CN103900401B - 一种凸起密度变化的翅片管散热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种翅片管散热器，散热器包括翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片、第三翅片和第四翅片，所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，所述基管内部设有凸起，所述凸起沿着流体流动方向分布密度逐渐增加。本发明将翅片管的结构进行优化，增强流体流动方向上的换热，使其达到换热效率最大化，以节约能源，达到环保节能的目的。

Description

一种凸起密度变化的翅片管散热器

技术领域

本发明属于换热器领域，尤其涉及一种供暖用的翅片管散热器。

背景技术

家庭供暖的终端设备，热源一般为城市集中供暖、小区自建锅炉房、家用壁挂炉等，通过热传导、辐射、对流把热量散热出来，让居室的温度得到提升。

散热器中，目前广泛的适用翅片管散热器，通过翅片可以扩大散热面积，增强换热效果，但是翅片管的散热器类型、以及翅片管参数的设定都影响者散热效果的好坏，而且目前在能源危机的情况下，急需要节约能源，满足社会的可持续发展，因此需要开发一种新的翅片管，同时需要将翅片管的结构进行优化，使其达到换热效率最大化，以节约能源，达到环保节能的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新的圆弧型封闭式翅片管散热器。

   为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种封闭式结构的翅片管散热器，包括上集管、下集管和连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为圆弧型金属板；第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间；所述圆弧形金属板的圆心所在的中心轴线与基管的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行；相邻基管的第一翅片互相平行。

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a*(L/R)²+b*(L/R)+c

H/(R*10)= e*Sin(A/2) ²-f*Sin(A/2)+h其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，12mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，800mm<R<1200mm,

a、b、c、e、f、h为系数，a的范围为0.04-0.042，b的范围为0.266-0.28,c的范围为0.36-0.37，e的范围为21-23，f的范围是44-45，h是23-25。

参数的最佳结果为：a为0.0412,b为0.02715，c为0.03628， e为22，f为44.37，h为23.86。

作为一个优选，相邻基管中心轴线之间的距离为S=d*（L+R）*sin(A/2)，其中d为1.1-1.2。

d的优化结果是1.118。

所述基管和翅片的材料是铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：3.0％ Cu ，1.9％ Mg ，1.6％ Ag ，0.6％ Mn ，0.25％ Zr ，0.3％ Ce ，0.23％ Ti，0.38％ Si，其余为 Al 。

所述基管的管内部设置防腐层，基管的外部涂覆耐磨层，防腐层、基管以及耐磨层的热膨胀系数依次增加。

所述散热器还包括控制系统，所述控制系统根据室内温度控制进入散热器中水的流速。

所述控制系统包括：温度传感器、流量控制器和中央控制器，流量控制器控制进入散热器的流速；所述温度传感器用于测量室内温度，当室内温度达到第一温度时，中央控制器控制流量控制器达到第一流速，当室内温度达到高于第一温度的第二温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第一流速的第二流速，当室内温度达到高于第二温度的第三温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第二流速的第三流速，当室内温度达到高于第三温度的第四温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第三流速的第四流速；当室内温度达到高于第四温度的第五温度时，中央控制器将流量控制器关闭，阻止水进入散热器。

所述防腐层由如下成分组成：

片状锌粉8.3％，氧化铝为8％，硼酸为7.3％，丙烯酸为0.7％，润湿分散剂为0.4％， 增稠剂为0.15％，消泡剂为0.23％，余量的水。

所述润湿分散剂为平平加系列中的SA-20，所述的增稠剂选用羟乙基纤维素；所述的消泡剂选用磷酸三丁酯。

在基管的轴向上靠近上集管和下集管的部分没有翅片。

基管靠近下集管的部分的没有翅片的部分的长度要大于靠近上翅片的没有翅片部分的长度。

上集管内流体的流通面积沿着流体流动方向逐渐减小。

上集管的内部设置导流板，所述导流板从散热器入口管的位置向上集管的下部倾斜延伸。

上集管的上部壁面从散热器入口管的位置向上集管的下部倾斜延伸。

导流片的形状是直板形状或者弧形板的形状。

与现有技术相比较，本发明太阳能热水器具有如下的优点：

1）本发明提供了一种新的翅片管，而且因为翅片管的翅片的延伸线与基管的圆心重合，从而使得换热效果达到最好。

2）本发明通过多次试验，设计了不同管径、不同高度、夹角的翅片进行试验，从而得到一个最优的翅片优化结果，并且通过试验进行了验证，从而证明了结果的准确性。

3）通过对铝合金的组分的质量百分比的合理分配，提高翅片管的高耐热性和高导热性。

4）防腐层、基管以及耐磨层的热膨胀系数依次增加，保证在通热水的时候，各层的膨胀率相同，保证各层的紧密结合，防止脱落。

5）通过控制系统，自动控制进入散热器的水的流速，保持室温达到一个稳定的数值。

6)通过在基管的轴向上靠近上集管和下集管的部分没有翅片，保证了基管下部的空气能够顺利进行翅片管的空隙中，达到了好的抽吸效果，同时也能保证空气技术的向上部对流，增加对流换热的效果。

7）通过基管靠近下集管的部分的没有翅片的部分的长度要大于靠近上翅片的没有翅片部分的长度，可以增加对流效果。

8）通过上集管内流体的流通面积的逐渐缩小，使得流体流量流速保持最大，强化传热。

附图说明

图1是本发明散热器的示意图；

图2是翅片管的横截面示意图；

图3是散热器控制系统的示意图；

图4是图3从左侧看的示意图；

图5是具有导流板的散热器示意图；

图6是上集管截面积逐渐收缩的散热器示意图。

附图标记如下：

1上集管，2基管中没有翅片的部分，3下集管，4翅片管，5基管，6水第一翅片，7空隙部分，8第一连接片，9第二翅片，10第四翅片，11第三翅片，12第二连接片，13 中央控制器，14 流量控制器，15 温度传感器，16温度传感器，17 散热器，18 入口管，19出口管，20 导流板，21 上集管上表面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

一种封闭式结构的翅片管散热器17，包括上集管1、下集管3和连接上集管1和下集管3的翅片管4，所述翅片管4包括圆形基管5和第一翅片6、第二翅片9，第一翅片6和第二翅片9设置在基管5的外部并且第一翅片6和第二翅片9的延长线相交于基管5的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片6和第二翅片9沿着通过基管中心轴线的第一平面B镜像对称；所述翅片管包括第三翅片11和第四翅片10，所述第三翅片11、第四翅片10沿着第二平面C分别与第一翅片6和第二翅片9镜像对称，所述第二平面C与第一平面B垂直而且经过基管5的中心轴线；所述第一翅片6和第二翅片9之间设置第一连接片8，所述第三翅片11和第四翅片10之间设置第二连接片12，第一连接片8和第二连接片12为圆弧型金属板；所述圆弧形金属板的中心轴线与基管5的中心轴线重合；所述基管为直管，所述相邻的基管的中心轴线互相平行。

优选的是，相邻基管的第一翅片互相平行，表示相邻基管的第二翅片也互相平行， 同理，第三翅片、第四翅片也互相平行。此特征表明翅片管是按照相同方向排列的。

需要解释的是，如图2所示，基管的中心轴线就是基管5的横切面上的圆心点的集合形成的一条线，圆弧形金属板的中心轴线就是横切面上圆弧形金属板的圆心点的集合形成的一条线。所述圆弧形金属板的中心轴线与基管5的中心轴线重合就是指在横切面上，圆弧形金属板和基管是同心圆。

优选的是，所有翅片管的尺寸都相同。

通过上述的设置，使得翅片与连接片之间形成一个空隙部分7，在对流换热的时候，空隙部分7就形成了一种烟筒效应，能够增强换热。

第一翅片、第二翅片与相邻翅片管的第三翅片和第四翅片形成空间，该空间形成一定的空隙，能够形成烟筒效应，加强对流，强化传热。

所述第一翅片6和第二翅片9之间的夹角为A，第一翅片6和第二翅片9的长度为L，基管的外半径为R，当然，因为镜像对称，第三翅片11和第四翅片10的长度也自然是L。但是在实践中发现，换热过程中.如果翅片夹角过小，则会阻碍换热，因为翅片夹角过小的话，导致第一翅片、第二翅片的距离太近，则温度边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，气体温度接近管壁温度而逐渐接近热饱和，流动阻力增大，最终反而恶化换热,外翅片的优势发挥不出来，同样的原因，随着夹角的不断地增大，使得连接片距离基管的距离原来越近，同样使得温度边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，气体温度接近管壁温度而逐渐接近热饱和，流动阻力增大，最终反而恶化换热，因此夹角具有一个最佳值。

对于翅片长度，如果太长，则因为基管的热量无法及时到达翅片的端部或者即使达到效果也不明显，如果太短，则扩展换热面积太小，无法达到一个好的换热效果，因此翅片的高度也有一个最佳值。

对于两个翅片管之间的距离，首先如果距离太近或者完全靠近，则两个翅片管的连接片之间距离的空间（参见图1）太小，则空气无法通过翅片之间的间隙进入翅片管之间形成的空隙，此时的换热只能依靠从散热器底部进入空气，无法达到很好的对流换热效果，同样的原因，如果距离太远，则翅片管的第一第二第三第四翅片无法形成有效烟筒效果的空隙，从而导致换热效果变差，因此对于两个翅片管之间的距离也需要一个合适的数值。

如图4所示，对于翅片沿着基管5轴向上的高度H，也需要具有一个合适的数值，如果翅片高度太高，则在翅片的上部，因为边界层在封闭区域内随着基管高度的方向上开始重合，导致换热的恶化，同理，高度太低，则换热没有充分发挥，从而影响换热效果。

因此，本发明是通过多个不同尺寸的散热器的试验数据总结出的最佳的散热器的翅片管的尺寸关系。因为翅片管还有夹角A、翅片长度L、翅片高度H这三个变量，因此，引入两个无量纲量sin(A/2)、L/R、H/R，这里R是基管的半径，从换热效果中的散热量最大出发，计算了近200种形式。所述的尺寸关系如下：

    所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，上述四者的关系满足如下公式：

Sin(A/2)=a×(L/R)²+b×(L/R)+c

H/(R×10)= e×Sin(A/2) ²-f×Sin(A/2)+h其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，12mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，800mm<R<1200mm,

a、b、c、e、f、h为系数，a的范围为0.04-0.042，b的范围为0.266-0.28,c的范围为0.36-0.37，e的范围为21-23，f的范围是44-45，h是23-25。

通过计算结果后再进行试验，通过计算边界以及中间值的数值，所得的结果基本上与公式相吻合，误差基本上在4%以内，最大的相对误差不超过6%，平均误差是2%。；

系数优化的最佳结果是：a为0.0412,b为0.02715，c为0.03628， e为22，f为44.37，h为23.86。

优选的是，相邻基管中心轴线之间的距离为S=d×（L+R）×sin(A/2)，其中d为1.1-1.2。

如图2所示，相邻基管中心轴线之间的距离就是横切面上两个基管圆心之间的距离。

d的优化结果是1.118。

基管和翅片的材料是铝合金，所述铝合金的组分的质量百分比如下：3.0％ Cu ，1.9％ Mg ，1.6％ Ag ，0.6％ Mn ，0.25％ Zr ，0.3％ Ce ，0.23％ Ti，0.38％ Si，其余为 Al 。

铝合金的制造方法为：采用真空冶金熔炼，氩气保护浇注成圆坯，经过600℃均匀化处理，在400℃，采用热挤压成棒材，然后再经过580℃固溶淬火后，在200℃进行人工时效处理。导热系数为大于250W/(m*k）。

基管和翅片可以一体制造，也可以分体制造，基管和翅片也可以是不同的材料，例如基管是前面提到的铝合金，翅片则可以采用其他合金，其中其他合金组成如下：

质量百分比如下Ni 30％；Cr  20％；Al  6％；C 0.03％；B 0.016％； Co  2％； Ti 3％；Nb 0.1％；La 0.2%；Ce0.2％；Fe余量。

合金的制造方法为：通过在真空感应炉中按照电热合金的成分熔炼浇注成锭，然后在1200℃-900℃将合金锭热锻成棒材，在1200℃-900℃热轧成盘材，再在室温冷拔成不同规格的丝材。

经测试，上述合金具有很高的导热系数。

所述基管5的管内部设置防腐层，基管的外部涂覆耐磨层，防腐层、基管以及耐磨层的热膨胀系数依次增加。之所以如此设置是因为在供热的过程中，翅片管的内部的防腐层先受热，先膨胀，然后依次向外是第二层、第三层受热膨胀，因此从内向外三层膨胀次数依次增加可以保证膨胀率基本保持一致，保证各层连接的紧密性和稳定性。

如图3所示，所述散热器还包括控制系统，所述控制系统根据室内温度控制进入散热器中水的流速。

所述控制系统包括：温度传感器（图3中没有示出）、流量控制器14和中央控制器13，流量控制器14控制进入散热器的水的流速；所述温度传感器用于测量室内温度，当室内温度低于第一温度时，流量控制器全部打开，当室内温度达到第一温度时，中央控制器控制流量控制器达到第一流速，第一流速要低于全部打开的流速，当室内温度达到高于第一温度的第二温度时，中央控制器控制流速达到低于第一流速控制器的第二流速，当室内温度达到高于第二温度的第三温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第二流速的第三流速，当室内温度达到高于第三温度的第四温度时，中央控制器控制流量控制器达到低于第三流速的第四流速；当室内温度达到高于第四温度的第五温度时，中央控制器将流量控制器关闭，阻止水进入散热器。

第五温度就是出于很高的温度，例如25度以上，第一温度就是较低温度，例如15度以下。通过上述的设置，可以根据温度控制散热器的更热量，达到节约能源的效果，尤其是下一步要发展根据热量计费，因此必然会受到欢迎。

此外，可以设置温度传感器15、16用来测量进入和出去散热器的水的温度。

所述控制系统可以是一个单片机，可以设置控制面板，控制面板设置在散热器的上部或者下部，也可以设置在进入散热器的管道上。

所述防腐层是由涂覆防腐涂料生成，防腐涂料由如下成分组成：片状锌粉8.3％，氧化铝为8％，硼酸为7.3％，丙烯酸为0.7％，润湿分散剂为0.4％， 增稠剂为0.15％，消泡剂为0.23％，余量的水。

一种制备上述水性防腐涂料的方法，该方法按照以下步骤实施，

a、按涂料总质量百分比，分别称取一定量的水、0.4％的润湿分散剂和0.23％的消泡剂，然后混合到一起，充分搅拌使之溶解制成涂料混合液A1，再向混合液A1中加入占涂料总质量的8.3％的片状金属粉，搅拌均匀制成涂料混合液A2；

b、按涂料总质量百分比，称取7.3％硼酸，组成混合液，加入到20％～40％的水中充分溶解制成无机酸混合液B1，再向

混合液B1中加入8％的氧化物粉，搅拌至无沉淀制成无机酸混合液B2；

c、按涂料总质量百分比，称取0.7％的丙稀酸，加入到5％～15％的水中，充分搅拌均匀制成还原剂混合液C；

d、按涂料总质量百分比，称取0.15％的增稠剂羟乙基纤维素，加入到2.5％～15％的水中，搅拌至溶解呈半透明状且无凝胶出现即停止搅拌制成增稠剂混合液D；

e、将配制的无机酸混合液B2加入到涂料混合液A2中，然后加入还原剂混合液C配制量的1/5～1/2，边搅拌边加入增稠剂混合液D，再加入余量的水，继续搅拌30～90分钟，直到涂料混合液均匀一致无团聚颗粒为止，最后再加入剩余的还原剂混合液C，再搅拌10～40分钟，即得。

该种涂料通过喷涂、刷涂、浸涂施涂于翅片管表面，80±10℃烘干10～60分钟，280±40℃固化烧结30～60分钟，形成良好耐蚀涂层。

所述润湿分散剂为平平加系列中的SA-20，所述的增稠剂选用羟乙基纤维素；所述的消泡剂选用磷酸三丁酯。

如图1所示，在基管5的轴向上靠近上集管和下集管的部分没有翅片。这样可以保证下部的空气能够进入翅片之间形成的空隙中，同时从空气上部出来，加强对流效果。

如图4所示，基管5靠近下集管的部分的没有翅片的部分的长度要大于靠近上翅片的没有翅片部分的长度。主要因为是下部空气面密度大，可以保证更多的空气的进入，上部空气密度小，空气更容易上升，因此可以保持空气进入和出去翅片管量基本保持一致。

优选的，下部没有翅片的部分的长度占基管5的长度的5%，上部没有翅片的部分的长度占基管5的长度的3%。

基管5的内壁可以设置翅片，例如可以设置直翅片或者螺旋翅片，所述翅片的高度可以随着流体流动的方向上逐渐增大，最高的翅片高度是最低的1.05-1.1倍。主要原因是随着流体流动的方向，流体的温度逐渐下降，使其换热效果逐渐降低，通过增加内部翅片的高度设置不同，可以增强流体流动方向上的换热，从而使得换热效果沿着流体流动方向整体上保持一致。

基管5的内壁上设置有凸起，用于强化传热，所述凸起的分布按照一定的规律。优选的是，沿着流体的流动方向，凸起的分布越来越密，这样，是随着流体流动的方向，流体的温度逐渐下降，使其换热效果逐渐降低，通过增加内部翅片的凸起的密度，可以增强流体流动方向上的换热，从而使得换热效果沿着流体流动方向整体上保持一致。优选的另一个方式是凸起的高度随着流体流动的方向上逐渐增大，其中最高的是最低的1.06-1.18倍。与前面的换热原理相同，主要原因是随着流体流动的方向，流体的温度逐渐下降，使其换热效果逐渐降低，通过增加内部凸起的高度设置不同，可以增强流体流动方向上的换热，从而使得换热效果沿着流体流动方向整体上保持一致。

因为上集管内沿着流体的流动方向上，流体的流动压力越来越小，从而使的翅片管内的流体的分配不均匀，使得后部翅片管内的流体流速下降，因此为了保证上集管内的流体的压力保持不变，本发明设计了使得上集管1内流体的流通面积沿着流体流动方向逐渐减小，这样可以使得进入翅片管中的流体的流速尽量保持的大，尤其是位于流体流动下游的翅片管，从而强化传热。

作为一个优选的实施例，如图5所示，上集管1的内部设置导流板20，所述导流板20呈倾斜状态，从上集管1的上部一直延伸到上集管1的下部，使得上集管的流体流通面积从散热器入口管18开始逐渐减少，这样可以保证上集箱沿着流体流动方向上的压力保持一致性，从而使得进入翅片管中的流体的流速尽量保持的大，从而强化传热。

导流片20与上集管的左右两个壁面连接，其中在右壁面，散热器入口管18和上集管1相连接的位置处，导流板20位于入口管与集热器连接处的上部。

导流片20与上集管1的底壁形成的夹角在15-35°之间最为合适，此时的整个上集管1的压力分配最为合适。

导流片的形状可以是直板形状，也可以是弧形板的形状。

作为一个可以代替的实施例，可以取消导流片，直接将上集管1的上部壁面21设置为倾斜状，如图6所示，从入口管的位置向着上集管1的下部倾斜延伸，从而使得上集管1内，沿着流体的流动方向，流体流通面积从散热器入口管18开始逐渐减少。

上集管的上部可以是直板状的，也可以是弧形结构。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (1)

1.一种散热器，包括上集管和下集管以及连接上集管和下集管的翅片管，所述翅片管包括圆形基管和第一翅片、第二翅片，第一翅片和第二翅片设置在基管的外部并且第一翅片和第二翅片的延长线相交于基管的圆心所在的基管的中心轴线，第一翅片和第二翅片沿着通过基管中心轴线的第一平面镜像对称；所述翅片管包括第三翅片和第四翅片，所述第三翅片、第四翅片沿着第二平面分别与第一翅片和第二翅片镜像对称，所述第二平面与第一平面垂直而且经过基管的中心轴线；所述第一翅片和第二翅片之间设置第一连接片，所述第三翅片和第四翅片之间设置第二连接片，第一连接片和第二连接片为圆弧型金属板；第一翅片、第三翅片与相邻翅片管的第二翅片和第四翅片形成空间；所述圆弧形金属板的圆心所在的中心轴线与基管的中心轴线重合；

上集管的内部设置导流板，所述导流板从散热器入口管的位置向上集管的下部倾斜延伸，使得上集管内流体的流通面积沿着流体流动方向逐渐减小；

所述第一翅片和第二翅片之间的夹角为A，第一翅片和第二翅片的长度为L，基管的外半径为R，沿着基管轴向上的翅片高度H，满足如下公式：

Sin(A/2)=a×(L/R)²+b×(L/R)+c

H/(R×10)= e×Sin(A/2) ²-f×Sin(A/2)+h；

其中，A单位为角度，60°<A<110°,

L的尺寸为mm，12mm<L<80mm,

R的单位为mm，10mm<R<80mm,

H的单位为mm，800mm<H<1200mm,

a、b、c、e、f、h为系数，a的范围为0.04-0.042，b的范围为0.266-0.28,c的范围为0.36-0.37，e的范围为21-23，f的范围是44-45，h是23-25；

其特征在于，基管的内部设置有凸起，沿着流体的流动方向，凸起的分布越来越密。