專利名稱：熱交換管及使用該熱交換管的方法
熱交換管及使用該熱交換管的方法相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2011年I月13日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/432，282，該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過引用結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
管狀結(jié)構(gòu)(或“管”)可用于將流體輸送通過熱交換器、同時(shí)將熱能(熱量)傳遞到通過管的外表面的另一種流體或從該另一種流體傳遞熱能，從而在維持兩種流體的物理分離的情況下實(shí)現(xiàn)熱傳遞。以示例的方式，發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)在工業(yè)蒸汽發(fā)電或工藝流體熱交換、自動(dòng)熱交換組件以及空間加熱和冷卻和其他熱交換應(yīng)用中具有特殊的實(shí)用性。管本身的幾何形狀隨著應(yīng)用的不同而變化，并且包括圓筒形、橢圓形、長(zhǎng)方形以及對(duì)于給定的使用情況所需要的其他形狀。在很多情況下，需要提高流動(dòng)通過管和管的內(nèi)壁表面的流體之間的傳熱率，從而減小熱交換設(shè)備的總體所需尺寸。這樣的提高可通過結(jié)合在流體流動(dòng)通過管時(shí)擾亂流體的特征、從而消除或減少流體邊界層在內(nèi)壁表面上的形成來實(shí)現(xiàn)。已知由于熱能的傳遞需要通過流體的與管壁相鄰的相對(duì)緩慢移動(dòng)層來傳導(dǎo)、因此流體邊界層抑制大體積流體與管壁之間的有效熱傳遞。雖然在本領(lǐng)域中已知擾亂流動(dòng)的很多方法，但在某些領(lǐng)域中(例如汽車散熱器) 通常使用的一種方法是設(shè)置從管壁延伸到流動(dòng)體積中的突起。這些突起妨礙流體邊界層的形成并且促成流體流中的紊流，以提高傳熱率。這類突起通常稱作“凹痕”，并且這樣的管稱為“凹痕”管。作為通常不良的副作用，由這種突起產(chǎn)生的紊流也傾向于導(dǎo)致使流體移動(dòng)通過管所需的抽運(yùn)功率增大。這使得一方面提高熱傳遞性能的優(yōu)勢(shì)與另一更面增大壓降的缺點(diǎn)之間的權(quán)衡成為必要。熱交換器設(shè)計(jì)者試圖優(yōu)化該權(quán)衡已經(jīng)產(chǎn)生了新的凹痕幾何形狀和樣式的不斷發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的某些實(shí)施例提供了一種將流體輸送通過熱交換器的管。所述管包括兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面，其沿著管的縱向方向從管的第一端延伸到管的第二端，以至少部分地限定兩者之間的流動(dòng)體積。管包括第一多個(gè)突起，其位于第一端和第二端之間并且從兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面中的一個(gè)延伸到流動(dòng)體積中。突起沿著縱向方向?qū)R并且在第一多個(gè)突起的相鄰?fù)黄鹬g具有沿縱向方向的第一中心到中心間距。管還包括第二多個(gè)突起，其位于第一多個(gè)突起與第二端之間并且從一個(gè)寬闊且基本平坦的側(cè)面延伸到流動(dòng)體積中。第二多個(gè)突起沿著縱向方向與第一多個(gè)突起對(duì)齊并且在第二多個(gè)突起的相鄰?fù)黄鹬g具有沿縱向方向的第二中心到中心間距。最遠(yuǎn)離第一端的第一多個(gè)突起的一個(gè)突起與最靠近第一端的第二多個(gè)突起的一個(gè)突起之間、沿縱向方向的中心到中心間距是第一中心到中心間距的至少2. 5倍，并且第一多個(gè)突起的所述一個(gè)突起與第二多個(gè)突起的所述一個(gè)突起通過一個(gè)寬闊且基本平坦的側(cè)面的基本沒有突起的部分分開。在某些實(shí)施例中，最遠(yuǎn)離第一端的第一多個(gè)突起的所述一個(gè)突起與最靠近第一端的第二多個(gè)突起的所述一個(gè)突起之間、沿縱向方向的中心到中心間距是第二中心到中心間距的至少2. 5倍。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，管還包括第三多個(gè)突起，其位于第一和第二端之間并且從兩個(gè)寬闊且基本平坦的側(cè)面中的另一個(gè)延伸到流動(dòng)體積中。第三多個(gè)突起沿著縱向方向與第一多個(gè)突起對(duì)齊并且在第三多個(gè)突起的相鄰?fù)黄鹬g具有沿縱向方向的第三中心到中心間距。第三多個(gè)突起中的至少一個(gè)突起比第一多個(gè)突起中的任意一個(gè)更加遠(yuǎn)離第一端并且比第二多個(gè)突起中的任意一個(gè)更加靠近第一端。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，所述管包括兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面，其沿著管的縱向方向從管的第一端延伸到管的第二端，以至少部分地限定兩者之間的流動(dòng)體積。管還包括第一多個(gè)突起，其布置在兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上并且延伸到流動(dòng)體積中。垂直于寬闊且基本平坦的側(cè)面的第一平面通過第一多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心，并且具有在15°和75°之間的相對(duì)于縱向方向的角度。管還包括第二多個(gè)突起， 其布置在兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上以限定與第一平面平行的第二平面。第二平面通過第二多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心。管還包括第三多個(gè)突起，其布置在兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上以限定與第一平面平行的第三平面，第三平面通過第三多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心。管在第一和第二平面之間以及第二與第三平面之間的、 兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上沒有其他的突起，并且第二平面與第三平面之間的間距是第一平面與第二平面之間的間距的至少兩倍。在某些實(shí)施例中，第一平面與縱向方向之間的角度在30度與60度之間。在某些實(shí)施例中，第二平面與第三平面之間的間距是第一平面與第二平面之間的間距的至少2. 5 倍。本發(fā)明的某些實(shí)施例提供了一種在第一流體與第二流體之間傳遞熱量的方法，所述方法包括以下步驟將第一流體導(dǎo)入管；在管的凹痕第一部分處擾亂第一流體；在第一部分的相對(duì)于第一流體的流的下游、在管的非凹痕第二部分中形成第一流體的熱邊界層； 在第二部分的相對(duì)于第一流體的流的下游、在管的凹痕第三部分中擾亂第一流體；以及使第二流體流動(dòng)通過管的外側(cè)，以在管的第一、第二和第三部分中、在第二流體與第一流體之間傳遞熱量。在某些實(shí)施例中，第一流體是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑并且第二流體是空氣。在某些這樣的實(shí)施例中，管是散熱器的多個(gè)管中的一個(gè)。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的管的立體圖。圖2是沿著圖I的II-II線所取的截面圖。圖3是示出了在平坦的壁部分上的邊界層的形成的示圖。圖4是示出了熱傳遞系數(shù)和圖3的邊界層的邊界層厚度的相對(duì)大小的曲線圖。圖5A-5C是示出了根據(jù)圖I的實(shí)施例的管的三個(gè)可能變體的平面圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的替換實(shí)施例的管的立體圖。
圖7是根據(jù)圖6的實(shí)施例的管的平面圖。圖8是使用根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的熱交換器的立體圖。圖9是用在圖8的熱交換器中的管和翅片的部分的立體圖。
具體實(shí)施例方式在詳細(xì)說明本發(fā)明的任何實(shí)施例之前，應(yīng)該理解，本發(fā)明在其應(yīng)用上不限于在下面的描述中所陳述的或在附圖中所圖示的組件的結(jié)構(gòu)和布局的細(xì)節(jié)。本發(fā)明可以是其他實(shí)施例并且能夠以各種方式實(shí)踐或?qū)嵤６?，?yīng)該明白，這里使用的措辭和術(shù)語用于說明并且不應(yīng)該看作限制。這里“包括”、“包含”或“具有”及其變體的使用意在包含其后所列的項(xiàng)目及其等同物和其他項(xiàng)目。除非另外指出或限定，術(shù)語“安裝”、“連接”、“支撐”和“耦合”及其變體被廣泛地使用并且包含直接和非直接安裝、連接、支撐和耦合。此外，“連接”和“耦合”不限制為物理或機(jī)械連接或耦合。在圖I和2中描述了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱交換管I。熱交換管I包括對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面3和4，其通過較短或狹窄的側(cè)面5來結(jié)合、以限定管I內(nèi)的流動(dòng)體積12。較短側(cè)面5可以是如圖所示的弓形，或者其可以是諸如直的等某些其他形狀。管I 在管I的第一端6與管I的第二端7之間、沿著雙箭頭8所示的縱向方向(與狹窄側(cè)面5 平行)延伸。管I還包括布置在寬闊且基本平坦的面3、4上并且延伸到流動(dòng)體積12中的多個(gè)突起2。突起2用于擾亂穿過流動(dòng)體積12的流體的流動(dòng)，從而提高流體與管壁之間的傳熱率(如將參考圖3和4所說明的)。圖3圖示了當(dāng)流體20在X方向上流過壁24時(shí)、在壁24的表面上流體邊界層23 的形成。這種情況下的壁24可代表熱交換管的寬闊且基本平坦的壁的一部分、方向“x”對(duì)應(yīng)于管的縱向方向。直接在壁24處的流體的運(yùn)動(dòng)由于摩擦作用并且由于流體的粘性而受到抑制，流體20的速度隨著垂直于壁(圖3中的y方向)的距離的增大而逐漸增大，直到粘性效應(yīng)完全消失處的距離，在這一點(diǎn)處流體以其自由流速度行進(jìn)。由線23所表示的邊界層厚度通常限定為，從壁到沿縱向方向“x”的流體速度大小上等于自由流速度的99%那里的距離。在位置X1處、通過邊界層的速度大小分布在圖3中表示為ux(y)。繼續(xù)參考圖3，在距離壁24的前緣(leading edge)的一定距離處、邊界層開始從層流向紊流過渡。如邊界層中的彎曲箭頭所示，流體中的波動(dòng)開始形成。最終這些波動(dòng)過渡到完全的紊流，如描繪旋流模式的箭頭所示。一旦邊界層已經(jīng)變?yōu)槲闪鞯?，其可看作是由三個(gè)分開的層構(gòu)成與壁24緊密相鄰的層流子層，其中運(yùn)輸由擴(kuò)散效應(yīng)主導(dǎo)；距壁24最遠(yuǎn)的紊流區(qū)，其中運(yùn)輸由紊流混合主導(dǎo)；以及這兩者之間的緩沖層，其中同時(shí)發(fā)生大量紊流混合和擴(kuò)散?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖4(改編自 1981,由 John ffiley&Sons of New York 出版的、Frank P. Incropera 和 David P. DeWitt 所著的教科書 Fundamentals of Heat Transfer),顯不了沿x方向的變量邊界層厚度“ 5 ”和對(duì)流膜系數(shù)“h”?？梢钥闯觯趯恿鲄^(qū)，對(duì)流膜系數(shù)的減小伴隨著邊界層厚度的增大。然而，一旦邊界層開始從層流向紊流過度，即使邊界層厚度也繼續(xù)增大，而對(duì)流膜系數(shù)也增大。這種效果的原因是，由流體波動(dòng)造成的流體中的能量輸運(yùn)率增大。流體完全變?yōu)槲闪饕院?，?duì)流膜系數(shù)達(dá)到其最大值。繼續(xù)向紊流區(qū)的下游，邊界層厚度繼續(xù)增大，而對(duì)流膜系數(shù)由于層流子層的增長(zhǎng)而減小。最終，在足夠遠(yuǎn)的下游位置，層流子層在厚度上將增大到其也向紊流過渡的點(diǎn)，并且整個(gè)循環(huán)重復(fù)。認(rèn)識(shí)到通過運(yùn)用最高可實(shí)現(xiàn)膜系數(shù)可使得傳熱率最大，利用扁管的熱交換設(shè)備的設(shè)計(jì)師通常向管添加突起，以促使(或“絆成(trip)”)流體流基本上比在管壁平滑的情況下發(fā)生紊流更快地變?yōu)槲闪?。這樣的管在本領(lǐng)域中通常稱為凹痕管(dimpled tubes)。為了防止相對(duì)較厚的層流子層重建并且防止引起對(duì)流膜系數(shù)減小，通常以有規(guī)律的模式布置多個(gè)突起以維持紊流流動(dòng)條件。與在平滑且非凹痕管中的流動(dòng)相比，作為不良的副作用、由突起導(dǎo)致的流通面積的減小以及紊流漩渦的消能效應(yīng)還能引起壓降的實(shí)質(zhì)增加。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在某些應(yīng)用中優(yōu)選地設(shè)置沒有力求維持如上所述的峰值膜系數(shù)的熱交換管。與具有規(guī)則排列的突起的管相比，圖I和圖2的管I包括若干組多個(gè)突起 2，每組多個(gè)突起包括沿縱向方向8相互對(duì)齊的兩個(gè)突起并且兩者之間沿縱向方向8具有比相鄰的多個(gè)突起之間的間距小的間距。兩個(gè)突起相互對(duì)齊，使得大致垂直于寬闊且平坦的側(cè)面3的平面通過兩個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心。此外,在圖示的實(shí)施例中,通過兩個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心的平面與管I的狹窄或較短的側(cè)面5平行。圖I和圖2的示例性管I的平面圖在圖5A中示出。位于管I的壁3上的突起2 用陰影圓表示，而位于管I的對(duì)立的壁4上的突起2用沒有陰影的圓表示。如圖5A所示，管I包括位于第一管端部6與第二管端部7之間的寬闊且基本平坦的壁3上的突起2的多個(gè)突起2a。在多個(gè)突起2a內(nèi)的突起2沿著管I的縱向方向8相互對(duì)齊，并且多個(gè)突起2a的相鄰?fù)黄鹬g、在縱向方向8上具有間距d2a。這兩個(gè)突起相互對(duì)齊，使得大致垂直于寬闊且平坦的側(cè)面3和4的平面通過兩個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心。而且，在圖示實(shí)施例中，通過兩個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心的平面與管I的狹窄或較短的側(cè)面5平行。繼續(xù)參考圖5A，管I還包括位于第一多個(gè)突起2a與端部7之間的壁3上的突起2 的第二多個(gè)突起2b。第二多個(gè)突起2b沿著縱向方向8與多個(gè)突起2a對(duì)齊，并且多個(gè)突起 2b的相鄰?fù)黄鹪诳v向方向8上具有間距d2b。第二多個(gè)突起2b中的突起2的數(shù)目可以與第一多個(gè)突起2a中的突起2的數(shù)目相同(與其在圖5A的示例性實(shí)施例中一樣)，或者可以大于或小于第一多個(gè)突起2a中的突起2的數(shù)目。突起2b相互對(duì)齊，使得大致垂直于寬闊且平坦的側(cè)面3的平面通過突起2b的各個(gè)的質(zhì)心。而且，突起2b與突起2a對(duì)齊，使得通過突起2b的各個(gè)的質(zhì)心的平面與通過突起2a的各個(gè)的質(zhì)心的平面在同一平面上。間距d2b可以等于間距d2a(與其在圖5A的示例性實(shí)施例中一樣)，或者其可以大于或小于間距d2a。突起2中的第一多個(gè)突起2a及第二多個(gè)突起2b被彼此間隔開使得距離d2a_2b大于間距d2a。距離d2a_2b是多個(gè)突起2a中的距離端部6最遠(yuǎn)的突起2與多個(gè)突起 2b中的距離端部6最近的突起2之間的間距。從圖5A中還可看出，示例性管I包括沿著壁4布置的并且沿著縱向方向8與第一和第二多個(gè)突起2a和2b對(duì)齊的第三多個(gè)突起2c。第三多個(gè)突起2c內(nèi)的突起2在多個(gè)突起2c的相鄰?fù)黄鹬g具有間距d2。。第三多個(gè)突起2c沿著縱向方向8相對(duì)于第二多個(gè)突起2b便宜,使得第三多個(gè)突起2c中的至少一個(gè)沿著縱向方向8位于第二多個(gè)突起2b的兩個(gè)相鄰?fù)黄鹬g。在第三多個(gè)突起2c內(nèi)的突起2的數(shù)目可與第一多個(gè)突起2a或第二多個(gè)突起2b中的突起2的數(shù)目獨(dú)立地變化。當(dāng)在熱交換器中使用管I時(shí)，流體的流可在第一管端部6處直接導(dǎo)入流動(dòng)體積12，以在縱向方向8上流動(dòng)通過管1，并且可在第二管端部7處離開。當(dāng)流體流的一部分遇到多個(gè)突起2的一組(例如，多個(gè)突起2a)是，這些突起能夠使得邊界層過渡為紊流，從而實(shí)現(xiàn)較高的對(duì)流膜系數(shù)。根據(jù)流體的特性以及特定的管I和突起2的幾何形狀，為了將邊界層充分地轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪髂Ｊ?，可需要相?duì)靠近的多個(gè)連續(xù)的突起2。在圖5A的示例性實(shí)施例中，突起2的第一多個(gè)突起2a包括兩個(gè)突起2，但是應(yīng)該明白其他的實(shí)施例可包括在第一多個(gè)突起2a中的額外的突起2。例如，圖5B所示的管I與圖5A所示的管I相似,但在各組多個(gè)突起中具有三個(gè)突起2。為了實(shí)現(xiàn)充分轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞯钠谕Ч亩c如圖4所示的最大對(duì)流膜系數(shù)相對(duì)應(yīng)，可有利地選擇多個(gè)突起2a內(nèi)的突起2的數(shù)目以及這些突起2之間的間距d2a。如果突起2沿管I的長(zhǎng)度向下繼續(xù)相似的間距，然后圖4所示的層流子層將不能形成，并且膜系數(shù)將不能維持在最大水平。為了使傳熱率最大化，這樣的操作可能是需要的，但是其具有使得流體在通過管I時(shí)經(jīng)受的壓降增大的不良副作用。如前所述，該壓降在很多時(shí)候是設(shè)計(jì)采用這樣的凹痕管的熱交換器時(shí)的關(guān)鍵因素，這是由于推動(dòng)流體通過管所需的抽運(yùn)功率將隨著該壓降而增大，并且抽運(yùn)功率通常是受限供應(yīng)的。為了減小該壓降，可能需要并行地添加其他的管，但是這將傾向于減小膜系數(shù)，并且增加額外的尺寸和成本。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使突起2的第一多個(gè)突起2a的緊接下游的壁3的區(qū)域d2a_2b 沒有其他的突起，可實(shí)現(xiàn)熱傳遞和抽運(yùn)功率之間的有利折中。通過這樣的管I的流體流由于經(jīng)過突起2的第一多個(gè)突起2a而被絆成紊流，但然后允許層流子層在區(qū)域d2a_2b上形成。 膜系數(shù)在該非凹痕區(qū)上將輕微減小，當(dāng)與流體流相關(guān)聯(lián)的壓降也將會(huì)減小。當(dāng)流體流到達(dá)突起的第二多個(gè)突起2b時(shí)，流體流再次被絆成紊流以臨時(shí)建立期望的高傳熱系數(shù)。由非凹痕區(qū)間隔開的突起2的其他多個(gè)突起可可根據(jù)需要沿著管I的長(zhǎng)度向下繼續(xù)。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，利用適當(dāng)?shù)剡x擇多個(gè)突起2之間的間距，可僅輕微地減小利用這樣的管I的熱交換器的熱傳遞性能，而可實(shí)質(zhì)地減小壓降。例如，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在車輛散熱器中，在突起之間的間距d2a的2至6倍范圍內(nèi)的非凹痕間距d2a_2b能夠提供熱傳遞性能與壓降之間的特別有利的權(quán)衡。在某些特別優(yōu)選的實(shí)施例中，非凹痕間距d2a_2b是間距 d2a的至少2. 5倍。從圖5A-5C的各個(gè)實(shí)施例中可以看出，可沿著管I、I’、I”的橫向方向21上布置多組多個(gè)突起2。突起2可被布置成使得，流體流在管I、I’的整個(gè)橫向方向上、在縱向方向8 的近似相同位置處被絆成紊流，如圖5A和5B所示?；蛘?，多個(gè)突起2可以如圖5C的管I” 中那樣交錯(cuò)。圖6和圖7描述了利用了突起2的另一個(gè)交錯(cuò)樣式的管101的替換實(shí)施例。如前參考圖5A-5C，在圖7中，位于管101的壁3上的突起2用陰影圓表示，而位于管101的對(duì)立的壁4上的突起2用沒有陰影的圓表示。在示例性管101中，突起2以沿著橫向方向21 延伸的編組來布置，其中在各個(gè)編組內(nèi)的連續(xù)的突起2被放置成在縱向方向8上沿著管101 漸進(jìn)。繼續(xù)參考圖6和圖7，突起2被布置成使得，位于壁3上的突起2的第一多個(gè)(在示例性實(shí)施例中多個(gè)的數(shù)目是四個(gè)突起)位于通過那些突起的質(zhì)心的平面9中，其中平面 9垂直于寬闊平坦壁3和4，而與縱向方向8和橫向方向21不垂直。同樣位于壁上的突起 2的第二多個(gè)位于與平面9平行并且與平面9間隔開的平面10中(即，平面10通過突起2的第二多個(gè)的質(zhì)心)。壁3在平面9與10之間不存在突起。突起2的第三多個(gè)類似地位于與平面9和10平行并且與其間隔開的第三平面11 上。再次，平面10與平面11之間的壁3的部分沒有突起。平面10和11之間的距離d1Q,n 基本上大于平面9和10之間的距離d9,1(l。當(dāng)流體流通過管101時(shí)，突起2的第一多個(gè)和第二多個(gè)中的突起之間的相對(duì)較近的間距d9,1(l可將流體流絆成紊流模式，產(chǎn)生有利的高熱傳遞系數(shù)。隨著流體流接下來遇到平面9和平面10之間的非凹痕部分，允許形成層流子層，以實(shí)現(xiàn)流體壓降與熱傳遞性能之間的上述權(quán)衡。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使得距離d1Q,n在距離d9,1Q的約2. 5倍到約6倍的范圍內(nèi)， 能夠提供使熱傳遞最大和壓降最小的相互沖突的關(guān)注之間的特別有利的平衡。在其他實(shí)施例中，距離d1(l,n是距離d9,1(l的至少兩倍。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使得平面9、10、11取向?yàn)橄鄬?duì)于縱向方向8成非垂直的角度(如圖7中的“ a ”所示的角度)，能夠得到某些其他的移除，尤其在熱量在沿縱向方向 8通過管101的第一流體與沿橫向方向21流過管的外表面的第二流體之間(即，交叉流取向)交換的應(yīng)用中。由于層流子層的形成，預(yù)期內(nèi)部熱傳遞系數(shù)在平面10與平面11之間輕微但穩(wěn)定地減小。結(jié)果，預(yù)期在平面10與平面11之間的非凹痕部分中的局部熱傳遞系數(shù)在限定平面10的多個(gè)突起的突起2的緊接下游處于最大值，并且在限定平面11的多個(gè)突起的突起2的緊接上游處于最小值。通過將平面取向?yàn)榉谴怪苯嵌萢，這些局部最大值和最小值與橫向方向21交錯(cuò)。結(jié)果，與通過管101的流體成交叉流熱傳遞關(guān)系的、通過管 101的外表面的流體將經(jīng)歷更均勻的傳熱率。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，范圍在15°到75°之間的角度a在某些應(yīng)用中能夠提供有利的結(jié)果，并且在30°到60°之間的角度a可以是尤其有利的。從圖7最佳可見的，突起2被布置成使得，位于壁4上的那些突起2形成位于壁3 上的那些突起2的鏡像。換句話說，在壁4上的突起2被布置成使其位于相對(duì)于壁3上的突起2所在的平面取向?yàn)榻嵌? a的多個(gè)平行平面上。然而，在其他實(shí)施例中，壁4上的突起2所在的平面可取向?yàn)槠渌嵌?。例如，?上的突起2所在的平面可取向?yàn)榕c壁3上的突起2所在的平面平行。在圖7的示例性實(shí)施例中，突起2還被布置為使得，管壁3和管壁4的凹痕區(qū)和非凹痕區(qū)處于沿著縱向方向8的重合位置上。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在某些實(shí)施例中，那些凹痕區(qū)和非凹痕區(qū)也可以或者替換地沿著縱向方向8交錯(cuò)。如參考圖5A-5C所討論的，為了將流體絆成紊流、在凹痕區(qū)中設(shè)置額外的突起2是可取的。在某些替換實(shí)施例中，這些額外的突起可布置成位于與平面9和平面10平行的額外的平面上。上述實(shí)施例的突起2可通過由一個(gè)或多個(gè)扁平條狀材料形成管壁材料來產(chǎn)生。在某些實(shí)施例中，軋輥對(duì)可裝備有使管壁材料變形以形成突起2的特征，其后可形成管壁以制造管。特征可以編組的形式布置在軋輥上，使得能夠在軋輥的某種程度的旋轉(zhuǎn)上制造管的凹痕部分，并且能夠在軋輥的某種其他旋轉(zhuǎn)程度上制造管的非凹痕部分。突起2的具體幾何結(jié)構(gòu)可以是各種不同形式，其可由其中要應(yīng)用管的比熱傳輸應(yīng)用來確定。僅舉例而言，突起2可具有以下希望的投影形狀，包括環(huán)形、橢圓形、三角形、方形、矩形、V形或其他形狀。此外，取決于特定應(yīng)用所需的紊流量，突起2的輪廓可以平滑或銳利。圖8圖示了可以從上述管(1、1’、1”、101)的使用得到特殊益處的熱交換器13。熱交換器13包括熱交換器核心14，其包括交叉管I和褶皺的空氣翅片15?？梢栽趫D9中更清楚地看見管I和空氣翅片15的布局。熱交換器13還包括位于熱交換器核心14的兩個(gè)端部、用以接收管I的端部的頭板16。流體罐17連接到頭板16以在熱交換器核心14的兩端處限定一個(gè)或多個(gè)流體歧管體積，其中管I的內(nèi)部通道流體地連接這些體積。流體20的流通過入口 18進(jìn)入罐17中的一個(gè)，流動(dòng)通過管I的內(nèi)部通道、到達(dá)罐 17的另一個(gè)，并且通過位于罐17的一個(gè)上的出口 19從熱交換器13離開。在某些實(shí)施例中，全部管I可布置為相互并行地流通，而在其他實(shí)施例中，管I可分成兩個(gè)或更多個(gè)管I 的組，其中在各個(gè)組中的管被布置成相互并行地流通，而組本身布置成彼此串行地流通。結(jié)果，流體20的流可在進(jìn)入入口 18與離開出口 19之間多次通過熱交換器核心14，并且端口 18和19可位于相反的罐17 (如所示)或相同的罐17上。流體22的第二流在橫向方向21 上通過熱交換器核心14，通過與流體20具有熱傳遞關(guān)系的管I和翅片15。這樣的熱交換器13可找到各種應(yīng)用，包括但不限于散熱器、增壓空氣冷卻器，冷凝器，蒸發(fā)器，油冷卻器等。在很多情況下(但不是總是如此)，流22是用于加熱或冷卻流體20的空氣流。可發(fā)現(xiàn)熱交換器13對(duì)于不接受內(nèi)燃機(jī)的冷卻水的熱量的散熱器特別有利的實(shí)用。參考本發(fā)明的特定實(shí)施例描述了本發(fā)明的一定特征和元素的各種替換例。應(yīng)該注意，除了與上述各個(gè)實(shí)施例相互排斥或不一致的特征、元素和操作方式以外，參考一個(gè)特定實(shí)施例所述的替換特征、元素和操作方式適用于其他實(shí)施例。如上所述以及在附圖中描述的實(shí)施例僅以示例的方式呈現(xiàn)并且不意圖作為對(duì)本發(fā)明的概念和原理的限制。這樣，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行元件及其配置和布局上各種改變。
權(quán)利要求
1.一種將流體輸送通過熱交換器的管，所述管包括兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面，其沿著所述管的縱向方向從所述管的第一端延伸到所述管的第二端，以至少部分地限定兩者之間的流動(dòng)體積；第一多個(gè)突起，其位于所述第一端和第二端之間并且從所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面中的一個(gè)延伸到所述流動(dòng)體積中，所述第一多個(gè)突起沿著所述縱向方向?qū)R并且在所述第一多個(gè)突起的相鄰?fù)黄鹬g具有沿所述縱向方向的第一中心到中心間距；以及第二多個(gè)突起，其位于所述第一多個(gè)突起與所述第二端之間并且從所述一個(gè)寬闊且基本平坦的側(cè)面延伸到所述流動(dòng)體積中，所述第二多個(gè)突起沿著所述縱向方向與所述第一多個(gè)突起對(duì)齊并且在所述第二多個(gè)突起的相鄰?fù)黄鹬g具有沿所述縱向方向的第二中心到中心間距，其中最遠(yuǎn)離所述第一端的所述第一多個(gè)突起的一個(gè)突起與最靠近所述第一端的所述第二多個(gè)突起的一個(gè)突起之間、沿所述縱向方向的中心到中心間距是所述第一中心到中心間距的至少2. 5倍，并且其中所述第一多個(gè)突起的所述一個(gè)突起與所述第二多個(gè)突起的所述一個(gè)突起通過所述一個(gè)寬闊且基本平坦的側(cè)面的沒有突起的部分分開。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的管，其中最遠(yuǎn)離所述第一端的所述第一多個(gè)突起的所述一個(gè)突起與最靠近所述第一端的所述第二多個(gè)突起的所述一個(gè)突起之間、沿所述縱向方向的所述中心到中心間距是所述第二中心到中心間距的至少2. 5倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的管，還包括第三多個(gè)突起，其位于所述第一端和第二端之間并且從所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面中的另一個(gè)延伸到所述流動(dòng)體積中，所述第三多個(gè)突起沿著所述縱向方向與所述第一多個(gè)突起對(duì)齊并且在所述第三多個(gè)突起的相鄰?fù)黄鹬g具有沿所述縱向方向的第三中心到中心間距，所述第三多個(gè)突起中的至少一個(gè)突起比所述第一多個(gè)突起中的任意一個(gè)更加遠(yuǎn)離所述第一端并且比所述第二多個(gè)突起中的任意一個(gè)更加靠近所述第一端。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的管，其中所述第一多個(gè)突起被對(duì)齊使得第一平面延伸過所述第一多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心，并且其中所述第二多個(gè)突起被對(duì)齊使得第二平面延伸過所述第二多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的管，其中所述第一平面和所述第二平面垂直于所述一個(gè)寬闊且基本平坦的側(cè)面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的管，其中所述第一平面和所述第二平面共面。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的管，其中所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面通過兩個(gè)對(duì)立的狹窄側(cè)面連接，并且其中所述縱向方向與所述兩個(gè)對(duì)立的狹窄側(cè)面平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的管，其中最遠(yuǎn)離所述第一端的所述第一多個(gè)突起的所述一個(gè)突起與最靠近所述第一端的所述第二多個(gè)突起的所述一個(gè)突起之間、沿所述縱向方向的所述中心到中心間距小于所述第一中心到中心間距的6倍。
9.一種將流體輸送通過熱交換器的管，所述管包括兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面，其沿著所述管的縱向方向從所述管的第一端延伸到所述管的第二端，以至少部分地限定兩者之間的流動(dòng)體積；第一多個(gè)突起，其布置在所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上并且延伸到所述流動(dòng)體積中，并且位于通過所述第一多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心且垂直于所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的第一平面上，所述第一平面具有在15°和75°之間的相對(duì)于所述縱向方向的角度；第二多個(gè)突起，其布置在所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上并且位于與所述第一平面平行的第二平面上，所述第二平面通過所述第二多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心；以及第三多個(gè)突起，其布置在所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上并且位于與所述第一平面平行的第三平面上，所述第三平面通過所述第三多個(gè)突起的各個(gè)的質(zhì)心；其中所述管在所述第一和第二平面之間以及所述第二與第三平面之間的、所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面的至少一個(gè)上沒有其他的突起，并且所述第二平面與所述第三平面之間的間距是所述第一平面與所述第二平面之間的間距的至少兩倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的管，其中所述第一平面與所述縱向方向之間的角度在30度與60度之間ο
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的管，其中所述第二平面與所述第三平面之間的間距是所述第一平面與所述第二平面之間的間距的至少2. 5倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的管，其中所述第二平面與所述第三平面之間的間距小于所述第一平面與所述第二平面之間的間距的6倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的管，其中所述兩個(gè)對(duì)立的寬闊且基本平坦的側(cè)面由兩個(gè)對(duì)立的狹窄側(cè)面連接，并且其中所述縱向方向與所述兩個(gè)對(duì)立的狹窄側(cè)面平行。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的管，其中所述第二平面與所述第三平面之間的間距小于所述第一平面與所述第二平面之間的間距的6倍。
15.一種在第一流體與第二流體之間傳遞熱量的方法，所述方法包括以下步驟將所述第一流體導(dǎo)入管；在所述管的凹痕第一部分處擾亂所述第一流體；在所述凹痕第一部分的相對(duì)于所述第一流體的流的下游、在所述管的非凹痕第二部分中形成所述第一流體的熱邊界層；在所述非凹痕第二部分的相對(duì)于所述第一流體的流的下游、在所述管的凹痕第三部分中擾亂所述第一流體；以及使所述第二流體流動(dòng)通過所述管的外側(cè)，以在所述管的所述凹痕第一和第三部分中以及所述管的所述非凹痕第二部分中、在所述第二流體與所述第一流體之間傳遞熱量。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一流體是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑并且所述第二流體是空氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及熱交換管及使用該熱交換管的方法，該熱交換管包括延伸到內(nèi)部體積中以擾亂流體流動(dòng)的突起以改善熱交換。突起被布置為提供凹痕區(qū)和非凹痕區(qū)，以提供增大的熱交換以及減小的壓降。還提供了通過使流體流入管、在凹痕第一管部分中擾亂流體、在非凹痕第二部分中形成熱邊界層、以及在凹痕第二管部分中擾亂流體進(jìn)行熱交換的方法。
文檔編號(hào)F28F1/10GK102589337SQ20121001501
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者托馬斯·A·漢茨戈, 瑞法科特·A·赤瑪, 艾潤(rùn)·K·威斯那薩恩 申請(qǐng)人:摩丁制造公司