CN101379358B - 螺旋卷绕的多层管式热交换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

接纳热交换流体的螺旋形盘绕的管式热交换器10及其制造方法。在一实施例中，热交换器10具有一层或多层12螺旋形盘绕的管子14。在某些实施例中，管层是圆形、卵形或倒圆角的矩形。细长的间隔件24具有面向前的边缘26和面向后的边缘28。形成在这些边缘之间的是配合表面30，它们可拆卸地固定管子14。

Description

螺旋卷绕的多层管式热交换器及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请是2004年11月19日提交的美国专利申请系列No.10/993,708的部分继续，本文援引其以供参考。

技术领域

本发明总的涉及用于热交换器中的管结构及其制造方法。

背景技术

在许多化学、电子和机械***中，热能从一个部位传递到另一部位，或从一种流体传递到另一种流体。热交换器允许热量从一种流体(液体或气体)传递到另一种流体。传统上，传热的原因如下：

1)用较热的流体来加热冷却器的流体；

2)使用冷却器的流体来降低热流体的温度；

3)使用较热的流体来沸腾液体；

4)用冷却器流体来冷凝气体；或

5)沸腾液体，同时冷凝气态下的较热流体。

不管热交换器履行何种功能，为了传热，热接触的流体必须处于不同温度，根据热力学第二原理，使热量从较热的流体流到较冷的流体中。

传统上，对于圆管翅片式热交换器，两种流体之间没有直接接触。热量从流体传递到隔绝两个流体的材料，然后传递到较冷的流体。

热交换器的某些更加普通的应用可见于加热、通风、空气调节和制冷***(HVACR)、电子设备、内燃机上散热器、锅炉、冷凝器，以及流体***中的预加热器或冷却器。

所有的空调和制冷***包含至少两个热交换器——通常是蒸发器和冷凝器。在各种情形中，制冷剂流入热交换器内并参与传热过程，或获得热量或将热量释放到所使用的介质。通常地，冷却介质是空气或水。

通过将制冷剂蒸气冷凝成液体、将其相变热(潜热)传递到空气或水中，冷凝器由此完成传热。在蒸发器中，液体制冷剂流入热交换器。当制冷剂蒸发变为蒸气并从管子另一侧上流过的较热流体中吸取相变所需的热量时，热流就反过来。

管式热交换器包括汽车热交换器环境中使用的那些热交换器，诸如散热器、加热器盘管、空气冷却器、中间冷却器、蒸发器以及空调用冷凝器。例如，热流体在内部流过管子或管道，而较冷的流体(诸如空气)流过管子外表面。热能从热的内部流体通过传导传递到管子的外表面。然后，当流体围绕管子外表面流过时，该能量传递到外部流体和被外部流体吸收，因此，使内部流体得到冷却。在此实例中，管子外表面用作热量传递的表面。

传统上，纵向或径向翅片可相对于管子外表面定位，使外部流动流体形成紊流，增加传热表面的面积，因此提高传热量。然而，一个缺点在于，翅片会增加材料和制造成本、增加体积、操作、维护和总体复杂性。此外，它们还占据空间，因此会减少可配装在给定横截面内的管子数量。还有，翅片积尘和脏物并会变得阻塞，由此会降低其效率。

密集构造的翅片会挤压外部流体的流动。则会增大横贯热交换器表面的外部流体压降，由于需要更多的泵送功率，可能增加热交换器的成本。一般来说，与泵送相关的费用是压降的函数。

已知有鳍片减少的热交换器。例如，参见U.S.P.N.5,472,0417(第3栏，第2-24行)。然而，在传统上，它们由具有相对大外径的管子制成。管子常常与钢丝连接，例如，在许多家用制冷器的背面可见盘钢丝。

在预先文档调研过程中，涉及的***文献如下：US2004/0050540 A1；US2004/0028940A1；5,472,047；3,326,282；3,249,154；3,144,081；3,111,168；2,998,228；2,828,723；2,749,600；以及1,942,676。

在预先文档调研过程中，涉及的国外参考文献如下：GB607,717；GB644,651；以及GB656,519。

发明内容

相对于背景技术，要求提供横贯于管层和内部热交换流体在其中通过的一层管之间的外部热交换流体流动的均匀性，由此，避免热交换过程效率降低的停滞区域。

此外，要求提供一种热交换器，其可相对便宜地和有效地进行制造，制造过程中无需不合适的复杂性。

因此，本发明包括热交换器，其在管内流动的内部热交换流体和与内部热交换流体热连通的外部热交换流体之间传递热量。

热交换器包括一层或多层管子，管内流过内部热交换流体。一层或多层管子中的至少部分管子具有螺旋形结构，至少部分管段位于假想截头锥表面上。通过构造在一层管之间的平均间距和/或在相邻层之间的间距，可促进横贯多层和管子之间的外部热交换流体流动的均匀性，由此提高热交换器的效率。

较佳地，至少一个间隔件支承一层或多层管子。每个间隔件具有面向前和面向后的边缘。这些边缘形成配合表面，它们可拆卸地固定层内的管子。

本发明还包括制造这种热交换器的方法。该方法包括如下步骤：提供细长锥形心轴；以及围绕心轴卷绕一个或多个长度的管子以制备螺旋形结构。

附图说明

图1是根据本发明热交换器的实施例的侧视图，其具有四层管子；

图2是沿图1中线2-2截取的截面图；

图3是本发明第一替代实施例的截面图；

图4是本发明第二替代实施例的截面图；

图5是支承多层管的间隔件的一部分的侧视图；

图6是根据本发明热交换器的代表性管层的代表性管子的侧视截面图；以及

图7是根据速度值描绘的速度矢量图。

具体实施方式

图1-4分别示出热交换器组件10的优选和替代实施例的侧向和轴向截面图。该组件传递热交换器内流动的内部热交换流体12和与内部热交换流体12热连通的外部热交换流体14(诸如但不局限于空气流)之间的热能。流体12、14可以是气体、液体或任何组合的气体-液体。在一种形式中，热交换器组件10包括一层或多层管子或管16(图2)，内部热交换流体12在管16内流过。至少部分管子层较佳地具有如图1-2所示的螺旋形构造。在该螺旋形构造中，至少部分管段20位于假想的截头锥表面上。

如文中所使用的，术语“螺旋形”包括但不局限于三维的弧形，其围绕一轴线以连续变化的距离转动，同时平行于轴线移动。应该认识到，连续变化距离的变化率可以是恒定的也可以是变化的，以产生或多或少加强的螺旋形式，根据特定应用的热力学要求而定。如文中所使用的，术语“螺旋形”(spiral)包括术语“螺旋线”(helix)。

管层的特征在于，内层间距S和管子中心到邻近管子中心的平均距离d(图2)。距离d在给定层内可以是固定的、变化的，或是固定和变化的组合。在某些实施例中，距离d等于或小于管平均外径的两倍。尺寸(S)在给定构造的层之间可以是固定的、变化的，或是固定和变化的组合。较佳地，S小于2×OD。通过适当地选择内层间距(S)和调整给定层中相邻管之间的距离d，管层的螺旋形结构有利于促进横贯层16的外部热交换流体14的流动均匀性。

较佳地，间隔件24(图5)支承一层或多层的管子，以使尺寸S和d可预先确定。在给定螺旋形构造中可以有一个或多个支承管层的间隔件24。每个间隔件具有面向前和面向后的边缘26、28(相对于外部热交换流体的流动)。边缘26、28形成配合表面30，该表面30可拆卸地固定管层16。在一实施例中，面向前的边缘26可固定一层管段，而面向后的边缘28可固定相邻层的管段。如图5所示，配合表面30包括截头形式，该形式具有开口部分38，该部分38的尺寸小于管的外径(OD)。如图5所示，细长间隔件24限定可拆卸地固定管段20的配合表面30。该配合表面30限定在面向前的边缘26和面向后的边缘28内。在一实施例中，面向前的边缘26可拆卸地固定螺旋形结构15的一周32。面向后的边缘28可拆卸地固定相邻层的一周。

应该认识到，附加的间隔件24可设置在同一热交换器内。间隔件24可以彼此平行，也可彼此不平行，可以垂直于层16延伸，也可不垂直于层16延伸。

间隔件24的另一属性是，它支承管式热交换器的三维形状。尽管图5中示出一个间隔件24，但应该认识到，其它的间隔件可以另外布置在给定的热交换内。另外的间隔件24例如可用于有利地折流空气流动，以使主要的气流通过热交换器中心区域发生，那里，某些盘管平行靠近地布置。还有，间隔件24可用作为管子和管层之间的热连通构件。

图6中显示出管段的某些识别特征。图中可见，管子具有平均外径(OD)、平均内径(ID)以及平均壁厚(T)。一般来说，T＝(OD-ID)/2。在某些实施例中，(T)与(OD)之比在0.01和0.1之间。热交换器具有一层或多层16的离散管子或管(每层一个)，或单一长的连续管。应该认识到，管的截面不需是圆形或环形的。对于某些应用，例如，管子可有用地具有椭圆形构造或其它非圆形截面，这可有助于引导入射气流(“外部热交换流体”14)具有较小的压力损失和/或促进局部紊流。管子可包含多个端口。例如，给定管可包含多个通道或内腔。一层或多层中的至少部分管子层16具有圆形、椭圆形、长形或跑道形螺旋构造18(图1-2)。

在一实施例中，根据本发明构思热交换器组件。该组件包括管式热交换器的螺旋形结构(图1-4)、至少一个间隔件、前导鼻46(图1和2)、导向折流板48(图2-4)以及吹送机62(图3)。

因此，应该认识到，所示螺旋形构造(图1-4)是轮廓结构的一个实例。在某些实例中，轮廓结构可具有圆形轴向横截面(代替图2中所示截头锥的螺旋形结构)，具有三角形、矩形、多边形、卵形、长形、椭圆形的截面以及它们的组合。为了支持这种组合，间隔件设置有适合于所要求形式的几何形。间隔件24邻近于管层定位。棘爪或配合表面30(如果使用圆管的话，最好是截头圆)限定在间隔件的边缘26、28内。这些棘爪30终止在间隔件边缘处于稍许偏离棘爪主直径的位置处，棘爪可以是圆形的或非圆形的。这样，管段的外径用卡配方式配合在间隔件内。连续棘爪之间的距离(d)(槽的中心到中心)影响到热交换器的一个传热特征。在一优选实施例中，该距离是管外径(OD)的两倍。

在某些实施例中，一层或多层中的至少部分管子层包括这样的管子，其中心位于同一假想直线上，如图2所示。或者，每隔一层的管可位于同一直线上，与相邻层管子相比，偏离距离有变化。

在图7中，外部热交换流体从左向右流动。速度矢量用方向箭头表示。图7中的视图示意地示出热交换器导管轴向部分的上半部(图2)。当外部热交换流体14冲击到前导鼻46上时，它不能通过其中。然后，流入的外部热交换流体14被引导远离鼻46，并朝向热交换器螺旋形结构的管层16(一种形式)。在壁72前面发生滞留区域。至少部分地在一个或多个导向折流板48的帮助下，流入的外部热交换流体的汇合被推动而进入管层16。

假定其它情况相同，流过管层16中心区域的外部热交换流体14的速度在传统上超过外部热交换流体14横向于管层朝向其右上方向和左下方向的区域的速度(见图7)。为了促进流动均匀性并由此提高传热效率，可以调节给定层中的内管间距(d)和给定机构中的内层间距(S)。由于调节，可以减轻造成邻近区域内滞留对流动的阻挡作用。

尽管图6中示出了一段倒圆的管段20，但应该认识到，管子也可具有圆形、卵形、椭圆形、矩形(带有或不带有倒圆角)以及它们组合的横截面轮廓。管子可包含多个端口(如上文所指出的)和/或可用内或外表面的微结构强化，例如但不局限于槽或颗粒纹理。

本发明还包括制造这种热交换器的方法。一般而言，该方法包括提供细长心轴的步骤。在一制造过程中，该心轴具有外表面，一个或多个连续螺旋形槽限定在该外表面内。在缠绕步骤过程中，管子变得容纳在螺旋形槽内。如果需要螺旋形结构，则该心轴最好是锥形的。然后，管的连续长度围绕心轴卷绕而制备绕组，每一绕组具有螺旋形结构。

图2示出有多层管的热交换器的替代实施例。在实践中，最内的盘管首先形成在心轴或间隔件24上(图5)。然后，外层围绕其顶上卷绕。通过选择合适的间隔件几何形，能够在给定层中和层之间定位相邻的盘管。应该认识到，如果需要的话，最内层的管径可不同于最外层管的直径。在这种的实施例中，最好使最内管层的外径超过最外管层的外径。

在某些情形中，间隔件24本身可呈心轴的功能。在这种情形中，管的长度围绕间隔件卷绕。应该认识到，给定间隔件本身可以是实心的或中空的。其中一个实例是，由被空隙的支承构件分离开的一对板形成间隔件。可供选择地是，心轴可包含卷绕之前的间隔件。

参照图1＝2，对外部热交换流体14呈现前导鼻46。该前导鼻46在管层16的螺旋形结构18前面延伸。导向折流板48(图2)相对于管层16定位，它引导一层内诸管之间和一层或多层管子内层之间的外部热交换流体的流动。

在图3中，层49的平面区域并列在前导鼻46和具有螺旋形结构18的一层或多层中的至少部分管子层之间。

图4示出本发明的第二替代实施例。在该实施例中，管层的圆柱形区域50并列在螺旋形结构18和导向折流板48之间。

图1＝2示出用作为热交换器的盘管束，其具有热交换器组件10中的螺旋形结构18。在所示实施例中值得注意的是，没有翅片或百页窗(间隔件除外)，它们往往用于热交换器中，促进空气流动和因此提高传热效率。

在图1中，热交换器流体进入入口处的盘管。在好几种应用中，流入的流体是制冷剂或其它诸如水那样适用于传热的液体。在某些情形中，水可以相对高的温度引入。在这些应用中，热交换器用作提高围绕盘管和在盘管外通过的诸如空气那样流体的温度。

管子的交错结构(与对齐相比)的后果是，热交换器内流体可流过管外而无中断流动的空间相当小。因为所示管子结构的相对分布对齐，所以，围绕管子外面流动的流体在延长的时间(“驻留时间”)内与定位在间隔件24上方和下方的管子形成热接触。

对于只采用一个回路的结构，在热交换器入口或出口侧不需有集管。也不需要任何蜿蜒的翅片或百页窗。因此，在优选实施例中，热交换器有效地是卷绕层的管子结构。因此，与传统的圆管板翅片热交换器相比，制造和维护成本较低。对于多个回路的结构，可使用内部流体分配器来将内部流体分配到多个入口并从多个出口收集流体。

较佳地，间隔件24(图5)由可变形材料形成，其主要适应与管子的卡配配合。如果需要的话，间隔件24可用传热或绝热的材料形成。如果这样的话，热可有效地在管子表面之间传递，或在两者之间绝热。

热交换器管可用任何传热的材料制成。诸如铜或铝那样的金属是优选的材料，但也可使用具有相当高传热率或薄壁的塑料管。

管内径(ID)、外径(OD)以及壁厚(T)之间的实际关系，一定程度上受到用来制造管子的制造技术的限制。显然，选择合适的尺寸将影响所合成热交换器的承压能力。一般来说，可以表述为，当外直径(OD)减小时，壁厚(T)就可越薄。较佳地，选择管外径(OD)/内径(ID)以及壁厚(T)，使管子可承受内部热交换流体的压力而管子材料不变形。当外直径减小时，管子外表面与管子内部容积之比增加。其结果，每一内部流体体积就有更多的传热面积。

从图中可清楚地看到，间隔件24防止管子迁移。较佳地，棘爪30在间隔件24内的间距应使连续层的管子靠近在一起或间隔开。这导致对垫片密度的控制，而垫片密度影响外部热交换流体流动的阻力、局部漩涡、层流和其后对传热效率的控制。

传统蒸发器的一个缺点在于，冷凝水趋于积聚在热交换器内的各个部位。这会阻塞空气的流动。然而，通过沿垂直方向定位本发明(图1)，就可避免该问题，因为任何冷凝水在重力作用下向下流动并流动离开热交换器的中心部分。间隔件可促进该过程。

如果需要的话，图1和2的实施例可串联或并联。当需要更大的容量时，并联结构是有帮助的。在长的管子可造成很大压降并因此限制了内部流体流动的情形中，这种结构是有利的。在这种结构中，可有效地使用流体分配器来提供内部流体流到入口的分布以及从出口形成的汇合。

尽管已经图示和描述了本发明的实施例，但这并不表示这些实施例图示和描述了本发明所有可能的形式。相反，本说明书中用的文字只是描述的文字而不是限制的文字，应该理解到，可以作出不脱离本发明精神和范围的各种变化。

Claims (20)

1.一种热交换器组件，包括：

前导鼻，所述前导鼻呈现在外部热交换流体前；

一层或多层管子，内部热交换流体在所述管子内流过，一层或多层管子中的至少部分管子层具有螺旋形结构，至少部分管段位于假想截头锥表面上；以及

导向折流板，所述导向折流板相对于一层或多层管子定位成使一层或多层管子并列在所述前导鼻和所述导向折流板之间，所述导向折流板用来引导一层管子之间和一层或多层管子中的管子层之间的外部热交换流体流动，

其中，所述前导鼻在所述螺旋形结构前面延伸，以便所述外部热交换流体冲击所述前导鼻，并且引导所述外部热交换流体朝向所述一层或多层管子。

2.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，还包括一个或多个间隔件，所述一个或多个间隔件具有可拆卸地固定一层管段的面向前的边缘，以及可拆卸地固定一相邻层管段的面向后的边缘，所述边缘形成固定管层的配合表面。

3.如权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述配合表面包括具有开口部分的截头形式，所述开口部分的尺寸小于管子的外径。

4.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，所述管子具有平均外径OD、平均内径ID和平均壁厚T＝（OD－ID）/2，其中，T与OD之比在0.01和0.1之间。

5.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，还包括管层的平面区域，所述平面区域并列在所述前导鼻和具有螺旋形结构的一层或多层管子的至少部分管子之间。

6.如权利要求1所述的热交换器，其特征在于，还包括管子层的圆柱形区域，所述圆柱形区域并列在所述螺旋形结构和所述导向折流板之间。

7.一种在热交换器内流动的内部热交换流体和与内部热交换流体热连通的外部热交换流体之间传递热能的热交换器组件，所述热交换器包括：

一层或多层管子，内部热交换流体在所述管子内通过；

一层或多层管子中的至少部分管子具有这样的成形结构：至少部分管段位于假想截头锥表面上，以提高横贯多层的外部热交换流体流动的均匀性；

一个或多个间隔件，所述间隔件支承一层或多层管子，所述一个或多个间隔件具有面向前和面向后的边缘，所述边缘限定可拆卸地固定管子层的配合表面；

促进所述外部热交换流体流动的吹送机；

前导鼻；以及

导向折流板，所述导向折流板用来在与一层或多层管子边缘相关的区域处引导外部热交换流体的流动，

其中，所述前导鼻在所述一层或多层管子前面延伸，以便所述外部热交换流体冲击所述前导鼻，并且引导所述外部热交换流体朝向所述一层或多层管子。

8.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，所述成形结构的横截面形状选自包括圆、三角形、矩形、卵形、椭圆形及其组合的一组。

9.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，一层或多层管子的从管子中心到同一层相邻管子中心的距离d，其中d是选自以下一组的尺寸：固定的、变化的以及固定和变化的组合。

10.如权利要求9所述的热交换器，其特征在于，d等于或小于平均管子外径OD的两倍。

11.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，一层或多层管子中的至少部分管子层中的相邻层之间的平均间距S的尺寸选自下一组：固定的、变化的以及固定和变化的组合。

12.如权利要求11所述的热交换器，其特征在于，S小于平均管子外径OD的两倍。

13.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，一层或多层管子中的至少部分包括中心位于同一直线上的多个管子。

14.如权利要求12所述的热交换器，其特征在于，每隔一层的管子位于同一直线上。

15.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，一层或多层管子之一具有导管结构，所述导管结构选自以下一组：一个入口和一个出口；一个入口和一个与相邻层连接的流出流；一个出口和一个与相邻层连接的流入流；以及它们的组合。

16.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，所述管子具有至少部分具有椭圆形横截面的管段，所述管段具有平均外径OD，具有平均内径ID的椭圆形内腔，以及平均壁厚T，其中平均壁厚等于最小平均外径OD减去最大平均内径ID之差除以2。

17.如权利要求7所述的热交换器，其特征在于，一层管子内的流动方向与另一层管子内的流动方向相反，这样，两层之间的内部流动反向。

18.一种制造传递热能的热交换器的方法，包括如下步骤：

提供前导鼻；

提供细长、锥形的心轴；以及

围绕心轴卷绕连续长度的管子以制备绕组，每个绕组具有螺旋形结构，

其中，所述前导鼻在所述绕组前面延伸，以便所述外部热交换流体冲击所述前导鼻，并且引导所述外部热交换流体朝向所述绕组。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，提供细长心轴的步骤包括提供用作为心轴的一个或多个间隔件的步骤。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，提供细长心轴的步骤包括提供具有限定在其外表面内的配合表面的间隔件的步骤，所述配合表面容纳和引导包围在细长心轴周围的连续匝数的管子。

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