专利名称：带倾斜切缝的热交换器翅片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以在热交换器翅片的上游和下游都设有翅片增强部分(fin enhancement)的方式使换热最佳化的装置和方法。
背景技术：
翅片盘管热交换器组件广泛用于如空调和制冷等多种领域。翅片盘管热交换器组件通常包括多个相互隔开的平行管道，如水或制冷剂之类的传热流体流过这些管道，通常为空气的第二传热流体掠过管道。一般采用多个翅片，以提高热交换器盘管组件的传热能力。每一翅片由如铜或铝之类的薄金属片制成，它们可包括或不包括亲水性涂层。为了接收隔开的平行管道，每个翅片包括多个小孔，管道以与翅片成直角的方式穿过多个翅片。翅片沿管道相互平行并以间隙极小的关系排列，从而形成使空气或其他传热流体掠过翅片并围绕管道流动的多个路径。
通常翅片包括一个或多个用以提高传热效率的增强部分。例如，许多现有的热交换器翅片包括平滑(smooth)的增强部分，从截面上看时例如其为波纹状或正弦曲线形状。另外，代替平滑增强部分，热交换器翅片也可包括象切缝(lance)或百页那样的增强部分。这种增强部分不形成在原料管(stock line)(没有形成翅片所有特征的翅片坯料的平面)上。通常，这些增强部分相对于在翅片上流过的空气的路径的任何一点都是对称的，因而提高了性能的翅片包括上游和下游增强部分两者。遗憾的是，通常，所形成的上游和下游切缝相对于原料管的角度相同，这使得下游切缝处在上游切缝的尾流中，也就阻碍了下游切缝和空气之间的有效换热。另外，互挡(overlapped)的百页也存在相同的问题，即，下游百页的传热性能受上游百页的不利影响。
于是，需要提供一种使上游切缝和下游切缝两者都能最有效地进行传热的增强部分。
发明内容
按照本发明的一方面，提供一种热交换器盘管组件。该组件包括多个翅片和多根传热管，所述翅片大致与平均气流方向平行地排列，致使空气能在相邻翅片之间流动，每一翅片包括多个圆柱形套管和一波纹状部分，该波纹状部分包括至少两个波纹，每个波纹包括第一切缝和在第一切缝下游的第二切缝，其中，第一切缝相对于平均气流方向倾斜第一角度，第二切缝相对于平均气流方向倾斜第二角度，第一角度与第二角度不等，以至于空气掠过翅片时，第一切缝的尾流不撞击第二切缝；所述多根传热管大体垂直于多个翅片排列，每根传热管穿过多个翅片中的圆柱形套管。
按照本发明的另一方面，提供一种翅片盘管热交换器组件，其中，换热发生在流过多个间隔开的翅片传热管的第一流体和在管外部流动的第二流体之间。每一翅片都包括具有至少两个波纹的波纹状部分，每一波纹有第一切缝和在第一切缝下游的第二切缝，其中，第一切缝相对于平均气流方向倾斜第一角度，第二切缝相对于平均气流方向倾斜第二角度，第一角度与第二角度不等，以至于当空气掠过翅片时，第一切缝的尾流不撞击第二切缝。
按照本发明的又一方面，提供一种翅片盘管热交换器组件，其中在流过多个间隔开的翅片传热管的第一流体和管外流动的第二流体之间进行换热。每一翅片包括至少两个波纹，每一波纹在其上游侧设有第一切缝，而在其下游侧设有第二切缝，其中，第一切缝相对于平均气流方向形成5和15度之间的角度，第二切缝平行于平均气流方向，以至于第一切缝的尾流不撞击第二切缝。
本发明的附加目的和优点的一部分将在下面进行描述，一部分可从说明书中明显得出，或可通过本发明的实施获知。本发明的目的和优点可通过所附的权利要求中具体提到的部件和结合来实现和获得。
应当理解上述的一般描述和下面的具体描述仅是示例和说明性的，而不是对本发明所要求保护的内容的限制。
说明书中的附图构成说明书的一部分，用于说明本发明的具体实施方式
，这些附图和说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的热交换器盘管组件的透视图；图2A是本发明的热交换器翅片的顶视图；图2B是沿图2A中线B-B所获取的热交换器翅片的部分侧视图；图3是根据本发明设计的作为示例性的热交换器翅片的侧视图；图4是流过本发明的热交换器翅片上的空气流(气流从左向右流动)的流线侧视图；图5是流过传统的热交换器翅片上的空气流的流线侧视图。
具体实施例方式
现在结合附图示出的实例详细描述本发明的具体实施方式
，所有附图中任何可能之处都用相同的附图标记代表相同或类似的部件。
根据本发明，热交换器盘管组件带有包括平滑增强部分、例如正弦曲线(例如由切点连接的两条圆弧的交点形成的形状)或波纹状部分的翅片。翅片增强部分最好呈波纹形状。每一波纹包括一上斜坡和一下斜坡，其中每一上斜坡和每一下斜坡包括至少一切缝，将下斜坡上的各切缝定位成使该切缝不处在其上游的切缝的尾流中。热交换器盘管组件一般包括多个翅片、多根穿过翅片上的开口的管道和设置在多个翅片任一侧的端板。
根据本发明，热交换器盘管组件包括多根管道。如这里具体描述和图1所示出的那样，多根管道20被设置在热交换器盘管组件中。中空管20沿组件10的长度延伸，并用U形弯管部分20a将这些管道的端部彼此连接。将这些管道束在一起，其被设置成蛇形传热管束。如图1所示，管道20与传热流体进口14和传热流体出口16连接。
传热流体进口14和传热流体出口16例如可被设置在组件的底部，或者设置在组件10的侧部。管道的数量和它们的布置可以根据具体应用而改变。管道通常由铜制造，当然，也可以使用其他适合的材料。管道通常具有圆形或椭圆形截面，当然，也可以采用其他合适形状。
第一传热流体流过管道20，第二传热流体掠过管道20。管道20使第一和第二传热流体之间换热。通常第一传热流体是水或制冷剂。当然，任何合适的传热流体都可以使用。第二传热流体通常是空气，其通过在管20和翅片30中的第一流体和掠过管20的空气之间的换热被加热或冷却。也可采用其它合适的传热流体。
在本优选实施方式中，本发明的热交换器设有2-12排管道，在优选的实施方式中包括6、8或10排管道，最优选的实施方式包括6排管道。
根据本发明，热交换器盘管组件10设有多个翅片30。使用多个翅片30可提高热交换器盘管组件的传热能力。每一翅片30是具有高导热率的薄金属片，优选由铜或铝制成。每一翅片30可包括或不包括亲水性涂层。每一翅片30包括多个用于接收分隔开的平行管道20的圆柱形套管口31，使管道20一般以与翅片30成直角地穿过多个翅片30，如图1所示。翅片30最好沿管道20相互间隔很小地平行排列，以形成多路径，使空气或其它传热流体在翅片30之间流动和掠过管20。端板12位于排列的翅片的任一侧。
单个热交换器的翅片具有相同的尺寸。通常，根据热交换器的预定用途，翅片的尺寸可以在宽小于1英寸到40英寸和高达48英寸的范围内改变。
每一翅片30都有用附图标记32表示的无缝的或者平滑的增强部分。这些平滑增强部分32最好是翅片30的波纹33，如图2B中所示，波纹33可在“V”形的理论顶点处略呈平坦或略呈圆形。可供选择的是，也可以使用如正弦曲线形状之类的其他平滑增强部分。如这里具体描述和图2B中所示出的那样，波纹状部分32由原料管挤压出并形成至少两个波纹33。每一波纹33通常为略呈平坦的倒“V”形，其包括上斜坡34和下斜坡36。
如图2B所示，每一“V”形波纹在通过倒“V”形的最宽部分作出的假想水平线和“V”形的腿或斜坡之间有一θ角。角θ的范围优选在5和17度之间，17度是最佳角度。如图2B所示，这些波纹33优选具有从向上的斜坡34的底到向下的斜坡36的底的宽度w，该宽度约为1/2英寸。在每一波纹33内，下斜坡36在上斜坡34的下游。这里使用的“下游”是指在平均气流方向上相对于另一元件映出一个元件的位置。图2B和4所示出的平均气流方向为从左向右运动的方向。
每一波纹33的每一斜坡34、36包括一切缝。所以，每个上斜坡34包括切缝38，每个下斜坡36包括切缝40。这里所使用的“切缝”和“百页”的差别在于百页是按照相同角度一个挨一个排列的切缝，它类似于遮光窗帘的单个的百页。切缝不需要如上所述也排成行列，若将它们排成行列，则称为百页。除从翅片30的波纹状部分32上切割出的切缝38和40外，每个波纹33还包括一峰和一谷。峰和谷两者都可以起切缝的作用。所以，虽然峰和谷主要不起切缝的作用，但峰形成凸起的圆形切缝42，而谷形成凹进的圆形切缝44。
在流过翅片30的气流中切缝38、40起使按温度分层的各空气层混合的作用，它们可作为边界层的重新开始。每次气流撞击切缝38、40，贴近翅片30的空气停滞层(stagnate layer)开始变厚，这就增加了切缝整个长度上的翅片表面的热阻，由此增加了该切缝翅片表面的隔热效果。在连续重新开始边界层时，通过使切缝的整个长度上的边界层厚度减至最薄，切缝就可以提高空气和翅片30之间的换热量。气流不撞击切缝的连续长度越长，边界层就变得越厚，翅片和气流之间的换热效果越差。
如图2B所示，上游和下游切缝38、40最好具有相同的长度L。或者，它们也可以具有不同的长度。切缝的优选尺寸是波纹33的上斜坡34或下斜坡36尺寸的1/3。当然，可以预料，可以采用不同尺寸的切缝，最好采用比较短的切缝。优选采用比较短的切缝和比较多的切缝，因为这样可更频繁地引起边界层重新开始。使边界层重新开始可减小翅片表面的热阻，并可增加翅片表面的总的对流传热。
为了使按温度分层的空气层进行所期望的混合，切缝38、40必须适应翅片30上方的气流方向。另外，必须对切缝38、40定位/确定方向，使给定波纹33的下游切缝例如切缝40不处在特定波纹的上游切缝例如切缝38的尾流路径内。如果下游切缝即切缝40处在上游切缝即切缝38的尾流中，则下游切缝不能起重新开始边界层的作用。因此，当空气在下游切缝的上方流动时边界层连续变厚，则减少了气流和翅片30之间的有效换热量。同样，在各波纹33之间，不应将下游切缝(下一波纹33a的上游切缝)定位成使其位于上游切缝(前一波纹33的下游切缝)的尾流中。
此处所采用的术语“尾流”是指来自浸没在气流中的主体的下游的全部气流的扰动部分。例如，在本发明中，将浸没在气流中的切缝的下游全部气流的扰动部分称作尾流。在每一波纹33内，应将下游切缝40定位成使其不位于上游切缝38的尾流中。这可通过使上游切缝38和下游切缝40相对于波纹状部分32呈不同角度来实现，因此，一切缝相对于另一切缝倾斜。
由于一切缝相对于另一切缝倾斜，所以产生两股不同的气流，因而在每个波纹33内，下游切缝40不处在上游切缝38的尾流中。因为下游切缝40不处在上游切缝38的尾流中，所以下游切缝40将使掠过其的空气气流产生湍流。也就是说，紧贴一个切缝的流体流(通常是空气)将不贴近下一切缝即下游切缝。因此，上游切缝38和下游切缝40两者的前缘的速度分布可以开始新的边界层(即重新开始边界层)，这将使切缝38、40两者的传热最佳。
如这里具体描述和2B所示出的那样，使上游切缝38倾斜，以防止贴近上游切缝38的气流撞击下游切缝40。在一优选实施方式中，下游切缝40如图2B中所示是水平的。上游切缝38相对于平均气流方向(图2B中从左到右)和下游切缝40的水平方向倾斜角度α。上游切缝38相对于平均气流方向倾斜的角度α优选为5和15度之间，11度是最佳角度。下游切缝40最好相对于平均气流方向是水平的，因而其相对于平均气流方向形成约为0度的角。或者，下游切缝40也可以相对于上游切缝38以相同的角度范围、即5和15度之间的范围倾斜。但是这些切缝不应按相同的角度倾斜。通过使一切缝相对于另一个切缝倾斜，产生两股不同的气流，使下游切缝40不在上游切缝38的尾流中，由此使上游和下游切缝38、40两者的传热最大。
图3示出的是本发明设计的热交换器翅片130的一个实例。所示的尺寸单位为英寸，当然这仅是示例性的。如图3所示，翅片130具有包括多个波纹的波纹状部分。每一波纹133包括一峰和一谷，峰和谷分别形成凸起的圆形切缝142和凹进的圆形切缝144。如图3所示，每一波纹133包括一上斜坡134和一下斜坡136。每一上斜坡134包括一切缝138，每一下斜坡136包括一切缝140。每一切缝138相对于平均气流方向和每一切缝140倾斜约11度的角度。每一个切缝140呈水平状且平行于平均气流方向。
如图4所示，气流(图中以流线示出)紧贴/贴近倾斜切缝138流过，然后向下流动，在撞击谷144a之前没有撞击峰142或水平切缝140。同样，贴近弯曲峰142流过的气流在撞击波纹133a的下游倾斜切缝138a以前流过水平切缝140和谷144a上方。或者，气流流过但并不撞击波纹133a的谷144a和下游倾斜切缝138a。因此可以发现，贴近给定切缝的气流并不撞击下游最近的切缝。反之，如图5所示，在传统的翅片中，贴近给定切缝的气流撞击下游最近的切缝。例如，流过第一水平切缝239上方的气流撞击第二水平切缝241。此外，没有紧贴切缝239的气流继续保持在所有下游切缝的上方，阻止各空气层混合和重新开始边界层。
下面描述制造具有上游切缝和下游切缝的翅片的方法。该方法包括用第一模具在翅片坯料上加工出平滑增强部分，用第二模具沿与平均气流垂直的方向切割翅片，再用该第二模具将切缝升高到平滑增强部分之外。
如图2B所示，翅片30包括平滑增强部分32。通过将翅片坯料置于第一模具中，从原材料管挤压形成波纹状部分，以此制得平滑增强部分32。在加工出波纹状部分以后，用第二模具沿与平均气流垂直的方向切割翅片30。两次切割可制得各切缝38、40。从原材料管挤压出波纹状部分32而形成切缝38、40。在对翅片30进行切割时，通过模具就可使切缝38、40升高到翅片30的波纹状部分32之外。可以用切割波纹状部分32的相同模具形成切缝38、40。或者，也可以用不同的模具以便将切缝38、40限定在波纹状部分32内。
将切缝38、40升高到波纹状部分32之外的步骤包括对下游切缝40定位，使其不处在上游切缝38的尾流中。在一优选实施方式中，该步骤包括对下游切缝40定位，使其为水平状态。另外，也可对上游切缝38定位，使其相对于平均气流方向形成5和15度之间的角度。在下游切缝40为水平状态的优选实施方式中，还将上游切缝38定位成使其相对于下游切缝40形成5和15度之间的角度。优选将上游切缝38定位成使其相对于平均气流方向和水平的下游切缝40形成11度的角度。
从此处所公开的本发明的说明书和实施方式的内容本领域技术人员可以显而易见地得出本发明的其他实施方式。显然这些说明和实施方式只是作为例子，本发明确切的构思和准确的保护范围由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种热交换器盘管组件，包括多个与平均气流方向大致平行排列的翅片，致使空气能在相邻翅片之间流动，每一翅片包括多个圆柱形套管和一个包括至少两个波纹的波纹状部分，每一波纹包括一第一切缝和在所述第一切缝下游的一第二切缝，其中，所述第一切缝以第一角度相对于所述平均气流方向倾斜，所述第二切缝以第二角度相对于所述平均气流方向倾斜，所述第一角度与所述第二角度不等，因此空气流过所述翅片上方时，所述第一切缝的尾流不撞击所述第二切缝；及大体垂直于所述多个翅片排列的多根传热管，每一传热管穿过所述多个翅片中的所述圆柱形套管。
2.根据权利要求1所述的热交换器盘管组件，其中，每一波纹包括一上斜坡和一下斜坡。
3.根据权利要求2所述的热交换器盘管组件，其中，所述第一切缝处于所述上斜坡上，所述第二切缝处于所述下斜坡上。
4.根据权利要求1所述的热交换器盘管组件，其中，所述第一角度范围在5度和15度之间。
5.根据权利要求4所述的热交换器盘管组件，其中，所述第一角度是11度。
6.根据权利要求1所述的热交换器盘管组件，其中，所述第二角度在5度和15度之间。
7.根据权利要求1所述的热交换器盘管组件，其中，所述第二角度是0度。
8.根据权利要求1所述的热交换器盘管组件，其中，所述第二切缝是水平的。
9.根据权利要求1所述的热交换器盘管组件，其中，所述第二切缝平行于所述平均气流方向。
10.根据权利要求1所述的热交换器盘管组件，其中，每一波纹具有平坦的倒“V”形。
11.根据权利要求10所述的热交换器盘管组件，其中，横过所述“V”形的最宽部分画出的假想水平线与所述“V”形的腿相交所形成的夹角θ为5度和17度之间。
12.根据权利要求11所述的热交换器盘管组件，其中，所述角度θ等于17度。
13.在流过多个间隔开的翅片式传热管的第一流体和在所述管的外侧流动的第二流体之间进行换热的翅片式热交换器盘管组件中，翅片包括一包括至少两个波纹的波纹状部分，每一波纹有一第一切缝和在所述第一切缝下游的一第二切缝，其中，所述第一切缝以第一角度相对于平均气流方向倾斜，所述第二切缝以第二角度相对于所述平均气流方向倾斜；所述第一角度不等于所述第二角度，致使空气流过所述翅片上方时，所述第一切缝的尾流不撞击所述第二切缝。
14.根据权利要求13所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，所述第一角度的范围在5度和15度之间。
15.根据权利要求14所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，所述第一角度是11度。
16.根据权利要求13所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，所述第二角度的范围在5度和15度之间。
17.根据权利要求13所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，所述第二角度是0度。
18.根据权利要求13所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，所述第二切缝是水平的。
19.根据权利要求13所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，所述第二切缝平行于平均气流方向。
20.根据权利要求13所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，每一波纹具有平坦的倒“V”形。
21.根据权利要求20所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，横过所述“V”形的最宽部分画出的假想水平线与所述“V”形的腿相交所形成的夹角θ为5度和17度之间。
22.根据权利要求21所述的翅片式热交换器盘管组件，其中，所述角度θ等于17度。
23.在流过多个间隔开的翅片式传热管的第一流体和在所述管的外侧流动的第二流体之间进行换热的翅片式热交换器盘管组件中，翅片包括至少两个波纹，每一波纹有一在所述波纹上游侧的第一切缝和在所述波纹下游侧的一第二切缝，其中，所述第一切缝以相对于平均气流方向形成5和15度之间的角度；所述第二切缝平行于所述平均气流方向，致使所述第一切缝的尾流不撞击所述第二切缝。
全文摘要
本发明公开了一种热交换器盘管组件，该组件的翅片包括在所述翅片的波纹状部分上的切缝式增强部分。在每一波纹的上游侧和下游侧两者上都设有切缝。上游切缝相对于平均气流方向形成第一角度，下游切缝相对于平均气流方向形成第二角度，第一角度不等于第二角度，致使一切缝相对于另一切缝倾斜，于是产生两股不同的气流，使上游切缝的尾流不撞击下游切缝，从而使上游和下游切缝两者的传热达到最大。
文档编号F28D1/053GK1682088SQ03821529
公开日2005年10月12日 申请日期2003年8月21日 优先权日2002年9月12日
发明者查尔斯·H·比米斯德弗 申请人:约克国际公司