CN101111734A - 具有多孔***物的并流式换热器 - Google Patents

具有多孔***物的并流式换热器 Download PDF

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Abstract

一种并流式(小通道或微通道)蒸发器，其包括插在该蒸发器通道入口处的多孔部件，其提供对致冷剂膨胀和压降的控制，从而消除了致冷剂不良分布并防止了潜在的压缩机溢流。

Description

具有多孔***物的并流式换热器
相关申请的交叉引用
本申请涉及并且要求2005年2月2日申请的美国临时申请No.60/649,425，标题为“PARALLEL FLOW EVAPORATOR INCORPORATINGPOROUS CHANNEL INSERTS(具有多孔式通道***物的并流式蒸发器)”的优先权，在此引入该申请的全文作为参考。
技术领域
本发明总体上涉及空调、热泵和致冷***，更特别是，涉及这些***的并流式蒸发器。
背景技术
所谓并流式换热器的定义被广泛用于空调和致冷工业中，并且指出换热器具有多个平行通道，在该平行通道中，致冷剂以基本垂直于该致冷剂在入口集管和出口集管中的流向的方向分配和流入。该定义在技术界中普遍适用，并且将被用于本文全文。
致冷剂在致冷***的蒸发器中的不良分布是众所周知的现象。其在很大的工作条件范围内引起了蒸发器和***总体性能的明显降低。致冷剂不良分布的出现可能是由于蒸发器通道内部的流阻的差异、外部传热表面上不均匀的空气流分布、不适当的换热器定向或粗劣的集管和分配***设计。不良分布尤其是出现在并流式蒸发器中，这是由于它们对于致冷剂进入各致冷剂流路的的具体设计。为了消除或降低这种现象对并流式蒸发器性能的影响而所做的尝试很少或没有成功。这些失败的主要原因通常与所提出技术的复杂性和低效率或与该方案的极高成本有关。
近年来，不仅是在汽车领域而且在加热、通风、空调和致冷(HVAC&R)工业中，并流式换热器——特别是炉中钎焊(furnace-brazed)的铝换热器——受到了许多关注和注意。使用并流式技术的主要原因与其性能优越、高度的紧凑性和增强的抗腐蚀性有关。并流式换热器现在使用在多种产品和***设计与结构的冷凝器和蒸发器中。尽管有更大的益处和效益，但蒸发器的应用还是有很多挑战和疑难。致冷剂不良分布是在蒸发器应用中执行该技术的一个主要影响和障碍。
如已知那样，在并流式换热器中出现致冷剂不良分布是因为在通道内部和在进口与出口集管中不同的压降以及粗劣的集管和分配***设计。在集管中，致冷剂路径的长度差异、物相分离(phaseseparation)和重力是导致不良分布的主要因素。在换热器通道内部，传热速率的变化、空气流分布、制造公差和重力是主要因素。此外，换热器性能增强的近期趋势是提高其通道的小型化(所谓的小通道和微通道)，这又不利地影响了致冷剂的分布。因为控制所有这些因素是非常困难的，所以之前很多控制致冷剂分布(特别是并流式蒸发器中的致冷剂分布)的努力均失败了。
在使用并流式换热器的致冷***中，进口和出口集管或联箱(这些术语在本文中的使用是可互换的)通常具有一常规圆柱形的形状。当二相流进入该联箱时，汽相通常是与液相分离的。因为这两种物相独立地流动，所以会出现致冷剂不良分布。
如果该二相流以比较高的速度进入该进口集管，则由该流量的动量携带该液相远离该集管入口而到达该联箱的远部。因此，最靠近该集管入口的通道主要接收汽相，而远离该集管入口的通道主要接收液相。另一方面，如果进入该集管的二相流的速度很低，则没有充足的动量来沿该联箱携带液相。结果，液相进入最靠近进口的通道，并且汽相进入最远的通道。同样，该进口集管中的液体和蒸汽可以由重力作用来分离，导致了相似的不良分布后果。在这两种情况中，不良分布现象很快地在蒸发器中呈现并且降低了***总体性能。
此外，不良分布现象可以在一些通道的出口处造成二相(零点过热)状态，在压缩机抽吸口处形成潜在的溢流(flooding)，其可以很快地转为压缩机的故障。
发明内容
因此，本发明的目的是提供克服上述现有技术的问题的***和方法。
本发明的目的是为并流式(微通道或小通道)蒸发器引入压降控制，其将基本上平衡换热器流路上的压降，并因此消除了致冷剂不良分布和与其有关的问题。更进一步，本发明的目的是在每个通道的入口处提供致冷剂膨胀，从而在进口集管中消除主要的二相流(二相流是引起致冷剂不良分布的主要原因之一)。已经发现，在并流式蒸发器的各通道中***多孔介质或者在并流式蒸发器各通道的入口处引入多孔介质，则实现了这些目的。例如，在对整个换热器进行炉内钎焊期间，这些多孔介质***物可以钎焊在每个通道中，以化学方法粘合或用机械方法固定就位。此外，对于低成本应用，这些***物被用作主要(并且是唯一的)膨胀装置，或者，在需要精确过热控制的情况中，恒温膨胀阀(TXV)或电子膨胀阀(EXV)被用作主要膨胀装置，这些***物用作次要膨胀装置。
可以使用能实现上述目的的任何合适的多孔***物。合适且廉价的多孔***物可以由烧结金属、压缩金属制成，比如钢丝棉、专门设计的多孔陶瓷等等。当在并流式蒸发器的各通道中或在并流式蒸发器各通道的入口处放置便宜的多孔介质***物时，其呈现出对蒸发器内的致冷剂流动的主要阻力。在这样的情况中，主要压降区域将出现在这些***物上，而并流式蒸发器的通道中或集管中的压降变化将扮演次要(无关紧要的)的角色。更进一步，因为在每个通道的入口处发生致冷剂膨胀，占主要的单相液体致冷剂流过该进口集管，当该多孔***物用作主要并且唯一的膨胀装置时尤其是这样。这样就获得了均匀的致冷剂分布，提高了蒸发器和***的性能，同时，未失去精确的过热调节(只要需要时)。此外，所提出方法的极低成本使本发明非常有吸引力。
附图说明
为了更进一步了解本发明的目的，结合附图参考以下对本发明的详细说明，其中：
图1是根据现有技术的并流式换热器的示意图。
图2是本发明的一个实施例的局部侧面剖视图。
图3是本发明的位于通道入口处的多孔***物的端视图。
图4是图3中所示的多孔***物的透视图。
图5a是本发明另一实施例的侧面剖面图。
图5b是本发明又一实施例的侧面剖面图。
图6是本发明一个实施例中多个通道的端视图。
图7a是示出本发明的多孔盖实施例的透视图。
图7b是示出第二多孔盖实施例的透视图。
图7c是示出第三多孔盖实施例的透视图。
具体实施方式
参照图1，作为一个例子，所图示的并流式(微通道或小通道)换热器10包括进口联箱或集管12、出口联箱或集管14和多个平行布置的通道16，这些通道16将进口集管12流体连接到出口集管14。通常，该进口集管12和出口集管14是圆柱形的，并且该通道16是具有扁的或圆形横截面的管(或挤压成型物)。通道16通常具有多个内部和外部传热增强元件，比如翅片。例如，通常有炉中钎焊(furnace-brazed)的外部翅片18，这些外部翅片18均匀布置在通道之间并用于增强热交换过程和结构刚度。通道16也可以具有内部热传递增强和结构元件。
在工作中，致冷剂流入该入口20并进入进口集管12的内部空腔22中。成液体、蒸汽或液体与蒸汽的混合物(在蒸发器具有位于上游的膨胀装置的场合下，这是最典型的情况)形式的致冷剂从该内部空腔22进入通道开口24，以便经过该通道16进入该出口集管14的内部空腔26中。致冷剂从该内部空腔26(在蒸发器应用的情况下，该致冷剂此时通常为蒸汽形式)流出该出口28，然后进入压缩机(未示出)。在通道16的外部，通过送风装置(如风扇(未示出))使得空气在通道及连带的翅片18上流动(优选是均匀流动)，以便在通道外部流动的空气与通道中的致冷剂之间进行热传递相互作用。
根据本发明的一个实施例，在每个通道16的入口处***多孔***物30。当通道16具有诸如支承部件16a(图3)的内部结构元件时(通常是用于提高结构刚度和/或增强热传递的目的)，并且当支承部件16a位于通道的入口处时，该多孔***物30具有槽32，以容纳该支承部件16a。更进一步，如果希望由***物30或32来提供不同程度的膨胀和/或水力阻抗，例如用于抵消影响这些通道16间的致冷剂分布的上述其他因素，可以改变***物的诸如孔隙度值或几何尺寸(***物深度、***深度等)等特性，以便为每个通道16获得所需效果。
图5a示出了另一个实施例，其中，这些通道16的全部入口由位于集管40内的单个多孔部件34来覆盖。更进一步，可以使用支承部件36来在集管40内协助建立多孔部件34与通道16的相对位置。应该注意到，由多孔部件34和支承部件36构成的组件可以制成为并组合成为由多孔材料制成的单一部件。
图5b是图5a中的结构的更进一步的实施例，其中，该多孔部件是两种不同多孔材料34和34a的复合物。显然，该多孔部件内的复合材料的数量可以多于两种。
图6示出了图5a的侧视图。
图7a示出了单件式长型多孔部件34b，其在离通道入口预定距离处密封多个通道16。
图7b示出了一种长型多孔部件34c，其盖住了多个通道16的端部。
图7c是对图7b结构的改进，其中，多孔部件34d在形状上准确地盖住通道16的端部。该多孔部件34d的形状可以具有任何适当的结构，而非矩形横截面。更进一步，该多孔部件34d最好在集管40内安置成使得集管40的内壁与多孔部件34a之间有间隙，从而允许致冷剂在进入该多孔部件34d和通道16之前有更均匀的分布。
应该理解，可以使用能实现本发明目的的任何类型的多孔部件和/或材料。同样，如图2到图7所示，任何能实现本发明目的的设计或结构都可以应用在本发明的使用中。
并且要注意到，在冷凝器和蒸发器应用中，该多孔***物也可被用在中间集管内。例如，如果换热器具有一个以上的致冷剂通路，则在该换热器的设计中加入中间集管(在进口集管和出口集管之间)。在中间集管中，致冷剂一般以两相状态存在，且该换热器结构同样可以通过将多孔***物加入到该中间集管中从本发明受益。而且，为了只是提供流体阻力均匀性和压降控制，可以将多孔***物放入冷凝器的进口集管和蒸发器的出口集管中，并且对换热器总体性能的影响较小。
对于特定应用，由于造成进入通道16中的致冷剂的不良分布的各种因素通常在设计阶段就已经知道了，发明人已经发现能够引入这些设计特征来抵消这些因素，以便消除它们对蒸发器和***总体性能的不利影响，并消除有可能发生的压缩机溢流和故障。例如，在很多情况下，通常知道致冷剂是以高速还是低度流入该进口集管中，并且知道这些速度值是如何影响该不良分布现象的。本领域的技术人员将认识到如何将本发明的教导应用到其他的***特性中。
尽管已经参照如附图所示出的优选模式来说明和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该了解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，在细节和结构方面可以有各种变化。

Claims (40)

1.一种并流式(小通道或微通道)换热器，包括：
沿纵向延伸的进口集管，该进口集管具有用于引导流体流进入所述进口集管的入口和用于沿横向引导来自所述进口集管的流体流的多个出口；
多个通道，该多个通道以基本平行的关系排列，并且流体连接至所述多个出口，用于引导来自所述进口集管的流体流；和
出口集管，该出口集管流体连接至所述多个通道，用于接收来自该通道的流体流；
其中，所述换热器包括安置在所述换热器的流动路径中的至少一个多孔部件。
2.如权利要求1所述的并流式换热器，其中，所述换热器是蒸发器。
3.如权利要求1所述的并流式换热器，其中，所述换热器是冷凝器。
4.如权利要求1所述的并流式换热器，其中，所述多孔部件的形式是设置在至少一个通道中的***物。
5.如权利要求4所述的并流式换热器，其中，所述多孔***物被安置在通道入口处。
6.如权利要求5所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置成邻近该通道入口。
7.如权利要求5所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在该通道的内部。
8.如权利要求1所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在该进口集管中或与该进口集管成直接的流体连通。
9.如权利要求1所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在该出口集管中或与该出口集管成直接的流体连通。
10.如权利要求1所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在中间集管中或与该中间集管成直接的流体连通。
11.如权利要求1所述的多孔***物，其中，制造所述***物的材料选自金属和陶瓷。
12.如权利要求1所述的多孔***物，其中，制造所述***物的材料选自：烧结金属、压缩金属、金属棉或金属线。
13.如权利要求1所述的多孔***物，其中，所述***物纵向地沿集管安置。
14.如权利要求1所述的多孔***物，其中，在所述***物和集管内壁表面之间有间隙。
15.如权利要求1所述的多孔***物，其中，所述***物是由至少两种不同***物构成的复合物。
16.如权利要求1所述的多孔***物，其中，所述***物的横截面是非矩形的。
17.如权利要求16所述的多孔***物，其中，所述***物的横截面是圆的一部分。
18.如权利要求1所述的多孔***物，其中，所述***物具有在至少两个通道之间可变的特性。
19.如权利要求16所述的***物，其中，该可变特性选自孔隙度、深度、***深度和材料。
20.一种并流式(小通道或微通道)换热器，包括：
沿纵向延伸的进口集管，该进口集管具有用于引导流体流进入所述进口集管的入口和用于沿横向引导来自所述进口集管的流体流的多个出口；
多个通道，该多个通道以基本平行的关系排列，并且流体连接至所述多个出口，用于引导来自所述进口集管的流体流；和
出口集管，该出口集管流体连接至所述多个通道，用于接收来自该通道的流体流；
其中，所述换热器包括安置在所述换热器的流动路径中的至少一个多孔部件，其中，所述多孔部件被设计成用于该***中的膨胀控制和压降控制中的至少一个。
21.如权利要求20所述的并流式换热器，其中，所述换热器是蒸发器。
22.如权利要求20所述的并流式换热器，其中，所述换热器是冷凝器。
23.如权利要求20所述的换热器，其中，该多孔部件用作主要膨胀装置。
24.如权利要求20所述的换热器，其中，该多孔部件用作次要膨胀装置。
25.如权利要求20所述的并流式换热器，其中，所述多孔部件的形式是设置在至少一个通道中的***物。
26.如权利要求25所述的并流式换热器，其中，所述多孔***物被安置在通道入口处。
27.如权利要求26所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置成邻近该通道入口。
28.如权利要求26所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在该通道的内部。
29.如权利要求20所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在该进口集管中或与该进口集管成直接的流体连通。
30.如权利要求20所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在该出口集管中或与该出口集管成直接的流体连通。
31.如权利要求20所述的并流式换热器，其中，该多孔***物被安置在中间集管中或与该中间集管成直接的流体连通。
32.如权利要求20所述的多孔***物，其中，制造所述***物的材料选自金属和陶瓷。
33.如权利要求20所述的多孔***物，其中，制造所述***物的材料选自：烧结金属、压缩金属、金属棉或金属线。
34.如权利要求20所述的多孔***物，其中，所述***物纵向地沿集管安置。
35.如权利要求20所述的多孔***物，其中，在所述***物和集管内壁表面之间有间隙。
36.如权利要求20所述的多孔***物，其中，所述***物是由至少两种不同***物构成的复合物。
37.如权利要求20所述的多孔***物，其中，所述***物的横截面是非矩形的。
38.如权利要求37所述的多孔***物，其中，所述***物的横截面是圆的一部分。
39.如权利要求20所述的多孔***物，其中，所述***物具有在至少两个通道之间可变的特性。
40.如权利要求39所述的***物，其中，该可变特性选自孔隙度、深度、***深度和材料。
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