CN107110568A - 多通路多板片折叠式微通道换热器 - Google Patents

多通路多板片折叠式微通道换热器 Download PDF

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Abstract

本文提供一种换热器，其包括彼此分开的第一歧管和第二歧管。成平行相隔关系布置的多个管段流体耦接到所述第一和所述第二歧管。所述多个管段包括界定第一板片和第二板片的弯曲部。所述第二板片布置成与所述第一板片成一定角度。所述换热器具有相对于空气流的多通路配置，其包含至少第一通路和第二通路。所述第一通路具有第一流动取向以及所述第二通路具有第二流动取向。所述第二流动取向不同于所述第一流动取向。

Description

多通路多板片折叠式微通道换热器
背景技术
本发明一般涉及热泵和制冷应用，以及更具体地涉及为热泵或制冷系统中使用而配置的微通道热换热器。
取暖、通风、空气调节和制冷(HVAC&R)系统包括换热器，其用于拒绝或接受系统内与周边环境循环的制冷剂之间的热。一种类型的换热器因为其结构紧凑、重量更低、构造刚性以及性能优越而变得越来越普及，这是微通道或微型通道换热器。与常规板翅式换热器相比，微通道换热器还更为环境友好，因为它们采用制冷剂充注量更少，其典型地是含高GWP(全球暖化潜能)的合成流体。微通道换热器包括两个或更多个密闭形状，如管，冷却或加热流体(即，制冷剂或乙二醇溶液)流经其中循环。这些管典型地具有扁平横截面和多个平行流通道。翅片典型地布置成在这些管之间延伸以增进加热/冷却流体与周边环境之间的高效热能交换。翅片具有瓦楞形一体式散热孔以便进一步增强热传递，以及典型地通过保护气体钎焊固定于管上。
在热泵和制冷应用中，当利用微通道换热器来作为蒸发器时，为冷却而提供到换热器的空气流中存在的水气可能冷凝，然后冻结在换热器外表面上。所形成的冰霜可能阻碍空气流经换热器，从而降低换热器和HVAC&R系统的效率和性能。微通道换热器往往冻结得比圆管和板翅换热器更快，并且因此需要更频繁地除霜，从而减小换热器有效利用时间和整体性能。因此，所期望的是构造改善了抗霜性和增强了性能的微通道换热器。
发明内容
根据本发明的一个实施方案，提供一种换热器，其包括彼此分开的第一歧管和第二歧管。成平行相隔关系布置的多个管段流体耦接到所述第一和所述第二歧管。所述多个管段包括界定第一板片和第二板片的弯曲部。所述第二板片布置成与所述第一板片成一定角度。所述换热器具有相对于空气流的多通路配置，其包含至少第一通路和第二通路。所述第一通路具有第一流动取向以及所述第二通路具有第二流动取向。所述第二流动取向不同于所述第一流动取向。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述第一通路具有交叉平行流动取向。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述第二通路具有交叉平行流动取向。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述多个管段的第一部分形成所述第一通路以及所述多个管段的第二部分形成所述第二通路。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，选择所述第一通路和所述第二通路的每一个内布置的管段的数量以便减少所述换热器上霜冻的形成。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述第二部分具有比所述第一部分更多数量的管段。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述第一部分与所述第二部分中的管段比是20∶80。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述第一部分与所述第二部分中的管段比是40∶60。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，在所述第一歧管内布置分隔器以便界定第一分段和第二分段。所述第一分段流体耦接到所述多个管段的所述第一部分，以及所述第二分段流体耦接到所述多个管段的所述第二部分。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，在所述第一歧管的所述第一分段内布置分配器。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，在所述第一通路和所述第二通路之间提供分配器。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述弯曲部围绕着与所述多个管段的纵轴垂直布置的轴形成。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，每个管段的弯曲部包括带状褶皱。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，其中所述第二板片与所述第一板片之间的角度是约180度。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述多个管段中每一个是其中形成有多个离散流通道的微通道管。
提供一种换热器，其包括彼此分开的第一歧管和第二歧管。成平行相隔关系布置的多个管段流体耦接到所述第一和所述第二歧管。所述多个管段包括界定第一板片和第二板片的弯曲部。所述第二板片布置成与所述第一板片成一定角度。所述换热器具有相对于空气流的多通路配置，其包含至少第一通路和第二通路。所述换热器的入口和所述换热器的出口均在所述第一板片上形成。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述多个管段的第一部分形成所述第一通路以及所述多个管段的第二部分形成所述第二通路。所述第一部分具有比所述第二部分少的管段。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，所述多个管段中每一个是其中形成有多个离散流通道的微通道管。
作为上文描述的一个或多个特征的补充，或作为备选，在又一些实施方案中，在邻近所述换热器的每个通路的入口处布置分配器。
附图说明
具体阐述视为本发明的发明主题，并在本说明书中的结论部分中对其明确地要求权利。根据下文结合附图进行的具体实施方式，本发明的前述和其他特征和优点是显而易见的，其中：
图1是制冷系统的蒸气制冷循环的一个示例的示意图；
图2是根据本发明实施方案的微通道换热器在弯曲作业之前的侧视图；
图3是根据本发明实施方案的微通道换热器的管段的剖面图；
图4是根据本发明实施方案的微通道换热器的透视图；
图5是根据本发明实施方案的微通道换热器的前视图；
图6是根据本发明实施方案的微通道换热器的侧视图；
图7是根据本发明又一个实施方案的微通道换热器的透视图；以及
图7a是根据本发明又一个实施方案的图6中沿X-X截取的微通道换热器的剖面图；以及
图7b是根据本发明又一个实施方案的图6中沿Y-Y截取的微通道换热器的剖面图。
该具体实施方式通过举例的方式参考附图解释了本发明的实施方案，连同优点和特征。
具体实施方式
现在参考图1，其中示意形式图示空气调节或制冷系统的蒸气压缩制冷循环20。示范性空气调节或制冷系统包括但不限于，例如，分体式、组装式、制冷机、屋顶式、超市和运输制冷系统。制冷剂R配置成经由蒸气压缩循环20循环，以使制冷剂R在低温和低压下蒸发时吸收热以及在较高温度和压力下冷凝时释放热。
在此循环20内，制冷剂R按箭头所指的逆时针方向流动。压缩机22从蒸发器24接收制冷剂蒸气并将其压缩到更高温度和压力，其中相对较热的蒸气则通过冷凝器26，在冷凝器26中，通过与如空气的冷却介质(未示出)进行热交换的关系而被冷却并凝结成液态。液态制冷剂R然后从冷凝器26行进到膨胀装置28，在膨胀装置28中，制冷剂R随着其通过蒸发器24而膨胀到较低温度液态/气态双相。低压蒸气然后返回到压缩器22，在压缩器22中，重复该循环。本文描述的蒸气压缩循环20是以加热模式工作的热泵循环。因此，循环20的户外盘管配置为蒸发器24以及户内盘管配置为冷凝器。当配置为热泵时，蒸气压缩循环附加地包括相对于其制冷剂流路设在压缩机22下游的四通阀29以便在冷却与加热工作模式之间进行切换，该制冷剂流路与流经循环20的制冷剂流路的方向相反。应该认识到图1所示的制冷循环20是HVAC&R系统的一个简化表示，并且可以在图示中包含本领域中公知的许多增强和特征。
现在参考图2，其中更详细地图示为在蒸气压缩系统20中使用而配置的换热器30的示例。换热器30可以用作蒸气压缩系统20中的冷凝器24或蒸发器28。换热器30包括至少第一歧管或集管32、与第一歧管32间隔开的第二歧管或集管34，以及以平行相隔关系在第一歧管32和第二歧管34之间延伸且连接第一歧管32和第二歧管34的多个管段36。在图示非限制性实施方案中，第一集管32和第二集管34大致水平朝向，以及换热管段36在两个集管32、34之间大致垂直地延伸。但是，其他配置，如第一和第二集管32、34大致垂直布置的配置也在本发明的范围内。
现在参考图3，其中图示换热管段36的横截面的示例。管段36包括扁平微通道换热管，其具有前边缘40、后边缘42、第一表面44和第二表面46。每个换热管36的前边缘40相对于通过换热器36的空气流A位于其相应后边缘42的上游。每个换热管段36的内部流通路可以被内壁分隔成多个离散流通道48，多个离散流通道48沿着管36长度从入口端延伸到出口端并建立相应第一歧管32与第二歧管34之间的流体连通。流通道48可以具有圆形横截面、矩形横截面、梯形横截面、三角形横截面或另一种非圆形横截面。包含离散流通道48的换热管36可以使用公知的技术和材料来形成，包括但不限于，挤压或折叠。
本文公开的换热管段36还包括多个翅片50。在一个实施方案中，每个翅片50由按带状蛇形紧凑折叠的单个连续翅片条材料形成，从而提供多个紧密间隔的翅片，这些翅片与压扁的换热管段36大致垂直地延伸。换热管段36内的一个或多个流体与空气流A之间的热交换通过换热管段36的外表面44、46来进行以及还通过翅片50的热交换表面进行，换热管段36的外表面44、46统一地形成主热交换表面，翅片50的热交换表面形成辅助热交换表面。
换热器30具有相对于空气流A的多通路配置。为了实现多通路配置，在图4-6所示的一个实施方案中，通过在换热器30的每个管段36中形成至少弯曲部60来实现该多通路配置。弯曲部60围绕着大致垂直于管段36的纵轴延伸的轴而形成。在图示的实施方案中，弯曲部60是带状褶皱(参见图6)，该带状褶皱通过绕着芯轴(未示出)弯折并扭曲换热管段36来形成，但是其他类型的弯曲部也在本发明的范围内。在一个实施方案中，可以在沿着多个换热管段36的长度的多个不同位置处形成多个弯曲部60。
弯曲部60至少部分地界定多个管段36中每一个的第一分段62和第二分段64，其中在该弯曲部配置中，第一分段62形成换热器30相对于空气流A的第一板片66，以及第二分段64形成换热器30相对于空气流A的第二板片68。在图示的非限制性实施方案中，弯曲部60在管段36介于对置的第一和第二歧管32、34之间的大约中点处形成，以使第一和第二分段62、64在尺寸上大致相等。但是，第一分段62与第二分段64在长度上显著不同的其他实施方案也在本发明的范围内。
如图所示，可以形成换热器30使得第一板片66定位成相对于第二板片68成钝角。备选地或附加地，还可以形成换热器30使得第一板片66布置成与第二板片68成锐角或大致平行(图5)。由于第一和第二板片66、68之间的弯曲部60，换热器30可以形成为具有常规A盘管或V盘管形状。通过弯折管段36形成换热器30使得换热器30具有减小的弯曲半径，例如在按180°弯折配置时。因此，换热器30可以调适成贴合在现有空气调节和制冷系统界定的尺寸封装内。
再次参考图2，多个第一翅片50a从第一板片66延伸以及多个第二翅片50b从换热器30的板片68延伸。在通过弯折多个管段36形成换热器30的实施方案中，每个管段36的弯曲部分60未布置翅片。第一翅片50a和第二翅片50b可以大致完全相同或备选地可以在尺寸、形状和密度上有所不同。
配置为热泵的蒸发器的常规换热器典型地具有平行流动配置以便实现预期的效率。但是，平行流动取向导致微通道换热器中抗霜性差。换热器30可以具有多种多通路配置的任何一种，使得制冷剂以例如平行流动取向、交叉流动取向和逆流动取向中一种或多种行进通过换热器30。在一个实施方案中，分隔器38可以布置在第一和第二集管32、34的其中之一或二者内，以便增大通行次数，并且因此增大流动路径在换热器30内的长度。
在图7所示的实施方案中，分隔器38布置在第一集管32内以便形成第一分段32a和第二分段32b。由此，提供到第一集管32的入口(未示出)的制冷剂仅配置成流经流体连接到第一分段32a的管段36的部分36a。在行进通过管段36的第一部分36a之后，制冷剂被接收在第二集管34中。在第二集管34内，制冷剂从管段36的第一部分36a离开，流向管段36的相邻第二部分36b。第二部分36b可以包括与第一部分36a相同数量或不同数量的管段36。在一个实施方案中，第一部分36a中与第二部分36b中的管段比是20∶80，或备选地40∶60。
第二集管34可以相似地包括分隔器38以便界定其流体耦接的第一和第二分段34a、34b。制冷剂配置成从从第二集管34流出，流经流体连接到第一集管32的第二分段32b的管段36的第二部分36b，并且流到其中形成的出口(未示出)。穿过图示换热器30的包括换热器管段36的两个不同部分，换热器30具有管段36中形成穿过换热器30的离散通路的任何数量的部分，这均在本发明的范围内。
将制冷剂均匀地分布在集管，如集管32或34或中间集管是微通道换热器的共有问题。均匀地分布制冷剂对于小歧管长度一般是容易的，但是随着歧管长度增加，异常分布成为更显著的问题。
本文公开的换热器30由于利用分隔器38将第一和第二集管32、34的至少其中之一分区而使得制冷剂分布得以改善。由此，缩短了其中必须将制冷剂均匀分布的歧管的长度。此外，由于将换热器30弯折，无需中间集管，并因此消除了与此类集管关联的分布问题。在一个实施方案中，纵向细长的分配器管芯70，正如本领域中公知的，可以布置在换热器30的第一集管32或第二集管34的多个分段的其中一个或多个内。分配器管芯70布置在集管的内部容积内的大致中心且配置成将制冷剂流均匀地分布在多个与之流体耦接的换热器管36之间。在图示的非限制性实施方案中，第一分配器管芯70布置在集管32的第一分段32a内。布置在第一集管30的第一分段32内的分配器管芯70一般贯穿分段32的一部分或全长，以使提供到其中的制冷剂将被更均匀地分布在第一分段32的长度上，从而改善换热器30的热传递。备选地或附加地，另一个分配器70可以类似地定位于第二集管34的第二分段34b内。
因为空气流A的方向相对于管段36的第一和第二部分36a、36b是相同的，所以这些部分每个内的制冷剂具有流动取向。例如，在图示的非限制性实施方案中，空气A从第一集管32流向第二集管34。通过将制冷剂提供到第一集管32的第一分段32a的入口，流经管段36的第一部分36a的制冷剂，如图7a所示，具有交叉平行流动取向。此外，流经管段36的第二部分36b的制冷剂，如图7b所示，具有交叉逆向流动取向。
在具有平行流动配置的常规换热器中，两相制冷剂进入以低蒸气质量进入第一分段32，其中它配置成从空气A吸收热并开始沸腾。因为在恒定温度发生沸腾，所以空气与制冷剂之间的温差随着空气流经换热器30而逐渐减小，从而减少尤其发生在下游板片68中的热交换。这种行为降低换热器的整体有效性，并且还导致更低的蒸发温度，这对于系统效率和抗霜性均是不利的。
通过将配置为蒸发器的换热器30的多个换热管段36分成第一部分36a和第二部分36b以形成两个顺序通路，部分蒸发的制冷剂从第一通路提供到第二通路。在第二通路中，制冷剂充分地沸腾，并且过热蒸气离开换热器30的上游面。通过将第二通路配置成让制冷剂流与空气流A交叉逆向相对，空气与制冷剂之间的温差更为有利。此外，换热器30的上游面上存在过热蒸气防止了过多霜积累并提高了抗霜性。
具有多通路多板片折叠式构造的换热器30能够优化制冷剂压降，从而提高性能。因为制冷剂流经换热管段36，所以蒸气质量持续提高，促使容积流量增大以及由此促成压降提高。通过随着制冷剂从一个通路移动到另一个通路分配逐渐更大的内部流动区域，较之常规换热器，大大地提高压降性能是可能的。换热器30的工作效率提高可以让期望应用所需的换热器30的尺寸得以缩小。备选地，其他系统组件，例如压缩机的尺寸可以被缩小，由此促成甚至更高的蒸气温度以及进一步缩短除霜周期，以及提升了系统性能。
虽然本发明是参考附图所示的示范性实施方案来具体示出和描述的，但是本领域技术人员应认识到，在不背离本发明精神和范围的前提下可以进行多种修改。因此，本发明理应不限于所披露的具体实施方案，而是本发明将包含落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。具体地，相似的原理和比例可以延伸到屋顶应用和垂直组合式单元。

Claims (19)

1.一种换热器，其包括：
第一歧管；
与所述第一歧管分开的第二歧管；
多个管段，所述多个管段成平行相隔关系布置且流体耦接到所述第一歧管和所述第二歧管，所述多个管段包括弯曲部，所述弯曲部界定第一板片和第二板片，所述第二板片布置为与所述第一板片成一定角度；
其中所述换热器具有相对于空气流的多通路配置，其包含至少第一通路和第二通路，所述第一通路具有第一流动取向以及所述第二通路具有第二流动取向，所述第二流动取向不同于所述第一流动取向。
2.如权利要求1所述的换热器，其中所述第一通路具有交叉平行流动取向。
3.如权利要求2所述的换热器，其中所述第二通路具有交叉逆向流动取向。
4.如权利要求1所述的换热器，其中所述多个管段的第一部分形成所述第一通路以及所述多个管段的第二部分形成所述第二通路。
5.如权利要求4所述的换热器，其中选择所述第一通路和所述第二通路的每一个内布置的管段的数量以减少所述换热器上霜冻的形成。
6.如权利要求4所述的换热器，其中所述第二部分具有比所述第一部分更多数量的管段。
7.如权利要求6所述的换热器，其中所述第一部分与所述第二部分中的管段比是20∶80。
8.如权利要求6所述的换热器，其中所述第一部分与所述第二部分中的管段比是40∶60。
9.如权利要求4所述的换热器，其中在所述第一歧管内布置分隔器以便界定第一分段和第二分段，所述第一分段流体耦接到所述多个管段的所述第一部分，以及所述第二分段流体耦接到所述多个管段的所述第二部分。
10.如权利要求9所述的换热器，其中在所述第一歧管的所述第一分段内布置分配器。
11.如权利要求9所述的换热器，其中在所述第一通路和所述第二通路之间提供分配器。
12.如权利要求1所述的换热器，其中所述弯曲部围绕着与所述多个管段的纵轴垂直布置的轴形成。
13.如权利要求1所述的换热器，其中每个管段的弯曲部包括带状褶皱。
14.如权利要求1所述的换热器，其中所述第二板片与所述第一板片之间的角度是约180度。
15.如权利要求1所述的换热器，其中所述多个管段中每一个是其中形成有多个离散流通道的微通道管。
16.一种换热器，其包括：
第一歧管；
与所述第一歧管分开的第二歧管；
多个管段，所述多个管段成平行相隔关系布置且流体耦接到所述第一歧管和所述第二歧管，所述多个管段包括弯曲部，所述弯曲部界定第一板片和第二板片，所述第二板片布置为与所述第一板片成一定角度；
其中所述换热器具有有关空气流的多通路配置，其包括至少第一通路和第二通路，所述换热器的入口和所述换热器的出口均在所述第一板片上形成。
17.如权利要求16所述的换热器，其中所述多个管段的第一部分形成所述第一通路以及所述多个管段的第二部分形成所述第二通路，所述第一部分具有比所述第二部分少的管段。
18.如权利要求16所述的换热器，其中所述多个管段中每一个是其中形成有多个离散流通道的微通道管。
19.如权利要求16所述的换热器，其中在邻近所述换热器的每个通路的入口处布置分配器。
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