CN1148686A - 致冷循环的热交换器 - Google Patents

Abstract

用于致冷循环的热交换器具有若干在其导管内表面上沿致冷剂流向方向制出的槽；采用了至少二种不同宽度的槽，该结构能使热交换器改善性能。

Description

致冷循环的热交换器

本发明涉及一种用于致冷循环的热交换器，它由一压缩机等组成。

迄今为止，用于致冷或空调电气设备，诸如空气调节器，致冷器和冷藏柜的热交换器由一根致冷剂导管构成，包括一致冷循环和若干散热片，例如在日本专利公告No.4-16711(F28G9/00)中所公开的。

散热片的结构允许在流经致冷剂导管的致冷剂和空气之间热量有效地扩散或吸收；所述散热片通常由铝片制成，铝片厚度大约为100至120微米。

当这种热交换器被用作致冷循环的冷凝器时，例如，一种自压缩机排出的高温高压气体致冷剂流入该热交换器，使其温度上升到大约+20至+100℃。该致冷剂的热量自热交换器或冷凝器的致冷剂导管壁传至散热片，然后，它从散热片表面上辐射到空气中，其中一部分是从冷却剂导管表面上辐射的。

致冷剂辐射热量，并由于这种热辐射而冷凝。常规热交换器的散热片的表面在被冲洗之后形成透明的亲水涂层，因此，其表面颜色是银白色的，它极接近于白色(以后称为“白色”)。

所述白色具有高的光反射率，因此，降低了基于被反射光即热射线的波长的导热率，使它难以改善散热片的热辐射。这样，自散热片的热辐射降低了，有害地影响到热交换器中致冷剂的冷凝。这在实现致冷循环的致冷能力改善方面增加了困难。

虽然上述问题并不像在冷凝器的情况下那样明显，然而，当该热交换器被用作一致冷器或蒸发器时，可以察觉到所述同一问题。更具体地说，随着光反射率的增加，由周围空气的吸热降低了。

在例如日本专利公告NO.4-21117中已公开了一种用以改善热交换器性能的装置。按照其公开内容，在致冷剂导管的内表面上设有许多螺旋槽，因此，由于毛细管作用，致冷剂沿所述槽流动，一直上升到该管的顶部，以确保在导管内表面的延伸区域或理想地在整个区域，在致冷剂和致冷剂导管之间的热交换，藉以改善传热特性。

当由二种或多种致冷剂的混合物组成的致冷剂被用作流经该致冷剂导管的致冷剂时，各致冷剂成分显示出不同的性质，尤其是不同的粘度。在致冷剂处于气、液混合状态、且液体致冷剂所占比例小的状态下，情况更甚。然而，在常规致冷剂导管中的槽，全部具有相同的宽度，因此，如果对于具有低粘度的致冷剂规定该槽具有小的宽度，便会出现这样的问题，相对于高粘度致冷剂该宽度太小，因而流动阻力增加，导致大的压力损失。其结果是使高粘度致冷剂滞止。相反，如果规定该槽具有较大的宽度使其与低粘度致冷剂配合，则会产生这样的问题，该槽相对于低粘度致冷剂太宽了，因而不再发挥毛细管作用。

为了解决上述现有技术中的种种问题，业已完成了本发明，因此，本发明的目的是改善用于致冷循环的热交换器的能力。

为此，本发明的热交换器用于致冷循环，它由至少一压缩机，一热源侧热交换器，一膨胀装置，一用户侧热交换器和其它装置组成，它们全都相连，使从压缩机排出的致冷剂流经其间；至少一个热交换器具有一根致冷剂流经的导管，和安装在该导管上以产生导热率的散热片。导管的内表面设有许多槽，它们是沿致冷剂的流动方向制出的；采用至少二种不同宽度的槽。

在导管内表面上制出的槽沿致冷剂流动方向被制成螺旋形。

此外，经致冷循环流通的致冷剂具有至少二种不同的成分，上述导管具有至少一条适于一种成分的槽。

本发明借助于毛细管作用能允许在导管内表面的延伸区域，在致冷剂和导管之间进行热交换，同时控制即使在二种或多种不同成分的混合致冷剂流经导管时由致冷剂循环阻力引起的压力损失增加。本发明也能控制当混合致冷剂流经导管时该混合致冷剂的混合比率的变化。

在致冷剂流动方向螺旋成形的槽进一步改善了致冷剂和导管之间的传热。

本发明的热交换器的散热片具有由亲水涂料和具有类似于黑体性质的物料混合制备的涂料，以便形成较低的光反射率。

所述亲水涂料由亲水有机树脂和二氧化硅络合物构成；具有类似于黑体性质的物料是炭黑涂剂或氧化亚铜。具有类似于黑体性质的物料以5％的比例被加到亲水涂料中。

图4表示光反射率和用于这种致冷循环的热交换器的散热片表面颜色之间的关系。在该曲线图中，B1代表对散热片表面白色波长的反射率；B2代表对散热片表面灰色波长的反射率；而B3代表散热片表面黑色波长的反射率。上述白、灰和黑色借助于美能达色差信号CR-200能用术语L值(亮：+←L值→-：暗)，“a”值(红：+←a值→-：绿)和“b”值(黄：+←b值→-：蓝)表示如下：白色用L值＝89.2，“a”值＝-0.8，“b”值＝+1.5来表示；灰色用L值＝75.7，“a”值＝0.0，“b”值＝+3.8来表示；而黑色用L值＝52.5，“a”值＝+0.7，“b”＝+5.3来表示.

当该热交换器被用作一冷凝器时，其温度如前所述上升到+20℃至+100℃，而自散热片表面辐射的热射线的波长范围按照其温度自2000至20000埃。由图4曲线明显看出，随着散热片的颜色接近于处于该波长范围内的黑色时，反射率变低。尤其是，在波长为9000埃或较小时，具有黑色表面的散热片的光反射率是低的。

按照本发明，能显著改善热交换器表面的热辐射。因而，热交换器能被做得更小，并且致冷循环的致冷和采暖能力能被改善。

图1为本发明一个实施例的空气调节器的致冷剂的循环路线图；

图2为图1所示空气调节器的热交换器的正视图；

图3为图2所示热交换器的散热片表面的放大横剖面图；

图4是表示热交换器散热片表面颜色和相应的反射光之间关系的一组曲线；

图5是图2所示的热交换器的致冷剂导管的横剖视图；

图6是图2所示的热交换器的致冷剂导管的局部放大横剖面图。

现在叙述本发明的一个实施例。图1表示本发明一个应用实施例的空气调节器AC的致冷剂回路图。在图1中，表示的空气调节器AC包括一压缩机1，一通阀2，一个用作户外热交换器的热源侧热交换器3，一根用作膨胀装置的毛细套4，一个带泸网的调节器5，一个用户侧热交换器6，和一个蓄液器7，它和一致冷管相连，构成一致冷循环。风扇41和42将空气分别吹至热源侧热交换器3和用户侧热交换器6，以加速和空气的热交换。

不同的致冷剂和油按照其蒸发温度，即实际应用，被密封在致冷剂回路内。例如，在本实施例中的空气调节器AC的高温设备采用一种单独的致冷剂R22或一种包含R134a的HFC基混合致冷剂，例如一种由R134a、R32和R125所组成的混合致冷剂(该致冷剂的组份是，例如，52％重量的R134a，23％重量的R32和25％重量的R125)，或一种由R32和R125所组成的混合致冷剂(该致冷剂的组分为，例如，50％重量的R32和50％重量的R125，或一种具有大致相同重量百分比的二种成分的混合物)。这些要和致冷剂一起使用的油属于多元醇酯类，烷基苯类或和该致冷剂相混溶的其它类。

在下面要讨论的实施例中，假定采用一种由R134、R32和R125组成的混合致冷剂。这三种致冷剂的特性如下：R134a的沸点为-26 ℃，粘度为0.204m Pa.s；R32的沸点是为53℃，粘度为0.140mPa.s；R125的沸点为-48.3℃，粘度为0.145mPa.s。

热源侧热交换器3由若干板形散热片23和一蛇形致冷剂管构成，散热片以预定的间隔配置，如图2所示，蛇形管穿透散热片，以便它们之间有热交换。

散热片23由薄铝板31构成，其铝层厚度为100至120微米。每一散热片23的表面具有防锈层32，约2微米厚，这是将薄铝板31浸沉在酸溶液(例如铬酸、铬酸盐、重铬酸盐、铬酸/磷酸和磷酸)中形成的。

防锈层32的外侧涂有一亲水膜35涂层，为5至10微米厚。设置该新水膜35是为了使产生循环阻力的水滴难以在散热片23的表面上形成。按照本发明的亲水膜35由亲水涂料、水和其性质类似于黑体的材料组成。

在该实施例中，亲水涂料由丙烯酸树脂或亲水有机树脂和硅络合物组成。可以认为黑体吸收全部的光线，而无光反射。表现类似于黑体性质的材料是从炭黑类涂剂或氧化亚铜中选取的。

使用水是为了确保涂料易于把握，在刷涂完成后，水便蒸发。

在本实施例中，就亲水涂料来说，它是用100克前述亲水有机树脂和二氧化硅络合物或丙烯酸树脂，300克水及5克炭黑类涂剂混合制备的。

具有防锈层32的散热片23经冲洗、浸沉在前述涂料中，拉出，然后焙干以在其上形成亲水膜35。因为水分会蒸发，所以其混合比无须很严格。

亲水膜35的形成，使散热片23的表面变黑，其特性是B3(L＝52.5；“a”＝+0.7；“b”＝+5.3)，如图4所示。如果散热片23上的黑涂料的光反射率低于图4中所示的B2，则该热交换器的热交换性能改善。

事先在散热片上制有致冷剂导管插入孔，若干直管26A以预定的间隔装入散热片构成致冷剂导管26。自直管26A的内侧施加压力以使管子膨胀，然后焊上弯管26B，使各直管26A相互连通。这样，构成了蛇形致冷剂导管26，完成了热交换器3。

图5为构成致冷剂导管26的直管26A的横剖视图(也适于弯管26B)；图6为图5的局部放大横剖面图。直管26A的内表面没有，例如总共60条槽51和52；槽51的底宽D定为0.33毫米，槽52的底宽e定为0.48毫米，它大于D值。槽51和52交替配置。

例如，分隔槽51和52的凸脊55的高H定为0.3毫米，顶角θ为30°，顶尖曲率半径r为0.05毫米。槽51和52的螺旋配置扭转角为18°。直管26A的外径OD定为10毫米，其底部厚度TF为0.27毫米。

用户侧热交换器6跟热源侧热交换器3结构相同；因此，其叙述从略。此外，所述散热片并不限于板形(板形散热片通常称之为平板散热片)；也可采用螺旋或其它形状的散热片。

在致冷工况中，在具有上述结构的空气调节器AC中，混合的致冷剂按图1中直线箭头所示的顺序流动：压缩机1、4，通阀2，热源侧热交换器3，毛细管4，带泸网的调节器5，用户侧热交换器6和集液器7。在此情况下，自压缩机1排出的高温高压气体致冷剂。即一种混合致冷剂流入热源侧热交换器3，将其热量辐射到空气中，然后冷凝。该致冷剂在流入用户侧热交换器6；前经毛细管4降低其压力并蒸发(吸热效应)。这样，热源侧热交换器3用作冷凝器，而用户侧热交换器6用作致冷器。

空气由风扇41自外侧以大约1米/秒的速度供给热源侧热交换器3。由热源侧热交换器3热交换产生的热空气扩散到大气中。如前所述，热源侧热交换器3的散热片23没有黑色亲水膜35，它显示低的光反射率，因此能显著地改善由散热片23的热辐射。这使得有可能缩小为确保所需冷凝能力的热源侧热交换器3的尺寸。换句话说，具有该结构的相同尺寸的热交换器3由于提高了冷凝能力，允许提高空气调节器AC的致冷能力。

同样，由用户侧热交换器6的热交换产生的冷空气由风扇42供给用户；如前所述，由于用户侧热交换器6的散热片23也设有黑色的亲水膜35，它显示低的光反射率，因此能改善自散热片23的吸热。这使得有可能缩小为确保所需吸热能力即致冷能力的用户侧热交换器6的尺寸。换句话说，具有上述的相同尺寸的热交换器6由于提高了吸热能力，即致冷能力，允许提高空气调节器AC的致冷能力。

流入热源侧热交换器3和用户侧热交换器6的混合致冷剂，在液态致冷剂比例大时，在槽51、52内搅动冷却剂，而在液态冷却剂比例小时，沿槽51和52通过毛细作用而螺旋移动，这些槽是和相应成分的致冷剂的性质相匹配的，并且是在致冷剂导管26的内壁上形成的，以防止任一单独成分的致冷剂滞止下来。如上所述，R32和R125具有低的粘度，而R134a具有高的粘度；因此高粘度的R134a主要流经宽槽52，而低粘度的R32和R125主要流经窄槽51。

因此，该毛细作用大大地降低了R134a的循环阻力，其结果降低了压力损失，这样，确保了混合的致冷剂平滑地流到致冷剂导管26(直管26A和弯管26B)的上部。同样，R32和125沿槽51平滑地流到致冷剂导管26的上部。

上述结构能使相应成分的致冷剂沿不同宽度的槽51和52平滑流动，这些宽度是跟相应成分的致冷剂的性质，尤其是粘度相匹配的。因此致冷剂和致冷剂导管26之间的热交换在致冷剂导管26内表面的整个延伸区内发生，从而获得改善的传热特性。在此情况下，热辐射，即冷凝性能在热源侧热交换器3内能进一步改善，而吸热特性，即致冷特性，在用户侧热交换器6内也能改善，从而提高空气调节器AC的致冷能力。

采用这种具有不同宽度槽的致冷剂导管，由于这些致冷剂导管连于致冷循环中的相应装置，因而就进行致冷循环的混合致冷剂的相应成分致冷剂的压力损失而言，产生几乎相同的结果。因此，在各致冷剂之间的压力损失差使个别致冷剂在致冷循环中部分积聚起来，使在致冷循环中循环的混合致冷剂的混合比的不希望变化得到抑制。

在采暖运转工况时，如图1中用虚线箭头所示，混合的冷却剂按如下次序流动：压缩机1、4，通阀2，用户侧热交换器6，带泸网的调节器5，毛细管4，热源侧热交换器3和集液器7。在此情况下，气体致冷剂，即混合致冷剂，自压缩机1排出，流入用户侧热交换器6，然后辐射和冷凝；此后，它在流入热源侧热交换器3之前毛细管4降低其压力，并蒸发。因此，热源侧热交换器3用作冷却器，而用户侧热交换器6用作冷凝器。

如上所述，空气由风扇42输送到用户侧热交换器6。由用户侧热交换器6的热交换产生的热空气在用户房间内流通。如前所述，用户侧热交换器6的散热片23没有黑色亲水膜，它显示低的光反射率，因此能显著地改善自散热片23的热辐射。这便能在确保所需采暖能力的情况下缩小用户侧热交换器6的尺寸。换句话说，具有该结构的相同尺寸的用户侧热交换器6能使空气调节器AC的采暖能力提高。

同样，由热源侧热交换器3的热交换产生的冷空气由风扇41排到户外；如前所述，因为热源侧热交换器3也设有黑色亲水膜35，它显示低的光反射率，因此能改善自散热片23的吸热。这使得在确保所需吸热能力的情况下能缩小热源侧热交换器3的尺寸。换句话说，具有该结构的相同尺寸的热交换器3由于改善了吸热能力能使空气调节器AC的采暖能力提高。

此外，两热交换器3和6的传热特性能被改善。在用户侧热交换器6中，热辐射特性，即采暖性能，能被进一步改善；而在热源侧热交换器3中，吸热特性能被改善，从而提高空气调节器AC的采暖能力。

在除霜工况中，如图1中带点的实线箭头所示，运行中的致冷剂按如下次序流动：压缩机1、4，通阀2，用户侧热交换器6，带泸网的调节器5，毛细管4，热源侧热交换器3、4通阀2和集液器7。螺旋阀33打开，部分致冷剂流经压缩机1，螺旋阀33和热源侧热交换器3，藉对热源侧热交换器3除霜，同时保持采暖运转。

在该实施例中，采用了由三种不同致冷剂组成的混合致冷剂，并在致冷剂导管内表面上制有二种不同宽度的槽。然而，该致冷剂可以是二种致冷剂的混合物，也可以是其它种类致冷剂的混合物。在此情况下，要制有一些槽，它们具有与各致冷剂的性质，尤其是粘性相匹配的宽度。在这实施例中，空气调节器AC一直被作为一个例子来说明的，然而，本发明并不被限于此；本发明也能有效地被应用于致冷机，冷冻柜等。

因此，按照本发明，即使在由二种或更多种不同的致冷剂组成的混合致冷剂流过热交换器的致冷剂导管时，毛细管作用能使致冷剂和致冷剂导管之间的热交换在管内表面的较大范围内实现，同时控制了由各致冷剂成分的流通阻力引起的压力损失的增加，从而获得传热特性的改善。此外，由于利用了基于各种不同的槽宽度的毛细管作用，由各致冷剂成分的不同流通阻力引起的压力损失差得到了控制，其结果控制了当混合致冷剂流经致冷剂导管时该混合致冷剂的混合比的波动。

而且，由热交换器表面的热辐射能被显著地改善；因此，该热交换器可被制成较小，并且致冷循环的致冷和采暖能力能被改善。

Claims (6)

1.一种用于致冷循环的热交换器，包括至少一压缩机，一热源侧热交换器，一膨胀装置，和一用户侧热交换器，它们之间的连接能使由压缩机排出的致冷剂获得循环；其中

至少一个所述热交换器具有一根使致冷剂流经的导管和一片安装于该导管、具有某种传热特性的散热片；

该管的内表面设有若干沿致冷剂流动方向制出的槽，采用至少二种不同宽度的槽。

2.一种按权利要求1所述用于致冷循环的热交换器，其特征在于所述导管内表面上制成的槽沿致冷剂流动方向制成螺旋形。

3.一种按权利要求2所述的用于致冷循环的热交换器，其特征在于流经致冷循环的致冷剂具有至少二种成分，并且在所述管内制出至少一条与各成分匹配的槽。

4.一种按权利要求1所述的用于致冷循环的热交换器，其特征在于所述散热片涂有一层涂料，它是由亲水涂料和具有类似于黑体性质的物料以预定的比例混合制备的，以提供低的光反射率。

5.一种按权利要求4所述的用于致冷循环的热交换器，其特征在于所述亲水涂料由亲水有机树脂和二氧化硅络合物组成，所述具有类似于黑体性质的物料是一种炭黑涂剂或氧化亚铜。

6.一种按权利要求5所述的用于致冷循环的热交换器，其特征在于所述具有类似于黑体性质的物料是以5％的比率和亲水涂料混合的。

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