CN100538249C - 带有降低尺寸的集管的小通道热交换器 - Google Patents

Abstract

热交换器包括多个在分开的集管之间延伸的平的多通道热交换管。每个热交换管具有通过过渡连接器流体流动连通到入口集管的入口端。过渡连接器具有主体，主体限定了从在其入口端内的入口开口延伸到在其出口端内的出口开口的发散流动路径，过渡连接器还具有管状接头，管状接头从发散流动路径的入口端向外延伸通过入口集管的壁。管状接头限定了在过渡连接器的发散流动路径的入口端和入口集管的流体室之间延伸的流体流动路径。入口集管的侧向尺寸小于热交换管的侧向尺寸。

Description

带有降低尺寸的集管的小通道热交换器

与相关申请的交叉参考

本申请参考且要求了2005年2月2日提交的名为“MINI-CHANNELHEAT EXCHANGER WITH REDUCED HEADER”的美国临时专利申请No60/649,421的优先权，该申请在此通过参考完整合并。

技术领域

本发明一般地涉及具有多个在第一集管和第二集管之间延伸的平行管的热交换器，且更特别地涉及改进在从热交换器，例如在制冷剂蒸汽压缩系统内的热交换器的集管接收流体流的管之间的流体流动分配。

背景技术

制冷剂蒸汽压缩系统在本领域中已熟知。使用制冷剂蒸汽压缩循环的空调器和热泵通常用于冷却或冷却/加热供给到住宅、办公建筑、医院、学校、餐馆或其他实施内的气候控制舒适区内的空气。制冷剂蒸汽压缩系统也通常用于冷却空气来为在超市、便利店、杂货店、自助餐厅、餐馆和其他食物服务设施内的展示箱内的食物物品和饮料产品提供制冷的环境。

常规地，这些制冷剂蒸汽压缩系统包括以制冷剂流连通连接的压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器。前述的基本制冷剂系统部件由制冷剂管路以封闭制冷剂回路互连且根据所使用的蒸汽压缩循环来布置。通常为膨胀阀或例如孔口或毛细管的固定孔计量设备的膨胀设备布置在制冷剂管路内，布置的位置在制冷剂回路内相对于蒸发器的制冷剂流的上游和冷凝器的下游。膨胀设备运行以将通过从冷凝器行进到蒸发器的制冷剂管路的液体制冷剂膨胀为较低的压力和温度。这样，液体制冷剂的部分通过膨胀设备膨胀为蒸汽。作为结果，在此类的常规制冷蒸汽压缩系统内，进入蒸发器的制冷剂流包括两相混合物。液体制冷剂和蒸汽制冷剂的特定的百分比取决于所使用的特定的膨胀设备和所用的制冷剂，例如R-12、R-22、R-134a、R-404A、R-410A、R-407C、氨、二氧化碳或其他可压缩流体。

在一些制冷剂蒸汽压缩系统中，蒸发器是平行管热交换器。这样的热交换器具有由以平行关系在入口集管和出口集管之间延伸的多个管提供的通过它们的多个平行制冷剂流动路径。入口集管从制冷剂回路接收制冷剂流且将制冷剂流在多个通过热交换器的流动路径之间分配。出口集管用于当制冷剂流离开各流动路径时收集制冷剂流且将收集到的制冷剂流引导回到制冷剂管路以在单次通过热交换器中返回到压缩机，或在多次通过热交换器中通过另外组的热交换管。

历史上，在这样的制冷剂蒸汽压缩系统内使用的平行管热交换器使用圆形管，典型地具有3/8英寸或7毫米的直径。最近，平的矩形尺寸的多通道管使用在用于制冷剂蒸汽压缩系统的热交换器内。每个多通道管具有多个以平行关系纵向延伸管长度的流动通道，每个通道提供了小流动面积制冷剂流动路径。因此，带有在热交换器的入口集管和出口集管之间以平行关系延伸的多通道管的热交换器将具有相对地大量的在两个集管之间延伸的小流动面积制冷剂流动路径。作为对比，带有常规圆形管的平行管热交换器将具有相对地小量的在入口集管和出口集管之间延伸的大流动面积流动路径。

具有在入口集管和出口集管之间延伸的平的矩形管的热交换器与具有圆形管的热交换器相比其相关的问题是管的入口端到入口集管的连接。常规地，入口集管是轴向延长的圆形截面的圆柱形，它提供有在其壁内以轴向分开地间隔沿集管的长度切割的多个矩形缝。每个缝适合于接收平的矩形热交换管的一个的入口端部，使得到多个流动通道的入口打开到集管的室，以此入口集管的室内的流体可以流入到多种打开到室内的热交换管的多个流动通道内。因为平的矩形热交换管具有比常规圆形管的直径显著地大的侧向尺寸，所以对于相当体积的流体流量，与常规的平管热交换器相关的圆形的圆柱形集管的直径显著地大于与圆管热交换器相关的集管的直径。

两相制冷剂流在平行管热交换器内的非均匀分配，也称分配不均是通常的问题，这不利地影响了热交换器效率。两相分配不均问题由在入口集管内存在的因制冷剂通过上游膨胀设备时其膨胀产生的蒸汽相制冷剂和液体相制冷剂的密度差导致。

一个控制通过汽化热交换器内的平行管的制冷剂流分配的解决方法在Repice等的美国专利No 6,502,413中披露。在其中披露的制冷剂蒸汽压缩系统中，来自冷凝器的高压液体制冷剂部分地在热交换器入口集管上游的常规管路内膨胀阀内膨胀为较低的压力的液体制冷剂。例如简单的管内狭窄或布置在管内的内部孔口板的约束部提供在连接到管入口下游的入口集管的每个管内，以完成进入管后到低压液体/蒸汽制冷剂混合物的膨胀。

另一个控制通过汽化热交换器内的平行管的制冷剂流分配的解决方法在Kanzaki等的日本专利JP4080575中披露。在其中所披露的制冷剂蒸汽压缩系统中，来自冷凝器的高压液体制冷剂也在热交换器分配室上游在常规管路内膨胀阀内部分地膨胀为较低压力的液体制冷剂。其内具有多个孔口的板延伸越过室。较低压力的液体制冷剂当通过孔口时膨胀为板下游且通向各打开到室的管的入口上游的低压液体/蒸汽混合物。

Yasushi的日本专利JP2002022313披露了平行管热交换器，其中制冷剂通过沿集管的轴线延伸以终止在集管端部前的入口管来供给到集管，以此两相制冷剂流当从入口管通到入口管的外表面和集管的内表面之间的环形通道内时不分离。两相制冷剂流然后通到打开到环形通道的管的每个内。

获得在相对地大量的小流动面积制冷剂流动路径内的均匀制冷剂流动分配甚至比在常规的圆管热交换器内更难，且可能显著地降低热交换器的效率。两相分配不均的问题可能在与常规的平管热交换器相关的入口集管内恶化，因为较低的流体流速伴随着这样的集管的较大的直径。在较低流体流速时，蒸汽相流体更容易从液体相流体分离。因此，入口集管内的流体不是相对地均匀的蒸汽相和液体相流体的混合物，而是将更大程度地分层，使得蒸汽相成分从液体相成分中分离。作为结果，流体混合物将不希望地在多个管之间非均匀地分配，使得每个管接收不同的蒸汽相和液体相流体的混合物。

在DiFlora的美国专利No 6,688,138内披露了平行的平管热交换器，平管热交换器具有由延长的外部圆柱和延长的内部圆柱形成的入口集管，内部圆柱在外部圆柱内偏心地布置，以此限定了内部圆柱和外部圆柱之间的流体室。平的矩形热交换管的每个的入口端延伸通过外圆柱的壁以打开到限定在内圆柱和外圆柱之间的流体室内。

Massaki等的日本专利No 6241682披露了用于热泵的平行流管热交换器，其中连接到入口集管的每个平的多通道管的入口端被压变形以在每个管内刚好在管入口的下游处形成部分的节流约束部。Hiroaki等的日本专利No JP8233409披露了平行流管热交换器，其中多个平的多通道管在集管对之间连接，多通道管的每个具有流动面积在制冷剂流的方向减小的内部，以作为均匀分配制冷剂到各管的装置。

发明内容

本发明的一般目的是降低流体流动在具有多个在第一集管和第二集管之间延伸的多通道管的热交换器内的分配不均。

本发明的一个方面的目的是降低制冷剂流动在具有多个在第一集管和第二集管之间延伸的多通道管的制冷剂蒸汽压缩系统热交换器内的分配不均。

本发明的一个方面的目的是以相对地均匀的方式在具有多个在第一集管和第二集管之间延伸的多通道管的制冷剂蒸汽压缩系统热交换器内分配两相制冷剂流。

在本发明的一个方面中，提供了热交换器，热交换器具有限定了用于接收流体的降低尺寸的室的集管和多个热交换管，热交换管具有多个通过它的从管的入口端到出口端的多个流体流动路径，每个管具有与降低尺寸的集管通过过渡连接器流体连通的入口。每个过渡连接器具有与集管的室通过第一开口流体流动连通的入口端，和与多个热交换管的相应一个的入口开口流体连通的出口端。每个过渡连接器限定了从其入口端到其出口端延伸的发散流体流动路径。降低尺寸的集管限定了具有降低容积和降低流动面积的室，以此在通过集管的流体流动内出现更多的湍流。每个过渡连接器的入口开口具有与集管的室的流动面积相比更小的小流动面积，以提供流动约束部，流体在从集管的室到连接器的发散流动路径内的流动中通过约束部。流动约束部导致通过每个连接器的压力下降，这促进了在各热交换管之间的均匀分配且也可以提供通过连接器的流体的部分膨胀。

附图说明

为进一步理解这些和本发明的目的，将结合附图参考如下对本发明的详细描述，各图为：

图1是根据本发明的热交换器的实施例的透视图；

图2是沿图1的线2-2部分剖开的正视图；

图3是图2的过渡连接器的剖视主视图；

图4是沿图3的线4-4的剖视图；

图5是沿图2的线5-5的剖视图；和

图6是合并了本发明的热交换器作为蒸发器的制冷剂蒸汽压缩系统的示意性图示。

具体实施方式

本发明的热交换器10将在此参考在图1中描绘的多通道管热交换器的示例的单次通过平行管实施例一般地描述。在图1中描绘的热交换器10的示例的实施例中，热交换管40示出为在一般地水平延伸的入口集管20和一般地水平延伸的出口集管30之间以平行关系一般地垂直地延伸地布置。然而，所描绘的实施例是示例性的且不限制本发明。需理解的是，在此描述的本发明可以在热交换器10的多种其他构造上实行。例如，热交换管可以在一般地垂直地延伸的入口集管和一般地垂直地延伸的出口集管之间以平行关系一般地水平地延伸地布置。作为进一步的例子，热交换器可以具有环形入口集管和直径不同的环形出口集管，使得热交换管略微径向向内或略微径向向外在环形集管之间延伸。在这样的布置中，虽然管并非物理上相互平行，但管处于“平行流”布置，因为这些管在共用的入口集管和出口集管之间延伸。

现在特别地参考图1至图5，热交换器10包括入口集管20、出口集管30，和多个纵向延伸的多通道热交换管40，以此提供了入口集管20和出口集管30之间的多个流体流动路径。每个热交换管40在其入口端43处具有通过过渡连接器50流体流动地连通到入口集管20的入口，且在其另一个端部处具有流体流动地连通到出口集管30的出口。

每个热交换管40具有多个纵向延伸，即沿管的轴线延伸管的长度的平行流动通道42，因此提供了在管的入口和管的出口之间的多个独立的平行流动路径。每个多通道热交换管40是压平的矩形或椭圆形截面的“平的”管，限定了内部，内部被细分以形成并排的独立流动通道42的阵列。与直径为1/2英寸、3/8英寸或7毫米的的常规的现有技术圆形管相比，平的多通道管40例如可以具有五十毫米或更小的，典型地为十二到二十五毫米的宽度，和大约两毫米或更小的深度。为图示的容易和清晰，管40在图中示出为具有十二个限定了具有圆形截面的流动路径的通道42。然而，应理解的是，在商用应用中，例如在制冷剂蒸汽压缩系统中，每个多通道管40将典型地具有大约十到二十个流动通道42，但如希望可以具有更多或更少的多个通道。一般地，每个流动通道42将具有限定为四倍的流动面积除以周长的液力直径，在从大约200微米到大约3毫米之间的范围，且通常大约为1毫米。虽然在图中描述为具有圆形截面，但通道42可以具有矩形截面或任何其他希望的非圆形截面。

热交换器10的多个热交换管40的每个的入口端43插入到过渡连接器50的出口端内，而非直接插入到限定在入口集管20内的室25内。每个过渡连接器50具有主体，主体具有入口端和出口端，且限定了从其入口端内的流动入口51和其出口端内的流动出口59延伸的流体流动路径55，和从流动入口51向外轴向延伸的纵向延长的管状接头56。接头56限定了从接头56的远端处的流动入口57到接头56近端处打开到通向流体流动路径55的流动入口51的流动出口纵向延伸的流动通道53。接头56的截面及其流动通道53可以是圆形的、椭圆形的、六边形的、矩形的或其他希望的截面构造。每个过渡连接器50的接头56的远端端部延伸通过集管20的壁且以常规方式固定到集管，典型地通过焊接、钎焊或其他结合技术。因为接头56的远端端部延伸到集管20的室25内，流体流可以从室25通过入口57到流动通道53内，然后通过流动通道53和入口51到流动路径55内，且然后到多通道管40的多种流动通道42内。

现在参考图6，图中示意性地描述了制冷剂蒸汽压缩系统，其具有压缩机60、用作冷凝器的热交换器100和用作蒸发器的热交换器10，它们在闭环制冷剂回路内通过制冷剂管路12、14和16连接。如在常规制冷剂蒸汽压缩系统中，压缩机60将热的高压制冷剂蒸汽通过制冷剂管路12循环到冷凝器100的入口集管120内，且然后通过冷凝器100的热交换管140，其中当热制冷剂蒸汽以与冷却流体的热交换关系而通过时，热制冷剂蒸汽冷凝为液体，冷却流体例如为环境空气，由冷凝器风扇70使它在热交换管140上方通过。高压的液体制冷剂在冷凝器100的出口集管130内被收集且然后通过制冷剂管路14到蒸发器10的入口集管20内。

冷凝的制冷剂液体当从冷凝器100通向蒸发器10时通过与制冷剂管路14运行地相关的膨胀阀50。在膨胀阀90内，高压液体制冷剂部分地膨胀为低压液体制冷剂或液体/蒸汽制冷剂混合物。制冷剂然后通过蒸发器10的热交换管40，其中，制冷剂当以与待冷却的空气热交换的方式通过时被加热，通过蒸发器风扇80使待冷却的空气在热交换管40上方通过。制冷剂蒸汽在蒸发器10的出口集管30内收集且从出口集管30通过制冷剂管路16，通过通向压缩机60的抽吸入口而返回到压缩机60。

如在图2和图3中最好图示，过渡连接器50的接头56的侧向尺寸大体上小于“平的”矩形管40的宽度。因为具有相对地小的侧向尺寸d且可以具有圆形截面的接头56的远端端部被集管20接收，如与具有相对地宽的侧向尺寸W的平的管40的端部相反，所以集管20的侧向尺寸D可以大体上制成小于管40的宽度。因此，与设计为接收管40的入口端43的集管相比，集管20的室25的截面流动面积将显著地降低。因此，流动通过集管20的室25的流体流将具有更高的速度且湍流将显著地更多。增加的湍流将导致在流动通过集管20的流体内更完全的混合且导致流体流在管40之间更均匀的分配。这对于混合的液体/蒸汽流更是如此，例如对于制冷剂液体/蒸汽混合物，这是输送到在制冷、空气调节或热泵循环中运行的蒸汽压缩系统内的蒸发器热交换器的入口集管内的典型的流动状态。在降低尺寸的集管内的增加的湍流将导致液体相制冷剂和蒸汽相制冷剂的均匀的混合，且降低在通过集管的制冷剂内蒸汽相和液体相的潜在的分层。

另外，因为与具有相对地宽的侧向尺寸W的平的管40的端部相反，接头56的远端端部具有相对地小的侧向尺寸d，所以集管20的侧向尺寸D的直径将大体上小于设计为接收管40的入口端部43的集管的直径。因为具有较小的直径，集管也可以具有较小的厚度。因此，本发明的热交换管的降低直径的集管将要求显著的少的材料来制造且制造更廉价。

如上文已提出，与常规的现有技术的其直径为1/2英寸、3/8英寸或7毫米的圆形管相比，平的多通道管40可以具有五十毫米或更小的宽度，典型地为十二到二十五毫米。在具有冷凝器热交换器和蒸发器热交换器的制冷系统中，当假定接头为圆柱形时，接头56将一般地具有在常规圆形制冷剂管的量级上或更小的外径的侧向尺寸，典型地在三毫米到八毫米的范围内。

例如，假定接头56是外径d为6毫米的圆柱形，且平的管是侧向尺寸W为15毫米的矩形管40。如果集管20设计为直接接收管40的端部43，则集管20的侧向尺寸D将需要大于15毫米，例如为18毫米。然而，如果集管20仅接收接头56的远端端部，则集管20的侧向尺寸D将仅需要大于6毫米，例如为9毫米。对于圆柱形集管，后者集管的流动面积将仅是前者集管流动面积的四分之一，且假定体积流量相等，则后者集管内的速度将比前者集管内的流速大四倍。

在图示的实施例中，入口集管20包括具有圆形截面的纵向延长的空心的端部封闭的圆柱形。每个过渡连接器50的接头56的远端端部57与提供在且延伸通过入口集管20的壁的相应的开口26匹配。每个连接器可以钎焊、焊接、粘性结合或另外地固定在集管20的壁内的匹配缝内。然而，入口集管20不限制于所描绘的构造。例如，集管20可以包括具有椭圆形截面的纵向延长的空心的端部封闭的圆柱形，或具有正方形、矩形、六边形、八边形截面或其他希望的截面的纵向延长的空心的端部封闭的主体。与入口集管20的构造无关，入口集管20的侧向尺寸D仅需要足够大以容纳接头56，而不接近于与定尺寸为直接接收平的矩形热交换管40的入口端43的类似地成形的集管一样宽。

虽然在图6中图示的典型的制冷剂蒸汽压缩循环是简化的空气调节循环，但应理解的是，本发明的热交换器可以使用在多种设计的制冷剂蒸汽压缩系统内，包括但不限制于热泵循环、经济循环和商用制冷循环。进一步地，本领域技术人员将认识到，本发明的热交换器不限制于图示的单次通过实施例，而是也可以布置在多种单次通过实施例和多次通过实施例。另外，本发明的热交换器可以用作在这样的制冷剂蒸汽压缩系统内的多次通过冷凝器以及多次通过蒸发器。

进一步地，所描绘的热交换器10的实施例是示例性的且不限制本发明。应理解的是，在此描述的本发明可以实施在热交换器10的多种其他构造中。例如，热交换管可以以平行关系布置为在一般地垂直延伸的入口集管和一般地垂直延伸的出口集管之间一般地水平延伸。

虽然本发明已参考在附图中图示的优选模式部分地示出且描述，本领域技术人员将理解的是可以对其进行多种细节改变而不偏离由权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种热交换器，其包括：

至少一个热交换管，所述至少一个热交换管限定了多个通过它的离散的流体流动路径，且具有通向所述的多个流体流动路径的入口开口，所述的至少一个热交换管为矩形形状且具有侧向尺寸W；

集管，该集管限定了用于收集流体的室，所述的集管是具有侧向尺寸D的延长的管状构件，其中侧向尺寸D小于侧向尺寸W；和

过渡连接器，该过渡连接器具有主体和管状接头，所述主体具有入口端和出口端且限定了发散的流体流动路径，该流体流动路径在流体通过其中流动的方向上截面膨胀，所述过渡连接器的所述主体的出口端适合于接收所述的至少一个热交换管之一，所述管状接头从所述主体的入口端向外延伸且限定了在所述的集管的室和通过所述的过渡连接器的所述的主体的流体流动路径之间的流体流动通路。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述的过渡连接器的所述的管状接头具有在所述的管状接头的远端端部处通向所述的通过所述主体的流体流动路径且与所述的过渡连接器的所述的主体的入口端流动连通的出口开口，和在所述的管状接头的近端端部处通向所述的通过所述主体的流体流动路径且与所述的集管的室流体流动连通的入口开口。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中通过所述的过渡连接器的所述的主体的流体流动路径包括发散的流体流动路径，该流体流动路径在流体通过其中流动的方向上截面膨胀，所述的管状接头是具有相对地小的直径d的圆柱形管状构件，直径d小于侧向尺寸W并小于侧向尺寸D。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述至少一个热交换管具有矩形截面。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述至少一个热交换管具有椭圆形截面。

6.一种热交换器，其包括：

多个热交换管，所述多个热交换管的每个限定了从其入口端延伸到出口端的多个离散的流体流动路径，所述多个热交换管的每个具有压平的截面且具有侧向尺寸W；

集管，该集管限定了用于收集流体的室，所述的集管是具有侧向尺寸D的延长的管状构件，侧向尺寸D小于侧向尺寸W；和

多个过渡连接器，每个过渡连接器具有主体和从所述主体向外延伸的管状接头，所述主体限定了流体流动路径，该流体流动路径从与所述管状接头流体连通的第一端发散到与所述多个热交换管之一的多个离散的流体流动路径流体连通的第二端，每个过渡连接器的所述管状接头与所述集管的室流体连通地开口且限定了在所述的集管的室和通过所述的过渡连接器的所述的主体的流体流动路径之间的流体流动通路，所述的管状接头具有侧向尺寸d，侧向尺寸d小于侧向尺寸W。

7.根据权利要求6所述的热交换器，其中所述至少一个热交换管具有矩形截面。

8.根据权利要求6所述的热交换器，其中所述至少一个热交换管具有椭圆形截面。

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