CN103348208A - 内置式热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热交换器，该热交换器包括：一个内管，该内管形成了一个内部流动路径并且具有一个入口和一个出口；一个外管，该外管径向地围绕该内管的至少一部分并且与该内管径向地向外间隔开从而形成一个环形空间；以及一个导热性螺旋形元件，该导热性螺旋形元件缠绕在该内管周围并且布置在该空间内，其中该螺旋形元件与该内管和该外管一起形成了穿过该空间的一个螺旋形流动路径，该螺旋形流动路径是与该外管的一个入口和一个出口处于流体连通的，并且其中该外管是与该螺旋形元件热隔离的。本发明进一步提供了用于将该外管连接至该内管上的多个套环。

Description

内置式热交换器

本申请要求于2010年12月29日提交的美国临时专利申请序号61/427,822的权益，该申请通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及一种内置式热交换器，更具体地涉及用于汽车应用中的双管式内置热交换器，其中这些管通过一个弹簧或螺旋形元件分开从而提供了一个螺旋形外部流动通路。

背景技术

例如，热交换器通常用于可以用于机动车辆中的空调器中，例如处于CO2空调器的形式。内置式热交换器用于从高压侧上的制冷剂将热量传递至低压侧上的制冷剂中，由此显著地提高了所谓的使用系数，即，空调器的制冷能力与输入功率之比。

效率和性能的增益可以通过使用一种共轴热交换器来实现，其中液体制冷剂围绕抽吸管的外侧流动。热量从该液体中传递至抽吸管线中，这提高了液体管线中的次级冷却。然而，已知的内置式热交换器可能并不总是将长度短的紧凑抽吸管线中的热传递最大化。

发明内容

本发明提供了一种热交换器，该热交换器包括：一个内管，该内管形成了一个内部流动路径并且具有一个入口和一个出口；一个外管，该外管径向地围绕该内管的至少一部分并且与该内管径向地向外间隔开从而形成一个环形空间；以及一个导热性螺旋形元件，该导热性螺旋形元件缠绕在该内管上并且布置在该空间内，其中该螺旋形元件与该内管和该外管一起形成了穿过该空间的一个螺旋形流动路径，该螺旋形流动路径是与该外管的一个入口和一个出口处于流体连通的，并且其中该外管是与该螺旋形元件热隔离的。

该外管可以通过从该螺旋形元件径向地向外间隔开进而形成一个旁路流动路径而与该螺旋形元件热隔离。

该旁路流动路径可以容纳穿过该旁路流动路径和螺旋形流动路径的总流量的小于约5%。

该旁路流动路径可以容纳穿过该旁路流动路径和螺旋形流动路径的总流量的小于约1%。

该外管可以通过被插在该螺旋形元件与该外管之间的一个隔离层而与该螺旋形元件热隔离。

该螺旋形元件可以焊接至该内管上。

该螺旋形元件可以被紧紧固持抵靠在该内管的外直径上，例如通过可以处于弹簧形式的该螺旋形元件的固有弹力。更确切地说，该螺旋形元件可以在没有组装到该内管上时（未缠绕的状态）具有小于该内管的外直径的一个内直径，这样使得该螺旋形元件可以弹性地膨胀以便在该内管上滑动并且然后以该弹性元件的弹性来释放，从而致使该弹性元件围绕该内管进行收缩并且在一个径向向内的偏置力下被保持在该内管上。

该螺旋形元件可以在该螺旋形管的基本上整个长度上是与该内管相接触的。

该外管的多个轴向末端可以焊接至该内管上。

该外管可以在该外管的对应轴向末端处通过多个套环被连接至该内管上。

该螺旋形元件可以相对于该内管和外管中的至少一个、特别是该外管而自由地轴向移动，这样使得该热交换器可以沿着其轴向长度进行弯曲而不损坏该热交换器。

本发明的以上一般特征可以单独地或集合地适用于根据本发明另一方面的一种热交换器，该热交换器包括：一个内管，该内管形成了一个内部流动路径并且具有一个入口和一个出口；一个外管，该外管径向地围绕该内管的至少一部分并且与该内管径向地向外间隔开从而形成一个环形空间；以及一个导热性螺旋形元件，该导热性螺旋形元件缠绕在该内管周围并且布置在该空间内，其中该螺旋形元件围绕着该内管并且与该内管和该外管一起形成了穿过该环形空间的一个螺旋形流动路径，该螺旋形流动路径是与该外管的一个入口和一个出口处于流体连通的，并且其中该螺旋形元件沿着该螺旋形元件的大部分长度连续地接触该内管，并且该螺旋形元件是例如通过焊接或钎焊来一体地附接至该内管上，或者被弹性地偏置抵靠该内管而使得该螺旋形元件被紧紧固持抵靠在该内管上。

该内管具有一个光滑的外直径表面。

该外直径表面沿着其被该螺旋形管所包围的长度具有均匀的直径。

本发明的以上一般特征可以单独地或集合地适用于根据本发明另一方面的一种热交换器，该热交换器包括：一个内管，该内管形成了一个内部流动路径并且具有一个入口和一个出口；一个外管，该外管从该内管径向地向外间隔开并且在一个重叠区域处径向地环绕该内管的至少一部分，该重叠区域中形成了一个空间；一个导热性螺旋形元件，该导热性螺旋形元件缠绕在该内管周围并且布置在该重叠区域的空间内；以及一个第一套环，该第一套环被配置成在该外管的一个第一轴向末端处将该外管紧固至该内管上，该第一套环包括一个第一径向孔；其中该螺旋形元件与该内管和该外管一起形成了穿过该重叠区域的空间的一个螺旋形流动路径，并且该螺旋形流动路径是与该第一径向孔处于流体连通的。

该热交换器可以进一步包括一个第二套环，该第二套环被配置成在该外管的一个第二轴向末端处将该外管紧固至该内管上，该第二套环包括一个第二径向孔洞，其中该螺旋形流动路径是与该第二径向孔洞处于流体连通的。

该第一套环可以包括：具有的直径基本上等于该内管的外直径的一个中央孔、具有的直径介于该中央孔的直径与一个第二沉孔的直径之间的一个第一沉孔，该第二沉孔的直径是基本上等于该外管的外直径，并且其中该中央孔接纳了该内管并且该第二沉孔中接纳了该外管。

该第一径向孔可以被布置在该第一沉孔中。

该外管可以与该螺旋形元件是热隔离的。

附图说明

以下参见附图对本发明的以上特征和其他特征进行更详细的说明。

图1是一种自动空调系统的示意图；

图2是根据本发明的一种热交换器的透视图，包括以鬼线（ghostline）示出的外管和套环；

图3是该热交换器的局部截面视图；

图3A是图3的放大部分，但示出了该热交换器的一种变型，其中一个内部螺旋形元件与该外管间隔开并且因此相对于该外管是相对热隔离的；

图4是该热交换器的侧视图；

图5是根据本发明的另一种热交换器的透视图，包括以鬼线示出的外管；

图6是图5的热交换器的局部截面视图；

图7是图5的热交换器的侧视图。

具体实施方式

根据本发明的热交换器可以用于多种应用中，但是为了便于解释和理解，在此将针对用于汽车的空调系统来进行说明。另外，使用的管道和管等等（管状构件）术语是可互换使用的并且不一定表示限制性的定义，除非上下文另作要求。并且，术语“螺旋形”旨在涵盖“盘旋的”并且与之可互换使用。

图1是一种示例性空调系统100的示意图，该空调系统可以根据本发明的多个方面进行使用。车辆可以具有一个固持了发动机10的发动机室1以及与该发动机室1通过前围板3间隔开的一个乘客隔室2。该空调系统100可以具有：一个制冷剂循环装置100A以及一个内部单元100B，该制冷剂循环装置包括一个膨胀阀131和一个蒸发器141。该制冷剂循环装置100A的部件（通常包括膨胀阀131和蒸发器141）可以布置在发动机室1的一个预定安装空间内。该内部单元100B可以安排在一个被布置在乘客隔室2内的仪表板中。

该内部单元100B可以包括一个鼓风机102、该蒸发器141、一个加热器103、以及容纳该内部单元100B的这些部件的一个空调器外壳101。该鼓风机102可以选择性地吸入外部空气或内部空气并且将空气送至蒸发器141和加热器103。蒸发器141是一个冷却式热交换器，该冷却式热交换器将用于制冷循环的制冷剂蒸发以便使得该蒸发的制冷剂吸收来自空气汽化中的潜热从而冷却该空气。加热器103可以使用用于冷却发动机10的热水（例如，发动机冷却水）作为热源来将有待吹入乘客隔室2内的空气加热。

一个空气混合门104可以在空调器外壳101中布置在加热器103附近。该空气混合门104可以操作来调整该蒸发器141所冷却的冷空气与该加热器103所加热的热空气之间的混合比率，而使得具有所需温度的空气被送入乘客隔室2内。

该制冷剂循环装置100A可以包括一个压缩机110、一个冷凝器120、该膨胀阀131和该蒸发器141。多个管150可以将该制冷剂循环装置100A的这些部件连接起来而形成一个闭合回路。在这些管150中可以布置本发明的至少一个双壁管160。冷凝器120（例如，制冷剂散热器、气体冷却器等等）可以用作高压热交换器来将高压高温冷却剂冷却。该蒸发器141可以用作低压热交换器并且可以被布置用于对穿过其中的空气进行冷却。该膨胀阀131是一个减压器，例如节流阀或喷射器。

在所展示的实例中，压缩机110被发动机10驱动而压缩一种低压冷却剂以便在该制冷剂循环装置100A中提供高温高压冷却剂。一个滑轮111被附接至压缩机110的驱动轴上。一个传动皮带12在滑轮111与一个曲轴滑轮11之间延伸以便通过发动机10来驱动该压缩机110。滑轮111通过一个电磁离合器（未示出）被链接至压缩机110的驱动轴上。该电磁离合器将滑轮111连接至压缩机110的驱动轴上或将滑轮111与该驱动轴解除连接。该冷凝器120连接至压缩机110的排放侧上。该冷凝器120是通过外部空气来冷却该制冷剂以便使制冷剂蒸气冷却成液体制冷剂的一种热交换器。

该膨胀阀131降低从冷凝器120中排出的制冷剂的压力并且使得该制冷剂膨胀。该膨胀阀131可以是能够在等熵状态下降低液体制冷剂压力的一种减压阀。该内部单元100B中包括的膨胀阀131通常是放置在蒸发器141附近的。该膨胀阀131可以是具有可变孔口的温控式膨胀阀并且可能能够控制从蒸发器141排出并且流入压缩机110中的制冷剂的流量，从而使得该制冷剂以预定的过热程度而被加热。如以上描述的，该蒸发器141是用于将有待吹入乘客隔室中的空气进行冷却的一个冷却式热交换器。该蒸发器141的排放侧连接至该压缩机110的抽吸侧上。

该双壁管160可以通过在这些管150中将一个高压管151的一部分与一个低压管152的一部分进行组合而形成。该高压管151在冷凝器120与膨胀阀131之间延伸而在该高压制冷剂被解除压缩之前将其带走。该低压管152在蒸发器141与压缩机110之间延伸而在该低压制冷剂被解除压缩和冷却之后将其带走。

例如，当实施上述空调系统时，可能发生以下过程：当乘客隔室中的乘客希望使该空调系统100运行一个冷却操作时，一个电磁离合器可以被接合以便通过发动机10来驱动该压缩机110。然而，压缩机110吸入从蒸发器141中排出的制冷剂、将该制冷剂压缩并且将高温高压制冷剂排入该冷凝器120中。该冷凝器120将该高温高压制冷剂冷却成基本上完全为液相的液体制冷剂状态。来自该冷凝器120的液体制冷剂经过该连接到双壁管160上的液体管164、并且经过在该双壁管160的内管162与外管161之间形成的环形空间而流入该膨胀阀131中。该膨胀阀131降低该液体制冷剂的压力并且允许该液体制冷剂膨胀。该蒸发器141使该液体制冷剂蒸发成一种基本上饱和的气态制冷剂。经该蒸发器141蒸发的制冷剂从流经该蒸发器141的空气中吸热而将有待吹入乘客隔室中的空气冷却。经蒸发器141蒸发的该饱和的气态制冷剂，即，低温低压制冷剂，流经该抽吸管、该内管162和该抽吸管而进入压缩机110中。

热量从流经该双壁管160的该高温高压制冷剂（例如直至约600Psi）传递至流经该双壁管160的低温低压制冷剂中。因此，在该双壁管160中，该高温高压制冷剂被冷却而该低温低压制冷剂被加热。从冷凝器120中排出的液体制冷剂典型地是过冷的，并且其温度在该液体制冷剂流入双壁管160中时下降。从蒸发器141中排出的该饱和的气态制冷剂典型地是过热的而被称为具有过热度的气态制冷剂。

现在转向图2和图3，根据本发明展示了该双壁管热交换器160。在图2中，以鬼线展示了外管161，从而使得该热交换器的内部部件也是可见的。

一个螺旋缠绕的弹簧或其他螺旋形元件170可以缠绕在内管162上并且与外管161的内表面和内管162的外表面一起限定一个用于流体（例如，液体制冷剂）流动的螺旋形通路。该螺旋形元件170可以紧紧缠绕或者与内管162直接或间接地热接触，以便改进它们之间的导热性。例如，内管162的外表面可以是光滑的以便将与卷绕在其上的螺旋形元件170的接触面积最大化。任选地，该螺旋形元件170可以焊接至内管162上以便改进它们之间的导热性。该内管、外管和螺旋形元件各自可以至少在其轴向共同延伸的部分上具有均匀的直径。

如所指出的，该螺旋形元件可以被紧紧地固持抵靠在该内管的外直径上，例如像通过可以处于弹簧形式的该螺旋形元件的固有弹力。更确切地说，该螺旋形元件可以在没有组装到该内管上时（未缠绕的状态）具有小于该内管的外直径的一个内直径，这样使得该螺旋形元件可以弹性地膨胀以便在该内管上滑动并且然后通过该弹性元件的弹性来释放，从而致使该弹性元件围绕该内管进行收缩并且在一个径向向内的偏置力下被固持在该内管上。

该螺旋形元件170可以由一种具有高的热导率的材料制成，例如由金属材料，如铝。内管162和外管161可以由导热性材料制成，例如由金属材料，如铝。

外管161具有一个入口180和一个出口181。入口180可以例如连接到空调系统100的冷凝器120上。因此液体被迫沿着螺旋形路径扫过内管162的外表面和该螺旋形元件170。这个流动路径与不具有相应尺寸的螺旋形元件的双壁热交换器相比可以具有减小的截面积。这个截面积减小的流动路径增大了流体流动的速度并且因此增大了对流冷却的效力。进一步地，该螺旋形流动路径与没有该螺旋形元件而使用相同量的物理空间的双壁热交换器相比增大了该流动路径的长度。流动路径的长度增加还可以增大在热交换器160中发生的热传递的效率。

该螺旋形元件170可以与外管161的内表面是热隔离的，如图3A中所示。这种热隔离可以例如通过外管161与螺旋形元件170之间的一个环形空隙175来实现。这个空隙因此可以形成一个旁路流动路径。优选地，该旁路流动路径可以包括该内管162与外管161之间的总流量的小于约5%。更优选地，该旁路流动路径可以包括该内管162与外管161之间的总流量的小于约1%。这种热隔离可以例如通过防止从外管161到螺旋形元件170和内管162的传导而展现出出乎意料的性能。

替代地，这种热隔离可以例如通过一个或多个隔离材料185层来实现。该隔离材料185可以基本上沿着该外管161的整个内表面延伸、可以仅沿着该螺旋形元件延伸、或者可以是沿着该外管的内表面的长度间歇式地布置的从而充当一个间隔物。

外管161可以例如通过一个或多个末端套环190来间接地附接至内管162上，如图2-4中所示。一个末端套环190可以是例如包括一个中央孔191的圆柱形件，该中央孔的大小被确定成配合在该内管162的外表面周围。该末端套环190可以进一步包括一个第一沉孔（或埋头孔）192，该第一沉孔的尺寸被确定成大于内管162但小于外管161的外表面。最后，套环190可以包括一个第二沉孔193，该第二沉孔的尺寸被确定成配合该外管161的外表面。套环190可以具有一个径向孔或通道195、196以用于充当通向该套环和该螺旋形流动路径的入口和/或出口。该径向孔可以位于该第一沉孔192处。

外管161可以直接地附接至内管上，例如通过型锻和/或焊接，如图5-7中所示。外管161可以包括第一和第二径向孔197、198以用于充当通向该螺旋形流动路径的入口和/或出口。

虽然穿过该外部螺旋形路径的流动已经被显示和描述成是与穿过内管的流动处于同一方向上，但该流动也可以被反向，从而产生气体与液相制冷剂的逆流流动。这样的逆流流动在一些情况下可能是希望的并且可以产生不同的热传递效率。

由除铝外的材料（如钢或铜）制成的管可以代替由铝制成的管161和162使用。

将会了解的是，该螺旋形元件可以相对于该内管和外管中的至少一个、特别是该外管而自由地轴向移动，这样使得该热交换器可以沿着其轴向长度进行弯曲而不损坏该热交换器。

虽然本发明的双壁管160被描述成是用于汽车空调系统100的制冷剂循环装置100A，但本发明的实际应用并不局限于此。该双壁管160可以适当地用于家用空调器。当该双壁管160被用于家用空调器时，外管161周围的大气温度是低于发动机室1中的空气温度的。因此，当该高压制冷剂与低压制冷剂之间的热传递条件允许时，该低压制冷剂可以设定成穿过内管162与外管161之间的空间，并且该高压制冷剂可以设定成穿过内管162的内部通路。

流经该双壁管160的制冷剂不局限于在制冷剂循环装置100A中采用的制冷剂，使用的制冷剂可以具有与在制冷剂循环装置100A中所采用的制冷剂不同的物理特性。例如，在不同方向上流动的制冷剂、对应地具有不同温度的制冷剂、或者对应地具有不同压力的制冷剂可以组合地使用。此外，除该制冷剂循环装置100A的制冷剂之外的不同流体可以用于该双壁管160中。

虽然已经针对某个或某些实施例对本发明进行了显示和说明，但显然，本领域技术人员在阅读和理解本说明书以及附图时将会想到等效的修改和变更。特别是关于上述元件（部件、组件、装置、组合物等）所执行的各种功能而言，用于描述此类元件的术语（包括对“手段（means）”的提及）旨在对应于（除非另外指明）执行所述元件的指定功能的任何元件（即，是功能上等效的），即使与在本方面的在此展示的这个或这些实施例中执行此功能的所披露结构在结构上不是等效的。此外，虽然本发明的一个具体特征可能已经在上文中就所展示的若干实施例中的仅一个或多个进行了描述，但此特征可以与其他实施例中的一个或多个其他特征进行组合，如对于任何给定的或具体的应用而言可能是希望的且有利的。

Claims (24)

1.一种热交换器，包括：

一个内管，该内管形成了一个内部流动路径并且具有一个入口和一个出口；

一个外管，该外管径向地围绕该内管的至少一部分并且与该内管径向地向外间隔开从而形成一个环形空间；以及

一个导热性螺旋形元件，该导热性螺旋形元件缠绕在该内管周围并且布置在该空间内，

其中该螺旋形元件与该内管和该外管一起形成了穿过该空间的一个螺旋形流动路径，该螺旋形流动路径是与该外管的一个入口和一个出口处于流体连通的，并且

其中该外管是与该螺旋形元件热隔离的。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中该外管通过从该螺旋形元件径向地向外间隔开进而形成一个旁路流动路径而与该螺旋形元件热隔离。

3.如权利要求2所述的热交换器，其中该旁路流动路径容纳了穿过该旁路流动路径和螺旋形流动路径的总流量的小于约5%。

4.如权利要求2或3所述的热交换器，其中该旁路流动路径容纳了穿过该旁路流动路径和螺旋形流动路径的总流量的小于约1%。

5.一种热交换器，包括：

一个内管，该内管形成了一个内部流动路径并且具有一个入口和一个出口；

一个外管，该外管径向地围绕该内管的至少一部分并且与该内管径向地向外间隔开从而形成一个环形空间；以及

一个导热性螺旋形元件，该导热性螺旋形元件缠绕在该内管周围并且布置在该空间内，

其中该螺旋形元件围绕着该内管并且与该内管和该外管一起形成了穿过该环形空间的一个螺旋形流动路径，该螺旋形流动路径是与该外管的一个入口和一个出口处于流体连通的，并且

其中该螺旋形元件沿着该螺旋形元件的大部分长度连续地接触该内管，并且该螺旋形元件是例如通过焊接或钎焊来一体地附接至该内管，或者被弹性地偏置抵靠该内管而使得该螺旋形元件被紧紧固持抵靠在该内管上。

6.如以上任一项权利要求所述的热交换器，其中该内管具有一个光滑的外直径表面。

7.如以上任一项权利要求所述的热交换器，其中该外直径表面沿着其被该螺旋形元件所包围的长度具有均匀的直径。

8.如以上任一项权利要求所述的热交换器，其中该外管与该螺旋形元件通过一个隔离层进行热隔离。

9.如权利要求8所述的热交换器，其中该隔离层基本上沿着该外管的整个内表面延伸、仅沿着该螺旋形元件延伸、或者是沿着该外管的内表面的长度间歇式地布置的以便充当一个间隔物。

10.如权利要求1-4、8或9中任一项所述的热交换器，其中该螺旋形元件没有附接到该内管或外管中的至少一个上。

11.如以上权利要求中任一项所述的热交换器，其中该螺旋形元件的这些绕圈是轴向上间隔开的。

12.如以上权利要求中任一项所述的热交换器，其中该螺旋形元件被焊接至该内管上。

13.如权利要求1-4或8-12中任一项所述的热交换器，其中该螺旋形元件在该螺旋形元件的基本上整个长度上是与该内管相接触的。

14.如以上权利要求中任一项所述的热交换器，其中该外管的多个轴向末端被焊接至该内管上。

15.如以上权利要求中任一项所述的热交换器，其中该外管通过在该外管的对应轴向末端处的多个套环而连接至该内管上。

16.如以上权利要求中任一项所述的热交换器，进一步包括一个第一套环，该第一套环被配置成在该外管的一个第一轴向末端处将该外管紧固至该内管上，该第一套环包括一个第一径向孔，并且该螺旋形流动路径是与该第一径向孔处于流体连通的。

17.如权利要求16所述的热交换器，进一步包括一个第二套环，该第二套环被配置成在该外管的一个第二轴向末端处将该外管紧固至该内管上，该第二套环包括一个第二径向孔，其中该螺旋形流动路径是与该第二径向孔处于流体连通的。

18.如权利要求17所述的热交换器，其中该第一套环包括：具有的直径基本上等于该内管的外直径的一个中央孔、具有的直径介于该中央孔的直径与一个第二沉孔的直径之间的一个第一沉孔，该第二沉孔的直径是基本上等于该外管的外直径，并且其中该中央孔接纳了该内管并且该第二沉孔中接纳了该外管。

19.如权利要求18所述的热交换器，其中该第一径向孔被布置在该第一沉孔中。

20.一种热交换器，包括：

一个内管，该内管形成了一个内部流动路径并且具有一个入口和一个出口；

一个外管，该外管从该内管径向地向外间隔开并且在一个重叠区域处径向地环绕该内管的至少一部分，该重叠区域中限定了一个空隙；

一个导热性螺旋形元件，该导热性螺旋形元件缠绕在该内管周围并且布置在该重叠区域的空隙内；以及

一个第一套环，该第一套环被配置成在该外管的一个第一轴向末端处将该外管紧固至该内管上，该第一套环包括一个第一径向孔；

其中该螺旋形元件与该内管和该外管一起形成了穿过该重叠区域的空隙的一个螺旋形流动路径，并且该螺旋形流动路径是与该第一径向孔处于流体连通的。

21.如权利要求20所述的热交换器，进一步包括一个第二套环，该第二套环被配置成在该外管的一个第二轴向末端处将该外管紧固至该内管上，该第二套环包括一个第二径向孔，其中该螺旋形流动路径是与该第二径向孔处于流体连通的。

22.如权利要求20或21之一所述的热交换器，其中该第一套环包括：具有的直径基本上等于该内管的外直径的一个中央孔、具有的直径介于该中央孔的直径与一个第二沉孔的直径之间的一个第一沉孔，该第二沉孔的直径是基本上等于该外管的外直径，并且其中该中央孔接纳了该内管并且该第二沉孔中接纳了该外管。

23.如权利要求22所述的热交换器，其中该第一径向孔被布置在该第一沉孔中。

24.如权利要求20-23中任一项所述的热交换器，其中该外管与该螺旋形元件是热隔离的。

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