专利名称：一种后掠型波纹翅片的制作方法
技术领域：
本发明属于换热器技术领域，具体涉及一种优化的后掠型波纹换热翅片。
背景技术：
紧凑热交换器由于具有占用空间小、质量轻、换热效率高等技术优点，已被广泛应用于汽车、工程机械、空调电器或电子产品等行业的所涉及的散热领域。板翅式热交换器是紧凑型热交换器的重要形式。如图1所示，大量板式翅片组合在一起可以显著增大热交换器的有效散热面积，因而大幅提高热交换器的散热效率。为了进一步提高翅片的换热效率，人们对翅片的表面形状进行了优化。波纹翅片就是其中一种，如图2所示，波纹翅片101与热交换器管道侧壁面I所围成的空间，构成一个散热流道。若干个散热流道组合在一起，就构成了图1所示的热交换器换热芯体，可以将热交换器管道内流动的高温介质Vtot，如高温水、油或固体导热等的热量快速传递至翅片表面，并通过翅片附近流动的冷却介质VMld，如冷却空气，将热量带走，并最终扩散至热交换器体外。相对于平直翅片来说，波纹翅片可以进一步增大翅片与冷却介质的接触面积，同时“波纹”式的表面形状将对冷却介质的均匀来流产生扰动作用，甚至形成大尺度的分离涡结构，强化了翅片近壁区内的动量和能量交换，从而强化了翅片的热交换能力。这一类型的波纹翅片专利如申请号或专利号为200410031549.3,200580022014.2、200910115668.X等的中国专利。图2是波纹翅片单个散热流道的结构示意图。图3是冷却介质流经波纹翅片时所产生的分离涡结构示意图。其中，102是波纹翅片前缘，即波峰沿翅片宽度方向延伸而形成的棱线，也是翅片迎风区与背风区的分界线。如图3所示，当冷却介质经过波纹翅 片前缘102时，由于介质动量不足以抵抗下游波谷103处较强的逆压梯度，冷却介质将在前缘102至波谷103之间的翅片背风区内形成一个大尺度的分离涡104。在分离涡104内，冷却介质作低速旋转运动。这种旋转运动将翅片表面的热量输运到散热流道中心区，即分离涡104上层，从而起到强化换热的作用。但是，这种分离涡结构位置固定，分离涡内部冷却介质流速低、压力高。因此，该分离涡产生的强化换热效果十分有限。特别地，这种分离涡结构显著增大了波纹翅片散热流道的流动阻力，这将直接导致与热交换器配套的风扇功率必须同步提高，风扇噪声也必然因此而增大。因此，从强化换热的角度来看，有必要对上述传统波纹翅片作进一步地优化或创新性地设计，以便大幅提高翅片热交换效率，并显著降低散热流道阻力，进而可以降低配套风扇的功率负荷和噪声水平等。这正是本发明的根本目的所在。
发明内容
针对传统波纹翅片的技术现状，本发明给出了一种优化的后掠型波纹换热翅片设计，该类型翅片可以作为热交换器芯体，如图1所示，广泛应用于汽车、工程机械、电器、半导体等行业所涉及的散热或热交换领域中。与传统波纹翅片相比较，在材质、散热面积相同的条件下，本发明给出的后掠型波纹翅片具有换热效率高、流动阻力小等显著优势，且无需对现有加工工艺作大幅度修改，因此具有加工工艺简单等优势。特别地，这种后掠型波纹翅片由于流动结构特殊而具有独特的自清洁能力。为解决传统波纹翅片中存在的技术问题，达到本发明所述目的，本发明采取的技术方案如下:
一种后掠型波纹翅片，其端面与热交换器管道侧壁面平贴相接，其特征在于:所述波纹翅片的前缘与其展向，即散热流道的宽度方向，呈一定的夹角，称之为后掠角。在本发明中，翅片前缘是指波纹翅片的波峰沿翅片宽度方向延伸而形成的棱线。在一个波纹范围内，前缘是翅片迎风区与背风区的分界线。所述后掠角设置为10°至80°之间任意角度，优选30°至60°区间，此时翅片流动阻力小、换热效率高。所述后掠型波纹翅片的波长为2-20mm,波幅为0.2_5mm、翅片厚度为0.05-0.3mm。mm为长度单位毫米。所述后掠型波纹翅片所在流道长为30-300mm，流道宽为5-20mm，流道高为
1-1Omm0相对于如图3所示的传统波纹翅片来说，在本发明所述的后掠型波纹翅片中，冷却介质经过翅片前缘时，其运动速度V可以分解为两部分:垂直翅片前缘的速度分量Vl，它将促使冷却介质在经过前缘后从翅片表面分离，形成强旋转的分离涡；沿翅片前缘方向也即分离涡旋转轴方向的速度分量V2，它将使上述分离涡结构沿前缘方向拉伸，最终将分离涡拉伸成旋拧流向涡结构，并在旋涡核心处形成强轴向射流Vn。不断拉伸、加速的流向涡显著提高了流道内冷却介质与翅片表面的热交换能力，同时轴向射流Vn则降低了分离区的压差阻力，从而使翅片流·道的流动阻力和压降大幅降低、换热效率显著提高。特别地，轴向射流Vn还可以将沉积在分离区内的污垢冲向翅片散热流道下游。因此，本发明给出的后掠型波纹翅片具有独特的自清洁能力。并且，由于该后掠型波纹翅片只改变了传统波纹翅片的后掠角度，因此无需对波纹翅片的现有加工工艺作大幅度修改，具有加工工艺简单等技术优势。本发明所述后掠型波纹翅片的“波纹”剖面形状为三角形、矩形、梯形、弧形、三角函数曲线、幂函数曲线、样条曲线中的任意一种，或者是这些曲线形状的组合。所述三角函数曲线包括正弦曲线、余弦曲线等。本发明所述后掠型波纹翅片的制造材料采用金属材料、合金或导热性能好的非金属材料等，其形状可以采用专用模具滚压成形。所述的后掠型波纹翅片可以作为热交换器芯体。其中，相邻的后掠型波纹翅片流道组合成一个大的散热通道时，两个相邻的后掠型翅片既可以沿同一方向后掠，此时两个翅片的前缘方向平行；也可以是反方向后掠，此时两个翅片的前缘方向相互交叉。当采用反方向后掠时，由于散热流道的高度显著大于波纹翅片的波幅，因此，两个相邻翅片的前缘之间仍保持了较大的间距。本发明给出的后掠型波纹翅片，可作为热交换器芯体安装在各种热交换器内，如图1所示，可广泛应用于汽车、工程机械、电器、半导体等行业所涉及的热交换设备中，例如但不限于汽车、工程机械、电子或电器产品所使用的散热器、冷凝器、中冷器等。区别于传统的波纹翅片，在本发明给出的后掠型波纹翅片中，冷却介质流经翅片前缘后，分离流将沿流向不断拉伸、最终形成流向涡结构，并在旋涡核心形成较强的轴向射流。与传统波纹翅片相比较，由于流向涡的存在，在材质、结构体积或散热面积相同的条件下，本发明给出的后掠型波纹翅片将具有换热效率高、流动阻力小等显著优势。特别地，这种后掠型波纹翅片由于流动结构特殊而具有独特的自清洁能力。因此，相对于传统波纹翅片来说，本发明给出的后掠型波纹翅片可以在更复杂、更恶劣的工程环境中使用。并且，由于该后掠型波纹翅片只改变了传统波纹翅片的后掠角度，因此无需对波纹翅片的现有加工工艺作大幅度修改，具有加工工艺简单等技术优势。
图1普通热交换器换热芯体结构示意 图2是现有技术设计的波纹翅片几 何结构示意 图3是现有技术设计的波纹翅片流动结构示意 图4是本发明中后掠型波纹翅片的几何结构示意 图5是本发明中后掠型波纹翅片的主要结构参数示意 图6是本发明中冷却介质经过后掠型翅片所产生的流动结构示意 图7是相邻后掠型翅片散热流道的两种组合示意 图8是本发明中后掠型波纹翅片的剖面形状示例；
图9是本发明所述的后掠型波纹翅片与传统波纹翅片的散热性能和流道阻力性能对比 其中:1热交换器侧壁，101波纹翅片，102翅片前缘，亦即波峰，103波谷，104分离涡，201翅片，201-1翅片，201-2翅片，202前缘，203翅片波峰，204波谷，205流向涡；Re是雷诺数，是表征冷却介质流动速度的无量纲参数是表征翅片散热性能的无量纲参数 是表征流道阻力性能的无量纲参数。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。应理解下述具体实施方式
仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。实施例1:
如图4所示，一种后掠型波纹翅片201，其端面与热交换器侧壁面I平贴相接，二者构成一个散热流道，二者可以通过焊接等方式相连。波纹翅片201的前缘202与其展向，即散热流道宽度B方向，呈一定夹角，称之为后掠角β。所述后掠角β为45°。在本实施例中，翅片前缘202指波纹状翅片波峰203延伸形成的棱线，如图5所示。在一个波纹范围内，前缘202是翅片迎风区与背风区的分界线。所述翅片201的结构参数，波长Z为10mm、波幅力为2mm和翅片厚度t为0.1mm。如图4所示，以翅片201为中心的散热流道宽B为10mm、长A为100mm、高S为3mm。多个散热流道组合在一起，构成一个热交换器芯体，如图1。相邻的后掠型波纹翅片流道组合成一个大的散热通道时，这两个翅片既可以沿同一方向后掠，此时两个翅片的前缘方向平行，如图7a所示，也可以是反方向后掠，此时两个翅片的前缘方向相互交叉，如图7b所示。相对于如图3所示的传统波纹翅片来说，在本实施例中，由于翅片前缘202具有一定的后掠角度β，冷却介质如空气在经过前缘时，其运动速度V可以分解为两部分，如图6所示:垂直翅片前缘202的速度分量VI，它将促使冷却介质在经过前缘后从翅片表面分离，形成强旋转的分离涡；沿翅片前缘方向，也即分离涡的旋转轴方向的速度分量V2，它将使上述分离涡结构沿前缘方向拉伸，最终将分离涡拉伸成流向涡结构205，并在旋涡核心处形成强轴向射流Vn。不断拉伸、加速的流向涡205显著提高了流道内冷却介质与翅片表面的热交换能力，同时轴向射流Vn则降低了分离区的压差阻力，从而使冷却介质在整个翅片中流动阻力和压降大幅降低、换热效率显著提高。特别地，轴向射流Vn还可以将沉积在分离区内的污垢冲向翅片散热流道下游。因此，本实施例给出的后掠型波纹翅片具有独特的自清洁能力。本实施例所述的后掠型波纹翅片201的“波纹”剖面形状，采用的是图4至图6所示的正弦曲线，但也可以采用图8所示的三角形、矩形、梯形、弧形、幂函数曲线、样条曲线等或者是由这些曲线形状组合而成的“波浪形”，如图8所示的后两种就分别是弧形与直线段的组合、三角形与直线段的组合，只是翅片散热性能和流道阻力特性稍有差异。在本实施例中，后掠型波纹翅片201的制造材料可以采用金属材料、合金或导热性能好的非金属材料等，其中，金属材料如铝、铜、金等，其形状可以采用专用模具滚压成形。实施例2
本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为30° ;所述翅片201的结构参数，波长Z为5mm、波幅A为Imm和翅片厚度t为Q.1mm ;翅片201所在流道宽B为7mm、长A为70mm,翅片散热流道高S为3mm，翅片剖面形状采用梯形。实施例3 本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为60° ;所述翅片201的结构参数，波长L为15mm、波幅力为3mm和翅片厚度 为0.1mm ;翅片201所在流道宽B为13mm、长A为200mm，翅片散热流道高S为3mm，翅片剖面形状采用矩形。实施例4
本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为10° ;所述翅片201的结构参数，波长L为2mm、波幅A为0.2mm和翅片厚度t为0.05mm ;翅片201所在流道宽B为5mm、长A为30mm，翅片散热流道高S为1mm，翅片剖面形状采用三角形。实施例5
本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为80° ;所述翅片201的结构参数，波长L为20mm、波幅A为5mm和翅片厚度 为0.3mm ;翅片201所在流道宽B为15mm、长A为300mm,翅片散热流道高S为IOmm,翅片剖面形状采用弧形。实施例6
本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为50° ;所述翅片201的结构参数，波长Z为8mm、波幅A为Imm和翅片厚度t为Q.15mm ;翅片201所在流道宽B为20mm、长A为50mm,翅片散热流道高S为4mm，翅片剖面形状采用图8所示的弧形与直线段的组合。实施例7本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为40° ;所述翅片201的结构参数，波长L为12mm、波幅力为1.5mm和翅片厚度 为0.18mm ;翅片201所在流道宽B为10mm、长A为150mm，翅片散热流道高S为2mm，翅片剖面形状采用图8所示的三角形与直线段的组合。实施例8
本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为55° ;所述翅片201的结构参数，波长L为6mm、波幅A为1.5mm和翅片厚度 为0.2mm ;翅片201所在流道宽B为12mm、长A为170mm,翅片散热流道高S为6mm,翅片剖面形状采用样条曲线。实施例9
本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为10° ;所述翅片201的结构参数，波长L为17mm、波幅A为2.5mm和翅片厚度 为0.0.25mm ;翅片201所在流道宽B为17mm、长A为250mm,翅片散热流道高S为8mm,翅片剖面形状采用梯形。实施例10
本实施例与实施例1的区别在于:后掠角β为45° ;所述翅片201的结构参数，波长L为6mm、波幅力为0.8mm和翅片厚度t为Q.15mm ;翅片201所在流道宽B为9.6mm、长A为120mm，翅片散热流道高S为5mm，翅片剖面形状采用弧形。实施例1-10所述的后掠型波纹翅片，翅片201端面与热交换器侧壁面I平贴，二者构成一个散热流道。散热流道内流动的是冷却空气，气流速度V为9.5m/s ;而在热交换器管道内，即侧壁面I的另一侧流动的是80°C的高温水如图1所示。图9(a，b)是实施例10所述的后掠型波纹翅片与相同材质、相同剖面形状的非后掠型波纹翅片的散热性能 和流道阻力性能对比图。该图表明:在冷气空气流动雷诺数Re=IOOO时，以无量纲参数j因子表示的后掠型波纹翅片的散热效率提高了 15.1%，达到
0.0093，以无量纲参数f因子表示的流道阻力降低了 22.5%，降至0.0705 ;在其他流动雷诺数下，后掠型波纹翅片的散热性能和流道阻力特性也有相应幅度的改善。测试结果表明，与相同材质、相同剖面形状的非后掠波纹翅片相比较，实施例1-9所述的后掠型波纹翅片也具有与实施例10—致的性能提升效果。其中，以j因子表示的翅片散热性能提高了 5%-20%，以f因子表示的流道阻力降低了 10%-60%。综上，经多次实施例和检测证明，本发明所述的后掠型波纹翅片，冷却介质流动雷诺数Re=960时，j因子最高可达0.021，f因子可降低至0.055。需注意的是，上述实施例仅用于说明本发明的技术用途，而非对本发明的限制。本领域的技术人员，在本发明的实质范围内所做出的各种变化或替代，也应属于本发明的保护范畴。
权利要求
1.一种后掠型波纹翅片，其端面与热交换器侧壁面平贴相接，其特征在于:所述波纹翅片的前缘与其展向，即散热流道宽度方向，呈一定的夹角，称之为后掠角。
2.根据权利要求1所述的后掠型波纹翅片，其特征在于:所述后掠角设置为10度至80度之间任意角度。
3.根据权利要求2所述的后掠型波纹翅片，其特征在于:所述后掠角设置为30度至60度之间任意角度。
4.根据权利要求1-3任一项所述的后掠型波纹翅片，其特征在于:所述波纹翅片的波长为2-20晕米，波幅为0.2-5晕米，翅片厚度为0.05-0.3晕米。
5.根据权利要求1-3任一项所述的后掠型波纹翅片，其特征在于:翅片所在流道长为30-300毫米，流道宽为5-20毫米，流道高为1-10毫米。
6.根据权利要求4所述的后掠型波纹翅片，其特征在于:翅片所在流道长为30-300毫米，流道宽为5-20毫米，流道高为1-10毫米。
7.根据权利要求1所述的后掠型波纹翅片，其特征在于:所述翅片的“波纹”形状为三角形、矩形、梯形、弧形、三角函数曲线、幂函数曲线、样条曲线中的任意一种，或者是这些曲线形状的组合。
8.根据权利要求1所述的后掠型波纹翅片，其特征在于:所述波纹翅片的制造材料采用金属材料、合金或导热性能好的非金属材料中的任意一种。
9.一种权利要求1所述的后掠型波纹翅片，用作热交换器的散热芯体。
10.根据权利要求9所述的后掠型波纹翅片作为热交换器的散热芯体，其特征在于:两个相邻的后掠型翅片，沿冋 一方向后掠，或者沿相反方向后掠。
全文摘要
本发明公开了一种后掠型波纹翅片，其端面与热交换器侧壁面平贴相接，其特征在于所述波纹翅片的前缘与其展向，即散热流道的宽度方向，呈一定的夹角，称之为后掠角。与传统波纹翅片相比较，在材质、散热面积相同的条件下，本发明公开的后掠型波纹翅片具有换热效率高、流动阻力小等显著优势。并且，这种后掠型波纹翅片只改变了波纹翅片的后掠角度，在实际加工时，无需对现有的加工工艺作大幅度改造。因此，与其他具有强化换热功能的波纹翅片相比较，本发明公开的后掠型波纹翅片具有加工工艺简单等优势。特别地，本发明公开的后掠型波纹翅片由于流动结构特殊而具有独特的自清洁能力。
文档编号F28F19/00GK103245247SQ20131019829
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月24日 优先权日2013年5月24日
发明者张日葵, 曹先伟, 丁可琦, 代凤羽, 毛峰 申请人:南京北大工道软件技术有限公司, 北京大学工学院南京研究院, 南京北大工道创新有限公司