CN116105405A - 制冷剂均分的竖直集管组件、微通道换热器和热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制冷剂均分的竖直集管组件、微通道换热器和热泵系统。一种制冷剂均分的竖直集管组件，包括下竖直集管、上竖直集管、固定中心均匀孔板、微通道扁管；所述下竖直集管与上竖直集管连通，固定中心均匀孔板固定在上竖直集管底部；上竖直集管的侧壁竖直插入若干个微通道扁管；上竖直集管内设有内插件，内插件包括一个中间实心圆柱、若干个竖直隔板和若干个水平孔板。本发明提出一种制冷剂均分的竖直集管组件，其可以实现制冷剂均分。

Description

制冷剂均分的竖直集管组件、微通道换热器和热泵系统

技术领域

本发明涉及一种制冷剂均分的竖直集管组件、微通道换热器和热泵系统。

背景技术

换热器是热泵系统的重要组成部分。在全年运行过程中，热泵系统的运行工况可分为制冷工况和制热工况。其中制冷工况包含额定制冷、中间制冷和最小制冷工况；制热工况包含额定制热、中间制热和最小制热工况。

当在夏季制冷工况运行时，室内换热器作为蒸发器使用；当在冬季制热工况运行时，室外换热器作为蒸发器使用。当换热器作为蒸发器时，其入口为气液两相制冷剂。将气液两相制冷剂分配到每个支路或通道过程中，存在着严重的分配不均匀问题。有些通道内液相制冷剂较少，出现“干蒸”现象；而有些富含液相制冷剂，出现“出口带液”现象。“干蒸”使得换热面积无法充分利用，而“出口带液”造成系统波动，这严重恶化了系统性能。

微通道换热器因其换热性能好、充注量小、成本低，广泛应用于热泵系统中。微通道换热器主要由集管和微通道扁管组成，主要通过集管将两相制冷剂分配到微通道扁管中。由于考虑到排水和结霜的问题，换热器通常竖直放置。然而，竖直集管内的两相制冷剂由于同时受到重力和相分离的影响，更容易产生严重的分配不均，从而对系统性能造成严重恶化。

另外，在额定工况、中间工况和最小工况时，蒸发器入口两相制冷剂质量流量不同，会产生不同的分配特性。比如在额定工况下由于进口两相制冷剂质量流量较大，液相制冷剂更容易冲到微通道换热器的顶部，造成上部通道液相制冷剂多，下部通道气相制冷剂多；而在最小工况运行时，进口质量流量较小，液相制冷剂在重力的影响下容易进入下面通道，而上面通道的气相制冷剂较多。因此，有必要设计一种在不同工况条件的都可以实现制冷剂均匀分配的微通道换热器。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种制冷剂均分的竖直集管组件，其可以实现制冷剂均分。

本发明解决上述问题的技术方案是：

第一方面，本发明提出一种制冷剂均分的竖直集管组件，其特殊之处在于：

包括下竖直集管、上竖直集管、固定中心均匀孔板、微通道扁管；

所述下竖直集管与上竖直集管连通，固定中心均匀孔板固定在上竖直集管底部；上竖直集管的侧壁竖直插入若干个微通道扁管；

上竖直集管内设有内插件，内插件包括一个中间实心圆柱、若干个竖直隔板和若干个水平孔板；中间实心圆柱的底面与固定中心均匀孔板之间存在间隙，中间实心圆柱位于上竖直集管内的中心，竖直隔板在中间实心圆柱的侧壁均匀辐射分布，距离微通道扁管最近的两个竖直隔板分别为起始竖直隔板和末端竖直隔板，从起始竖直隔板至末端竖直隔板的竖直隔板的高度逐渐增加；

相邻两个竖直隔板之间形成流体通道，每个竖直隔板顶部对应设置一个水平孔板，每个竖直隔板、与其对应的水平孔板以及末端竖直隔板围城一个独立腔体，每个腔体分别与一个微通道扁管相连通；

固定中心均匀孔板上开1～5个孔，中间实心圆柱的直径需大于固定中心均匀孔板中孔外缘距离l。

进一步地，还包括第一中心均匀孔板，第一中心均匀孔板位于下竖直集管与上竖直集管之间，所述第一中心均匀孔板的上下两端分别与上竖直集管和下竖直集管通过螺纹连接，第一中心均匀孔板与固定中心均匀孔板接触；

所述固定中心均匀孔板上的中心开一个中心孔，中心孔的外围设有1～4个孔，所述第一中心均匀孔板上的通孔与第一中心均匀孔板的开孔型式完全相同。

当第一中心均匀孔板相对于固定中心均匀孔板转动时，使得第一中心均匀孔板的通孔与固定中心均匀孔板的通孔重合的面积发生变化，进而调节了气液相的流通面积，实现了不同工况下的均匀分配。

进一步地，上述水平孔板包含实心区域和流通区域，实心区域与其对应的竖直隔板围城一个独立腔体。

进一步地，上述水平孔板的实心区域上还设有小孔流通区域，每个流体通道对应一个小孔流通区域。

进一步地，上述固定中心均匀孔板通过钎焊固定在上竖直集管底部。

进一步地，还包括外齿轮、驱动电机；第一中心均匀孔板的外壁设有齿，该齿与外齿轮实现啮合，驱动电机驱动外齿轮转动，从而带动第一中心均匀孔板转动。

外齿轮和驱动电机在热泵系统不同的工况下都可实现均匀分配。通过外齿轮和驱动电机调节第一中心均匀孔板，使得第一中心均匀孔板的流通区域与固定中心均匀孔板的实心区域叠加，进而调节了气液相的流通面积，实现了不同工况下的均匀分配。

第二方面，本发明还提出一种微通道换热器，其特殊之处在于：

包括上述制冷剂均匀分配的竖直集管组件、制冷剂进口管、制冷剂出口竖直集管、制冷剂出口管、水侧进口管、水侧进口竖直集管、水侧出口竖直集管、水侧出口管、微通道扁管和流通水两侧微通道扁管。其中，制冷剂进口管与制冷剂均匀分配的竖直集管组件的下竖直集管连通，制冷剂出口管与制冷剂出口竖直集管连通，微通道扁管的两端分别插入到制冷剂均匀分配的竖直集管组件和制冷剂出口竖直集管中，流通水两侧微通道扁管的两端分别竖直插入水侧进口竖直集管、水侧出口竖直集管中。

第三方面，本发明还提出一种热泵系统，其特殊之处在于：

包括室内机和室外机，室内机和室外机采用上述的微通道换热器。热泵系统能在全年工况下实现制冷剂的均匀分配，从而实现了水与制冷剂的高效均匀换热，提升了系统性能、降低了系统能耗。

第四方面，本发明还提出另外一种微通道换热器，其特殊之处在于：

包括制冷剂均匀分配的竖直集管组件、制冷剂进口管、制冷剂出口竖直集管、制冷剂出口管、电池组件。其中，制冷剂进口管与制冷剂均匀分配的竖直集管组件的下竖直集管连通，制冷剂出口管与制冷剂出口竖直集管连通，微通道扁管的两端分别插入到制冷剂均匀分配的竖直集管组件和制冷剂出口竖直集管中，电池组件和微通道扁管可以通过具有一定厚度的连接铝板连接。电池组件内嵌到连接铝板内，连接铝板则焊接至微通道扁管上，该换热器保证了电池在直冷过程中的均温性。

本发明的优点：

(1)本发明设计了一种制冷剂均分的竖直集管组件，在不同的运行工况下，可以实现制冷剂的均匀分配，其中利用中心均匀孔板和内插件配合实现制冷剂的均匀分配，工艺简单，可靠性强。

(2)本发明设计了两种制冷剂均匀分配的微通道换热器：一种微通道换热器实现了水与制冷剂的高效均匀换热，将其作为热泵系统的室内机和室外机，提升了系统性能，降低了系统能耗，通过制冷剂的均匀分配，避免了“出口带液”导致的系统震荡，而且实现了制冷剂与水的高效均匀换热；另一种微通道换热器用于电动汽车的电池热管理中，保证了电池在直冷过程中的均温性，避免了局部高温带来的电池“热失效”。

附图说明

图1是本发明提出的制冷剂均匀分配的竖直集管组件的结构图；

图2是可转动中心均匀孔板和固定中心均匀孔板的结构图；

图3是内插件的结构图；

图4是另一种内插件的结构图；

图5是中心均匀孔板与内插件配合实现均匀分配的原理图；

图6是增加了驱动装置的制冷剂均匀分配的竖直集管组件的示意图；

图7是一种微通道换热器实施例；

图8是另一种微通道换热器实施例。

图中所示：1下竖直集管，3上竖直集管，5微通道扁管，6外齿轮，7驱动电机，8第一中心均匀孔板，9固定中心均匀孔板，10内插件，21制冷剂进口管，22制冷剂均匀分配的竖直集管，23制冷剂出口竖直集管，24制冷剂出口管，25水侧进口管，26水侧进口竖直集管，27水侧出口竖直集管，28水侧出口管，5流通制冷剂微通道扁管，30流通水的两侧微通道扁管，31电池组件,32连接铝板，101中间实心圆柱，102第一级竖直隔板，103第二级竖直隔板，104第三级竖直隔板，105第四级竖直隔板，106第五级竖直隔板，107第六级竖直隔板，111第一级水平孔板，112第二级水平孔板，113第三级水平孔板，114第四级水平孔板，115第五级水平孔板，121第一级独立腔体，122第二级独立腔体，123第三级独立腔体，124第四级独立腔体，125第五级独立腔体，126第六级独立腔体，1101第一级水平孔板流通区域，1102第二级水平孔板流通区域，1103第三级水平孔板流通区域，1104第四级水平孔板流通区域，1105第五级水平孔板流通区域，1111第一级水平孔板实心区域，1112第二级水平孔板实心区域，1113第三级水平孔板实心区域，1114第四级水平孔板实心区域，1115第五级水平孔板实心区域。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1

参见图1，本发明提出一种制冷剂均分的竖直集管组件，包括下竖直集管1、上竖直集管3、第一中心均匀孔板8、固定中心均匀孔板9、微通道扁管5。第一中心均匀孔板8位于下竖直集管1与上竖直集管3之间，所述第一中心均匀孔板8的上下两端分别与上竖直集管3和下竖直集管1通过螺纹连接，第一中心均匀孔板8与固定中心均匀孔板9接触。

所述下竖直集管1与上竖直集管3通过第一中心均匀孔板8连通，固定中心均匀孔板9固定在上竖直集管3底部；上竖直集管3的侧壁竖直插入若干个微通道扁管5。

上竖直集管3内设有内插件10，参见图3，内插件10包括一个中间实心圆柱101、若干个竖直隔板和若干个水平孔板；中间实心圆柱101的底面与固定中心均匀孔板9之间存在间隙，中间实心圆柱101位于上竖直集管3内的中心。本实施例中，六个竖直隔板在中间实心圆柱101的侧壁均匀辐射分布，距离微通道扁管5最近的两个竖直隔板分别为起始竖直隔板和末端竖直隔板，起始竖直隔板和末端竖直隔板分别为第一级竖直隔板102和第六级竖直隔板107。所述固定中心均匀孔板9上的中心开一个中心孔，中心孔的外围设有1～4个孔，所述第一中心均匀孔板8上的通孔与第一中心均匀孔板8的开孔型式完全相同，中间实心圆柱101的直径需大于固定中心均匀孔板9中孔外缘距离l。

从起始竖直隔板至末端竖直隔板的竖直隔板的高度逐渐增加；相邻两个竖直隔板之间形成流体通道，每个竖直隔板顶部对应设置一个水平孔板，每个竖直隔板、与其对应的水平孔板以及末端竖直隔板围城一个独立腔体。其中第一级竖直隔板102、第六级竖直隔板107与第一级水平孔板111围成第一级独立腔体121，第二级竖直隔板103、第六级竖直隔板107与第二级水平孔板112围成第二级独立腔体122，第三级竖直隔板104、第六级竖直隔板107与第三级水平孔板113围成第三级独立腔体123，第四级竖直隔板105、第六级竖直隔板107与第四级水平孔板114围成独立腔体124，第五级竖直隔板106、第六级竖直隔板107与第五级水平孔板115围成第五级独立腔体125，第五级水平孔板115与上竖直集管3顶部围成第六级独立腔体126。

参见图5，所述通过第一中心孔板8和固定中心孔板9以及内插件10实现均匀分配的原理为：气液两相制冷剂通过第一中心孔板8和固定中心孔板9后，气相膨胀使得液相破碎成小液滴，促进了气液两相的均匀混合。从第一中心孔板8和固定中心孔板9出来的均匀气液两相直接以高速撞击到中间实心圆柱101上，然后均匀散落至各个独立腔体中，然后流入对应的微通道扁管中。

参见图3，所述第一级水平孔板111、第二级水平孔板112、第三级水平孔板113、第四级水平孔板114、第五级水平孔板115，分别包含实心区域和流通区域。

第一级水平孔板实心区域1111、第二级水平孔板实心区域1112、第三级水平孔板实心区域1113、第四级水平孔板实心区域1114、第五级水平孔板实心区域1115的面积逐渐增加，第二级水平孔板流通区域1102、第三级水平孔板流通区域1103、第四级水平孔板流通区域1104、第五级水平孔板流通区域1105的流通区域面积从1101～1105逐渐减少。

当第一中心均匀孔板2相对于固定中心均匀孔板4转动时，使得第一中心均匀孔板2的通孔与固定中心均匀孔板1的通孔重合的面积发生变化，进而调节了气液相的流通面积，实现了不同工况下的均匀分配。

在本发明的一些实施例中，参见图2，上述固定中心均匀孔板4上开孔数目为5个，中间一个中心孔，中心孔周围设置四个小孔。所述第一中心均匀孔板2上的通孔与第一中心均匀孔板2的开孔型式完全相同。中间实心圆柱101的直径需大于固定中心均匀孔板9中孔外缘距离l。所述固定中心均匀孔板4可以通过钎焊固定在上竖直集管3底部。

在本发明的一些实施例中，参见图6，上述制冷剂均分的竖直集管组件还包括外齿轮6、驱动电机7；第一中心均匀孔板8的外壁设有齿，该齿与外齿轮6实现啮合，驱动电机7驱动外齿轮6转动，从而带动第一中心均匀孔板2转动。

通过外齿轮6和驱动电机7调节第一中心均匀孔板8，使得第一中心均匀孔板8的流通区域与固定中心均匀孔板9的实心区域叠加，进而调节了气液相的流通面积，实现了不同工况下的均匀分配。

在本发明的一些实施例中，参见图4，所述水平孔板的实心区域上还设有小孔流通区域，每个流体通道对应一个小孔流通区域。小孔流通区域包括若干个小孔，小孔的设置使气液两相流在流经流体通道时，更好地破碎成小液滴，促进了气液两相的均匀混合。

实施例2

本实施例提出的制冷剂均分的竖直集管组件与实施例1提出的竖直集管组件从结构上相比，省去了第一中心均匀孔板2，下竖直集管1与上竖直集管3直接连通。该固定中心均匀孔板4的设置使本实施例仍然可以实现制冷剂在额定工况下的均匀分配。

实施例3

参见图6，本发明还提出一种微通道换热器，包括上述制冷剂均匀分配的竖直集管组件、制冷剂进口管21、制冷剂出口竖直集管23、制冷剂出口管24、水侧进口管25、水侧进口竖直集管26、水侧出口竖直集管27、水侧出口管28、微通道扁管5和流通水两侧微通道扁管30。其中，制冷剂进口管21与制冷剂均匀分配的竖直集管组件22的下竖直集管1连通，制冷剂出口管24与制冷剂出口竖直集管23连通，微通道扁管5的两端分别插入到制冷剂均匀分配的竖直集管组件22和制冷剂出口竖直集管23中，流通水两侧微通道扁管30的两端分别竖直插入水侧进口竖直集管26、水侧出口竖直集管27中。

该微通道换热器包括上述的制冷剂均匀分配的竖直集管组件，由此，该微通道换热器也含有上述制冷剂均匀分配的竖直集管组件的所有功能和效果，此处不再赘述。

实施例4

本发明还提出一种热泵系统，包括室内机和室外机，室内机和室外机采用上述的微通道换热器。热泵系统能在全年工况下实现制冷剂的均匀分配，从而实现了水与制冷剂的高效均匀换热，提升了系统性能、降低了系统能耗。

实施例5

参见图7，本发明还提出另外一种微通道换热器，包括上述制冷剂均匀分配的竖直集管组件、制冷剂进口管21、制冷剂出口竖直集管23、制冷剂出口管24、电池组件25。其中，制冷剂进口管21与制冷剂均匀分配的竖直集管组件22的下竖直集管1连通，制冷剂出口管24与制冷剂出口竖直集管23连通，微通道扁管5的两端分别插入到制冷剂均匀分配的竖直集管组件22和制冷剂出口竖直集管23中，电池组件25和微通道扁管5可以通过具有一定厚度的连接铝板32连接。电池组件25通过螺钉内嵌到连接铝板32内，连接铝板32则焊接至微通道扁管上。该换热器保证了电池在直冷过程中的均温性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种制冷剂均分的竖直集管组件，其特征在于：

包括下竖直集管(1)、上竖直集管(3)、固定中心均匀孔板(9)、微通道扁管(5)；

所述下竖直集管(1)与上竖直集管(3)连通，固定中心均匀孔板(9)固定在上竖直集管(3)底部；上竖直集管(3)的侧壁竖直插入若干个微通道扁管(5)；

上竖直集管(3)内设有内插件(10)，内插件(10)包括一个中间实心圆柱(101)、若干个竖直隔板和若干个水平孔板；中间实心圆柱(101)的底面与固定中心均匀孔板(9)之间存在间隙，中间实心圆柱(101)位于上竖直集管(3)内的中心，竖直隔板在中间实心圆柱(101)的侧壁均匀辐射分布，距离微通道扁管(5)最近的两个竖直隔板分别为起始竖直隔板和末端竖直隔板，从起始竖直隔板至末端竖直隔板的竖直隔板的高度逐渐增加；

相邻两个竖直隔板之间形成流体通道，每个竖直隔板顶部对应设置一个水平孔板，每个竖直隔板、与其对应的水平孔板以及末端竖直隔板围城一个独立腔体，每个腔体分别与一个微通道扁管(5)相连通；

固定中心均匀孔板(9)上开1～5个孔，中间实心圆柱(101)的直径需大于固定中心均匀孔板(9)中孔外缘距离l。

2.根据权利要求1所述的一种制冷剂均分的竖直集管组件，其特征在于：

还包括第一中心均匀孔板(8)，第一中心均匀孔板(8)位于下竖直集管(1)与上竖直集管(3)之间，所述第一中心均匀孔板(8)的上下两端分别与上竖直集管(3)和下竖直集管(1)通过螺纹连接，第一中心均匀孔板(8)与固定中心均匀孔板(9)接触；

所述固定中心均匀孔板(9)上的中心开一个中心孔，中心孔的外围设有1～4个孔，所述第一中心均匀孔板(8)上的通孔与第一中心均匀孔板(8)的开孔型式完全相同。

3.根据权利要求2所述的一种制冷剂均分的竖直集管组件，其特征在于：

所述水平孔板包含实心区域和流通区域，实心区域与其对应的竖直隔板围城一个独立腔体。

4.根据权利要求1所述的一种制冷剂均分的竖直集管组件，其特征在于：

所述水平孔板的实心区域上还设有小孔流通区域，每个流体通道对应一个小孔流通区域。

5.根据权利要求3或4所述的一种制冷剂均分的竖直集管组件，其特征在于：

固定中心均匀孔板(9)通过钎焊固定在上竖直集管(3)底部。

6.根据权利要求2-5任一所述的一种制冷剂均分的竖直集管组件，其特征在于：

还包括外齿轮(6)、驱动电机(7)；所述第一中心均匀孔板(2)的外壁设有齿，该齿与外齿轮(6)实现啮合，驱动电机(7)驱动外齿轮(6)转动，从而带动第一中心均匀孔板(2)转动。

7.一种微通道换热器，其特征在于：

包括如权利要求1-6任一所述的制冷剂均匀分配的竖直集管组件，以及制冷剂进口管(21)、制冷剂出口竖直集管(23)、制冷剂出口管(24)、水侧进口管(25)、水侧进口竖直集管(26)、水侧出口竖直集管(27)、水侧出口管(28)、微通道扁管(5)和流通水两侧微通道扁管(30)；其中，制冷剂进口管(21)与制冷剂均匀分配的竖直集管组件的下竖直集管(1)连通，制冷剂出口管(24)与制冷剂出口竖直集管(23)连通，微通道扁管(5)的两端分别插入到制冷剂均匀分配的竖直集管组件和制冷剂出口竖直集管(23)中，流通水两侧微通道扁管(30)的两端分别竖直插入水侧进口竖直集管(26)、水侧出口竖直集管(27)中。

8.一种热泵系统，其特征在于：

包括室内机和室外机，室内机和室外机采用如权利要求7所述的微通道换热器。

9.一种微通道换热器，其特征在于：

包括如权利要求1-6任一所述的制冷剂均匀分配的竖直集管组件，以及制冷剂进口管(21)、制冷剂出口竖直集管(23)、制冷剂出口管(24)、电池组件(25)；其中，制冷剂进口管(21)与制冷剂均匀分配的竖直集管组件的下竖直集管(1)连通，制冷剂出口管(24)与制冷剂出口竖直集管(23)连通，微通道扁管(5)的两端分别插入到制冷剂均匀分配的竖直集管组件和制冷剂出口竖直集管(23)中，电池组件(25)和微通道扁管(5)通过连接铝板(32)连接，电池组件(25)内嵌到连接铝板(32)内，连接铝板(32)固定至微通道扁管(5)上。

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