CN101213415B - 换热器系统 - Google Patents

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Abstract

一种致冷系统换热器的特征在于通过使用按脉宽调制或可变速度模式运行的至少一个风扇来改善空气流分布。经改善的空气流分布可以用来减轻致冷剂不良分布的影响、提高换热器性能、防止压缩机溢流并提高受调节空间中的舒适性。

Description

换热器系统
相关申请的交叉引用
本申请参考并且要求2005年2月2日申请的No.60/649,427、标题为“PULSE WIDTH MODULATION OF FANS FOR PARALLEL FLOW HEATEXCHANGERS(用于并流式换热器的对风扇的脉宽调制)”的美国临时申请的优先权，在此引入该申请的全文作为参考。 
技术领域
本发明总体上涉及空调、热泵和致冷系统的换热器，尤其是涉及并流式(小通道或微通道)蒸发器。 
背景技术
所谓并流式换热器的定义被广泛用于空调和致冷工业中，并且指出换热器具有多个通常为扁的或圆形横截面的平行通道或管道，在这些平行通道或管道中，致冷剂以基本垂直于该致冷剂在入口集管和出口集管中的流向的方向分配和流入。该定义在技术界中普遍适用，并且将被用于本文全文。 
致冷剂系统的换热器(并且特别是蒸发器)中致冷剂的不良分布是众所周知的关注点。因为蒸发器受致冷剂不良分布的影响最大，所以贯穿本文将主要涉及蒸发器，尽管很多方面同样也与例如冷凝器相关。致冷剂不良分布在在很大的工作条件范围内引起了蒸发器和总体系统性能的显著降低。致冷剂不良分布的出现可能是由于蒸发器通道内部的流阻的差异、外部传热表面上不均匀的空气流分布、不适当的换热器定向或粗劣的集管和分配系统设计。不良分布尤其是出现在并流式蒸发器中，这是由于它们对于致冷剂进入各致冷剂流路的的具体设计。为了消除或降低这种现象对并流式蒸发器性能的影响而所做的尝试很少或没有成功。这种尝试失败的主要原因通常与所提出技术的复杂性和低效率或与该方案的极高成本有关。 
近年来，不仅是在汽车领域而且在加热、通风、空调和致冷(HVAC&R)工业中，并流式换热器(特别是钎焊的铝换热器)受到了许多关注和注意。使用并流式技术的主要原因与其性能优越、高度的紧凑性和增强的抗腐蚀性有关。并流式换热器现在使用在多种产品和系统设计与结构的冷凝器和蒸发器中。尽管有更大的益处，但蒸发器的应用还是有很多挑战和疑难。致冷剂不良分布是在蒸发器应用中执行该技术的一个主要影响和障碍。 
如已知那样，在并流式换热器中出现致冷剂不良分布是因为在通道内部和在进口与出口集管中不同的压降。在集管中，致冷剂路径的长度差异、物相分离(phase separation)和重力是导致不良分布的主要因素。在换热器通道内部，传热速率的变化、空气流分布、制造公差和重力是主要因素。此外，换热器性能增强的近期趋势是提高其通道的小型化(所谓的小通道和微通道)，这又不利地影响了致冷剂的分布。因为控制所有这些因素是非常困难的，所以之前很多控制致冷剂分布(特别是并流式蒸发器中的致冷剂分布)的努力均失败了。 
在使用并流式换热器的致冷系统中，进口和出口集管或联箱(这些术语在本文中的使用是可互换的)通常具有一常规圆柱形的形状。当二相流进入该联箱时，汽相通常是与液相分离的。因为这两种物相独立地流动，所以会出现致冷剂不良分布。 
如果该二相流以比较高的速度进入该进口集管，则由该流量的动量携带该液相远离该集管入口而到达该联箱的远部。因此，最靠近该集管入口的通道主要接收汽相，而远离该集管入口的通道主要接收液相。另一方面，如果进入该集管的二相流的速度很低，则没有充足的动量来沿该联箱携带液相。结果，液相进入最靠近进口的通道，并且汽相进入最远的通道。同样，该进口集管中的液体和蒸汽可以由重力作用来分离，导致了相似的不良分布后果。在这两种情况中，不良分布现象很快地在蒸发器中呈现并且降低了系统总体性能。 
此外，不良分布现象可以在一些通道的出口处造成二相(零点过热)状态，在压缩机抽吸口处形成潜在的溢流(flooding)，其可以很快地转为压缩机的故障。 
因此，本发明的目的是提供解决所述致冷剂和空气流不良分布问题的方法。这些目的是通过使用以变速运行或以脉宽调制模式运行的风扇来到达的，以便提供改善的气流分布，从而消除和/或降低空气和致冷剂的不良分布或平衡其他引起致冷剂不良分布的因素。 
发明内容
根据本发明的一个实施例，对换热器上空气流分布的精确控制是通过使用变速风扇来实现的。当使用两个或更多个风扇使得空气移动通过换热器时，变速风扇的使用尤其有利。在这种情况下，例如，一个风扇可以是变速类型(由变速驱动器来控制)，而另一个风扇是固定速度设计。通过控制该变速风扇的速度，换热器上的空气流分布可以以使得换热器的所有部分都接收足量且最佳的空气流的方式来控制。其他选择也是可能的，其中，专用于特定换热器的两个或更多个风扇是变速设计。在这些实施例中，变速风扇的速度可以被同步或独立控制，以在换热器表面上实现所期望的空气流分布，从而获得所期望的传热速率。可以在研制试验期间选择变速风扇的控制算法，或在该装置建好在工厂中调整该算法，以便考虑该单元设计中的各种变化以及各种选择和特征。如果发现换热器表面上的空气不良分布是与应用场合和安装相关的，则也可以在现场进行最后的调整。该实施例同样允许进行部件标准化以及降低备用零件的数量。该风扇速度控制逻辑同样可以按照工作条件来调整，以覆盖较宽的应用范围和整个作业范围。 
根据本发明第二实施例，通过使用按脉宽调制模式工作的风扇而在换热器中实现改善的空气流分布。如果是双速风扇，这可以通过将风扇快速地从高速切换到低速来实现；如果是单一速度风扇结构，这可以通过简单地打开和关闭该风扇来实现。并且，当风扇以低速运行或被关闭时，其分别消耗很少的功率或不消耗功率，因此可能提高系统效率。风扇按一个速度运行的时间量与按另一个速度(或关闭)运行的时间量通常是由所期望的系统工作条件来确定的。例如，当该系统的负载很轻并且只需要稍微冷却时，风扇可以在低速下运行一段较长的时间。反之，如果系统的负载很大时，则风扇可以在高速下连续运行。还可以调节风扇在高速下运行的时间量和在低速(或关闭)下运行的时间量，以便在换热器表面上获得最合适的空气流分布(这对更倾向于有不良分布的并流式蒸发器来说尤其重要)。通过控制从蒸发器换热表面除去冷凝物的速度并因此控制其潜在容量，可以获得在不同速度下运转风扇的额外益处。 
对风扇的脉宽调制可以采用几种控制策略。例如，如果使用双速 风扇，则可以选择三种运行模式：全速、减速和关闭模式。风扇从“打开”到“关闭”模式的循环的频率由风扇的可靠性和系统热惯性来确定。例如，出于效率和室内舒适性考虑，该循环通常应该要比与该系统的热惯性相关的时间常数要快。并且，通过使得风扇的“关闭”时间不超过所需的阈值，可以避免在蒸发器的外部表面上结冰(因为当风扇关闭时，饱和吸入温度将下降)。另一方面，出于可靠性考虑，风扇的循环速度应该尽可能慢。这些折衷方案是与具体设备有关的，并且基本上能被致冷系统设计员所理解，并且可在控制逻辑研制阶段来进行。在很多情况下，脉宽调制周期通常在5秒到1分钟之间。更进一步，如果风扇具有多速能力，则可以在多个速度之间进行切换。 
在使用脉宽调制和变速风扇两种技术来控制致冷剂不良分布的情况下，它们可以按两种不同的方式来应用。在第一种方式中，可以为具有复杂结构并且在换热器的不同部分上有不同气流阻抗的系统提供均匀的空气流分布，以便为平行的致冷剂流路实现相同的传热速率。在第二种方式中，所专门获得的不均匀空气流分布可以平衡或补偿其他影响致冷剂分布现象的影响，从而消除了致冷剂不良分布的状态并且避免了潜在的压缩机溢流(在蒸发器情况下)。对风扇的自适应控制也是可行的，系统控制器从安装在该系统中的各种温度和压力传感器中获得反馈。应该注意到，尽管本发明给微通道型换热器提供了大部分益处，但是本发明对用在空调、热泵和制冷系统中的常规换热器也是有益的。 
附图说明
为了更进一步了解本发明的目的，结合附图来参考下文对本发明的详细描述，其中： 
图1是根据现有技术的并流式换热器的示意图。 
图2是示出了本发明一个实施例的并流式换热器的示意图。 
图3是是沿换热器通道的空气和致冷剂分布的曲线示意图。 
图4是通过换热器通道的过热流的曲线示意图。 
图5是用于脉冲宽度调制风扇的风扇转速与时间的图。 
图6是风扇功率与风扇速度的图。 
图7是换热器和相关风扇的示意性端视图。 
具体实施方式
参照图1，所图示的并流式(微通道或小通道)换热器10包括进口联箱或集管12、出口联箱或集管14和多个平行布置的通道16，这些通道16将进口集管12流体连接到出口集管14。通常，该进口集管12和出口集管14是圆柱形的，并且该通道16是具有扁的或圆形横截面的管(或挤压成型物)。通道16通常具有多个内部和外部传热增强元件，比如翅片。例如，通常有炉中钎焊(furnace-brazed)的外部翅片18，这些外部翅片18均匀布置在通道之间并用于增强热交换过程和结构刚度。通道16也可以具有内部热传递增强和结构元件。 
在工作中，致冷剂流入该入口20并进入进口集管12的内部空腔22中。成液体、蒸汽或液体与蒸汽的混合物形式的致冷剂从该内部空腔22进入通道开口24，以便经过该通道16进入该出口集管14的内部空腔26中。致冷剂从该内部空腔26流出该出口28，然后进入压缩机(未示出)。在通道16的外部，通过送风装置(如风扇(未示出))使得空气在通道及连带的翅片18上流动，以便在通道外部流动的空气与通道中的致冷剂之间进行热传递相互作用。 
根据本发明的一个实施例，如图2所示，通过使用两个送风装置来实现最优气流分布，这两个送风装置诸如是邻近该换热器10设置的风扇30和32，其中至少一个风扇具有一种变速控制。风扇30和32彼此协同地发挥作用，以提供对气流分布的预定控制，从而克服换热器通道16之间的致冷剂不良分布。致冷剂不良分布可能是由系统设计的复杂性和换热器10不同部分上的不同空气流阻抗所引起的。在这样的情况中，可以通过改变风扇的速度获得基本均匀的空气流，以便为平行的致冷剂流路获得相同的传热速率。另一方面，致冷剂不良分布可以由其他因素引起，比如重力、集管结构或致冷剂的物相分离。为了平衡或补偿这些影响致冷剂分布的有害作用，可以调整风扇速度以特别实现所希望的非均匀的空气流分布。通过以不同速度转动风扇，可以控制换热器10的不同部分上的气流分布，从而改善致冷剂的分布。 
图3图示了在由上述一些其他因素(而非空气流分布)引起的致冷剂持续不良分布的环境下，对于传统的(现有技术)情况和经改善的(本发明)情况的空气流分布和致冷剂分布的对比图。在该例子中，靠近进口集管12入口的通道16接收较高的致冷剂流量，而远离该入口 的通道接收较低的致冷剂流量，因此在各通道16之间存在不良分布。通过提高风扇32的速度，并也许降低风扇30的速度，占主要的不均匀气流分布可用于平衡或补偿原本的致冷剂不良分布。由于调整了热传递和致冷剂压降速率，结果就在通道16之间获得了均匀的致冷剂分布，并明显改善了换热器的性能。如图4所示，如果换热器10是蒸发器，在改善空气流分布的情况下，则对于全部通道16都获得了正的且基本相等的过热值。可以使用风扇速度控制逻辑来获得满足所需工作条件的总空气流。 
可以在研制试验期间为变速风扇的运行选择算法，或在该装置建好在工厂中调整该算法，以便考虑该单元设计中的各种变化以及各种选择和特征。如果发现换热器表面上的空气不良分布是与应用场合和安装相关的，则也可以在现场进行最后的调整。该实施例同样允许进行部件标准化以及降低备用零件的数量。该风扇速度控制逻辑同样可以按照工作条件来调整，以覆盖较宽的应用范围和整个作业范围。显然，可以使用两个以上的风扇，其中任意需要数量的风扇具有独立的或同步的变速控制。 
根据本发明的第二实施例，通过使用图2所示风扇30和32中的至少一个风扇(其工作在脉宽调制模式下)也可以在换热器中实现经改善的空气流分布。如果是双速(two-speed)风扇，这可以通过将风扇快速地从高速切换到低速来实现；如果是单一速度风扇结构，这可以通过简单地打开和关闭该风扇来实现。图5中示意性示出了对风扇的脉宽调制控制。更进一步地，如图6所示，当风扇以低速运行或被关闭时，其分别消耗很少的功率或不消耗功率，因此可能提高系统效率。风扇按一个速度运行的时间量与按另一个速度(或关闭)运行的时间量通常是由所期望的系统工作条件来确定的。例如，当该系统的负载很轻并且只需要稍微冷却时，风扇可以在低速下运行一段较长的时间。反之，如果系统的负载很大时，则风扇可以在高速下连续运行。还可以调节风扇在高速下运行的时间量和在低速(或关闭)下运行的时间量，以便与变速风扇实施例相类似地在换热器表面上获得最合适的空气流分布(这对更倾向于有不良分布的并流式蒸发器来说尤其重要)。 
对风扇的脉宽调制可以采用几种控制策略。例如，如果使用双速风扇，则可以选择三种运行模式：全速、减速和关闭模式。风扇从“打 开”到“关闭”模式的循环的频率由风扇的可靠性和系统热惯性来确定。例如，出于效率和室内的舒适性考虑，该循环通常应该比该系统的热惯性时间常数要快。并且，通过使得风扇的“关闭”时间不超过所需的阈值，可以避免在蒸发器的外部表面上结冰(因为当风扇关闭时，饱和吸入温度将下降)。另一方面，出于可靠性考虑，风扇的循环速度应该尽可能慢。这些折衷方案是与具体设备有关的，并且基本上能被致冷系统设计员所理解，并且可在控制逻辑研制阶段来进行。在很多情况下，脉宽调制周期通常在5秒到1分钟之间。更进一步，如果风扇具有多速能力，则可以在多个速度之间进行切换。 
通过控制从蒸发器换热表面除去冷凝物的速度并因此控制其潜在容量，可以获得在由变速或脉宽调制控制的不同速度下运转风扇的额外益处。由于风扇速度是变化的，所以也可以影响所除去的冷凝物的量。再次地，也可以使用两个以上的风扇，其中任意期望数量的风扇具有独立的或同步的变速或脉宽调制控制。 
更进一步，在两种风扇速度调节方法中，可以利用对风扇的自适应控制，其中，系统控制器从安装在该系统中的各种温度和压力传感器获得反馈。 
图7是具有进口集管42和出口集管44的换热器40的示意性局部端视图。按脉宽调制模式或变速模式运行的单一风扇50安置在换热器40附近，并同样用于在换热器表面上提供所希望的空气流分布，以克服致冷剂的不良分布。 
对于特定应用，由于造成进入通道16中的致冷剂的不良分布的各种因素通常在设计阶段就已经知道了，已经发现能够引入这些设计特征来平衡或补偿这些因素，以便消除它们对蒸发器和系统总体性能的不利影响，并消除有可能发生的压缩机溢流和故障。例如，对于特定应用，通常知道致冷剂什么时候以高速或低度流入该进口集管中，并且知道这些速度值是如何影响该不良分布现象的。 
尽管已经参照如附图所示出的优选模式来说明和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该了解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在细节和结构方面可以有各种变化。 

Claims (40)

1.一种换热器系统，包括：
换热器，该换热器包括进口集管，该进口集管具有用于引导流体流进入所述进口集管的入口和用于引导来自所述进口集管的流体流的多个出口；
多个通道，所述多个通道流体连接至所述多个出口，用于引导来自所述进口集管的流体流；和
出口集管，该出口集管流体连接至所述多个通道，用于接收来自该通道的流体流；
至少一个送风装置，用于移动包含在所述换热器系统中的所述换热器上的空气；和
适于操作所述至少一个送风装置的控制器；
其中，所述控制器按脉宽调制模式运行所述送风装置，以专门获得非均匀的空气流分布，从而降低在所述多个通道内的致冷剂的不良分布的影响。
2.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述进口集管沿纵向延伸。
3.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述多个出口横向地引导来自所述进口集管的所述流体流。
4.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述送风装置是风扇。
5.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述换热器的所述通道具有圆形横截面。
6.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述换热器的所述通道具有扁形横截面。
7.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述换热器是蒸发器。
8.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述换热器是冷凝器。
9.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述换热器是具有多个通道的并流式换热器，该多个通道以基本平行的关系排列，并且流体连接至所述多个出口，以便将该流体流从所述进口集管引导至所述出口集管。
10.如权利要求1所述的换热器系统，其中，使用脉宽调制来驱动所述至少一个送风装置，以调节系统性能特性。
11.如权利要求10所述的换热器系统，其中，该性能特性选自：容量、效率、冷凝物去除速率、受调节空间的舒适性、压缩机安全运行和换热器的盘管起霜。
12.如权利要求1所述的换热器系统，其中，脉宽调制控制逻辑是在所述换热器系统首次启动之前预先确定的。
13.如权利要求1所述的换热器系统，其中，脉宽调制控制逻辑是在所述换热器系统的运行期间被调整的。
14.如权利要求1所述的换热器系统，其中，基于来自至少一个传感器的反馈来使用自适应脉宽调制控制逻辑。
15.如权利要求14所述的换热器系统，其中，所述至少一个传感器选自温度传感器和压力传感器。
16.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述送风装置是双速送风装置。
17.如权利要求16所述的换热器系统，其中，所述送风装置在至少两个速度设定之间快速切换。
18.如权利要求17所述的换热器系统，其中，该速度设定选自：高速设定、低速设定和零速设定。
19.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述送风装置是单一速度装置，并且通过快速打开和关闭该送风装置来工作。
20.如权利要求1所述的换热器系统，其中，所述送风装置是多速度装置，并且通过在多个速度之间进行切换来工作。
21.如权利要求1所述的换热器系统，其中，基于不良分布需求来选择所述送风装置的循环速度。
22.如权利要求21所述的换热器系统，其中，所述送风装置的循环速度在5秒和1分钟之间。
23.如权利要求1所述的换热器系统，包括至少两个送风装置，并且其中至少一个所述送风装置是受脉宽调制控制的。
24.一种换热器系统，包括：
换热器，该换热器包括进口集管，该进口集管具有用于引导流体流进入所述进口集管的入口和用于引导来自所述进口集管的流体流的多个出口；
多个排列的通道，该多个通道流体连接至所述多个出口，用于引导来自所述进口集管的流体流；和
出口集管，该出口集管流体连接至所述多个通道，用于接收来自该通道的流体流；
包括在所述系统内的至少一个送风装置；和
适于操作所述至少一个送风装置的控制器；
其中，所述控制器以可变速度运行所述送风装置，以专门获得非均匀的空气流分布，从而克服致冷剂不良分布的影响。
25.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述进口集管沿纵向延伸。
26.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述多个出口横向地引导来自所述进口集管的所述流体流。
27.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述送风装置是风扇。
28.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述换热器是蒸发器。
29.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述换热器是冷凝器。
30.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述换热器是具有多个通道的并流式换热器，该多个通道以基本平行的关系排列，并且流体连接至所述多个出口，以便将该流体流从所述进口集管引导至所述出口集管。
31.如权利要求24所述的换热器系统，其中，使用至少一个变速送风装置来调节系统性能特性。
32.如权利要求31所述的换热器系统，其中，该性能特性选自：容量、效率、冷凝物去除速率、受调节空间的舒适性、压缩机安全运行和换热器的盘管起霜。
33.如权利要求24所述的换热器系统，其中，变速控制逻辑是在所述换热器系统首次启动之前预先确定的。
34.如权利要求24所述的换热器系统，其中，变速控制逻辑是在所述换热器系统的运行期间被调整的。
35.如权利要求24所述的换热器系统，其中，基于来自至少一个传感器的反馈来使用自适应变速控制逻辑。
36.如权利要求35所述的换热器系统，其中，所述至少一个传感器选自温度传感器和压力传感器。
37.如权利要求24所述的换热器系统，其中，基于不良分布需求来选择所述送风装置的可变速度。
38.如权利要求24所述的换热器系统，包括至少两个送风装置，并且其中至少一个所述送风装置是以可变速度运行的。
39.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述换热器的所述通道具有圆形横截面。
40.如权利要求24所述的换热器系统，其中，所述换热器的所述通道具有扁形横截面。
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