CN1854667A - 复合螺旋管构件热交换器 - Google Patents

Abstract

一种复合螺旋管构件热交换器，包括相互隔离的、有传热介质通过其中的在水平方向上左右分布的两个腔体和贯穿该两个腔体的转轴，两个腔体内各设有以所述转轴为中心轴的空心螺旋管构件，两个腔体内的空心螺旋管构件通过节流阀和回流管可连接成封闭的流体回路，当在所述封闭的流体回路中充有工质、并由外部驱动该流体回路做绕转轴轴心旋转时，其中一个腔体内的空心螺旋管构件对外散热，另一个腔体内的空心螺旋管构件对外吸热，并且所述空心螺旋管构件包括至少两层空心螺旋管，各层空心螺旋管之间可直接连通，也可通过双端口流路器件连通。本热交换器结构，为采用离心制冷原理的设备的大规模生产提供了可能。

Description

复合螺旋管构件热交换器

技术领域

本发明涉及利用封闭管道里工质的物态相变换制冷和发热的热交换设备，特别是涉及其中工质冷凝和蒸发是依靠螺旋管旋转来实现的热交换设备。

背景技术

现有技术涉及的利用封闭管道里工质的物态相变换制冷和发热的热交换设备，通常采用压缩机等运动部件与工质直接作用，来达到工质由于压力变化而冷凝和蒸发的目的。这种热交换设备存在效率较低、机械损耗较大、整体结构复杂和不易维护等问题。

正是由于上述问题的存在，人们一直在寻求可能的、用以替代现有压缩机技术的其它技术途径来构建热交换设备。现有的一种离心制冷部件的构建方案，是通过在由空心螺旋管构成的封闭流体回路里填充工质，通过转轴带动两组空间上分布在两个腔体内的空心螺旋管构件转动，两个腔体内的空心螺旋管构件通过其一为毛细管、其另一为回流管的两个双端口流路器件连接成一封闭的流体回路，所述毛细管位于两空心螺旋管构件之间，而回流管则在水平方向上左右贯穿两空心螺旋管构件。该技术方案是通过工质的离心运动来达到：一组空心螺旋管构件对外吸热、另一组空心螺旋管构件对外散热，从而实现热交换。虽然该方案给出了离心制冷的原理性指导，但由于其结构上的难以实现，到今天为止，也未能实现大规模地生产。基于上述技术方案，人们在不断探寻采用离心制冷原理的热交换设备的可能的实现方法，以达到最终的大规模生产的目的。现有的一种离心热交换器的改良方案，是试图通过改变空心螺旋管构件中螺旋管的结构，以及回流管的结构来克服原有技术存在的缺陷。

中国专利ZL 03247628中公开了一种改良的、较容易实现的螺旋管构件热交换器，它的工作原理是：当外部动力带动转轴旋转时，封闭腔体内工质在第一个腔体内的空心螺旋管内形成惯性作用力，该作用力的方向与封闭腔体内的空心螺旋管旋转方向相反，工质的惯性作用力大小与该腔体内的空心螺旋管的缠绕直径和角速度有关：缠绕直径越大，作用力越大；角速度越大，作用力越大。由于封闭腔体内的空心螺旋管由多匝组成，工质的惯性作用力在封闭腔体内的空心螺旋管的每匝内形成叠加的关系，所以在该腔体内的空心螺旋管内，由一端到另一端工质的压力是逐步增大的。同理，在第二腔体内，一端工质的压力也比另一端大。通过选择适当的转速、工质以及工质填充量，就可以形成工质在封闭腔体内的循环运动。

在两个腔体的空心螺旋管之间选择两个端口，安装一个流量控制阀，来控制工质由一端流向另一端的流量大小，由于流量控制阀的作用，在第一腔体内的空心螺旋管内的工质不能及时完全通过到第二腔体内的空心螺旋管，这样在第一腔体内的空心螺旋管内的工质造成过剩，形成正压力，正压力的大小与第一腔体内的空心螺旋管的缠绕直径、该空心螺旋管的角速度以及通过流量控制阀的流量大小有关：缠绕直径越大，压力越大；角速度越大，压力越大；流量越大，压力越小。这个过程就实现了工质的冷凝过程。

经过流量控制阀的工质到达第二腔体内的空心螺旋管，由于流量控制阀的作用，流到第二腔体内的空心螺旋管内的工质不足以充满该空心螺旋管的内部空间，所以工质在该空心螺旋管内形成负压力，呈蒸发状态，负压力的大小与第二腔体内的空心螺旋管的缠绕直径、该空心螺旋管的角速度以及通过流量控制阀的流量大小有关：缠绕直径越大，压力越小；角速度越大，压力越小；流量越大，压力越大。这个过程实现工质的蒸发过程。

可见，工质在空心螺旋管的各匝间是呈递增趋势的，那么，为了达到最终的实际制冷需要，就可能要绕制较多的匝数，这必然导致整个热交换器的体积的增大，从而阻碍了设备的大规模生产。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术存在的不足，通过改变空心螺旋管的结构，以减小热交换器的物理尺寸，为采用离心制冷原理的热交换设备的大规模生产提供可能。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，生产制造一种复合螺旋管构件热交换器，包括相互隔离的、有传热介质通过其中的在水平方向上左右分布的两个腔体和贯穿该两个腔体的转轴，两个腔体内各设有以所述转轴为中心轴的空心螺旋管构件，两个腔体内的空心螺旋管构件通过节流阀和回流管可连接成封闭的流体回路，当在所述封闭的流体回路中充有工质、并由外部驱动该流体回路做绕转轴轴心旋转时，其中一个腔体内的空心螺旋管构件对外散热，另一个腔体内的空心螺旋管构件对外吸热，其特征在于：

所述空心螺旋管构件包括至少两层空心螺旋管，各层空心螺旋管之间可直接连通，也可通过双端口流路器件连通；

所述每层空心螺旋管包括至少一匝空心螺旋管，在多于一匝时，各匝空心螺旋管之间可直接连通，也可通过双端口流路器件连通；

所述空心螺旋管可是单通道的，也可是双通道或多通道并行的；

在空心螺旋管是双通道或多通道并行时，针对每个通道可设立单独的节流阀和/或回流管，或者，由多个通道复用一个节流阀和/或回流管。

所述用以连接两层空心螺旋管的双端口流路器件和/或用以连接两匝空心螺旋管的双端口流路器件包括过渡管，该过渡管可是变径的，也可是不变径的。

所述节流阀通径的大小和/或所述转轴的转速，可进行人工/自动调节。

所述每层空心螺旋管，各匝空心螺旋管可是等幅并且匝间距相等，也可是不等幅、不等匝间距。

所述用以连接两空心螺旋管构件的回流管，为一与所述转轴平行的直管或者以所述转轴为中心轴的空心螺旋管；

所述直管和/或空心螺旋管可是变径的，也可是不变径的；

所述空心螺旋管可是等幅、等匝距的，也可是不等幅、不等匝距的。

当所述回流管是直管时，所述转轴是空心的，该直管位于转轴的轴心；

当所述回流管是空心螺旋管时，该空心螺旋管是与旋转轴相同轴心的蚊香管形或等幅螺旋管形等构成。

所述每层空心螺旋管上的各匝空心螺旋管采用翅片/肋条进行固定，在所述翅片上可设有便于传热介质运动的开孔；

所述各层空心螺旋管，可采用从最外层空心螺旋管的翅片/肋条出发穿过、并与各层螺旋管的翅片/肋条固定，到达并固定在旋转轴上的穿透型肋条进行固定，也可采用从一层空心螺旋管的翅片/肋条或者从两层空心螺旋管之间的翅片/肋条出发，到达并固定在旋转轴上的独立型肋条进行固定。

所述空心螺旋管的截面形状为圆、椭圆、方型等，内壁与外壁各自可光滑，也可粗糙。

所述每层空心螺旋管，可以用导热性能良好的预制管道弯制，也可用冲压、铸造、吹涨等工艺来形成该螺旋管通道。

所述腔体内，可设有传热介质的缓冲室，在该缓冲室与所述空心螺旋管构件间设有一其上有开孔的传热介质引导板。

同现有技术相比，采用本发明的复合螺旋管构件热交换器，为采用离心制冷原理的设备的大规模生产提供了可能。

附图说明

图1为本发明复合螺旋管构件热交换器实施例的整体结构示意图。

图2为现有技术的一种空心螺旋管组件的结构示意图。

图3为现有技术的另一种空心螺旋管组件的结构示意图。

图4为本发明复合螺旋管构件热交换器的两层螺旋管实施例的分层结构示意图。

图5为本发明复合螺旋管构件热交换器的三层螺旋管实施例的分层结构示意图。

图6为本发明复合螺旋管构件热交换器的传热介质引导板实施例的结构示意图。

图7为本发明复合螺旋管构件热交换器的空心螺旋管组件实施例一的结构示意图。

图8为本发明复合螺旋管构件热交换器的空心螺旋管组件实施例二的原型结构示意图。

图9为本发明复合螺旋管构件热交换器的空心螺旋管组件实施例三的原型结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示之各典型实施例对本发明予以进一步的详尽说明。

首先，结合如图2所示的现有结构一，对本发明的复合螺旋管构件热交换器的制冷原理进行说明。其中，图2a是螺旋管组件的整体示意，图2b是螺旋管组件中回流管置于空心转轴里的结构示意，图2c是带翅片的螺旋管组件的整体示意。

当外部动力带动转轴如图2中所示方向旋转，封闭腔体内工质在构件2a的空心螺旋管内形成惯性作用力，该惯性作用力的方向与构件2a的空心螺旋管旋转方向相反，工质的惯性作用力大小与构件2a的空心螺旋管的缠绕直径和角速度有关：缠绕直径越大，作用力越大；角速度越大，作用力越大。由于构件2a的空心螺旋管由多匝组成，工质的惯性作用力在构件2a的空心螺旋管的每匝内形成叠加的关系，所以在构件2a的空心螺旋管内，由a端到b端工质的压力是逐步增大的。

同理，d端内工质的压力比c端大。由于a端是工质的低压端，所以当d端内工质的压力大于a端内工质的压力时，工质可以自动由d端流向a端，这样工质就具有固定的流向，即：从a端流经b端再流经c端，最后流到d端，再由d端经旋转轴内部通道返回到a端，形成循环运动。

在b端和c端间安装一个流量控制阀来控制由b端流向c端的工质流量大小，由于流量控制阀的作用，构件2a的空心螺旋管内工质不能及时完全通过到c端，这样在构件2a的空心螺旋管内的工质造成过剩，形成正压力，正压力的大小与构件2a的空心螺旋管的缠绕直径、该空心螺旋管的角速度以及通过流量控制阀的流量大小有关，有：缠绕直径越大，压力越大；角速度越大，压力越大；流量越大，压力越小。这个过程就实现了工质的冷凝过程。

经过流量控制阀的工质到达构件2b的空心螺旋管，由于流量控制阀的作用，流到构件2b的空心螺旋管内的工质不足以充满该空心螺旋管的内部空间，所以工质在该空心螺旋管内形成负压力，呈蒸发状态，负压力的大小与构件2b的空心螺旋管的缠绕直径、该空心螺旋管的角速度以及通过流量控制阀的流量大小有关，有：缠绕直径越大，压力越小；角速度越大，压力越小；流量越大，压力越大。这个过程实现工质的蒸发过程。

连接空心螺旋管和转轴的翅板，当转轴旋转时，两匝螺旋管间形成螺旋风槽，增加空气在空心螺旋管表面的热交换效率，同时也起到加固空心螺旋管的作用。

如果令转轴按图2所示相反方向旋转，工质流动方向将会相反，冷、热腔体的位置对调。冷、热腔体内的传热介质，比如：空气的流动方向也正好相反，排气、进气扇的安装位置也要对调。

其次，结合如图3所示的现有结构二，对与本发明的制冷原理类似的技术进行说明。其中，图3a是螺旋管组件的整体示意，图3b是螺旋管组件中回流管置于空心转轴里的结构示意。

该类似技术的螺旋管组件由两部分组成，第1部分是哑铃状的螺旋管主体，第2部分是轴内的回流通道，在哑铃状螺旋管的中间部位设有一个变形节。

这种结构的优点是：当达到稳定的工作状态时，高压区和低压区的压力分布都比规律；缺点是：结构的扩展性差、工作室空间利用率低，即：哑铃状的螺旋管每增加一匝，都会扩大螺旋管的总体尺寸，所需工作室的体积就会大幅度增加；轴内通道仅仅起到回流的单一作用，增压效果微弱，由于它的轴内通道是螺旋状的，轴内通道的长度将会增长，所以，会增大工质在轴内通道流动的阻力；还给加工和安装都带来不便，不管是哑铃状部分或轴内通道部分，在加工和固定方面都比较复杂，不利于批量加工和生产。

把本发明所采用工作原理，与类似技术相比较，可见区别在于：螺旋管主体特征不同；螺旋管主体可以用翅片与轴连接；轴内通道的主体是一段直管，而由这些区别带来的好处有：

主体结构有多种方案，其中以图2a的结构最为简单、有效；

螺旋管与轴和/或相邻两匝螺旋管之间可以用翅片固定，结构牢固、增大工作面积；

轴内通道的主体可以是直管，回流路程最短，减少工质在回流管内的阻力；

在同等螺旋管表面积的情况下，需要的工作室体积更小。

为了实现螺旋管组件的物理上小尺寸，并且容易制造的目的，本发明的复合螺旋管构件热交换器采用复合式结构，具体方法是在空间上把两层或两层以上的螺旋管进行套接：

如图4所示的两层结构有，每个螺旋管组件由两层嵌套连接而成，处于里面的一层由图4a-1和图4b-1示出，处于外面的一层由图4a-2和图4b-2示出，各层螺旋管的缠绕方向，说明如下：

在图4a-1中，从“1”端看进去，是按照顺时针的方向自“1”端向“2端缠绕的，“1”端为起点，“2”端为终点；

在图4b-1中，从“5”端看进去，是按照顺时针的方向自“5”端向“6”端缠绕的，“5”端为起点，“6”端为终点；

在图4b-2中，从“7”端看进去，是按照逆时针的方向自“7”端向“8端缠绕的，“7”端为起点，“8”端为终点；

在图4a-2中，从“3”端看进去，是按照逆时针的方向自“3”端向“4端缠绕的，“3”端为起点，“4”端为终点。

两层螺旋管的组合方法：将图4a-2所示的螺旋管，套在图4a-1所示的螺旋管外面；同理，将图4b-2所示的螺旋管，套在图4b-1所示的螺旋管外面。

两层螺旋管之间可以有多种连通方式，现例举如下：

1：管道的连接次序为：1、2、3、4、5、6、7、8、1

其中：在端口4与5之间有一个节流阀，在端口8与1之间接轴心回流管；

那么，螺旋管内工质的流动方向与螺旋管的旋转方向相反，即：工质是从8→7→6→5→4→3→2→1→8，完成工质的循环过程。其中工质在节流阀的入口处：端口5的压力是最高的，节流阀出口处：端口4的压力是最低的，右端的螺旋管组合是冷凝段，左边的螺旋管组合是蒸发段。工质完成在螺旋管内的流动，最后由端口1端经过回流管通道回流到端口8。

2：管道的连接次序为：5、6、7、8、3、4、1、2、5

其中：在端口8与3之间有一个节流阀，在端口在2与5之间接轴心回流管；

3：管道的连接次序为：1、2、5、6、7、8、3、4、1

其中：在端口8与3之间有一个节流阀。这种连接方法的优点是可以省去轴心回流管，回流的功能由端口1与2和端口5与6两段螺旋管完成，端口1与2和端口5与6两段主要起增压兼回流的作用。在端口2与5、端口6与7或端口4与1之间可以安装一段变径管。

只要保证管道从起点到终点是封闭的、不重复、不遗漏的连通起来即可。节流阀的安装位置、变径管的安装与否都是可以选择的。具体连接方法并不限于以上列举的三种连接方法。

如图5所示的叁层结构有，每个螺旋管组件由叁层嵌套连接而成，处于里面的一层由图5a-1和图5b-1示出，处于中间的一层由图5a-2和图5b-2示出，处于外面的一层由图5a-3和图5b-3示出，各层螺旋管的缠绕方向，说明如下：

在图5a-1中，从“1”端看进去，是按照顺时针的方向自“1”端向“2”端缠绕的，“1”端为起点，“2”端为终点；

在图5b-1中，从“7”端看进去，是按照顺时针的方向自“7”端向“8”端缠绕的，“7”端为起点，“8”端为终点；

在图5b-2中，从“9”端看进去，是按照逆时针的方向自“9”端向“10”端缠绕的，“9”端为起点，“10”端为终点；

在图5a-2中，从“3”端看进去，是按照逆时针的方向自“3”端向“4”端缠绕的，“3”端为起点，“4”端为终点；

在图5a-3中，从“5”端看进去，是按照顺时针的方向自“5”端向“6”端缠绕的，“5”端为起点，“6”端为终点；

在图5b-3中，从“11”端看进去，是按照顺时针的方向自“11”端向“12”端缠绕的，“11”端为起点，“12”端为终点。

叁层螺旋管的组合方法：将图5a-2所示的螺旋管套在图5a-1所示的螺旋管外面，又将图5a-3所示的螺旋管套在图5a-2所示的螺旋管外面；同理，将图5b-2所示的螺旋管套在图5b-1所示的螺旋管外面，又将图5b-3所示的螺旋管套在图5b-2所示的螺旋管外面。

叁层螺旋管之间可以有多种连通方式，现例举如下：

1：管道的连接次序为：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、1

其中：在端口6与7之间有一个节流阀，在端口1与12之间接轴心回流管；

那么，螺旋管内工质的流动方向与螺旋管的旋转方向相反，即：工质是从12→11→10→9→8→7→6→5→4→3→2→1→12，完成工质的循环过程。其中工质在节流阀的入口处：端口7端的压力是最高的，节流阀出口处：端口6端的压力是最低的，右端的螺旋管组合是冷凝段，左边的螺旋管组合是蒸发段。工质完成在螺旋管内的流动，最后由端口1端经过回流管通道回流到端口12。

2：管道的连接次序为：1、2、3、4、5、6、11、12、9、10、7、8、1

其中：在端口6与11之间有一个节流阀，在端口1与8之间接轴心回流通道；

3：管道的连接次序为：1、2、7、8、9、10、3、4、5、6、11、12、1

其中：在端口2与7或端口10与3或端口6与11之间安装一个节流阀，在端口1与12之间接轴心回流管。

以上只是三种连接方法的列举，仅起到说明连接方法的作用，连接原则是：只要保证管道从起点到终点是封闭的、不重复、不遗漏的连通起来即可，节流阀的安装位置、变径管的安装与否都是可以选择的。

可见，本发明所述的两层或两层以上的复合螺旋管构件热交换器采用复合式结构，其特点在于：

1、旋转轴的轴心往外看，是一层套接着另外一层的；

2、从旋转轴的轴心水平放置来看，不论每段螺旋管的起点在左侧还是在右侧，其绕制方向都是一致的。这是优选的绕制方法，只有遵循这样的绕制方法，两段螺旋管之间顺滑连接的路程最短；

3、在上述优选的绕制方法中，每段螺旋管可以与之相邻的一段螺旋管顺滑的串接起来。所述相邻，包括内、外相邻和左、右相邻；

4、当内、外相邻的两段螺旋管串接，由于同在一个腔体，组成复合螺旋管的功能是相同的，即：同为冷凝端或同为蒸发端；

5、当左、右相邻的两段螺旋管串接，由于跨越两个腔体，组成螺旋管的功能是不同的，即：一段属于冷凝端，另一段则属于蒸发端；

6、连接内、外两段螺旋管的部分叫过渡管，过渡管可以与螺旋管相同通径，也可以与螺旋管不同通径，优选为过渡管的通径小于螺旋管的通径；

7、连接左、右两段螺旋管的部分叫节流阀或回流管，节流阀是一段比螺旋管通径小的管道或是一个可调节流量的阀门，回流管可以与螺旋管相同通径，也可以与螺旋管不同通径，优选为回流管的通径小于螺旋管的通径。

8、从上述情况来看，复合螺旋管左、右两个腔体之间有至少两个部分连通，构成流体回流，即：其一为节流阀；另其一为回流管；

回流管或过渡管以及包括需要连通的两层螺旋管组件之间的过渡管，所述过渡管是一段斜管，可以是变径管道、也可以是不变径的管道，也可以是两种管道的混合运用；

每个螺旋管组件可以是等幅、等匝距的，可以是不等幅、不等匝距的，而等幅等间距的应用是相对优选的方案。

由于采用多层的螺旋管结构，使有效的热交换面积得到大幅度的提高；由于采用多层的螺旋管结构，增压效果明显的提高，可以降低对整体构件旋转速度的要求，实现节能、延长工作寿命和产品化容易实现的优点；由于采用多层的螺旋管结构，与类似技术相比，每增加一层螺旋管，所需增加的工作室空间较小。为了缩短工质在多层螺旋管内的运动距离，可将本发明所述的螺旋管改用双通道或多通道的并行通道。

螺旋管的安装与固定：

层间的固定方法：不论是奇数层还是偶数层，在实施时，每匝螺旋管之间、每层螺旋管之间、螺旋管与旋转轴之间都需要固定，才能使之成为一个整体投入使用。

同一层螺旋管之间的固定：可采用翅片固定，翅片起到每两匝螺旋管之间的固定，同时也起到增大热交换面积的作用，考虑到每层螺旋管组件的热交换的效果，在翅片适当的位置开有孔位，使传热介质，如空气可以透过孔位，均匀的渗透到内部各层螺旋管表面；

同一层的螺旋管之间也可以用横向、斜向或交叉状的肋条固定，同样可以起到上述翅片的作用；

每层螺旋管之间以及与旋转轴的固定：选取每层螺旋管翅片的适当位置，用径向，也就是指向轴心的穿透型肋条支撑、固定每层螺旋管，穿透型肋条是从最外层螺旋管的翅片穿过各层螺旋管的翅片，到达旋转轴并与旋转轴固定在一起。

肋条与各层翅片的连接，可以用螺纹、螺母固定，也可以用铆接、焊接的工艺固定，也可以几种连接方式混合使用。

独立型肋条：肋条可以是上述的从最外层翅片穿过各层翅片直接到达旋转轴，也可以是每两层的螺旋管翅片之间采用独立的肋条，包括最内层螺旋管与旋转轴之间的肋条也是独立的。即每两层之间的肋条可能都是交错分布的。这种每层独立的肋条可以安装在两层翅片之间，也可以安装在两层螺旋管的外侧之间，因为无需穿透，所以安装的位置没有限制。用独立的肋条，也可以将每层螺旋管之间以及与旋转轴固定起来。独立的肋条与两层翅片之间的连接可以用螺纹、螺母固定，也可以用铆接、焊接的工艺固定，也可以几种连接方式混合使用。肋条在螺旋管的外侧可以使用焊接或一体化制造工艺。

穿透型肋条和独立型肋条可以混合使用。肋条的截面可以是圆柱形、椭圆形、长条形、不规则形状等任何形状。

热交换介质的均匀渗透

在本发明的结构中，由于采用复合螺旋管构件，每层螺旋管参与热交换的工作面有两个，所以，在整个复合螺旋管构件中，参与热交换的工作面有多个，所以，需要考虑热交换器工作时热交换介质，比如空气的均匀渗透，才能使热交换的效果达到最佳。

除了上述提到过的在每层螺旋管的翅片上开孔之外，还可以将如图1中的每个工作腔体2a、2b的热交换介质由入口1、3先引入一个缓冲室5，再由朝着螺旋管组件一面的介质引导板6，其结构如图6所示，将热交换介质均匀引入热交换组件的工作腔体2a、2b。在所述介质引导板6上分布着许多小孔，这样，在热交换介质泵，如鼓风机的作用下，热交换介质通过热交换介质引导板上均匀分布的小孔，可以均匀地进入螺旋管组件所在的工作腔体，达到最佳的热交换效果。

同理，还可以在每组热交换工作腔体2a、2b的出口设置一个热交换介质缓冲室，热交换介质由热交换工作室先进入缓冲室，再由缓冲室通向出口2、4。

所述热交换介质引导板的外形可以是圆形、方形以及其他形状，引导板上分布的小孔可以是圆形、椭圆形以及其他形状，也可以是多种形状的小孔混合分布，位于引导板中心较大的孔是旋转轴的孔位。

管道内压力的形成和流动原理

工质在管道内完成热交换功能，主要是由于螺旋管组合在旋转时，工质受到两个作用力的影响来完成热交换功能的。

在螺旋管旋转时：工质受到离心力和自身惯性力的作用。

增压与流动的正反馈过程：由于工质，特别是液态的工质，受到离心力的作用而产生压力。同时，由于工质的压力的升高，其密度也是随之增大，密度增大又会导致离心力、惯性力的进一步增大，这是增压与增流的正反馈过程。

压力与流速的稳定：随着螺旋管组件连续的旋转，最终表现为：1、工质的压力逐步增大：压缩作用；2、流动的趋势也逐步增大：流动的动能。这两个参数与旋转所提供的能量达到平衡状态，即：工质的压力、流速与旋转速度三者达到平衡，热交换器的工作状态也就达到了稳定的最佳状态。

总结上述原理，得出以下结论：

工质产生压力的原理：是工质受到离心力的作用产生的；

工质产生流动的原理：是工质在管道内受到惯性力的作用，惯性力是驱使工质在管道内，产生与旋转方向相反流动的原因。

离心力和惯性力在旋转状态下，相互激励、相互提升，是工质达到所需压力和流速的前提。所以说，旋转是工质产生压力和流动的唯一条件。

考虑到工质受地球引力的影响，螺旋管组件工作时：旋转轴应保持与地面垂直为最佳状态。由于旋转轴垂直与地面，螺旋管和工质都是围绕旋转轴做水平的圆周运动。同时又考虑到热介质，如热空气的密度小，往上升；冷介质，如冷空气的密度大，往下沉的特点，可设置冷凝端在上方，蒸发端在下方的安置方式。

由于本发明所述的复合螺旋管构件热交换器在工作状态时，工质是围绕旋转轴流动的，我们给这种流动方式命名为“纬式”流动。

复合螺旋管构件热交换器组件(以下简称：组件)的热交换过程

条件：在密闭的螺旋管通道内注入适量的液态工质，如制冷剂R12，从组件的工作原理上来看，液态工质应该是通道容积的一半，考虑到旋转状态下，工质会有压缩的作用：体积减少的因素，所以，静止状态下，应适量增加液态工质占通道容积的比例，如60％。以图5所示三层螺旋管组合为例，其热交换过程如下：

当组件静止时，工质自由分布在管道内，没有热交换作用；

当三层螺旋管组件按照上述第一种方法组合后，并按图5a-1中，从“1”端看进去，是按照顺时针的方向的方向旋转，当组件开始旋转后，根据上述流动原理，工质朝着旋转方向相反的方向流动，即：工质的流动方向依次是12→11→10→9→8→7→6→5→4→3→2→1→12，由于端口7与6之间装有节流阀，所以液态工质在端口7处产生节流作用，液态工质不能完全顺利通过节流阀，造成臃积。

在旋转开始后，液态工质是自端口6经过5→3→4→2→1→回流通道→12→11→9→10→8→最终到达端口7，所以我们说，工质都是朝着节流阀端口7端的方向流动的，除了少量工质从节流阀通过之外，大部分工质都臃积在12→11→10→9→8→7，也就是腔体2a的组件内。由于腔体2a单元内充满液态工质，且压力较高，液态工质会产生冷凝现象，所以，我们把腔体2a又称为“冷凝端”；

在冷凝端区间内，液态工质的压力是顺着流动的方向逐步增大的，压力增大的次序依次是：12→11→10→9→8→7，即端口7，也就是节流阀入口处的压力最高。

在一定的热交换介质，如空气温度条件下，当冷凝端的液态工质达到一定的压力时，产生冷凝现象，通过螺旋管内管壁向外管壁向外界传热介质，如空气散热，该过程实现热交换效果之一。

当组件开始旋转后，液态工质全部流向冷凝端，造成腔体2b内的螺旋管内没有液态制冷剂而置空，腔体2b内螺旋管内压力降低。这样，为完成蒸发的作用做好准备。

经过冷凝端冷凝后的高压液态工质通过端口7与6之间的节流阀，高速流向腔体2b内螺旋管的起始端口6，在整个螺旋管通道内，端口7端的压力最高，端口6端的压力最低，所以，节流阀内工质的流速比其他任何螺旋管单元内的工质流速都会快很多，又由于腔体2b内的管道是低压置空的，所以，高压液态的工质从端口7，在一定的热交换介质，如空气温度条件下，通过节流阀流到端口6，发生气化、雾化，产生蒸发现象，实现工质由液态变成气态的相变过程。

蒸发过程在腔体2b内完成，所以，我们把腔体2b称为蒸发端。蒸发过程是气态、雾态工质通过螺旋管内管壁向外管壁吸收外界传热介质，如空气的热量的过程，该过程实现热交换效果之二。

由于蒸发状态的工质向外界吸收热能的，所以，工质在不断吸收外界热能的同时，经过节流阀流到蒸发端的工质也在不断的积累。根据上述流动原理，总体来看，工质是一边向前移动，压力也在逐渐升高，工质在吸收到适量的热能和积累到适当压力的情况下，达到工质凝结的条件，这时，气态工质会逐渐凝结成雾状工质，雾状工质在离心力的作用下，向前移动，最终与冷凝端内的液态工质融合在一起，工质开始下一个周期的热交换过程。工质完成了气态到液态的相变过程。也就完成了一个完整的热交换过程。

综上所述，该螺旋管组件仅在旋转状态下，工质在管道内部可以完成：压力的形成、循环流动的过程、液→气相变和气→液还原相变的全过程，也就是作为空调器、制冷设备所需的全部热传递过程。

将组件逆向旋转，同样可以完成上述全部的热交换过程，由于旋转方向相反，内部工质的流动方向也相反，所以，冷凝端和蒸发端的位置也正好相反。利用这个特点，可以将该组件设计成为冷、热两用的空调或暖通设备。

作为空调器使用时，可以用管道连接蒸发端腔体的出口至室内。在组件旋转方向不变的情况下，只要将连接蒸发端腔体出口的管道转移连接到冷凝端腔体的出口，可以实现由制冷变为制热的不同效果。

在同等情况下，为了进一步改善组件的热交换效果，可以将轴内通道的通径适当变小，也可在相邻两层螺旋管单元中的适当位置增设一段比正常通径小的变形管。变形管可以起到节流作用，局部的提高工质的压力，可以提高工质的流速，改善热交换器组件的热交换效率。

在同等情况下，节流阀通径越大，螺旋管内高压端b点的压力越小、质量流量越大，反之，节流阀通径越小，螺旋管内高压端b点的压力就越大，质量流量就会越小。

在其他条件不变下，旋转速度越快，工质在每个单元出口处的压力就会越高、流速也会越快。反之，旋转速度越慢，工质在每个单元出口处的压力就会越低，流速也会越低。

本发明所述的每层螺旋管通道可以用导热性能良好的管道弯制而成，也可以在两个圆筒型的材料上用冲压或采用铸造等工艺制成两个对称的半圆形螺旋管凹槽，再合并组成相应的螺旋管通道；也可以用吹涨式工艺形成相应的螺旋管通道。冲压、铸造、吹涨式工艺可以将螺旋管通道和翅片合二为一，成为一个整体，这样，不仅可以减少生产加工的工序，也减降低了材料和生产的成本，而结构上更为稳固、耐用。

本发明所述工质压力的高低，是以工质的静态压力为参考的。

实施例一

蚊香管与等幅螺旋管复合

将多个如图7a所示的蚊香管单元的“入口”和“出口”首尾相连，组成如图7b、7c和7d所示的蚊香管组件，其中图7b为正视图，图7c为侧视图，图7d为端视图。图7b中1～8为蚊香管单元编号。蚊香管组件如图7e所示，是由蚊香管单元和翅片组成。每个蚊香管单元利用翅片再与轴固定，组成整体的结构，从图7f和7g可以看出，蚊香管通道是通过翅片与旋转轴连接固定的，翅片起到固定蚊香管单元和旋转轴之间的固定作用之外，还起到增大传热面积的作用。为了进一步增大有效传热面积，在翅片的表面可做一些凹凸不平或开孔的工艺处理。这样做结构简单，容易实现，而且重量轻巧。

蚊香管的通道可以用导热性能良好的管道弯制而成，也可以在两块平板材料上用冲压、铸造等工艺制成两片对称的半圆形螺旋管凹槽，再合并组成蚊香管通道；也可以用吹涨式工艺形成蚊香管通道。冲压、铸造、吹涨式工艺可以将蚊香管和翅片合二为一，成为一个整体，这样，不仅可以减少生产加工的工序，也减少了材料成本，而结构上更为稳固、耐用。

如图7h所示的等幅螺旋管组件有两个端口：左侧端口、右侧端口，中间设有节流阀。

在该实施例中，等幅螺旋管组件可以是单层的、可以是多层的。螺旋管的通道可以用导热性能良好的管道弯制而成，也可以在两个圆筒型的材料上用冲压或采用铸造等工艺制成两个对称的半圆形螺旋管凹槽，再合并组成相应的螺旋管通道；也可以用吹涨式工艺形成螺旋管通道。冲压、铸造、吹涨式工艺可以将螺旋管通道和翅片合二为一，成为一个整体，这样，不仅可以减少生产加工的工序，也降低了材料和生产的成本，而结构上更为稳固、耐用。

等幅螺旋管组件是由螺旋管通道和翅片组成，翅片起到固定螺旋管和增大传热面积的作用。为了进一步增大有效传热面积，在翅片的表面可做一些凹凸不平或开孔的工艺处理。这样做结构简单，容易实现，而且重量轻巧。

蚊香管与等幅螺旋管的组合，如图7i、7j和7k所示，其中图7i为正视图，图7j为侧视图，而图7k为端视图。可见：

其结构特点：

取消了原来的轴内通道，用蚊香管组件代替了原有的轴内通道部分，在该蚊香管组件的外面设置了一层或多层等幅螺旋管组件，将等幅螺旋管组件套在该蚊香管组件的外面，形成蚊香管与等幅螺旋管的组合的整体结构。

其管道连接方法：

蚊香管组件的主体螺旋管结构与图7m所示的现有技术，也就是中国专利ZL 03247628.0“螺旋管构件热交换器”中图2的主体结构相同，区别是：取消了轴内通道和端口4与5之间的节流阀，端口4与5单元之间的节流阀用斜管代替。

将图7b所示蚊香管组件的1单元的入口与图7h所示等幅螺旋管的右侧的端口连通；再将蚊香管组件的8单元的出口与图7h所示的等幅螺旋管的左侧的端口连通，就形成完整的管路通道。

以上只是连接方法的举例，仅起到说明连接方法的作用，连接原则是：只要保证管道从起点到终点是封闭的、不重复、不遗漏的连通起来即可，节流阀的安装位置、变径管的安装与否都是可以选择的。

工质整体的流动过程：

从7c所示的螺旋管组件的右端看进去为逆时针方向旋转时，工质由蚊香管组件的1单元的入口出发流向8单元的出口，再由8单元的出口流入到等幅螺旋管左侧的端口，再由等幅螺旋管左侧的端口流经中间的节流阀流向右侧的端口，最后，再由等幅螺旋管的右侧端口流回到蚊香管组件1单元的入口，完成整个工质的循环流动。

工作原理：

蚊香管组件是增压结构单元。增压原理如下：该螺旋管的典型结构是一种以阿基米德螺旋线为特征形状的管道，(简称：蚊香管)，在蚊香管内有液态工质，如图7a所示，当蚊香管以逆时针方向旋转时，由于前述流动原理的存在，在同一个蚊香管单元内，工质在出口的压力高于入口的压力，在出口处，较高压力的工质通过两个蚊香管单元之间的斜管将工质引导至下一个压力较低的蚊香管单元的入口，依此类推，工质就顺着蚊香管通道形成了单向的流动。

由图7a所示，从蚊香管单元的入口到出口，由于是渐开的结构，半径是逐步增大的，所以，工质从蚊香管的入口到出口沿线的每一个点，其离心力也是逐步增大的，由于离心力的逐步增大，所以工质的压力也是逐步增大的。这是每个蚊香管单元在其出口处的工质压力在本单元内最高的原因。

由于在蚊香管单元内，工质受到离心力的作用，压力是逐步增大的，同时，由于压力的逐步增大，工质所受到的压缩作用也是逐步增大的，所以，其密度也是逐步增大的，密度增大，导致工质的离心力、惯性作用力的进一步增大，最终表现在两个方面：1、工质的压力逐步增大；2、流动的趋势也逐步增大，这是一个良性的增压、增流的正反馈过程，这两个参数与整体蚊香管组件的旋转速度达到一个平衡状态，即：工质的压力、流速与转速三者达到平衡，热交换器的工作状态就达到了稳定的最佳状态。

将多个蚊香管单元按照图7b方式组合，即：将多个蚊香管单元的入口和出口首尾相连，组成蚊香管组件，并给每个蚊香管单元编号，如图7b所示，自右向左，分别定义每个蚊香管单元的编号为：1、2......8，那么，在图7b所示的整个组件在连续旋转状态下，工质是由1单元的入口流向1单元的出口、再由1单元的出口流向2单元的入口、再由2单元的入口流向2单元的出口......依此类推，工质最终流到最后一个单元的出口，同理，由于离心力对工质的作用，使最后一个单元出口的工质流入外层等幅螺旋管组件左侧的端口，工质流过外层等幅螺旋管组件，最终由外层等幅螺旋管组件右端的端口回流到1单元的入口。开始第二次循环流动......如此往复，完成热交换器的连续工作。

当图7a所示的蚊香管单元按照顺时针的方向旋转时，同样也能产生上述相同的效果，只是由于离心力的方向：向外和流动的趋势：向内是相反的，所以在增压效果和流速方面比逆时针方向旋转的情况下要差一些。

由于不论正转或反旋转该组件，都有相同的热交换效果，所以，可以考虑将产品设计成为：只要调整螺旋管组件的旋转方向或调换两个出风管的位置，即可实现冷暖两用的功能。

从上一单元的出口到下一单元的入口的连接部分叫斜管，斜管内工质流动的方向是从上一单元的出口流向下一单元的入口的，即：由半径较大处流向半径较小处，工质流动的方向是与离心力的方向相反，在斜管内，离心力是一个不利因素，为了减小斜管内工质的离心力，可以将斜管的通径减小，使斜管内工质的质量减小、离心力也减小，利于工质流过。这是斜管需要变径的原因。

由于斜管的通径小于蚊香管的通径，在蚊香管出口处造成工质滞留、臃积，从而造成出口处压力的进一步上升，这个压力的上升，表示斜管两端的压力增大，是有利于抵消斜管内工质产生的离心力、是有利于工质流过斜管，而进入下一个蚊香管单元的入口。

从上述工作原理可知，在同等条件下，由于斜管的通径变小，会导致蚊香管单元出口压力的升高，产生节流效应。所以，斜管通径变小比斜管通径不变时工质的质量流量会有明显的提高，螺旋管内质量流量的提高，表示管道内的流速加快、表示热交换器的效率提高，这是一个良性的效果。

只要相应考虑螺旋管在材料的选取、内外两个表面的散热技术上做相应的处理，就能将热交换器的效率全面的体现出来。

由于图7h所示的是一个等幅的螺旋管，当旋转时，等幅螺旋管内工质所受到离心力的大小是一样的，由于惯性作用力的存在，工质的压力沿流动的方向仍然呈递增的趋势，所以，在图7h所示的左侧端口至节流阀之间的区域内，会形成一个压力增幅比较均匀的高压：冷凝作用区域；同理，在图7h所示的节流阀至右侧端口之间的区域内，会形成一个压力增幅比较均匀的低压：蒸发作用区域。

由于图7h所示的等幅螺旋管结构在旋转情况下，同样也具有增压、增流的作用，所以，在其他条件不变的情况下，可以降低转速，这有利于节能和延长该组件的工作寿命。

为了增大热交换器有效的工作区域和表面积，在蚊香管组件外面增设一层或多层等幅螺旋管组件构成。本实施例的结构组合是由蚊香管组件和等幅螺旋管组件组合而成，内部蚊香管组件主要担负对工质增压和回流的作用，外螺旋管组件主要担负冷凝和蒸发作用，由于每层外螺旋管组件是等幅的，压力分布比较均匀和有规律，所以有效的传热面积也会比较大。

与现有技术相比，该实施例结构不需要轴内回流通道，回流功能是蚊香管组件完成的，蚊香管组件在起到增压作用的同时，还完成了回流功能。等幅螺旋管组件可以是一层的结构，也可以是多层的结构，能满足在增加少量体积的情况下，大幅增加热交换的有效面积，能满足不同大小热交换量的需要，这在产品应用中至关重要。

螺旋管组件在旋转状态下，由于结构上不完全对称和工质在管道内运动的原因，会造成偏心现象，解决方法是：根据偏心的具体情况，在翅片上做相应的配重补偿，即可尽可能的消除旋转状态下的偏心现象。

实施例二

将如图8所示的，也就是中国专利ZL03 2 47628.0中图4的螺旋管结构，按照前述的复合螺旋管构件热交换器的方法，将图8的单层结构改造成为多层的螺旋管结构，即：在原来单层哑铃状螺旋管组件的外面，套接一层或多层与原结构相似的哑铃状螺旋管组件，也可以套接等幅螺旋管等其他形状的螺旋管组件。这样，从根本上改善原有技术的一些不足。采用多层螺旋管结构后，可以保持原有的优点，并能克服原有不易增大有效换热面积的缺点，使有效换热面积大幅度增加。

具体做法是：用两个或两个以上如图8所示的相似形螺旋管或等幅螺旋管结构，嵌套起来，并按照前述的连接方法，将嵌套起来的螺旋管连接起来，形成闭合的流体通道。

旋转方式、工质的流动过程以及工作原理与实施例一类似，这里不再赘述。

实施例三

将如图9所示的，也就是中国专利ZL03 2 47628.0中图5的螺旋管结构，按照前述的复合螺旋管构件热交换器的方法，将如图9所示的单层结构改造成为多层的螺旋管结构，即：在原来单层螺旋管组件的外面，套接一层或多层与原结构相似的螺旋管组件，也可以套接等幅螺旋管等其他形状的螺旋管组件。这样，从根本上改善原有技术的一些不足。采用多层螺旋管结构后，可以保持原有的优点，使有效换热面积大幅度增加。

具体做法是：用两个或两个以上如图9所示的相似形螺旋管或等幅螺旋管结构，嵌套起来，并按照前述的连接方法，将嵌套起来的螺旋管连接起来，形成闭合的流体通道。

旋转方式、工质的流动过程以及工作原理与实施例一类似，这里不再赘述。

以上列举的各实施例可以单独使用，也可以混合使用；

螺旋管选用导热性能良好的材料制作，并且可以在螺旋管的内表面和外表面做一些有利于增大表面积的结构处理，以进一步增大热交换器组件的有效工作面积；

螺旋管的截面形状可以是内外光滑；也可以是内光外皱；也可以是内外都皱；

螺旋管通道的主体形状可以是圆形、椭圆型；也可以是方形；也可以是其他形状；

为了增大传热的表面积，可以在翅片的表面可做一些凹凸不平、开孔等工艺处理，还可以做一些防腐蚀、防磨损、防灰尘沾染等工艺处理。

节流阀的特征：通径比与之相连的管道通径小，可以是一段变形节，可以是单独的一段小通径的通道，节流阀的长度没有限制。

节流阀通径越大，螺旋管内高压端b点的压力越小、质量流量越大，反之，节流阀通径越小，螺旋管内高压端b点的压力就越大，质量流量就会越小。

在其他条件不变下，旋转速度越快，工质在每个单元出口处的压力就会越高、流速也会越快。反之，旋转速度越慢，工质在每个单元出口处的压力就会越低，流速也会越低。

本发明所述之复合螺旋管热交换器由于无需使用压缩机，不存在压缩机运动部件，如活塞对工质进行压缩所产生的热工当量，所以工作效率可以较高；进一步地，由于不存在压缩机的活塞或其他机械运动部件与工质接触，所以不需要在工质中添加润滑油，来确保工质的纯度和最佳的热交换效果；

本发明所述之复合螺旋管热交换器由于是全密封的，不会造成工质的泄漏，所以，是一种安全、环保的热交换器。

以上所述之各实施例意在具体说明本发明的思路：1、把多个的空心螺旋管套接起来，以减少换能器的物理尺寸，并提高换能效率；2、把回流管设计成蚊香管形式以提高换能效率，或者设计成与转轴平行的直管以降低制造难度。本发明之实施，并不限于以上典型实施例所公开的方式，凡基于本发明之设计思路，进行简单推演与替换，得到的具体的复合螺旋管构件热交换器，都属于本发明的实施。

Claims (10)

1、一种复合螺旋管构件热交换器，包括相互隔离的、有传热介质通过其中的在水平方向上左右分布的两个腔体和贯穿该两个腔体的转轴，两个腔体内各设有以所述转轴为中心轴的空心螺旋管构件，两个腔体内的空心螺旋管构件通过节流阀和回流管可连接成封闭的流体回路，当在所述封闭的流体回路中充有工质、并由外部驱动该流体回路做绕转轴轴心旋转时，其中一个腔体内的空心螺旋管构件对外散热，另一个腔体内的空心螺旋管构件对外吸热，其特征在于：

所述空心螺旋管构件包括至少两层空心螺旋管，各层空心螺旋管之间可直接连通，也可通过双端口流路器件连通；

所述每层空心螺旋管包括至少一匝空心螺旋管，在多于一匝时，各匝空心螺旋管之间可直接连通，也可通过双端口流路器件连通；

所述空心螺旋管可是单通道的，也可是双通道或多通道并行的；

在空心螺旋管是双通道或多通道并行时，针对每个通道可设立单独的节流阀和/或回流管，或者，由多个通道复用一个节流阀和/或回流管。

2、如权利要求1所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述用以连接两层空心螺旋管的双端口流路器件和/或用以连接两匝空心螺旋管的双端口流路器件包括过渡管，该过渡管可是变径的，也可是不变径的。

3、如权利要求1所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述节流阀通径的大小和/或所述转轴的转速，可进行人工/自动调节。

4、如权利要求1所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述每层空心螺旋管，各匝空心螺旋管可是等幅并且匝间距相等，也可是不等幅、不等匝间距。

5、如权利要求1所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述用以连接两空心螺旋管构件的回流管，为一与所述转轴平行的直管或者以所述转轴为中心轴的空心螺旋管；

所述直管和/或空心螺旋管可是变径的，也可是不变径的；

所述空心螺旋管可是等幅、等匝距的，也可是不等幅、不等匝距的。

6、如权利要求5所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

当所述回流管是直管时，所述转轴是空心的，该直管位于转轴的轴心；

当所述回流管是空心螺旋管时，该空心螺旋管是与旋转轴相同轴心的蚊香管形或等幅螺旋管形等构成。

7、如权利要求1至6任一所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述每层空心螺旋管上的各匝空心螺旋管采用翅片/肋条进行固定，在所述翅片上可设有便于传热介质运动的开孔；

所述各层空心螺旋管，可采用从最外层空心螺旋管的翅片/肋条出发穿过、并与各层螺旋管的翅片/肋条固定，到达并固定在旋转轴上的穿透型肋条进行固定，也可采用从一层空心螺旋管的翅片/肋条或者从两层空心螺旋管之间的翅片/肋条出发，到达并固定在旋转轴上的独立型肋条进行固定。

8、如权利要求1至6任一所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述空心螺旋管的截面形状为圆、椭圆、方型等，内壁与外壁各自可光滑，也可粗糙。

9、如权利要求1至6任一所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述每层空心螺旋管，可以用导热性能良好的预制管道弯制，也可用冲压、铸造、吹涨等工艺来形成该螺旋管通道。

10、如权利要求1至6任一所述的复合螺旋管构件热交换器，其特征在于：

所述腔体内，可设有传热介质的缓冲室，在该缓冲室与所述空心螺旋管构件间设有一其上有开孔的传热介质引导板。

Images