CN101932899A - 具有分形的管结构的热交换器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于热传递流体的具有二维分叉的管结构的热交换器(11)。分叉的管结构在输入连接部(12)与输出连接部(13)之间包括多个分叉点和汇合点(15，17，19)。所有汇合点(19)均设置在管结构的外边缘区域(27)中，且经由在边缘区域(27)内延伸的收集管(14)被连接起来。

Description

具有分形的管结构的热交换器

技术领域

本发明涉及一种热交换器，特别是一种适合用作制冷器具中的蒸发器的热交换器。具有未分叉的管结构的现有热交换器通常包括基板，在所述基板上连续的管蜿蜒地从输入连接部延伸到输出连接部。借助于蜿蜒的精巧延伸路线，可使与热传递流体的供入关联的温度变化在短的时间内扩展到基板的整个表面。然而，具有的不足是，单个管的大的长度会使得热交换器中的热传递流体的压力出现陡降，从而，需要高的驱动功率循环热传递流体。蜿蜒的路线能够使管的相邻延伸的上游、下游的管段之间产生热交换，这降低了热交换器的效率。

背景技术

例如公知于EP1525428B1的具有分叉的管结构的热交换器具有的优点是，在输入连接部和输出连接部之间的彼此平行延伸的热传递流体的多个路径降低了热交换器中的压降。然而，该热交换器的不足在于，热交换功率非均匀地分布在其表面上。输入连接部和输出连接部位于矩形基板的斜对角处。在输入连接部的附近，新供入的热传递流体与热交换器周围的热室之间的温差大，且热传递流体与热室之间的热传递的功率密度相应大。温差向着输出连接部下降，且热交换器的功率密度也相应地在那个方向上下降。如果从EP5254428B1公知的热交换器被用作制冷器具、特别是使用“冷壁”结构方法的制冷器具中的蒸发器，则配备有热交换器的制冷器具的壁在输入连接部附近比输出连接部附近明显较冷。在制冷器具的储存隔间中的最终的非均匀的温度分布可在多个位置引起过大的、而在其他位置又引起不足的待制冷的物品的冷却。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有二维分叉的管结构的热交换器，在用于制冷器具的情况下，所述热交换器能够使冷却能力相应地在热交换器的表面上或在配备有热交换器的制冷器具的壁上更均匀地分布。

上述目的通过一种用于热传递流体的具有二维分叉的管结构的热交换器实现，所述热交换器在输入连接部与输出连接部之间包括多个分叉点和汇合点，至少大部分汇合点设置在管结构的外边缘区域中，且经由在边缘区域中延伸的收集管被连接起来。从而，新供入到热交换器的制冷剂首先冷却热交换器的中心区域，并从那里向外扩展到边缘区域。从而，可能的温度梯度不会对角地、即在管结构的最大尺寸上延伸，而是产生这样的温度分布，其中，温度从被最强烈冷却的中心区域沿不同的方向向着边缘区域增大。因此，最热的点和最冷的点之间的距离与具有分叉的管结构的传统的热交换器的情况相比明显较小，且冷却能力的最终的非均匀的分布由于最热和最冷位置之间的距离的减小而对制冷器具的储存隔间具有较小的影响。

有利地，所有汇合点设置在管结构的外边缘区域中。

边缘区域中的收集管优选延伸到输入连接部，使得输入连接部可以本身从具有未分叉的管结构的热交换器公知的方式被实施为在输出连接部内延伸。这简化了热交换器在制冷器具中的安装，因为与通到制冷剂回路的其他部分的管的连接仅在热交换器的一个位置处是必须的。

分叉的管结构在输入连接部与输出连接部之间限定出多个路径。如果这些路径的最细的位置限定出管结构的边缘区域与包括分叉点的中心区域之间的分界线，则分界线优选形成至少大致封闭的曲线，使得相对较热的边缘区域完全或几乎完全包围被更强烈冷却的中心区域。

形成分界线的曲线的敞开位置可位于输入连接部处，特别是如果输入连接部设置在二维分叉的管结构的边缘上。

如果输入连接部设置在管结构的内部中，则分界线还可形成完全封闭的曲线。

输入连接部和输出连接部之间的不同路径不必都具有相同的长度。为了防止制冷剂优选经由最短的路径流动，路径越短，路径的最细位置优选越细。

如果上述输入连接部包括在输出连接部内延伸的管，则有利地，路径的最细位置越细，最细位置距离输入连接部就越近。

分别连接上游、下游的分叉点的两个相邻的管段之间的距离优选大于将其中一个下游的分叉点与更下游的分叉点或汇合点连接起来的两个相邻的管段之间的距离大。换言之，管段之间的距离变得越来越小，管结构越多地分叉。此外，将更上游的分叉点与更下游的分叉点连接起来的管段的横截面比从该下游的分叉点引出的管段的横截面大。上述两种措施有助于随着管结构的分叉的增加而提高热交换的效率。这些措施的目的是使管结构上的温度分布更均匀。尽管在普通的未分叉的管的情况下在管中循环的热传递流体与管周围的热室之间的温差在管的长度上按指数减轻，但可借助于上述措施在路径的长度上实现更类似于热传递流体和热室的温度的线性平衡的温度分布，从而，总体上使热交换功率在管结构的尺度上更均匀地分布。

将输入连接部与输出连接部连接起来的每个路径的最细位置优选位于连接分叉点与汇合点的管段中。因为汇合点均位于收集管上，因此直到热交换器的边缘区域均可保持高的热交换功率。

附图说明

下面，通过参看附图描述示例性实施例，将显见本发明的进一步的特征和优点。

图1示出了基于植物叶子的情形的本发明的热交换器的基本原理以及蒸发器的示意图；

图2示出了具有矩形基板的本发明的蒸发器；

图3示出了图2的蒸发器的改型；以及

图4以示意性三维图示示出了具有中心注入结构的本发明的蒸发器。

具体实施方式

在图1所示的植物叶子1中，在利用最小能量的情况下通过叶脉2的网络将经由叶柄供给的水分配到叶子的所有细胞的问题经过数百万年的进化已得到解决。叶脉2的系统包括主轴3，所述主轴沿直线从叶柄延续，在主轴长度上或在主轴根部上分布的子叶脉4从所述主轴形成。

随着距离主轴3的距离的增大，子叶脉4分叉一次或多次。

图1中示意性示出的热交换器11采用植物叶子1的分叉的管结构，但与植物叶子1的根本区别在于，在输入连接部12处供入的热传递流体不能像供给叶子1的水那样蒸发掉，而必须经由输出连接部13再传送走。然而，植物叶子1的流动促进叶脉结构可移植给热交换器11，其中，收集管14作为热交换器的管结构的外边缘设置。

热交换器11的管结构可被描述为树结构，所述树结构具有要直接连接到输入连接部的第一级15的一个分叉点、第一级16的多个管段，所述第一级的多个管段将第一级的分叉点与第二级17的分叉点连接，第二级18的多个管段又分别从所述第二级17的分叉点引出。该分叉继续，直到最后一级的管段在收集管14中的接合点19处形成。最后一级的管段在各种情况下可以是第二级18的管段、第四级20的管段或任何其他级的管段。

从第n级的分叉点引出的第n级的管段的自由横截面分别小于通到所述分叉点的第n-1级的相应管段的自由横截面，尽管从分叉点引出的第n级的管段的横截面的总和大于第n-1级的引入的管段的横截面，使得在管段中循环的制冷剂的流速随着管段的级的增加而下降。由于以上原因以及由于相同的较低级的相邻管段之间的间隙按平均计算比较高级的相应间隙大，从而确保制冷剂与周围环境之间的热交换的强度随着管段的级的增大而增加。由于局部上热交换功率与制冷剂与周围环境之间的温差直接成比例，因此，在具有小横截面的管的假定的未分叉的热交换器的情况下，不考虑对流加热，制冷剂的温度在管的长度上以指数方式与环境的温度均衡，从而，更下游的管段与接近输入连接部的相同长度的管段相比对总的交换功率贡献小很多。在本发明的热交换器的情况下，一方面管随着级的增大分叉得更多、另一方面总横截面也随着级的增大而增大，从而使得在较高级的管段中制冷剂的流速更低，因此，热交换功率的分布在热交换器的尺度上变得均匀。

收集管14从与连接部12、13相对的管结构的末端21到输出连接部13以横截面逐渐增大的两个弓弯部延伸。收集管14的这两个弓弯部可在末端14处连接，但这不是必须的。

图2示出了本发明的热交换器11的顶视图，其可用作制冷器具中的蒸发器。蒸发器的管结构以本身公知的方式形成，其中，两个板，一个平板和一个其中压印出管结构的板，彼此平齐地连接。输入连接部12在此包括毛细管22，所述毛细管22在从输出连接部13引出的吸管23内延伸，以便预冷却经由毛细管22供给的成液体形式的制冷剂，所述毛细管22与在吸管23中循环的气态制冷剂热接触。毛细管22通到大横截面的第0级24的管段中，制冷剂在所述管段中蒸发，从而冷却。以与图1中的热交换器11类似的方式，制冷剂在从管段24越来越多地分叉的管结构中扩展，所述管结构的管段16、18…随着它们的级的增加变得越来越细且彼此越来越接近。从同一分叉点例如15、17引出的管段根据要经由相应的管段提供的热交换表面部分的尺寸可具有不同的横截面。因此，例如，形成主叶脉的部分的管段始终比同一级的子叶脉的横截面粗。在制冷剂可在输入和输出连接部12、13之间流通的每个路径上，管中最细的位置或最细的管段位于沿着热交换器的整个边缘延伸的收集管14的紧邻上游。如果不同路径的最细位置彼此连接，如此获得的在图2中以虚线表示的曲线25形成蒸发器的中心区域26与边缘区域27之间的分界线，高效的热交换在所述中心区域中进行，所述边缘区域的温度基本上与环境温度相符，从而对蒸发器的总的冷却功率仅有小的贡献。

图3示出了热交换器的一个变型，其中，管结构的几何形状与图2的热交换器中的几何形状基本相同，但给送液体制冷剂的毛细管22与吸管23分开地设置，且在从上方观看的图2的透视图中横过具有压印的管结构的热交换器板并进入第0级24的管段中。在此，中心区域26与边缘区域27之间的分界线25可限定为封闭曲线，即，高效冷却的中心区域26完全被不太高效的边缘区域27包围。

该结构原理的进一步的改进以示意性三维视图示于图4中。毛细管22居中地从上方通到第一级15的分叉点，该分叉点形成蒸发器板的几何中心点。第一级16的四个管段从该分叉点15引出，所述四个管段分别提供了由虚线彼此分界的热交换器的三角形子表面。较高级的分叉点的、和连接这些分叉点的管段的位置根据从EP1525428B1公知的算法确定，其中，当然由于算法应用的表面是三角形而不是现有技术中的矩形，因此最高级的所有管段不是以传统方式成对地集合在一起而是通到沿着热交换器的整个边缘延伸的收集管14中。

Claims (13)

1.一种用于热传递流体的具有二维分叉的管结构的热交换器(11)，所述热交换器在输入连接部(12)与输出连接部(13)之间包括多个分叉点和汇合点(15，17，19)，其特征在于，至少大部分汇合点(19)设置在管结构的外边缘区域(27)中，且经由在边缘区域(27)中延伸的收集管(14)被连接起来。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所有汇合点(19)设置在管结构的外边缘区域(27)中。

3.如权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，输入连接部(12)包括在输出连接部(13，23)内延伸的管(22)。

4.如权利要求1-3中任一所述的热交换器，其特征在于，管结构在输入连接部(12)与输出连接部(13)之间限定出多个路径，且这些路径的最细的位置限定出管结构的边缘区域(27)与中心区域(26)之间的分界线(25)，所述中心区域包括分叉点(15，17)，且分界线(25)形成至少大致封闭的曲线。

5.如权利要求3和4所述的热交换器，其特征在于，形成分界线的曲线(25)的敞开位置位于输入连接部(12)处。

6.如权利要求4所述的热交换器，其特征在于，分界线形成完全封闭的曲线(25)，且输入连接部(12)设置在管结构的内部中。

7.如权利要求4-6中任一所述的热交换器，其特征在于，路径的最细位置越细，路径就越短。

8.如权利要求3所述的热交换器，其特征在于，管结构在输入连接部和输出连接部之间限定出多个路径，且路径的最细位置越细，最细位置距离输入连接部(12)就越近。

9.如前面权利要求中任一所述的热交换器，其特征在于，分别连接上游、下游的分叉点(15，17)的两个相邻的管段(16)之间的距离大于将其中一个下游分叉点(17)与更下游的分叉点或汇合点(19)连接起来的两个相邻的管段(18)之间的距离大。

10.如前面权利要求中任一所述的热交换器，其特征在于，将上游的分叉点(15)与下游的分叉点(17)连接起来的管段(16)的横截面比从该下游的分叉点(17)引出的每个单独的管段(18)的横截面大。

11.如前面权利要求中任一所述的热交换器，其特征在于，将上游的分叉点(15)与下游的分叉点(17)连接起来的管段(16)的横截面比从该下游的分叉点(17)引出的管段(18)的横截面的总和小。

12.如权利要求9、10或11所述的热交换器，其特征在于，将输入连接部(12)与输出连接部(13)连接起来的每个路径在分叉点与汇合点(19)之间延伸的管段中具有最细的位置。

13.如权利要求11所述的热交换器，其特征在于，汇合点(19)均位于收集管(14)上。

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