CN102027308A - 具有增强的制冷剂分布的微通道热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种蒸发器包括接收分配器插入物的歧管。分配器插入物接收将被输送到歧管中的制冷剂流，并具有开口以将此制冷剂传送到在歧管内的分配器插入物的相邻分隔元件之间限定的多个腔室。以这种方式，这些腔室各自与不同的传热管相关联，并且使得这些腔室相互隔离。

Description

具有增强的制冷剂分布的微通道热交换器
相关申请
本申请要求于2008年5月16日提交的美国临时专利申请61/053,677的优先权。
技术领域
本申请涉及采用分配器插入物的制冷剂系统的热交换器，该分配器插入物安装在歧管内并包括将歧管分隔成多个腔室的分隔元件，所述多个腔室各自与至少一个热交换管相关联。
背景技术
近年来，很多兴趣和设计工作已经集中于制冷剂系统的热交换器(特别是冷凝器和蒸发器)的高效操作。热交换器技术中一个相对新的进步是并行流或所谓的微通道或微型通道热交换器(遍及本文将可互换地使用这两个术语)作为冷凝器和蒸发器的开发和应用。并且，遍及本文，将对作为冷凝器的排热热交换器进行参考，并且理解排热热交换器可以至少在一部分时间内充当气体冷却器。
此类微通道热交换器设置有多个并行热交换管，在其之间分布有制冷剂且该制冷剂以并行方式流动。热交换管通常与入口、中间和出口歧管中的制冷剂流动方向基本垂直地取向，所述入口、中间和出口歧管与热交换管进行流体连通。当在冷凝器和蒸发器应用中被采用时，这些热交换器可被设计为多程构造，通常在每个制冷剂行程(pass)内具有多个并行热交换管，以便通过使热传递和压降特性平衡和最优化来获得优越的性能。单程构造通常在蒸发器应用中是更期望的，因为制冷剂压降在蒸发器性能中起主导作用。
然而，在制冷剂系统内使用微通道热交换器时，已存在一些障碍。特别地，当二相流进入歧管时，在微通道热交换器歧管中通常发生称为制冷剂分布不均的问题。与液相相比，二相流的蒸气相具有明显不同的性质，以不同的速度移动并经受内部和外部力的不同影响。这促使蒸气相与液相分离并独立地流动。蒸气相与液相的分离已经导致了难题，诸如并行流热交换器中的制冷剂分布不均。
已知在一些制冷剂系统中采用分配器插入物以便将制冷剂输送到蒸发器歧管中。此类系统已在诸如冷冻展示箱的冷藏售卖机中采用。所提出的在冷冻展示箱中采用的入口分配器插入物不能解决上述制冷剂分布不均的问题。
提出的另一热交换器由多个板构成。热交换制冷剂通道由间隔开的板形成，并且那些间隔开的板的远端提供用于每个制冷剂通道的进入室(inlet plenum)。板将相邻的室分离，并且插入管延伸通过板并进入室中。此管包括将制冷剂指引到单独室中的多个孔口。此布置对于微通道热交换器而言是不实用的，并且仅仅对于由间隔开的板形成的一种类型的热交换器而言是实用的构造。
发明内容
在本发明所公开的实施例中，用于热交换器的歧管包括位于歧管腔体内的分配器插入物。该分配器插入物具有通过分配器壁突出的小尺寸的多个制冷剂分配孔口，并且还具有位于其周界上的分隔元件。在将分配器插入物定位于热交换器歧管内时，该分隔元件通过限定歧管腔体内的分离腔室来充当歧管分离部件，每个腔室与相对于制冷剂流而言位于下游的至少一个热交换管流体连通。
在一个实施例中，所述热交换器歧管是蒸发器的入口歧管，在另一实施例中，所述热交换器歧管是冷凝器或蒸发器的中间歧管。
虽然所有分隔腔室可以具有相同的尺寸并且分配器分隔元件被均匀地间隔开，但在一个实施例中，它们具有可变尺寸以对制冷剂分布进行进一步微调。虽然关于二相制冷剂公开了本发明，但其还可适用于单相制冷剂以及制冷剂与油的混合物。
通过以下说明书和附图，将透彻地理解本发明的这些及其它特征，其后是简要描述。
附图说明
图1示意性地示出基本的示例性制冷剂系统。
图2示出创造性热交换器的入口歧管的一部分。
图3示出创造性热交换器的中间歧管的一部分。
图4示出分配器插入物的示例性设计。
图5A示出示例性传热管的剖面图。
图5B示出示例性分隔元件的剖面图。
图5C示出图5B的示例性分隔元件的侧视图。
图5D示出另一示例性分隔元件的剖面图。
图5E示出图5D的示例性分隔元件的侧视图。
具体实施方式
在图1中示出了基本的示例性制冷剂系统20，其包括压缩制冷剂并将其在向下游输送到冷凝器24的压缩机22。从冷凝器24，制冷剂穿过膨胀设备26进入通向蒸发器30中的入口制冷剂管道28。从蒸发器30，制冷剂返回到压缩机22而完成闭环制冷剂回路。
在图2中示出了蒸发器30的一部分，其包括结合了本发明的入口制冷剂歧管34。蒸发器30被示为微通道热交换器，因为这种热交换器将特别地受益于本发明的设计和构造。然而，本发明的益处可以扩展至其它类型的热交换器，例如，圆管和板翅式热交换器，并扩展至各种应用，诸如冷凝器应用。此外，虽然将参照通过热交换器的二相制冷剂流来公开本发明的益处，但单相制冷剂流以及制冷剂与油的混合物也在本发明的范围内并可以受益于本发明。
如图2所示，入口制冷剂管道28与分配器插入物32流体连通，其沿着其纵向轴线提供制冷剂流动路径。蒸发器30的入口歧管34接收分配器插入物32，并进而与多个热交换管36流体连通，多个热交换管36定位成相对于制冷剂流动方向大体上垂直于入口歧管34并相对于该方向而言在入口歧管34的下游。入口制冷剂管道28可以位于入口歧管34的端部处，位于入口歧管34的中部或位于端部和中部之间的任何中间位置处。此外，入口制冷剂管道28可以包括连接在入口歧管34的相对端部处或连接在任何中间位置处的两个入口制冷剂管道。很明显，可以利用多于两个的入口制冷剂管道，但是其全部需要以流体方式连接并提供到分配器插入物32中的制冷剂路径。
如已知的，可以在热交换管36之间设置多个传热翅38并通常通过熔炉铜焊工艺将其牢固地附接到热交换管36，以便加强外部热传递并为热交换器30提供结构刚性。并且，如已知的，微通道热交换器(蒸发器)30的每个热交换管36通常具有多个小的内部通道41，其沿着每个热交换管36的纵向轴线提供多个并行制冷剂流动路径(参见图5A)。内部通道41增强内部热传递，并且还为热交换器30提供结构刚性。
同样如图2示出的，小尺寸的多个制冷剂分配孔口42被形成为通过分配器插入物32的壁突出并提供从分配器插入物32的内部腔体到入口歧管34中的制冷剂路径。分配孔口42可以具有例如圆形、矩形、椭圆形或任何其它形状。此外，分配器插入物32具有分隔元件44，分隔元件44位于其周界上并刚性地附接到分配器插入物32的外壁。在将分配器插入物32定位于蒸发器30的入口歧管34内时，分隔元件44在入口歧管34的内部腔体内形成制冷剂分隔腔室46，每个腔室将制冷剂向下游传送到至少一个热交换管36。通常，每个分隔腔室可流体连接到多个制冷剂分配孔口42和多个热交换管46。
如上所述，提供多个小制冷剂分配孔口42以将制冷剂从分配器插入物34指引到在入口歧管34的腔体内由分配器插入物32的相邻分隔元件44限定的多个分隔腔室46中。分隔元件44之间的距离可以是均匀的，或者可以进行调整以控制与传热管36的任何特定组(cluster)相关联的分隔腔室46的最终尺寸。分隔元件44之间的此距离对于传热管36的不同组而言可以是不同的，或者在极端情况下，对于不同的传热管36而言可以是不同的。例如，对于位于入口歧管34的端部处的单个入口制冷剂管道28而言，腔室46的尺寸可以沿着歧管34的纵向轴线是均匀的，或者例如，可以从歧管入口端向其远端减小，在远端处，制冷剂速度被预期为较低。分隔元件44的任何特定构造可以取决于工作参数和特定应用。
分配器插入物32从入口制冷剂管道28接收二相制冷剂并将此制冷剂通过多个小的分配孔口42输送到已被分配器插入物32的分隔元件44划分成分隔腔室46的热交换器歧管34中。分配器插入物32的相对小尺寸为制冷剂流提供重要动量(significant momentum)，防止二相制冷剂的相分离。多个分配器孔口42均匀地将二相制冷剂指引到由分配器插入物34的间隔开的分隔元件44所限定的歧管34的多个分隔腔室46中。由于分隔腔室46的尺寸相对较小，所以当二相制冷剂膨胀到整个入口歧管腔体中时，制冷剂液相和蒸气相不会像现有技术中那样具有分离的条件和时间。即使在发生制冷剂相的一些分离的情况下，这也应当在相对小的歧管腔室46内，并且平均起来，制冷剂分布在整个热交换器30上仍将是主导性均匀的。因此，具有多个小分配孔口42和分隔元件44的本发明的分配器构思防止制冷剂分布不均并保证到热交换管36中的均匀的制冷剂分布。以这种方式，通过入口歧管34的分隔腔室46和分配器插入物孔口42被输送到热交换管36中的制冷剂将不具有流过不同热交换管和热交换管组的不同量的蒸气相和液相。
分隔元件44的外周界被紧紧地接收在入口歧管34的内壁内。同样地，分隔元件44的内周界被紧密地接收在插入物32的外壁上。以这种方式，相邻的分隔腔室46被主要地保持相互隔离，防止制冷剂从一个分隔腔室46迁移到另一个。因此，可以控制进入热交换管36的制冷剂流的总体特性，使得可以消除相分离和/或制冷剂迁移的效应或使该效应最小化。
图3示出另一实施例300，其中歧管301是中间歧管，在热交换管302的下游，并向热交换管312中供应制冷剂。如所示，分配器插入物306具有孔口308、顶部隔板304和中间隔板310。与前面的实施例中一样，本实施起到减少制冷剂相分离和分布不均的作用。在本实施例中，热交换器可以是冷凝器或蒸发器。
分隔元件44可以具有任何形状和形式，诸如平板(参见图5B)，只要它们不剧烈地阻止制冷剂流入热交换管36并且不将一个分隔腔室46与另一个隔离即可(例如通过小的余隙(clearance)或机械/化学结合)。此外，在热交换管36穿透到入口歧管34内部的情况下(参见图5B和5C)，分隔元件44可以具有切口(cutout)200。分隔元件44可以机械地(例如卡扣就位进入分配器插入物32的外壁上制造的小凹槽中)或通过铜焊、焊接或软焊附接到分配器插入物32。分隔元件44还可以附接到入口歧管34的内壁(例如通过熔炉铜焊)。可以例如在整个热交换器30的熔炉铜焊期间执行这两个附接过程。
图5D和图5E示出另一实施例，其中，分隔元件44不包括切口200，但确包括凹槽或凹口(indentation)202。此凹口的目的是提供用于铜焊剂的保持腔体，使得分配器插入物可被插入到歧管中并在构造整个热交换器时被铜焊。
通常，每个所公开的实施例均教导将会接收制冷剂的分配器插入物，并通过多个孔口将制冷剂分布到在分隔元件之间限定的分隔腔室中。由于插入物和分隔元件彼此附接作为刚性子组件，所以可以将整个组件插入歧管中。这将允许在不要求任何特定热交换器设计的情况下使用此特征，如现有技术中的情况一样。
虽然已公开了本发明的实施例，但本领域的技术人员应认识到一些修改将在本发明的范围内。因此，应对所附权力要求进行研究以确定真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种热交换器，包括：
多个传热管；
歧管，所述歧管用于将制冷剂传送到所述多个传热管中，和分配器插入物，所述分配器插入物连接到制冷剂的源并具有在所述分配器插入物的外周界中的多个孔口以及在所述分配器插入物的外壁上的分隔元件，使得限定了多个分配腔室并使所述多个分配腔室与所述多个传热管相关联。
2.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器是蒸发器，并且所述歧管是入口歧管。
3.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分配器插入物和所述分隔元件改善所述热交换器中的制冷剂分布。
4.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述歧管是中间歧管。
5.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分配器插入物仅沿着所述歧管的一部分延伸，并且不与连通流入所述歧管的传热管对准，而是与连通流出所述歧管的传热管对准。
6.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分隔元件沿着所述分配器插入物的长度均匀地间隔开。
7.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分隔元件通过机械附接和化学结合中的一种附接到所述分配器插入物。
8.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分隔元件是平板，所述平板在外周界处具有切口部分以给所述传热管提供余隙。
9.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述分配器插入物具有圆形截面形状。
10.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述歧管具有圆形截面形状的内孔。
11.如权利要求1所述的热交换器，其中，穿过所述分配器插入物的制冷剂是二相制冷剂。
12.如权利要求1所述的热交换器，其中，所述热交换器是微通道热交换器。
13.一种制冷剂系统，包括：
压缩机，所述压缩机用于压缩制冷剂并将其向下游输送到冷凝器中，来自所述冷凝器的制冷剂穿过膨胀设备并随后进入蒸发器中；
所述冷凝器和蒸发器中的至少一个包括用于接收制冷剂并沿着从入口端到出口端的路径传递制冷剂的多个传热管，以及用于与所述传热管的入口端连通的歧管，所述歧管接收分配器插入物，所述分配器插入物连接到制冷剂的源并具有在外周界处的多个孔口以及在所述分配器插入物的外壁与所述歧管的内壁之间的多个分隔元件以限定所述歧管内的多个分隔腔室，所述传热管中的至少一些与所述分隔腔室中的不同的一些相关联并通过所述分隔元件与其它的所述分隔腔室隔离。
14.如权利要求13所述的制冷剂系统，其中，所述分配器插入物从所述歧管的上游端朝着所述歧管的下游端延伸，并且在相邻的一些所述分隔元件之间所限定的所述分隔腔室的尺寸被确定为使所述多个传热管内的制冷剂的流动最优化。
15.如权利要求13所述的制冷剂系统，其中，所述多个传热管，各自包括多个通道，间隔开并大体上垂直于所述分配器插入物的上游到下游的方向。
16.如权利要求13所述的制冷剂系统，其中，所述热交换器是蒸发器，并且所述歧管是入口歧管。
17.如权利要求13所述的制冷剂系统，其中，所述歧管是中间歧管。
18.如权利要求17所述的制冷剂系统，其中，所述分配器插入物仅沿着所述歧管的一部分延伸，并且不与连通流入所述歧管的传热管对准，而是与连通流出所述歧管的传热管对准。
19.如权利要求13所述的制冷剂系统，其中，所述热交换器是微通道热交换器。
20.如权利要求13所述的制冷剂系统，其中，所述分隔元件是平板，所述平板在外周界处具有切口部分以给所述传热管提供余隙。
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