CN107976100A - 热交换器和空气调节器 - Google Patents

Abstract

根据一种实施方式，一种热交换器包括：管，流体通过所述管流动；以及供应装置，其将所述流体供应至所述管。所述管包括：柔性部，其由于所述流体的流动而变形；以及缩窄部，其沿所述流体的流动方向定位在所述柔性部的下游侧。

Description

热交换器和空气调节器

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2016年10月21日提交的日本专利申请No.2016-207308的优先权，该日本专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本文描述的各种实施方式总体上涉及热交换器和空气调节器(空调器)。

背景技术

对于受压缩机的作用而具有高温和高压的(在管道中的)液体和气体而言，它们通过冷凝器向外部散发热量。然后，液体和气体经由膨胀阀而变为低温且低压的，并且从外部吸收热量。通过执行上述功能，反复进行热交换。在这样的热交换器中，混合相流制冷剂的流动是不均等的。结果，热交换效率降低，这是一个问题。

为了提高热交换效率，使执行热交换的热交换装置的热边界层变薄是众所周知的。例如，通过将摇动器附接至支撑散热片(fin)和传热管的框架体，并且通过使散热片和传热器振动，可以破坏热边界层(热边界层具有热量并与散热片邻接)。在这种情况下，需要新安装摇动器以及使摇动器振动的控制器。结果，设备的部件变得复杂，而且新安装摇动器和控制器导致成本增加，这些都是问题。

发明内容

各种实施方式提供如下热交换器和空气调节器：所述热交换器和空气调节器具有简单的部件，所述部件具有较高的热交换效率。

根据一种实施方式，热交换器包括：管，流体通过所述管流动；以及供应装置，其将所述流体供应至所述管。所述管包括：柔性部，其由于所述流体的流动而变形；以及缩窄部，其沿所述流体的流动方向定位在所述柔性部的下游侧。

附图说明

图1是根据第一实施方式的热交换器的一个实施例的示意图。

图2是根据第一实施方式的柔性部的表面形状的一个实施例的示意图。

图3是根据第二实施方式的热交换器的一个实施例的示意图。

图4是根据第三实施方式的热交换器的一个实施例的示意图。

图5是根据第四实施方式的空气调节器的一个实施例的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图来描述根据实施方式的热交换器和空气调节器。具有相同的附图标记意指相同的部件。顺便要说明的是，附图是示意性的或概念性的，每个部件的厚度和宽度之间的关系、部件之间的尺寸比例等不一定与实际情况相同。此外，即使是相同的部件，也可以在附图中以不同的尺寸或尺寸比例来描绘。

(第一实施方式)

图1是根据第一实施方式的热交换器1的一个实施例的示意图。

如图1所示，热交换器1配备有：传热管4，流体在该传热管中循环；以及供应装置，其将流体供应至传热管4。这里，供应装置是压缩机5和膨胀阀6。借助传热管4使流体从膨胀阀6经由蒸发器流动到压缩器5，并且借助传热管4使流体从压缩器5经由冷凝器3流动到膨胀阀6，流体被循环。在图1中，传热管4的一部分(即，定位在蒸发器2和冷凝器3中的部分)示出为传热管8。

在第一实施方式的传热器1中，借助传热器1的一部分的自震动(self-oscillation)，流体的热交换有效地进行。

流体包括液体、气体、或者它们两者。优选地，流体是水、空气或制冷剂，例如氟化合物、氨、碳氢化合物、二氧化碳。此外，流体包括其他气体、油等。

蒸发器2连接至传热管4。通过使(具有低温和低压的)流体经由膨胀阀6流入蒸发器2中，流体从外部空气中吸收热量，并且冷却外部空气。

蒸发器2配备有：多个管状散热片7，其几乎平行地排布；以及传热管8，其置于散热片7上。散热片7和传热管8定位成接触彼此。散热片7分别定位成彼此之间有预定空间，并且气体在该空间中流动。散热片7各自的形状不限于管状形状。它们可以是从传热管8的侧面伸出的多个柱状散热片7。只有在传热管8具有如下部件时：该部件接触外部空气的面积增大，才可以应用任何部件。通常使用铝、铝合金、分布于其上的亲水涂层或防腐涂层作为散热片7的材料。传热管8弯曲为S形状，并且定位成与散热片7接触。散热片7接触传热管8的情况包括传热管8穿透散热片7的情况。

如图1所示，蒸发器2的传热管8配备有中空的柔性部8a以及中空的缩窄部8b，该缩窄部沿流体的流动方向位于柔性部8a的下游侧。传热管8配备有多对柔性部8a和缩窄部8b、以及位于柔性部8a与缩窄部8b之间的传热管8c。柔性部8a由可膨胀的且可收缩的弹性元件形成。弹性元件是例如橡胶等材料。通过对外形施加应力，弹性元件变形(柔性部也称为“可变形部”)。缩窄部8b是如下部分：该部分具有比柔性部8a的内径小的内径并且朝柔性部8a缩窄。具体地说，在缩窄部8b与传热管8c之间的连接部分处，缩窄部8b具有与传热管8c相同的内径。然而，该内径从传热管8c向柔性部8a逐渐变小。缩窄部8b可以由与柔性部8a相同或者与传热管8c相同的材料形成。传热管8c是管状管件，并且使用具有高导热率的材料(例如铝或铜)。传热管8c和缩窄部8b利用粘接剂等连接起来。此外，如果缩窄部8b安装至传热管8c，则柔性部8a和缩窄部8b利用粘接剂等连接起来。如果柔性部8a可以充分地粘接至缩窄部8b或传热管8c以防止流体泄漏，则可以使用任何粘接剂。缩窄部8b的内径优选地小于传热管8c的内径。然而，各个部分的内径不限于这种关系。在以上说明中，缩窄部8b的内径朝柔性部8a逐渐变小。然而，该内径不限于这种形状，而可以是恒定的。

接下来，对流体流入蒸发器2的传热管8中时在传热管8处发生的功能进行说明。

首先，(流入传热管8中的)流体经过传热管8c，并且流入柔性部8a中。接下来，流体流入缩窄部8b中。缩窄部8b在柔性部8a侧的内径小于传热管8c的内径。因此，流入缩窄部8b中的流体是缓滞的，并且发生湍流。由于湍流所导致的压力变化，(由橡胶等形成的)柔性部8a的内管壁振动。结果，柔性部8a开始自震动。(经过了缩窄部8b的)流体经过相邻地定位在下游侧的传热管8c，并且流入柔性部8a中。如上所述，存在多对柔性部8a和缩窄部8b。因此，在传热管8中的每个柔性部8a处发生振动(震动)。通常，流体包括液体和气体的两相流。当流体流入缩窄部8b中时，由于两相流的原因，流体使柔性部8a振动。此外，通过柔性部8a的振动，两相流的流体混合。

通过柔性部8a的这种振动，柔性部8a和外部空气之间的接触面积增大，并且作为热交换的阻止部的热边界层变薄。结果，与外部空气的热交换有效地进行。此外，通过缩窄部8b流入传热管中的流体由于湍流而扩散。结果，流体有效地接触柔性部8a的内壁，并且与该内壁之间的热交换加快。

冷凝器3连接至传热管4。(由于压缩机5的作用而具有高温和高压的)流体流入冷凝器3中。因此，流体向外部空气散发热量，并且外部空气变暖。

如图1所示，冷凝器3配备有：多个管状散热片7，其几乎平行地排布；以及传热管8，其置于散热片7上。散热片7和传热管8定位成接触彼此。散热片7分别定位彼此之间有预定空间，并且气体在该空间中流动。按照与蒸发器2相同的方式，传热管8可以穿透到散热片7中。传热管8和散热片7的部件与蒸发器2的部件相同。传热管8配备有中空的柔性部8a和中空的缩窄部8b，该缩窄部8b沿流体的流动方向位于柔性部8a的下游侧。传热管8配备有多对柔性部8a和缩窄部8b、以及位于柔性部8a与缩窄部8b之间的传热管8c。借助传热管8的这种部件，当流体流入传热管8中时，在与缩窄部8b邻接的部分处发生湍流，并且柔性部8a开始自震动。

传热管4将蒸发器2、压缩机5、冷凝器3和膨胀阀6连接成环路。流体在传热管4的内部流动，并且流体流入蒸发器2和冷凝器3的传热管8中。结果，流体在热交换器1中循环。如图1所示，流体经过传热管4和传热管8，并且沿顺时针方向(CCW)流动。传热管4连接至蒸发器2和冷凝器3的传热管8c。传热管4由管状管件形成。传热管4的材料优选地与传热管8c的材料相同。

压缩机5将(例如活塞的)往复运动所产生的能量转化为流体中包含的能量。压缩机5使流体具有高温和高压。例如，压缩机5可以是泵、蓄能器(accumulator)等。

膨胀阀6是使流体的压力降低的阀。通过使具有高温和高压的液化流体的压力降低，流体进入易于蒸发的状态。压缩机5和膨胀阀6各自连接至传热管4。压缩机5和膨胀阀6将流体供应至传热管4、蒸发器2和冷凝器3。因此，压缩机5和膨胀阀6被称为“供应装置”。

在以上说明中，流体沿顺时针方向流动。然而，流体可以沿逆时针方向(CCAW)流动。如果流体沿逆时针方向流动，蒸发器2和冷凝器3的相应功能是相反的。

接下来，具体地描述(传热管8的)柔性部8a、缩窄部8b和传热管8c的部件。

如上所述，通过使流体流入传热管8中，柔性部8a自震动。柔性部8a的外部形状的表面起传热面的作用。因此，柔性部8a的外部形状优选地是具有更大表面积的形状。作为第一实施方式的柔性部8a的外部形状，柔性部8a的中心附近的直径是最大的，并且该直径朝缩窄部8b和传热管8c逐渐变小，也就是椭圆形。此外，为了提高热交换效率，可以在该表面上设置多个突部。

图2是柔性部8a的表面形状的一个实施例。如图2所示，在柔性部8a的外部形状的表面上，可以设置多个柱状或棱柱状突部、多个锥状或类似金字塔状突部、或者多个类半球状突部。此外，通过使柔性部8a的表面粗糙化，可以增大表面积。

通过柔性部8a的自震动，柔性部8a与流体之间的热边界层变薄。这里，热边界层是流体温度突然改变的区域。例如，如果固体和流体之间存在温度差异，则它们的接触区域被称为“热边界层”。当边界层的速度变快时，热边界层变薄。当流体黏度变高时，热边界层变厚。当柔性部8a振动时，热边界层变薄，并且与流体的热交换变得显著。因此，利用杨氏模量、柔性部8a的重量和形状、缩窄部8b的直径和通过阻力(passage resistance)、以及流体流动的压力，可以更好地调节柔性部8a的固有频率以及流体流动的压力。例如，如果期望提高柔性部8a的固有频率，则优选地使用具有高刚度的材料。如果期望降低柔性部8a的固有频率，则优选地使用具有低刚度的材料。

在第一实施方式的热交换器1中，通过将柔性部8a和缩窄部8b安装至传热管8，柔性部8a执行自震动。结果，可以使(在柔性部8a中流动的)流体与外部空气之间的热交换效率提高。

此外，在第一实施方式的热交换器1中，不需要在外部安装摇动器和振动控制器，摇动器和振动控制器用于使传热管8和散热片7振动。因此，可以实现成本低并且节省空间的系统部件。

在以上说明中，传热管8配备有多个柔性部8a和多个缩窄部8b。然而，柔性部8a的数量和缩窄部8b的数量不限于多个。可以使用仅一对柔性部8a和缩窄部8b。在这种情况下，可以使(在柔性部8a中流动的)流体与外部空气之间的热交换效率提高。

此外，通过在柔性部8a的表面上设置突部，可以使柔性部8a与外部空气之间的接触面积增大，并且可以提高热交换效率。

此外，通过在柔性部8a的下游侧安装缩窄部8b，(流入缩窄部8b中的)流体由于湍流而扩散。结果，流体有效地接触柔性部8a的内壁，并且可以提高热交换效率。

(第二实施方式)

图3是根据第二实施方式的热交换器1的一个实施例的示意图。

如图3所示，热交换器1配备有振动发生器9，这些振动发生器分别在蒸发器2和冷凝器3的上游侧安装至传热管4。本实施方式的其他部件与第一实施方式的热交换器相同。

具体地说，振动发生器9分别安装在压缩机5与冷凝器3之间的位置、以及膨胀阀6与蒸发器2之间的位置。

从振动发生器9流出带有颤动(pulsation)的流体。颤动的意思是流体流具有周期性动作，使得该流体流颤动，这不同于稳态流。在流入传热管8中之后，带有颤动的流体在柔性部8a内流动。柔性部8a开始以与从振动发生器9流过来的流体相同的周期振动。在这种情况下，带有颤动的流体优选地以与柔性部8a的固有频率相同的频率颤动。结果，振幅由于柔性部8a的谐振而增大，并且流体与外部空气之间的热交换效率可以进一步提高。

例如，振动发生器9配备有旋转阀，并且通过旋转阀的旋转而对流体产生颤动。利用从压缩机5和膨胀阀6流过来的流体的压力、柔性部8a的形状、以及缩窄部8b的内径，可以适当地调节来自振动发生器9的流体流的周期。

此外，振动发生器9可以不仅具有使流体周期性地流出的功能，而且具有使流体混合的功能。

通常，流体包括液体和气体的两相流。通过使流体混合，两相流的特性变得显著，并且可以提高热交换效率。作为用于混合的机构，例如，通过给将风扇安装至马达并且通过使风扇旋转，可以使流体混合。如上所述，当具有两相的流体流入缩窄部8b中时，流体使柔性部8a振动。此外，通过柔性部8a的振动，具有两相流的流体被混合。

在第二实施方式的热交换器1中，通过安装振动发生器9，柔性部8a可以基于流体流入柔性部8a中的流动而振动。此外，通过使具有几乎等于柔性部8a的固有频率的振动的流体流入柔性部8a中，可以使该柔性部谐振。结果，通过使流体与外部空气之间的热边界层变薄，可以提高热交换效率。

(第三实施方式)

图4是根据第三实施方式的热交换器1的一个实施例的示意图。

如图4所示，热交换器1配备有：阀10，其能够改变缩窄部8b的直径以使流体流动；以及阀控制器(图4中未示出)，其控制阀10的驱动。本实施方式的其他部件与第一及第二实施方式的热交换器相同。

阀10安装至柔性部8a的下游侧，并且可以改变流体流动处缩窄部的直径。也就是说，阀10的打开部是缩窄部。打开部是指阀打开的部位以及流体流经的部位。阀10连接至阀控制器，并且根据来自阀控制器的指令来控制阀10的打开。当阀10完全关闭时，传热管8c内部的横截面积被认为是0％。当阀10完全打开时，传热管8c内部的横截面积被认为是100％。这里，阀10的操作比率被控制在“0～100％”的范围内。阀10和柔性部8a、以及阀10和传热管8c分别利用粘接剂等粘接。例如，阀10是电磁阀、磁性阀或者比例控制阀。

阀10沿流体的流动方向在下游侧安装至(定位在传热管8处的)多个柔性部8a中的每一者。多个阀10中每个阀的打开比率(opening ratio)可以独立地改变。

此外，通过沿流体的流动方向在柔性部8a的上游侧以及阀10的下游侧安装压力传感器，可以基于压力数据来调节阀10的打开比率。

此外，通过用照相机拍摄柔性部8a的振动，可以基于图像来测量柔性部8a的变形量。因此，在没有压力传感器和流量传感器的情况下，可以通过估算流体的流量以及压力来控制流体的流动。

使用光学照相机、高速照相机、PSD(位置敏感检测器)照相机、CCD(电荷耦合器件)照相机等作为照相机。

此外，通过将应变传感器附接至柔性部8a，可以测量柔性传感器8a的应变量。因此，通过估算流体的流量或压力，可以控制流体的流动。可以将使用压电元件的应变计或者使用半导体元件的传感器用作应变传感器。

在第三实施方式的热交换器1中，通过将阀10安装至柔性部8a的下游侧，可以自由地改变传热管8的缩窄比率(打开比率)。此外，可以基于柔性部8a的振动状态来调节阀10的打开比率。例如，即使由于流体的对流而在柔性部8a处发生异常振动，也可以通过将阀10打开来避免该异常振动。

(第四实施方式)

图5是根据第四实施方式的空气调节器11的一个实施例的示意图。

如图5所示，空气调节器11配备有：四通阀(four-way valve)12，其对加热和冷却进行切换；压缩机5，其具有蓄热器13；室内设备17；以及室外设备18。空气调节器11包括根据第一、第二、第三实施方式的热交换器1。

室内设备17装备有风扇(图5中未示出)，用以将蒸发器2周围的空气扩散到室内。

室外设备18装备有风扇(图5中未示出)，用以将冷凝器3周围的空气扩散到室外。

在传热器1的压缩机5与蒸发器2之间以及在压缩机5与冷凝器3之间，四通阀12定位在传热管4处。四通阀12对压缩机5所压缩的流体的循环方向进行切换。基于这种流体循环，对空气调节器11的加热和冷却进行切换。蓄热器13安装在压缩机5的周边部分。控制器16连接至压缩机5、四通阀12、室内设备15和室外设备18。控制器16控制它们的驱动。

通过切换流体的循环方向，四通阀12切换空气调节器11的加热和冷却。基于流体的循环方向，对热交换器1的蒸发器2和冷凝器3的相应功能进行切换。也就是说，蒸发器2和冷凝器3的上述位置对应如下情况：流体沿顺时针方向(CCW)循环，并且空气调节器11执行冷却循环。(由于压缩机5的作用而具有高温和高压的)流体流入冷凝器3中，并与冷凝器3周围的空气执行热交换。在这种情况下，通过驱动风扇的马达，室外设备18将具有升高的温度的空气扩散到室外。然后，流体经由膨胀阀6变为低温且低压的，并且流入蒸发器2中。流体与蒸发器2周围的空气执行热交换。在这种情况下，通过驱动风扇的马达，室内设备17将冷却的空气扩散到室内。

当通过四通阀12切换流体的循环方向时，并且当流体沿逆时针方向(CCAW)循环时，空气调节器11执行加热循环。这里，室内设备17中的蒸发器2作为冷凝器，并且室外设备18中的冷凝器3作为蒸发器。

如果空气调节器11起加热和冷却中任一者的作用，则可以省略四通阀12。

蓄热器13存储压缩机5的热量。例如，如果基于用户的外部指令或者基于操作程序使空气调节器11的加热操作停止，则压缩机5停止产生热量，并且被蓄热器13包围的压缩机5的温度由于该温度与外部空气温度之间的差异而降低。因此，通过从蓄热器13向压缩机5散发热量，抑制了压缩机5的温度降低。结果，使空气调节器11开始加热的性能提高。蓄热器13包括蓄热材料。可以使用例如如下材料作为蓄热材料：该材料包括具有潜在的蓄热性能的化合物，例如水合硫酸钠、水合乙酸钠、石蜡。蓄热器13是空气调节器11中用于加热的部件。如果空气调节器11没有加热功能，则不需要蓄热器13。

室内设备17和室外设备18的相应风扇配备有用于送风的叶片以及用于旋转地驱动该叶片的马达。叶片的形状可以是螺旋桨或辊。叶片的材质可以是塑料或金属。

控制器16控制压缩机5的转速、四通阀的切换、室内设备17和室外设备18中的风扇的马达的转速。例如，控制器16由如下装置形成：计算装置，其包括电路；操作装置，其用于设定空气调节器11的操作条件；以及存储器，其用于存储空气调节器11的操作历史和操作条件。用于控制软件和硬件中的至少一者的方法包含在空气调节器11的控制中。

在第四实施方式的空气调节器中，通过包括第一、第二和第三实施方式的热交换器，提高了与外部空气的热交换效率，并且可以提高加热和冷却的性能。

此外，不需要将摇动器安装至蒸发器2和冷凝器3，摇动器用于提高热交换效率。结果，室内设备17和室外设备18可以是紧凑型的。

在以上说明中，第一、第二和第三实施方式的热交换器1包括散热片7。然而，散热片7不是必要的部件。在热交换器1中，传热管8配备有柔性部8a和缩窄部8b。当流体在柔性部8a内部流动时，该柔性部执行自震动。因此，即使没有配备散热片7，也可以提高与外部空气的热交换效率。

虽然已经描述了某些实施方式，但这些实施方式仅是以示例的方式给出的，并不意图限制本发明的范围。实际上，本文描述的新颖的实施方式可以以多种其他的形式实施；此外，可以在不脱离本发明的精神的情况下对本文描述的实施方式进行多种省略、替换和改变。随附的权利要求书及其等同物旨在覆盖落入本发明的精神和范围内的这种形式或变型。

Claims (11)

1.一种热交换器，包括：

管，流体通过所述管流动；以及

供应装置，其将所述流体供应至所述管，

所述管包括：

柔性部，其由于所述流体的流动而变形，以及

缩窄部，其沿所述流体的流动方向定位在所述柔性部的下游侧。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中

所述柔性部由于所述流体的流动而膨胀和收缩，因而所述柔性部振动。

3.根据权利要求1所述的热交换器，还包括：

阀，其能够改变所述缩窄部的内径；以及

阀控制器，其控制所述阀的驱动。

4.根据权利要求1所述的热交换器，其中

所述缩窄部的内径小于所述柔性部的内径。

5.根据权利要求1所述的热交换器，其中

所述柔性部由可膨胀的且可收缩的弹性材料形成。

6.根据权利要求1所述的热交换器，还包括：

多个散热片，其排布成与所述管接触。

7.根据权利要求1所述的热交换器，其中

所述管包括：

第一柔性部，其由于所述流体的流动而变形，

第一缩窄部，其沿所述流动方向定位在所述第一柔性部的下游侧，

第二柔性部，其由于所述流体的流动而变形，并且沿所述流动方向定位在所述第一缩窄部的下游侧，以及

第二缩窄部，其沿所述流动方向定位在所述第二柔性部的下游侧。

8.根据权利要求1所述的热交换器，还包括：

振动发生器，其沿所述流动方向在所述柔性部的上游侧安装至所述管，并且使从所述供应装置供应来的所述流体发生振动。

9.根据权利要求1所述的热交换器，其中

所述供应装置是使所述流体以高压力流出的压缩机，或者是使所述流体以低压力流出的膨胀阀。

10.一种空气调节器，包括：

根据权利要求1所述的热交换器；以及

风扇和控制器中的至少一者。

11.根据权利要求10所述的空气调节器，还包括：

四通阀，其改变所述流体的流动方向。