CN101965496A - 改进流量分配的换热器管结构 - Google Patents

Abstract

一种微通道的换热器，每一个通道包括蛇形管，蛇形管用于提供多个用于连续引导流体流通过其的平行流程，并流体互连在进口和出口歧管之间。通过个体蛇形管形成多回路。提供了形成蛇形管的多种方法。

Description

改进流量分配的换热器管结构

技术领域

本发明总地涉及空调系统，更具体地说，涉及平行流换热器。

背景技术

制冷剂在制冷剂系统的蒸发器中分配不均匀是一个众所周知的现象。在大范围的操作条件下，它会导致蒸发器和整体系统性能的明显降低。由于平行流蒸发器制冷剂路径的特定设计，流量分配不均匀在平行流蒸发器中尤其明显。所做的试图消除/减少这种现象对钎焊铝热交换器性能影响的尝试，很少成功或不成功。这种失败的主要原因通常是复杂性/低效率或解决方案的过高成本。

近年来，平行流换热器获得了巨大的关注和兴趣，不仅在汽车行业，而且在供热、通风、空调和制冷(HVAC&R)行业。应用平行流技术的主要原因为其优越性能、高紧凑度和抗腐蚀程度高。平行流换热器现已运用到多种产品和系统设计/结构的冷凝器和蒸发器中。该蒸发器的应用，尽管有希望得到更大的收益和回报，但面临更多的挑战和问题。制冷剂分配不均匀是这项技术在蒸发器应用中实施的主要关注点和障碍之一。

众所周知，制冷剂在平行流换热器中分配不均匀，是因为在小通道或微通道内部以及进口和出口歧管中的不均匀的压降引起的。在歧管或集管中，制冷剂路径的长度、相分离、重力和湍流的差异是分配不均匀的主要因素。在换热器小通道内部，热量传导率、气流速度和重力的变化是主导因素。因为控制所有这些因素是非常困难的，许多以前管理制冷剂分配的尝试，尤其是在平行流蒸发器中，都失败了。

在应用平行流换热器的制冷剂系统中，进口和出口集管通常具有传统的圆柱形状。当两相流进入集管，蒸气相与液相通常分离。由于两相独立运动，往往会发生制冷剂分配不均匀。

在多流程小通道换热器中，流量分配不均匀的问题尤为明显，其中进口和出口集管一般被分为纵向间隔的部分，其由直管相互联接。美国专利No.7143605给出并描述了一种解决这些问题的方法，其中进口歧管包括一个其中带有多个孔的内部配置分配管。

蛇形多流程换热器是现有技术，已在美国专利7,069,980；4,962,811；5036909；6705386和US 2005/0217834 A1中描述过。通常，他们不包含多回路的特征。美国专利5036909包括多个回路，但构造为一个位于另一个的内部的嵌套式关系。这样的设计在设计、制造和使用时产生缺乏灵活性的问题。本发明克服了这些问题。

发明内容

简单地说，依据本发明的一个方面，多个平行小通道为蛇形形状，从而提供多个平行流程，但仅在各自的进口端和出口端与进口和出口歧管连接。以这种方式，进口歧管可以相对短些，可直接与较少的的微通道的进口端相连接，以使流体均匀分配。进一步地，每个回路的全部流程与邻近回路的所有流程横向分隔开。

依据本发明的另一方面，一种促进从进口歧管流到多个平行小通道的均匀制冷剂流的方法，包括提供蛇形扁平管的步骤，以形成多个用于连续地引导流体流通过其的流程，并且其一个端部流体连接到进口歧管，其另一个端部流体连接到出口歧管，每个回路的所有流程与所有邻近回路的流程横向分隔开。

在下文描述的附图中，描述了优先的和改进的实施例；但是，各种其他的修改和变化结构，也在本发明的精神和范围内。

附图说明

附图1是现有技术的多流程微通道换热器的示意图。

附图2是本发明单一三流程平行小通道元件的透视图。

附图2A是本发明单一四流程平行小通道元件的透视图。

附图3是单个部件的透视图。

附图3A是替代实施例。

附图4是另一实施例部件的分解图。

附图4A是替代实施例。

附图5A是现有技术的换热器的示意图。

附图5B是本发明换热器的示意图。

附图6是替代实施例。

附图7也是替代实施例。

附图8A、8B和8C是进口歧管的不同可能实施例的示意图。

具体实施方式

附图1示出了现有技术的多流程小通道换热器，其包括主歧管11、副歧管12和在它们之间互相流体连接的多个小通道管13。主歧管11的内部具有分流器14和16，从而形成彼此流体分离的独立部分17、18和19。部分17的功能是作为进口歧管，部分19的功能是作为出口歧管。类似地，副歧管12具有分流器21，从而形成互相独立的部分22和23。

所示的换热器包括一个四流程七回路的结构。也就是说，四个流程分组24、26、27和28的每一个有七个管。流程分组24的管因此将主歧管11的部分17流体连接到副歧管12的部分22，然后流程分组26将部分22流体连接到主歧管的部分18。类似地，流程分组27将主集管11的部分18流体连接到副歧管12的部分23，流程分组28将副歧管12的部分23流体连接到主歧管11的部分19。然后制冷剂按照箭头所示的方向流过该组件。

应该理解的是，使用这样的结构，很难得到流向个体通道的制冷剂流的均匀分配。主要原因是在每个流程分组24、26、27和28的入口处要对7个管进行分配。在每次流程转换期间，例如在部分22中，离开流程分组24的两相混合物将被允许混合，并将可能有相分离，因此导致流程分组26的分配不均匀。应当指出的是，在传统结构中，小通道管被其之间的翅片分隔开。

附图2示出应用以获得三流程换热器的单个平行小通道管。它包括三个平面部分29，31和32和两个弧形部分33和34。平面部分29、31和32平行排列，并且平面部分29和31通过弧形部分33流体互连，平面部分31和32的各自端部通过弧形部分34流体互连。进口端36流体连接到进口歧管，并且出口端37流体连接到出口歧管。这样，当进入到下一流程时，制冷剂由进口歧管流经整个三流程到出口歧管而不需要重新分配制冷剂。

应该理解的是，所示的扁管结构表示三流程结构的单一回路，并且多回路换热器可以通过简单并列与所示的管形状相同且平行的其他管得到。下文将详细地描述这些特征。

应该认识到，尽管所示的管为扁平结构，但是也可以形成其他形状，例如圆形、椭圆形或横截面为跑道形状。所示的扁平管的优势在于它是微通道或小通道换热器中的常规几何形状。进一步地，由于扁平管的平坦轮廓，扁平管使得能够在顶部和底部设计一个小的闲置换热器区域。

附图2所示的管代表一个完成的三流程管，其可以通过任何不同的加工方法进行制造。可以应用的一种方法是简单地由单个的整体元件形成三流程管，该单个的整体元件被弯曲在弧形部分33和34处形成180°的转弯。运用这种方法，必须小心不能压褶管，以致于限制穿过弧形部分33或34的制冷剂流。平面部分29、31和32之间的距离可以进行选择，以适应整个换热器的设计。

附图2A所示的管是另一种四流程结构，结合有两个长弯曲部和一个短弯曲部组成。这里，可以看到弯曲部大致为90°的弯曲，而不是附图2所示的曲线弯曲。因此，防止压褶的考虑与附图2的实施例中的弧形部分不同，并且很可能更加重要。就这一点而言，使用的材料(例如，优选塑性比较好的材料)的种类、弯曲半径、壁厚和管内的内部平行布置非常重要，这些都是影响弯曲部的形状和外形的因素。

附图3显示的是另一种制造方法，其中较短的管部分在其一个端部附近弯曲成大致180°的转弯形成J型元件38，它包含平面元件39和弧形元件41。它提供的仅是一个从进口歧管42起的单流程，但可以容易地与其他类似的J型元件组合以获得多流程的配置。也就是说，为了增加一个第二流程到所示的元件，可以简单地把第二J型元件的平面部件39的一个端部连接到所示元件的弧形元件41的端部以获得第二流程。然后第三流程可以通过将平面元件的一个端部连接到第二J型元件的弧形元件41的端部来获得，并将其另一端部流体连接到出口歧管。个体元件之间的连接可以通过焊接或类似的方法实现。

附图4示出了另一个可能使用的制造方法，其中弧形部分45和43可以由管的短部分组成，接着连接到平面部件以获得三流程管。也就是说，弧形部分45流体互连平面元件44和46的端部，并且弧形部分43流体互连平面元件46和47的端部。

申请人已认识到，当制冷剂连续流经不同的流程时，制冷剂会膨胀，因此理想的是逐渐增加下游方向管的横截面积。理论上，在一个连续的基础上这是可以完成的，但是实践发现这样的设计很难实施。因此，使用渐进的方式也是可以实现的。通过逐步增加在附图3A和4A所示的任何特殊回路内的连续平面元件的横截面积，这样的渐进的方法可以容易地在附图3和4所示的制造方法中实施。

现在考虑这样一种方式，即组合多个管以多回路换热器，附图5A显示了回路48和49流体互连在进口集管51和52之间的现有技术的、嵌套的方法。回路48和49的每一个都是蛇形形状，以在进口集管51和出口集管52之间形成五个流程。这种排列允许集管51和52相对小些，并且进口集管51在两个回路之间提供单一的分配，每个回路中的分配始终保持制冷剂流经换热器。然而，为了使回路49中的管嵌套到所示的回路48的管中，他们的尺寸/形状需要相应地被选择。进一步地，如果想要增加第三回路，将需要提供第三不同形状的管，以使得其可以嵌套到回路48的外部或回路49的内部。继而，当考虑到翅片密度、翅片高度、管的细节等特征时，这样的改变可能需要重新设计整个换热器。

依据附图5B，本发明的换热器包括回路53和54，每一个在进口集管56和出口集管57中具有五个流程。然而，不是像现有技术那样回路54的管嵌套到回路53的管内，而是回路54的整个五个流程分组在一起，形成的组在横向上与回路53五个流程的整个组分隔开。这样的排列允许回路54的管与回路53的管大致相同，仅仅是进口管58和59的长度以及出口管61和62的长度不同。也就是说，回路53的五个流程与回路54的五个流程大致相同。这样允许他们批量生产以减少成本。这样还允许他们竖向地、水平地或在气流方向上堆放以获得最佳性能。进一步地，另外的回路可以通过简单放置与回路54分隔开的一个或多个回路而容易地增加。

附图6是换热器的一个替代实施例，该换热器具有五个流程和四个回路的配置，并再一次得到管的总数为20个。这里，4个回路63、64、66和67在进口集管68和出口集管69之间流体连接，每一个回路在其进口和出口端之间都包含5组流程。

附图7示出了在通过它们的气流方向上分隔开的两个换热器单元70和71。单元70具有在进口集管74和出口集管76之间流体插入的回路72和73。单元71具有在进口集管79和出口集管81之间的流体连接的回路77和78。可以看出，单元70和71各自的进口和出口集管大致相反。这样做的目的是当考虑到两个系统联合运行时获得更高的效率。也就是说，在换热器单元70中，由每个回路72和73的左边进入的制冷剂比靠近那些回路的下游端(如朝向右面)的制冷剂更冷。同样地，使用单元71右边的进口集管79，在接近回路77和78右侧流程中流动的制冷剂将比那些流经回路左侧流程的更冷一些。因为在单元70和71之间逆流的关系，会导致更加平衡的热传导和更高效的结果。本发明中所提出的回路安排使得这样的设计变得容易。

申请人已认识到，如果换热器通过这样的方法被安排，即从其发散的管水平平行设置，并且管是被竖向分隔开的，那么因为重力的关系将会引起更多较重的液体制冷流向较低的管，而更多较轻的蒸汽会升到上部的管，从而引起分配不均匀。因此，8A，8B或者8C的安排之一是优选的，其中如82所示的进口歧管和如83所示的小通道。如附图8A和8B所示，来流分别向上或者向下流动，因此每个管和其他管受到相同的重力影响。这样，均匀分配将会更容易发生。

在附图8C中，为了进一步加强制冷剂在管83的均匀分配，如图所示在进口集管82中安装了分配器84。

虽然本发明已经特别地示出和描述关于附图所示的优选模式，但是本领域技术人员可以理解，受本发明影响的各种细节上的变化也在权利要求定义的本发明的精神和范围内。

Claims (18)

1.一种换热器，包括至少一个具有进口和出口歧管的单元，所述进口和出口歧管通过多个回路流体连接，所述回路中的每一个回路具有单独平行小通道用于在进口和出口歧管之间引导制冷剂流；其中所述平行小通道每一个都形成蛇形形状，以提供多个用于连续引导流体流通过其的平行流程，并且每个回路具有与进口歧管流体连接的进口端和与出口歧管流体连接的出口端，每个回路的所有平行流程分组在一起，并且每个组与邻近回路的所有组横向分隔开。

2.如权利要求1所述的换热器，其中，所述平行小通道中的每一个由被弯成预期蛇形形状的整体元件形成。

3.如权利要求1所述的换热器，其中，所述平行小通道由多个平面管形成，U形元件在相邻平面管的端部互连以产生所述蛇形形状。

4.如权利要求1所述的换热器，其中，所述平行小通道部分由流体互连的J形元件形成。

5.如权利要求1所述的换热器，其中，所述多个平行流程具有朝向下游流程增加或减少的横截面面积。

6.如权利要求5所述的换热器，其中，所述增加或减少为渐进式。

7.如权利要求1所述的换热器，其中，所述进口歧管包括设置在其中的分配器，以促进流向个体小通道的制冷剂的均匀分配。

8.如权利要求1所述的换热器，其中，所述平行小通道具有各自竖向定向的进口端。

9.如权利要求1所述的换热器，包括在气流流经方向间隔设置的一对单元，对应的制冷剂流向处于逆流关系。

10.一种促进从换热器的进口歧管流向多个平行小通道的均匀制冷剂流的方法，平行小通道流体连接到进口歧管，包括以下步骤：

提供多个管，该多个管形成蛇形并布置形成多个回路，每个回路具有多个用于连续引导流体流通过其的平行流程，并且每个回路的所有平行流程分组在一起，并且每个组与邻近回路的所有组横向分隔开；及

每个回路在其一个端部与进口歧管流体连接，并在其另一个端部与出口歧管流体连接。

11.如权利要求10所述的方法，所述至少一个扁平管由整体元件形成，该整体元件被弯成预期的蛇形形状。

12.如权利要求10所述的方法，所述至少一个扁平管由多个平面管形成，U形元件在相邻平面管的端部互连以产生所述蛇形形状。

13.如权利要求10所述的方法，其中，所述平行小通道部分由流体互连的J形元件形成。

14.如权利要求10所述的方法，其中，所述多个平行流程具有朝向下游流程增加或减少的横截面面积。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述增加或减少为渐进式。

16.如权利要求10所述的方法，其中，所述进口歧管包括设置在其中的分配器，以促进流向个体小通道的制冷剂的均匀分配。

17.如权利要求10所述的方法，包括使所述多个扁平管的进口端相对于彼此竖向定向的步骤。

18.如权利要求10所述的方法，包括在气流方向上设置与所述一个换热器分隔开的另一个这样的换热器的步骤，并且使得穿过所述换热器的对应制冷剂流向处于逆流关系。

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