发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于微型制冷系统(特别是微型水源热泵系统)中的冷凝-节流-蒸发一体化微型换热器。在所述的微型换热器中可一次性完成制冷剂的冷凝、节流、蒸发三过程,在实现冷凝器和蒸发器微型化的同时,消除冷凝器和节流装置之间、节流装置和蒸发器之间的管路连接和相应的管路保温,以尽量减少制冷系统的体积和装配工作量。
本发明利用了真空扩散焊技术、分层实体制造技术(多层金属薄片的真空扩散焊接)、光化学蚀刻技术等制造技术。
真空扩散焊是在高真空的条件下,将要焊接的工件放在两个压板之间,在压板上施加高压压力,同时将工件加热到低于材料的融化温度,并保温一定时间,通过相互接触的工件表面上的分子或原子的扩散作用将工件焊合在一起。真空扩散焊的优点是不需要钎焊料或焊剂,两个零件经真空扩散焊接后完全成为一个实体,原来两个零件接触的地方没有明显的分界面,也没有任何氧化现象。真空扩散焊既可以实现同种金属材料之间的焊接,也可以实现异种金属材料的焊接,甚至可以实现金属和陶瓷材料之间的焊接。
分层实体扩散焊是采用多层薄板或箔片材料,根据两种流体换热的要求,在薄板上设计并光刻或蚀刻成不同的流道后,按一定顺序交错叠在一起,再利用上述真空扩散焊接技术将多层薄板焊接在一起。在实体零件中加工自由形状的型腔流道是困难的,而采用分层实体制造技术可以实现流道的自由设计,并可以制造出内部为中空的零件。
本发明的具体实现步骤是:
首先通过光化学蚀刻技术,构造类似板式换热器板片的具有一定流道的金属薄片。在金属薄片上同时构造出冷凝器流道和蒸发器流道,并通过镂空的方式将冷凝器流道和蒸发器流道分隔开来。金属薄片按类型还可以分为制冷剂换热板片,流体换热板片,制冷剂节流板片以及盖板等。
然后将上述蚀刻好的薄片,按1片制冷剂换热板片搭配1片流体换热板片的方式,每两片重复地叠放在一起,如此叠放多层,并在其最上面放1片上盖板,在最下面放1片下盖板。其中最中间的1片制冷剂换热板片上还蚀刻有节流槽道。
再将上述叠好顺序的薄片组,置于真空扩散焊炉的上、下压板之间。抽去炉中的空气,升温到很高的温度,并在上、下压板之间施加很高的压力。于是在高温高压的作用下,各层金属薄片相互接触的表面之间便通过扩散作用而互相融合,从而使全部板片结合成为一个中空的换热器实体。
最后在换热器实体的外部焊接上进、出口接头,从而最终构成所述的冷凝-节流-蒸发一体化微型换热器。
由于将冷凝器和蒸发器集成在了同一个器件上,因此带来一个新问题,即热量可能会由高温的冷凝区传导到低温的蒸发区。对此,本发明是通过在所述微型换热器的冷凝部分和蒸发部分中间设置真空隔热空腔来解决这一问题的。
本发明的有益效果主要体现在:
由于冷凝、节流、蒸发都在一个器件上完成,因此这些功能部件之间不需要焊接铜管,大大减少了铜管钎焊的焊点数和焊点处制冷剂泄漏的可能性;
用于构造所述微型换热器的分层金属板片很薄,制冷剂和流体的换热流道近似于微通道,因而换热效率很高,在减小体积的同时提高了能效比;
与钎焊板式换热器不同,基于分层实体扩散焊的换热器不需要铜等钎焊料,因而更耐腐蚀,且在水侧不会出现铜离子,这对于有些对水质要求较高,且水中不能含铜离子的应用场合尤为重要;
由于在所述微型换热器的冷凝区和蒸发区中间设置了真空隔热腔,不需要借助保温棉就能实现隔热功能,因而进一步减小了系统体积,使组装完成后的系统更加美观。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式说明本发明的技术方案。
如图1所示,根据本发明的一个具体实施例,所述的冷凝-节流-蒸发一体化微型换热器包括:微型换热器本体X,以及制冷剂进口接头A、制冷剂出口接头F、第二种流体进口接头C、第二种流体出口接头D、第三种流体进口接头G和第三种流体出口接头H。
微型换热器本体X是由多层金属薄片通过真空热压扩散焊而形成的,并在其内部形成了层层交错的制冷剂流道和流体的流道。微型换热器本体X的各板片之间通过真空热压扩散焊后,各板片之间由于金属原子的相互扩散而紧密地结合在一起,成为了一个实体,因而可达到完全的气密,并能承受一定的压力。
制冷剂进口接头A、制冷剂出口接头F、第二种流体进口接头C、第二种流体出口接头D、第三种流体进口接头G和第三种流体出口接头H是是用金属材料(典型地为不锈钢材料)通过机械加工方法制成的管状零件,并通过电弧焊、激光焊等方法焊接在微型换热器本体X上,其焊接位置在微型换热器本体X上的相应开孔处。
由微型制冷压缩机的排气口来的高温高压气态制冷剂由制冷剂进口接头A流入,在微型换热器本体X内部完成冷凝、节流、蒸发过程后,变成低温低压的气态制冷剂, 由制冷剂出口接头F流出,最后返回制冷压缩机的吸气口,从而构成一个完整的蒸气压缩式制冷循环。
由外部微型泵输送来的第二种流体(典型地为水、饮料等)由第二种流体进口接头C 流入,由第二种流体出口接头D流出。第二种流体在微型换热器本体X中吸收制冷剂冷凝过程中放出的热量,温度升高,得到热的第二种流体。
由外部微型泵输送来的第三种流体(典型地为水、饮料等)由第三种流体进口接头G流入,由第三种流体出口接头H流出。第三种流体在微型换热器本体X中被处于蒸发过程的制冷剂吸热而温度降低,从而得到冷的第三种流体。
如图2所示,根据本发明的一个具体实施例,所述微型换热器本体X是由5种不同类型的金属薄片(典型的为厚度小于1mm的不锈钢薄板)按一定顺序叠层后,再经真空扩散焊接而形成的一个实体。这5种板片分别是:前盖板1、流体换热板片2、制冷剂换热板片3、制冷剂节流板片4、后盖板5。
在上述5种板片上通过光化学蚀刻方法加工有供流体或制冷剂流通的槽道,根据槽道被蚀刻的深度可分为:全蚀刻区或半蚀刻区。全蚀刻是指该蚀刻区域被蚀穿,即蚀刻深度等于板片厚度;半蚀刻是指该蚀刻区域未被蚀穿,即蚀刻深度小于板片厚度。全蚀刻区是分配流体或制冷剂到不同板片的流动区域,半蚀刻区是供流体或制冷剂在该板片表面对流换热的区域。
如图3所示,前盖板 1构成了所述微型换热器本体X的流体进/出口板片,在其上开有供制冷剂和水流入或流出换热器的6个小孔:全蚀刻孔1A、全蚀刻孔1C、全蚀刻孔1D、全蚀刻孔1F、全蚀刻孔1G、全蚀刻孔1H。1A是高温高压气态制冷剂流入孔,1F是低温低压气态制冷剂流出孔,1C是第二种流体流入孔,1D是升温后的第二种流体的流出孔,1G是第三种流体流入孔,1H是降温后的第三种流体的流出孔。
如图4所示,流体换热板片2是主要供第二种流体和第三种流体在其上流通及换热的板片,在其上蚀刻有:供第二种流体流入的全蚀刻孔2C、作为第二种流体换热壁面的半蚀刻区2J、供第二种流体流出的全蚀刻孔2D、供高温高压气态制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔2A、供高温高压液态制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔2B、供第三种流体流入的全蚀刻孔2G、作为第三种流体换热壁面的半蚀刻区2K、供第三种流体流出的全蚀刻孔2H、供闪发的气-液两相制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔2E、供低温低压气态制冷剂在各板片间连通的全蚀刻孔2F,以及起隔热作用的全蚀刻区2R、全蚀刻区2S、全蚀刻区2T、全蚀刻区2U。流体换热板片2被全蚀刻区2R分隔为两个区:2R左侧部分为冷凝换热区,2R右侧部分为蒸发换热区。全蚀刻区2R可以阻止冷凝换热区的热量以热传导的方式向蒸发换热区传递;全蚀刻区2S、全蚀刻区2T、全蚀刻区2U则分别阻止蒸发换热区外部上、右、下三个方向的热量以热传导的方式向蒸发换热区传递。
如图5所示,制冷剂换热板片3是主要供制冷剂在其上流通及换热的板片,在其上蚀刻有:供高温高压气态制冷剂流入的全蚀刻孔3A、作为制冷剂冷凝换热壁面的半蚀刻区3J、供冷凝后的高温液态制冷剂流出的全蚀刻孔3B、供第二种流体在各板片间连通的全蚀刻孔3C、供第二种流体在各板片间连通的全蚀刻孔3D、供闪发的气-液两相制冷剂流入的全蚀刻孔3E、作为制冷剂蒸发换热壁面的半蚀刻区3K、供低温低压气态制冷剂流出的全蚀刻孔3F、供第三种流体在各板片间连通的全蚀刻孔3G、供第三种流体在各板片间连通的全蚀刻孔3H,以及起隔热作用的全蚀刻区3R、全蚀刻区3S、全蚀刻区3T、全蚀刻区3U。制冷剂换热板片3被全蚀刻区3R分隔为两个区:3R左侧部分为冷凝区,3R右侧部分为蒸发区。全蚀刻区3R可以阻止冷凝区的热量以热传导的方式向蒸发区传递;全蚀刻区3S、全蚀刻区3T、全蚀刻区3U则分别阻止蒸发区外部上、右、下三个方向的热量以热传导的方式向蒸发区传递。
如图6所示,制冷剂节流板片4是主要供制冷剂流通和换热的板片,并起制冷剂节流作用。在其上蚀刻有:供高温高压气态制冷剂流入的全蚀刻孔4A、作为制冷剂冷凝换热壁面的半蚀刻区4J、供冷凝后的高温液态制冷剂流出的全蚀刻孔4B、供第二种流体在各板片间连通的全蚀刻孔4C、供第二种流体在各板片间连通的全蚀刻孔4D、供闪发的气-液两相制冷剂流入的全蚀刻孔4E、作为制冷剂蒸发换热壁面的半蚀刻区4K、供低温低压气态制冷剂流出的全蚀刻孔4F、供第三种流体在各板片间连通的全蚀刻孔4G、供第三种流体在各板片间连通的全蚀刻孔4H、起隔热作用的全蚀刻区4R/4S/4T/4U,以及起制冷剂节流作用的微节流槽道4X。同样地,制冷剂节流板片4被全蚀刻区4R分隔为两个区:4R左侧部分为冷凝区,4R右侧部分为蒸发区。全蚀刻区4R可以阻止冷凝区的热量以热传导的方式向蒸发区传递;全蚀刻区4S、全蚀刻区4T、全蚀刻区4U则分别阻止蒸发区外部上、右、下三个方向的热量以热传导的方式向蒸发区传递。
微节流槽道4X是通过光化学蚀刻方法形成的一个细长槽道,其可以是半蚀刻的,也可以是全蚀刻的。其机理类似于小型制冷系统使用的节流短管和节流毛细管。微节流槽道4X布置在冷凝区和蒸发区之间有材料连接的部位,并使其连通全蚀刻孔4B和全蚀刻孔4E。高温高压的液态制冷剂在由4B区流进微节流槽道4X时,由于细长流道的节流降压作用,使得制冷剂压力减小,体积膨胀,从而部分闪发出来,变成低温低压的气-液两相混合物。此气-液两相混合物随即流入蒸发区,从而起到蒸发制冷的作用。
如图7所示,后盖板5是微型换热器本体X的最后侧板片,起遮挡其前面一块换热板片的全蚀刻孔的作用,以实现整个换热器的密封。在后盖板5上不设蚀刻区,即其是一块光板。
综合图2~图7,以上5种板片的叠层顺序和位置关系是:
一片制冷剂节流板片4位于换热器本体X的最中间位置;
流体换热板片2和制冷剂换热板片3每两片为一组,重复排列在制冷剂节流板片4的前、后两侧,其重复次数不限;
一片前盖板1和一片后盖板5分别位于微型换热器本体X的最外侧,其位置可互换;
各板片的半蚀刻区均朝向同一方向;
各板片上的全蚀刻孔和全蚀刻区的位置互相对齐,即1A、2A、3A和4A对齐,2B、3B和4B对齐,1C、2C、3C和4C对齐,1D、2D、3D和4D对齐,2E、3E和4E对齐,1F、2F、3F和4F对齐,1G、2G、3G和4G对齐,1H、2H、3H和4H对齐,2R、3R和4R对齐,2S、3S和4S对齐,2T、3T和4T对齐,2U、3U和4U对齐。
将上述叠层好的板片放入真空热压炉中,在加热、加压之前的抽真空过程中,各板片上的镂空区(2R~4R、2S~4S、2T~4T、2U~4U)将会失去空气。当所有板片通过热压扩散而焊合成为一个整体后,上述镂空区位置便形成了4个密闭的真空室。这样就在冷凝区和蒸发区之间,以及蒸发区与外表面之间形成了天然的隔热屏障,使得热量不能藉由热传导方式由高温的冷凝区和换热器外表面向低温的蒸发区传递,从而大大减少了蒸发器冷量的损失。在镂空区边缘的材料连结处虽然也有热传导,但由于这些地方的导热横截面积很小,因而导热量可以忽略不计。
根据上述实施例,只需在所述微型换热器的外部连接上微型制冷压缩机,并充注合适的制冷剂后,即构成一台微型水源热泵系统。连接方法是:微型制冷压缩机的排气口与所述的制冷剂进口接头A相连,微型压缩机的吸气口与所述的制冷剂出口接头F相连。由微型热泵系统的压缩机来的高压气态制冷剂由制冷剂进口接头A、上盖板上的全蚀刻孔1A轴向流入到各板片上的全蚀刻孔区(2A、3A、4A),然后向下流经各制冷剂换热板片上的半蚀刻区(3J、4J)进行冷凝放热,以对间壁的流经各流体换热板片的第二种流体(即热水)进行加热。气态制冷剂冷凝后变成高温高压的液态制冷剂,并积聚在全蚀刻孔2B、3B、4B处。此处的液态制冷剂在经由制冷剂节流板片4上的微节流槽道4X进入全蚀刻孔2E、3E、4E时压力降低、体积膨胀,变成低温低压的气液混合物。此气液混合物再向上流到各制冷剂换热板片上的半蚀刻区(3K、4K)进行蒸发吸热,以对间壁的流经各流体换热板片的第三种流体(即冷水)进行冷却。蒸发完成后的制冷剂全部变成气态,此气态制冷剂由各板片上的全蚀刻孔区(2F、3F、4F)收集,最后经由上盖板1上的全蚀刻孔1F、制冷剂出口接头F流出所述微型换热器,并返回到压缩机的吸入口,从而形成了一个完整的蒸气压缩式热泵循环。
第二种流体的流动路径是:由第二种流体进口接头C、上盖板1上的第二种流体流入孔1C流入,均匀分布到各板片上的联通孔2C、3C、4C处,再向上流经各流体换热板片2的换热区2J。在2J区吸热后的第二种流体在各板片上的联通孔2D、3D、4D处汇合,最后经由上盖板1上的第二种流体出口孔1D、第二种流体出口接头D流出微型换热器。经此路径后,第二种流体被加热。
第三种流体的流动路径是:由第三种流体进口接头G、上盖板1上的第三种流体流入孔1G流入,均匀分布到各板片上的联通孔2G、3G、4G处,再向下流经各流体换热板片2的换热区2K。在2K区被吸热后的第三种流体在各板片上的联通孔2H、3H、4H处汇合,最后经由上盖板1上的第三种流体出口孔1H、第三种流体出口接头H流出微型换热器。经此路径后,第三种流体被降温。
根据本发明的一个优选实施例,在流体换热板片2、制冷剂换热板片3、制冷剂节流板片4的半蚀刻区还可以蚀刻出各种图案,如可以蚀刻出平行状或波纹状的肋片和导流槽道,也可用蚀刻的方法形成微通道或扰流肋等流道形状,以增强制冷剂和流体的扰动及对流换热效果,进一步提高换热效率。
根据本发明的一个可选实施例,当所需的制冷剂循环流量较大时,制冷剂节流板片4也可以多于一片,使得从冷凝区向蒸发区流动的制冷剂可以同时通过多个微节流槽道,以增加微型换热器的节流能力。
在上述实施例中,同一流体在不同换热板片间的流程呈并联形式,但本发明对流程的布置方式没有任何限制。将换热板片上的流道形状和连通孔的位置稍做修改后,同一流体在不同板片间的流程同样可以布置成串联形式,或者串、并联混合的形式。
在上述实施例中,制冷剂进口接头A、制冷剂出口接头F、第二种流体进口接头C、第二种流体出口接头D、第三种流体进口接头G和第三种流体出口接头H均布置在换热器的同一侧,但外部接头的布置方向不对本发明的实施方式构成任何限制。外部接头既可以同侧布置,也可以异侧布置。以上6个接头中的任何一个都可以按实际需要而灵活布置在前盖板或后盖板的任何一侧。
根据本发明的一个简化实施例,所述微型换热器也可以没有制冷剂进口接头A、制冷剂出口接头F、第二种流体进口接头C、第二种流体出口接头D、第三种流体进口接头G和第三种流体出口接头H,而是直接以微型换热器本体X的形式供货。
在上述实施例中,和制冷剂换热的第二种流体通常是热水,第三种流体通常是冷水,这也是最常见的一种情况。本发明中,和制冷剂换热的流体并不限于水,也可以是其它任何一种流体,如乙二醇水溶液、牛奶、果汁、咖啡、豆浆、红酒、碳酸饮料等。
本发明所采用的真空扩散焊方法由于具有不需钎焊剂的优势,因此材料不限于不锈钢、钛合金、铝合金等金属薄片或合金薄片,也可以是陶瓷等非金属薄片。只要是借助于真空扩散焊可以焊合的多层薄片材料构成的类似换热器组件,均属于本发明的保护范围。
以上仅是本发明的具体应用范例,对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案,均落在本发明权利保护范围之内。