换热板及板式换热器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种换热板，每一换热板的至少一个表面包括交替地布置的脊和沟槽。所述脊的峰顶和/或沟槽的谷底上设置有多个流体分配调整结构。另外，本发明还提供了一种使用这种换热板的板式换热器。
【专利说明】换热板及板式换热器
【技术领域】
[0001]本发明涉及暖通空调、汽车、制冷以及运输领域，尤其涉及换热板以及使用该换热板的板式换热器。
【背景技术】
[0002]当前板式换热器主要是以人字形(鱼骨状)为特征的通道结构。这种结构具有较好横向流动优先性，能够很好的实现侧向的流动分配，从而具有较好的换热效果。然而，对于蒸发器和冷凝器这样的应用，人字形结构的角度范围相对固定，对于显著实现强化换热和增加强度(以实现减薄材料厚度)而言，其改进和改善的空间较小。人字形结构的波纹宽度及其装配效果，决定了单位面积上的焊接空间，因此强度上受到了限制。人字形板片之间的槽道交叉方式及其焊点密度等，决定了流体通过该位置时所产生的湍流强度。在有限的参量变化条件下，湍流强度受限，从而无法获得较大的强化换热效果。
[0003]有鉴于此，确有需要提供一种能够至少部分地解决上述问题的新型的换热板和板式换热器。
【发明内容】
[0004]本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
[0005]在本发明的一个方面中，提供了一种换热板，每一换热板的至少一个表面包括交替地布置的脊和沟槽。所述脊的峰顶和/或沟槽的谷底上设置有多个流体分配调整结构。
[0006]具体地，所述流体分配调整结构中的每个包括分别在峰顶或谷底的两边沿处的凸起以及在所述两个边沿之间的中心槽道。
[0007]具体地，所述凸起包括圆柱体、圆角长方体、梯形结构体、弧形突起中的任一种或它们的任一组合，所述中心槽道包括平直槽道和/或由多元的曲面结构体形成的槽道。
[0008]具体地，所述凸起与所述换热板的表面之间设置有平滑的连接结构，所述多元的曲面结构体包括曲线弧线、多元曲线、多元弧线以及直线、曲线、弧线的多元体的组合。
[0009]具体地，所述中心槽道的底部相对于峰顶或谷底是大致平齐的或下凹的。
[0010]具体地，在每一边沿上的所述两个凸起之间的部分构成了中心槽道的入口或出□。
[0011]具体地，所述凸起间隔地设置在峰顶或谷底的前沿和/或后沿上。
[0012]具体地，所述前沿上的凸起与所述后沿上的凸起在垂直于中心槽道的延伸方向的水平方向上是错开的。
[0013]具体地，所述中心槽道在峰顶或谷底的延伸方向上是弯曲的。
[0014]具体地，所述凸起中的至少一部分凸起设置成至少部分地覆盖所述中心槽道以形成间断的中心槽道。
[0015]具体地，所述表面的一部分或全部设置有一重半人字形和/或人字形、或两重及两重以上的半人字形和/或人字形的结构图案，每一换热板包括沿着其换热板的延伸方向分别位于相对的两端处的流体进口和流体出口，所述两个换热板装配在一起以形成集流腔。
[0016]在本发明的另一方面中，提供了一种板式换热器。所述板式换热器包括上述的换热板。
[0017]本发明的发明构思在于在现有技术中的人字形或鱼骨状的换热板中的脊和/或沟槽的平坦边缘上设置各种凸起结构、弯曲结构或凹陷结构。通过这样的布置，换热板将产生更多的湍流并且提高了传热，同时保持了一致的流体分配。另外，还增强了换热板内的流体通道的强度，这对于减小换热板的厚度是有利的。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0019]图1是现有技术的所述的人字形换热板的一个表面的部分视图；
[0020]图2是沿图1中的线A-A切割的截面视图；
[0021]图3a是根据本发明一个实施例所述的人字形换热板的一个表面的脊的一部分视图，图3b和3c分别是沿图3a中的线B-B和线C-C切割的截面视图；
[0022]图4是图3a显示的换热板的一个表面的流体流向的视图；
[0023]图5是图3a显示的换热板的一个表面的另一变形例的视图；
[0024]图6是图3a显示的换热板的一个表面的又一变形例的视图；
[0025]图7是图3a显示的换热板的一个表面的又一变形例的视图；
[0026]图8a是根据本发明所述的换热板的另一变例的视图；和
[0027]图8b是图8a的局部放大视图。
【具体实施方式】
[0028]下面通过实施例，并结合附图l_8b，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
[0029]参见图1和2，示出本发明所述的板式换热器中的一个换热板的整体结构视图和相应的截面视图。如本领域技术人员所公知的，板式换热器包括在端板和底板之间的多个相互叠置在一起的A形换热板和V形换热板(以下为了描述简便，称为一对换热板)。当然，所述换热板还可以是W形和M形换热板的组合，这在本领域中是公知的，在此不再详细描述，只要组合在一起的多个换热板能够形成用于流体通过的集流腔即可。也就是说，所述换热板的表面可以设置有一重人字形(A/V形)的图案结构、两重人字形(M/W形)的图案结构或更多重的人字形图案结构。当然，所述换热板上的图案特征还可以是一重或更多重的半人字形。
[0030]需要注意的是，在下文将仅以板式换热器中相互配合的一对换热板中的一个换热板10为例进行说明，而在实际中可以以相同或相类似的方法将与之配合的另一换热板设置成具有与其配合或对称的结构图案。
[0031]图1示出了换热板10为具有人字形(或鱼骨状)图案结构的换热板。也就是，沿着换热板10的纵长方向交替地布置了多个脊I和沟槽2。沟槽2的底部由图1中的虚线示出。本领域技术人员可知，这种结构布置是现有的人字形换热板图案的典型设计。当然，可以根据需要设计脊I和沟槽2的宽度以及脊I的高度、沟槽2的深度等参数。在图2中，可见脊I和沟槽2都分别具有平坦峰顶和谷底3、4，它们的宽度分别由标记wl和《2表示。宽度wl和w2可以被设置成相同或不同。如图2所示，脊I的平坦的峰顶3的宽度wl大于沟槽2的平坦的谷底4的宽度《2。另外，在本实例中，脊I的平坦峰顶3的宽度都设置成相同，相应地沟槽2的平坦的谷底4的宽度也设置成彼此相同。但是本领域技术人员可以根据需要设置上述结构参数。以上仅是一种示例，而不能理解成对本发明的一种限制。
[0032]如图3a_3c所示，为了实现产生更多的湍流和增强换热板10上的流体通道的强度，本发明在脊I的平坦的峰顶3上增设了多个流体分配调整结构。另外，还可以在谷底4上增设多个流体分配调整结构。所述流体分配调整结构可以包括圆柱体、圆角长方体、梯形结构体、弧形突起中的任一种或它们的任一组合。这里为了说明描述简明，仅在换热板10的脊I的峰顶3上设置了所述流体分流调整结构，但是本领域技术人员可以基于本发明的公开内容明白同样可以以类似的方式在沟槽2的谷底4上设置该流体分配调整结构。也就是，本领域技术人员可以根据需要选择在脊I和/或沟槽2的峰顶和谷底3、4中的一者或两者上设置所述流体分配调整结构，而不必限于本发明图示的情形。
[0033]如图3a所示，出于描述简便的目的，在此限定相邻的一个脊I和沟槽2被称为一个流动单元，当然本领域技术人员也可以认为两个或更多个脊和沟槽的组合为一个流动单元。脊I的峰顶3的两个边沿被定为或称为前沿31和后沿32。多个流体分配调整结构5被分别沿着前沿31和/或后沿32间隔预定距离设置。可以理解，流体分配调整结构5主要是起到进一步调整和分配流体的作用，因此诸如圆柱体、圆角长方体、梯形结构体、弧形突起的任何结构布置都可以用作此处所述的流体分配调整结构，而不限于任何具体的形式。在本示例中，小的圆柱体和它们之间的中间间隙被用作流体分配调整结构5。显然，圆柱体51可以沿着前沿31或后沿32以相同的间隔设置，且前沿31和后沿32上的圆柱体51可以在垂直于前沿31或后沿32的延伸方向的方向彼此一一对应或对齐设置，当然这不是必须的。
[0034]如图3b所示，在垂直于前沿31或后沿32的延伸方向的方向上，圆柱体51分别位于前沿31和后沿32处。为了进一步促进湍流的产生，还在峰顶3上设置在圆柱体51之间的中心槽道6。通常，流体分配调整结构5包括在每一个脊I的峰顶3的前沿31和后沿32处的凸起(例如圆柱体51)以及在两个凸起之间的中心槽道6。
[0035]显然，凸起不限于例如圆柱体、凹坑、圆角长方体、梯形结构体等规则形状的结构体，还可以是诸如椭圆、尖端等不规则形状的结构体。中心槽道6包括平直槽道和/或由多元的曲面结构体形成的槽道。在本示例中，为了说明的目的，将中心槽道设置成大致V字形。
[0036]如图3c所示，沿着前沿31或后沿32间隔地设置圆柱体或小圆柱体51。或者说，诸如图3c所示在换热板10的长度方向上获得了大致不透光的截面。这种不透光或准不透光的截面特征对于蒸发过程来说是非常重要的。从换热板10的流体进口流入的两相制冷剂中的气态制冷剂将会从侧面流走，以触发液态制冷剂的“沸腾”过程。参见图3b，小的中心槽道6位于两个圆柱体51之间，即在两个圆柱体51之间的中间间隙。该中心槽道6可以用于蒸发液态制冷剂。由于该中心槽道6的深度很小，液态制冷剂的边界层或液膜厚度相当小，这对于增强沸腾过程是有利的。另外，当制冷剂通过上述的区域时，存在相当大的湍流。这对于增强沸腾过程也是有利的。
[0037]虽然在图3a_3c中具体地图示了凸起和中心槽道，但是可以理解为了更好地进行流体分配调节，凸起与换热板的表面之间设置有平滑的连接结构，即凸起与换热板的表面之间是平衡过渡的。另外，所述中心槽道6通常由多元的曲面结构体形成，所述多元的曲面结构体包括曲线弧线、多元曲线、多元弧线以及直线、曲线、弧线的多元体的组合。也就是说，中心槽道6也通常设置成具有弯曲的平滑地过渡的曲面结构。
[0038]另外，需要说明的是，中心槽道6可以设置成如图3所示相对于峰顶3是下凹的V字形形状，但是由于在峰顶3的两个相对的边沿31和32上设置了多个凸起，这样即使将中心槽道6设置成与峰顶大致平齐，该设置在相对边沿31和32之间的中间部分或间隙也可以起到中心槽道的功能。
[0039]可以理解，上述针对于峰顶3进行的结构设置均适用于谷底4，因为峰顶3和谷底4是相对称的，故可以以类似的方式进行相对应的设置。
[0040]如图4所示，在前沿31或后沿32上的两个相邻的圆柱体51之间的敞开的空间为由相邻的一个脊I和沟槽2所构成的流动单元的入口 71和出口 72。箭头示出了流体的流向，在前沿31和后沿32上的入口 71和出口 72被采用，以将液态制冷剂破碎成小的液滴。这对于制冷剂的蒸发来说是有利的。另外，此处所获得的湍流也增强传热。如上所述，中心槽道6可以用于均匀化流体分配，并减小制冷剂边界层和液膜的厚度。
[0041]在图5中示出了根据本发明的中心槽道的另一变形例。显然，在图3a中将中心槽道6设置成大致平行于脊I的前沿31和/或后沿32平直地延伸。图5显示的变形例与之的区别在于中心槽道6’设置成沿着前沿31和/或后沿32是弯曲的。在一个实施例中，中心槽道6’设置成沿前沿31和/或后沿32成弯曲的形式，当然中心槽道6’还可以被设置成沿除上述的方向之外的方向是弯曲的或以任何形式弯曲。这样做将使得制冷剂的流动过程更加平顺。因此，将获得更多的主动传热区(即换热面积)。另外，更多的湍流被产生以强化沸腾过程。
[0042]参见图6，示出了入口和出口的间断的布局。与图4相比，不再沿着前沿31和/或后沿32间隔地设置具有相同结构的小圆柱体51，而是沿着前沿31和/或后沿32交替地以预定间隔布置小的圆柱体51和比之更大的结构体(在此示例为倒角或圆角的长方体)81。这样，与图4显示的相比,基本的流动单元的流动横截面降低,诸如制冷剂的流体的流速将增大。这样将产生更多的湍流。这对于增强传热是有利的。另外，在前沿31和后沿32的两个边沿上的顶部区域被增大，使得在两个换热板被组装以形成用于流体的流道时将获得更大的强度。其中箭头示出了诸如制冷剂的流体的流向。
[0043]在图7中示出了脊的峰顶具有间断的中心槽道的示例。虽然在图4中示出了中心槽道6是连续的，但是中心槽道6也可以设置成被间断地阻塞的形式。如图所示，相比图4的情形，沿着前沿31和后沿32所设置的小圆柱体51之间的间隔被扩大，以在前沿31和/或后沿32的延伸方向上相邻的两个小圆柱体51之间容纳比其更大的结构体82。该结构体82的尺寸被设置成保持在前沿31和/或后沿32上与其相邻的小圆柱体51间隔开，同时部分地或全部地阻塞中心槽道6。在图7中示出，由椭圆体、长圆体或倒角的长方体82在垂直于前沿31或后沿32的方向上完全阻塞中心槽道6的情形，其中长方体82分别与四个相邻的小圆柱体51间隔开。
[0044]上述的设置方式仅是一个示例，然而只要能够使得将中心槽道6设置成被间断地阻塞的方式，都适用于本发明。本领域技术人员容易明白，这种图案结构对于换热板10内的流体通道的强度增强和压降的增大(即产生更多的湍流)是有利的。当然，中心槽道6内的流体分配的限制将被弱化；但是仍然可以在人字形图案的换热板10的流体通道中(具体是在图1显示的沟槽2内)进行流体分配调整。最终效果依赖于换热板10的整体设计(或其他结构参数)。
[0045]如图8a和8b所示，分别显示了根据本发明另一实施例的换热板10的整体视图，以及图8a中的优化的技术方案中的主要特征。在图8a中，换热板10包括用于流体的端口
11、12、13、14。可以理解，本领域技术人员可以根据需要选择适当的端口 11、12、13、14，用于流体的流入和流出。
[0046]在图8b中示出了图8a中的换热板10的中间部分的放大视图。通过放大视图可知，从左至右交替地设置有脊I和沟槽2，脊I的前沿31和后沿32上(在从下至上的方向上)间隔地设置有多个流体分配调整结构5。由于该流体分配调整结构5被设置成如图所示的弯曲或蜿蜒结构(例如大体双弯钩形状)，这样在前沿31和后沿32的中间部分产生了弯曲的中心槽道6’。当然，此处所示的仅是一个示例，其的目的是说明可以将如上所述的不同的设置流体分配调整结构的方式用于换热板10。
[0047]此外，图8a和图Sb所示的结构，在槽和脊宽度比例的设计上体现了本发明的一个显著的优势。即通过调整脊和沟槽之间的宽度比例关系，以及对应流体调整结构的尺寸，很容易获得非对称程度较大的换热板片。对于应用于通道流量较大的制冷机蒸发器和以乙二醇水溶液等为载冷剂的热泵蒸发器而言，一方面，本发明将提供较好的蒸发效果，同等条件下，为用户提供更高的蒸发温度；另一方面，本发明也有效地降低了水侧(辅侧)的通道压降，提高了用户机组系统中水泵的能效。
[0048]除了上述的特点之外，两个相邻的换热板的焊点在装配在一起时应当彼此匹配。另外，针对于常见的人字形板式换热器来说，大体W和M形图案的板设计图案也可以用于本发明。
[0049]具有上述的结构特征的两个板可以装配在一起，以形成集流腔。针对于人字形板式换热器，其中的一个换热板被称为A(M)形换热板，而另一与之匹配的换热板被称为V(W)形换热板。上述是人字形或鱼骨状板式换热器中的通用专业术语。成对的换热板被装配以形成板式换热器。
[0050]通过上述可知，本发明的构思在于将人字形换热板和点波式换热器的优点结合在一起。详细的优点被通过流动方式和板式换热器内的热传递过程进行解释和说明。
[0051]在板式换热器的蒸发器中使用本发明，两相制冷剂流入到换热板上的流体通道内。当所述制冷剂遇到净间隙(如图1中显示的沟槽2)，制冷剂将优选地从侧面流走。整个V/A(M/W)形的中心槽道将被充满或填充。这对于流体分配是有利的。之后，制冷剂将从脊I的前沿31上的入口 71进入。小的进入空间将控制液态制冷剂以均匀地分配它们。此夕卜，准封闭的截面空间将迫使气态制冷剂的蒸汽以弯曲蜿蜒的方式流动，用于防止旁通式流动。使用产生湍流的结构和小的沟道深度将确保在中心槽道中发生有效的沸腾过程。所述气态制冷剂的蒸汽将推动液态制冷剂从脊I的后沿32上的出口 72离开中心槽道6。另夕卜，这将增强沸腾。这一过程被交替地执行。基于A-V(M-W)形板的装配特征，在此将获得回流作用。这对于流体分配和增强传热也是有利的。
[0052]以上仅为本发明的一些实施例，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明总体构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
【权利要求】
1.一种换热板，每一换热板的至少一个表面包括交替地布置的脊和沟槽， 其特征在于， 所述脊的峰顶和/或沟槽的谷底上设置有多个流体分配调整结构。
2.根据权利要求1所述的换热板，其特征在于， 所述流体分配调整结构中的每个包括分别在峰顶或谷底的两边沿处的凸起以及在所述两个边沿之间的中心槽道。
3.根据权利要求2所述的换热板，其特征在于， 所述凸起包括圆柱体、圆角长方体、梯形结构体、弧形突起中的任一种或它们的任一组合，所述中心槽道包括平直槽道和/或由多元的曲面结构体形成的槽道。
4.根据权利要求2或3所述的换热板，其特征在于， 所述凸起与所述换热板的表面之间设置有平滑的连接结构，所述多元的曲面结构体包括曲线弧线、多元曲线、多元弧线以及直线、曲线、弧线的多元体的组合。
5.根据权利要求2或3所述的换热板，其特征在于， 所述中心槽道的底部相对于峰顶或谷底是大致平齐的或下凹的。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的换热板,其特征在于， 在每一边沿上的所述两个凸起之间的部分构成了中心槽道的入口或出口。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的换热板，其特征在于， 所述凸起间隔地设置在峰顶或谷底的前沿和/或后沿上。
8.根据权利要求7所述的换热板，其特征在于， 所述前沿上的凸起与所述后沿上的凸起在垂直于中心槽道的延伸方向的水平方向上是错开的。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的换热板，其特征在于， 所述中心槽道在峰顶或谷底的延伸方向上是弯曲的。
10.根据权利要求2-9中任一项所述的换热板，其特征在于， 所述凸起中的至少一部分凸起设置成至少部分地覆盖所述中心槽道以形成间断的中心槽道。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的换热板，其特征在于， 所述表面的一部分或全部设置有一重半人字形和/或人字形、或两重及两重以上的半人字形和/或人字形的结构图案，每一换热板包括沿着其换热板的延伸方向分别位于相对的两端处的流体进口和流体出口，所述两个换热板装配在一起以形成集流腔。
12.—种板式换热器，其特征在于，所述板式换热器包括根据权利要求1-11中任一项所述的换热板。
【文档编号】F28F3/04GK103822521SQ201410076347
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2014年3月4日
【发明者】拉尔斯·佩尔松 申请人:丹佛斯微通道换热器（嘉兴）有限公司