换热器及其翅片的制作方法

1.本技术涉及换热器，尤其涉及翅片管式换热器用的翅片的改进。


背景技术：

2.翅片管式换热器是一种在工业(例如冰箱、空调、食品处理、化学处理等)中广泛应用的换热器，它能够以较小的体积提供较大的换热面积。翅片管式换热器具有一系列间隔开布置的板状的翅片，以及和贯通这一系列翅片延伸的多个换热管。换热管中流通的流体(通常为制冷剂)与在翅片之间流动的流体(通常为空气)之间进行热交换，以达到换热的目的。翅片为平板状，上面开设有百叶窗，用于提高制冷剂与空气的换热效率。


技术实现要素：

3.本技术在第一方面的至少一个目的是提供一种压降低、换热效率高以及稳定性高的翅片。所述翅片包括数个翅片子单元，所述数个翅片子单元布置成数排，并且相邻两排中的所述翅片子单元错位布置。每一个所述翅片子单元包括：第一方向中心线x和第二方向中心线y，所述第二方向中心线y垂直于所述第一方向中心线x；孔，所述孔位于所述翅片子单元的中心部分；四个开窗区，所述四个开窗区中相邻的两个开窗区以它们之间的所述第一方向中心线x或所述第二方向中心线y为中心镜像布置；平坦区，所述平坦区包括孔周平坦区，所述孔周平坦区设置在所述孔和所述四个开窗区中的每一个之间；所述四个开窗区中的每一个包括第一边界、第二边界、第三边界和第四边界，所述第一边界位于所述四个开窗区中的每一个面向所述孔的一侧，所述第二边界位于所述四个开窗区中的每一个背向所述孔的一侧，所述第三边界和所述第四边界沿着大致平行于所述第一方向中心线x的方向延伸；所述第一边界构成所述孔周平坦区与所述四个开窗区中的每一个的分界线，并且所述第一边界的至少一部分为椭圆弧或与所述孔的圆心不同心的圆弧。
4.根据上述第一方面，所述第一边界为与所述孔的圆心不同心的第一圆弧结构，所述第一圆弧结构的半径为r1。
5.根据上述第一方面，所述第三边界与所述第一方向中心线x之间的距离大于所述第四边界与所述第一方向中心线x之间的距离，所述第一边界包括与所述第三边界相交的第一端点，所述第一端点到所述第二方向中心线y的距离为lp，所述第一端点到所述第一方向中心线x的距离为lfix，所述第一边界的延长线与所述第一方向中心线x的交点到所述第二方向中心线y的距离为lmid，其中，所述孔具有半径r，其中，r1、lp、lfix和lmid根据r确定。
6.根据上述第一方面，r1/r为1.74-2.7，lp/r为0.317-0.451，lfix/r为1.8-1.95，lmid/r为1.4-1.65。
7.根据上述第一方面，所述平坦区还包括第二边缘平坦区，所述第二边缘平坦区位于所述四个开窗区中的每一个的背向所述孔的一侧，所述第二边缘平坦区在平行于所述第二方向中心线y的方向上遍布所述翅片子单元。
8.根据上述第一方面，所述第二边界构成所述四个开窗区中的每一个与所述第二边缘平坦区的分界线，其中，所述第二边界为半径为r2的第二圆弧结构，所述的第二圆弧结构的圆心与所述孔的圆心之间具有一定的间隔。
9.根据上述第一方面，所述第二边界的延长线与所述翅片子单元的边缘有第一交点，所述边缘与所述第一方向中心线x平行；所述第一交点到所述第二方向中心线y的距离为lin；所述第二边界的延长线与所述第一方向中心线x具有第二交点，所述第二交点到所述第二方向中心线y的距离为lout；所述孔具有半径r，其中，r2、lin和lout根据r确定。
10.根据上述第一方面，r2/r为4.6-11.2，lout/r为1.858-2.315，lin/r为1.89-2.2。
11.根据上述第一方面，在每一排所述翅片子单元中，相邻的所述翅片子单元通过所述第二边缘平坦区相连；对于相邻的两排所述翅片子单元而言，其中一排所述翅片子单元与另一排所述翅片子单元大约错开半个翅片子单元。
12.本技术在第二方面的至少一个目的是提供一种换热器。所述换热器包括：
13.数个根据上述第一方面所述的翅片，所述数个翅片并排布置，并且相邻的翅片之间相互间隔一定的距离；以及数个管，所述数个管中的每个管通过每个所述翅片的所述孔贯穿所述述数个翅片延伸。
附图说明
14.图1是根据本技术的翅片管式换热器100的一个实施例的立体图；
15.图2a是根据本技术的翅片190的一个实施例的立体图；
16.图2b是图2a所示的翅片190的翅片子单元210的正面立体图；
17.图2c是图2b所示的翅片子单元210的反面立体图；
18.图2d是翅片子单元210沿着图2b中的a-a线剖切的剖视图；
19.图3是图2c所示的翅片子单元210的一个区域的局部放大图；
20.图4a是流经图2a中的翅片190和现有技术的翅片时空气的流速和分布的效果图；
21.图4b是不同流速下空气流经本技术的翅片190与现有技术的压降的对比图；
22.图4c是不同流速下本技术的翅片190与现有技术的换热效果的对比图。
具体实施方式
23.下面将参考构成本说明书一部分的附图对本技术的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本技术中使用表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等描述本技术的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，基于附图中显示的示例方位而确定的。由于本技术所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。
24.图1是根据本技术的翅片管式换热器100的一个实施例的立体图。如图1所示，翅片管式换热器100包括数个换热管191和数个翅片190。数个翅片190相互平行地并排布置，并且相邻的翅片之间间隔一定的距离，以在其间形成供流体流过的通道。数个换热管191贯通各个翅片190延伸。数个换热管191成对地在其一端通过弯管192连通。换热管191可以用来引导流体(例如冷却剂)流过其中。在一个换热管191中沿一个方向流动的冷却剂经过弯管转向后能够沿相反的方向流动经过另一个换热管191。可以使流体(例如空气)沿着各个翅
片190的表面流过翅片190之间的流体通道，空气由此可以通过翅片190和换热管191与换热管191中的制冷剂进行热交换。
25.换热管191可以具有任何合适的尺寸。换热管191的数量可以是任意的。换热管191可以由具有良好传热性能的任何合适的材料制成。翅片190的数量也可以是任意的。翅片190也可以具有任意合适的尺寸。翅片190可以由铝或者任何具有良好传热性能的合适的金属材料制成。
26.图2a是根据本技术的翅片190的一个实施例的立体图，其示出了一种两排式翅片。如图2a所示，翅片190大体呈平板状。翅片190包括数个翅片子单元210，这数个翅片子单元210是相同的。每个翅片子单元210的中心位置设有一个孔201，孔201的圆心与翅片子单元210的中心点重合。数个翅片子单元210布置成两排，每排中的各个翅片子单元210依次连接。这两排翅片子单元210是错位布置的，以使得两排翅片子单元210中的孔201错位布置，其中一排翅片子单元210中的孔201与另一排中的相邻翅片子单元210的连接处对齐。
27.图2b是图2a所示的翅片190的翅片子单元210的正面立体图，图2c是图2b所示的翅片子单元210的反面立体图，图2d是翅片子单元210沿着图2b中的a-a线剖切的剖视图。如图2b-2d所示，翅片子单元210大体呈长方形。翅片子单元210的中心处的孔201用于供换热管191贯穿通过。孔201的内径与换热管191的外径相匹配，以使得翅片190能够通过孔201大体垂直于换热管191被换热管191支撑。孔201的周围设为安装环206，安装环206在其一端连接至孔201的边缘，在其另一端设有向外弯折的翻边208。孔201的孔壁上设有环状槽207(在图2c中示出)。环状槽207的尺寸与安装环206的翻边208的尺寸相匹配，安装环206的翻边208能够插入环状槽207中，实现相邻的两个翅片190之间的连接。
28.如图2b所示，翅片子单元210具有穿过孔201的圆心的虚拟的第一方向中心线x和第二方向中心线y，第二方向中心线y垂直于第一方向中心线x。翅片子单元210包括平行于第一方向中心线x的前边缘272和后边缘274，以及平行于第二方向中心线y的左边缘273和右边缘275。当在换热器中使用时，空气流经翅片表面的方向是大体上平行于第二方向中心线y的。为方便描述，在图2b中以箭头b表示空气流经翅片表面的方向。
29.第一方向中心线x和第二方向中心线y将翅片子单元210划分成四个相同的矩形的区域242、243、244、245。四个区域242、243、244、245中的每一个分别具有孔201的四分之一分部分，以及一个相应的开窗区202、203、204、205。每个区域242、243、244、245的开窗区距离相应的前边缘272/后边缘274、左边缘273/右边缘275和孔201一定的距离，并且相邻的区域的开窗区之间也相隔一定的距离，因此，每个区域242、243、244、245中不仅具有开窗区，而且具有围绕开窗区的连续的平坦区212，这将在下方详细介绍。
30.四个区域242、243、244、245的开窗区202、203、204、205包括第一开窗区202、第二开窗区203和第三开窗区204和第四开窗区205。这四个开窗区按照如下方式围绕孔201布置：第一开窗区202和第四开窗区205相对于第一方向中心线x(即以第一方向中心线x为中心)镜像布置，第二开窗区203和第三开窗区204相对于第一方向中心线x镜像(即以第一方向中心线x为中心)布置，第一开窗区202和和第二开窗区203相对于第二方向中心线y(即以第二方向中心线y为中心)镜像布置，第三开窗区204和第四开窗区205相对于第二方向中心线y(即以第二方向中心线y为中心)镜像布置。
31.四个开窗区202、203、204、205中的每一个开窗区中开设有数个百叶窗片211。每个
百叶窗片211大致呈长方形，其通过将翅片190的板材料切割成片状，然后将切割开的片状材料翻转成倾斜于翅片190而形成。每个百叶窗片211沿着平行于第一方向中心线x的方向延伸。每个开窗区中的数个百叶窗片211相互间隔开，并在平行于第二方向中心线y的方向上平行于彼此布置。如图2d所示，在第一方向中心线x的两侧的两个开窗区(例如第二开窗区203和第三开窗区204)中的百叶窗片211呈相反的倾斜方向，其中，第二开窗区203中的百叶窗片211相对于空气沿翅片表面的流动方向b成前向角，而第三开窗区204中的百叶窗片211相对于空气沿翅片表面的流动方向b成后向角。
32.如前所述，每个区域242、243、244、245还具有围绕其开窗区的连续的平坦区212。以第四区域245为例，平坦区212包括孔周平坦区251、第一边缘平坦区254、窗间平坦区253和第二边缘平坦区252。孔周平坦区251位于孔201和第四开窗区205之间，第二边缘平坦区252与孔周平坦区251相对，位于第四开窗区205的背向孔201的一侧，并由右边缘275限定。窗间平坦区253位于第四开窗区205面对第一开窗区202的一侧，并由第一方向中心线x限定。第一边缘平坦区254与窗间平坦区253相对，位于第四开窗区205的背向窗间平坦区253的一侧，并由前边缘272限定。孔周平坦区251、第一边缘平坦区254、第二边缘平坦区252和窗间平坦区253连续相接，将第四开窗区205与孔201的边缘以及相邻的各个开窗区隔开。
33.图3为图2c所示的翅片子单元210的一个区域的局部放大图。具体而言，图3以第四区域245为例示出翅片子单元210的一个区域的具体结构。如图3所示，第四区域245由第一方向中心线x、右边缘275、第二方向中心线y以及前边缘272限定。第四区域245中的第四开窗区205由第一边界331、第二边界332、第三边界333以及第四边界334限定。第一边界331和第二边界332位于第四开窗区205的相对两侧，第三边界333和第四边界334位于第四开窗区205的另外的相对两侧。具体而言，第一边界331位于第四开窗区205的面向孔201的一侧，构成孔周平坦区251与第四开窗区205的分界线。第二边界332构成第四开窗区205与第二边缘平坦区252的分界线。第三边界333构成第四开窗区205与第一边缘平坦区254的分界线。第四边界334构成第四开窗区205与窗间平坦区253的分界线。
34.第一边界331为圆弧结构，第一边界331的圆心与孔201的圆心偏离，相距一定距离。第一边界331的半径为r1，换热管191的半径(即孔201的半径)为r，第一边界331的半径与换热管191的半径满足r1/r为1.74-2.7。第一边界331的第一端点335到第一方向中心线x和第二方向中心线y的距离分别为lfix和lp，其与换热管191的半径r分别满足lfix/r为1.8-1.95以及lp/r为0.317-0.451。第一边界331的延长线与第一方向中心线x具有交点336，交点336到第二方向中心线y的距离为lmid，其与换热管191的半径r满足lmid/r为1.4-1.65。
35.第二边界332也为圆弧结构，第二边界332的圆心与孔201的圆心相距一定距离。第二边界332构成第四开窗区205与第二边缘平坦区252的分界线。第二边界332的半径为r2，其与换热管191的半径r满足r2/r为4.6-11.2。第二边界332的延长线与前边缘272具有第一交点337，与第一方向中心线x具有第二交点338，第一交点337和第二交点338到第二方向中心线y的距离分别为lin和lout，其与换热管191的半径r分别满足lout/r为1.858-2.315以及lin/r为1.89-2.2。
36.第三边界333和第四边界334为大致平行于第一方向中心线x的线段，其分别连接第一边界331和第二边界332两侧的端点。第三边界333与第一方向中心线x之间的距离lfix
大于第四边界334与第一方向中心线x之间的距离。
37.基于以上开窗区的边界的各个参数与开窗区所在的区域的各个边缘的关系，通过以下示例性的方法(以第四区域245的第四开窗区205为例说明)可以确定各个开窗区在相应的区域上的位置。
38.(1)建立坐标系：以孔201的圆心建立坐标系，并以翅片子单元210的第一方向中心线x和第二方向中心线y作为坐标系的x轴和y轴。
39.(2)确定第四开窗区205的第一边界331在第四区域245上的位置：根据lp、lfix和limd与换热管191的半径r之间的关系确定第一边界331的第一端点335的坐标，并确定第一边界331与第一方向中心线x的交点336的坐标；根据r1与r的关系确定第一边界331的半径r1；当第一边界331的半径r1、第一边界331的第一端点335的坐标、以及第一边界331与第一方向中心线x的交点336的坐标确定以后，就能够确定第一边界331在第四区域245上的位置。
40.(3)确定第四开窗区205的第二边界332在第四区域245上的位置：根据lin和lout与换热管191的半径r之间的关系确定第二边界332与前边缘272的第一交点337的坐标，并确定第二边界332与第一方向中心线x的第二交点338的坐标；根据r2与r的关系确定第二边界332的半径r2；在第一交点337和第二交点338的坐标以及第二边界332的半径r2确定之后，就能够确定第四开窗区205的第二边界332在第四区域245上的位置。
41.(4)确定第四开窗区205的第三边界333在第四区域245上的位置：第三边界333平行于第一方向中心线x，第一边界331的第一端点335构成第三边界333的一个端点，根据第一端点335到第一方向中心线x的距离lfix能够确定第三边界333在第四区域245上的位置。
42.(5)确定第四开窗区205的第四边界334在第四区域245上的位置：根据百叶窗片211的数目和开窗位置，进而以第三边界333为起点，在第三边界333与第一方向中心线x之间确定出第四边界334在第四区域245上的位置。
43.根据上述示例性的方法确定出第四开窗区205的各个边界的位置之后，可以通过镜像的方式确定第一开窗区202、第二开窗区203和第三开窗区204在翅片子单元210上的位置，由此翅片子单元210上的各个开窗区和平坦区的位置都可以确定了。
44.在换热器中，当空气流经翅片190表面时，翅片上的各个百叶窗片211由于横向于气流的方向延伸，因此会阻挡空气的流动，从而使空气流产生扰动，进而提高换热效果。但与此同时，百叶窗片211的存在也使得空气在换热器中的压降变大。此外，气流在换热管周围也会产生较大的压降。当空气流经翅片的平坦区212时，由于平坦区212不存在阻挡，空气在流经平坦区212时流速较快，空气的压降很小。但是，虽然空气的流速越快也能提高换热效果，其对换热效果的影响却小于各个百叶窗片211因扰动空气流而对换热产生的影响。基于对压降和换热性能的双重考虑，平坦区212与开窗区202、203、204、205的面积平衡设计至关重要。
45.结合图2a可知，在每一排翅片子单元210中，相邻的翅片子单元210通过第二边缘平坦区252相连。对于相邻的两排翅片子单元210而言，第一排翅片子单元210与第二排翅片子单元错开大约半个翅片子单元，使得第一排翅片子单元210的孔周平坦区251对准第二排中相邻的两个翅片子单元210的第二边缘平坦区252。同样，第一排翅片子单元210中相邻的两个翅片子单元210的第二边缘平坦区252对准第二排翅片子单元210中的孔周平坦区251。
由于第二边缘平坦区252在平行于所述第二方向中心线y的方向上遍布翅片子单元210，因此，空气在流经翅片190时，先流经第一排翅片子单元210中的第二边缘平坦区252和孔周平坦区251，然后连续地流经第二排翅片子单元210中孔周平坦区251和第二边缘平坦区252，而不受到开窗区的阻断。值得注意的是，第一边界331的圆弧形结构能够引导空气的流动方向，增加空气在换热管191后部的孔周平坦区251上的流速，进而提高翅片190的换热效果。第一排翅片子单元210的第二边界332的圆弧形结构能够引导空气流入第二排翅片子单元210的孔周平坦区251，减小空气在进入第二排翅片子单元210的孔周平坦区251时的速度损失，进而提高翅片190的换热效果。并且基于翅片子单元210的上述结构设计，空气在流经翅片子单元210时，空气的速度矢量与空气的温度梯度矢量的夹角小于空气流经现有技术的翅片时上述二者的夹角，这对于换热而言是有利的。
46.图4a是流经图2a中的翅片190和现有技术的翅片时空气的流速和分布的效果图。具体地说，图4a示出的是换热管191的直径为12.7mm，空气进入换热器翅片组时的流速为2.5m/s时，空气流经翅片190和现有技术的翅片时的流速和分布效果图。图中的气流状阴影的颜色深度表示了空气流速的大小，颜色越深表示气流越密集，空气流速越大。如图4a所示，翅片190在流经换热管191后的空气流速(即在相邻的两个翅片子单元210的第二边缘平坦区252中的流速)明显大于现有技术相应位置的空气流速，这说明空气在流经翅片190时压降小于现有技术的翅片。
47.图4b是不同流速下空气流经本技术的翅片190与现有技术的压降的对比图。在图4b中，横坐标表示空气进入换热器翅片组时的流速，纵坐标表示压降dp。如图4b所示，在不同流速下，本技术的翅片190的压降dp均小于现有技术的翅片的压降，并且空气流速越大，压降之间的差异越大。
48.图4c是不同流速下本技术的翅片190与现有技术的换热效果的对比图。在图4c中，横坐标表示空气进入换热器翅片组时的流速，纵坐标表示换热效率dq。如图4c所示，在不同流速下，本技术的翅片190的换热效率dq均大于现有技术的翅片的换热效率，并且空气流速越大，换热效率之间的差异越大。
49.值得注意的是，在图2a所示的实施例中，翅片只有两排翅片子单元，但是本领域技术人员应当知道，本技术关于翅片子单元的结构设计可以适用于具有任意排数翅片子单元的翅片。
50.此外，尽管在图2a-3所示的实施例中，第一边界331为圆弧结构，根据本技术，第一边界331还可以是椭圆弧形，或者由一段与孔201的圆心同心的圆弧和另一段与孔201的圆心不同心的圆弧拼接而成。第二边界332也可以是椭圆弧形，甚至是直接将上述第二边界332的两个端点相连的线段。这样的设置相比较现有技术的翅片而言同样能够提高翅片190的换热效果并降低空气的压降。
51.本技术通过上述对翅片子单元中的开窗区的边界位置及形状的设计，合理优化了平坦区212与开窗区202、203、204、205的相对面积，从而在提高翅片换热性能的同时，还能降低气流的压降。这样的布置使得空气在经过第一排翅片190上的换热管191后，在经过第二排中相邻的两个翅片子单元210的第二边缘平坦区252时还能保持较大的流速，有效地减小了空气流经整个翅片190时的压降。此外，翅片190的平坦区212的面积大于现有技术的翅片的平面区，这使得翅片190的结构稳定性比现有技术的翅片的结构稳定性要高，并且大风
速下，翅片190也不会产生噪音。
52.尽管参考附图中出示的具体实施方式将对本技术进行描述，但是应当理解，在不背离本技术教导的精神和范围和背景下，本技术的翅片可以有许多变化形式。本领域技术普通技术人员还将意识到有不同的方式来改变本技术所公开的实施例中的结构细节，均落入本技术和权利要求的精神和范围内。