利于涡流发生的翅片换热器的制作方法

本发明涉及了一种翅片换热器，尤其是涉及一种利于涡流发生的翅片换热器。

背景技术：

装有待冷却流体的箱体，如泵的轴承箱、汽车水箱等，装于其内的冷却装置都是核心部件散热回路的一个重要组成部分。

翅片换热器通过翅片增加散热面积，与待冷却流体进行热交换，并利用冷却管内的冷却水将热量带走，翅片换热器热装于冷却水管上，静止于待冷却流体内，其附近待冷却流体与热源附近的流体之间为层流对流流动，换热效率及散热性能有待加强。

技术实现要素：

为了提高换热效率及散热性能，本发明提出了一种利于涡流发生的翅片换热器，使得层流转化成了涡流，提高了换热效率及散热性能。

本发明的技术方案是：

本发明包括置于箱体中的换热结构，换热结构包括冷却水管、波浪形翅片管、翅片特征台阶、径向不平衡轴流叶轮、复合材料软管和弹簧；冷却水管的两端均同轴连接连通一个复合材料软管，两端的复合材料软管穿出箱体，冷却水管流经冷却水；冷却水管两端的每一端通过弹簧和箱体内壁连接，使得冷却水管水平弹性地支撑位于箱体中；波浪形翅片管包括翅片基管和多片波浪形翅片，翅片基管套装在冷却水管外，多片波浪形翅片沿翅片基管轴向间隔布置并套装在翅片基管外，波浪形翅片是由母线为波浪形线绕翅片基管中心旋转形成的旋转体结构，波浪形翅片在翅片表面的周向上间隔开设有翅片通孔，翅片通孔孔周围的波浪形翅片两侧表面设置有波纹式特征台阶凸起，波纹式特征台阶凸起为多圈同心圆环凸起而形成扰流环，波纹式特征台阶凸起的每圈同心圆环凸起在沿同一周向的多处开设有断口，各圈同心圆环凸起每处开设的断口径向直线布置构成了翅片特征台阶导流通路；冷却水管内安装有径向不平衡轴流叶轮，径向不平衡轴流叶轮设置有多片叶片，其中一片叶片的重量大于其余叶片的重量。

所述的冷却水管端部经多个沿圆周间隔设置的弹簧和箱体内壁连接，弹簧的一端焊接固定于箱体内壁，弹簧的另一端焊接固定于冷却水管靠近与复合材料软管连接的一端外壁。

所述的翅片基管过盈配合地套装在冷却水管外。

所述的多片波浪形翅片均呈圆盘状，波浪形翅片的中心开设有通孔，通孔固接套装于翅片基管。

所述波浪形翅片的壁厚约1mm—3mm，相邻之间的间隔为约20mm—30mm。

所述的翅片通孔可沿周向均布，可沿周向不均布，通孔面积约为波浪形翅片表面总面积的10％—20％。

所述的箱体内充满有油液，并装有需要散热换热的物件/结构，物件/结构的热量经油液传导到波浪形翅片管，经波浪形翅片管传导到冷却水管，进而通过冷却水管中的冷却水进行冷却降温换热；换热同时，径向不平衡轴流叶轮随冷却水流经而旋转，选中带动较重的叶片旋转产生径向力不平衡进而带动波浪形翅片管微动，从而带动波浪形翅片管附近的待冷却流体的流动。

所述的波浪形翅片管，材质为导热性较好的材料，如铝、铜等；其制造可采用精密铸造。

所述冷却水管其材质为不锈钢，可直接选用标准管径的钢管，但需保证外壁面具有较高的加工精度。

所述的轴流叶轮，其材质可选用不锈钢等；其制造可采用铸造或焊接，但需保证其旋转后具有一定的不平衡量。

本发明的翅片换热器用于冷却箱体内的待冷却流体。

本发明中的翅片为波浪形，且沿管的周向开有通孔，通孔周围具有波纹式特征台阶凸起，该台阶沿导流孔径向均布或不均布，其特征高度先升后降，特征台阶结构有利于改变待冷却流体的流场，利于其层流边界层的破坏和湍流边界层的产生，并增加待冷却流体于翅片管内的停留时间，提高散热效率；且各通孔附近台阶开有导流通路，是为了加强待冷却流体的流动性，避免其限制于凹凸结构内无法流出，并有利于翅片管附近流体与热源附近流体的对流流动。

通过本发明的技术方案，能够带动翅片附近的待冷却流体流动，且待冷却流体通过通孔并经过不均匀凸起台阶时，由于特征台阶高度大于层流边界层厚度，其特征台阶结构能够产生阻力使层流边界层外的待冷却流体速度和压力沿流动方向均会发生变化，它将对层流边界层内的待冷却流体的流动有显著影响。正是由于层流边界层内压力沿流动方向的急剧变化，可引起边界层内待冷却流体发生倒流，使层流边界层分离，并同时产生漩涡导致层流边界层的破坏及湍流边界层的建立。其中的涡流会促使待冷却流体内部各层之间的流体混合，增强了待冷却流体的对流程度，极大的提高了热交换效率和散热性能。

本发明的有益效果是：

1、冷却水流经叶轮时叶轮旋转，其径向力不平衡会带动翅片管微动，相比于静止的翅片管换热器，大大减小了翅片表面结垢的可能，提高了散热的可靠性和稳定性；

2、翅片管微动会带动其附近流体流动，流体流经通孔及波纹式特征台阶凸起时，由于凹凸结构的影响，其层流流动边界层会被破坏，同时建立起湍流边界层，其换热性能将大大提高；

3、翅片通孔及波纹式特征台阶凸起开有导流通路，是为了加强待冷却流体的流动性，避免其限制于凹凸结构内无法流出，选取合适的翅片间距也是基于此考虑；

4、冷却水管外壁面与波浪形翅片管内壁面之间采用过盈配合，翅片管热套于冷却水管上，能确保其表面具有较高的加工精度，以降低传热热阻，提高传热效率，同时接触面积的增大使得应力减小，有利于提高装配质量和使用寿命。

附图说明

图1为利于涡流发生的翅片换热器整体结构图。

图2为翅片组和冷却水管安装示意图。

图3为翅片换热器正视图。

图4为单个翅片外形轮廓及波浪型线图。

图5为翅片通孔与翅片特征台阶(扰流环)及扰流环导流通路示意图。

图6为径向不平衡轴流叶轮示意图。

图中：1、冷却水管，2、波浪形翅片，3、翅片基管，4、翅片通孔，5、翅片特征台阶(扰流环)，6、径向不平衡轴流叶轮，7、复合材料软管，8、弹簧，9、翅片特征台阶导流通路，10、箱体，11、过盈配合。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施包括置于箱体10中的换热结构，换热结构包括冷却水管1、波浪形翅片管、翅片特征台阶5、径向不平衡轴流叶轮6、复合材料软管7和弹簧8；冷却水管1的两端均同轴连接连通一个复合材料软管7，两端的复合材料软管7穿出箱体10，冷却水管1流经冷却水，冷却水管1一端的复合材料软管7流入冷却水，冷却水管1另一端的复合材料软管7流出冷却水；冷却水管1两端的每一端通过弹簧8和箱体10内壁连接，使得冷却水管1水平弹性地支撑位于箱体10中。

如图3所示，波浪形翅片管包括翅片基管3和固定套装在翅片基管3外的多片波浪形翅片2，翅片基管3套装在冷却水管1外，多片波浪形翅片2沿翅片基管3轴向间隔布置并套装在翅片基管3外，波浪形翅片2是由母线为波浪形线绕翅片基管3中心旋转形成的旋转体结构，如图4所示，单侧半径截面呈波浪形。

如图5所示，波浪形翅片2在翅片表面的周向上间隔开设有翅片通孔4，翅片通孔4孔周围的波浪形翅片2翅片两侧表面设置有波纹式特征台阶凸起5，波纹式特征台阶凸起5为多圈同心圆环凸起而形成扰流环，波纹式特征台阶凸起5的每圈同心圆环凸起在沿同一周向的多处开设有断口，即使得同心圆环凸起截断，各圈同心圆环凸起每处开设的断口近似同一径向直线布置构成了翅片特征台阶导流通路9；波纹式特征台阶凸起5沿导流孔径向均布或不均布，特征高度先升后降，且该台阶开有导流通路。

如图6所示，冷却水管1内的中间安装有径向不平衡轴流叶轮6，径向不平衡轴流叶轮6设置有多片叶片，其中一片叶片的重量大于其余叶片的重量，其余叶片的重量均相同，使得径向不平衡轴流叶轮6重心偏心不平衡。

冷却水管1端部经多个沿圆周间隔设置的弹簧8和箱体10内壁连接，弹簧8的一端焊接固定于箱体10内壁，弹簧8的另一端焊接固定于冷却水管1靠近与复合材料软管7连接的一端外壁。

多片波浪形翅片2均呈圆盘状，波浪形翅片2的中心开设有通孔，通孔可焊接固接套装于翅片基管3。

如图2所示，翅片基管3过盈配合11地套装在冷却水管1外。冷却水管1外壁面与翅片基管3内壁面光滑，加工精度高，两者之间采用过盈配合安装。

具体实施中，翅片通孔4处于波浪形翅片2翅片表面处于中间的圆周位置。

箱体10内充满有油液，并装有需要散热换热的物件/结构，例如箱体10为齿轮箱，箱体10内部有工作的减速变速的齿轮，物件/结构的热量经油液传导到波浪形翅片管，经波浪形翅片管传导到冷却水管1，进而通过冷却水管1中的冷却水进行冷却降温换热；换热同时，径向不平衡轴流叶轮6随冷却水流经而旋转，选中带动较重的叶片旋转产生径向力不平衡进而带动波浪形翅片管微动，从而带动波浪形翅片管附近的待冷却的冷却水流体流动，减小了翅片表面结垢的可能，提高了散热的可靠性和稳定性。

具体实施例为：

冷却水管1为不锈钢材质标准管件，复合材料软管7具有耐高温抗腐蚀特性，并具有较好的柔性，其两侧为硬质材料，并通过螺纹与冷却水管1连接，复合材料软管7两侧硬质材料与箱体通过弹簧连接，该弹簧可以承受翅片冷却管自重及冷却水流通时的水冲击力和轴流叶轮的径向不平衡力，保护连接螺纹，延长使用寿命和提高可靠性；

波浪形翅片2，有8个，由轴心至外径其型线为波浪形，沿管路方向均匀或非均匀布置，其间距为25mm，各个波浪形翅片外径可相同，也可不同，翅片与基管材质相同；

翅片通孔4，有6个，沿基管周向均匀或非均匀布置，其孔径可相同可不同，孔径应为翅片外径的15％，各翅片通孔总面积为翅片面积10％，其面积过大会导致翅片面小，其面积过小会影响待冷却流体的流动；

翅片特征台阶(扰流环)5，有5个，沿着翅片通孔径向布置，其径向间距可相同，可不同，每两个特征台阶的径向间距应为翅片通孔的10％—30％，其特征高度先升后降，有利于改变待冷却流体的流场，利于其层流边界层的破坏和湍流边界层的产生，并增加待冷却流体于翅片管内的停留时间，提高散热效率；

特征台阶(扰流环)5开有导流通路9，有利于翅片管附近流体和热源附近流体的对流流动；

径向不平衡叶轮6，为轴流式叶轮，其有一叶片较重，在冷却水流经叶轮时叶轮旋转，其径向力不平衡会带动翅片管微动。