CN107923712A - 微通道换热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种换热器，其包括：第一歧管，与所述第一歧管分离的第二歧管，以及以间隔平行的关系布置且流体耦接所述第一歧管和所述第二歧管的多个换热管段。所述多个换热管段包括形成第一管束和第二管束的折叠部，所述第一管束和所述第二管束沿着所述多个换热管段的长度的至少一部分呈彼此基本上平行的关系。所述第一管束和所述第二管束被构造用于第一传热流体依序流过其中。
Description
发明背景
本公开总体涉及热泵和制冷应用，并且更具体地涉及被构造用于热泵或制冷系统中的微通道换热器。
加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)系统包括换热器，以在系统内循环的制冷剂和周围环境之间传递热量。近年来，很多兴趣和设计工作聚焦于制冷系统的换热器尤其是冷凝器和蒸发器的高效运行。换热器技术的相对较新的进步包括作为冷凝器和蒸发器的并流(也称为微通道或微型通道)换热器的开发和应用。
微通道换热器设置有多个平行的换热管，每个换热管具有多个流动通道，制冷剂通过所述多个流动通道以并行的方式分配和流动。换热管可以基本上垂直于与换热管流动连通的入口、中间和出口歧管中的制冷剂流动方向来取向。
发明概要
根据一个实施方案，提供一种换热器，其包括：第一歧管，与所述第一歧管分离的第二歧管，以及以间隔平行的关系布置且流体耦接所述第一歧管和所述第二歧管的多个换热管段。所述多个换热管段包括形成第一管束和第二管束的折叠部，所述第一管束和所述第二管束沿着所述多个换热管段的长度的至少一部分呈彼此基本上平行的关系。所述第一管束和所述第二管束被构造用于第一传热流体依序流过其中。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中还包括在所述第一管束、所述第二管束或包括前述中的至少一个的组合中形成的弯曲部。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述多个换热管段是其中形成有多个分立的流动通道的微通道管。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，多个翅片从所述换热管段的至少一部分延伸。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述换热器被构造用于第二传热流体依序流过所述第一管束，接着流过所述第二管束。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述流体是被配置用于超过750psig压力下的高压制冷剂。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述换热器包括限定三个管束的两个折叠部。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述第二管束和所述第三管束沿着所述第一传热流体的流动路径长度的一部分呈基本上平行的关系。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述第一热传递的所述流动路径包括相对于第二传热流体的多个通路。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述管段还包括从所述管段的前缘到后缘测量的管深度并且其中所述管深度小于14毫米。
根据另一个实施方案，提供一种制造换热器的方法，其包括：形成多个换热管段，并且折叠所述多个换热管段以限定第一管束和第二管束，其中所述第一管束的第一中心线和所述第二管束的第二中心线呈基本上平行的关系。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，在所述多个换热器管段中形成弯曲部。所述弯曲部具有不同于180°的角度，使得所述换热器具有非线性构造。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述多个换热管段的所述折叠围绕布置成垂直于所述多个换热管段的纵向轴线的轴线发生。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，形成所述多个换热管段包括挤出所述多个换热管段。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述多个换热管段是其中形成有多个分立的流动通道的微通道管。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，多个翅片从所述换热管段的至少一部分延伸。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中还包括将多个翅片安装到所述换热管段的至少一部分上。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，将第一歧管附接到所述多个换热管段的第一端并且将第二歧管附接到所述多个换热管段的第二相对端。
除了上述特征中的一个或多个特征以外或作为替代方案，在另外的实施方案中，所述第一歧管和所述第二歧管被构造成与超过750psig的高压制冷剂一起使用。
附图简述
在随附于说明书的权利要求书中具体指出并明确要求本公开的主题。本公开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是制冷系统的蒸气制冷循环的示例的示意图。
图2是弯曲操作前的微通道换热器的侧视图。
图3是微通道换热器的管段的横截面图。
图4是具有两个管束的折叠式微通道换热器的示意性顶视图。
图5是微通道换热器的示意性顶视图。
具体实施方式通过参考附图举例的方式说明本公开以及优点和特征。
具体实施方式
现在参考图1，示意性示出了空调或制冷系统的蒸气压缩制冷剂循环20。示例性空调或制冷系统包括但不限于，例如，分离式、柜式、冷却机式、屋顶式、超市型和运输制冷系统等。制冷剂R被配置来循环通过蒸气压缩循环20，使得制冷剂R在低温和低压下蒸发时吸收热量并且在更高温度和压力下冷凝时释放热量。在此循环20内，制冷剂R沿如箭头所指示的逆时针方向流动。压缩机22从蒸发器24接收制冷剂蒸气并且将其压缩到更高的温度和压力，其中相对热的蒸气然后传递到冷凝器26，在这里通过与冷却介质(未示出，诸如空气)的热交换关系被冷却和冷凝到液体状态。液体制冷剂R然后从冷凝器26传递到膨胀装置28，其中制冷剂R在传递到蒸发器24时会膨胀为低温两相的液体/蒸气状态。低压蒸气然后返回到压缩机22，在压缩机22中重复所述循环。必须理解，图1中所描绘的制冷循环20是HVAC&R系统的简化表示，并且所述示意图中可包括本领域中已知的许多增强和特征。具体来说，热泵制冷剂循环可包括用于在整个制冷剂循环中反转制冷剂流动方向的机构(未示出)(例如，包括四通阀、三通管、截止阀、双向阀、三通阀、可逆压缩机、单独的反向压缩机或包括前述中的至少一个的组合等)，以在待调节环境的冷却和加热操作模式之间切换。
现在参考图2，更详细示出了被构造用于蒸气压缩系统20中的换热器30的示例。换热器30可在蒸气压缩系统20中用作冷凝器24或蒸发器28。换热器30至少包括：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；以及多个管段36，所述多个管段36以间隔平行的关系在第一歧管32和第二歧管34之间延伸并且连接第一歧管32和第二歧管34。在示出的非限制性实施方案中，第一集管32和第二集管34大体上竖直取向，并且换热管段36在两个集管32、34之间大体上水平延伸。然而，其他构造也在本发明的范围内，诸如其中第一和第二集管32、34基本上水平布置的构造。
图3示出了多个换热器管段36的一部分的横截面图。换热器管段36可包括任意横截面形状。例如，换热器管段36的横截面形状可以包括圆形、椭圆形、具有直的和/或弯曲的侧面的多边形，诸如图3所示的圆角矩形形状。管段36可以具有前缘38、后缘40、第一侧42和第二相对侧44。换热管36的前缘38相对于穿过换热器30的第二传热流体A(例如，空气、氮气等)的流动而言在其相应的后缘40的上游。管段36的相应的前缘和后缘可以被倒圆，由此提供钝的前缘38和钝的后缘40。然而，应该理解的是，管段36的相应的前缘和后缘可以以其他构造(例如，发散的、会聚的、椭圆形的、翼型的、具有直的或弯曲的侧面的多边形等)形成。管段36可以具有被定义为前缘38和后缘40之间的距离的任意合适的管深度T(图3)。例如，管深度T可以小于16毫米(mm)，例如小于14mm、或6mm至14mm、或8mm至12mm、或10mm。
本文示出和描述的换热器管段36仅意图作为示例，并且具有其他结构的管段36在本公开的范围内。例如，如在2012年9月25日提交的申请序列号14/351,235和2013年1月29日提交的申请序列号14/376,195中所公开的，管段36可具有由腹板分开的多个管部分，这两个申请的内容通过引用整体并入本文。
多个翅片50可被安装到多个管段36的一部分(例如，外部)，并且用作次级传热表面，被构造为在第二传热流体(例如，空气、氮气等)和第一传热流体(例如，制冷剂，包括诸如CO2的低全球变暖潜势(GWP)制冷剂或流经管段36的其他流体)之间传递热量。
现在参考图4和图5，换热器30的多个管段36中的每一个可以包括一个或多个折叠部60。折叠部60可布置在沿着管段36的长度L(例如，沿着与管段36的最长尺寸对应的x轴尺寸测量，如图2所示)的任意位置处。折叠部60可以围绕平行于歧管(例如，第一歧管32、第二歧管34等)延伸的轴线形成并且基本上垂直于管段36的纵向轴线(可以沿着该纵向轴线测量管段36的长度)。
折叠部60可形成为使得换热管段36的与相应的折叠部60相邻并且在相应的折叠部60的相对侧上的两个部分以基本上平行的关系来布置。本文使用的术语“基本上平行”可以被定义为以下情况：在描述为呈“基本上平行”关系(参见图5)的两个元件中的每一个对应的两个中心线之间测量的角度θ小于或等于5°，例如小于或等于3°、或小于或等于1°、或小于或等于0.5°(例如，考虑到由于加工公差造成的变化，或管段的制造变化)。因此，在相应的折叠部60的相对侧上的换热器管段36的部分通常相对于彼此以175°和185°之间的角度θ来布置。
在一个实施方案中，折叠部60是带状折叠部，其中管段36被部分地扭曲以实现折叠部60的相对侧上的两个部分的基本上平行的取向而不会导致管段36叠合。然而，其他类型的折叠部也在本发明的范围内。此外，为了实现期望的折叠，管段36可在折叠部60的位置内或周围的选定部分52(参见图2)处没有翅片50。
每个折叠部60被构造成将流动方向改变大约180°的流动角度(在通过管段36的内部通道的与折叠部60相邻并且在折叠部60的相对侧上的流动方向之间测量)，使得换热器30相对于第二传热流体(例如，空气、氮气等)的流动方向A具有多通构造，例如其中第二传热流体通过第一传热流体两次或更多次。折叠部60的相对侧上的管段36可以形成多个管束，例如第一管束80和第二管束82。第二管束82可以相对于第二传热流体的流动方向A而言布置在第一管束80的下游或后方(例如，形成用于第一传热流体的双通构造)。
如图4所示，换热器30具有由折叠部60限定的第一管束80和第二管束82，其中第二管束82基本上平行于第一管束80布置。如图5所示的换热器30，包括形成第一管束80、第二管束82和第三管束84的两个折叠部60。换热器30可以具有任意数量的折叠部60，例如1至20个折叠部、或1至10个折叠部、或1至5个折叠部、或1至3个折叠部、或1至2个折叠部。管束的数量可以对应于由关系式b＝f+1提供的折叠部60的数量，其中b是管束的数量，并且f是折叠部60的数量。
可替代地或另外地，多个管段36可以包括具有不同于180°的角度(相对于通过管段的流动方向)的弯曲部70，使得换热器30的管段中的至少一个具有如沿着通过管段36的内部流动通道的流动方向测量的非线性构造。例如，换热器30可以包括第一弯曲部70a和第二弯曲部70b，第一弯曲部70a在流过管段36的流体上施加不同于180°的第一流动角度γ1，第二弯曲部分70b施加不同于180°的第二流动角度γ2。第一流动角度γ1可以等于第二流动角度γ2，或者这两个角度可以不相等。在一个实施方案中，弯曲部70可以具有小于180°的角度。
类似地，具有任意数量的弯曲部70，例如1至20个弯曲部、1至10个弯曲部、1至5个弯曲部、或1至2个弯曲部的换热器30在本公开的范围内。因此，具有任意非线性构造的换热器30在本发明的范围内。换热器30可以被构造用于逆流关系、交叉流动关系或包括在换热器中交换热量的两种流体的前述中的至少一个的组合。
一个或多个折叠部60和/或弯曲部70可以用于形成换热器30的厚度(相对于第二传热流体的流动)，这可以允许制造许多不同的厚度而不改变基本管段设计。以这种方式，可以改变换热器30的容量而不改变制造工具(例如，在挤出管的情况下的挤出设备)。例如，换热器30可以包括具有10mm的管深度的管段36以及一个或多个折叠部60，其可以与整个换热器厚度T(沿着流动方向A通过换热器30的一部分测量)关联，T＝10(f+1)+X毫米，其中f是折叠部70的数量，并且X是管束之间间隙的距离。
为了制造本文所述的换热器30，例如通过挤出形成多个换热管段36，所述换热管段36的长度在第一入口端和第二出口端之间延伸，等于流动路径的总长度。第一歧管32连接到多个管段36中的每一个的第一端，并且第二歧管34连接到多个管段36中的每一个的第二相对端。然后，在管段36中各个位置处形成多个折叠部60和弯曲部70中的每一个，以实现具有期望构造和流动路径的换热器30。
如本文所述形成的换热器30提供了以下益处：可以使用相同的制造设备来制造具有多种构造中的任意构造的换热器30。此外，如本文所述形成的换热器30消除了对中间歧管的需要，由此降低了复杂性和成本。多个换热管段36的整体尺寸也可以通过挤制而减小。因为第一歧管和第二歧管32、34被构造成耦接到仅一个管束的换热器管段36，所以歧管32、34的尺寸也可以减小。因此，换热器30可提供与高压制冷剂，例如二氧化碳(CO2)或乙烷(C2H6)一起使用所需要的结构完整性。高压制冷剂可以在跨临界和/或超临界系统中运行，其中系统内的制冷剂压力可以大于720psig，例如大于750psig、或大于1100psig、或大于1500psig、或从750psig至2000psig。本文使用的术语“psig”是指相对于环境压力以磅/平方英寸为单位的表压测量值。
实施方案1：一种换热器，其包括：第一歧管；与所述第一歧管分离的第二歧管；以及以间隔平行的关系布置且流体耦接所述第一歧管和所述第二歧管的多个换热管段，所述多个换热管段包括形成第一管束和第二管束的折叠部，所述第一管束和所述第二管束沿着所述多个换热管段的长度的至少一部分呈彼此基本上平行的关系；其中所述第一管束和所述第二管束被构造用于第一传热流体依序流过其中。
实施方案2：根据权利要求1所述的换热器，其还包括在所述第一管束、所述第二管束或包括前述中的至少一个的组合中形成的弯曲部。
实施方案3：根据权利要求1或权利要求2所述的换热器，其中所述多个换热管段是其中形成有多个分立的流动通道的微通道管。
实施方案4：根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中多个翅片从所述换热管段的至少一部分延伸。
实施方案5：根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述换热器被构造用于第二传热流体依序流过所述第一管束，接着流过所述第二管束。
实施方案6：根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述流体是被配置用于超过750psig压力下的高压制冷剂。
实施方案7：根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述换热器包括限定三个管束的两个折叠部。
实施方案8：根据权利要求7所述的换热器，其中所述第二管束和所述第三管束沿着所述第一传热流体的流动路径长度的一部分呈基本上平行的关系。
实施方案9：根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述第一热传递的所述流动路径包括相对于第二传热流体的多个通路。
实施方案10：根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述管段还包括从所述管段的前缘到后缘测量的管深度，并且其中所述管深度小于14毫米。
实施方案11：一种制造换热器的方法，其包括：形成多个换热管段；折叠所述多个换热器管段以限定第一管束和第二管束，其中所述第一管束的第一中心线与所述第二管束的第二中心线呈基本上平行的关系。
实施方案12：根据权利要求12所述的方法，在所述多个换热器管段中形成弯曲部，所述弯曲部具有不同于180°的角度，使得所述换热器具有非线性构造。
实施方案13：根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中所述多个换热管段的所述折叠围绕布置成垂直于所述多个换热管段的纵向轴线的轴线发生。
实施方案14：根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中形成所述多个换热管段包括挤出所述多个换热管段。
实施方案15：根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个换热管段是其中形成有多个分立的流动通道的微通道管。
实施方案16：根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中多个翅片从所述换热管段的至少一部分延伸。
实施方案17：根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括：将多个翅片安装到所述换热管段的至少一部分上。
实施方案18：根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括：将第一歧管附接到所述多个换热管段的第一端；并且将第二歧管附接到所述多个换热管段的第二相对端。
实施方案19：根据权利要求18所述的方法，其中所述第一歧管和所述第二歧管被构造成与超过750psig的高压制冷剂一起使用。
虽然仅结合有限数量的实施方案详细描述了本公开，但是应容易地理解，本公开不限于这样公开的实施方案。而是，可以修改本公开以并入前文未描述但与本公开的精神和范围一致的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。另外，虽然已描述了本公开的各种实施方案，但应理解，本公开的方面可包括任意数量的所述实施方案。因此，本公开不应被视为受先前描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。除非在本文中另有指示或通过上下文清楚地否定，否则术语“一个”和“所述”在本文中不表示对数量的限制，并且应解释为涵盖单数和复数两者。
Claims (19)
1.一种换热器，其包括：
第一歧管；
与所述第一歧管分离的第二歧管；和
以间隔平行的关系布置且流体耦接所述第一歧管和所述第二歧管的多个换热管段，所述多个换热管段包括形成第一管束和第二管束的折叠部，所述第一管束和所述第二管束沿着所述多个换热管段的长度的至少一部分呈彼此基本上平行的关系；
其中所述第一管束和所述第二管束被构造用于第一传热流体依序流过其中。
2.根据权利要求1所述的换热器，其还包括在所述第一管束、所述第二管束或包括前述中的至少一个的组合中形成的弯曲部。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的换热器，其中所述多个换热管段是其中形成有多个分立的流动通道的微通道管。
4.根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中多个翅片从所述换热管段的至少一部分延伸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述换热器被构造用于第二传热流体依序流过所述第一管束，接着流过所述第二管束。
6.根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述流体是被配置用于超过750psig压力下的高压制冷剂。
7.根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述换热器包括限定三个管束的两个折叠部。
8.根据权利要求7所述的换热器，其中所述第二管束和所述第三管束沿着所述第一传热流体的流动路径长度的一部分呈基本上平行的关系。
9.根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述第一热传递的所述流动路径包括相对于第二传热流体的多个通路。
10.根据前述权利要求中任一项所述的换热器，其中所述管段还包括从所述管段的前缘到后缘测量的管深度，并且其中所述管深度小于14毫米。
11.一种制造换热器的方法，其包括：
形成多个换热管段；
折叠所述多个换热器管段以限定第一管束和第二管束，其中所述第一管束的第一中心线与所述第二管束的第二中心线呈基本上平行的关系。
12.根据权利要求11所述的方法，在所述多个换热器管段中形成弯曲部，所述弯曲部具有不同于180°的角度，使得所述换热器具有非线性构造。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中所述多个换热管段的所述折叠围绕布置成垂直于所述多个换热管段的纵向轴线的轴线发生。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中形成所述多个换热管段包括挤出所述多个换热管段。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述多个换热管段是其中形成有多个分立的流动通道的微通道管。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中多个翅片从所述换热管段的至少一部分延伸。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括：
将多个翅片安装到所述换热管段的至少一部分上。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括：
将第一歧管附接到所述多个换热管段的第一端；和
将第二歧管附接到所述多个换热管段的第二相对端。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一歧管和所述第二歧管被构造成与超过750psig的高压制冷剂一起使用。
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