固定的情況下,翼片表面的任意位置的局部熱傳導率α可通過下述式(1)計算出來。在式(1)中,“ft"”表示普蘭特準數,“ λ ”表示翼片的熱傳導率,“ ν,, 表示流體的動粘性系數,“U”表示流體的速度,“X”表示從翼片的前緣到可求出局部熱傳導率α的位置的距離。(式1)α = 0. 3332 XPr173X λ X ν ^172XUX χ_1/2根據式(1)可知,局部熱傳導率α依存于距翼片前緣的距離。在流體是空氣、翼片為鋁制、溫度為_5°C、從翼片前緣到傳熱管上游端的最短距離為5. Omm的條件下,根據式 (1)計算出了局部熱傳導率α相對于距前緣的距離χ的變化。圖5表示其結果。圖5的曲線表示隨著遠離前緣,局部熱傳導率α變低。具體而言,局部熱傳導率α從距前緣超過了 3. Omm附近起其下降有所緩解。這表示在距前緣超過了 3. Omm附近,交界層的厚度達到飽和。雖然局部熱傳導率α的曲線形狀對應于流體的速度U也發(fā)生變化,但在與前緣比較近的區(qū)域,局部熱傳導率α急劇下降的趨勢不變。接下來,對參照圖2Α等說明的翹起部12設在翼片上的情況下的、翼片表面的平均熱傳導率相對于翹起部12的位置的變化進行了計算。在本計算中,在通過傳熱管21的中心0并與氣流方向平行的線上改變了翹起部12的位置。根據翹起部12的位置,求出了從前緣到下游側5. Omm的位置的局部熱傳導率的平均值,并將其作為“平均熱傳導率”。圖6 表示其結果。準確地講,“翹起部的位置”是從翼片的前緣到翹起部12的前緣的距離。如圖 6所示,無論流體的速度如何,當翹起部12設置在與前緣的距離為2. 5mm的位置時,翼片的平均熱傳導率成為最大。
在上述計算中,將從翼片的前緣到傳熱管的上游端的距離設定為5. 0mm。但對于從翼片的前緣到傳熱管的上游端的距離沒有特殊限定。如以下說明的那樣,在將從翼片的前緣到傳熱管的上游端的距離設為a時,將翹起部12的前緣設定在距離翼片前緣的a/2的位置時,可獲得最高傳熱性能。圖7表示翹起部設置在距翼片的前緣距離b的位置時的局部熱傳導率α的變化。 橫軸表示從翼片前緣到翹起部的距離X,縱軸表示局部熱傳導率a。在將從翼片前緣到傳熱管的上游端的距離設為a時,如下式( 所示,通過對局部熱傳導率α進行從0到a的積分所得到的值成為翼片的傳熱性能的指標。在式⑵中,c = 0. 3332 X Pr173 X λ X v_1/2XU。 在翼片管熱交換器的實際使用狀況中,Pr、λ、ν、U的溫度依存性極小。因此,在式O)中, 可以將c作為常數處理。[數式1]
權利要求
1.一種翼片管熱交換器,具有多個翼片,該多個翼片具有直線狀的前緣,并且為了形成空氣的流路而以規(guī)定的間隔平行排列;傳熱管,其貫通所述多個翼片,并且在內部流通有與空氣進行熱交換的介質, 在將所述多個翼片的排列方向定義為高度方向;將與所述前緣平行的方向定義為寬度方向;將與所述高度方向和所述寬度方向垂直的方向定義為氣流方向;將為了通入所述傳熱管而在所述翼片上形成的貫通孔的直徑定義為φ;將從所述前緣到所述傳熱管的上游端的最短距離定義為a ;將作為所述翼片的表面上的點的、處于在所述寬度方向上距離所述貫通孔的中心0.8φ處的點定義為基準點;將通過所述基準點并與所述寬度方向垂直的平面定義為基準面;將俯視所述翼片時的所述基準面與所述前緣的交點定義為前緣基準點;將作為由連接兩個所述基準點和兩個所述前緣基準點的線段所包圍的所述翼片的表面上的區(qū)域的、與所述貫通孔相鄰的區(qū)域定義為基準區(qū)域;將作為所述翼片的表面上的虛擬線的、 處于距離所述前緣0. 4a處的線定義為上游側基準線;將所述虛擬線的處于距離所述前緣 0. 6a處的線定義為下游側基準線;將作為所述基準區(qū)域中所包含的區(qū)域的、所述上游側基準線與所述下游側基準線之間的區(qū)域定義為特定區(qū)域時,在所述翼片上,通過使該翼片的一部分翹起,從而形成在所述特定區(qū)域內具有不同于所述前緣的另外的前緣的翹起部。
2.根據權利要求1所述的翼片管熱交換器,其特征在于, 所述另外的前緣在俯視下為直線或曲線的形狀。
3.根據權利要求1或2所述的翼片管熱交換器,其特征在于,所述翹起部的所述另外的前緣在俯視下為向所述氣流方向的上游側凸出的曲線形狀, 所述另外的前緣的最上游側的部分位于所述特定區(qū)域內。
4.根據權利要求1 3中任意一項所述的翼片管熱交換器,其特征在于,所述翹起部具有能夠接收來自所述氣流方向的上游側的空氣的開口,從而容許空氣從所述翼片的第一主面?zhèn)攘飨虻诙髅鎮(zhèn)?,從所述氣流方向的上游側進行觀察的情況下,所述開口具有半圓形或多邊形形狀。
5.根據權利要求1 4中任意一項所述的翼片管熱交換器,其特征在于, 所述多個翼片在所述高度方向上以固定的翼片間隔排列,將所述翼片間隔定義為FP時,所述翹起部的高度H在0. 4FP < H < 0. 6FP的范圍內。
6.根據權利要求1 5中任意一項所述的翼片管熱交換器,其特征在于, 多個所述貫通孔在所述寬度方向上以固定的間隔形成,對應一個所述貫通孔形成至少一個所述翹起部, 所述多個翼片在所述高度方向上以固定的翼片間隔排列,在將所述翼片間隔定義為FP時,在所述寬度方向上相鄰的兩個所述翹起部的間隔被調節(jié)為FP/2以上。
7.根據權利要求1 6中任意一項所述的翼片管熱交換器,其特征在于,還具有配置在所述多個翼片的下游側的多個第二翼片,從而使通過了所述多個翼片的空氣流入,所述第二翼片是以沿著所述氣流方向交替呈現山和谷的方式形成的波紋翼片,作為具有所述翹起部的所述翼片的第一翼片的翼片間隔與所述第二翼片的翼片間隔相等,且所述第一翼片與所述第二翼片在所述高度方向上相互錯開排列。
全文摘要
本發(fā)明的翼片管熱交換器(1)具有翼片(31)和貫通翼片(31)的傳熱管(21)。將由連接兩個基準點(BP)和兩個前緣基準點(BPF)的線段所包圍的區(qū)域定義為基準區(qū)域,將作為基準區(qū)域中所包含的區(qū)域的、上限基準線(LU)與下游側基準線(LD)之間的區(qū)域定義為特定區(qū)域。在翼片(31)上,通過翹起該翼片(31)的一部分,形成在特定區(qū)域內具有不同于前緣(31f)的另外前緣的翹起部(12)。
文檔編號F28F1/32GK102472599SQ201080036300
公開日2012年5月23日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權日2009年9月16日
發(fā)明者小森晃, 田村朋一郎 申請人:松下電器產業(yè)株式會社