CN103946659A - 热交换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种热交换器，其包括内管，所述内管沿中心轴纵向延伸并具有限定产品室边界的内表面和具有多个通道的外表面，所述多个通道以周向隔开的间隔与多个翅片以交替关系围绕所述内管的外表面的圆周设置；和纵向延伸的外管，所述外管围绕所述内管同轴设置并且以径向隔开的关系围住所述内管，所述外管具有接触所述内圆筒的所述多个翅片的内表面，所述外表面在多个焊接位置焊接至所述翅片。

Description

热交换器及其制造方法

技术领域

本发明一般涉及用于冷冻和分配半冷冻产品的热交换器，更具体地涉及用于除去分配设备的产品冷冻室内的产品的热量的热交换器。

背景技术

软冰淇淋、酸奶、蛋奶冻和其它半冷冻食品以及半冷冻饮料(有时称为浆)通常通过具有冷冻圆筒形式的热交换器的分配设备来分配。冷冻圆筒(也称为冷冻桶)限定了纵向伸长的冷冻室。通常，未冷冻的液体产品混合物在冷冻圆筒的后端被添加至冷冻室，并且通过手动操作的分配阀在冷冻圆筒的前端被选择性地分配。旋转搅拌器通常由两个或更多个螺旋叶片形成，所述两个或更多个螺旋叶片由驱动电机以期望旋转速度驱动，当产品从液态转变为半冷冻态时，旋转搅拌器从冷冻圆筒的内壁刮下半冷冻混合物并使产品通过限定在冷冻圆筒内的冷冻室向前移动。当热量从产品传递至流过围绕冷冻圆筒设置的蒸发器的制冷剂时，冷冻室内的产品从液态变为半冷冻态。蒸发器与常规制冷系统的一部分操作地关联，该制冷系统还包括压缩装置和制冷剂冷凝器，其布置在常规制冷剂循环中，处于闭合的制冷剂回路中。这种类型的分配设备可具有用于分配单一口味产品的单个冷冻圆筒，或各容纳所选口味的产品的多个冷冻圆筒，用于分配每一种选口味，以及甚至是混合口味。

如前面所述，热量从冷冻圆筒中的产品被去除并且被循环通过围绕冷冻圆筒设置的蒸发器的制冷剂带走。在具有一个以上冷冻圆筒的分配设备中，围绕每个冷冻圆筒设置蒸发器。在用于分配半冷冻产品的常规设备中，蒸发器通常被构造为围绕冷冻圆筒的外壁缠绕并与之接触的管，或者被构造为冷冻圆筒的外壁与围绕冷冻圆筒同轴设置的外圆筒的内壁之间的环形室。已公布的国际专利公开案WO2010/151390公开了具有包括围绕内圆筒的外表面设置的多个通道的蒸发器的冷冻圆筒。虽然本设计很适合其预期目的，但是这种冷冻圆筒的改进在本领域将非常受欢迎。

发明内容

根据本发明的实例实施方案，热交换器包括内管，其沿着中心轴纵向延伸并具有限定产品室边界的内表面和具有多个通道的外表面，多个通道以周向隔开的间隔与多个翅片以交替关系围绕内管的外表面的圆周设置；和纵向延伸的外管，其围绕内管同轴设置并且以径向隔开的关系围住内管，外管具有接触内圆筒的多个翅片的内表面，外表面在多个焊接位置焊接至翅片。

根据本发明的另一个实例实施方案，制造热交换器的方法包括获得内管，所述内管沿着中心轴纵向延伸并具有限定产品室边界的内表面和具有多个通道的外表面，多个通道以周向隔开的间隔与多个翅片以交替关系围绕内管的外表面的圆周设置；将外管置于内管上方，所述外管围绕内管同轴设置并且以径向隔开的关系围住内管，外管具有接触内圆筒的多个翅片的内表面；以及在多个焊接位置将外管焊接至内管。

本发明的其它方面、特征和技术将从以下结合附图的描述变得更显而易见。

附图说明

现在参考附图，其中在多个图中相同元件的标号相同：

图1是图示了体现本发明的用于冷冻并分配半冻结产品的设备的示例性实施方案的示意图；

图2是根据本发明的冷冻桶的示例性实施方案的透视图；

图3是图2的冷冻桶的内圆筒的示例性实施方案的透视图；

图4是图3的内圆筒的截面侧视图；

图5是图3的内圆筒沿线5-5获取的横截面正视图，其中外圆筒围绕内圆筒周向地组装；

图6是限定在图5的线6-6内的冷冻桶的一段的放大视图。

图7是根据本发明一方面的冷冻桶的另一个实施方案的一段的放大视图；

图8描绘了示例性实施方案中的焊接的热交换器；以及

图9描绘了另一示例性实施方案中的焊接的热交换器。

具体实施方式

首先参见图1，示意性地描绘了体现本发明的用于冷冻并分配半冷冻食品的设备10的示例性实施方案，所述食品包括例如，但不限于软冰淇淋、冰牛奶、酸奶、蛋奶冻、奶昔、碳酸和/或非碳酸冰凌饮料。

在所描绘的实施方案中，设备10包括用于分配不同口味或类型的食品的两个冷冻室C1和C2。冷冻室C1和C2被分别限定在轴向伸长的圆筒形桶20-1和20-2中。虽然示出为双桶分配器，但应当理解，设备10可仅具有用于分配单一产品的单个桶机器，或者可具有用于分配多种口味或类型的产品或者混合口味的三个或更多桶。桶20-1、20-2的每一个包括内圆筒30、围住内圆筒30的外圆筒40以及在内圆筒30与外圆筒40之间形成的蒸发器50。致冷剂从制冷系统60提供至各个桶20-1、20-2的蒸发器50以对位于各个冷冻室C1和C2内的产品进行制冷。

搅拌器22同轴设置并安装以在每个室C1和C2内旋转。每个搅拌器22由驱动电机23驱动以绕其各自的桶20-1、20-2的轴旋转。在图1描绘的实施方案中，单个驱动电机在通电时同时驱动每个搅拌器22绕其各自的桶的轴旋转。然而应理解，每个搅拌器22可由专用于驱动所述各自搅拌器的电机来驱动。各自的产品供给24与每个桶20-1、20-2操作地关联以将待冷冻的产品提供至与所述产品供给关联的各自的室C1和C2。设备10还配备有分配阀系统，其可选择性地操作以便以本领域中公知的方式从桶分配半冷冻产品。

制冷系统60包括单个制冷剂蒸气压缩机62，其由与压缩机62操作地关联的压缩机电机65驱动，和冷凝器64，其在根据制冷循环的制冷剂回路中与蒸发器50连接。应理解，可使用多个压缩机，每个蒸发器指定有单独的压缩机。压缩机62通过连接至制冷剂入口的高压出口管路61以制冷剂流动连通的方式连接至冷凝器64，并且冷凝器64的制冷出口通过高压制冷剂供给管路63连接至制冷剂流量控制阀66，致冷剂流量控制阀66的其中之一与桶20-1的蒸发器50的其中之一操作地关联，并且制冷剂流动控制阀66的另一个与桶20-2的蒸发器50的另一个操作地关联。阀66的每一个通过各自致冷剂管路67连接至与其关联的各自蒸发器50的制冷剂入口。每个蒸发器50各自制冷剂出口通过低压制冷剂回流管路69和蓄积器68连接至压缩机62的吸入侧。致冷剂流量控制阀66可例如包括开/关螺线管阀，其是能够在打开位置(其使制冷剂流传递到相关联的蒸发器50)和关闭位置(其阻止制冷剂流传递到相关联的蒸发器)之间快速地循环的类型。阀66可使用包括，但不限于脉宽调制螺线管阀、电子电机操作阀、自动膨胀阀、热膨胀阀、喷射器等的各种装置来实施。阀74和76将压缩机出口直接连接至蒸发器50以使得能够在桶20-1和20-2内对产品进行热气加热。四通阀78允许系统以反向气体模式运行，其中蒸发器50用作冷凝器，加热产品在桶20-1和20-2内。

不同产品具有不同热传递速率和不同凝固点。因此，制冷系统60的操作将取决于提供至冷冻室C1和C2的产品而变化。制冷系统60的操作可由控制系统70控制，其控制压缩机驱动电机65、搅拌器电机23和流量控制阀66的操作。控制系统70包括可编程控制器72(其包括具有关联存储器的中央处理单元)、输入和输出电路、以及用于感测所述室C1和C2内的产品温度的温度传感器。为了更全面地讨论示例性控制系统70的设计和操作，对美国专利第5,205,129号进行了参考，其公开内容以全文引用的方式并入本文。

在所描绘的实施方案中，每个桶20配备有可选择性操作的分配阀11，其设置在桶20的前端，用于接收来自冷冻室的产品。然而，如在一些常规双桶分配器中，分配阀系统可包括第三分配阀，其可选择性操作以分配混合室C1和C2内的两种口味或类型的产品的混合物。分配阀系统还可包括单个可选择性操作的阀，其可选择性地置于第一位置以仅从室C1分配产品，置于第二位置以仅从室C2分配产品，以及置于第三位置以从室C1和C2两者分配产品的混合物。

简言之，操作时，来自与室C1和C2关联的各自产品供给24的待冷冻的产品从供给管27被提供至每个室C1和C2，供给管27在每个桶20的后端通向所述室。如在常规实践中那样，产品供给24被布置来按需要供应液态可食用产品混合物以及通常(但不总是)可食用气体(例如按比例的空气、氮气、二氧化碳或其混合物)，以提供具有期望稠度的半冷冻食品。在传送至室C1和C2之前，液态可食用产品混合物可由适当的设备(未示出)制冷以使产品混合物预冷却至高于所述产品混合物的凝固温度的预选温度。搅拌器22在其各自的室C1和C2中旋转以搅拌位于室内的产品混合物并且使产品混合物移动至室的前端以传送至分配阀11。搅拌器22的叶片也可设计成当搅拌器旋转时沿着内圆筒30的内表面经过以从内圆筒30的内表面刮下产品。当产品混合物在室C1和C2中搅拌时，产品混合物被冷却至凝固点温度以产生准备好按需分配的半冷冻产品。如果向产品混合物中添加气体，那么随着搅拌器旋转，所述气体被彻底地且均匀地分散在产品混合物中。

现在参见图2-6，具体而言，每个冷冻桶20包括内管30、围住内管30的外管40以及在内管30与外管40之间形成的蒸发器50。内管30包括沿着中心轴31纵向延伸并具有限定冷冻室C边界的内表面和外表面34的圆筒。外管40包括沿着轴31纵向延伸并同轴地围住纵向延伸的内圆筒30的圆筒。外管40具有面对内圆筒30的外表面34的内表面42。内管30可由食品级不锈钢或被许可结合食品处理应用使用的其它金属制成。产品供给管27通过桶20的内圆筒30的第一端通向冷冻室C，第一端在本文中也称为供应端或后端。分配阀11设置在桶20的轴向相对端，此端在本文中也称为排出端或前端。

内管30的外表面设有多个翅片52和多个通道53，所述多个通道53以周向隔开的间隔与多个翅片52以交替关系围绕内管30的外表面的圆周设置。翅片52和通道53可例如通过从内圆筒30的外表面加工材料而与第一管30的壳体整合形成，从而同时形成通道53以及与通道53交替且在通道53之间径向向外延伸的翅片52。内管也可形成为翅片52通过挤压而被制成与其整合。在实施方案中，内管30具有与外管40的壳体内径几乎相配的壳体外径，使得当在内管30的外表面34上加工通道53从而形成内管30的多个翅片52时，翅片52在通过将外管40滑动配合至内管30上而组装桶20时径向向外延伸以邻接外管40的内表面42。

内管30的外表面34在内管30的纵向隔开的端部区域处还设有第一凹槽56和第二凹槽58，其在内管30的外表面34上形成并且围绕外表面34周向延伸。在所描绘的示例性实施方案中，第一凹槽56位于内管30的产品排出端，且第二凹槽58位于其产品供应端。第一管30具有通向第一凹槽56以从制冷剂系统60接收制冷剂的至少一个入口57和通向第二凹槽58以使制冷剂返回到制冷剂系统60的至少一个出口59。在图3-6描绘的示例性实施方案中，四个制冷剂入口57围绕第一凹槽56以周向等间隔提供，且四个制冷剂出口59围绕第二凹槽58以周向等间隔提供。

每个通道53形成制冷剂流动通路，其在第一凹槽56和第二凹槽58之间延伸并建立第一凹槽56和第二凹槽58之间的流体流动连通。在所描绘的实施方案中，多个通道的每个通道53平行于内管30的轴31在第一凹槽56和第二凹槽58之间纵向延伸。因此，第一凹槽56形成制冷剂入口集管，且第二凹槽形成制冷剂出口集管，其与在内管30中形成的通道53一起与外管40组装时提供了热交换器，其在本文描述的实施方案中限定了冷冻桶20的蒸发器50，制冷剂循环通过蒸发器50与位于由内管30的内表面限定边界的冷冻室C内的产品处于热交换关系，以冷却位于其内的产品。第一凹槽56经由至少一个入口57通过阀66和管路67流体流动连通地与制冷剂供给管路63连接以接收制冷剂进入蒸发器50，而第二凹槽58经由至少一个出口59流体流动连通地与制冷剂管路69连接以便从蒸发器50传递制冷剂。在所描绘的实施方案中，四个入口57以九十度周向隔开的间隔提供于第一凹槽56处。类似地，四个入口59以九十度周向隔开的间隔提供于第二凹槽58处。

在实施方案中，多个通道的每个通道53加工在内管30的外表面上以限定具有期望横截面形状的流动通路，例如大致为矩形或正方形的横截面形状。通道53可加工在内管30的外表面上。此外，每个通道53可被加工至期望深度和期望宽度以提供具有期望水力直径的流动通路。在实施方案中，每个通道限定具有含约0.02英寸至0.10英寸(约0.50毫米至2.54毫米)的范围内的水力直径的横截面流动面积的流动通路。例如，在实施例方案中，每个通道53可被加工成具有0.0625英寸(1.5875毫米)的深度和0.0625英寸(1.5875毫米)的宽度，从而限定流动通路具有含约0.0625英寸(1.5875毫米)的水力直径的横截面流动面积。多个通道53可围绕内圆筒的圆周以周向等间隔设置。例如，在半冷冻产品分配设备10的示例性应用中，冷冻桶20的内管30具有4.1英寸(104毫米)的壳体外径，可围绕内圆筒30的外表面的圆周周向等间隔的总共128个通道53。

在实施方案中，如图7所描绘，蒸发器50被挤压成为整体构件，其具有围绕蒸发器50以隔开的间隔设置的多个通道53。在挤压工艺中，通道53在翅片52之间形成，翅片52与一对隔开的壁整合形成并在其之间延伸。蒸发器50可形成扁平状并且卷成圆筒形，其中翅片52径向延伸，或蒸发器50可被挤压成圆筒形，其中翅片52径向延伸。然后，形成圆筒形的蒸发器50被组装在内管30之上，如图7所示，并被铜焊或软焊在内管30的外表面之上的合适位置。由于挤压蒸发器50的结构提供了经过通道53的制冷剂压力的耐受性，因此不需要外壳体。进一步而言，内管30不需要设计成耐受流过蒸发器50的制冷剂的高压，并且可由比内管30形成制冷剂容纳结构的一部分的情况下将需要的不锈钢厚度更薄厚度的不锈钢制成。在替代实施方案中，蒸发器50由铝挤压件制成。铝挤压件可镀铜并铜焊至内管30。替代地，挤压铝蒸发器50可使其内表面镀镍以提供食品级表面。

包括相对大量制冷剂流动通道(每个通道具有相对小的水力直径)的蒸发器50的热交换效率显著高于本文前面描述的现有技术的蒸发器的热交换效率。热交换增强，部分是由于制冷剂和内管30之间由于与通道53侧面相接的翅片52引起的有效热传递面积增加，且部分是由于热传递有效性提高，其与各自通道53所限定的非常小的水力直径的流动通路有关。

图8图示了替代实施方案中的热交换器100。热交换器100与图4-7中所示的热交换器相似，并包括具有限定通道53的翅片52的内管30和外管40。在图8中，外管40在多个周向焊接位置102焊接至内管30的翅片52。图8中的焊接位置102沿外管40的纵轴在外管40上隔开，并且与外管40的纵轴正交。焊接位置102可等距隔开或不等距隔开。焊接位置102将外管40的内表面连至翅片52的远端。集管焊接至外管40以形成耐压密闭总成。可使用的示例性焊接类型包括电阻焊接、电子束焊接或激光束焊接。

图9图示了替代实施方案中的热交换器100。如图9所示，焊接位置104位于从外管50的第一端横穿外管至外管50的第二端的螺旋状物上。可使用多个平行的螺旋状物。图9的实施方案提供的优点是没有重叠的焊接位置，这降低了由重叠焊接位置引起的金属疲劳的可能性。

制造热交换器100的方法包括使用本文描述的技术(例如，挤压、滚削、加工)形成具有翅片52的内管30。然后，外管40被置于内管30之上。然后，外管40被焊接至内管30。焊接穿透外管40以将外管40熔接至翅片52的远端。通道52处未发生金属熔融。

通过将内管30沿热交换器100的长度焊接至外管40，热交换器100的压力承载能力大大提高。结果，可获得高得多的压力，或内管30和/或外管40可使用更薄的壁。从压力的角度看，焊接的热交换器用作多个(例如，128个)管，每个管具有1/16"的内径。现有设计用作具有3.85"直径的内管和具有4.6"直径的外管。环向应力是压力容器直径的函数。例如，如果压力承载管的外径从4.6"减小至0.0625"，那么环向应力大约减小30倍。这意味着壳体可能能够支承30倍以上的压力。如果需要，也可通过在集管内增加焊接点来改进集管的强度。

已对微通道激光焊接总成以及现有的套管式总成进行了压力试验。本发明的实施方案中的激光焊接总成在不发生故障的情况下可支承大于1,000psi，且至多3,000psi的压力。现有的具有内管和外管的总成能够支承700psi范围内的压力。两个总成的压力承载能力均取决于设计(直径、长度和壁厚)和所使用的材料。

通过改进热交换器100的压力承载能力，可实现许多益处。与现有设计相比，热交换器100可使用较少材料来支撑相同的压力要求，从而降低材料成本。此外，更高压力的致冷剂(例如，二氧化碳)可用于改进效率。当热交换器用于在反向气体模式下加热时，焊接的热交换器100还允许热交换器维持所经受的压力。存在期望在热交换器100中加热食品以减少细菌的情况。现有系统使用电阻加热或热气加热来加热食品(例如，加热至150F)。焊接的热交换器100可在反向气体应用中用作冷凝器以更有效地加热食品。

本文使用的术语是为了描述，而非限制的目的。本文公开的具体结构和功能细节不应解释为限制性的，而仅仅作为教导本领域技术人员利用本发明的基础。虽然已参考如附图中图示的示例性实施方案特别示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改。本领域技术人员还将认识到在不脱离本发明的范围的情况下，可用等效物代替参考本文公开的示例性实施方案描述的元件。

因此，本发明意在不受限于公开的特定实施方案，而是本公开将包括落入随附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (17)

1.一种热交换器，其包括：

内管，其沿中心轴纵向延伸并具有限定产品室边界的内表面和具有多个通道的外表面，所述多个通道以周向隔开的间隔与多个翅片以交替关系围绕所述内管的外表面的圆周设置；和

纵向延伸的外管，其围绕所述内管同轴设置并且以径向隔开的关系围住所述内管，所述外管具有接触所述内圆筒的所述多个翅片的内表面，外表面在多个焊接位置焊接至所述翅片。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其还包括：

入口集管，其由第一凹槽限定，所述第一凹槽在所述内管的第一端处的所述内管外表面上形成并且围绕所述内管的外表面周向延伸；和

出口集管，其由第二凹槽限定，所述第二凹槽在所述内管的第二端处的所述内管外表面上形成并且围绕所述内管的外表面周向延伸；

其中所述多个通道的每个通道限定在所述入口集管与所述出口集管之间延伸的热交换流体流动通路。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述内管和所述外管为圆筒形。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述多个通道的每个通道以与所述内管的所述轴平行的关系纵向延伸。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述多个通道围绕所述内管的圆周周向等间隔设置。

6.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述多个通道加工在所述内管的外表面中。

7.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述焊接位置围绕所述外管的外表面周向隔开并与所述中心轴正交。

8.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述焊接位置从所述外管的第一端至所述外管的第二端遵循基本螺旋状的路径。

9.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述热交换器可承受1000psi至3000psi的压力。

10.一种制造热交换器的方法，其包括：

获得内管，所述内管沿中心轴纵向延伸并具有限定产品室边界的内表面和具有多个通道的外表面，所述多个通道以周向隔开的间隔与多个翅片以交替关系围绕所述内管的外表面的圆周设置；

将外管置于所述内管上方，所述外管围绕所述内管同轴设置并且以径向隔开的关系围住所述内管，所述外管具有接触所述内圆筒的所述多个翅片的内表面；以及

在多个焊接位置将所述外管焊接至所述内管。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述内管和所述外管为圆筒形。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个通道的每个通道以与所述内管的所述轴平行的关系纵向延伸。

13.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个通道围绕所述内管的圆周周向等间隔设置。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述多个通道加工在所述内管的外表面中。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述焊接位置围绕所述外管的外表面周向隔开并与所述中心轴正交。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述焊接位置从所述外管的第一端至所述外管的第二端遵循基本螺旋状的路径。

17.根据权利要求10所述的方法，其中所述热交换器可承受1000psi至3000psi的压力。