專利名稱：螺旋扁平管式換熱器的制作方法
螺旋扁平管式換熱器
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及換熱器。特別地，本發(fā)明涉及逆流換熱器，其具有配置
成同心螺旋的扁平管。該扁平管可包含內(nèi)部的樣i管道。背景技術(shù)：
適用于氣體和液體的逆流換熱器是習(xí)知的，且通常包括入口和出口以供 兩個或兩個以上的流體各自通過。在換熱器內(nèi)，流體一般不混合且遵從不同 的流徑。逆流換熱器中最常見的類型包括平板式，管中管和殼管式換熱器。 殼管式換熱器通常在較大的壓力容器或外殼內(nèi)有一組小管。熱量在流動于小 管內(nèi)的流體和流動于外殼內(nèi)的另 一流體之間轉(zhuǎn)移。
在平板式換熱器中，熱量在沿 一 組平行板間形成的不同流徑以相反方向 流動的兩個流體之間轉(zhuǎn)移。平板通常是由不銹鋼制成并可能含有山形通道以 提高傳熱效率。平板可能會在其接合處用橡膠墊片或釬焊工藝密封。平板的 大表面面積相比殼管式設(shè)計提供了更高的傳熱效率。
平板式換熱器通常比殼管式換熱器更輕且結(jié)構(gòu)更緊密。然而，為達(dá)到更 高的傳熱效率，流經(jīng)平板式換熱器的流體必須有足夠的時間接觸平板，這意 味著平板必須有一定的長度。對于制冷機(jī)的應(yīng)用，(使壁一側(cè)制冷劑蒸發(fā)且壁 的另一側(cè)水冷卻)平板式換熱器必須垂直安裝以幫助制冷劑分布于各相鄰平 板。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致高度與底座的比例相對較大。這樣的高度與底座比例限制 了平板式換熱器的應(yīng)用。通常用于平板式換熱器的不銹鋼也相對較重，且具 有相對較高的熱阻和較低的傳熱系數(shù)，這些同樣也限制了它的性能。
微管道管也為人們所熟知，且已經(jīng)常應(yīng)用于汽車的換熱器。不過，這一 技術(shù)已被主要用于氣液式換熱器。
因此，需要提供一種換熱器，其把微管道扁平管技術(shù)運用到液液或液體
5兩相制冷劑的換熱器，同時通過提供一種結(jié)構(gòu)緊密，靈活且高效的換熱器設(shè) 計來克服殼管式和平板式換熱器固有的局限。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的 一個優(yōu)選實施例中， 一種螺旋扁平管式換熱器包括第 一扁平 管和與所述第一扁平管熱耦合的第二扁平管。所述第一扁平管形成第一螺旋 且所述第二扁平管形成第二螺旋，所述第一和第二螺旋基本是同心的。第一 流體按第 一流向流經(jīng)所述第 一螺旋，第二流體按第二流向流經(jīng)所述第二螺旋。 所述扁平管最好包含微管道且最好由鋁制成。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例中，換熱器具有若干單元。每個所述單元 包括至少兩個集合器和若干微管道扁平管。所述微管道扁平管垂直設(shè)置于所
基本共線。所述若干單元相互圍繞形成螺旋構(gòu)造以致所述若干微管道扁平管 相互熱一妄觸。
本發(fā)明還提供一種制造螺旋扁平管式換熱器的方法。所述方法包括提供 第一單元，所述第一單元具有第一入口集合器和通過第一扁平管與所述第一
入口集合器相連的第一出口集合器；及提供第二單元，所述第二單元具有第 二入口集合器和通過第二扁平管與所述第二入口集合器相連的第二出口集合
器。然后將所述第一單元置于所述第二單元附近，其中所述第一入口集合器
靠近所述第二出口集合器且所述第一出口集合器靠近所述第二入口集合器。
再將所述第一出口集合器和第二入口集合器一起按同一方向轉(zhuǎn)動，同時將所 述第 一入口集合器和第二出口集合器保持在一個固定位置以使所述第 一扁平
管和第二扁平管形變形成兩個基本同心的螺旋。
因此，本發(fā)明提供了一種極為有效的逆流換熱器，該換熱器在物理尺寸 方面及理想傳熱性能的控制方面提供更大的靈活性。這些特點將使本發(fā)明適 于各種各樣的應(yīng)用。本發(fā)明的這些以及其它特點將從下列圖示，詳細(xì)說明和
權(quán)利要求中得到認(rèn)識和理解。

6圖1是本發(fā)明螺旋扁平管式換熱器的頂視圖； 圖2是圖1中所述換熱器的一個單元的頂視圖； 圖3是圖2中所述單元的正視圖； 圖4是圖3中所述換熱器單元沿IV-IV線的剖視圖； 圖5是圖1至圖4中所述換熱器的扁平管的剖視圖； 圖6至圖8說明一種制備圖1所述換熱器的方法。具體實施例
請參考圖示，特別是圖1，下面將要說明螺旋扁平管式換熱器的實施例。
換熱器100包括第一管102和第二管104。第一管102熱耦合于第二管 102，且管配置形成交互螺旋，螺旋最好大致是同心的。大致同心意^K著由第 一管102形成的第一螺旋106和由第二管104形成的第二螺旋108享有共同 中心區(qū)域110。就本公開而言，術(shù)語螺旋指圍繞于一個固定的中心區(qū)域且與 區(qū)域的距離不斷增加的對象。第一工作流體112流經(jīng)第一管102且第二工作 流體114流經(jīng)第二管104。
第一管102和第二管104熱接觸，從而使熱量可在第一工作流體ll2和 第二工作流體114之間轉(zhuǎn)移。在一個優(yōu)選實施例中，換熱器100是一個逆流 換熱器，這意味著第一工作流體112的流向與第二工作流體114的流向相反。 一般來說，逆流換熱器的傳熱比橫流或平行流換熱器更有效率。在圖l所示 的實施例中，第一工作流體112通過位于中心區(qū)域110的第一入口集合器116 進(jìn)入換熱器100。第一工作流體102接著按順時針方向流過第一螺旋106，并 通過靠近換熱器邊緣124的第一出口集合器118離開換熱器100。相比之下， 第二工作流體114在靠近邊緣124處通過第二入口集合器120進(jìn)入換熱器 100。第二工作流體104接著按逆時針方向流過第二螺旋108，并通過位于中 心區(qū)域110的第二出口集合器122離開換熱器100。
或者，本發(fā)明螺旋式換熱器可以是一個平行流換熱器，其中兩工作流體
7各自按同一方向流動，在不同的螺旋中或順時針或逆時針。在此實施例中， 工作流體可以在換熱器的邊緣進(jìn)入并在換熱器的中心離開或者在中心進(jìn)入并 在邊緣離開。
熱量通過傳導(dǎo)在第一管102的壁和第二管104的壁之間轉(zhuǎn)移。例如，第 一工作流體112可能是比第二工作流體114冷的流體。在這種情況下，熱量 將會從第一工作流體112轉(zhuǎn)移到第一管102的壁，然后通過傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到第二 管104的壁且最后轉(zhuǎn)移到第二工作流體114。有利的是，換熱器100的螺旋 構(gòu)造為傳熱提供了一個大的表面面積，提供了更高的傳熱效率，同時相比先 前的換熱器需要的空間更少。此外，換熱器100的螺旋構(gòu)造在換熱器內(nèi)部提 供幾乎完全的逆流，因此提高了傳熱效率。
工作流體112, 114可以是液體，氣體或兩相介質(zhì)。更好地，工作流體 112, 114其中一種流體是水，另一種流體是制冷劑，例如，但不僅限于R134a， R404A， R410A, 二氧化碳，丙烷，氨，異丁烯以及其它常用的制冷劑。最 好地，工作流體112， 114是水和乙二醇。
在圖l所示的實施例中，第一入口集合器116，第一管102和第一出口 集合器118形成第一單元126,而第二入口集合器U0，第二管l(M和第二出 口集合器122形成第二單元128。
請參看圖2至圖5,第一單元126的詳細(xì)情況將在下面加以說明。應(yīng)該
認(rèn)識到第二單元128具有類似的結(jié)構(gòu)。為明確起見，第一單元1"顯示的是
在未圍繞的狀態(tài)，在與第二單元1"組裝成換熱器100的螺旋構(gòu)造之前的狀 太
心o
在一個實施例中，第一管102包含若干管。圖3所示的實施例具有垂直 排列于第一入口集合器116和第一出口集合器118之間的五根管102。當(dāng)然， 任何數(shù)量的管102都可以使用，包括一單個的大型管。
第一入口集合器116通過扁平管102與第一出口集合器118流體相連。 入口 128與第一入口集合器116流體相連，且出口 130與第一出口集合器118 流體相連。在工作中，第一工作流體112通過入口 1"進(jìn)入單元126。通過入口 U8進(jìn)入第一入口集合器116之后，第一工作流體112穿過若干扁平管 102進(jìn)入第一出口集合器118。最后，流體通過出口 130流出第一出口集合器 118。在制冷劑分布對總傳熱行為(制冷劑沸騰)有影響的應(yīng)用中，特有的插 入物可能應(yīng)用到入口集合器116內(nèi)以防制冷機(jī)在若千并聯(lián)運行的扁平管102 中分配不均。
第一管102可以是允許熱量在相鄰管之間轉(zhuǎn)移的任何截面形狀。第一管 102最好是扁平管，就是具有充分扁平的壁以幫助傳熱的管。最好，第一管 102的截面形狀是圓矩形，就是通過兩條大致平行的線連接兩個大致半圓的 端部的形狀。第一管102的圓矩形截面在圖5中加以說明。第一管102具有 頂部半圓部分132,底部半圓部分134和大致平行的平壁136。第一管102 具有高度，h和寬度w,高度最好大于寬度。當(dāng)?shù)谝粏卧?26和第二單元1" 圍繞中心區(qū)域110形成換熱器100時，平壁136在第一管102和鄰近的第二 管104之間提供主要的傳熱面。第一管102可以采用壓鑄工藝，焊接工藝， 或其它任何能夠生產(chǎn)合適的截面形狀的工藝來制造。管102的內(nèi)部形狀可具 體調(diào)整以適應(yīng)不同的流體和運作類型，進(jìn)而使管102的傳熱性能最大化。例 如，當(dāng)分別用于一相冷卻，制冷劑沸騰，和冷凝時，管102可能是截然不同 的形狀。
在換熱器100的傳熱效率方面，相鄰管的平壁l36之間熱接觸的質(zhì)量是 一個主要因素。相鄰管的平壁136應(yīng)當(dāng)盡可能地緊靠在一起。然而，千接觸 可能無法提供足夠的熱接觸，因為任何殘留在相鄰平壁之間的空氣將起到絕 緣層的作用，其結(jié)果是降低傳熱效率。為克服這個問題，本發(fā)明的優(yōu)選實施 例采用釬焊在一起的金屬管。釬焊工藝消除空氣間隙，使得相鄰管間的熱阻 變小。有利的是，釬焊工藝也相對容易控制?；蛘?，相鄰管之間熱接觸的質(zhì) 量可以通過采用高導(dǎo)電潤滑脂，粘膠劑，或機(jī)械粘接工藝來提高。
第一管102在第一出口集合器116和第一入口集合器1W之間垂直設(shè)置， 以致各個第一管102的縱軸y與其它第一管102的縱軸共線。
管102最好是微管道扁平管。微管道扁平管是包含小的內(nèi)部管道的扁平 管。內(nèi)部微管道的管道寬度通常在10至1， QOO微米之間。這些管道通過產(chǎn)生湍流來提高傳熱速度和傳熱效率。微管道扁平管的利用可以優(yōu)化傳熱系數(shù)
和管內(nèi)的壓力下降。管102具有內(nèi)部微管道"0,如圖5所示。微管道140 可以是任意大小和形狀。
有利的是，本發(fā)明實現(xiàn)微管道扁平管在液液或液體兩相介質(zhì)換熱器的應(yīng) 用。此前，微管道管主要用于氣液式換熱器。在現(xiàn)有的微管道換熱器中，在 橫流的結(jié)構(gòu)中，工作流體流經(jīng)水平設(shè)置的微管道扁平管并把熱量轉(zhuǎn)移給流過 管的空氣，即空氣垂直于工作流體的流動方向流動。在現(xiàn)有技術(shù)中，微管道 管通常是連接到若干在扁平管之間水平設(shè)置的葉片。相比之下，本發(fā)明采用 垂直設(shè)置于兩集合器間的扁平微管道管102，無葉片。在逆流的結(jié)構(gòu)中，熱 量從第 一工作流體轉(zhuǎn)移到第二工作流體。因此本發(fā)明采用新的方式將微管道 技術(shù)加以應(yīng)用從而產(chǎn)生一種具有優(yōu)越的傳熱效率的液液式換熱器。
扁平管102最好是鋁質(zhì)。鋁相比用于現(xiàn)有換熱器的傳統(tǒng)的鋼或銅管具有 多種優(yōu)勢。鋁相比鋼或銅具有較低的熱阻，重量較輕且更容易形變，并具有 良好的抗腐蝕性能。要么，扁平管102也可以由其它金屬或塑料材料制成。
請參看圖6至圖8，下面說明的是一種制造如圖1所示的螺旋式換熱器 IOO的方法。第一單元126設(shè)置在第二單元l28的附近，其中第一入口集合 器116靠近第二出口集合器122，且第一出口集合器118靠近第二入口集合 器120。為補(bǔ)償兩螺旋之間相對路徑長度差，第二單元128的長度可能大于 第一單元126的長度。第一入口集合器ll6和第二出口集合器1"保持在一 個固定位置，而第一出口集合器118和第二入口集合器120 —并向同一方向 轉(zhuǎn)動以使第一管102和第二管l(M形變并形成兩個同心螺旋，106和108。為 實現(xiàn)第一管102和第二管104的轉(zhuǎn)動，收巻機(jī)構(gòu)138可用于對管施加外力。 圖6至圖8中所示的箭頭說明換熱器IOO形成過程中收巻機(jī)構(gòu)138和集合器 118， 120運動的方向。第一管102和第二管104可通過收巻機(jī)構(gòu)138的轉(zhuǎn)動 形變。同心螺旋106， 108將享有一個共同的中心區(qū)域110，其中第一入口集 合器116和第二出口集合器122被置于中心區(qū)域IIO,且第一出口集合器118 和第二入口集合器120被置于靠近螺旋式換熱器100的邊緣1M。用這種方 法制造的螺旋式換熱器IOO顯示在圖1中。
10雖然圖l所示的實施例采用了兩個單元，但本發(fā)明的螺旋式換熱器可以具有任何數(shù)量的單元。例如，螺旋式換熱器可以有三個單元，包括兩個制冷電路和一個水電路，可能用于兩個電路冷凝器。另一種可能性是螺旋式換熱器有三個或四個單元，其中兩個水電路和一個或兩個制冷電路，這能為雙冷卻管束冷凝器提供熱回收選擇。
在一個優(yōu)選實施例中，基于工作流體流過管，換熱器IOO的第一管102相比相鄰的第二管104具有不同的結(jié)構(gòu)。例如，若第一管102承載水且第二管104承載沸騰的制冷劑或冷凝液，管的大小和形狀，以及管內(nèi)微管道的大小、形狀和數(shù)量可能都各不相同以補(bǔ)償不同的傳熱系數(shù)及水和制冷劑的壓降。
有利的是，無論從物理尺寸方面還是理想性能方面說來，本發(fā)明的換熱器設(shè)計靈活。通過對應(yīng)于換熱器的整體高度選擇管的數(shù)量，并通過對應(yīng)于換熱器的全徑選擇集合器之間管的長度，如流體容量和裝置內(nèi)的壓降的關(guān)鍵屬性能夠得到謹(jǐn)慎控制。本發(fā)明換熱器的螺旋構(gòu)造因靈活選擇高度與底座的比例使得設(shè)計非常緊湊。這種靈活性使本發(fā)明換熱器相比以往的換熱器設(shè)計適合更多的應(yīng)用。
任何一個本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都應(yīng)該認(rèn)識到，在此描述的換熱器的優(yōu)選實施例可用于使用換熱器的各種不同的傳熱系統(tǒng)。傳熱系統(tǒng)的具體組成部分可由任何一個本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來選擇以提高系統(tǒng)的熱效率。
"第一"，"第二，，等術(shù)語在此處用于修飾各種元件。除非特別指出，這些修飾語并不意味被修飾的元件是空間的、順序的或分等級的。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參考一個或多個優(yōu)選實施例加以描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到各種變化也屬于本發(fā)明的范圍且取代對應(yīng)元件的各等同物也沒有偏離本發(fā)明的范圍。此外，按照披露的原則為適合某一特定情況或材料所做的各種修改也應(yīng)在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本發(fā)明并不僅限于最佳實施例所揭露的特定實施例，本發(fā)明還將包括所有落入附加權(quán)利要求范圍內(nèi)的實施例。
ii
權(quán)利要求
1、一種換熱器，其包括第一扁平管；和與所述第一扁平管熱耦合的第二扁平管，其中所述第一扁平管形成第一螺旋且所述第二扁平管形成第二螺旋，所述第一螺旋和第二螺旋基本上是同心的，并且其中第一工作流體按第一流向流經(jīng)所述第一螺旋且第二流體按第二流向流經(jīng)所述第二螺旋。
2、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一扁平管和第二扁平管由具有微 管道的扁平管構(gòu)成。
3、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一扁平管和第二扁平管各自具有 圓矩形橫截面。
4、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一流體是水且所述第二流體是制 冷劑。
5、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一流向與所述第二流向相反。
6、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一流向與所述第二流向基本平行。
7、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述換熱器還包括若干與所迷第一扁平 管流體相連的第一集合器和若干與所述第二扁平管流體相連的第二集合器。
8、 如權(quán)利要求7所述的換熱器，至少一個所述若干第一集合器和至少一 個所述若干第二集合器的位置大體上靠近所述第一和第二螺旋的中心區(qū)域。
9、 如權(quán)利要求8所述的換熱器，至少一個所述若干第一集合器和至少一 個所述若干第二集合器設(shè)置于所述換熱器的邊緣。
10、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一扁平管大體上沿其整個長度與所述第二扁平管接觸。
11、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一扁平管和第二扁平管的材料 選自鋁，銅，塑料，及上述任何組合。
12、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一扁平管和第二扁平管通過釬 焊工藝連接。
13、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一扁平管和第二扁平管熱接觸 所采用的工藝選自粘合，采用導(dǎo)電潤滑脂，機(jī)械粘接，及上述任何組合。
14、 如權(quán)利要求1所述的換熱器，所述第一扁平管包括若干扁平管。
15、 如權(quán)利要求13所述的換熱器，所述第二扁平管包括若干扁平管。
16、 一種換熱器，其具有若干單元，每個所述單元包括至少兩個集合 器；和垂直設(shè)置于所述至少兩個集合器之間的若干微管道扁平管且每個所述微 管道扁平管具有縱軸，其中所述每個微管道扁平管的縱軸與其它微管道扁平 管的縱軸基本共線。
17、 如權(quán)利要求15所述的換熱器，其特征在于所述若干微管道扁平管 相互熱，接觸。
18、 如權(quán)利要求15所述的換熱器，其特征在于所述若干單元相互圍繞 形成螺旋構(gòu)造。
19、 一種制造螺旋式換熱器的方法，其包括提供第一單元，所述第一單元具有第一入口集合器和通過第一扁平管與 所述第一入口集合器相連的第一出口集合器；提供第二單元，所述第二單元具有第二入口集合器和通過第二扁平管與 所述第二入口集合器相連的第二出口集合器；將所述第一單元置于所述第二單元附近，其中所述第一入口集合器靠近所述第二出口集合器且所述第一出口集合器靠近所述第二入口集合器；將所述第一出口集合器和第二入口集合器一起按同一方向轉(zhuǎn)動，同時將 所述第一入口集合器和第二出口集合器保持在一個固定位置，以使所述第一 扁平管和第二扁平管形變，從而形成兩個基本同心的螺旋。
20、 如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述方法還包括釬焊整個 換熱器的步驟。
21、 一種參照附圖1至圖8中任一圖示所述的換熱器的儀器、系統(tǒng)或方法。
全文摘要
螺旋扁平管式換熱器包括第一扁平管和與所述第一扁平管熱耦合的第二扁平管，所述第一扁平管和第二扁平管形成基本同心的螺旋。第一流體按第一流向流經(jīng)第一扁平管，且第二流體按第二流向流經(jīng)第二扁平管。所述扁平管最好包含微管道以提高傳熱效率。
文檔編號F28D7/14GK101490494SQ200680055382
公開日2009年7月22日 申請日期2006年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月23日
發(fā)明者M·格拉邦 申請人:開利公司