换热片及采用该换热片的片式空气热交换器

摘要

本发明涉及一种换热片及采用该换热片的片式空气热交换器，换热片是由基片及设置其上的纵横交叉排列的若干个凸、凹壳式单元构成的金属箔模压件，其特征在于所述凸、凹壳式单元是以中心脊棱为对称的凸、凹多面体壳，其中心脊棱与换热片的与进风方向平行的侧边的夹角为+α或－α，α值为10°～45°；片式空气热交换器的特征在于采用上述换热片，多层换热片以相邻两层间的凸、凹多面体壳的中心脊棱交叉相抵层叠罗列、依次以相邻两层换热片相应的一侧邻接边或对称的另一侧邻接边交替连接构成热交换器芯；在热交换器芯外部套装导流固装箱。本发明的有益效果是：风量大，换热效率高，防护性能好，结构紧凑，体小量轻，适用于户外电气机柜。

说明书

技术领域

本发明涉及空气热交换器技术领域，尤其涉及一种适用于户外电气机柜用的风量大，换热效率高的换热片及采用该换热片的片式空气热交换器。

背景技术

片式空气热交换器作为空气-空气热交换装置，应用于空调机、排气余热回收装置及户外电气机柜等场合。其结构一般由多层方形换热片叠置，并以相邻层交错密封连接互相垂直的两组侧边构成互相隔离的进风道及排风道，通过冷、热空气分别与排风道及进风道表面的相对流动换热及风道间的传导换热，实现冷、热空气的热交换。为获得较高的换热效率，目前已开发出多种结构形式的产品，较普遍使用的片式空气热交换器由热交换器芯及固定机构组成，热交换器芯的换热片是由隔板及其上固定设置的翅片构成，隔板又由包括底板，底板两端垂直挡板及挡板上的封接边构成，多层换热片通过相邻层叠置、交错封接两组对边形成热交换器芯，翅片结构可增大换热面积提高热交换效率，有些产品还采用间隔设置的分段翅片、或翅片开孔的结构，这样可产生较强的紊流效果，提高对流热效率，但其缺点是翅片及隔板通过焊接及粘接连接，连接部位容易产生导热故障，影响热交换效果，且翅片及隔板的结构造型使其风阻大，很难获得足够风量，用在电气机柜中虽能调节温度但对电气机柜中的局部过热不能达到及时降温的目的，安全防护性差；另外，其结构复杂、体积大，翅片、隔板等结构件采用铝板、铜板及钢板等耗费材料，增加重量，用于户外电气机柜受到限制。

针对上述缺陷目前市场又出现一种用铜、铝等金属箔压制成的一体式换热片，该换热片是由基片及设置其上的纵横交叉排列的若干个凸、凹圆锥台构成的金属箔模压件，多层换热片以相邻两层间的外凸及内凹的圆锥台顶面相抵层叠罗列、依次以相邻层交错封闭相互垂直的两组对边连接成热交换器芯，并由框架固定，形成了相互隔离的两组互相垂直的风道，与前述带翅片的换热片相比其结构紧凑，体积小重量轻，空气阻力适当，风量增大，凸、凹圆锥台的形状具有较好紊流作用，因此换热效率提高，但经实验及实际使用观测，这种带凸、凹圆锥台的换热片仍存在结构缺陷，使用中，当气流在分布有圆锥台的风道中通过时，从圆锥台两侧流过后便流向下游，在圆锥台背面形成较大气流滞止区域，即热交换死区，降低了热交换效率；且采用圆锥台其外形与相同外形尺寸的其它构形比其表面积小，同样影响热交换效果。此外，现有的片式空气热交换器的热交换器芯在使用中其冷、热气流是沿互相垂直的方向通过风道，风扇安装在热交换器芯的两个垂直侧面，这种结构只适于安装在户外电器机柜顶部，对于安装在机柜壁、门上的热交换器，则因电器宽度空间有限，换热片又不宜沿与机柜壁、门表面垂直的方向延伸，因此要求风扇沿立壁安装在热交换器芯的上下两侧。总之，随着电子、通讯、电力事业的发展，对于通讯基站、监控系统的一些安置在户外的电气机柜，鉴于机柜内设备多，功耗大为避免形成局部过热，需要热交换器提供更大的风量以提供更高的防护，市场亟待大风量、高换热效率及高防护等级的热交换器的问世。

发明内容

本发明的主要目的是针对上述现有技术的缺陷及户外的电气机柜的散热需要：1.提供一种优于现有带凸、凹圆锥台换热片的风量更大，换热效果更好的新型换热片；2.提供一种应用上述新型换热片的适宜户外电气机柜壁装及门装的片式空气热交换器。

本发明的设计思想是将现有的带翅片换热片的结构与带凸、凹圆锥台的凸、凹换热片的结构相结合，依据实现高换热效率要求换热片的结构应具有较大换热面积，适当的风阻，形成较强紊流的原则，同时确保金属箔结构的刚度及结合稳定度，提出一种新型换热片及应用该换热片的片式空气热交换器。具体解决现有技术问题的技术方案是：

一种换热片，是由基片及设置其上的纵横交叉排列的若干个凸、凹壳式单元构成的金属箔模压件，其特征在于所述的凸、凹壳式单元是以中心脊棱为对称的凸、凹多面体壳，其中心脊棱与换热片的与进风方向平行的侧边的夹角为+α或-α。

所述的α值为10°～45°。

所述的换热片的基片上带有棱纹，棱纹与换热片的与进风方向平行的侧边垂直。

所述的换热片为正方形、长方形或边数多于四边的偶数边多边形。

一种采用权利要求1所述的换热片的片式空气热交换器，包括由多层平行叠置的换热片构成的热交换器芯及固定机构，换热片是由基片及设置其上的纵横交叉排列的若干个凸、凹壳式单元构成的金属箔模压件，多层换热片以相邻两层间的凸、凹多面体壳式单元的顶部相抵层叠罗列、依次以相邻层交错封闭不同侧边连接成整体，并形成相互隔离的两组风道，其特征在于所述的凸、凹壳式单元是以中心脊棱为对称的凸、凹多面体壳，其中心脊棱与换热片的与进风方向平行的侧边的夹角为+α或-α；多层换热片以相邻两层间的凸、凹多面体壳的中心脊棱交叉相抵层叠罗列、并由首层至尾层以相邻两层换热片相应的一侧邻接边及对称的另一侧邻接边交替密封连接构成热交换器芯，同时形成相互隔离的两组敞口风道；在热交换器芯外部套装形状与其匹配且与风道对应设有进风窗口和出风窗口的导流固装箱。

所述的α值为10°～45°。

所述的换热片的基片上带有棱纹，棱纹与换热片的与进风方向平行的侧边垂直。

所述的换热片为正方形、长方形或边数多于四边的偶数边多边形。

本发明的有益效果是：

由于换热片采用了带有若干个外凸及内凹的以中心脊棱为对称的多面体壳的金属箔模压件，其多面体壳表面使换热面积增大，其中心脊棱与换热片的与进风方向平行的侧边的夹角为+α或-α，具有10°～45°的倾斜角度，在使用中均可使紊流加强，尤其金属箔基片设有与进风方向平行的侧边垂直的棱纹，起到增加散热面积、加强紊流、提高刚度的作用；应用该换热片的片式空气热交换器，相邻两片换热片间相抵的两多面体壳的中心脊棱在抵靠部位呈交叉状，抵靠部位只存在很小的接触面趋近于一个接触点，使风道中心处的气流得到很好的混合并不产生换热滞止区域，消除了换热死点，并由于多方向折面的折流使从其间流过的空气能产生较好的扰流，从而形成大风量、高换热效率；此外，本发明提供出一种采取换热片的邻接边封合的形式，结合具有固定及导流双重作用的导流固装箱结构，使换热器芯的换热片与机柜壁、门垂直方向设置，两风道处于平行空间，风扇可相对设置，尤其还可采用如六边形等其它形状，便于随形利用有限空间，达到合理结构设置。综上所述，与现有技术比，本发明风量增大，换热效率提高，可有效杜绝机柜内局部过热带来的危害，防护性能好，且结构紧凑、体积小、重量轻，尤其适用于户外电气机柜。

附图说明

图1是换热片的主视结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1中的凸、凹多面体壳中心脊棱的倾斜角度示意图(图中棱纹省略)；

图4是相邻两换热片的凸、凹多面体壳中心脊棱交叉相抵组装的主视结构示意图；

图5是图4的B-B剖视图；

图6是图4中相邻两换热片的中心脊棱交叉相抵的凸、凹多面体壳的位置示意图(图中棱纹省略)；

图7是片式空气热交换器芯的换热片密封连接的结构示意图；

图8是片式空气热交换器整体结构及工作原理示意图；

图9昌片式空气热交换器装于电气机柜侧壁的安装结构示意图；

图10是不同工况下两种片式空气热交换器内风道压降变化曲线；

图11是不同工况下两种片式空气热交换器换热量变化曲线；

图12是考虑风机性能曲线后两种片式空气热交换器换热量变化曲线。

结合附图和实施例对本发明详细说明。

具体实施方式

实施例1

图1是换热片的主视结构示意图；图2是图1的A-A剖视图；图3是图1中的凸、凹多面体壳中心脊棱的倾斜角度示意图。图1-图3示出一种换热片1，是由基片5及设置其上的纵横交叉排列的若干个凸、凹壳式单元构成的金属箔模压件，其特征在于所述的凸、凹壳式单元是分别以中心脊棱2-1、3-1为对称的凸、凹多面体壳2、3，其中心脊棱2-1、3-1与换热片1与进风方向平行的侧边4-1的夹角为+α或-α，α值为10°～45°，图3中点划线为与换热片1的与进风方向平行的侧边4-1平行的线，本例中α值为15°。换热片1的基片5上带有棱纹5-1，棱纹5-1与换热片1的与进风方向平行的侧边4-1垂直。所述的换热片1可为正方形、长方形或边数多于四边的偶数边多边形，本实施例采用了长方形换热片1。上述的倾斜角度α，可使换热片1在用于空气热交换器中时加强紊流，尤其金属箔基片上设有与与进风方向平行的侧边4-1垂直的棱纹5-1，起到增加散热面积、加强紊流、提高刚度的作用；上述金属箔采用厚度为0.1-0.2mm的铜箔或铝箔，凸、凹多面体壳2、3的长度为10-30mm，高度为1.5-8mm，多面体折面的数量可为4、6、8或更多，相邻凸、凹多面体壳2、3间的水平或垂直距离为15-60mm，可并列或交错置位。如图3所示，在实际制作中，为实现用相同换热片1制作热交换器芯，换热片1的凸、凹多面体壳2、3的分布应设计成当将第二层换热片1沿基片5的平面旋转180°与第一层换热片贴合时，第一层换热片的凹多面体壳3的中心脊棱3-1与第二层换热片的凸多面体壳2的中心脊棱2-1正好交叉相抵。

实施例2

图4是相邻两换热片的凸、凹多面体壳中心脊棱交叉相抵组装的主视结构示意图；图5是图4的B-B剖视图；图6是图4中相邻两换热片的中心脊棱交叉相抵的凸、凹多面体壳的位置示意图；图7是片式空气热交换器芯的换热片密封连接的结构示意图；图8是片式空气热交换器整体结构及工作原理示意图；图9是片式空气热交换器装于电气机柜侧壁的安装结构示意图。图8示出一种采用实施例1所述的换热片1的片式空气热交换器，包括由多层平行叠置的换热片1构成的热交换器芯19及固定机构，换热片1是由基片5及设置其上的纵横交叉排列的若干个凸、凹壳式单元构成的金属箔模压件，多层换热片1以相邻两层间的凸、凹多面体壳式单元的顶部相抵层叠罗列、依次以相邻层交错封闭不同侧边连接成热交换器芯整体，并形成相互隔离的两组风道，本发明的特征在于上述的换热器芯19是由实施例1所述的换热片1构成，上述的凸、凹壳式单元是以中心脊棱2-1、3-1为对称的凸、凹多面体壳2、3，其中心脊棱2-1、3-1与换热片1的与进风方向平行的侧边4-1的夹角为+α或-α，α值为10°～45°；换热片1的基片5上带有棱纹5-1，棱纹5-1与换热片1的与进风方向平行的侧边4-1垂直；换热片1的形状可为正方形、长方形或边数多于四边的偶数边多边形，本例中采用了实施例1中的长方形换热片1；多层换热片1以相邻两层间的凸、凹多面体壳2、3的中心脊棱2-1、3-1交叉相抵层叠罗列、并由首层至尾层以相邻两层换热片相应的一侧邻接边4-1、4-4与4-3、4-2及对称的另一侧邻接边4-1、4-4与4-3、4-2交替密封连接构成热交换器芯19，同时形成相互隔离的两组敞口风道20、21；在热交换器芯19外部套装形状与其匹配且与敞口风道20、21对应设有进风窗口14和出风窗口15的用于导流及固定换热片1的导流固装箱16。

如图4-图5所示，在实际制作中，相邻两片换热片设计成用相同的换热片1，当将第二层换热片1沿基片5的平面旋转180°与第一层换热片贴合时，第一层换热片的凹多面体壳3的中心脊棱3-1与第二层换热片的凸多面体壳2的中心脊棱2-1正好交叉相抵，依此类推，与第一层同向置位的第三层换热片1与第二层换热片1对扣时，第二层换热另片的凹多面体壳3的中心脊棱3-1与第三层换热片的凸多面体壳2的中心脊棱2-1正好交叉相抵；这里，多面体凸、凹壳式单元2、3起到换热片1层间支撑机构作用，并保持相邻两片换热片之间的距离，距离为1.5-8mm，两片换热片之间的距离形成空气流动的风道。组装时，如图7所示，取多层长方形换热片1，相邻两层换热片1相应的一侧邻接边及对称的另一侧的邻接边交替密封连接，通过压接咬合分别形成封闭边缘8及封闭边缘9，由首层至尾层以此类推交替进行，，在压接咬合部位均涂有密封胶以保证压接咬合部位的密封连接，构成空气热交换器芯19，并形成了相互隔离的两组敞口风道20、21。由此根据不同的换热量由不同数量的换热片组装成不同体积的换热器芯19，换热量越大所需换热片越多，用此方式组装成外形为长方体的换热器芯19。在片式空气热交换器芯19外部套装形状与其匹配且与敞口风道对应设有进风窗口14和出风窗口15的导流固装箱16，导流固装箱起到导流及固定换热器芯19的作用。如图8所示，换热器芯19的一组敞口风道20的敞口朝向一端面及顶面，另一组敞口21朝向另一端面及底面，本例中导流固装箱16为与换热器芯19匹配的长方体，与换热器芯19的两组敞口风道对应，在两端面上分别开有用于引进内风12和外风10的进风窗口14、顶、底面为分别设有构成内风和外风出风窗口15的导流板22、导流板22覆盖在换热片1与进风方向平行的侧边4-1上，本例换热片1为长方形，因此导流板22也同时覆盖在换热片与进风方向平行的侧边4-3上，从而使敞口封闭，分别形成内风道17及外风道18；导流固装箱16的一对侧面23封闭。导流固装箱16棱边内侧部位填充有机硅胶，将换热器芯19固定在导流固装箱16内，并将由换热器芯和导流固装箱组装后形成的内风通道18和外风通道17可靠地隔离。在实际应用中，空气热交换器的内风道18通过进风窗口14连通电气机柜封闭的工作空间，电气机柜内的流动空气12将机柜内的热量传递到与进风窗口14接通的换热器芯的内风道18；片式热交换器的外风道17连通外界环境，换热片1是由很薄的导热性能良好的金属箔制作，换热器芯19的内风道18得到的热量能够很快传递到换热器芯的外风道17，由进风窗口14进入外风通道17的外界流动空气10通过外风道18，从导流固装箱16顶面外风出风口15排出，将热量传递到外界环境。

结合图8及图6进一步分析本发明的工作原理，图6中的点划线与换热片1与进风方向平行的侧边4-1平行，因而，相邻的两片换热片1的其中一片换热片的凹多面体壳3顶部的脊棱3-1与侧边4-1存在夹角+α，而另一片换热片的凸多面体壳2顶部的脊棱2-1与与侧边4-1存在夹角-α，本例中α为15°；这造成相邻2片换热片相抵的脊棱在抵靠部位呈交叉状，夹角为2α，即30°，本抵靠部位只存在很小的接触面，其理论上只是一个接触点即交叉脊棱相抵点7，在实际应用中，该进风是指来自电气机柜的内风或来自外部空间的外风，本发明中，换热片1的带脊棱多面体形状及其相抵的顶部脊棱3-1、2-1与空气流向形成的±a夹角，使流过支撑结构的空气能产生较好的扰流流态，使通道中心处的气流得到很好的混合，不会出现滞止区域。本发明中采取换热片1的邻接边封合，经导流固装箱16导流后，外风进风窗口14与与内风进风窗口14位于相对位置，适于安装在电气机柜壁、门上。图9示出了本发明提供的片式空气热交换器24通过热交换机机壳6安装在电气机柜13壁上，结合图8可以看出，在这种结构中换热器芯19的换热片1与机柜壁垂直方向设置，当换热片1宽度确定后，其片数的增多不会加大机柜外轮廓尺寸，两个风扇11可相对设置在热交换器25上下两端，充分利用柜壁的高度空间，尤其换热片1还可采用如六边形等其它多边形形状，更便于随形利用有限空间，达到既节省空间，又便于散热的合理结构设置。

应用效果

图10是不同工况下两种片式空气热交换器内风道压降变化曲线；图11是不同工况下两种片式空气热交换器换热量变化曲线；图12是考虑风机性能曲线后两种片式空气热交器换热量变化曲线。利用飞昂软件技术(上海)有限公司的商用流体动力学(CFD)软件中FLUENT流体动力学数值模拟软件对现有技术的凹凸圆锥台结构换热片设计方案和本发明提供的采用凹凸带脊棱多面体壳结构换热片设计方案的空气热交换器进行了温度场和速度场数值模拟。实验工况如表1所示，实验中风机转速控制系统不工作，风机在高速下运转，转速为2250转/分。与现有技术换热效果较好的凹凸圆锥台结构换热片制作的热交换器比较获得图10所示的不同工况下内风道气流循环压降变化曲线、图11的不同工况下换热器换热量变化曲线以及图12的考虑风机性能曲线后两种热交换器换热量变化曲线，总体来看，相同风量下，本发明的热交换器的换热量比现有技术热交换器提高了2％～7％；压降减小了12％左右，考虑压降变化而带来的流量变化，实际情况下，不同工况下本发明的换热量比现有技术的热交换器提高了约7.3％～15％。

实验工况表1

  内循环进风  温度(℃)  外循环进风温度(℃)  30  35  A  45  B  55  C  65  D