CN1373342A - 气液热交换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气液热交换器,其包括:多个基本直线性管形导管(2),该导管(2)的纵轴X－X沿第一预定方向延伸,并且其中限定了用于交换器(1)中液体循环的流道(3);彼此基本平行并向所述管形导管(2)外部延伸的多个散热片(4);在散热片(4)之间限定的使气体沿基本垂直于管形导管(2)纵轴(X－X)的第二方向(Y－Y)流动的多个气体通道(5)。

Description

气液热交换器及其制造方法

本发明涉及一种气液热交换器，该气液热交换器最好但不仅仅使用于目的是供宅区内的家庭使用和利用的水加热装置中。

本发明特别涉及由附加的权利要求1前序部分限定的气液热交换器。

本发明还涉及一种用于气液热交换器的改进的散热片、一种制造上述热交换器的方法以及包括上述热交换器的水加热装置。

一般在气液热交换器领域，特别是在用于对室内调节或制冷的水或气液加热器的气水热交换器领域，目前最迫切需要提供一种小巧、重量轻并使成本越来越低的热交换器，同时该热交换器保证高的热交换效率。

为此，已知一种包括安装壳类型的热交换器，其可任意具有散热片以提高气液热交换器效率，其中限定了沿壳横向延伸的气体流道和包括多个用于液体循环的管形导管并沿基本垂直于气体流动方向的方向延伸的液压导管。

例如，欧洲专利申请EP0831281描述了一种热交换器，其中多个不带散热片的管安装在一对用于分配和收集液体的总管之间，每个管的自由端部连接到总管。

尽管基本实现了此目的，但是由于制造和劳动力成本与在管形导管和/或其端部设置一套接头和液体分配与收集总管、将热交换器各个部件装配在一起并使其长时间彼此成一体的要求有关，因此现有技术的气水热交换器不能进一步降低制造成本。

因此本发明的目的是，提供一种气液热交换器，该热交换器具有比现有技术具有相同热容量的热交换器更低的成本，同时具有由市场采用标准所要求的尺寸小、热交换效率高的特性。

根据本发明第一方面，上述目的由附加权利要求1的特征部分限定的热交换器实现。

事实上本申请人发现由于采用下述方法可以进一步降低热交换器制造成本，并获得与现有技术中具有相同热容量的最昂贵的热交换器相当的热交换效率：

-通过将交换器的管形导管整体成型在单个基本环形导管内，并具有整体成型在相同导管内的合适连接弯管接头，以及

-通过优化在由管形导管延伸的散热片之间所限定的通道中气体流通时的气相流体动力学。

特别是，通过横向连接在散热片安装座端部的管形导管下游的散热片，可以避免不需要的气体分流入同一导管下游形成的自由空间内，从而保证流入散热片之间所限定的通道中的气体和散热片本身之间的良好热交换。

在下面的说明和附加权利要求中，术语：“上游”和“下游”用于表示那些分别由穿过交换器本身的气体流动所接触的第一和最后的交换器部件。

按照本发明可以提供一种热交换器，该热交换器具有高的气液热交换效率和高的热交换面和总容积比；因此本发明的设备小巧而且热力学效率高。

一般，从管形导管延伸的散热片之间所限定的气体通道在交换器中沿基本垂直于该管形导管的方向延伸，因此其由气相横向接触。

在这样的方式下，因此可以将交换器横向尺寸限定为最小值。

最好，所述管形导管彼此平行并且放置在相同平面内或放置在平行平面内，从而获得进一步减小热交换器宽度的交错导管的变换。

在后一种情况下，本领域的技术人员可以确定这些平行面之间的距离以避免从相邻导管延伸的散热片之间的干涉。

在本发明的优选实施例中，散热片通过一对凸缘在管形导管下游彼此横向连接，该凸缘由每个散热片沿安装管形导管的座的端部垂直延伸预定长度。

所述凸缘具有能实现一散热片和其沿热交换器纵向相邻的散热片之间的实际连接的合适预定宽度。优选地，凸缘的宽度在1至8mm之间，并且为3至6mm更好。

在下面的说明和附加权利要求中，术语散热片部件的“宽度”表示该部件沿基本垂直于该散热片的架体的方向(即基本平行于管形导管的纵轴)的延伸量。

在这样的方式下，通过适当对散热片成形并在将其沿管形导管以间隔关系连接起来后，可以获得“合成的”基本连续的封闭壁，能避免不希望有的气体分流进该管形导管下游形成的自由空间。

方便起见，所述凸缘可以通过普通批量生产冲压操作而整体成型在散热片中，有利于降低交换器的生产成本。

在本发明的另一实施例中，该实施例从经济观点看不很满意，散热片可以通过具有合适宽度的矩形金属薄片或通过具有一般薄厚度的U形槽在管形导管下游横向连接，插入在管形导管下游形成的自由空间内并安置在该导管的安装座端部中。

最好，管形导管的安装座至少部分沿圆周方向具有垂直于散热片延伸预定长度的套圈。而且更好的是，套圈垂直于散热片延伸一基本等于管形导管安装座下部的长度的部分。

在这种方式下，可以有利于通过形成每个管形导管和其安装座之间更持久的连接而扩大每个管形导管和其安装座之间的接触面，一般通过普通钎焊操作就可实现。

为实现本发明的目的，所述套圈可以具有等于或小于适于横向连接散热片的凸缘的宽度。

最好，套圈的宽度小于使相邻散热片彼此相连的凸缘的宽度，一般在1.5至5.5mm之间，并且有利于与所述凸缘整体成型，与所述凸缘连接而不断开。

在本发明的优选实施例中，散热片还通过从其相对端部垂直延伸的一对侧壁沿横向并在管形导管的相对部横向叠合连接。

一般，所述侧壁具有适于在一散热片和其沿热交换器的纵向相邻的散热片之间形成实际连接的预定宽度。

在这种方式下，可以有利于——通过设置侧壁合适宽度和上述凸缘合适宽度——在散热片之间形成以基本气密方式横向封闭的多个气体通道，从而避免不希望有的气体分流进管形导管下游形成的自由空间中并优化气体流动的流体动力学。

一般，一旦散热片与管形导管稳定连接，便限定了这些气体通道，并且如上所述，这些气体通道沿基本垂直于相同管形导管纵轴的方向延伸。

最好，本发明的热交换器包括用于以节距方式间隔散热片的合适部件，这些部件由最终整体成型在相同散热片中的上述套圈、凸缘或合适的隔离间构成。

所述部件有利于限定所述气体通道的宽度，从而获得所要求的穿过热交换器的气体流的流体动力学特性。

一般，本领域的技术人员可以根据压降和所要求的气体流的流体动力学特性来选定散热片之间的节距。

此外，根据本发明的优选实施例，可以有利于保证关于管形导管下游和横向的合适的气密密封，而不需要将散热片的凸缘和/或侧壁焊接到其相邻的散热片上。

可以通过使散热片的凸缘和/或侧壁具有关于相同散热片的架体的预定倾斜度而获得上述效果。

为实现本发明的目的，最好关于散热片的架体假定凸缘的倾斜度为90°至105°之间的角度(α₁)，而侧壁的角度为80°至105°的角度。

最好，散热片的凸缘和/或侧壁关于散热片的架体形成96°至100°之间的角度(α₁和α₂)，即其基本呈张开状。

在这种方式下，可以有利于——当组装交换器时——将散热片之间节距适当调整到稍稍小于凸缘和/或侧壁宽度的值，以便获得凸缘和/或侧壁自由端与相邻散热片的凸缘和/或侧壁之间的部分重叠。

此外，将散热片数量设定为要求的值，由散热片之间的节距调整依次调节了热交换器效率，该效率与散热片数量成比例。

在本发明的另一实施例中，并在热交换器具有多个平行管形导管的情况下，散热片具有多个基本为U形的座，每个U形座适于安装一管形导管。

在这种情况下，为了进一步提高气体和散热片之间的热交换效率，散热片可以具有至少一个加强部，该加强部形成在相邻管形导管的安装座之间，并适于提高流入限定在相邻散热片之间的气体通道的气体紊流性。

最好，热交换器进一步包括一对与基本环形导管的相对自由端相连的快速连接管接头。

快速连接管接头大大方便了连接热交换器与来自和向着如锅炉装置的液压导管的液体输送和回流导管所必需的操作，热交换器安装在锅炉装置中。

根据本发明第二方面，还涉及由附加的权利要求9限定的并在上面的说明中已经描述了的用于气液热交换器的散热片。

根据本发明第三方面，涉及水加热装置，例如锅炉，其特征在于包括上述类型的热交换器。

根据本发明第四方面，涉及由权利要求14限定的制造上述类型的气液热交换器的方法。

所述方法通过批量生产操作步骤制造本发明的气液热交换器，并花费最少的人力，因而获得所要求的低成本的热交换器。

最好，管形导管的径向压缩和扩管通过冷态塑性加工采用传统设备完成。

此外，最好通过采用公知设备和技术的普通钎焊完成将散热片和管形导管稳定相连的步骤。

在另一实施例中，本发明方法可包括将一对快速连接管接头与限定液体流道的导管的相对端连接的附加步骤。

通过本发明方法，可以采用简单技术以低成本制造经济小巧的并且热力学效率高的热交换器，同时保证大规模生产热交换器的可重复性和可再现性。

下面结合附图通过对实施例的说明可以更理解本发明的气液热交换器的其他特征和优点，这些实施例显示的是一些优选实施例而不是限定性的实施例。附图中：

图1是根据本发明一优选实施例的气液热交换器的立体图；

图2是图1所示热交换器的散热片放大立体图；

图3是图2所示散热片的详细放大俯视图；

图4至图8是制造本发明气液热交换器的方法的操作步骤示意图；

图9是包括图1所示气液热交换器的锅炉的示意图。

下面详细说明本发明的优选实施例。

在图中，标号1通常表示用于水加热装置的气水热交换器，特别用作用于图9所示普通型锅炉6室内加热的加热主温水或水的热交换器，下面将详细说明。

热交换器1包括多个基本呈直线的管形导管2，该导管2的纵轴X-X沿第一预定方向延伸，其中限定了交换器1中的供水循环的流道3。

基本平行并彼此沿节距方向间隔开的多个散热片4向管形导管2外部延伸，例如通过钎焊使其与导管2牢牢连接并在填充在与在热交换器1相对端的管形导管2连接的封闭板20、21之间。

在散热片4之间限定多个使气体沿基本垂直于管形导管2纵轴X-X的第二方向Y-Y流动的气体通道5。

散热片最好由具有良好传热性的合适金属如铜制成。

在本发明的该实施例中，流经气体通道5中的交换器1的气体主要由来自锅炉6(图9)的燃烧器7的气体构成。

管形导管2主要由单个基本为环形的导管8的连续部分构成，这些部分通过与相同导管8成一体的连接弯管接头9彼此连接。

导管8最好也由具有良好传热性的合适金属如铜制成。

在导管8的相对端8a、8b设置相应的快速连接接头10a和10b，在本例中这些连接接头一体成型在导管端部，便于进行与锅炉6的液压导管的连接操作。

在图2和3详细显示的该实施例中，交换器1的散热片4包括具有适当减小的厚度的合适盘形架体11，例如厚度在0.2-0.7mm之间。

一般，散热片4的架体11具有多个座12。每个座12基本呈U形，用于放置管形导管2。

每个座12包括：

第一部分或下部12a，其具有与管形导管形状基本匹配的形状并对其特别设计以安装该管形导管并接触该管形导管，以及

第二部分或端部12b，其向管形导管2的下游开口并将其设计成如下所述的可使散热片4装配到管形导管2上。

具体而言，在基本U形座12的相对分部的主要直线部之间限定并在散热片4的架体11内形成座12的端部12b(图2)。

在本发明的此实施例中，散热片4在管形导管2的下游通过一对垂直于每个散热片4在座12的端部12b整个长度上延伸的凸缘13a、13b彼此相连。

最好，凸缘13a、13b整体形成在散热片4中并具有适于实际连接散热片4和沿平行于管形导管2的纵轴X-X方向相邻的散热片的约为4mm的宽度‘ls’，在这种情况下，该方向与交换器1的纵向一致。

在本发明的该实施例中，座12的下部12a沿圆周具有垂直于散热片4延伸一定长度的套圈14，该长度基本等于下部的长度，在这种情况下，其基本与散热片4和管形导管2之间的接触区域吻合。

最好，套圈14具有约为2mm的宽度‘lc’并有利于与凸缘13a、13b形成整体，套圈14与凸缘13a、13b相互连接而没有断开。

交换器1的散热片4还彼此横向并在管形导管2的相对部分通过一对垂直于散热片4的相对端4a、4b延伸的侧壁15a、15b叠合连接。

一般，侧壁15a、15b具有适于使一散热片和沿平行于管形导管2的纵轴X-X方向相邻的散热片实际连接的预定宽度，在这种情况下，其与交换器1的纵向吻合。最好侧壁15a、15b的宽度‘lp’稍稍大于凸缘13a、13b的宽度，约为5mm。

这样，在散热片4之间限定的气体通道5以一种气密方式基本沿横向封闭，从而避免不需要的气体分流进形成管形导管2下游的自由空间(座12的端部12b)，并且还优化了气体流经该通道的流体动力学。

此外，最好散热片4的凸缘13a、13b和侧壁15a、15b适于沿节距方向彼此间隔，从而限定合适气体通道5的宽度并获得通过该热交换器的气体所需要的流体动力学特性。

一般，本实施例中的散热片4之间的节距约为3.2mm。

在本发明的实施例中，散热片4的凸缘13a、13b和侧壁15a、15b具有相对于散热片4的架体11的预定倾斜宽度，其倾斜角度α₁、α₂均约为98.5°。

由于凸缘13a、13b和侧壁15a、15b的随后向外扩张，通过实现在该凸缘13a、13b和侧壁15a、15b的自由端与相邻散热片4的凸缘13a、13b和侧壁15a、15b部分交叠而组装散热片4。

这样，有利于获得具有气密密封特性的气体通道5的横向密闭而不在一散热片4和其相邻散热片的凸缘13a、13b和侧壁15a、15b之间进行任何焊接操作。

此外，在这种情况下，很可能以通常方式在一定范围内调整散热片4之间的节距，由此又调整气体通道5的宽度和沿气体通道的压力降和气相的流体动力学特性。

为了提高在限定于散热片4之间的气体通道5中流动的气体的紊流度，从而提高交换器1的交换效率，散热片4还具有整体形成在架体11中相邻管形导管2的安装座12之间的一对基本半球形加强部16、17。

最好，加强部16、17在凸缘13a、13b和侧壁15a、15b的相同侧由散热片4的架体11整体延伸。

下面给出用于制造上述说明的气液热交换器1的本发明方法。

在本方法的最初步骤中，通过由具有合适长度的直线性管形导管的普通塑性变形操作而形成环形导管8。

这样在该导管8中限定该基本直线性管形导管2，使其通过整体形成在导管8中的连接弯管接头9而彼此连接。

在本发明方法的最佳实施例中，快速连接管接头10a、10b在提供管形导管2的所述步骤之前或之后与导管8的相对端部8a、8b相连或与其整体成形。

然后如图4至6所示，将管形导管2横向压缩一预定长度部分，从而在所述部分形成基本彼此平行的相对校正侧2a、2b。

一般，可以通过普通型冷塑性变形设备完成校正步骤，如具有多个普通形状卡头18的冲压机，以移动方式可将相邻插入件19定位在卡头18之间。

在管形导管2的部分校正步骤结束时，管形导管2获得具有相对侧2a、2b的校正部，相对侧2a、2b彼此基本平行并具有基本等于限定在适于安装管形导管2的座12端部12b的开口宽度‘1’(见图7)。

在接着的步骤中，由于凸缘13a、13b的部分交叠和侧壁15a、15b的部分交叠，沿节距方向彼此间隔的多个散热片4插在管形导管2的部分校正部上。

在这样的操作中，端部12b和凸缘13a、13b构成多种方式以供适于校正管形导管在座12底部12a中位置的管形导管2的导向滑动，底部12a作为其最终支座。

图8中以虚线表示管形导管2在座12的下部12a中的位置。

在接下来的步骤中，实现管形导管2校正部的相对侧2a、2b的横向扩展以便使侧部2a、2b产生与座12的下部12a基本匹配的形状。

最好，通过塑性变形完成管形导管2的横向扩张步骤，例如通过由现有技术中公知的普通设备完成的液压压制成形。

管形导管2的位置和最终形状由图8中的实线表示。

此时，叠装在管形导管2上的散热片4在插入封闭板20和21(如果有)后通过普通钎焊操作而与管形导管永久连接，例如采用适于此目的的金属合金如铜/磷合金在温度为700°至800°之间的炉内完成。

参照图9说明锅炉，锅炉中可以安装上述的气液热交换器。

所述锅炉一般由标号6表示，是所谓的组合型锅炉，并且包括燃烧组件22，其中通常支承燃烧器7和气水热交换器1，燃烧气体G横穿该燃烧组件22，最后通过排气罩23排出。

锅炉6还包括初级液压导管24供循环初级温水或用于室内加热的水进行循环，该导管24包括：

向交换器1输送来自室内加热站(未示)的初级水的导管25；

循环泵26；

从交换器1抽取已加热初级水的导管27；

三通阀28，以及

一对导管29、30，其作用是分别从交换器1输送初级加热水或向室内加热站或水-水热交换器或二级交换器31输送加热水，二级交换器31可产生卫生温水。

初级液压导管24包括供初级水循环的导管32，该初级水已经流过二级交换器31返回初级交换器1的输送导管25以及目的在于补偿初级水膨胀的膨胀罐33。

锅炉6还包括供卫生温水循环的二级液压导管34，该导管包括：

从水分配网向二级交换器31输送卫生温水的导管35；

三通阀28；

二级交换器31；

向锅炉6外部的一个或多个抽取点输送来自二级交换器31的卫生温水的导管36。

锅炉6包括向燃烧器7输送合适气体燃料如甲烷气体的导管38和目的是阻隔导管38并由此调整向相同燃烧器输送的气体流速的阀38。

所述导管25、29、35、36、37以普通方式具有相应接头25’、29’、35’、36’以及37’适于与室内加热站、水网、卫生水支路点以及气体分配网分别相连。

上面说明的由本身是公知的但未示出的设备驱动的锅炉6的工作完全是现有技术，因而在下面就不说明了。

在上述气液热交换器1的工作中，气相G——在这种情况下由锅炉6的燃烧器7产生的燃烧气体构成——通过上升运动自下向上沿Y-Y方向在限定于散热片4之间的气体通道5中流动。

在通过气体通道5时，燃烧气体包围散热片4，散热片4吸收部分可感觉到的热量。

由于管形导管2的下游的散热片4之间存在的横向连接，燃烧气体不能分流到通道5中并只在完全通过交换器1后才离开交换器1，有效地将其本身的部分可感觉到的热量传递到散热片4。

传递到散热片4的部分热量由散热片依次通过基本上是传导传递给水而供空间加热，水流入限定在导管8中的液体流道3，因此将水加热到需要温度。

在通过本发明的交换器完成多个重复试验后，本申请人发现，交换器即使以大大低于现有技术的热交换器低的成本，也可达到与公知的具有相同热容量的热交换器相同的热交换效率。

根据上述说明，本发明所具有优点是非常明显的。

此处所提到的优点包括以下几点：

-可以获得结构简单的热交换器，该热交换器不需要采用特别昂贵的材料和特别复杂的加工过程来制造，因此该热交换器的成本低于现在市场上可买到的热交换器的成本；

-可以获得高的热交换面和容积比，由此获得小巧的并且重量轻的交换器，同时该交换器具有高热力学效率。

Claims (17)

1.一种气液热交换器，包括：

多个基本直线性管形导管(2)，该导管(2)的纵轴X-X沿第一预定方向延伸，并且其中限定了用于交换器(1)中液体循环的流道(3)；

彼此基本平行并向所述管形导管(2)外部延伸的多个散热片(4)；

在散热片(4)之间限定的使气体沿基本垂直于管形导管(2)纵轴(X-X)的第二方向(Y-Y)流动的多个气体通道(5)；

其特征在于：所述管形导管(2)主要由单个导管(8)的连续部分构成，所述部分通过与所述导管(8)成一体的连接弯管接头(9)彼此连接，并且所述散热片(4)具有至少一个基本U形座(12)用于安装所述管形导管(2)，所述散热片(4)在管形导管(2)的下游彼此横向连接在所述座(12)端部(12b)。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中散热片(4)设置在用于安装管形导管(2)的所述座(12)的所述端部(12b)，所述散热片(4)具有一对沿所述座(12)的所述端部(12b)垂直于散热片(4)延伸一预定长度的凸缘(13a、13b)，所述凸缘(13b)具有预定宽度，并且其中散热片(4)通过所述凸缘(13a、13b)在管形导管(2)下游彼此横向连接。

3.如权利要求2所述的热交换器，其中用于安装管形导管(2)的座(12)至少部分沿圆周方向具有套圈(14)，所述套圈垂直于散热片(4)延伸并具有预定宽度，所述套圈(14)与所述凸缘(13a、13b)连接并成整体。

4.如权利要求1-3任一所述的热交换器，其中散热片(4)的相对部分具有一对垂直于散热片(4)延伸并具有预定宽度的侧壁(15a、15b)，通过所述侧壁(15a、15b)在管形导管(2)的相对部将散热片(4)彼此横向连接。

5.如权利要求1所述的热交换器，进一步包括沿节距方向使散热片(4)彼此间隔的部件。

6.如权利要求4所述的热交换器，其中：

散热片(4)的凸缘(13a、13b)相对于散热片的架体构成90°至105°的角度(α₁)，以及

侧壁(15a、15b)相对于散热片(4)的架体构成80°至105°的角度(α₂)。

7.如权利要求1所述的热交换器，其中散热片(4)具有用于安装管形导管(2)的多个基本U形座(12)，并具有至少一个在散热片(4)架体(11)内的所述座(12)之间形成的加强部(16、17)，以便提高气体流入所述气体通道(5)的紊流度。

8.如权利要求1所述的热交换器，进一步包括一对与所述导管(8)相对端部相连的快速连接接头(10a、10b)。

9.用于气液热交换器的散热片(4)，包括：具有至少一个用于安装管形导管(2)的座(12)的板形架体(11)，其中限定了供交换器(1)中液体循环的流道(3)，

其特征在于：用于安装管形导管(2)的座(2)为基本U形，并且其端部(12b)具有一对凸缘(13a、13b)，所述凸缘(13a、13b)具有预定宽度并距所述端部(12b)预定长度垂直于散热片(4)延伸。

10.如权利要求9所述的散热片(4)，其中用于安装管形导管(2)的座(12)至少部分沿圆周方向具有套圈(14)，套圈(14)垂直于散热片(4)延伸并具有预定宽度，所述套圈(14)与所述凸缘(13a、13b)连接并成整体。

11.如权利要求9所述的散热片(4)，其中板形架体(11)的相对端部具有一对侧壁(15a、15b)，所述侧壁垂直于所述架体(11)延伸并具有预定宽度。

12.如权利要求9所述的散热片(4)，其中所述板形架体(11)具有用于安装管形导管(2)的多个基本U形座(12)，并具有在所述架体中的所述安装座(12)之间形成的至少一个加强部(16、17)。

13.水加热装置，包括如权利要求1-8任一所述的热交换器。

14.制造如权利要求1-8任一所述的气液热交换器的方法，其特征在于其包括步骤：

提供由多个圆柱形基本直线性管形导管(2)构成的具有预定长度导管(8)，所述管形导管(2)通过整体形成在所述导管(8)中的连接弯管接头(9)彼此连接起来；

沿预定长度的一部分横向压制所述圆柱形管形导管(2)，从而在所述部分形成基本相互平行的校正相对侧(2a、2b)

安装部分校正部分从而获得如权利要求9-12任一所述的多个散热片(4)；

横向扩张所述部分的所述校正相对侧(2a、2b)，从而使所述部分具有基本椭圆横截面，所述横截面与形成在散热片(4)中的各个安装座(12)下部(12a)的形状基本匹配；

以稳定方式将散热片4与管形导管(2)相连。

15.如权利要求14所述的方法，其中通过塑性变形完成管形导管(2)的所述压制和横向扩张的步骤。

16.如权利要求14所述的方法，其中通过钎焊完成稳定连接散热片(4)和管形导管(2)的步骤。

17.如权利要求14所述的方法，进一步包括步骤：将一对快速连接接头(10a、10b)连接到所述导管(8)的相对端部(8a、8b)。

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