CN100592017C - 微流道扁平管式热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器，其包括多个具有扁平截面的多流道热交换管，多个热交换管大致为J形并在入口集管与出口集管之间延伸。每一热交换管具有第一腿部、第二腿部、和弯头部分，该第一腿部具有与入口集管的流体腔流体流动连通的入口端，该第二腿部具有与出口集管的流体腔流体流动连通的出口端，该弯头部分在该第一腿部与该第二腿部之间水平延伸。

Description

微流道扁平管式热交换器
技术领域
本发明总体上涉及具有多个在一对集管之间延伸的平行管的热交换器，集管也可称为总管，本发明尤其涉及在热交换器的集管中提供流体膨胀以便改进流经热交换器的平行管的流体流动分配，该热交换器例如是在制冷剂蒸气压缩系统中的热交换器。
背景技术
制冷剂蒸气压缩系统在本技术领域中是众所周知的。使用制冷剂蒸气压缩循环的空调机和热泵一般用来向住宅、办公楼、医院、学校、饭店或者其它设施内的环境可控的舒适区域提供冷却效果或冷却/加热的空气。制冷剂蒸气压缩系统通常还可以用来冷却空气，或者冷却其它二次媒剂，例如水或乙二醇溶液，以便例如为在超市、便利店、杂货店、自助餐馆、饭店和其它食品服务单位内的陈列柜中的食品项目和饮料产品提供冷藏环境。
通常，这些制冷剂蒸气压缩系统包括以制冷剂流体连通方式相连接的压缩机、冷凝器、膨胀装置以及与蒸发器。上述制冷剂系统的基本部件通过在封闭的制冷回路中的制冷剂管道互相进行连接，并且按照所使用的蒸气压缩循环来进行布置。膨胀装置通常是膨胀阀或者是固定孔节流装置，例如孔口或毛细管，该装置配置在制冷剂管道内位于制冷剂回路的这样一位置上，即相对于蒸发器的制冷剂流动的上游且在冷凝器的下游。操纵该膨胀装置可使液体制冷剂流经从冷凝器至蒸发器的制冷剂管道以便膨胀到一较低的压力和温度。这样做时，流经膨胀装置的液体制冷剂的一部分就会膨胀成蒸气。因此，在这种常规的制冷剂蒸气压缩系统中，进入蒸发器的制冷剂流动将形成两相的混合物。液体制冷剂与气体制冷剂的具体百分比取决于所使用的具体的膨胀装置和制冷剂，这些制冷剂例如R12，R22，R134a，R404A，R410A，R407C，R717，R774或者其它的可压缩流体。
在某些制冷剂蒸气压缩系统中，蒸发器是一种平行管热交换器。这种热交换器具有多个平行的制冷剂流动通路从其中通过，这些流动通路是由在入口集管(或入口总管)与出口集管(或出口总管)之间以平行关系延伸的多根管所提供的。入口集管接纳来自制冷剂回路的制冷剂流，并且对于经过该热交换器的多个流动通路对制冷剂流动进行分配。当制冷剂离开相应的流动通路时，出口集管用来收集制冷剂流，并且引导该被收集的制冷剂流以便返回到制冷剂管道中，使得在单流程热交换器中回到压缩机内，或者在多流程热交换器中返回到热交换管的附加的存储器内。在后者情况下，出口集管是中间总管或者总管腔，并对于管道的下一个下游存储器用作入口集管。
在先有技术中，在这种制冷剂蒸气压缩系统中使用的平行管热交换器使用了圆管，通常其直径为1/2英寸、3/8英寸或7毫米。近来，扁平截面(通常为矩形或椭圆形截面)的多流道管正在制冷剂蒸气压缩系统的热交换器中使用。每个多流道管通常具有多个流动通道，该流动通道以与管子长度的平行关系沿纵向延伸，每个通道提供较小流动面积的制冷剂流动通路。因此，具有以平行关系在热交换器的入口集管与出口集管之间延伸的多通道管的热交换器将具有大量的在两个集管之间延伸的较小流动面积的制冷剂流动通路。相反，具有常规的圆管的平行管热交换器将具有在入口与出口集管之间延伸的相当少量的较大流动面积的流动通路。
在授权给Hughes等人的美国专利5279360中，披露了一种用于制冷或热泵系统的蒸发器或蒸发器/冷凝器，其包括一对间隔开的集管和多个细长的大致V形的具有扁平的截面的多流程管，其以平行的且间隔开的关系在集管之间延伸并在其间流体连通。在授权给Haussmann等人的美国专利6161616中，披露了一种用于机动车空调系统的蒸发器，其具有多个平行的在总管的入口侧与出口侧之间延伸的U形流程。每一U形流程由一对垂直延伸的扁平的多流道管形成，该管在下端处借助端盖互连，端盖用于使得流经第一管的流体流从向下流动逆转为流经第二管的向上流动。
在平行管热交换器中，两相制冷剂流的不均匀分配，也称为分配不均，是一个常见的问题，它将对热交换器的效率产生不利的影响。两相流分配不均的问题通常是由于存在于入口集管中的蒸气相制冷剂和液相制冷剂当它们经过上游膨胀装置时制冷剂膨胀而引起的密度不同而造成的。在较大数量的且流动截面面积小的制冷剂通路中获得均匀制冷剂流动分配甚至比在常规的圆管热交换器中更困难，并可能显著地降低热交换器的效率。
发明内容
本发明的总的目的是在具有多个在第一集管与第二集管之间延伸的多流道管的热交换器中减少两相流体流动的分配不均匀。
在本发明的一方面中，提供了一种热交换器，其包括在入口集管与出口集管之间连接的多个J形的多流道热交换管，其中：至少一个具有扁平截面的热交换管，所述热交换管具有多个从其经过的流道，每一流道限定分立的流动通路；入口集管，该入口集管限定一腔以用于接纳待分配到所述至少一个热交换管的所述多个流动通路中的流体；和出口集管，该出口集管限定一腔以用于收集流经所述至少一个热交换管的所述多个流动通路的流体；所述至少一个热交换管大致为J形并具有第一腿部、第二腿部、和弯头部分，该第一腿部具有与所述入口集管的该腔流体流动连通的入口端，该第二腿部具有与所述出口集管的该腔流体流动连通的出口端，该弯头部分在该第一腿部与该第二腿部之间延伸。在一实施例中，该热交换器具有设置成高于入口集管的出口集管。
在本发明的另一方面中，提供一种制冷剂蒸气压缩系统，其包括以流体流动连通形式连接在制冷剂回路中的压缩机、冷凝器、和蒸发式热交换器，该蒸发式热交换器包括在入口集管与出口集管之间连接的多个J形的多流道热交换管，其中：多个具有扁平截面的热交换管，所述热交换管以大致平行间隔开的关系设置，所述多个热交换管中的每一管具有经其延伸的多个分立的流动通路；入口集管和出口集管，入口集管和出口集管均与该制冷剂回路流体流动连通，该入口集管限定一腔以用于接纳来自该制冷剂回路的待分配到所述多个热交换管的所述多个流动通路中的制冷剂；该出口集管限定一腔以用于收集流经所述多个热交换管的所述多个流动通路的制冷剂；所述多个热交换管中的每一管大致为J形并具有第一腿部、第二腿部、和弯头部分，该第一腿部具有与所述入口集管的该腔流体流动连通的入口端，该第二腿部具有与所述出口集管的该腔流体流动连通的出口端，该弯头部分在该第一腿部与该第二腿部之间延伸。
附图说明
为了进一步理解本发明的这些特征和目的，请参阅下面的本发明的详述，该详述应结合附图进行阅读，附图中：
图1是本发明热交换器的一个实施例的立视图；
图2是图1所示的热交换器的局部截去的侧视图；
图3是图1所示的热交换器的另一实施例的局部截去的侧视图；和
图4是设置有本发明的热交换器的制冷剂蒸气压缩系统的示意图。
具体实施方式
热交换器10包括入口集管20、出口集管30、和多个纵向大致呈J形的多流道热交换器管40，热交换器管40在入口集管20和出口集管30之间提供了多个流体流动通路。在所示的实施例中，入口集管20和出口集管30包括纵向细长的、中空的、密封的端部柱形体，在其中限定出具有圆形截面的流体腔。然而，入口集管20和出口集管30均不限于所示的构型。例如，集管可包括纵向细长的、中空的、具有椭圆形截面的密封的端部柱形体，或者包括纵向细长的、中空的、具有正方形、矩形、六边形、八边形或多边形截面的密封的端部主体。
每一热交换器管40具有多个平行的流道42，该流道纵向延伸该管的长度，即沿管的轴线延伸，由此在管的入口和管的出口之间提供了多个独立的平行的流动通路。每一多流道热交换器管40是“扁平的”管，例如具有矩形或椭圆形截面，以便限定出这样一种内部空间，即可细分成并排布置的独立的流道42。扁平的多流道管40例如可具有50毫米或更小的宽度，通常12到25毫米，并且具有大约2毫米或更小的高度，然而常规的现有技术的圆形管具有1/2英寸、3/8英寸或7毫米的直径。
每一热交换器管40具有其入口端43，其穿过入口集管20的壁而形成开口以便与入口集管的流体腔形成流体流动连通，并且每一热交换器管40具有出口端47，其穿过出口集管30的壁而形成开口以便与出口集管30的流体腔形成流体流动连通。这样，各自的热交换器管40的每一流道42提供了从入口集管20的流体腔到出口集管30的流体腔的流动通路。热交换器管40的各自的入口端43和出口端47可以钎焊、焊接、粘接接合或以其它方式固定到入口集管20的壁中的相应配合槽口中。
为了清晰和简明的图示，附图中所示的所述管40具有12个流道42，并限定出圆形截面的流动通路。然而，应当理解在商业应用中，例如在制冷剂蒸气压缩系统中，每一多流道管40通常具有大约10-12个流道42，但是可按照需要具有数量更多或更少的多个流道。通常，每一流道42可具有在大约200微米到大约3毫米的范围内的水力直径，水力直径定义成流动面积除以周长的四倍。尽管图中示出了流道42具有圆形截面，但是流道42可具有矩形、三角形、梯形的截面，或任何其它所需的非圆形截面。
在本发明的热交换器，热交换器管40具有大致呈J形的形状，其具有基部弯头44、第一腿部46、和第二腿部48，第一腿部46从基部弯头44的一端大致垂直地向上延伸，第二腿部48从基部弯头44的另一端大致垂直地向上延伸。入口集管20和出口集管30均设置在高于基部弯头44的较高位置处。另外，出口集管30设置在高于入口集管20的较高位置处。如图1、2、3所示，相应的热交换器管40的第一腿部46的入口端43穿过入口集管的底部进入入口集管20。这样，收集在该入口集管的腔内的流体向下流经J形的热交换器管40的第一腿部46的相应流道42，并且由此向上流经J形的热交换器管40的第二腿部48的相应流道42，并流入出口集管30的流体腔。
在图2所示的实施例中，每一大致J形的热交换器管40具有在垂直延伸的较短的腿部46与垂直延伸的较长的腿部48之间水平延伸的基部弯头44，该腿部46与入口集管20的流体腔流体流动连通，该腿部48与出口集管30的流体腔流体流动连通。在图3所示的实施例中，每一大致J形的热交换器管40具有构造成相对尖锐的基部弯头，有些类似V形弯头。在该实施例中，大致J形的热交换器管40有些类似校验标记，其具有设置在大致向上但不是垂直地延伸的较短腿部46与大致向上但不是垂直地延伸的较长腿部48之间的基部弯头44，该腿部46与入口集管20的流体腔流体流动连通，该腿部48与出口集管30的流体腔流体流动连通。
参照图4，示意地示出了制冷剂压缩系统100，其具有由制冷剂管路12、14、16连接成封闭环路的制冷剂回路的压缩机60、冷凝器70、膨胀阀50、和本发明的热交换器10，该热交换器用作蒸发器。如常规的制冷剂压缩系统，压缩机60使得热的高压制冷剂循环经过制冷剂管路12流向冷凝器70的入口集管，并由此流经冷凝器的热交换器管，热的制冷剂蒸气与冷却流体形成热交换器关系以便在热交换器管中冷凝成液体，冷却流体例如为借助冷凝器风扇72流过热交换器管的周围空气。高压的液体制冷剂收集在冷凝器70的出口集管中，并由此经由制冷剂管路14流向蒸发器10的入口集管20。该制冷剂从入口集管流经蒸发器10的大致J形的热交换器管40，制冷剂在热交换器管中以空气形成热交换器关系以便被加热，该空气借助蒸发器风扇80流过热交换器管40并被冷却。制冷剂蒸气收集在蒸发器10的出口集管30中并且从出口集管流经制冷剂管路16以便经压缩机的吸气口返回到压缩机60。尽管图4示出的示意性的制冷剂压缩循环是简化的空调循环，但是应当理解，本发明的热交换器可以应用到各种结构的制冷剂压缩系统中，包括但不限于热泵循环、节能循环、和商业制冷循环。
当高压的冷凝后的制冷剂液体从冷凝器的出口集管经制冷剂管路14流向蒸发器的入口集管时，该制冷剂流经膨胀阀50。在该膨胀阀50中，高压的液态制冷剂部分地膨胀为低压的液体制冷剂，或通常地膨胀成低压的液体/蒸气制冷剂混合物。如上所述，两相流的分配不均问题是由于制冷剂流经上游膨胀装置时发生制冷剂膨胀而使得在两相流混合物处于入口集管20中的蒸气相制冷剂和液相制冷剂的密度不同所导致的。蒸气相制冷剂比液相制冷剂轻，自然地分离出来并在该集管中向上移动，并收集在入口集管的流体腔中的液相制冷剂的液面之上。由于热交换器管40经由入口集管的底部通向入口集管20的流体腔，因此通向热交换器管40的流道42的开口将通向在液相制冷剂的液面之下的流体腔。因此，重力有助于使得收集在入口集管20中的液体制冷剂分配到通向入口集管20的流体腔的多个热交换器管40的多个流道42中。另外，重力有助于阻止蒸气相制冷剂优先地流经某些流道，而其它的流道只接受有限的蒸气相制冷剂，并且重力使得蒸气相制冷剂更均匀地分配在液相制冷剂中，基本上是夹带在液相制冷剂中。因此，在本发明的大致J形的热交换器管的热交换器中，进入多个多流道管40中的制冷剂的质量和分配比常规的直管热交换器更均匀，其中制冷剂从入口集管向上流动到由这些管限定的流动通道中。
以上参照所示的多流道管的热交换器描述了单程的平行管的实施形式。然而，所示和所述的实施例仅仅是示意性的，而不是限制本发明。在本技术领域的普通技术人员应当了解，只要不脱离本发明权利要求中所规定的精神和范围，可以对本发明在细节上做出各种变化。

Claims (16)

1.一种热交换器，其包括：
至少一个具有扁平截面的热交换管，所述热交换管具有多个从其经过的流道，每一流道限定分立的流动通路；
入口集管，该入口集管限定一腔以用于接纳待分配到所述至少一个热交换管的所述多个流动通路中的流体；和
出口集管，该出口集管限定一腔以用于收集流经所述至少一个热交换管的所述多个流动通路的流体；
所述至少一个热交换管大致为J形并具有第一腿部、第二腿部、和弯头部分，该第一腿部具有与所述入口集管的该腔流体流动连通的入口端，该第二腿部具有与所述出口集管的该腔流体流动连通的出口端，该弯头部分在该第一腿部与该第二腿部之间延伸，该第二腿部向上延伸的距离大于该第一腿部向上延伸的距离。
2.权利要求1所述热交换器，其中，该第一腿部从所述弯头部分的第一端大致垂直向上延伸，该第二腿部从所述弯头部分的第二端大致垂直向上延伸。
3.权利要求1所述热交换器，其中，所述多个流道限定出具有非圆形截面的流动通路。
4.权利要求1所述热交换器，其中，所述多个流道限定出具有圆形截面的流动通路。
5.权利要求1所述热交换器，其中，所述至少一个热交换管包括具有扁平截面形状的非圆形管。
6.权利要求5所述热交换器，其中，所述至少一个热交换管包括具有矩形截面形状的非圆形管。
7.权利要求5所述热交换器，其中，所述至少一个热交换管包括具有椭圆形截面形状的非圆形管。
8.权利要求1所述热交换器，其中，所述出口集管设置在高于所述入口集管的高度处。
9.一种制冷剂蒸气压缩系统，其包括以流体流动连通形式连接在制冷剂回路中的压缩机、冷凝器、和蒸发式热交换器，该蒸发式热交换器包括：
多个具有扁平截面的热交换管，所述热交换管以大致平行间隔开的关系设置，所述多个热交换管中的每一管具有经其延伸的多个分立的流动通路；
入口集管和出口集管，入口集管和出口集管均与该制冷剂回路流体流动连通，该入口集管限定一腔以用于接纳来自该制冷剂回路的待分配到所述多个热交换管的所述多个流动通路中的制冷剂；该出口集管限定一腔以用于收集流经所述多个热交换管的所述多个流动通路的制冷剂；
所述多个热交换管中的每一管大致为J形并具有第一腿部、第二腿部、和弯头部分，该第一腿部具有与所述入口集管的该腔流体流动连通的入口端，该第二腿部具有与所述出口集管的该腔流体流动连通的出口端，该弯头部分在该第一腿部与该第二腿部之间延伸，该第一腿部大致向上延伸第一距离，该第二腿部大致向上延伸第二距离，第二距离大于第一距离。
10.权利要求9所述热交换器，其中，每一管具有第一腿部和第二腿部，该第一腿部从各自的弯头部分的第一端大致垂直向上延伸，该第二腿部从各自的弯头部分的第二端大致垂直向上延伸。
11.权利要求9所述热交换器，其中，每一分立的流动通路具有非圆形截面的流动通路。
12.权利要求9所述热交换器，其中，每一分立的流动通路具有圆形截面的流动通路。
13.权利要求9所述热交换器，其中，所述多个热交换管的每一管包括具有扁平截面形状的非圆形管。
14.权利要求13所述热交换器，其中，所述多个热交换管的每一管包括具有矩形截面形状的非圆形管。
15.权利要求13所述热交换器，其中，所述多个热交换管的每一管包括具有椭圆形截面形状的非圆形管。
16.权利要求9所述热交换器，其中，所述出口集管设置在高于所述入口集管的高度处。
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