CN100478633C - 热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器(301，501，601)，该热交换器与热传递系统的蒸发器(201)连接，该热传递系统使用经受压缩和蒸发的工作流体。所述热交换器包括：第一管(107，507，607)，其具有第一端(303)，该第一端构造成与蒸发器的出口(204)连接以允许从出口进行流体传输；以及第二管(108，508，608)，其具有第一端，第一端构造成与蒸发器的入口连接以允许流体传输到入口。对于第一管和第二管的各自长度的一部分(109，110)，第二管布置在第一管内或者与第一管热接触，以允许所述管内的流体之间进行热交换。第一管由钢合金构成，钢合金具有减小钢硬度的合金成分，从而允许第一管在安装于热传递系统内时弯曲。

Description

热交换器
技术领域
本发明涉及与热传递系统的蒸发器连接的热交换器，包含与蒸发器相连的热交换器的热传递系统，制造热交换器的方法，以及用于热传递系统中的管。
背景技术
在家用冰箱和冷冻机中，通常包括将液态制冷剂传输到蒸发器的毛细管，以及传输来自蒸发器的气态制冷剂的铜抽吸管。并且为人公知的是，将毛细管和抽吸管(回气管)的长度的一部分布置在一起以形成热交换器。因此，从蒸发器输出的制冷流体被传输到蒸发器的流体加热，传输到蒸发器的流体同样被从蒸发器返回的流体冷却。
这种结构的问题在于，用于构成抽吸管的铜的成本高。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种与热传递系统的蒸发器连接的热交换器，该热传递系统使用经受压缩和蒸发的工作流体，所述热交换器包括：第一管，其具有第一端，该第一端构造成与蒸发器的出口连接以允许从所述出口进行流体传输；以及第二管，其具有第一端，该第一端构造成与蒸发器的入口连接以允许流体传输到所述入口，其中，对于所述第一管和所述第二管的各自长度的一部分，所述第二管布置在所述第一管内或者与所述第一管热接触，以允许所述管内的流体之间进行热交换，所述第一管由钢合金构成，并且所述钢合金具有降低所述钢的硬度以促进弯曲的合金成分，从而允许所述第一管在安装于热传递系统内时弯曲。
根据本发明的第二方面，提供一种热交换器，所述热交换器包括将液体传输到热传递系统的蒸发器的毛细管，以及传输来自蒸发器的流体的抽吸管，其中毛细管的长度的一部分固定在抽吸管的长度的一部分上，从而提供从毛细管内的液体到抽吸管内的流体的热传导，并且抽吸管包括钢合金管，至少钢合金管的所述一部分涂覆有防护涂层，所述防护层提供用于将毛细管软焊接或者硬焊接于其上的表面。
根据本发明的第三方面，提供一种用在热传递系统中的管，所述管由钢合金构成，其中按重量计碳的含量百分比小于0.03％，钛的含量百分比在0.05％和0.4％之间。
附图说明
图1示出家用制冷单元101的后部透视图；
图2示意性地示出冰箱101的热传递系统；
图3示出安装在制冷单元101内之前的热交换器301，其包括抽吸管107和毛细管108；
图4示出抽吸管107和毛细管108的焊接部分的截面；
图5示出可选热交换器501；
图6示出另一个可选热交换器601；
图7以横截面示出位于抽吸管607的焊接接缝连接部分607B和部分607C处的热交换器601的部分；
图8示出用于制造包含图3、图5或图6所示热交换器的制冷单元的步骤的流程图；
图9示出制造抽吸管的钢合金的合金元素表；和
图10示出用在弯曲实验中的管的参数以及使管弹性弯曲所需的相对力。
具体实施方式
图1：
图1示出家用制冷单元101的后部透视图。在该实施例中，制冷单元是冰箱，其具有位于其前面的门102，以便可以进入制冷区(腔)。该制冷区构造成为诸如食物、饮料等易变质物品提供冷藏。
冰箱101具有热传递系统，其将制冷区的热抽到冰箱周围的空气中。热传递系统包括位于冰箱的后下方隔箱104内的电动压缩机103、安装在后外壁113上的冷凝器105、干燥过滤单元106，以及安装在制冷区内的蒸发器(在图2中显示为201)。
冷凝器105包括与百页窗式面板112连接的曲折的管111，工作时该面板112帮助将管111的热传输到周围的空气中。
此外，热传递系统包括：抽吸管107，其具有与蒸发器的出口相连的第一端以及与压缩机103的入口相连的第二端；以及毛细管108，其具有通过干燥过滤单元106与冷凝器105的出口相连的第一端以及与蒸发器的入口相连的第二端。
毛细管108的长度的中部109固定在抽吸管107的长度的中部110，同时管107和108均具有与它们的端部相邻的自由部分，以允许与热传递系统的其它部件进行相应连接。
在制造制冷单元101的过程中，抽吸管107的第一端与蒸发器的出口连接。然后抽吸管107的第二端穿过制冷单元的后壁中的孔，并且与压缩机103连接。这个过程需要一定的手工操作，并且需要弯曲抽吸管107。传统上，抽吸管由铜制成，铜允许这种操作和弯曲由手工执行。然而，该抽吸管由钢制成，并且已经发现需要使钢具有必要的柔软度以便于进行这些手工操作。
图2：
图2示意性地示出冰箱101的热传递系统。除了压缩机103、冷凝器105、干燥过滤单元106、毛细管108和抽吸管107之外，图2还示出了位于制冷区202内的蒸发器201。
蒸发器201包括曲折的管，该管具有与毛细管108相连的入口203以及与抽吸管107相连的分开的出口204。通常，蒸发器管安装在如下板上，其帮助把制冷区202内的空气的热传递给蒸发器管。作为选择，蒸发器管可以为一组利用本领域公知的辊压接合工序形成的相连板的变形形式。
热传递系统包括制冷流体，其在常温和常压下是气体，但是可以在压力下液化。工作时，压缩机103泵送制冷剂环绕如下顺序的环路，即冷凝器105、干燥过滤单元106、毛细管108、蒸发器201，和抽吸管107。毛细管108具有通常为0.7mm的内径，该内径小于冷凝器105和蒸发器201的管内径。因此，毛细管作为对制冷剂流动的阻力，在压缩机工作时毛细管使得冷凝器105内的压力增大。
在工作时，压缩机103将非常热的气态制冷剂(通常在70摄氏度)泵送至冷凝器105内。当制冷剂经过冷凝器105时将热散发到周围的空气直到其温度降低为可以冷凝成液体(通常在大约35摄氏度)。于是，制冷剂到达毛细管时呈热液体的形式。
因此，液态制冷剂输送到蒸发器中，在这里压力比较低，于是液态制冷剂又蒸发为气体。蒸发过程需要吸收制冷剂蒸发的潜热，从而对蒸发器和制冷区有冷却效果。
然后，气态制冷剂经过抽吸管107返回至压缩机103。
如上所述，毛细管108的长度的一部分109固定在抽吸管107的长度的一部分110上，从而在该两管之间以及在两管内的流体之间发生热传导。因此，热从毛细管中的液态制冷剂传导至抽吸管中的流体。这具有两方面的有利作用。第一，来自毛细管的热被抽吸管吸收可以确保任何离开蒸发器201的残留液体在到达压缩机103之前蒸发。第二，毛细管中液态制冷剂的热散发意味着液态制冷剂在到达蒸发器的通路中温度降低。因此，进入蒸发器的液体的低温确保液体的蒸发沿着蒸发器的很大长度发生。
从而，抽吸管107与毛细管108结合而形成热交换器，这对于制冷单元101的运行具有有利影响。
在可选实施方式中，制冷单元101是家用冷冻机或者如下其它制冷单元，其利用热交换器将诸如毛细管等蒸发器流入管的热传递给蒸发器流出(抽吸)管。
图3：
图3示出安装在制冷单元101内之前的热交换器301，其包括抽吸管107和毛细管108。在组装制冷单元101之前，热交换器301形成为部件。
从而，在该实施方式中，抽吸管107的中央部分110和毛细管108的中央部分109通过焊接固定在一起，同时毛细管的第一端部302与抽吸管的第一端部303保持分开，以允许所述端部与蒸发器201的分开的入口203和出口204连接。同样，毛细管108的第二端部304与抽吸管的第二端部305保持分开，以允许所述第二端部分别与过滤单元106和压缩机103连接。
此外，在组装制冷单元101之前，通过机械使热交换器弯曲，从而减少组装过程中手工弯曲的需要。从而，在该实施例中，热交换器301提供有180°弯曲306和90°弯曲307。
图4：
图4示出抽吸管107和毛细管108的焊接部分的截面。毛细管108由铜管构成，其具有通常为0.7mm的内径。
抽吸管具有通常为4.6mm至6.6mm的相对更大的内径，并且具有0.7mm的壁厚。抽吸管的外表面在其制造过程中且在焊接两管107和108之前用锌涂层(锌镀层)401涂覆。
锌涂层401保护钢抽吸管107在使用时免遭腐蚀。此外，锌涂层401为钢抽吸管107提供如下表面，其允许焊料以可靠和可重复的方式润湿管。因此，在两个管之间产生合适的焊接圆角。
焊料402是具有97％的锡和3％的银的锡银合金焊料。然而，在可选实施方式中，焊料是锡铜合金，并且可以采用其它类似的合金。
在可选实施方式中，毛细管是硬焊接而不是软焊接于抽吸管。
图5：
图5示出图3所示热交换器的可选热交换器501。热交换器501与图3所示的热交换器301具有类似的结构，因为热交换器501具有外表面涂覆有锌的钢抽吸管507，以及铜毛细管508。然而，毛细管508通过外套管520固定于抽吸管507，在这种情形下，外套管520为热收缩材料。在该实施例中，热收缩材料包括聚烯烃材料，但是在可选实施方式中采用其它公知的热收缩材料，诸如PVC和PTFE等。
图6：
图6示出另一个可选热交换器601。热交换器601具有以三部分607A、607B和607C形成的抽吸管607，这三部分通过焊接接缝连接在一起以形成连续管。抽吸管607的中间部分607B容纳毛细管608的长度的中央部分。因此，使用时，热可以离开毛细管内的液态制冷剂、穿过毛细管壁，并且加热抽吸管内的气态/液态制冷剂。
图7：
图7以横截面示出位于抽吸管607的焊接接缝连接部分607B和部分607C处的热交换器601的部分。焊接接缝连接部分607A和607C具有类似的构造。
抽吸管的中间部分607B具有机械变形的端部702，其通过在心轴上扩大所述端部而制成。抽吸管的端部变形为具有类似锁眼形的孔。从而，端部具有放大的圆柱部分703以及偏心部分704，圆柱部分703构造成分别容纳外侧部分607A和607C的端部，偏心部分704构造成容纳毛细管608。
焊料701将部分607B、607C和毛细管608机械固定在一起，并且围绕抽吸管和毛细管密封以形成紧密结合。从而，焊接结合提供了允许毛细管进入和退出抽吸管的孔的方式。
在可选实施方式中，抽吸管形成为单一长度并且钻出孔以使毛细管可以进入和退出。在毛细管进入和退出孔的地方焊接毛细管以防止抽吸管泄漏。
图8：
图8示出用于制造包含上述热交换器的制冷单元的步骤的流程图。在步骤801，通过轧钢机使带状金属形成为管状，并且通过感应焊来填充管的缝隙。采用的带钢是含有下述合金成分的低碳带钢。
步骤801形成的管具有比所需直径更大的直径，并且在步骤802将管轧制到抽吸管的所需直径。举例来说，可以轧制11mm直径的管来制造8mm直径的抽吸管。
在步骤803，使管退火以降低其硬度，便于弯曲。步骤803的退火工序和工步801都是在线上执行。从而，在成形管从步骤801的轧钢机的轧辊形成后立即在步骤802轧制到所需尺寸，并且在步骤803退火。在优选的退火工序中，将管加热到480至800摄氏度持续5秒钟，并且在480摄氏度保持15秒。然而，在实践中，如下退火工序制造的管足够软而具有实用价值，即其中，将管加热到750摄氏度持续3秒钟，冷却至450摄氏度，并且在450摄氏度保持10秒。在下述弯曲测量中参考图10证明了可以容易地弯曲该管。
在步骤804，用防腐层涂覆管，该防腐层保护钢免于在抽吸管的工作寿命期间腐蚀。在该实施例中，涂层是一层每平方米重达至少70克的锌，根据意大利标准UNI5741-66采用热浸锌涂覆工序而涂覆。
在可选实施方式中，在步骤804，通过根据国际标准ISO 2081电镀厚度至少为12微米，然后根据国际标准ISO 4520在铬基电解液中进行黄色钝化，将锌涂层涂在管的外部。
在另一个可选实施方式中，在步骤804，通过将铝电镀在管的外部来涂覆管的外部。
在步骤804之后，在步骤805，切割管到抽吸管的所需长度，并且将铜毛细管的长度的中部与抽吸管的中部连接而形成热交换器。在该实施例中，利用包括97％的锡和3％的银的锡/银焊料沿着抽吸管的外部焊接毛细管的长度的中部。然而，可以使用诸如锡/铜焊料、锡/铜/银等可选焊料。
在图5所示可选实施方式的情形下，将毛细管与抽吸管连接的步骤805包括将两根管穿过适当长度的热收缩套管，以及随后加热套管。
在图6所示可选实施方式的情形下，切割抽吸管的三部分到所需的长度，并且使中间部分607B的端部变形。然后，使毛细管穿过中间部分，并且利用银合金将两端部定位和硬焊在中间部分的端部内。
然后，步骤805制造的热交换器在步骤806弯曲到所需的形状，以便制造成形的热交换器，例如图3、图5和图6所示的热交换器。
在步骤807，将热交换器置于制冷单元的热传递系统中。这个步骤要求在抽吸管、毛细管与蒸发器的各个端部之间进行防漏连接，然后在毛细管与过滤干燥单元之间，以及在抽吸管和压缩机之间进行防漏连接。在步骤807中，通常要求进一步手工弯曲热交换器，因此抽吸管由容易弯曲的材料制成是有利的。
在上述各个实施方式中，毛细管是铜管。然而，在可选实施方式中，毛细管是铝管或者其它金属毛细管。
图9：
抽吸管由低碳钢构成，具有：碳含量按重量计小于0.03％；锰含量按重量计小于0.35％；磷含量按重量计小于0.03％；硫含量按重量计小于0.03％；以及钛含量在0.05％和0.4％之间。可以注意到，这种钢不是不锈钢，没有加入铬作为合金。从而，在这种钢的成分中只可以发现微量的铬。
图9示出制造抽吸管的钢合金的合金元素的优选量和典型量的表。在优选实施方式中，碳含量按重量计在0.001％至0.02％之间，通常按重量计为0.02％；锰含量按重量计在0.10％至0.25％之间，通常按重量计为0.25％；磷含量按重量计等于或者小于0.02％，通常按重量计为0.02％；硫含量按重量计在0.01％至0.02％之间，通常按重量计为0.02％；以及钛含量在0.06％和0.3％之间，通常为0.3％。这种类型的钢具有180N/mm2的屈服强度、270至350N/mm2的抗张强度和40％的最小延伸率。因此，已经发现，由这种钢制成的抽吸管可以采用与铜抽吸管类似的方式手工操作和弯曲。
在钢管的优选实施方式中，钢合金为：钛含量按重量计大于碳含量的4倍。并且，优选的是，钛含量按重量计比碳的重量百分比的4倍、氮的重量百分比的3.42倍以及硫的重量百分比的1.5倍的总和还大，也就是说，钛的重量百分比大于4×(碳的重量百分比)+3.42×(氮的重量百分比)+1.5×(硫的重量百分比)。因此，虽然钛与碳、氮和硫形成化合物，但是小余量的自由钛存在于合金中。
合金中相对高量级的钛和低量级的碳确保碳以碳化钛的形式存在。以这种方式锁住碳使得钢基本上没有时效作用。从而，这使得可以容易地手工弯曲管，即使当管存放了很多个月时也是如此。
在制冷单元内安装热交换器要求可以容易地进行弯曲，因此没有时效效应的钢允许在安装热交换器之前管和/或整个热交换器保存多个月。
图10：
在说明用于热交换器中的退火低碳抽吸管的适宜性的实验中，典型长度的6mm直径的铜管在一端固定于一对钳夹之间，同时利用具有刻度的工具拉住相对端来测量所施加的力。对类似长度的传统钢管(该传统钢管由根据EN101391ed.1999的带钢制成)以及用在图3所示热交换器中的退火低碳钢管重复进行上述实验。
管的参数和使管弹性弯曲所需的相对弯曲力拒显示在图10的表中。经证明，铜管最容易弯曲，但是与传统钢管相比，退火低碳钢管足够软。
以前，传统钢管的相对硬度通常意味着必须采用铜抽吸管。然而，退火低碳钢管的实用性便于将热交换器弯曲且定位于诸如单元101等制冷单元中。

Claims (20)

1、一种与热传递系统的蒸发器连接的热交换器，所述热传递系统使用经受压缩和蒸发的工作流体，所述热交换器包括：
第一管，其具有第一端，所述第一端构造成与蒸发器的出口连接以允许从所述出口进行流体传输；和
第二管，其具有第一端，所述第一端构造成与蒸发器的入口连接以允许流体传输到所述入口，
其中，对于所述第一管和所述第二管的各自长度的一部分，所述第二管布置在所述第一管内或者与所述第一管热接触，以允许所述管内的流体之间进行热交换，
所述第一管由钢合金构成，并且所述第一管通过将片材卷成管状并且经过缝焊而形成；以及
所述钢合金具有降低所述钢的硬度以促进弯曲的合金成分，从而允许所述第一管在安装于热传递系统内时弯曲。
2、根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第一管的所述第一端与所述第二管的所述第一端分开，以允许分别与蒸发器的出口和分开的入口连接。
3、根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第二管是将流体传输至蒸发器的毛细管。
4、根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第一管由按重量计碳的含量小于0.03％的钢构成。
5、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，所述第一管由按重量计钛的含量在0.05％和0.4％之间的钢构成。
6、根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于，所述第一管由按重量计钛的含量在0.06％和0.3％之间的钢构成。
7、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，所述第一管由如下钢合金构成，即按重量计钛的含量百分比大于碳的含量百分比的4倍。
8、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，所述第一管由如下钢合金构成，其中按重量计钛的含量百分比大于下列三者的总和：碳的含量百分比的4倍、氮的含量百分比的3.42倍以及硫的含量百分比的1.5倍。
9、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，所述第一管由如下钢构成，即其碳含量按重量计小于0.03％，锰含量按重量计小于0.35％，磷含量按重量计小于0.03％，硫含量按重量计小于0.03％。
10、根据权利要求9所述的热交换器，其特征在于，所述第一管由如下钢构成，即其碳含量按重量计为0.02％，锰含量按重量计为0.25％，磷含量按重量计为0.02％，硫含量按重量计为0.02％。
11、根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述缝焊是感应焊。
12、根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述第一管涂覆有防止钢腐蚀的金属防护涂层。
13、根据权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述第一管电镀有铝。
14、根据权利要求12所述的热交换器，其特征在于，所述第一管涂覆有锌涂层。
15、根据权利要求12至14中任一所述的热交换器，其特征在于，所述第二管的长度的所述一部分软焊接或者硬焊接于第一管的防护涂层。
16、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，利用软焊或者硬焊将所述第二管连接到所述第一管。
17、根据权利要求16所述的热交换器，其特征在于，利用含有锡合金的焊料将所述第二管焊接在所述第一管上。
18、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，利用热缩管将所述第二管连接到所述第一管。
19、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，所述第二管的长度的所述一部分位于所述第一管的孔中。
20、根据权利要求1至4中任一所述的热交换器，其特征在于，所述钢合金经过退火处理以进一步降低其硬度。
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