CN101084409B - 用于制冷过程的高效热交换器 - Google Patents

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Abstract

热交换器(500)包括流体输入歧管(502)，流体输出歧管(508)，众多的被配置为与流体输入歧管(502)和流体输出歧管(508)连通的热传递通道(504)，以及位于流体输入歧管(502)之内的填料(510)。

Description

用于制冷过程的高效热交换器 
技术领域
本申请要求美国第60/616,873号临时申请的利益，该临时申请于2004年10月7日提交，其全部教导通过引证被并入本文。 
背景技术
通常，低温和低温制冷被用于冷却低温间隙中的流体源和冷凝的水蒸汽，以在真空处理中产生低的水蒸汽压力和冷却制造过程中的物品，例如，半导体晶片处理过程、成像检测器器和辐射检测器的冷却、工业热传递和生物制药学上的和生物医学上的应用以及生物医学保藏，和化学处理过程。一般情况下，制冷循环压缩制冷气体，凝结与冷却液进行热交换的气体，和可以进一步与返回的减压或膨胀的气体进行热交换，以获得额外的冷却。通常，制冷循环的部分具有两种状态的液体/气体流动。 
典型的制冷循环可能具有一个或更多的热交换器。所述热交换器可以用于冷凝压缩的气体，吸收膨胀后的热，或在压缩流体和返回的膨胀气体之间进行热交换。典型的应用使用壳和管式，管并管式或绕曲管式的热交换系统。其他的使用平板式热交换器。 
壳和管式，管并管式或绕曲管式的热交换器便宜而且表现出低的压力差，即使在两种状态的流动环境中。然而，管状的交换器在交换器的每单位体积或每单位长度上具有小的表面积。为了 获得理想的热交换表面积，管部的长延伸经常被使用。在有限的空间中，热交换器是被包裹和弯曲的，成本也不断上涨。 
对于体积比率来说，平板式热交换器具有较好的表面积而且更加紧凑。然而，典型的平板式热交换器比较昂贵，并且在两种状态的流动环境下效率不高，通常在通道之间的两种状态中表现出弱分布。弱分布导致降低的稳定性，降低的热交换器效率，降低的热传递系数，降低的系统效率，增加的压力差，以及在超低温和低温应用的情况下可能导致出现冻结的情况。在另一方面，在平板式的热交换器中的典型的两种状态的流动分配器具有高的压力差(大于大约18psi)。 
有鉴于此，存在一种对于改进的热交换器的需求。 
发明内容
本发明的方面体现在一种热交换器中。热交换器包括流体输入歧管，流体输出歧管，众多的被配置为与流体输入歧管和流体输出歧管连通的热传递通道，以及位于流体输入歧管之内的填料。 
更进一步，在相关的实施方案中，流入流体输入歧管的流体可能包括至少两种状态，即可能是气态和液态。热交换器可能是一种平板式的热交换器，例如，反向流动式热交换器或短通道平板式热交换器。填料可能包括填料元件，例如，任意的填料元件或球状钢球；或可能选自由球状元件，椭圆形元件，环状元件，圆柱形元件，鞍状元件，回转扁球体
，带状元件和丝网状元件。填料元件可能包括至少两种大小模式，即至少具有第一大小模式的填料元件的第一组，和具有不同于第一大小模式的第二大小模式的填料元件的第二组。填料元件的尺寸(例如，最短的尺寸) 可能大于众多热交换通道的其中之一的宽度。热交换器可能进一步包括定位于流体输入歧管中的结构元件，其可以保护填料。所述结构元件可能是圆柱形的；或可能是圆锥形的，具有第一末端和第二末端，与第二末端相比，第一末端具有更大的横截面。第二末端可能在最靠近输入歧管的无流动端定位，或在最靠近输入歧管的流动端定位。结构元件可能具有沿其长度部分变换的横截面积。对于3米/秒的流动速度来说，热交换器两端之间的压力差可能不超过5psi。借助联管箱中使用的填充材料的特性，热交换器的总的热传递系数可能提高至少2％。 
本发明的其他方面体现在一种热交换器中。热交换器包括众多限定流体通道的第一组和至少流体通道的第二组的平行热传递板，第一流体输入端口经过配置与流体通道的第一组连通，第一流体输出端口经过配置与流体通道的第一组连通，第二流体输入端口经过配置与流体通道的第二组连通，第二流体输出端口经过配置与流体通道的第二组连通，以及定位于至少第一流体输入端口和第二流体输入端口的其中之一的填充分配器。在某些可以选择的配置中，三个或更多的流体源被冷却。 
本发明的另外方面体现在制冷系统中。制冷系统包括压缩机和至少一个与压缩机连接的热交换器。所述的至少一个热交换器包括联管箱，定位于联管箱中的填料，以及热传递通道。热传递通道被配置用于接收流经联管箱和填料的流体。 
更进一步说，在相关的实施方案中，制冷系统可能包括混合制冷剂。联管箱可以被配置用于接收两种状态的流体。制冷系统可以被配置达到的温度低于200K。所述的至少一个热交换器可以执行以下热交换器的功能，热交换器选自由减温器，冷凝器，在至少两个制冷剂源之间进行热交换的热交换器，以及蒸发器。至少一个热交换器可能包括制冷部分中的部件。制冷部分可能包 括分离器。至少一个热交换器可能是平板式热交换器，而且可能被水平或垂直定位；以及可能被热端向上垂直定位。制冷系统可能包括单一组分的制冷剂。制冷系统也可能是一种温度很低的制冷系统；而且可能包括混合的制冷剂。制冷系统具有在至少冷模式和备用模式下运行的能力；或者至少在冷模式，备用模式和解冻模式下运行。 
本发明的方面也体现在用于进行热交换的方法上。所述方法包括使第一流体流经热交换器和使第二流体流经热交换器。热交换器包括众多限定流体通道的第一组和至少流体通道的第二组的平行热传递板，第一流体输入端口经过配置与流体通道的第一组连通，第一流体输出端口经过配置与流体通道的第一组连通，第二流体输入端口经过配置与流体通道的第二组连通，第二流体输出端口经过配置与流体通道的第二组连通，以及定位于至少第一流体输入端口和第二流体输入端口的其中之一的填充分配器。第一流体流经第一流体输入端口，流体通道的第一组，和第一流体输出端口。第二流体流经流体通道的第二组。热在第一流体和第二流体之间借助众多平行的热传递板进行交换。 
本发明的其他方面还体现在制冷系统的维护方法上。该方法包括将填料填充到与制冷系统连接的热交换器的歧管中。热交换器包括歧管和热传递通道。热传递通道被配置用于接收流经歧管和填料的流体。 
本发明的进一步的方面还体现在制冷系统的制造方法上。该方法包括将填料填充到与制冷系统连接的热交换器的歧管中。热交换器包括歧管和热传递通道。热传递通道被配置用于接收流经歧管和围绕填料的流体。
附图说明
根据以下本发明的优选的实施方案的更加详细的描述，本发明的上述和其他的方面，特征和优势将变得更加明显，如同举例说明的那样，在对应的附图中，相同的参考标记指代不同附图中的相同部分。附图并没有严格根据比例绘制，而将重点放置在解释说明本发明的原理上。 
附图1描述了级联制冷系统的可效仿的实施方案。 
附图2举例说明了自动级联制冷循环的可效仿的实施方案。 
附图3描述了制冷系统的可效仿的实施方案。 
附图4描述了制冷部分的可效仿的实施方案。 
附图5和附图6描述了热交换器的可效仿的实施方案。 
附图7A-7E描述了填料的可效仿的实施方案。 
附图8A-8F描述了热交换器歧管的可效仿的实施方案。 
附图9A-9C描述了热交换器的可效仿的定位。 
附图10举例说明了具有填充分配器和没有填充分配器的热交换器的性能特征。 
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方案的描述。
在各种应用中制冷系统提供冷却。某些应用利用了超低温度和低的温度，典型的是低于230K，例如，不超过230K，不超过183K或不超过108K。制冷排列(例如，级联排列和自动级联循环)可能被用于获得低的理想温度。所述制冷系统利用一个或更多的热交换器来从制冷循环的一部分中排出热，并在制冷循环的另一部分中吸收热。 
附图1描述的是具有第一制冷循环116和第二制冷循环118的可效仿的制冷系统。第一制冷循环116和第二制冷循环118被排列在级联配置中，其中第一制冷循环116通过热交换器或冷凝器108冷却第二制冷循环。 
第一制冷循环116中的制冷剂通过压缩机102压缩。压缩后的制冷剂在热交换器或冷凝器104中被冷却以凝结制冷剂。被凝结的制冷剂通过膨胀器106进行膨胀并在热交换器108中被加热，以蒸发制冷剂。被蒸发的制冷剂返回到压缩机102中。 
在第二制冷循环118中，第二制冷剂通过压缩机114压缩。被压缩后的第二制冷剂通过减温器120被冷却为室温，然后在热交换器108中被冷凝。通过充分蒸发热交换器108中的第一制冷剂，第二制冷剂被凝结。被凝结的第二制冷剂在膨胀器110中膨胀并在热交换器112中被加热，并蒸发第二制冷剂。膨胀器106和110可能是真空管，毛细管，管状膨胀器，或者是压力差板。被蒸发的第二制冷剂返回到压缩机114中。 
热交换器112可以用于过程或物品的冷却。例如，热交换器112可以冷却热传递介质，吸热设备，或物品。所述物品通过热传递介质或吸热设备的使用被间接冷却。在一个可以效仿的实施方案中，物品可能是半导体晶片。在另一个可以效仿的实施方案中，热交换器112可能冷却气源，例如，凝结水蒸汽。在又一个 可以效仿的实施方案中，热交换器112可以用于冷却在深冷分离中使用的源。在另一个可以效仿的实施方案中，热交换器112可以用于冷却真空泵系统中的低温线圈。在又一个可以效仿的实施方案中，热交换器112可以用于冷却生物医学上的制冷器，用于冷却检测器，或用于与工业过程，化学过程或药物配剂进行热交换。 
热交换器104，108，112和120可能是，例如，板式热交换器，管并管式热交换器，或壳和管式热交换器。热交换器可能包括，例如，填料或输送热交换器的一个或多个歧管中的填充分配器。 
第一制冷剂可能是单一组分或是包括一种或多种组分的混合制冷剂，一种或多种组分选自由含氯氟烃，液态含氯氟烃，碳氟化合物，液态碳氟化合物，氟化乙醚，碳氢化合物，大气气体，惰性气体，低活性组分，低温气体及上述组合物所组成的组。类似地，第二制冷剂可能是单一组分或是包括一种或多种组分的混合制冷剂，一种或多种组分选自由含氯氟烃，液态含氯氟烃，碳氟化合物，液态碳氟化合物，氟化乙醚，碳氢化合物，大气气体，惰性气体，低活性组分，低温气体及上述组合物所组成的组。对于所述混合物来说，两种状态(液态和气态)的出现在整个制冷过程中是十分普通的，原因在于混合物包含的组分具有广泛的间隔沸点(以50K或100K为典型，其不同于最温暖到最寒冷的沸腾组分)，所述间隔沸点难于完全冷却或蒸发。因此，所述混合物将极大受益于包装歧管。然而，包装歧管可能有利于含有本文所公开的热交换器的类型的具有两种混合状态的任何过程。 
第一制冷剂的可以效仿的实施方案可能包括在美国专利第6,502,410号，美国专利第5,337,572号以及PCT专利公布号为WO02/095308A2中公开的制冷剂，其教导全部并入本文。
附图1中的第一和第二制冷循环之一或全部可能是自动级联循环。附图2描述的具有解冻能力的可以效仿的自动级联循环。制冷剂在压缩机202中被压缩。压缩后的制冷剂经过任选的油分离器224来从压缩的制冷剂源中除去润滑剂。通过油分离器224分离的油可以通过传输管线230返回到压缩机202的抽吸管线222中。油分离器224的使用是任意的，这取决于排放到卸流源中的油的数量和油在制冷过程中的容许量。在可选择的排列中，油分离器224与解冻支线228成直进定位。 
被压缩的制冷剂通过管线206从油分离器224到达冷凝器204，压被缩的制冷剂至少部分被冷凝，形成两种状态液/气流动。冷却介质可能被用于凝结被压缩的制冷剂。在级联配置的情况下，第一制冷剂可能被用于冷凝冷凝器204中的第二制冷剂。 
从冷凝器204中，冷凝的或部分冷凝的制冷剂通过管线210传输到制冷过程208中。制冷过程208可能包括一个或更多的热交换器，状态分离器和流量计装置。制冷过程208的冷输出214直接连接蒸发器212，其通过从过程或物品中吸收热来冷却过程或物品。被加热的制冷剂通过管线220返回到制冷过程208中。级联排列中的蒸发器212被用于冷却下一更冷的阶段中的制冷剂。在根据本发明的可以选择的实施方案中，正如本领域内的普通技术人员所熟知的那样，各种不同的伺服阀(没有显示)可能被包括在附图2的实施方案中。 
在附图2的可效仿的实施方案中，制冷过程208显示为一种自动制冷级联系统并包括热交换器232，状态分离器234，热交换器236，状态分离器238，热交换器240，状态分离器242，热交换器244，流量计装置(FMD)246，FMD248和FMD250。热交换器提供从高压制冷剂转变为低压制冷剂的热。FMD将高压制冷剂节流为低压制冷剂并产生作为节流过程的制冷效果。
热交换器232，236和240和蒸发器212和冷凝器204可能是，例如，平板式热交换器，管并管式热交换器，或壳和管式热交换器。热交换器可能包括，例如，填料或输送热交换器的一个或多个歧管中的填充分配器。 
制冷系统200可以在以下三种模式的其中之一中操作，即冷却，解冻和备用模式。已描述的制冷剂混合物能够适用于上述三种模式中的每一种。如果螺线管阀门260和218都处于关闭位置，系统处于所述的备用模式。没有制冷剂流入到蒸发器中。制冷剂仅仅在制冷过程208中通过内部的流量计装置(即，FMD246，FMD248和FMD250)的设备流动，导致高压制冷剂被输送到过程中的低压一侧。这将允许制冷过程208的继续操作。如果使用单一节流制冷过程，备用模式的操作仅仅是可能，如果导致流动经过节流阀的设备在备用模式期间是可用的，将引起制冷剂从制冷过程208的高压一侧流动到低压一侧。在某些排列中，备用模式可能通过成对的螺线管阀门启动来控制流向蒸发器的制冷剂的流动或控制返回到制冷过程。在其他的排列中，附加的节流阀和螺线管阀门被用于使内部流动处于备用模式。 
在可以选择的排列中，热交换器，可考虑为再冷却器(例如，如下附图3中所示的再冷却器)被包括在制冷过程中。再冷却器从蒸发器中转移一部分高压制冷剂并将其膨胀为低压，以降低制冷剂的温度。然后，源被用于对整个流量进行预冷，所述的整个流量输送蒸发器和被转移的流量。因此，当流动到蒸发器的流量停止时，内部的流动和热传递继续允许高压制冷剂逐渐变冷。这将反过来导致进入到再冷却器中的膨胀制冷剂的温度较低。 
正如附图3所示，热交换器312是众所周知的再冷却器。某些制冷过程并不需要再冷却器，因此其属于任选部件。如果热交换器312并没有使用，那么高压流动将退出热交换器312直接输 送制冷剂供应管线320中。在返回的流动路径中，制冷剂返回管线348回到热交换器308。在具有再冷却器的系统中，退出再冷却器的低压制冷剂在节点H处与制冷剂返回的流量混合，并导致混合流量输送到热交换器308中，退出再冷却器的低压制冷剂回到热交换器306中。被状态分离器304去除的液体部分通过FMD310被膨胀为低压。制冷剂从FMD310中流出，然后与从热交换器308中流入到热交换器306中的低压制冷剂进行混合。混合的流量回到热交换器306，依次输送到热交换器302，其随后回到压缩机抽吸管线364中。热交换器在高压制冷剂和低压制冷剂之间进行热交换。 
回到附图2，通过打开螺线管阀门218，系统处于冷模式。在所述操作模式下，螺线管阀门260处于闭合位置。来自制冷过程208的温度很低的制冷剂通过FMD216被膨胀，并流经阀门218后流出到蒸发器212中，然后通过制冷剂返回管线220返回到制冷过程208中。 
制冷系统200通过打开螺线管阀门260处于解冻模式。在所述的操作模式下，螺线管阀门218处于闭合位置。解冻模式中来自压缩机202的热气体提供给蒸发器212。典型地，解冻被启动以加热蒸发器212的表面。流经油分离器224并经过解冻管线228到达螺线管阀门260热的制冷剂被提供给螺线管阀门218和蒸发器212之间的节点，并流动到蒸发器212中。在解冻的初始阶段，蒸发器212的温度非常低，并导致热的制冷剂气体变冷并完全或部分冷凝。然后，制冷剂通过制冷剂返回管线220返回到制冷剂过程208中。返回的解冻制冷剂在与通常在冷模式中提供的温度及其相似的非常低的温度下被启动。由于解冻过程进展蒸发器212被加热。最终返回解冻气体的温度比在冷模式中提供的温度要温暖。这将导致在制冷过程208中大量的热负载。这在短暂的 时间周期中是被允许的，通常为2-7分钟，该时间通常足以加热蒸发器212的整个表面。温度传感器(出于简洁的目的不进行说明)可能与制冷剂返回管线220热接触。当理想的温度达到制冷剂返回管线220时，温度传感器引起控制系统(出于简洁的目的不进行说明)结束解冻，闭合螺线管阀门260并将制冷系统200处于备用模式。在解冻完成之后，备用模式中的短周期，通常是5分钟，被要求允许制冷过程208在被转为冷模式之前降低温度。 
出于解释说明本发明公开的目的，制冷系统200的制冷过程208在附图2中作为一种自动制冷级联循环的版本来显示。然而，温度很低的温制冷系统200中的制冷过程208是使用混合制冷剂的任何温度很低的制冷系统。更为普遍的是，根据本发明的实施方案所涉及的制冷系统提供温度介于233K和53K(-40C和-220C)之间的温度。在该范围内的温度被不同程度地认为是低的，超低的和低温。出于应用地目的，术语“很低”，“很低的温度”将被用于表示温度介于于233K和53K(-40C和-220C)之间。更进一步说，出于本应用的目的，术语“混合制冷剂”将用于指代包括至少两种组分的制冷剂混合物，其名义上的沸点在最暖的沸腾组分和最冷的沸腾组分之间变化至少为50C。考虑到上述定义，根据本发明的实施方案指代使用混合制冷剂的温度很低的制冷系统，并指代在所述制冷系统中使用的热交换器。 
更为详细的是，制冷过程208可能是具有多个状态分离器，单一状态分离器或没有状态分离器的系统。 
可以在本发明的实施方案中使用的具有多个状态分离器的系统的实施例是Missimer型循环系统(即，自动制冷级联系统，正如Missimer在美国专利第3,768,273号中所描述的那样)是众所周知的
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低温冷却器系统或快速循环低温冷却器系统(即，自动制冷级联过程)。Polycold系统及相关变化的实施例在 Forrest的美国第4,597,267号专利中和Missimer的美国第4,535,597号专利中所描述。可以选择的是，任何不具有状态分离器，具有一个状态分离器或具有多于一个状态分离器的温度很低的制冷过程可以被使用。 
也可以使用的具有一个状态分离器的系统的实施例首先被Kleemenko描述。 
也可以使用的不具有状态分离器的系统的实施例是CryoTiger或PCC系统(由Helix Polycold System Inc.，Petaluma，CA制造)，和同样也是众所周知的单阶段的没有状态分离器的低温冷却器。Longsworth的美国第5,441,658号专利中描述了这样的装置。 
对于低温和温度很低的制冷进一步可以参考由美国加热、制冷和空调协会出版的1998ASHRAE制冷手册中第39章的内容。除了使用的状态分离器的数量之外，还有热交换器的数量和使用的内部节流装置的数量可以根据特定的应用而在各种不同的排列中增加和减少。所有以上的参考文件的教导作为参考并入本文。 
制冷循环的进一步的变化包括用于冷却或液化气源。在某些排列中，蒸发器被用于冷却或液化气体。在其他的排列中，气源通过热交换器的使用而被预冷却，该热交换器具有至少三条流动路径，其中返回的低压制冷剂冷却高压制冷剂和至少一个气源。在某些情况下，蒸发器的功能和预冷热交换器是结合在一起的。在所述的排列中，高压制冷剂膨胀，然后直接返回到三个流动热交换器中。在其他的变化中，多气源被冷却或液化。制冷循环的其他变化可能包括用于冷却或液化液体源(或多液体源)的制冷过程。
附图2显示的制冷过程208的几种基本的变换是可能的。显示在附图2中的制冷系统200与单一的压缩机相连。然而，人们将认识到这种相同的压缩效率可以通过并行使用两个压缩机获得，或者压缩过程可能通过串连压缩机或两个阶段内的压缩机来被分成若干阶段。所有这些可能的变化都被认为是在公开的范围之内。由于提供了改进的可靠性，所示的实施方案使用单一压缩机。当制冷系统位于轻负载时，并行使用两个压缩机对于降低功率消耗是非常有用的。所述装置的优势在于额外的部分，控制，要求的地面空间和费用以及可靠性的减少。两个压缩机的串连使用提供了一种用于减少压缩的每一个阶段的压缩率的装置。其提供由于压缩的制冷气体所达到的降低最大排放温度的优势。然而，这也要求额外的部分，控制和费用以及较低的系统可靠性。所示的实施方案使用单一的压缩机。通过单一的压缩机，压缩的单一阶段中的混合制冷剂的压缩可能被使用，而没有过多的压缩率或排放温度。被设计为提供多阶段压缩并冷却压缩阶段之间的制冷剂的利用由于单一的压缩机仍被使用而在增加的复杂性的劣势被最小化时保持间断的压缩阶段的利益。 
状态分离器可能采用各种形式，包括合并式，旋涡式，除雾器，或上述形式的结合。状态分离器可包括合并式过滤器，针织网眼，金属细网纱，和结构性材料。这取决于设计，流动速率和液体成分，状态分离器可以在高于30％的效率下操作，可能大于85％或超过99％。 
附图2中的制冷系统200连接单一的蒸发器。一种普通的变化是对多个蒸发器提供独立的解冻控制和冷却控制。在所述的排列中，各个蒸发器是并联的，每一个都具有阀门组(例如，阀门260和218)来控制冷的制冷剂和热的解冻气体的流动，以及冷凝管线。所述排列使得具有一个或更多的蒸发器处于冷模式，解 冻模式，或备用模式成为可能，例如，其他的蒸发器可能是单独放置在冷模式，解冻模式或备用模式。 
制冷系统200进一步包括通过状态分离器234的第一输出的分支传送的任选的螺线管阀门252。螺线管阀门252的输出传送到与第二膨胀箱256串连(已显示)或并联(未显示)连接的任选的膨胀箱254。另外，任选的FMD258的输出连接到螺线管阀门252和膨胀箱254之间的节点上。FMD258的输出在热交换器236和热交换器232之间的节点上进给到制冷剂返回路径中。系统部件的各种排列可以被使用。这些排列包括无源膨胀箱的系统，在初始阶段螺线管阀门打开以将气体存储在膨胀箱中的系统，在美国专利第4,763,486号和美国专利第6,644,067中所描述的初始状态中运行的用于管理系统的旁路阀门。还有的其他排列可以使用，其中的膨胀箱和特定的初始排列都没有公开在Longsworth的美国专利第5,441,658号中。鉴于此，膨胀箱的使用是任选的。 
在初始阶段，由于整个系统处于室温，所以经过制冷系统200的大部分制冷剂通常是气态的。制冷剂气体的控制十分重要，以致冷却时间减少。在初始阶段选择性地从制冷系统200的循环中去除气体有利于时间的减少。另外，气体流回到制冷系统200中的比率同时也影响变冷的比率。 
在初始阶段，系统控制器(未显示)暂时打开螺线管阀门252，通常需要10到20秒。螺线管阀门252是，例如，Sporlan式的B6阀门。结果是，在初始阶段，制冷剂气体从状态分离器234中排出并输送到膨胀箱254和膨胀箱256的串连结合中。FMD258控制制冷剂气体的输入和输出膨胀箱254和256的流动。用于设定经过FMD258的流动需要考虑以下两个因素：流动必须足够慢，以致在任意给定的时间和任何打开的条件下返回到制冷系统 200的气体在冷凝器中可以被冷凝，从而确保较快速冷却。正是在开始阶段的液体的初始构成使得变冷时间以15分钟到60分钟为顺序。同时，流经FMD258的速率必须足够快，以确保足够的制冷剂在制冷系统200中流动，这样由于低的抽吸压力所产生的可能的故障被避免。流向和流出膨胀箱254和256的气体通过使用附图2中所示的FMD258被被动控制。另外，与传感器结合的控制器可以用于提供活动的流动控制。膨胀箱的排列包括至少一个压力室和可以具有串连和/或并联排列的膨胀箱的结合和任意数量的膨胀箱。在可以选择的排列中，冷凝器中的液体构成，无论是在系统变冷期间或是在连续的操作期间，并不是必须的。在上述情况下，如果不可接收的低抽吸压力不被发展，再次导入的气体的较低的速率是足够的。 
附图4描述了两种阶段的制冷系统。第一阶段是冷却第二阶段或冷阶段的暖阶段。第二阶段反过来冷却经过蒸发器或热交换器444的过程或物品。 
在第一阶段中，压缩机402压缩第一制冷剂。被压缩的制冷剂通过任选的油分离器404，其中残留的油可能被去除和返回到压缩机中。压缩的制冷剂被传输到冷凝器406中，在此压缩的制冷剂凝结为液态形式。压缩的制冷剂输入到制冷部分408中。 
制冷部分408可能包括一个或更多的热交换器。制冷部分408也可能包括一个或更多的状态分离器和流量计装置(FMD)或膨胀器。在所示的实施例中，制冷部分408包括三个热交换器410，414，416，状态分离器412，和FMD420。被膨胀的制冷剂被用于从热交换器430中去除热，然后返回到制冷部分408，其后经过热交换器410，414，416，从而热从压缩的或凝结的制冷剂变换为返回到压缩机402中的低压制冷剂。状态分离器402和 FMD420可以用于建立作为压力差或膨胀的结果的进一步的制冷效果，和不同组分与返回的流量的混合。 
FMD418可以用于制冷部分的输出以控制制冷剂的流动。FMD418可以是闭合的，允许制冷循环独立循环。可以选择的是，FMD418可以是打开的，以允许凝结的制冷剂膨胀到热交换器430中。在一个可以效仿的实施方案中，第一制冷剂可能在热交换器430中蒸发，而第二制冷剂凝结。 
在第二阶段或冷阶段，第二制冷剂在压缩机422中被压缩。压缩的制冷剂可能通过任选的油分离器424以去除残余的油。压缩的制冷剂可能经过一种后冷却器426以部分冷却压缩的制冷剂。在可以选择的实施方案中，后冷却器426和油分离器的排列可以是相反的。压缩的制冷剂可能经过热交换器428以进一步冷却被压缩的制冷剂和部分加热返回到压缩机抽吸管线的低压制冷剂。压缩的制冷剂可能经过冷凝器或热交换器430，热与第一制冷循环进行交换。凝结的和部分凝结的制冷剂可能会流入到制冷部分432中以进一步冷却。冷却的制冷剂通过FMD442膨胀到蒸发器444中以冷却过程或物品。 
包括热交换器434，438，440，状态分离器436，和FMD446的制冷部分432可以以与制冷部分408相同的方式操作。可以选择的是，各种配置可以在制冷部分432中使用。 
热交换器406，410，414，416，426，428，430，434，438，440和444可以是，例如，平板式热交换器，管并管式热交换器，或壳和管式热交换器。热交换器可以包括，例如，填料或输送热交换器的一个或多个歧管中的填充分配器。
制冷部分也可以包括对于制冷系统208的讨论的任何系统变化。 
附图5描述一种可以效仿的热交换器500。热交换器包括用于接收第一流体的输入歧管或联管箱502。输入歧管502进入一个或更多通道504的第一组中。通道504可能通过热传递表面514与输送第二流体的通道506的第二组间隔开。通道504可能与第一流体连通到输出歧管或联管箱50中。附图5解释说明了两源的热交换器。然而，本发明也可以适用于具有多于两种流动源的热交换器。 
在一个可以效仿的实施方案中，热交换器500是平板式热交换器。在一个可以效仿的实施方案中，平板式热交换器可能具有与四个歧管耦合的一组平行的板，以这样的方式形成两组通道。在一个实施方案中，平板式热交换器可能是短通道平板式热交换器；例如，一种平板式热交换器，其中平板式热交换器的长宽比不超过8.0，或不超过6.0或者是其他类型的短通道平板式热交换器。为了获得理想的热传递表面积，不止一个热交换器可以串连或依次前后操作。更进一步说，不止一个热交换器可以与分布的液体分离器进行串连耦合，以形成制冷部分。在又一个可以效仿的实施方案中，平板式热交换器可能是反向流动的平板式热交换器，其中热交换流体在相反的方向上流动。平板式热交换器可以效仿的实施方案包括Swep，Inc.B15和Flat-Plate FP2x8-40平板式热交换器。在可以选择的实施方案中，热交换器500可以是壳和管式热交换器或具有多条管道的管并管式热交换器。 
附图5中的可以效仿的热交换器包括输入歧管502中的填料510。填料形成流动分配器。填料510可以是任意的或结构性填料。例如，任意填料可以是当位于歧管中时是任意排列的填料。描述的填料包括球形钢球。可以选择的是，任意的填料可以包括 环状，圆柱体，鞍状，中空球状体，丝网或网格片或其结合。不同大小和形状的填料可以在单一的歧管中合并使用。一般来说，优选的是，固定填料以致填料在运输或操作期间不会移动。在特定的实施方案中，任意填料的大小可能大于通道504的宽度，而且不会超过联管箱或与联管箱连接的开口的宽度的99％。例如，球形或圆柱形填料元件的直径可能大于平板式热交换器通道的宽度。当需要较小的填料元件时，保留的结构，例如线网格或筛子可以用于防止填充材料进入或滞留在流动通道。 
附图6描述的是一种平板式热交换器602。平板式热交换器602包括形成两组通道的一个或更多的平板604。输入歧管A和输出歧管B与其中的一组通道连通。输入歧管D和输出歧管C与其中的第二组通道连通。填料可能被放置在一个或更多的输入歧管A或D以在歧管A或D中形成流动分配器。可以选择的是，填料也可以在至少一个流动源的输出中使用。位于输出中的填料的使用可能减少要求的制冷剂费用和将液体制冷剂存储减到最小或消除。 
附图5是简化的横截面视图，表示通过通道504的仅从A流向B(附图6中，对应于附图5中的从输入502流向输出508)。通过通道506的从D流向C的反向流动应该是类似的。提供必需的流动的具有合成外形平板的平板式热交换器是众所周知的，而且商业产品的实施例已在上文中引用。可以从附图6示意性的视图中看出，附图5中所述的热交换器实现反向流动的热交换器，一股流动从附图5的通道504中从左边流向右边(附图6中从输入A流向输出B)；一股对应的流动从通道506的右边流向左边(附图6中从输入D流向输出C)。人们将会理解附图5和附图6中反向流动的实施方案并不是限制；而且平行的流动，交叉的流动或其他形式的热交换可以根据本发明使用在实施方案中。
附图6中的示例用的热交换器602可以用作减温器的交换器，以在压缩的制冷剂和从制冷部分排出的返回膨胀制冷剂之间进行热交换。热交换器602也可以用作冷凝器或蒸发器。可以选择的是，热交换器602可以用作一种用于将热从压缩的制冷剂转变为另一个制冷循环中的膨胀的制冷剂的热交换器。在另一个可以效仿的应用中，热交换器602可以在冷凝的压缩制冷剂和制冷部分中返回的膨胀制冷剂之间进行热交换的制冷部分中使用。例如，一个或更多的热交换器602可以作为附图2中描述的制冷过程208中的热交换器232，236和240，作为附图3中描述的制冷过程318中的热交换器302，306和308，作为附图4中描述的制冷过程408中的热交换器410，414和416，或作为附图4中描述的制冷过程432中的热交换器434，438和440使用。 
在可以效仿的实施例中，一种由SWEP Inc.制造的4板式PTHXB15/4单一膨胀系统被作为测试。一种使用的多组分混合制冷剂包括CH4/C2H4/C3H8/R142。系统采用了3.6cfm(6m3/h)往复封闭式压缩机。没有流动分配器的系统达到最低温度为190K(QR＝0W)。在填充的流动分配器安装之后，系统达到的较低温度为170K(QR＝0W)和在190K时具有QR＝300W的冷却能力。在测试中，热交换器被用作制冷剂对制冷剂的热交换器，在反向流动排列中操作并接收来自后冷却器的高压流动；将高压制冷剂传递到单一膨胀装置中；从蒸发器中接收低压制冷剂；并将低压制冷剂传递到压缩机。 
附图7A-7E描述的是在热交换器的歧管中使用的可以效仿的填料。附图7A描述的是可以效仿的球形钢球。可以选择的是，可以选用椭圆体的任意填料。附图7B描述的是可以效仿的环形或圆柱形填料，例如，Raschig环，超Raschig环，Cascade迷你环，或PALL环。附图7C描述的是可效仿的鞍状填料，例如， Berl鞍状物，Intalox陶瓷鞍状物，Intalox金属鞍状物，或Koch-Glitsch Fleximax。附图7D描述的是可效仿的空心球状体填料，例如，VFF Hacketten或VFF Top-Pak。在另一个可以效仿的实施方案中，附图7E描述的是丝网结构。可以选择的是，可以采用网孔片或穿孔的金属带状物。任意填料可以是固体的或多孔渗水的，以及只要所选的材料能够与处理流体和温度相匹配，任意填料可以是金属，陶瓷，塑料或类似的合适材料。在进一步的实施方案中，结构性的填料可以使用。结构性的填料可以包括形成通道并可以与网孔或穿孔的金属片构建。在另一个可以效仿的实施方案中，包括结构性的或任意填料的释热元件可以被放置在歧管，联管箱或分配器中。 
在本发明的实施方案中使用的填料的膨胀特性在于热交换器的平行板之间分配的流量更加平均。人们希望通过建立更多的均匀流量流经联管箱区域来获得上述特性。在所述的情况下，均匀流量指的是液体和气体流量的平均分布。在该过程中，机械装置的关键在于联管箱速度上的增加，在液压直径上的减少，和速度流动区域的干扰。填充材料的物理性质减少了可获得的横截面的流动区域。这将增大流动速度。填料材料也减少降低液压直径的流动通道。填料材料的性质也分配流量和建立弯曲路径。这将导致液体和蒸汽状态的更好混合。由填料所占据的混合和物理体积同样减少联管箱中的液体状态的“池”位。由于在从联管箱的输出(或输入)经过联管箱的无流动端，流量减少，因此需要沿着联管箱长度方向上的横截面积以维持足够的速度来确保充分的液-汽均匀。然而，好的结果是获得包括大小相同和沿着联管箱的长度的包装密度相同的钢球的填料。 
优选的是，例如，填料可能被确定大小以提供热交换器上不超过5psi的压力差，例如，不超过4psi或不超过大约2psi，而且 流动速度不超过3m/s。一般来说，热交换器上的压力差会与速度一并增加并与液体部分一并增加。在某些设计中，可以使用更多的黏性强的胶料。在所述情况下，速度增加到20m/s或更多，压力差增大到50psi或更多的情况都可能发生。即，这样高的速度和压力差不是需要的；然而，人们将会理解速度和压力差(包括既定的)的更宽的范围在本发明的范围之内。当联管箱中的压力差相对于热交换器中的压力差变得明显时，一般会在热交换器中出现不平衡的流动，原因在于非常靠近输入的流动与流经板的第一组的流动很相似。出于这一原因，为了在每一板中实现几乎相等的分布，联管箱中小的压力差是优选的。任意的填料也可以被确定大小，以致有效的大小或直径是大于或小于通道的宽度或直径的。 
附图8A-8F描述的是歧管和联管箱的可以效仿的实施方案。附图8A描述的是填充有任意填料804的歧管802。填料804可能是，例如，其直径和大小大于由歧管输送的通道的直径和大小。结构806可以确保任意填料处于位置上。结构806可以是，例如，填充有网孔，筛子，或穿孔的金属箔。举例来说，网孔可以是线或聚合体网孔。金属箔可以是金属或塑料金属箔。所述的结构806可以是穿孔的或能够渗透足以允许制冷剂液体的流动经过结构806。在附图8A-8F中，流动箭头807指代的是制冷剂液体流动的一般方向：流经结构806；输入到歧管802的流动末端809并流向无流动末端811；和在813，联管箱的输出朝向热交换器通道。分界线815，817是歧管和联管箱的无流动分界线，而结构806和分界线819可能是可渗透流动的。其他各种方向和流动分界线排列的变化也可以采用。举例来说，附图8A-8F中解释说明流入联管箱的实施例，例如，附图5中的输入502，其中流动进入联管箱的顶部并进行到右边进入通道504(如箭头807所示)。然而，在另一个实施例中，流动可以在热交换器500的右 边的输入上(附图5中没有显示)，其中流动可能进入到联管箱的顶部并进行到左边进入通道506。可以选择的是，例如，对于输出508，流动可以从联管箱的左边流入而从联管箱的顶部流出。结构806和其他可渗透的边界和无流动的边界的排列将取决于流经歧管或联管箱的流动的方向。除了描述的流动方向之外，其他的流动方向也是可能的。尽管附图8A-8F中的流动方向通常用箭头表示出来，人们将会理解真实的流动将会流经联管箱或歧管的可渗透边界的大部分或全部。 
附图8B描述的是可以替换的实施方案，其中联管箱或歧管802包括形状可变的结构806。形状可变的结构806可以保护填料804。在附图8B的特定的实施方案中，结构806可能具有沿歧管的深度变化的横截面积。具有形状可变的目的可能是用于调整可以获得的流动面积与沿着联管箱长度减少的流动相匹配。一般来说，在输出(或输入)流动面积和大量的流动速度是最大的，而且在联管箱的末端，流动面积和大量的流动速度是最小的。在一个可以效仿的实施方案中，歧管806的横截面积沿着歧管从输入到无流动端减少，例如一种倒锥体(和，相反的，填料804的总横截面积沿着歧管从输入到无流动端增加)。在一个可以效仿的实施方案中，锥体可以是不对称的，以致锥体的顶部偏离歧管或联管箱的中心线并远离通道。在另一个实施方案中，变化长度和相同长度或变化直径的流动通道的系列被插入到联管箱的内部以向联管箱部分提供众多的输出，而且在所述的实施方案中，联管箱部分可能包括填充材料。在又一个实施方案中，结构806可以采用圆柱体的形式。在圆柱体部件的情况下，横截面积不会变化，但其会导致通过联管箱的速度较高。结构806可能是穿孔的固体部件，多孔渗水部件，网孔或纺织品。结构可以由金属或聚合体结构制成。
附图8C描述的是各种变化，其中具有横截面积的歧管沿着歧管的长度变化。在这一可以效仿的实施方案中，总的填料的横截面积沿着歧管从输出端到无流动端减少。结构806保护填料804。如图所示，结构806是对称的。然而，在可以选择的实施方案中，可以采用不对称的结构。 
附图8D描述了歧管或联管箱802，其中使用大小变化的填料(810，812和814)。填料由结构806保护。在这一实施方案中，填料大小的减少向着歧管802的无流动端。然而，不同大小的填料可以平均分布或放置，以致较大的填料靠近歧管802的无流动端。在一个特定的实施方案中，填料是双峰分布的，包括填料的第一大小和第二大小。在其他的变化中，采用了多于两种大小的填料元件，而且在某些变化中两种，三种或更多的填料形状可以使用。所述情况中，采用的是不同大小的填料元件，它们可以以渐进的方式分布(例如，从较大的到较小的填料元件)或以任意的方式分布。填料元件也可以包括多种不同大小和外形的填料元件。填料元件外形的变化(可以是采用两种，三种或更多种不同填料元件的外形，其可以离散分布，或连续分布或在联管箱或歧管上任意变化)也可以采用。 
附图8E描述的是又一个可以效仿的实施方案，其中结构806的横截面积在向着歧管802的无流动端的方向上增加(和，相反的是，总横截面积在向着歧管802的无流动端的方向减少)。(人们将会理解附图8E的排列在向着歧管802的无流动端的方向上不具有减少流动面积的优选关系；但是其是出于解释说明变化的缘故)。在附图8E的可以选择的实施方案中，附图8E中显示的两侧之间(如空白空间)的面积可能填充固体屏障。在所述情况下，流动经过结构806，而经过填充材料804的流动的横截面积因此在向着歧管的无流动端的方向上减少。附图8F描述的可以 效仿的实施方案，其中释热元件816被插入到歧管802中。释热元件816可以，例如，包括在或包裹的任意填料。可以选择的是，释热元件816可以由结构性填料制成。 
也可以使用除了附图8A-8F中所示的其他的变化。例如，填料可以包括被其他填充材料围绕的固体部件或多孔渗水部件。同样的，填料的形状或填料中的固体或多孔渗水部件，或填料自身的基础可以以平滑连续的方式变化，以波浪的形式变化，或以阶梯式变化；而且可以是对称的或不对称的。由于结构导致的横截面积流动的有效减少可能导致流动区域线性或非线性的变化。 
附图9A，附图9B和附图9C描述的是热交换器的可以效仿的定位。附图9A描述了水平的热交换器。附图9B描述的是具有热端朝上的热交换器。在可效仿的制冷部分，压缩的制冷剂输入歧管位于压缩的制冷剂输出歧管的上方，而膨胀的制冷剂输入歧管位于反向流动的热交换器中的膨胀的制冷剂输出歧管的下方。附图9C描述的是可以选择的实施方案，其中热端靠近热交换器的底部而歧管对应放置。 
热交换器可以在不同的定位操作。在一个可以效仿的实施方案中，试验用的热交换器被安装有向上的“热端”，然后转动180度到“热端”向下的位置。这种格局表现在表1中，分别对应NO.3和NO.4。系统示范了一种好的操作稳定性。
表1.没有或具有来自Swep Inc.的PTHX B15/4流动分配器的系统性能比较 
  
序号 PHat PL，at QR，W TR，K-out蒸汽 MR流动速度 摩尔/秒 MR对比摩尔％ CH4/C2H4/C3H8/R-142b
1-1-w/outFD 21.2 2.7 310 216 0.077 29/31/21/19
1-2-wFD 22.7 2.9 297 205 0.090 30/30/22/17
1-3-热端向上 23.0 2.9 287 200 0.090 30/33/23/14
1-4-热端向下 22.9 3.2 289 203 0.100 35/33/21/11
参考表1，使用具有流量分配器(箭头2，3和4)的热交换器的制冷循环与没有使用流量分配器(箭头1)的热交换器的制冷循环相比，表现为较低的蒸发器温度。与具有标记“热端”向下(箭头4)的热交换器的制冷循环相比，具有标记“热端”向上(箭头3)的热交换器的制冷循环在蒸发器中表现为较低的温度。 
根据本发明的实施方案的填充流量分配器的效率可以从附图10中看出，其表现的是对于用碳氢化合物的混合物操作的平板式热交换器而言的具有或没有流量分配器的全部的热传递系数(HTC or k，W/m2-K)。其结果可以从额外的试验中获得，所述额外的试验使用单一阶段的在190K的制冷温度下操作的制冷系统。热交换器的热负载的测量基于测定的混合制冷剂的流动速度和在热交换器的输入和输出上的温度和压力值。状态的 Soave因素被用于确定热交换器的流动的输出和输入的热函数。平均的温度差被计算。 
以碳氢化合物为基础的混合制冷剂碳氢化合物(HC)：CH4/C2H4/C3H8和R-142b，组分含量(摩尔％)为41/32/20和7的有效操作四平板式热交换器进一步的试验数据分别显示在表2中。表2也包括以Ar和卤烃(AR/R)R14，R23，R134a，R142b为基础的混合制冷剂的数据。摩尔百分比中组分的测定如下：7/41/30/12/10具有1％的精度。数据证明具有建议使用不同的混合制冷剂的流动分配器的平板式热交换器的高效率。表2也显示在混合包括CH4/C2H4/C3H8/C4H10的制冷剂碳氢化合物(HC)下操作的六平板式热交换器的测试数据，其组分含量分别为34/33/17/15(摩尔％)。结果表明效率提高了大约20-30％。实际的性能将会变化。然而，即使由于使用本发明的热交换器的效率提高2％或更少将被认为是在本发明的范围之内。人们将会理解，虽然特定的制冷剂混合和制冷剂类型在本文中有所提及，根据本发明的实施方案可能使用全部的两种状态的制冷剂和制冷剂-油的混合物。更进一步，由于大部分的制冷系统循环使用压缩机油和制冷剂，人们希望本发明也具有油和富油液体状态的有用性。
表2基于3.6cfm压缩机的单一阶段系统的性能-4平板式和6平板式热交换器，包括根据本发明的流动分配器 
  
# QR，W TR，K GMR，摩尔/ 秒 HTC， W/m2/K DTAV，K PH，at PL，at MR 板的数量
2-1 156 223 0.090 514 15.5 21.3 3.0 HC 4
2-2 100 209 0.096 547 20.5 19.5 3.0 HC 4
2-3 51 182 0.103 621 27.6 18.1 3.0 HC 4
2-4 0 173 0.106 721 28.9 16.0 3.0 HC 4
2-5 186 197 0.130 947 24.4 21.3 4.3 AR/R 4
2-6 173 193 0.102 889 25.4 21.0 4.0 AR/R 4
2-7 231 194 0.156 671 21.2 23.8 3.0 AR/R 4
2-8 184 190 0.125 442 19.4 19.0 3.4 HC 6
2-9 219 190 0.095 370 17.5 20.2 2.9 HC 6
2-10 202 192 0.06 295 16.2 22.7 2.3 HC 6
表3显示的是串连操作的效率。在该测试中，2个平板式热交换器被串连连接以提供单一热交换器的功能的等同物。根据本发明的实施方案的一种流动分配器允许有效的平板式热交换器与输入的混合制冷剂的两种状态的蒸汽-液体流动一并操作。可以选择基于3.6cfm压缩机的小范围冷却器的高Carnot效率(CEF)(大于大约0.10)，在表3中被证明。短通道平板式热交换器B15/6被插入以在相对高的温度范围内被操作。
表3具有串连的平板式热交换器的操作系统的性能 
  
MR-HC             组分％ QR,W PCM,W TR,K PD,at PSC,at Carnot效率CEF
50/22/17/15 63.5 670 131 16.4 1.50 0.12
57/19/14/10 60.7 627 139 24.4 1.70 0.11
另一系列的测试在两阶段(单一状态分离器)自动级联的具有24cfm位移压缩机的低温制冷系统上实施。使用的混合制冷剂包括以下组分：Ar/R14/R23/R125/R236fa。由FlatPlate，Inc制造的具有“孔口”式的分配器的SC-125”x12”(50板式再冷却器)平板式热交换器是开始时选择的。分配器的压力差落在高压流(280-300psig)的输入上为8-10psi。当分配器再次定位于平板式热交换器的抽吸一例(30-50psig)，热交换器导致16-18psi的压力差。 
SC-12被类似大小的C4A5”x12”(44板式冷凝器)平板式热交换器代替。C4A的输入联管箱不具有制造安装的联管箱。而是，输入联管箱被插入的填料修改，该填料包括
Figure DEST_PATH_S05841773320070607D000281
不锈钢球。形成为盘形穿孔的金属薄片被放置在联管箱的顶部以将钢球轴承支撑在联管箱中。盘形直径大于连接管的内径，并大于联管箱的入口。这将允许连接管保证穿孔的金属盘被连接管固定。在热交换器的供应一侧测定的总压力差为2-3psi，和在返回一侧为3-5psi。总的热传递系数从200W(m^2_K)增加到300W(m^2_K)。 
根据本发明的实施方案的热交换器可以在制冷系统的结构中使用，所述热交换器具有定位于一个或更多的输入歧管上的填充分配器。制造制冷系统的方法可以包括将填充分配器或填料嵌入到与制冷系统连接的热交换器的歧管中。现有的制冷系统也可以通过嵌入填充分配器或填料到与制冷系统连接的热交换器的 输入歧管中而被再刷新，维护或翻新。所述制冷系统可能是单一部件的或混合制冷系统。制冷系统也可能是集成的或小巧的单元。 
根据本发明的实施方案通过防止液体制冷剂在热交换器中联管箱中的堆积来对在特定模式中的制冷系统在长期操作情况下提供了改进的稳定性和可靠性的优势。在变化的操作条件下(包括在启动阶段，冷模式，备用模式和解冻模式，变化的热负载和其他的情况)，实施方案也提供了改进的稳定性。 
考虑到上述内容，在本领域内人们极大地希望能够提供热交换器，合并有热交换器的制冷系统，用于操作制冷系统的方法，用于解决现有的热交换器的方法和提供需要的性能的相关技术。 
上述公开的发明主题应该被认为是用于解释说明的，而不是限制性的，而且附上的权利要求书旨在覆盖全部这样的修改，改进和其他的实施方案，其将落入本发明的范围之内。因此，对于法律所保护的最大范围而言，本发明的范围将由以下权利要求及其等同物的可以允许的范围最大的解释来确定，而不是限制在上述公开的内容之内。 
本发明的研发的目的在于改进运用于制冷过程中的热交换器的效率。人们将会理解本发明在其他的热交换器的应用中的使用是有效的，例如，工业上的热传递，发电厂，热回收单元，太阳能和其他可以替换选择的能源系统，以及化工石油操作。 
鉴于本发明已经作出了特定的公开和根据优选的实施方案进行了描述，本领域内的普通技术人员都会认识到任何形式的变化和细节都不会脱离于由附上的权利要求书所确定的本发明的范围。

Claims (64)

1.一种热交换器，该热交换器包括：
流体输入歧管，一种包括两种状态的混合制冷剂流体进入到流体输入歧管，其中所述的两种状态包括气态和液态，所述的混合制冷剂流体具有的温度范围在233K和53K之间；
流体输出歧管；
众多的被配置为与流体输入歧管和流体输出歧管连通的热传递通道，混合制冷剂流体在众多的热传递通道中流动；以及
位于流体输入歧管之内的离散填料元件。
2.依照权利要求1的热交换器，其中热交换器是平板式热交换器。
3.依照权利要求2的热交换器，其中热交换器是反向流动的热交换器。
4.依照权利要求2的热交换器，其中平板式热交换器是短通道的平板式热交换器。
5.依照权利要求1的热交换器，其中离散填料元件包括不同大小的填料元件。
6.依照权利要求1的热交换器，其中离散填料元件包括球形钢球。 
7.依照权利要求1的热交换器，其中离散填料元件选自由球状元件，椭圆形元件，环状元件，圆柱形的元件，鞍状元件，回转扁球体元件，带状元件和丝网状元件所组成的组。
8.依照权利要求1的热交换器，其中离散填料元件包括至少两种大小模式，包括至少具有第一大小模式的离散填料元件的第一组和具有不同于第一大小模式的第二大小模式的离散填料元件的第二组。
9.依照权利要求1的热交换器，其中离散填料元件的尺寸大于众多热传递通道的其中之一的宽度。
10.依照权利要求1的热交换器，进一步包括定位于流体输入歧管内的结构元件。
11.依照权利要求10的热交换器，其中结构元件保护离散填料元件。
12.依照权利要求10的热交换器，其中结构元件是圆柱形的。
13.依照权利要求10的热交换器，其中结构元件是圆锥形的，具有第一末端和第二末端，与第二末端相比第一末端具有较大的横截面。
14.依照权利要求13的热交换器，其中第二末端最接近流体输入歧管的无流动端定位。
15.依照权利要求10的热交换器，其中结构元件具有沿着其一部分长度变化的横截面积。
16.依照权利要求1的热交换器，其中热交换器两端之间的压力差对于3米/秒的流体速度而言不超过5psi。 
17.依照权利要求1的热交换器，其中热交换器的全部的热传递系数通过流体输入歧管中使用的离散填料元件提高至少2％。
18.一种热交换器，该热交换器包括：
众多限定流体通道的第一组和流体通道的第二组的平行的热传递板；
第一流体输入端口经过配置与流体通道的第一组连通；
第一流体输出端口经过配置与流体通道的第一组连通；
第二流体输入端口经过配置与流体通道的第二组连通；
第二流体输出端口经过配置与流体通道的第二组连通；以及
定位于至少第一流体输入端口和第二流体输入端口的其中之一的包括离散填料元件的填充分配器；
混合制冷剂，进入第一流体输入端口和第二流体输入端口中的至少一个中，其包括气态和液态的两种状态，该混合制冷剂具有的温度范围在233K和53K之间，且在流体通道的第一组和流体通道的第二组中的至少一个中流动。
19.一种制冷系统，该制冷系统包括：
压缩机；以及
至少一个与压缩机连接的热交换器，至少一个热交换器包括联管箱，定位于联管箱中的离散填料元件，和热传递通道，该热传递通道被配置用于接收流经联管箱和离散填料元件的混合制冷剂流体，该混合制冷剂流体包括两种状态，包括气态和液态，该混合制冷剂流体具有的温度范围在233K和53K之间。 
20.依照权利要求19的制冷系统，其中至少一个热交换器作为从下列所组成的组中所选取的热交换器而运行：用于在压缩的制冷剂和从制冷过程排出的返回膨胀制冷剂之间进行热交换的减温器、冷凝器，蒸发器、将热从压缩的制冷剂传递到另一个制冷循环中的膨胀的制冷剂中的热交换器，和用于在制冷过程中冷凝的压缩制冷剂和制冷过程中返回的膨胀制冷剂之间进行热交换的热交换器。
21.依照权利要求19的制冷系统，其中至少一个热交换器被包括在制冷系统的制冷过程中。
22.依照权利要求21的制冷系统，其中制冷过程包括分离器。
23.依照权利要求19的制冷系统，其中至少一个热交换器是平板式热交换器。
24.依照权利要求19的制冷系统，其中至少一个热交换器是水平定位的。
25.依照权利要求19的制冷系统，其中至少一个热交换器是垂直定位的。
26.依照权利要求19的制冷系统，其中离散填料元件被置于其中的联管箱包括热交换器的压缩的混合制冷剂流体输入歧管和热交换器的膨胀的混合制冷剂流体输入歧管中的至少一个，以及其中至少一个热交换器被垂直定位，热交换器的压缩的混合制冷剂流体输入歧管位于热交换器的压缩的混合制冷剂流体输出歧管的上方，和热交换器的膨胀的混合制冷剂流体输入歧管位于热交换器中的膨胀的混合制冷剂流体输出歧管的下方。 
27.一种用于进行热交换的方法，该方法包括：
使第一流体流经热交换器，该热交换器包括：
众多限定流体通道的第一组和流体通道的第二组的平行热传递板；
第一流体输入端口经过配置与流体通道的第一组连通；
第一流体输出端口经过配置与流体通道的第一组连通；
第二流体输入端口经过配置与流体通道的第二组连通；
第二流体输出端口经过配置与流体通道的第二组连通；以及
定位于至少第一流体输入端口和第二流体输入端口的其中之一的包括离散填料元件的填充分配器，第一流体流经第一流体输入端口，流体通道的第一组，和第一流体输出端口；以及
使第二流体流经流体通道的第二组，由此借助众多平行的热传递板在第一流体和第二流体之间进行热交换，第一流体和第二流体中的至少一个是包括气态和液态两种状态的混合制冷剂流体，该混合制冷剂流体具有的温度范围在233K和53K之间。
28.依照权利要求27的方法，其中该方法被用于至少一个过程中，该过程选自由冷却热传递介质，冷却吸热设备，冷却物品，冷却气源，冷却真空泵系统中的低温线圈，冷却生物医学的制冷器，冷却检测器，与工业过程进行的热交换，与化学过程和药物配剂进行的热交换所组成的组。
29.依照权利要求27的方法，其中该方法用于冷却半导体晶片。 
30.依照权利要求27的方法，进一步包括使用热传递介质间接冷却物品。
31.依照权利要求27的方法，进一步包括冷却气源以冷凝水蒸汽。
32.依照权利要求27的方法，进一步包括冷却气源以在低温分离器中使用。
33.一种用于将混合制冷剂的制冷系统维护在温度范围为233K和53K之间进行操作的方法，该方法包括：
将离散填料元件填充到与制冷系统连接的热交换器的歧管中，热交换器包括歧管和热传递通道，热传递通道被配置用于接收流经歧管和离散填料元件的流体，流体是包括气态和液态两种状态的混合制冷剂流体，该混合制冷剂流体具有的温度范围在233K和53K之间。
34.依照权利要求33的方法，其中离散填料元件包括不同大小的填料元件。
35.一种用于制造温度在233K和53K之间进行操作的混合制冷剂的制冷系统的方法，该方法包括：
将离散填料元件填充到与制冷系统连接的热交换器的歧管中，热交换器包括歧管和热传递通道，热传递通道被配置用于接收流经歧管和围绕离散填料元件流动的流体，流体是包括气态和液态两种状态的混合制冷剂流体，该混合制冷剂流体具有的温度范围在233K和53K之间。
36.依照权利要求35的方法，其中离散填料元件包括不同大小的填料元件。 
37.依照权利要求19的制冷系统，其中制冷系统包括插入到联管箱中的释热元件。
38.依照权利要求37的制冷系统，其中释热元件包括结构性填料。
39.依照权利要求37的制冷系统，其中释热元件包括任意填料。
40.依照权利要求19的制冷系统，其中离散填料元件由联管箱中的结构所保护。
41.依照权利要求40的制冷系统，其中结构是可渗透的且足以允许制冷剂流体的流动。
42.依照权利要求40的制冷系统，其中结构选自网孔，筛子，或穿孔的金属箔。
43.依照权利要求40的制冷系统，其中结构选自线网孔，聚合体网孔，金属箔或塑料箔。
44.依照权利要求40的制冷系统，其中所述结构包括变化的几何结构。
45.依照权利要求40的制冷系统，其中所述结构包括具有变化的几何形状的固体部件，所述的变化的几何形状包括以平滑连续的方式，波浪的形式和阶梯连续的方式的其中之一进行变化的几何形状。
46.依照权利要求40的制冷系统，其中所述结构包括圆柱结构。
47.依照权利要求40的制冷系统，其中所述结构包括对称结构。 
48.依照权利要求40的制冷系统，其中所述结构包括非对称结构。
49.依照权利要求40的制冷系统，其中所述结构包括具有沿着从歧管的输出端到歧管的无流动端变化的横截面积的结构。
50.一种制冷系统包括，该制冷系统包括：
压缩机；以及
至少一个与压缩机连接的热交换器，至少一个热交换器包括联管箱，定位于联管箱中的填料，填料包括固体部件，和热传递通道，该热传递通道被配置用于接收流经联管箱的流体，流体是包括两种状态的混合制冷剂流体，包括气态和液态，该混合制冷剂流体在233K到53K的范围内具有温度。
51.依照权利要求50的制冷系统，其中填料包括插入到联管箱中的释热元件。
52.依照权利要求50的制冷系统，其中填料包括流动通道。
53.依照权利要求50的制冷系统，其中包括带状元件和流动通道的填料围绕固体部件。
54.依照权利要求50的制冷系统，其中固体部件具有变化的几何形状，所述的变化的几何形状包括以平滑连续的方式，波浪的形式和阶梯连续的方式的其中之一进行变化的几何形状。 
55.一种用于维护在233K到53K的温度范围内运行的混合制冷剂的制冷系统的方法，该方法包括：
将填料填充到与制冷系统连接的热交换器的歧管中，填料包括固体部件，热交换器包括歧管和热传递通道，热传递通道被配置用于接收流经歧管的流体，流体是具有233K到53K的温度范围内的温度的和包括气态和液态的两种状态的混合制冷剂。
56.依照权利要求55的方法，其中填料包括释热元件。
57.依照权利要求55的方法，其中填料包括流动通道。
58.依照权利要求55的方法，其中包括带状元件和流动通道的填料围绕固体部件。
59.依照权利要求55的方法，其中固体部件具有变化的几何形状，所述的变化的几何形状包括以平滑连续的方式，波浪的形式和阶梯连续的方式的其中之一进行变化的几何形状。
60.一种用于制造运行在233K到53K的温度范围的混合制冷剂的制冷系统的方法，该方法包括：
将填料填充到与制冷系统连接的热交换器的歧管中，填料包括固体部件，热交换器包括歧管和热传递通道，热传递通道被配置用于接收流经歧管的流体，流体是具有233K到53K的温度范围内的温度的和包括气态和液态的两种状态的混合制冷剂。
61.依照权利要求60的方法，其中填料包括释热元件。
62.依照权利要求60的方法，其中填料包括流动通道。 
63.依照权利要求60的方法，其中包括带状元件和流动通道的填料围绕固体部件。
64.依照权利要求60的方法，其中固体部件具有变化的几何形状，所述的变化的几何形状包括以平滑连续的方式，波浪的形式和阶梯连续的方式的其中之一进行变化的几何形状。 
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