CN106104193A - 微通道热交换器蒸发器 - Google Patents

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Abstract

一种蒸发器热交换器包括具有入口歧管和布置成间隔、平行关系的多个第一热交换管的第一管束。第二管束包括出口歧管和布置成间隔、平行关系的多个第二热交换管。中间歧管被流体联接到所述第一管束和所述第二管束。布置在所述入口歧管内的分配器插入件包括被构造来在其中限定多个第一制冷剂室的第一分隔元件。第二分隔元件被布置在所述中间歧管内并且被构造来在其中限定多个第二制冷剂室。每个第二分隔元件被布置在与对应的第一分隔元件基本上相同的位置处。每个第二制冷剂室被流体联接到所述第一热交换管的与对应的第一制冷剂室相同的部分。

Description

微通道热交换器蒸发器
相关申请的交叉引用
本申请涉及2009年4月13日提交的美国专利申请序列号12/921，414，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文。
发明背景
本发明总体上涉及热交换器，并且更具体地说，涉及用于在空气调节和制冷剂蒸气压缩系统中使用的微通道热交换器。
制冷剂蒸气压缩系统在本领域中是众所周知的并且通常用于调节有待供应到住宅、办公大楼、医院、学校、餐厅或其他设施内的气候受控舒适区的空气。常规的制冷剂蒸气压缩系统20，如图1所示，通常包括通过制冷剂管路互连以形成闭合制冷剂回路的压缩机22、冷凝器(或气体冷却器)24、膨胀装置26和蒸发器28。当制冷剂流动通过膨胀装置26时，制冷剂的压力降低，以使得通常10-20％的制冷剂蒸发。如果闪蒸气体或蒸发的制冷剂循环通过带有液体制冷剂的蒸发器28，那么蒸发器28中的压降增大，从而降低蒸气压缩系统10的性能。此外，闪蒸气体流动通过蒸发器28导致制冷剂在蒸发器28中的多个导管中分布不均，从而导致所述蒸发器28的传热面的不太理想的利用。
为了最大化制冷剂蒸气系统的效率，将外部分离器流体连接到位于膨胀阀下游并且位于蒸发器上游的闭环制冷回路。分离器将来自膨胀装置的2相制冷剂混合物分成液态制冷剂和蒸发制冷剂。将液态制冷剂提供到蒸发器，并且将闪蒸气体直接提供到压缩机的入口。使闪蒸气体围绕蒸发器旁通可产生约20％的能力和性能系数(COP)提高。然而，与将外部分离器整合到蒸气压缩系统中相关联的附加部件和控件增加了系统的成本和复杂性，从而基本上使得所实现的任何益处无效并且使得外部分离器的应用通常难以实现。
发明概要
一个实施方案包括热交换器，所述热交换器包括具有入口歧管和布置成间隔、平行关系的多个第一热交换管的第一管束。第二管束包括出口歧管和布置成间隔、平行关系的多个第二热交换管。中间歧管被流体联接到所述第一管束和所述第二管束。布置在所述入口歧管内的分配器插入件包括被构造来在其中限定多个第一制冷剂室的第一分隔元件。第二分隔元件被布置在所述中间歧管内并且被构造来在其中限定多个第二制冷剂室。每个第二分隔元件被布置在与对应的第一分隔元件基本上相同的位置处。每个第二制冷剂室被流体联接到所述第一热交换管的与对应的第一制冷剂室相同的部分。
附图简述
在所附权利要求书中具体指出并且明确要求保护被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征以及优点从结合附图进行的以下具体实施方式中显而易见，在附图中：
图1是常规蒸气压缩制冷系统的实例；
图2是根据本发明的实施方案的多束微通道热交换器的透视图；
图3是根据本发明的实施方案的多束微通道热交换器的第一管束的截面视图；
图4是根据本发明的实施方案的多束微通道热交换器的第二管束的截面视图；
图5是根据本发明的实施方案的多束微通道热交换器的热交换管的截面视图；
图6是根据本发明的实施方案的布置在多束微通道热交换器的入口歧管内的分配器插入件的截面视图；
图7是根据本发明的实施方案的多束微通道热交换器的中间歧管的截面视图；
图8是根据本发明的实施方案的多束微通道热交换器的另一个中间歧管的截面视图；以及
图9是根据本发明的实施方案的多束微通道热交换器的出口歧管的截面视图。
具体实施方式参考附图通过实例的方式来解释本发明的实施方案以及优点和特征。
具体实施方式
图1示出的基础制冷系统20包括压缩机22，所述压缩机22压缩制冷剂并且将所述制冷剂向下游递送到冷凝器(或气体冷却器)24。制冷剂从冷凝器24穿过膨胀装置26，进入通往蒸发器30的流体导管28中。制冷剂从蒸发器30返回到压缩机22，以使闭环制冷系统20完整。
现参照图2-9示出的实施方案，蒸发器30是多束微通道热交换器40。然而，其他类型的热交换器，例如像圆管和板翅式热交换器在本发明的范围内。如所描绘的，微通道热交换器40包括第一管束100和第二管束200，所述第二管束200被设置在第一管束100的后部(即相对于穿过热交换器40的气流A是处于下游)。在其他实施方案中，第二管束200可相对于气流A大体上被布置在上游。
图3中详细示出的第一管束100包括第一歧管102、与第一歧管102间隔开的第二歧管104和多个第一热交换管106，所述多个第一热交换管106大体上以间隔、平行关系在第一歧管102与第二歧管104之间延伸并且连接第一歧管102和第二歧管104形成流体连通。在示出的非限制性实施方案中，多个第一热交换管106被示出为布置成平行关系，在大体上水平延伸的第一歧管102与第二歧管104之间大体上垂直地延伸。图4中示出的第二管束200类似地包括第一歧管202、与第一歧管202间隔开的第二歧管204和多个第二热交换管206，所述多个第二热交换管206以间隔、平行关系在第一歧管202与第二歧管204之间延伸并且连接第一歧管202和第二歧管204形成流体连通。在示出的非限制性实施方案中，多个第二热交换管206被布置成平行关系，在水平延伸的第一歧管202与第二歧管204之间大体上垂直地延伸。应理解，热交换管和相应歧管的其他取向在本发明的范围内。此外，用于第一管束100和第二管束200的弯曲的热交换管和弯曲的歧管也在本发明的范围内。
在图中示出的实施方案中，歧管102、104、202、204包括具有圆形横截面的纵向伸长、大体中空的封闭端圆柱体。然而，具有其他构型(例如像半圆形、半椭圆形、正方形、矩形或其他横截面)的歧管102、104、202、204在本发明的范围内。设置在双束热交换器40的任一侧处的每组歧管102、202、104、204可包括独立的成对歧管或者可包括整体制造的歧管内的独立部分。
现参照图5，多个第一热交换管106和第二热交换管206中的每一个包括扁平的热交换管，所述扁平的热交换管具有前缘108、208、后缘110、210、第一侧112、212和第二相反侧114、214。热交换管106、206中的每一个的前缘108、208相对于穿过热交换器40的气流A是在其相应后缘110、210的上游。在示出的实施方案中，管106、206的相应前部和尾部是圆角，从而提供钝化的前缘108、208和后缘110、210。然而，应理解，第一管106和第二管206的相应前部和尾部可以其他构型而形成。
多个第一热交换管106和第二热交换管206中的每一个的内部流动通路可分别由内壁分成多个离散的流动通道120、220，所述多个离散的流动通道120、220从管106、206的入口端纵向延伸到出口端，并且建立第一管束100和第二管束200的相应歧管102、104、202、204之间的流体连通。在示出的非限制性实施方案中，第一管束100的热交换管106和第二管束200的热交换管206具有不同的深度，即在气流A的方向上的伸展。然而，应理解，第一热交换管106的深度可基本上与第二热交换管206的深度相同。另外，可将热交换管106、206的内部流动通路分成相同数量或不同数量的离散的流动通道120、220。这些流动通道120、220可具有圆形横截面、矩形横截面或其他形状的横截面。
第二管束200被设置在第一管束100的后部，以使得每个第二热交换管206与相应的第一热交换管106直接对齐。可替代地，第二管束200可被设置在第一管束100的后部，以使得第二热交换管206被相对于第一热交换管106设置成交错的构型。第二热交换管206的前缘208与第一热交换管106的后缘110间隔开期望的间隔G。在一个实施方案中，热交换管106、206可由腹板(未示出)连接，以减少热交换器40的装配复杂性。连接热交换管106和206的腹板可具有纵向方向上的切口，以阻止热交换管106与206之间的热传导并改善冷凝物排放。
管束100、200中的每一个另外包括设置在第一管束100和第二管束200的邻近管106、206之间的多个折叠翅片280。每个折叠翅片280可由例如以带状形式紧密折叠的单个连续翅片材料带形成，由此提供多个紧密间隔的翅片282，所述翅片282大体上正交于热交换管106、206延伸，如图5所示。流动通过管106、206的制冷剂R与流动通过翅片280的气流A之间的热交换分别在热交换管106、206的侧表面112、212、114、214处发生，从而共同形成初级换热表面，并且还通过翅片280的换热表面共同形成次级换热表面。在描绘的实施方案中，每个带状折叠翅片280的深度从第一管束100的前缘108延伸到第二管束200的后缘210。可替代地，第一折叠翅片280可在每个第一热交换管106的深度的至少一部分上延伸，并且独立的第二折叠翅片280可在每个第二热交换管206的深度的至少一部分上延伸。
示出的热交换器40具有横流布置，其中诸如图1所示的来自蒸气压缩制冷系统20的制冷剂通过与冷却介质(诸如周围空气)处于热交换关系中的热交换器40，从而在由箭头A指示的方向上流动通过热交换器40。空气横向通过第一管束100的第一热交换管106的侧112、114，并且随后横向通过第二管束200的第二热交换管206的侧212、214。在示出的实施方案中，制冷剂首先通过第一管束100的管106并且随后通过第二管束200的管206。然而，例如像其中制冷剂被配置成通过第二管束200并且随后通过第一管束100的其他构型在本发明的范围内。
在示出的实施方案中，第一管束100和第二管束200两者都具有单程制冷剂配置。制冷剂通过至少一个制冷剂入口42从制冷回路20进入第一管束100的第一歧管102中。制冷剂从被构造来用作入口歧管的第一歧管102通过多个第一热交换管106到第二歧管104。制冷剂随后在流动通过多个第二热交换管206到第一歧管202之前进入第二管束200的第二歧管204中，所述第二歧管204被流体联接到第一管束100的第二歧管104，其中制冷剂通过至少一个制冷剂出口44而提供回制冷回路20。第二管束200的第一歧管202被构造来用作热交换器40的出口歧管。
在示出的实施方案中，相邻的第二歧管104、204以流体流动连通方式连接以使得制冷剂可从第一管束100的第二歧管104的内部流动到第二管束200的第二歧管204中。在一个实施方案中，第一管束100和第二管束200可硬钎焊在一起以形成带有跨越管束100、200两者的单个翅片280的整体单元，这有助于热交换器40的操作和安装。然而，第一管束100和第二管束200可被装配成独立板块并且随后硬钎焊在一起成为复合热交换器40。
现参照图6，纵向伸长的分配器插入件300被大体上平行布置在热交换器40的中空入口歧管的内部体积内，例如像第一管束100的第一歧管102。分配器插入件300可具有圆形、椭圆形、矩形或其他形状的横截面。分配器插入件300的第一端302被流体联接到蒸气制冷剂回路20(图1)，以使得来自膨胀装置26上游的制冷剂被配置成直接流入分配器插入件300中。分配器插入件300在入口歧管102的长度的至少一部分上延伸。在示出的非限制性实施方案中，分配器插入件300在入口歧管102的长度的大部分上延伸。在一个实施方案中，分配器插入件300在歧管102内是居中的，然而插入件300偏离中心的实施方案(例如像朝向与热交换管106对置的歧管的壁偏斜)也在本发明的范围内。
多个制冷剂分配孔310形成于分配器插入件300的一个或多个壁304中，以提供从分配器插入件300的内腔306到入口歧管102的中空内部131中的制冷剂路径。分配孔310的尺寸较小并且可以是任何形状，例如像圆形、矩形、椭圆形或者任何其他形状。分配孔310可成簇地形成或者可替代地可成行地形成，在分配器插入件300的长度上纵向延伸。在一个实施方案中，分配孔310被围绕分配器插入件300的周向布置，例如像以等距间隔构型来布置。可替代地，分配孔310可具有在分配器300的长度上的可变间距，以适应沿着分配器插入件300流动的制冷剂的空隙率的差异。
分配器插入件300包括至少一个第一分隔元件320，所述至少一个第一分隔元件320位于所述分配器插入件300的外围上并且刚性地附接到分配器插入件300的外壁304、歧管102的内壁或两者。第一分隔元件320可以具有任何形状和形式，例如像平板，只要分隔元件320不阻碍制冷剂从分配器插入件300流入热交换管106中。在另一个实施方案中，分隔元件320可具有切口。分隔元件可机械地(例如，卡入分配器插入件300的外壁上制造的小凹槽中的位置中)或者通过硬钎焊、焊接或软钎焊而附接到分配器插入件300和歧管的内壁。
当分配器插入件300定位在入口歧管102的内部体积131内时，第一分隔元件320在入口歧管102内形成多个独立的第一制冷剂室322。每个第一室322被构造来将制冷剂向下游连通到被联接到入口歧管102的至少一个第一热交换管106。通常，每个第一制冷剂室322被流体连接到一个或多个分配孔310和若干个热交换管106。在一个实施方案中，每个第一制冷剂室322被流体联接到十个与十五个之间的第一热交换管106。
如先前所提及的，多个小的制冷剂分配孔310被构造来引导制冷剂从分配器插入件300进入由入口歧管102的腔131内的分配器插入件300的邻近的第一分隔元件320所限定的多个第一室322中。第一分隔元件320之间的距离可以是一致的或者可以被调整来控制与任何特定组的热交换管106相关联的第一制冷剂室322的尺寸。第一分隔元件320之间的距离可因热交换管106的簇不同而变化，或者在更极端的情况下，因热交换管106的不同而变化。入口歧管102的第一室322的尺寸可沿着歧管102的纵向轴线是一致的，或者例如可从歧管入口端135到歧管的远端137而减小，其中制冷剂速度和制冷剂空隙率被期望是更低的。第一分隔元件320之间的室322的具体构型和尺寸可取决于具体应用的操作参数。
第一分隔元件320的外周边被紧紧地接收在入口歧管102的内壁133内。类似地，第一分隔元件320的内周边被紧密地接收在插入件300的外壁304上。以这种方式，邻近的第一分离室322彼此隔离，从而防止制冷剂从一个第一制冷剂室322迁移到另一个制冷剂室。因此，可控制流入热交换管106的制冷剂的总体特性，以使得最小化或消除相分离和/或制冷剂迁移的影响。
分配器插入件300接收来自流体导管26的两相制冷剂并且将此制冷剂通过多个小分配孔310递送到热交换器入口歧管102中，所述热交换器入口歧管102已由分配器插入件300的第一分隔元件320分成多个第一室322。分配器插入件300的相对较小的尺寸为制冷剂流动提供显著的动量，从而防止两相制冷剂的相分离。多个分配孔310将两相制冷剂均匀地引导到由分配器插入件300的间隔开的第一分隔元件320所限定的歧管102的多个第一室322中。由于第一制冷剂室322的尺寸相对较小，制冷剂液体和蒸气相不具有分离的条件和时间。带有多个分配孔310和第一分隔元件320的分配器插入件300防止制冷剂分布不均，并且确保热交换管106中的均匀的制冷剂分布。
现参照图7和图8，多个第二分隔元件330被布置在热交换器的中间歧管的中空内部体积151内，例如像第一管束100的第二歧管104。第二分隔元件的外周边被紧紧地接收在第二歧管104的内壁153内，以在第二歧管104内形成多个独立的第二制冷剂室332。在一个实施方案中，第二分隔元件330被定位在第二歧管104的内腔151内，以使得第二制冷剂室332在尺寸和位置方面基本上与第一制冷剂室322相同。因此，每个第二制冷剂室332被流体联接到与对应的第一制冷剂室322相同的第一热交换管106。多个第二制冷剂室332中的每一个可再分成一个或多个子室334，每个子室334被流体联接到第一热交换管106的被连接到第二制冷剂室322的一部分。可替代地，两个第一制冷剂室322可通过去除它们之间的分隔元件330而组合到单个第二制冷剂室332中。
多个第三分隔元件340被布置在热交换器的另一个中间歧管的中空内部体积251内，例如像第二管束200的被流体联接到第一管束100的第二歧管104的第二歧管204。第三分隔元件340的外周边被紧紧地接收在第二歧管204的内壁253内，以在歧管204内形成多个第三制冷剂室342。在一个实施方案中，第三分隔元件340被定位在第二歧管204的内腔251内，以使得第三制冷剂室342基本上与第二制冷剂室332相同。在单独地形成第一管束100的第二歧管104和第二管束200的第二歧管204的实施方案(图7)中，每个第二室332被通过一个或多个外部流体导管344流体联接到第三室332中的一个。在整体形成第二歧管104、204的实施方案(图8)中，一个或多个开口346可形成于壁348中、在歧管104、204的每个对应的第二室332与第三室342之间延伸。通过以与入口歧管102基本上相同的方式来对中间歧管104、204分区，在每个室322、332、342内流动的制冷剂没有机会被重新分布或者跨越到热交换器40的其他区段。
现参照图9，出口歧管不需要任何分隔元件350，然而包括此类分隔元件350可通过流线化制冷剂出口状态来改善整体的制冷剂分布。在示出的非限制性实施方案中，一个或多个第四分隔元件350被布置在热交换器的出口歧管的中空内部231内，例如像第二管束200的第一歧管202。第四分隔元件350的外周边被紧紧地接收在出口歧管202的内壁233内以在第一歧管的内腔内形成多个第四制冷剂室352。第四分隔元件350可定位在出口歧管202内，以使得第四室352与形成在入口歧管102中的第一室322以及形成在中间歧管104、204中的第二室332和第三室342基本上相同。可替代地，第四分隔元件350可布置在不同的位置处，以使得联接到一个或多个第四室352的热交换管206不同于对应的第三室342。多个第四制冷剂室352中的每一个可再分成一个或多个子室，每个子室被流体联接到第二热交换管206的被连接到第三制冷剂室342的一部分。可替代地，两个第三制冷剂室342可通过去除它们之间的分隔元件350而组合到第四制冷剂室352中。
通过使用具有分配器插入件300和多个分隔元件320、330、340、350的多板微通道热交换器40作为制冷系统20中的蒸发器30，由制冷系统供应的空气温度更均匀。包括分配器插入件和分隔元件改善了通过热交换器的制冷剂分布，并且此外减少了制造复杂性。
虽然本发明已参照如在所述图中所示的示例性实施方案进行了具体展示和描述，但本领域技术人员将认识到，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。因此，旨在本公开不限于所公开的一个或多个特定实施方案，而是本公开将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。具体地，类似原理和比率可扩展到屋顶应用和立式封装单元。

Claims (14)

1.一种热交换器，其包括：
第一管束，所述第一管束包括入口歧管和布置成间隔、平行关系的多个第一热交换管；
第二管束，所述第二管束包括出口歧管和布置成间隔、平行关系的多个第二热交换管；
中间歧管，所述中间歧管被构造成流体联接到所述第一管束和所述第二管束；
分配器插入件，所述分配器插入件被布置在所述入口歧管内，所述分配器插入件包括被构造来限定所述入口歧管内的多个第一制冷剂室的至少一个第一分隔元件；以及
至少一个第二分隔元件，所述至少一个第二分隔元件被布置在所述中间歧管内并且被构造来在其中限定多个第二制冷剂室，其中每个第二分隔元件被布置在基本上与对应的第一分隔元件相同的位置处，以使得每个第二制冷剂室被流体联接到第一热交换管的与对应的第一制冷剂室相同的部分。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述第一制冷剂室中的每一个的尺寸基本上相同。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述多个第一制冷剂室的尺寸不同。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述分配器插入件包括多个制冷剂分配孔，所述多个制冷剂分配孔被构造来提供从所述分配器插入件的内腔到所述多个第一制冷剂室中的每一个的制冷剂流动路径。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述多个制冷剂分配孔被在所述分配器插入件的长度上成簇地布置。
6.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述多个制冷剂分配孔被成行地布置、围绕所述分配器插入件的周向布置。
7.根据权利要求4所述的热交换器，其中所述多个制冷剂分配孔针对各种第一制冷剂室是不同的。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其中所述中间歧管包括被流体联接到第二歧管的第一歧管。
9.根据权利要求7所述的热交换器，其中所述中间歧管还包括被构造来限定多个第三制冷剂室的至少一个第三分隔元件，所述至少一个第二分隔元件被定位在所述第一歧管内并且所述至少一个第三分隔元件被布置在所述第二歧管内。
10.根据权利要求8所述的热交换器，其中所述至少一个第三分隔元件位于所述第二歧管内、与所述第一歧管内对应的第二分隔元件基本上相同的位置处。
11.根据权利要求9所述的热交换器，其中被构造来限定多个第四制冷剂室的至少一个第四分隔元件被布置在所述出口歧管内。
12.根据权利要求10所述的热交换器，其中所述至少一个第四分隔元件被布置在所述出口歧管内、与所述第二歧管内对应的第三分隔元件基本上相同的位置处。
13.根据权利要求10所述的热交换器，其中所述至少一个第四分隔元件被布置在所述出口歧管内、与所述第二歧管内对应的第三分隔元件不同的位置处。
14.根据权利要求1所述的热交换器，其中多个折叠翅片被定位在所述第一管束的所述第一热交换管与所述第二管束的所述第二热交换管之间。
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