專利名稱：熱交換器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在第 一流體和第二流體之間進行熱交換的熱交換器及其制造方法。
背景技術(shù)：
這種熱交換器例如具備偏置型翅片的熱交換器，其構(gòu)成為具有多個扁平容器和偏置型翅片，該翅片設(shè)置在形成于該扁平容器內(nèi)的長度方向一端部的流入口和形成于另 一端部的流出口之間。在該扁平容器內(nèi)形成有從一端部的流入口進入、經(jīng)上述翅片之間朝向另一端部、并從流出口流出的流
體的流^各。
上述翅片通過在截面呈梯形的凸條的兩側(cè)壁上從其肩部到底板部按照一定的間隔設(shè)置一對切口并將該部分向內(nèi)側(cè)折曲而形成，呈現(xiàn)所述的偏置
形狀。并且，通常構(gòu)成如下結(jié)構(gòu)將多個上述扁平容器層疊，作為第一流體和第二流體交替地流過形成在各扁平容器內(nèi)的流3各內(nèi)部，從而能夠在兩流體之間進行熱交換(例如參照專利文獻1 )。
專利文獻l:(日本)特開2003 -314985號公報
但是，上述翅片在扁平容器內(nèi)配置成，翅片朝向與在該流路流動的各流體的流向正交或者平行的任一個方向，如果將翅片配置成與流體的流向正交，則由于流體與該翅片碰撞的面積多，所以流體因翅片的作用而容易分散到整個流路，從而能夠使流體在整個流路均勻地流動，但會產(chǎn)生壓力損失顯著增大的問題。
另一方面，如果將翅片配置成平行于流體的流向，則由于流體與翅片碰撞的面積小，所以壓力損失小，但難以使流體分散到整個流路，因而不能使流體在整個流路均勻地流動，導(dǎo)致作為熱交換器的性能顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述現(xiàn)有課題而作出的，其目的在于提供一種能夠在改善流體的不均勻速度分布的同時抑制壓力損失的增大的熱交換器。
本發(fā)明的熱交換器具有第 一 流體的流路和第二流體的流路并使兩流體之間進行熱交換，流路由在一端部具有流體的流入口而在另 一端部具有流體的流出口的扁平容器、以及設(shè)置于該扁平容器內(nèi)的翅片構(gòu)成，該熱交換器的特征在于，具有翅片正交區(qū)域和翅片平行區(qū)域，在該翅片正交區(qū)域中，翅片與從流入口朝向流出口的流體的流動方向正交，在該翅片平行區(qū)域中，翅片與從流入口朝向流出口的流體的流動方向平行。
第二方面發(fā)明的熱交換器，在第一方面發(fā)明中，其特征在于，翅片正交區(qū)域設(shè)置在流入口和流出口側(cè)，翅片平行區(qū)域設(shè)置在各翅片正交區(qū)域之間。
第三方面發(fā)明的熱交換器，在第一方面或第二方面的發(fā)明中，其特征在于，翅片是呈矩形波狀的偏置型翅片。
第四方面發(fā)明的熱交換器，在第一方面-第三方面中任一方面的發(fā)明中，其特征在于，第一流體或者第二流體是二氧化碳。
第五方面發(fā)明的熱交換器的制造方法，制造第一方面 第四方面中任一方面所述的熱交換器，該熱交換器的制造方法的特征在于，相對于流體的流動方向，對與該流體的流動方向正交的面上的該流體的最大流速與最小流速之差進行積分，在增加翅片正交區(qū)域相對于整體的比例時，將積分值的斜度變緩的拐點作為最大值，在大于零而小于等于最大值的范圍內(nèi)設(shè)定翅片正交區(qū)域的比例。
第六方面發(fā)明的熱交換器的制造方法，制造第一方面 第五方面中任一方面所述的熱交換器，該熱交換器的制造方法的特征在于，將扁平容器與翅片分別形成，并將形成的該翅片收納在扁平容器內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，由于熱交換器具有第一流體的流路和第二流體的流路并使兩流體之間進行熱交換，流路由在一端部具有流體的流入口而在另一端部具有流體的流出口的扁平容器、以及設(shè)置于該扁平容器內(nèi)的翅片構(gòu)成，該熱交換器具有翅片正交區(qū)域和翅片平行區(qū)域，在該翅片正交區(qū)域中，翅片與/人流入口朝向流出口的流體的流動方向正交，在該翅片平4亍區(qū)域中，翅片與從流入口朝向流出口的流體的流動方向平行，因此，能夠利用翅片正交區(qū)域使流體分散到整個流路，并且能夠利用翅片平行區(qū)域使流體順暢地流動。由此，能夠利用翅片正交區(qū)域改善不均勻的速度分布，同時利用翅片平行區(qū)域改善壓力損失增大的不良情況。
特別是，如第二方面發(fā)明那樣，通過將翅片正交區(qū)域設(shè)置在流入口和流出口側(cè)，將翅片平行區(qū)域設(shè)置在各翅片正交區(qū)域之間，從而能夠有效改善流入口以及流出口附近的偏流，并有效利用整個流路，因此能夠謀求提高熱交換性能。
進而，如第三方面發(fā)明那樣，如果將翅片設(shè)為呈矩形波狀的偏置型翅片，則由于翅片與扁平容器面接觸，所以能夠提高該熱交換器的耐壓性。由此，如第四方面發(fā)明那樣，至少第一流體或第二流體中的任一個也可使用二氧化碳那樣的高壓流體。
根據(jù)第五方面發(fā)明的熱交換器的制造方法，在第一方面-第四方面中任一方面所迷的熱交換器中，相對于流體的流動方向，對與該流體的流動方向正交的面上的該流體的最大流速與最小流速之差進行積分，在增加翅片正交區(qū)域相對于整體的比例時，將積分值的斜度變緩的拐點作為最大值，在大于零而小于等于最大值的范圍內(nèi)設(shè)定翅片正交區(qū)域的比例，由此能夠改善不均勻的速度分布，并且能夠制造壓力損失小的高性能熱交換器。
另外，如第六方面發(fā)明那樣，若通過將扁平容器與翅片分別形成，并將形成的該翅片收納在扁平容器內(nèi)來制造熱交換器，則可制造如下的熱交換器，即不進行模具的大幅改變，根據(jù)應(yīng)用或使用條件等可自由設(shè)定翅片正交區(qū)域和翅片平行區(qū)域的比例。


圖1是示意性表示本發(fā)明一實施例的熱交換器的結(jié)構(gòu)的立體圖2是構(gòu)成圖1的熱交換器的各單元的一部分的翅片的主要部分立體
圖3是構(gòu)成圖1的熱交換器的各單元的一部分的翅片的主要部分立體
圖4是表示流過圖l的熱交換器的第一流體以及第二流體的流向的說
明圖5是將圖2的翅片配置成與流體的流向平行時的說明圖；圖6是將圖2翅片配置成與流體的流向正交時的說明圖；圖7是表示流過V型單元的流體的速度分布的圖8是表示圖7的流動方向的速度分布的圖9是表示流過H型單元的流體的速度分布的圖IO是表示圖9的流動方向的速度分布的圖11是示意性表示構(gòu)成本發(fā)明的熱交換器的一例的單元的主視圖12A、圖12B是表示流過圖7的V型單元的流體的速度分布與流過 第 一單元的流體的速度分布的圖13是表示流過圖12的第一單元的流體的流動方向的速度分布的圖14A、圖14B是表示流過圖7的V型單元的流體的速度分布和流過 第二單元的流體的速度分布的圖15是表示流過圖14的第二單元的流體的流動方向的速度分布的圖16A、圖16B是表示流過圖7的V型單元的流體的速度分布和流過 第三單元的流體的速度分布的圖17A、圖17B是表示流過圖7的V型單元的流體的速度分布和流過 第四單元的流體的速度分布的圖18A、圖18B是表示流過圖12的第一單元的流體的速度分布和流過 第五單元的流體的速度分布的圖19是表示流過圖18的第五單元的流體的流動方向的速度分布的圖20A、圖20B是表示流過圖14的第二單元的流體的速度分布和流過 第六單元的流體的速度分布的圖21是表示流過圖20的第六單元的流體的流動方向的速度分布的圖22A、圖22B是表示流過圖12的第一單元的流體的速度分布和流過 第七單元的流體的速度分布的圖23是表示流過圖22的第七單元的流體的流動方向的速度分布的圖24A、圖24B是表示流過圖14的第二單元的流體的速度分布和流過 第八單元的流體的速度分布的圖25是表示流過圖24的第八單元的流體的流動方向的速度分布的的壓力損失和流速偏差量的變化的圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及在流體之間進行熱交換的熱交換器，旨在改善將翅片配置 成與流體的流向正交時產(chǎn)生的壓力損失增大的不良情況、以及將翅片配置 成與流體的流向平行時產(chǎn)生的流體偏流。通過設(shè)置翅片與從流入口朝向流 出口的流體的流動方向正交的翅片正交區(qū)域、和翅片與從流入口朝向流出 口的流體的流動方向平行的翅片平行區(qū)域，來實現(xiàn)在改善流體的不均勻速 度分布的同時抑制壓力損失這 一 目的。下面根據(jù)附圖對本發(fā)明的實施方式 進4亍i羊細i兌明。
圖1是示意性表示本發(fā)明一個實施例的熱交換器結(jié)構(gòu)的立體圖。熱交
換器T用作制冷循環(huán)裝置的散熱器或蒸發(fā)器等，例如，在制冷劑(第一流 體)和水(第二流體)之間進行熱交換。該熱交換器T通過下述方式制成 交替層疊并接合單元U1和單元U2，在一端的單元U1上安裝罩板(未圖示)， 在兩端的單元U1、 U2安裝接頭。
單元Ul、 U2由一面(上面)開口并且具有從底面周緣向鉛直方向立 起的周壁部3的扁平容器1以及扁平容器2、和收納在兩扁平容器1、 2內(nèi) 的多張翅片5等構(gòu)成。本實施例的扁平容器l、 2以及翅片5以不銹鋼作為 原材料，通過對不銹鋼的板材進行加工而形成。
在上述扁平容器1、 2的長度方向的一端部形成有沿鉛直方向貫通的兩 個孔6、 7，在另一端部同樣形成有孔8、 9。形成在一端部的孔6、 7和形 成在另一端部的孔8、 9，形成在相對于扁平容器l、 2的長度方向的中心部 而對稱的位置上。另外，在扁平容器1的兩端部配置有引導(dǎo)板10。在該引 導(dǎo)板IO上形成有圓孔12和U字狀切入孔13。該引導(dǎo)板10的圓孔12形成 在與扁平容器l的孔6或者孔8大致對應(yīng)的位置上，切入孔13形成在與扁 平容器1的孔7或者孔9大致對應(yīng)的位置上。
同樣地，在扁平容器2的兩端部配置有引導(dǎo)板11，該引導(dǎo)板ll上也形 成有圓孔12和U字狀切入孔13。該引導(dǎo)板11的圓孔12形成在與扁平容器 2的孔7或者孔9大致對應(yīng)的位置上，切入孔13形成在與扁平容器2的孔 6或者孔8大致對應(yīng)的位置上。即，在引導(dǎo)板IO和引導(dǎo)板11，圓孔12和切 入孔13形成在相反側(cè)。
兩引導(dǎo)板IO、 11是用于將流體向各容器1、 2內(nèi)引導(dǎo)的引導(dǎo)部件，具 有與后述翅片5大致相同的厚度。
并且，引導(dǎo)板10的圓孑L 12與形成在扁平容器1的孔6或者孔8連通，彼此連通的孔6和圓孔12、以及孔8和圓孔12，在后述的單元U1、 U2的 層疊狀態(tài)下，用于形成將兩個單元U1、 U2連接的通路和將通路連接的流體通道。
同樣地，引導(dǎo)4反11的圓孔12與形成在扁平容器2的孔7或者孔9連 通，彼此連通的孔7和圓孑L 12、以及孑L9和圓孑Ll2，在后述的單元U1、 U2的層疊狀態(tài)下，用于形成將兩個單元U1、 U2連接的通路和將通路連接 的流體通道(未圖示)。
另外，引導(dǎo)板10的切入孔13與形成在扁平容器1的孔7或者孔9連 通，在兩單元U1、 U2的層疊狀態(tài)下，彼此連通的孔7和切入孔13形成通 向流體通路4的流入口 15，孔9和切入孔13用于形成通向流體通路4的流 出口 16。
同樣地，引導(dǎo)板11的切入孔13與形成在扁平容器2的孔6或者孔8 連通，在兩單元U1、 U2的層疊狀態(tài)下，彼此連通的孔6和切入孔13形成 通向流體通路4的流入口 15，孔8和切入孔13用于形成通向流體通路4的 流出口 16。
另一方面，上述翅片5的相對的一組邊以與扁平容器1、 2的周壁部3 的高度尺寸大致相同的尺寸構(gòu)成，而且，相對的另一組邊以與扁平容器1、 2內(nèi)的寬度(內(nèi)寬)大致相同的尺寸構(gòu)成，在收納于扁平容器1內(nèi)的狀態(tài)下， 上述翅片5依次收納到配置在扁平容器1、 2內(nèi)的兩端部的引導(dǎo)板10、 11 之間，使得翅片5的上述一組邊中的一個抵接在扁平容器1、 2的底部，另 一個位于上面，上述另一組邊抵接在周壁部3上。即，在一個扁平容器l、 2內(nèi)，在一端部的引導(dǎo)板IO、 11到另一端部的引導(dǎo)板10、 ll之間依次收納 多個翅片5,與周壁部3抵接的邊利用焊料與該周壁部3接合。
各翅片5如圖2至圖3所示呈下述形狀在圖中截面呈梯形的凸條5T 的兩側(cè)壁5a，從其肩部到底板部5b以規(guī)定間隔設(shè)置一對切口 ，將該部分向 內(nèi)側(cè)彎曲，該凸條5T呈偏置形狀。即，該翅片5是呈大致矩形波狀的偏置 型翅片。這樣，通過將翅片5形成為矩形波狀，在如前所述將單元U1和單 元U2交替層疊并接合時，各翅片5...與扁平容器1、 2面接觸。通過構(gòu)成為 如上所述將翅片5形成為矩形波狀并使翅片5與扁平容器1、 2面接觸，從 而能夠提高該熱交換器T的耐壓性。由于這種耐壓性的提高，還能夠在該 熱交換器T內(nèi)流過二氧化碳那樣的高壓流體。另外，在圖3中，附圖標(biāo)記4表示流體的流路。
并且，上述單元U1和單元U2在未圖示的框體內(nèi)交替層疊，將鄰接的
各單元U1和U2的抵接面用焊料接合，從而構(gòu)成熱交換器T。另外，如圖 1所示，各單元U1隔著單元U2層疊，使得流入口 15和流出口 16位于相 反側(cè)。同樣，各單元U2也隔著單元Ul層疊，使得流入口 15和流出口 16 位于相反側(cè)。由此，如圖4所示，在熱交換器T內(nèi)，第一流體蜿蜒地在各 單元U1流動，第二流體蜿蜒地在各單元U2流動(例如，圖4的白箭頭表 示第一流體的流向，而圖4中的黑箭頭表示第二流體的流向)。并且，通過 交替層疊單元Ul和單元U2,如圖4所示，第一流體和第二流體交替且相 向地在鄰接的各單元U1、 U2內(nèi)流動，從而能夠在兩流體之間有效地進行熱 交換。
但是，收納在各單元U1、 U2的扁平容器l、 2內(nèi)的多個翅片5以往是 由下述兩種單元中的某一種構(gòu)成如圖5所示那樣配置成與從流入口 15朝 向流出口 16的流體的流動方向平行的單元(以下稱為V型單元)，和如圖 6所示那樣配置成與;^流入口 15朝向流出口 16的流體的流動方向正交的單 元(以下稱為H型單元)。通過將翅片5如上述那樣層疊而構(gòu)成熱交換器。
在此，將由V型單元構(gòu)成單元Ul、 U2時在各單元Ul、 U2流動的各 流體的速度分布表示在圖7和圖8中。另外，將在熱交換器流動的流體的 流量設(shè)為2L/min。在圖8中，縱軸表示流體的流速，，境軸表示各單元U1、 U2的寬度方向距離(即，圖8所示的各單元U1、 U2的一端l到另一端2 的長度尺寸)。并且，各單元U1、 U2的Def表示與在單元Ul、 U2流動的 流體的流動方向正交的面上的流體最大流速Umax與最小流速Umin之差， 如果相對于流體的流動方向?qū)υ摬钸M行積分，則能夠算出流體的流速偏差 量。即，該速度偏差量越大，則流路4中流體流(流體O流;tX )越不均勻， 越會產(chǎn)生偏流。從圖7、圖8可知，流過流路4的流體的流速在流入口 15 以及流出口 16附近最快，流體流集中在以大致直線連接該流入口 15和流 出口 16的流路4中，在其周圍，流體的流速降低。特別是，可知在單元 U1、U2的流入口 15的相反側(cè)的位置、以及流出口 16的相反側(cè)的位置，即， 在圖7中的下端的左側(cè)附近和上端的右側(cè)附近，產(chǎn)生流體幾乎不流動的死 水區(qū)域。
由此可知，在V型單元中，各流路4中的流體的流速不均勻，會產(chǎn)生偏流，流體的速度偏差量增大。另外，在由該V型單元構(gòu)成的熱交換器中，
熱交換器的入口側(cè)和出口側(cè)的流體壓力差為2555Pa。
另一方面，將由H型單元構(gòu)成單元U1、 U2時流過該單元U1、 U2的 流體的速度分布表示在圖9和圖10中。在熱交換器流動的流體的流量與上 述情況同樣地設(shè)為2L/min。從圖9和圖IO可知，流體在整個流路中大致均 勻地流動。由此可知，在H型單元中，流體分散到整個流路4,并大致均 勻地流動。但是，在該H型單元的情況下，由于翅片5配置成與流體的流 動方向正交，所以由該H型單元構(gòu)成的熱交換器的入口側(cè)和出口側(cè)的流體 壓力差為22159Pa,壓力損失顯著增大。
鑒于此，為了解決上述流體的偏流和壓力損失的問題，本發(fā)明的熱交 換器T構(gòu)成為具備翅片5與從流入口 15朝向流出口 16的流體的流動方向 正交的翅片正交區(qū)域H、和翅片5與從流入口 15朝向流出口 16的流體的流 動方向平行的翅片平行區(qū)域V。
在此，對上述翅片正交區(qū)域H與翅片平行區(qū)域V的配置方法進行具體 研究。首先，對下述情況進行研究如圖11所示那樣將翅片正交區(qū)域H配 置在流入口 15和流出口 16側(cè)，在各翅片正交區(qū)域H之間配置翅片平行區(qū) 域V。
將各單元U1、 U2配置成在翅片正交區(qū)域H之間具備翅片平行區(qū)域V 的情況下流過該單元U1、 U2的流體的速度分布表示在圖12和圖13中。這 種情況下，將流入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例設(shè)為 3.5%,將流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例設(shè)為3.5 o/o,將流入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H與流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域H之 間設(shè)置的翅片平行區(qū)域V的比例設(shè)為93% (以后，將由該比例構(gòu)成的單元 Ul、 U2稱作第一單元)。并且，將在由該第一單元U1、 U2構(gòu)成的熱交換 器中流動的流體的流量設(shè)為2L/min。在圖12中，(A)表示第一單元U1、 U2的速度分布結(jié)果。(B)表示前述V型單元的速度分布結(jié)果(與圖7相同)， 為了與(A)進行比較而布置在同一張圖上。
從圖12和圖13可知，在構(gòu)成為具備第一單元Ul、 U2的情況下，各 流路4中的流體的速度偏差量小，與V型單元相比，流體在整個流路4中 流動。另外，熱交換器的入口側(cè)和出口側(cè)的流體壓力差為5729Pa。因此， 可知與由H型單元構(gòu)成的熱交換器相比，能夠顯著抑制壓力損失。接著，基于上述第一單元U1、 U2改變翅片正交區(qū)域H和翅片平行區(qū) 域V的比例而構(gòu)成各單元U1、 U2，在由該單元U1、 U2構(gòu)成的熱交換器中 流過流體，對流場(流tl場)進行調(diào)查。首先，將流入口 15側(cè)的翅片正交 區(qū)域H相對于所有翅片5的比例設(shè)為6.9%,將流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū) 域H的比例設(shè)為6.9% ,將流入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H與流出口 16側(cè)的 翅片正交區(qū)域H之間設(shè)置的翅片平行區(qū)域V的比例設(shè)為86.2% (以后將由 這種比例構(gòu)成的單元U1、 U2稱作第二單元)。在這種情況下，將流過該第 二單元U1、 U2的流體的速度分布表示在圖14 (A)和圖15中。在圖14 中，(B)是前述V型單元的速度分布結(jié)果(與圖7以及圖12 (B)相同)， 為了與(A)進行比較而布置在同一圖上。在由第二單元U1、 U2構(gòu)成的熱 交換器中流動的流體的流量與上述情況同樣設(shè)為2L/min。
從圖14和圖15可知，在由第二單元構(gòu)成的情況下，流體在整個流路4 中流動，與V型單元相比，流體在整個流路4中流動。而且可知，翅片正 交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例比第一單元U1、 U2高，相應(yīng)地，與該 第一單元U1、 U2相比，各流路4中的流體的偏流減少。另外，熱交換器的 入口側(cè)和出口側(cè)的流體壓力差為7254Pa。由此可知，這種情況下由于翅片 正交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例比第一單元U1、 U2高，所以壓力損 失比使用第一單元U1、 U2的情況大，但是與由H型單元構(gòu)成的熱交換器 相比，仍能大幅抑制壓力損失。
另外，圖16 (A)是表示使用如下設(shè)置的單元Ul、 U2時流體的速度 分布的圖將流入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例"&為 10.4%，將流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域H的比例設(shè)為10.4%，將設(shè)置在流 入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H和流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域H之間的翅片 平行區(qū)域V的比例設(shè)為79.2% (以后將由該比例構(gòu)成的單元Ul 、 U2稱作第 三單元)。圖17 (A)是表示使用如下設(shè)置的單元U1、 U2時流體的速度分 布的圖將流入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例設(shè)為 13.8%,將流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域H的比例設(shè)為13.8%,將設(shè)置在流 入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H和流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域H之間的翅片 平行區(qū)域V的比例設(shè)為72.4%(以后將由這種比例構(gòu)成的單元U1、 U2稱作 第四單元)。另外，在由第三以及第四單元U1、 U2構(gòu)成的熱交換器中流動 的流體的流量與上述情況同樣設(shè)為2L/min。在圖16和圖17中，(B)是與前述情況同樣的V型單元的速度分布結(jié)果。
如圖16或者圖17所示，即便在由第三單元或者第四單元構(gòu)成的情況 下，與V型單元相比，也能夠使流體流到整個流路4。另外，在使用第三 單元的情況下，熱交換器的入口側(cè)和出口側(cè)的流體壓力差為7945Pa，在使 用第四單元的情況下，流體壓力差為9398Pa，由此可知，與上述情況同樣 地，與由H型單元構(gòu)成的熱交換器相比，能夠抑制壓力損失。但是也發(fā)現(xiàn)， 與使用由第 一單元U1 、 U2構(gòu)成的熱交換器的情況相比，壓力損失顯著增大。
接著，對將翅片正交區(qū)域H配置在流入口 15側(cè)，將翅片平行區(qū)域V 配置在流出口 16側(cè)的情況進行研究。首先，由如下單元構(gòu)成熱交換器，該 單元為將配置在流入口 15側(cè)的翅片正交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例設(shè) 為6.9%，將配置在流出口 16側(cè)的翅片平行區(qū)域V的比例設(shè)為93.1%的單元 (以后稱作第五單元)，對流場進行調(diào)查。這種情況下將流過該第五單元 Ul、 U2的流體的速度分布表示在圖18 (A)和圖19中。在圖18中，(B) 表示由與第五單元大致相同比例的翅片正交區(qū)域H和翅片平行區(qū)域構(gòu)成的 第一單元U1、 U2的速度分布結(jié)果(與圖12 (A)相同)，為了與圖18 (A) 進行比較而布置在同一圖上。這種情況下，在由第五單元U1、 U2構(gòu)成的熱 交換器中流動的流體的流量與上述情況同樣設(shè)為2L/min。
如圖18和圖19所示可知，在由第五單元構(gòu)成的情況下，在流入口 15 側(cè)，流體的偏流少，在其附近，流體向流路4的寬度方向(圖18的橫向) 分散，均勻地流動，但在流出口 16側(cè)，流體流集中在該流出口 16附近， 越往其周圍，流體的流速越低。即，可知在流出口 16側(cè)，流體的流速不均 勻，產(chǎn)生偏流。另外，由第五單元構(gòu)成的熱交換器中的入口側(cè)和出口側(cè)的 流體壓力差為4554Pa。
由此可知，在第五單元中，能夠抑制壓力損失，但各流路4中的流體 的流速不均勻，產(chǎn)生偏流，流體的速度偏差量變大。而且可知，與使用該 第五單元的情況相比，使用圖18 (B)所示的第一單元更能使得各流路4 中的流體的流速均勻，能改善不均勻的速度分布。
下面，基于第五單元U1、 U2改變翅片正交區(qū)域H與翅片平行區(qū)域V 的比例而構(gòu)成各單元U1、 U2,在由該單元U1、 U2構(gòu)成的熱交換器中流過 流體，對流場進行調(diào)查。這種情況下，將配置在流入口 15側(cè)的翅片正交區(qū) 域H相對于所有翅片5的比例設(shè)為13.8%，將配置在流出口 16側(cè)的翅片平行區(qū)域V的比例設(shè)為86.2% (以后稱作第六單元)。這種情況下將流過該第 六單元的流體的速度分布表示在圖20 (A)和圖21中。在圖20中，(B) 表示由與第六單元大致相同比例的翅片正交區(qū)域H和翅片平行區(qū)域構(gòu)成的 第二單元U1、 U2的速度分布結(jié)果(與圖14 (A)相同)，為了與圖18 (A) 進行比較而布置在同一圖上。這種情況下，在由第六單元U1、 U2構(gòu)成的熱 交換器中流動的流體的流量與上述情況同樣設(shè)為2L/min。
如圖20和圖21所示，可知在由第六單元構(gòu)成的情況下，與由上述第 五單元構(gòu)成的情況同樣地，在流入口 15側(cè)，流體的偏流少，流體向流路4 的寬度方向(圖21的橫向)分散，并均勻地流動。另外，在流出口 16側(cè)， 與由上述第五單元構(gòu)成的情況同樣地，流體流集中在流出口 16附近，越往 其周圍，流體的流速越低。即，可知在流出口16側(cè)，流體的流速不均勻， 產(chǎn)生偏流。另外，由第六單元構(gòu)成的熱交換器中的入口側(cè)和出口側(cè)的流體 壓力差為5706Pa。
從以上說明可知，在將翅片正交區(qū)域H配置在流入口 15側(cè)，將翅片平 行區(qū)域V配置在流出口 16側(cè)的情況下，與由V型單元構(gòu)成的熱交換器相比， 能夠改善流體的不均勻速度分布，而且，與由H型單元構(gòu)成的熱交換器相 比，能夠抑制壓力損失。但是，流出口 16側(cè)的偏流幾乎沒有改善，即使增 減翅片正交區(qū)域H的比例，4艮明顯也不能改善流入口 15側(cè)的偏流。
下面，對將翅片平行區(qū)域V配置在流入口 15側(cè)，將翅片正交區(qū)域H 配置在流出口 16側(cè)的情況進行研究。首先，由如下單元構(gòu)成熱交換器，該 單元將配置在流入口 15側(cè)的翅片平行區(qū)域V相對于所有翅片5的比例設(shè)為 91.3%,將配置在流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域H的比例設(shè)為6.9% (以后稱 作第七單元)，對流場進行調(diào)查。這種情況下將流過該第七單元U1、 U2的 流體的速度分布表示在圖22 (A)和圖23中。在圖22中，(B)表示由與 第七單元大致相同比例的翅片正交區(qū)域H和翅片平行區(qū)域構(gòu)成的第一單元 Ul、 U2的速度分布結(jié)果(與圖12 (A)相同)，為了與圖22 (A)進行比 較而布置在同一圖上。這種情況下，在由第七單元U1、 U2構(gòu)成的熱交換器 中流動的流體的流量與上述情況同樣地設(shè)為2L/min。
如圖22和圖23所示可知，在由第七單元構(gòu)成的情況下，在流出口 16 側(cè)，流體的偏流少，在其附近，流體向流路4的寬度方向(圖22的橫向) 分散，均勻地流動，但在流入口 15側(cè)，流體流集中在該流入口 15附近，越往其周圍，流體的流速越低。即，可知在流入口 15側(cè)，流體的流速不均 勻，產(chǎn)生偏流。另外，由第七單元構(gòu)成的熱交換器中的入口側(cè)和出口側(cè)的
流體壓力差為5219Pa。
由此可知，在第七單元中，能夠抑制壓力損失，但各流路4中流體的 流速不均勻，產(chǎn)生偏流，因此，很明顯，使用圖22 (B)所示的第一單元能 改善不均勻的速度分布。
下面，基于第七單元U1、 U2改變翅片正交區(qū)域H與翅片平行區(qū)域V 的比例而構(gòu)成各單元，并在由該單元U1、 U2構(gòu)成的熱交換器中流過流體， 對流場進行調(diào)查。這種情況下，將配置在流入口 15側(cè)的翅片平行區(qū)域V相 對于所有翅片5的比例設(shè)為86.2%，將配置在流出口 16側(cè)的翅片正交區(qū)域 H的比例設(shè)為13.8% (以后稱作第八單元)。這種情況下將流過該第八單元 的流體的速度分布表示在圖24 (A)和圖25中。在圖24中，(B)表示由 與第八單元大致相同比例的翅片正交區(qū)域H和翅片平行區(qū)域構(gòu)成的第二單 元U1、 U2的速度分布結(jié)果(與圖14 (A)相同)，為了與圖24 (A)進行 比較而布置在同一圖上。這種情況下，在由第八單元U1、 U2構(gòu)成的熱交換 器中流動的流體的流量與上述情況同樣地設(shè)為2L/min。
如圖24和圖25所示可知，在由第八單元構(gòu)成的情況下，在流出口 16 側(cè)，與由上述第七單元構(gòu)成的情況同樣地，流體的偏流少，流體向流路4 的寬度方向(圖24的橫向)分散，均勻地流動。另外，在流入口 15側(cè)， 與由上述第七單元構(gòu)成的情況同樣地，流體流集中在流入口 15附近，越往 其周圍，流體的流速越低。即，可知在流入口15側(cè)，流體的流速不均勻， 產(chǎn)生偏流。而且，該流入口15附近的偏流，與上述第七單元的情況相比幾 乎沒有變化。另外，由第八單元構(gòu)成的熱交換器中的入口側(cè)和出口側(cè)的流 體壓力差為6166Pa。
從使用上述第七以及第八單元的結(jié)果可知，在將翅片平行區(qū)域V配置 在流入口 15側(cè)而將翅片正交區(qū)域H配置在流出口 16側(cè)的情況下，與由V 型單元構(gòu)成的熱交換器相比，能夠改善流體的不均勻速度分布，而且，與 由H型單元構(gòu)成的熱交換器相比，能夠抑制壓力損失。但是，流出口 16側(cè) 的偏流幾乎沒有改善，即便增減翅片正交區(qū)域H的比例，很明顯流出口16 側(cè)的偏流也幾乎不能得到改善。
在此，圖26是對上面詳細描述的結(jié)果進行匯總的圖，縱軸的主軸表示壓力損失，第二軸表示流動方向的各截面中的速度偏差量，橫軸表示翅片
正交區(qū)域H相對于所有翅片5的比例。即，橫軸的0%表示用所有翅片5 都由翅片平行區(qū)域V構(gòu)成的單元構(gòu)成的熱交換器(即用V型單元構(gòu)成熱交 換器的情況)，100%表示用所有翅片5都由翅片正交區(qū)域H構(gòu)成的單元構(gòu) 成的熱交換器(即用H型單元構(gòu)成熱交換器的情況)。
在圖26中，P1表示由在流入口 15和流出口 16側(cè)配置翅片正交區(qū)域H、 在各翅片正交區(qū)域H之間配置翅片平行區(qū)域V的單元構(gòu)成的熱交換器中， 改變翅片正交區(qū)域H的比例時的壓力損失，P2表示由在流入口 15配置翅 片平行區(qū)域V、在流出口 16配置翅片正交區(qū)域H的單元構(gòu)成的熱交換器中， 改變翅片正交區(qū)域H的比例時的壓力損失。
另外，Dl表示由在流入口 15和流出口 16側(cè)配置翅片正交區(qū)域H、在 各翅片正交區(qū)域H之間配置翅片平行區(qū)域V的單元構(gòu)成的熱交換器中，改 變翅片正交區(qū)域H的比例時的速度偏差量，由D2的虛線表示的區(qū)域表示由 在流入口 15配置翅片正交區(qū)域H、在流出口 16配置翅片平行區(qū)域V的單 元構(gòu)成的熱交換器中，改變翅片正交區(qū)域H的比例時的速度偏差量。
從圖26可知，隨著翅片正交區(qū)域H的增加，各熱交換器的壓力損失增 大，其變化的比例大致成比例。另一方面，可知各熱交換器中的流體的流 速偏差量(相對于該流體的流動方向，對與上述流體的流動方向正交的面 上的該流體的最大流速與最小流速之差進行積分的積分值)，隨著翅片正交 區(qū)域H的增加而減小，但該值存在斜度變緩的拐點。具體而言，如果使用 由將翅片正交區(qū)域H配置在流入口和流出口側(cè)、在各翅片正交區(qū)域H之間 配置翅片平行區(qū)域V的單元構(gòu)成的熱交換器的結(jié)果(Dl)進行說明，則從 翅片正交區(qū)域H的比例變?yōu)榱愕闹?00。/Q開始增加翅片正交區(qū)域H的比例 時，流速偏差量急劇減小，從翅片正交區(qū)域H的比例超過10。/。的附近(約 15%)開始，斜度變緩，如果比率超過30%,則流速偏差量大致恒定，約 為10%。
即，很明顯，即便使翅片正交區(qū)域H的比例高于30。/。，也幾乎看不到 流體的速度偏差量變化。另外，在使用由將翅片正交區(qū)域H配置在流入口 15、將翅片平行區(qū)域V配置在流出口 16的單元構(gòu)成的熱交換器時也同樣地， 如果增加翅片正交區(qū)域H的比例，則存在斜度變緩的拐點(如圖26所示那 樣在翅片正交區(qū)域H的比例為28%附近)。因此，將熱交換器T的翅片正
15交區(qū)域H的比例設(shè)為大于零而小于等于作為拐點的28%，是能夠在抑制壓 力損失的同時改善不均勻的速度分布的最佳范圍。通過設(shè)定翅片正交區(qū)域H 相對于所有翅片5的比例以便達到這樣的最佳范圍，來制造熱交換器T,從 而能夠制造高性能的熱交換器。
總的來說，通過使熱交換器T構(gòu)成為具有翅片正交區(qū)域H和翅片平行 區(qū)域V,能夠在改善不均勻的速度分布的同時，抑制壓力損失。特別是， 通過將翅片正交區(qū)域H設(shè)置在流入口 15和流出口 16側(cè)，在各翅片正交區(qū) 域H之間設(shè)置翅片平行區(qū)域V，從而能夠最為有效地改善流體的偏流，能 有效利用整個流路4。由此，能夠謀求提高熱交換器T的熱交換性能。
另外，在制造熱交換器T的情況下，如下設(shè)定翅片正交區(qū)域H和翅片 平行區(qū)域V的比例相對于該流體的流動方向，對與流體的流動方向正交 的面上的該流體的最大流速與最小流速之差進行積分，在增加翅片正交區(qū) 域H相對于整體的比例時，將積分值的斜度變緩時的拐點作為最大值，設(shè) 定各翅片正交區(qū)域H的比例，使得翅片正交區(qū)域H的比例處在大于零而小 于等于最大值的范圍內(nèi)。此時，扁平容器l、 2和各翅片5預(yù)先分別形成， 再將翅片5收納到扁平容器1、 2內(nèi)，使得翅片正交區(qū)域H和翅片平行區(qū)域 V的比例達到設(shè)定的比例。
這樣，如下設(shè)定翅片正交區(qū)域H和翅片平行區(qū)域V的比例相對于該 流體的流動方向，對與流體的流動方向正交的面上的該流體的最大流速與 最小流速之差進行積分，在增加翅片正交區(qū)域H相對于整體的比例時，將 積分值的斜度變緩時的拐點作為最大值，設(shè)定各翅片正交區(qū)域H的比例， 使得翅片正交區(qū)域H的比例處在大于零而小于等于最大值的范圍內(nèi)，由此 能制造一種可改善不均勻的速度分布且壓力損失小的高性能的熱交換器。
特別是，本發(fā)明的熱交換器通過分別形成扁平容器1、 2和翅片5并將 翅片5收納到扁平容器1、 2的引導(dǎo)板10、 11之間而構(gòu)成，因此可以根據(jù) 應(yīng)用或使用用途等來方便地自由選擇收納到引導(dǎo)板10、 11中的翅片5...的 種類或形狀。
以往的熱交換器中，引導(dǎo)部件和翅片一體形成。這種情況下，由于引 導(dǎo)部件和翅片的形狀為由模具預(yù)先確定的形狀，因而不能根據(jù)使用用途改 變成最合適的形狀。而且，在引導(dǎo)部件由薄的分隔板形成，通過將一體形 成有該引導(dǎo)部件和翅片的扁平容器層疊而構(gòu)成單元的情況下，因該形狀而使引導(dǎo)部件的強度降低，故難以實現(xiàn)高耐壓。
但是，根據(jù)上面詳述的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)高耐壓，而且能夠根 據(jù)應(yīng)用或使用條件等自由設(shè)定翅片正交區(qū)域和翅片平行區(qū)域的比例或形 狀。由此，還能期待提高熱交換器的通用性。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，具有第一流體的流路和第二流體的流路并使兩流體之間進行熱交換，所述流路由在一端部具有流體的流入口而在另一端部具有流體的流出口的扁平容器、以及設(shè)置于該扁平容器內(nèi)的翅片構(gòu)成，該熱交換器的特征在于，具有翅片正交區(qū)域和翅片平行區(qū)域，在該翅片正交區(qū)域中，所述翅片與從所述流入口朝向流出口的流體的流動方向正交，在該翅片平行區(qū)域中，所述翅片與從所述流入口朝向流出口的流體的流動方向平行。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所述翅片正交區(qū)域設(shè) 置在所述流入口和流出口側(cè)，所述翅片平行區(qū)域設(shè)置在各翅片正交區(qū)域之間。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于，所述翅片是呈矩 形波狀的偏置型翅片。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項所述的熱交換器，其特征在于，所述第 一流體或者第二流體是二氧化碳。
5. —種熱交換器的制造方法，制造如權(quán)利要求1至4中任一項所述的 熱交換器，該熱交換器的制造方法的特征在于，相對于該流體的流動方向，對與所述流體的流動方向正交的面上的該 流體的最大流速與最小流速之差進行積分，在增加所述翅片正交區(qū)域相對 于整體的比例時，將所述積分值的斜度變緩的拐點作為最大值，在大于零 而小于等于所述最大值的范圍內(nèi)設(shè)定所述翅片正交區(qū)域的比例。
6. —種熱交換器的制造方法，制造如權(quán)利要求1至5中任一項所述的 熱交換器，該熱交換器的制造方法的特征在于，分別形成所述扁平容器與 所述翅片，將形成的該翅片收納在所述扁平容器內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠在改善流體的不均勻速度分布的同時抑制壓力損失的增大的熱交換器。在本發(fā)明的熱交換器(T)中，流路(4)由扁平容器(1、2)和設(shè)置在扁平容器(1、2)內(nèi)的偏置型翅片(5)構(gòu)成，該扁平容器在一端部具有的流體的流入口(15)而在另一端部具有流體的流出口(16)。該熱交換器構(gòu)成為具有翅片正交區(qū)域(H)和翅片平行區(qū)域(V)，在該翅片正交區(qū)域中，翅片(5)與從流入口(15)朝向流出口(16)的流體的流動方向正交，在該翅片平行區(qū)域中，翅片(5)與從流入口(15)朝向流出口(16)的流體的流動方向平行。翅片正交區(qū)域(H)設(shè)置在流入口(15)和流出口(16)側(cè)，翅片平行區(qū)域(V)設(shè)置在各翅片正交區(qū)域(H)之間。
文檔編號F28F1/40GK101517347SQ20078003504
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者友近一善, 向山洋, 松康太郎, 澤田范雄 申請人:三洋電機株式會社;東京焊接株式會社