CN1221775C - 叠层式热交换器和制冷循环 - Google Patents
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Abstract
一种包括多个层叠板的叠层式热交换器，在该热交换器中，多个弯曲成锯齿形的传热管设置成与各板的每个表面接触，并且各板如此地叠置，以致于处于相邻板的一个上的传热管与处于该相邻的板的另一个上的传热管交叉，并且还设有多个集流管用来将每个板的多个传热管连接起来，和设有总集流管用来将集流管再连接起来。本发明还提供了包括这种热交换器的制冷循环。
Description
技术领域
本发明涉及一种叠层式热交换器，和一种制冷循环。具体地说，本发明涉及一种用于一蒸发器或一冷凝器形成一制冷循环的板式叠层式热交换器，和一种制冷循环本身。
背景技术
通常，在板式热交换器中，各流道形成在一组叠层板之间，并且具有不同温度的各种流体在这些流道中交替地流动，因此进行热交换。所以这种形式的热交换器具有一个优点，即，其尺寸与诸如壳管式热交换器这样的常规热交换器相比，可在很大程度上降低。
板式热交换器用的人字型板具有一人字型波浪形热交换器表面，该表面从该板的纵向中心线向下朝两个方向倾斜，并且利用冲压一薄金属片，例如一不锈钢板制成。这些板被垂直反向交替地叠置起来，从而形成该板式热交换器。
当该板式热交换器用作一制冷循环的一蒸发器或一冷凝器时，高压制冷剂和低压水在该板形成的各流道中交替地流动。在人字型板式热交换器中，耐压强度借助于波浪型传热表面的波峰之间的接触而提高。然而，完全杜绝制冷剂的泄漏是很困难的。此外，使用诸如不锈钢之类的高刚性金属材料作为该板的材料是必不可少的，这对制造会存在一定的限制。进一步地，为了防止制冷剂的泄漏，各叠层板整体是由钎焊固定的。各板的钎焊需要高的复杂生产技术和设备，从而将导致高的成本。
更进一步地，因压阻的原因，工作压力的上极限值保持在大约3.1MPa，将这种类型的热交换器用到一使用诸如R410A和二氧化碳之类的高压制冷剂的制冷循环中是很困难的。由于各板是利用金属薄板冲压制成的，因此压模占初始成本的比例很高，所以，在成本方面，很难自由设置传热表面的形状和尺寸，使之满足制冷循环需要的热交换器的具体要求。
通常，借助于将多个传热板叠层起来而构成的板式热交换器是公知的，并且例如在日本专利JP-A-2000-292079的说明书中公开了。在这种热交换器中，制冷剂的流入孔沿该热交换板的宽度方向设置在中心部分，以便防止流体在各板之间的流道中产生弯流。此外，例如在JP-A-2001-50611的说明书中公开了一种板式热交换器，在该板式热交换器中，与各板之间的流道连通的各垂直孔设置在流入孔部分，从而促使在各流道中流动的制冷剂形成紊流，以便使制冷剂均匀分布。
在上述现有技术中，很难做到既改善各板之间的流道中的弯流，又改善流体在各流道中的均匀分布。此外，当使用叠层式热交换器作为蒸发器或冷凝器时，水和制冷剂的分布特性必须特别高，以便促进热交换器的尺寸变小，或改善该热交换器的性能，或避免结冰的危险。更进一步地，如果各板完全由钎焊相互固定，以便提高制冷剂一侧流道的耐压性，则各板不能再拆卸，所以粘附到水一侧流道的板表面上的脏物就不能被去除。
此外，在板式热交换器中，在通常的工作条件下，由于流体在狭窄且扁平的流道内迅速流动，因此压力损失通常都较高。例如，在一冷却装置中，水一侧流道中的压力损失可以保持为某一数值或更低，这一点与水泵有关。然而，水一侧流道中的压力损失如果太小，将导致热交换器的尺寸增大。
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种叠层式热交换器和制冷循环，其适合于高压制冷剂，尺寸较小，压力损失较低，设计自由度较高，并且可以再组装，水和制冷剂的分布较好，制冷剂不泄漏。此外，本发明的另一个目的是为了使粘附到水一侧流道的板表面上的脏物便于去除，以便节省制冷循环的能量。
本发明的内容
为了实现上述目的，本发明提供了一种叠层式热交换器，包括多个层叠板，在该热交换器中，多个弯曲成锯齿形的传热管设置成与各板的每个表面接触，并且各板如此地叠置，以致于处于相邻板的一个上的传热管与处于该相邻的板的另一个上的传热管交叉，还设有有集流管，将每个板的传热管连接起来，和设有总集流管将这些集流管再连接起来。
更进一步地，最好，还设有分别连接到该总集流管上的制冷剂管；一个具有进水口和出水口并装纳各板，各集流管和总集流管的密封壳体。
更进一步地，最好，设置有多个散水板，所述的散水板相对该进水口和出水口倾斜，并且在其表面形成有许多孔。
更进一步地，各传热管应该弯曲成正弦波形。
更进一步地，各传热管应该弯曲成S形。
为实现本发明的上述目的，本发明还提供了一种叠层式热交换器，包括多个层叠板，其特征在于在该热交换器中，多个弯曲成锯齿形的传热管设置得与各板的每个表面接触，并且各板如此地叠置，以致于与每个板的一个表面接触的各传热管与与每个板的另一表面接触的各传热管产生交叉，和还设有多个集流管用来将每个板的多个传热管连接起来的各集流管，和设有多个总集流管用来将这些集流管再连接起来。
更进一步地，本发明提供一种制冷循环，该循环具有一主回路和一辅助回路，在该主回路中，主制冷剂通过一压缩机，一室外热交换器，一膨胀阀和中间热交换器进行循环，在该辅助回路中，一辅助制冷剂通过该中间热交换器，一泵和一室内热交换器进行循环，其中，该中间热交换器具有多个板和多个传热管，该传热管弯曲成锯齿形，并布置得与每个板的每个表面接触，各板被如此地层叠起来，以致于与每个板的一个表面接触的各传热管将与每个板的另一个表面接触的各传热管产生交叉，并且设有多个集流管将每个板的传热管连接起来，和设有总集流管将这些集流管再连接起来。
更进一步地，最好用天然制冷剂作为主制冷剂，水作为辅助制冷剂。
附图说明
本发明的其它目的，特性和优点可以从下面参照各附图对本发明的各实施例的说明中更清楚地了解。
附图的简要说明
图1是本发明的一叠层式热交换器的第一实施例的一分解图；
图2是表示图1所示的第一实施例的各板叠置起来的状态的一平面图；
图3是图2所示的板的一平面图；
图4是本发明的叠层式热交换器的一第二实施例的一板的一平面图；
图5是本发明的另一实施例的叠层式热交换器的一分解图；
图6是表示处于图5所示第二实施例时的流动情况的一剖视图；
图7是本发明的叠层式热交换器的一第三实施例的分解图；
图8是表示图7所示第三实施例的集流管的细节的一剖视图；
图9是本发明的叠层式热交换器的第四实施例的一分解图；
图10是本发明的叠层式热交换器的第五实施例的一分解图；
图11是表示用在图9和图10中所示第四和第五实施例中的一组传热管的一平面图；
图12是表示用在本发明的叠层式热交换器的一实施例中的一制冷循环的一方框图。
具体实施方式
下面参照图1-4说明本发明的叠层式热交换器的第一实施例。
图1-4表示一叠层式热交换器，该热交换器由许多板1构成，该板1由一金属薄片制成，并与弯曲成正弦波形或锯齿形的管形传热管2，2’的表面接触。制冷剂在该传热管2内部流动，水在其外部流动。该传热管2，2’由处于各管上面和下面的各集流管3，3’连在一起，而各集流管3，3’由上下总集流管4，4’连在一起。此外，在总集流管4，4’上方和下面设置有制冷管5，5’。用作热交换器关键部分的各板1以及散水板11插装在一壳体6内，该壳体具有一进水口9和一出水口10。该壳体6由法兰7用螺丝，铆钉等固定到端盖8上。
图2-4示出了传热管2，2’的弯曲及布置形式的示例。在图2所示的示例中，传热管2，2’弯曲成正弦波或锯齿形，并设置得同时与板1的两面接触。图3表示弯曲成正弦波或锯齿形的传热管2，2’设置得只与板1的一面接触。在图4所示示例中，弯曲成S形外加锯齿形的传热管2，2’设置得同时与板1的两面接触。
在图2和图4所示的板1中，当各板1处于叠置起来的状态时，形成一种类似于人字型板的叠置形式。在图3所示的各板中，当各板叠置起来时，在各板1之间形成一锯齿形流道布置。在该实施例中，由于制冷剂在一管形(圆筒形或管形)的各传热管2，2’中流动，可保持高的耐压性，因此，只要管不发生破裂，就不会存在制冷剂泄漏的危险。所以，尽管是层叠形式的，这样的热交换器也可适用于使用诸如R410A和二氧化碳之类的高压制冷剂的制冷循环。
水一侧的流道形成在各叠层板1之间。水通过设置的进水口9流入壳体6中，并且流过各板1之间后，通过出水口10流出。尽管水一侧的流道由法兰7密封，其压力比制冷剂一侧的压力低很多，因此，即使水发生泄漏，这种泄漏的影响也远小于制冷剂一侧的影响。此外，即使制冷循环的蒸发温度降低，因此而在传热管2，2’的外表面上产生结冰成为冷冻状态，由于传热管2，2’周围具有足够的空间，因此整个流道的堵塞现象也不会发生。
当叠层热交换器的该实施例用作一冷却装置的水-制冷剂热交换器时，如下所述，由于热交换器的性能和重力的影响，将形成一股完全的逆流。在热交换器用作蒸发器的情况下，使制冷剂流过较下面的集流管3，并流过传热管2，2’，然后，通过较上面的集流管3’流出。在另一方面，使水流过处于上侧的进水口9，并在各板1之间流动，然后，通过下侧的出水口10流出。相反，在热交换器用作冷凝器的情况下，使制冷剂流过较上的集流管3’，再流过传热管2，2’，然后通过较下面的集流管3流出。在另一方面，使水从该较下面的一侧流入，在各板1之间流动，然后从较上的一侧流出。在使用诸如R407C之类的非共沸混合制冷剂的情况下，完全的逆流对改善制冷循环的效率特别有效。
此外，在制冷剂一侧，借助于细微加工，在传热管2，2’中形成细微的翅片，可以获得高的管内传热效率。在水这一侧，当水在各板1之间流动时，产生三维紊流，借助于该紊流，可获得更大的传热促进效果。此外，该三维紊流可防止水垢粘附在板1的表面上。
利用这种结构，可在制冷剂和水之间得到优良的传热性能，并且与壳管式热交换器之类的热交换器相比，这种热交换器的尺寸可以大大减低。此外，水一侧的压力损失较低，因此热交换器可以制造得较小且紧凑。更进一步地，由于水一侧的流道宽度可制造得大于人字形板式热交换器的流道宽度，因此水一侧的压力损失可以小到人字型板式热交换器的压力损失的1/10或更小。在热交换器用于一冷却装置的情况下，水泵的动力可以降低，因此热交换器的大小可以制造得更小。此外，在传热管内流动的制冷剂压力损失也可以变得与室内空调用的普通翅片管式热交换器的压力损失相当。
借助于使法兰7可以拆卸，构成为热交换器的主要部分的各板1可以拆卸出来。因此，即使水垢粘附到各板1的表面上，它也可以很容易地去除。如果粘附到水一侧流道的板表面上的脏物被定期去除，那么其性能就可以恢复，所以，制冷循环可以节省能量消耗。
在集流管一侧的各散水板的表面相对于进水口9和出水口10倾斜，并且各表面都设置有许多孔15。因此，当水在各板1之间流动期间水流的分布可以改善。此外，从制冷剂管5中来的制冷剂流过总集流管4和集流管3的两级分布部分，这样就可以改善分布特性。
图5表示本发明的叠层热交换器的一第二实施例，其中，与图1所示第一实施例相比，省去了各散水板11。如图6所示，从进水口9来的水与总集流管4’撞击，并朝各个方向散布，然后，由集流管3’进行节流。这就为水的散布提供了合适的阻力，因此，从进水口9来的水流可以保持合适的分布，这就产生了这样的优点，即，进水部分和出水部分的结构可以简化。
图7表示本发明的叠层是热交换器的第三实施例，其中，壳体6只有三个侧面，剩下的一个侧面是一个设置得与板1相邻的侧盖13。进水口9和出水口10的底部设计为一扩散器12，并且在其内部设置有各散水板11，各散水板由一平板构成，形成有许多孔15。用于连接各传热管2的集流管3的侧面与制冷剂管5相连，其细节示出在图8中。集流管3具有双重结构，即，该集流管3是如此构成的，以致于封闭制冷剂管5的一端部，许多孔15形成在该端部附近，并且形成有许多孔15的该部分插装在用于连接各传热管2的该集流管3中。从制冷剂管5中来的制冷剂通过各孔15均匀地流入该集流管3中。当制冷剂均匀分布在制冷剂集流管3中后，制冷剂流入每个传热管2。因此，流入各传热管2的制冷剂可以更合适地分布在各板1之间。此外，借助于使用扩散器12和散水板11，各板1之间的水流的分布更合适，所以，热交换器可以制造得更紧凑，还可以防止结冰。
图9表示本发明的叠层式热交换器的一第四实施例，其中，一管群借助于利用总集流管4，4’将多个组单元连接起来而形成，其中许多直的传热管2平行设置在各集流管3，3’之间。该管群安装在两侧敞开的壳体6中。该敞开的两侧，每一侧都连接到具有一滤网14的扩散器12上，该扩散器12连接到进水口9和出水口10上。这种结构在传热管的直径较小的情况下，其制造是很有效的。此外，如果各传热管2由总集流管4，4’连接在一起，以致于如图11所示的各弯曲单元的每个单元都反向设置，则在各传热管2外侧流动的水形成象紊流那样的复杂流，所以水一侧的传热改善了。
图10表示本发明的叠层式热交换器的一第五实施例。在集流管3，3’之间设置有许多直的小直径传热管2。各集流管3，3’弯曲成锯齿形。各总集流管4，4’连接到各集流管3，3’的侧面。各制冷剂管连接到各集流管3，3’的相对侧。在该实施例中，管群的连接比图9所示热交换器更容易。此外，该热交换器即使在该传热管2外面流动的流体是诸如空气之类的气体的情况下也是有效的。更进一步地，由于传热管2内侧的耐压特性高，因此，可以方便地使用诸如二氧化碳之类的高压特性制冷剂。
图12表示使用上述各实施例所述的叠层式热交换器的制冷循环。该制冷循环由一个主回路和一个辅助回路构成，制冷剂在该主回路中循环，而水(或盐水)在该辅助回路中循环。在该主回路中，设置有一个中间热交换器21，一压缩机23，一四通阀25，一室外热交换器22，一膨胀阀24等等。而在该辅助回路中设置有一流动调节阀27和一室内热交换器28。该主回路一侧由压缩机23驱动，并且一个已经说明的叠层热交换器用作该中间热交换器21和室外热交换器22。该辅助回路一侧具有一个室内单元并由一泵26驱动，该单元包括流动调节阀27，室内热交换器28等等。
当一房间变冷时，从压缩机23来的高温高压制冷剂气体由室外热交换器22冷却并冷凝成高温制冷剂液体。该制冷剂液体由膨胀阀24进行绝热膨胀成为低温低压的两相状态，并在中间热交换器21中吸热蒸发，成为低温低压制冷剂气体。然后，该制冷剂气体回到压缩机23中。在另一方面，在中间热交换器21中的水(或盐水)借助于制冷剂的蒸发进行冷却，并引入由泵26驱动的室内单元中。然后，在室内热交换器28中进行热交换，借助于这种热交换冷却房间内的空气。在这一制冷循环中，使用的制冷剂的量可以降低，并且制冷循环可以更紧凑。此外，借助于使用叠层式热交换器可以防止该制冷剂进入室内空间。从而可以防止当使用可能具有毒性或可能是易燃的天然制冷剂，例如HC制冷剂和氨时发生危险。更进一步地，由于该热交换器具有耐高压的强度，因此，在使用二氧化碳制冷剂时，该制冷循环可以在高压侧的压力为大约10MPa，低压侧的压力为大约5MPa的情况下下运行。
根据本发明，可以提供一种适用于高压制冷剂的小尺寸的叠层式热交换器，该热交换器中，压力损失较低，设计自由度较高，该热交换器是可以再组装的，水和制冷剂的分布较好，没有制冷剂泄漏，并具有一个使用上述热交换器的制冷循环。
通过上述根据本发明的各实施例已经作出的说明，本技术领域的普通技术人员将更进一步地懂得：本发明并不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明的精神实质和所附的各权利要求的范围的情况下，可以作出各种改变和修改。
Claims (12)
1.一种叠层式热交换器，包括多个层叠板，其特征在于在该热交换器中，多个弯曲成锯齿形的传热管设置成与各板的每个表面接触，并且各板如此地叠置，以致于处于相邻板的一个上的传热管与处于该相邻的板的另一个上的传热管交叉，并且还设有多个集流管用来将每个板的多个传热管连接起来，和设有总集流管用来将这些集流管再连接起来。
2.如权利要求1所述叠层式热交换器，其特征在于还包括分别连接到所述总集流管上的各制冷剂管；和一个具有进水口和出水口并装纳各所述板，各所述集流管和所述总集流管的密封壳体。
3.如权利要求2所述叠层式热交换器，其特征在于还包括多个散水板，所述的散水板相对所述进水口和出水口倾斜，并且在其表面上形成有许多孔。
4.如权利要求1所述叠层式热交换器，其特征在于，所述多个传热管弯曲成正弦波形。
5.如权利要求1所述叠层式热交换器，其特征在于，所述多个传热管弯曲成S形。
6.一种制冷循环，该循环具有一主回路和一辅助回路，在该主回路中，主制冷剂通过一压缩机，一室外热交换器，一膨胀阀和中间热交换器进行循环，在该辅助回路中，一辅助制冷剂通过该中间热交换器，一泵和一室内热交换器进行循环，
其中，所述中间热交换器具有多个板，其特征在于所述中间热交换器还设有多个传热管，所述的传热管弯曲成锯齿形，并布置得与每个所述板的每个表面接触，各所述板被如此地层叠起来，以致于在相邻板的一个上的各传热管将与各相邻板的一个上的各传热管产生交叉，并且设有多个集流管用来将每个板的多个传热管连接起来，和设有总集流管用来将这些集流管再连接起来。
7.如权利要求6所述制冷循环，其特征在于，一天然制冷剂作为所述主制冷剂，水作为所述辅助制冷剂。
8.一种叠层式热交换器，包括多个层叠板，其特征在于在该热交换器中，多个弯曲成锯齿形的传热管设置得与各板的每个表面接触，并且各板如此地叠置，以致于与每个板的一个表面接触的各传热管与与每个板的另一表面接触的各传热管产生交叉，和还设有多个集流管用来将每个板的多个传热管连接起来，和设有多个总集流管用来将这些集流管再连接起来。
9.如权利要求8所述叠层式热交换器，其特征在于还包括分别连接到所述总集流管上的各制冷剂管；和一个具有进水口和出水口并装纳各所述板，各所述集流管和所述总集流管的密封壳体。
10.如权利要求9所述叠层式热交换器，其特征在于还包括多个散水板，所述的散水板相对所述进水口和出水口倾斜，并且在其表面上形成有许多孔。
11.如权利要求8所述叠层式热交换器，其特征在于，所述多个传热管弯曲成正弦波形。
12.如权利要求8所述叠层式热交换器，其特征在于，所述多个传热管弯曲成S形。
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