專利名稱：熱交換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及制冷、空調(diào)和冷水系統(tǒng)中的熱交換器。
背景技術：
存在許多種使用折疊散熱片以及薄的、非圓形管設計和制造的熱交換器，所述折疊散熱片和薄的、非圓形管隨后被布置或“堆疊”且被連接至歧管(manifold)(還稱為集管(header))。這些設計主要用于汽車的水-空氣散熱器、汽車冷凝器、卡車進氣熱交換器 (air charge heat exchanger)、汽車加熱器芯、工業(yè)和卡車的空氣-油冷卻器，以及最近的汽車空調(diào)蒸發(fā)器。在第4，998，580號美國專利中示出了一種這樣的冷凝器。一對間隔開的集管在它們之間具有多個液壓并聯(lián)連通延伸的管(tube)，并且每一管都在所述集管之間限定多個液壓并聯(lián)的流體流動路徑。每一流體流動路徑具有約0. 015至約0. 04英寸范圍內(nèi)的液壓直徑。優(yōu)選地，每一流體流動路徑具有沿其長度延伸的細長裂隙，以聚集冷凝物并且通過表面張力的作用協(xié)助使得熱交換表面上的膜厚度最小化。在第6，223，556號美國專利中公開了另一種這樣的冷凝器。該冷凝器包括兩個非水平的集管；多個管，在所述集管之間延伸，以在所述集管之間形成多個液壓并聯(lián)的流墊(flow pad)；以及，位于每一集管中的至少一個分隔物，用于使得制冷劑形成至少兩個通路。還設置一個外部收集器(receiver)來保存制冷劑。第5，193，613號美國專利公開了一種熱交換器，其具有相對的并聯(lián)集管，所述集管具有沿著其長度形成的帶有傾斜側(cè)邊的周向間隔開的凹槽；以及，在所述凹槽的外表面上的基底；以及，在與所述凹槽相對的內(nèi)表面上的間隔開的環(huán)形棱。每一凹槽在其內(nèi)具有橫向狹縫，用于接收細長扁平管的開口末端。扁平管以局部堵塞集管內(nèi)部流動路徑的方式插入所述集管。第5，372，188號美國專利公開了一種熱交換器，用于在周圍熱交換介質(zhì)和可能為液相或氣相的制冷劑之間交換熱。該熱交換器包括一對間隔開的集管，且一個集管具有制冷劑入口以及另一集管具有制冷劑出口。熱交換器管在所述集管之間延伸，并且與每一集管流體連通。該管在所述集管之間限定了多個液壓并聯(lián)的制冷劑流動路徑，并且每一制冷劑流動路徑具有約0. 015至約0. 07英寸范圍內(nèi)的液壓直徑。所述流動路徑可以具有不同的配置。第4，998，580號美國專利公開了一種冷凝器，其通過小的液壓流動路徑進行熱傳遞。所述冷凝器應用于使用水平管和小歧管的汽車中。將該技術應用在HVAC&R(暖通空調(diào)及制冷)應用中的努力已經(jīng)取得了有限的成功。成功有限的原因在于，與汽車應用相比，HVAC&R應用/設備的許多產(chǎn)品特征、設計目標和運行問題顯著不同或者更多樣化。例如，顯著不同可存在于運行狀況和環(huán)境中，諸如但是不限于冷卻容量、運行壓力、空氣流速、能效、質(zhì)量流率(mass flow rate)、熱交換器的尺寸、高寬比、油及制冷劑回流、所使用的各種制冷劑、運行壓力和溫度等。
當將現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱交換器提供用于大多數(shù)HVAC&R應用中時，所述傳統(tǒng)的熱交換器例如為那些被配置用于汽車應用的熱交換器，其中在這樣的熱交換器中使用薄的扁平管 (諸如微通道管)和銅焊(brazed)的歧管結構，現(xiàn)有的傳統(tǒng)熱交換器會呈現(xiàn)出不足。一般的單通路和多通路熱交換器設計在運行期間呈現(xiàn)高制冷劑壓降，一般是 5psig或更高。這些壓降被要求補償歧管或集管中的壓降損失。盡管這在緊湊型汽車設計中并非問題，在緊湊型汽車設計中，歧管壓降可以較低，其被忽略或者作為一個因素考慮在單運行設計中，但是所述壓降在HVAC&R應用中是不可接受的，并且可造成系統(tǒng)的其他運行問題。這些不足是不明顯的，除非利用實際現(xiàn)場運行試驗或測試數(shù)據(jù)，并且更熟知動力學和關鍵運行條件的相互影響。由于為了使材料成本更低，以及由于與將所述管整體銅焊至歧管相關的生產(chǎn)原因，歧管集管的傳統(tǒng)結構使用與管寬度匹配的盡可能最小的圓形材料現(xiàn)貨尺寸(以形成歧管)。因而，對于1英寸寬的管，通常使用1英寸內(nèi)徑的歧管或集管。盡管該特定尺寸組合通?？捎糜谄噾?，允許將管較好地自動插入集管以及管的止動點(Stopping point), 但是對于大多數(shù)HVAC&R應用，它通常是不合適的，并且很多時候是不適當?shù)?。也就是說，對于HVAC&R應用中的大范圍使用，這一尺寸或類似尺寸的歧管直徑，并且更具體地，“可使用的橫截面內(nèi)部面積”對有關熱交換器的容量和容量范圍施加相當大的運行限制，并且由于歧管或集管中的壓降以及歧管區(qū)域中的制冷劑和油滯留(entrapment)還引起嚴重的性能問題和損失。在冷凝器中，在各種制冷劑流動狀況下，這樣的管/歧管的尺寸組合對應于約 5%至約20%的運行容量損失。在蒸發(fā)器中，這樣的管/歧管的尺寸組合造成可輕易超出 30%的運行容量損失。傳統(tǒng)歧管或集管中的制冷劑和流體的壓降是能夠造成進入所述管的制冷劑蒸氣分布不均勻的幾種現(xiàn)象中的一種。在用作冷凝器或蒸發(fā)器的熱交換器中可出現(xiàn)分布不均勻。在冷凝器中，歧管壓力(或壓降)的增大導致更少的制冷劑被提供至位于遠離歧管或集管的入口的管。取決于管的數(shù)目、制冷劑的質(zhì)量流率或其他原因，對于多通路布置，該影響會更加嚴重。通過使用多通路來使壓力(或壓降)額外的增大可有助于補償或部分校正冷凝器中的分布不均勻，但是會導致明顯額外的制冷劑壓降和熱交換器熱傳遞容量的損失。在蒸發(fā)器中，多通路布置可引起分布不均勻，這種分布不均勻會越來越多地出現(xiàn)在穿過所述管的每一流體流動通路中。在單通路蒸發(fā)器中，可在入口歧管或集管以及出口歧管或集管中引起制冷劑的分布不均勻。一種避免冷凝器(和蒸發(fā)器)中分布不均勻的方式是將極低的歧管集管壓力損失提供作為管壓降損失的比例(ratio)。在蒸發(fā)器中，由于出口歧管而導致的出口壓降相對于由于所述管而造成的壓降的比例可以是一個重要的考慮因素。也就是說，與位于遠離連接處的管的壓降相比較，接近連接處的管可受到減小的壓降。例如，如果歧管在其長度上具有 Ipsi壓降，管具有2psi壓降，最接近于出口連接處的管將比定位在遠離所述連接處的管具有更多的制冷劑流。由于流體質(zhì)量流率與所引起的壓降呈指數(shù)相關，所述歧管長度上的壓降可引起流體在每一管中被蒸發(fā)的量的不均衡。由于內(nèi)部歧管隔板造成傳統(tǒng)的微通道管熱交換器具有不可預測的性能。多通路設計中的管壓降損失以及歧管壓降損失需要極其復雜的計算和分析，用來預測熱交換器的全負荷性能和半負荷性能。此外，制冷系統(tǒng)中的總體制冷劑注入(charge)的變化，或者在全負荷和/或部分負荷時冷凝器中的制冷劑的“返回(back up)”會使得所有分析和預測不足以信，如果要求可靠的話。因而，制冷劑注入水平可顯著影響可用的冷凝器熱傳遞(內(nèi)部管)表面，從而影響制冷系統(tǒng)容量和能量使用。換句話說，提供預定量的制冷劑(相比于 “過度注入”或“注入不足”或制冷劑隨時間損失)可不利地影響熱交換器和制冷劑系統(tǒng)的運行。由于在當前現(xiàn)有技術的熱交換器中，歧管或集管橫截面面積與管橫截面面積的比例以及歧管集管與總體系統(tǒng)容量的比例相對小，在具有“微通道”管的傳統(tǒng)冷凝器中通常存在制冷劑的注入不足。在不使用被稱為制冷劑收集器的附加部件時，制冷系統(tǒng)因而被稱為“臨界注入(critically charged)”。也就是說，將非常少的附加制冷劑添加至系統(tǒng)可導致冷凝器使制冷劑在“微通道”管內(nèi)“返回”，從而減少熱傳遞表面的量，進而增大冷凝壓力 (造成系統(tǒng)容量損失和/或更高的能量消耗)。另一方面，臨界注入系統(tǒng)中的制冷劑損失或注入不足可導致蒸發(fā)器具有不充足的制冷劑，導致降低蒸發(fā)器溫度，其轉(zhuǎn)而導致制冷容量的損失，和/或更高的能量使用，和/或空氣盤管(coil)上冷凝水的潛在冷凍(或者，水在制冷劑-水類型的蒸發(fā)器內(nèi)部冷卻)。在一些示例中，低的蒸發(fā)器溫度導致系統(tǒng)安全閉鎖或者可能的蒸發(fā)器破裂/失效。因而，在現(xiàn)有技術的具有“微通道”管的熱交換器構造或設計中，其還稱為“微通道”熱交換器，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當將其應用至一般的HVAC&R設備和系統(tǒng)設計時，對于具體的制冷劑系統(tǒng)，存在窄范圍的制冷劑量(制冷劑注入)，其中如果制冷劑量在制冷劑量的范圍之外，即太多或太少制冷劑注入時，可導致該系統(tǒng)的不期望地或不利地運行，或者可能導致系統(tǒng)故障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面是一種用于最優(yōu)化熱交換器的性能的方法。所述熱交換器具有第一歧管；第二歧管；以及，在第一歧管和第二歧管之間延伸的管。所述管具有延伸穿過所述管的整個長度的至少一個開口。所述最優(yōu)化方法包括通過根據(jù)所用制冷劑的類型及其性質(zhì)來選定管的不同尺寸的開口或配置，從而控制熱交換器中壓降的步驟。該方法還包括在所述第二歧管中設置液體隔板(baffle)，以形成第一腔和第二腔。所述液體隔板具有鄰近于其的開口，所述開口從所述第一腔延伸至所述第二腔。還公開了最優(yōu)化第一歧管和第二歧管的尺寸，使得歧管與管尺寸的比例、或者歧管與管開口橫截面面積的比例會導致產(chǎn)生低壓降，并且使所述歧管和管組合中的壓降效應最小化。此外， 該方法可包括最優(yōu)化所述第一歧管和所述第二歧管的尺寸，使得最優(yōu)化所述第一歧管和所述第二歧管的質(zhì)量流量與所述管流量的比例，從而當將制冷劑提供至所述管時，使所述第一歧管具有最小或可忽略的分布不均勻效應，進而提高所述熱交換器的總體性能。還可在所述第二歧管中提供聚集冷凝的制冷劑液體，以阻止液體制冷劑返回至所述管中?？稍谒龅诙绻苤性O置隔板，允許所述第二歧管用作微型收集器，從而顯著增加熱交換器的制冷劑注入容積，并且允許第二歧管內(nèi)部的制冷劑注入水平波動。附加的制冷劑注入容積增大了臨界注入的范圍或幅度，由此制冷劑注入水平(level)在一范圍內(nèi)的增大或減小對所述熱交換器的性能基本上沒有影響。附加的制冷劑注入容積還允許過量的制冷劑連續(xù)地聚集在所述第二歧管中，從而提供附加的熱傳遞表面用于冷凝，由此熱交換器所附接至的制冷系統(tǒng)在部分負荷狀態(tài)下獲得了較高的能效。所述隔板堵塞了所述第二歧管的大部分，除了所述第二歧管的底部的開口，從而在所述第二歧管中產(chǎn)生了兩個腔，第一腔用作制冷劑收集器，第二腔用作過渡腔以及進出制冷劑連接處的通道。本方法還可包括在所述第二腔中聚集冷凝的制冷劑液體的步驟，所述制冷劑液體已在所述管中冷凝。通過這樣做，由于總體制冷負荷，所述第二腔中的制冷劑液體的液位將基于制冷劑使用率而波動。所述第二腔將用作收集器或貯存槽，用于儲存包括熱交換器的制冷系統(tǒng)不使用的過量的制冷劑。本方法還采用豎直管，所述豎直管受重力和毛細管效應的影響。這個特征，結合所述歧管比例和相關的動力學，以及結合所述微通道管中適當?shù)闹评鋭航?，提供一致且可預測的熱傳遞、較高的熱傳遞率(與具有較低壓降的較小歧管或管的配置相比)。因而，改進了流入所述管中的制冷流分布，以及更好地將液體從所述管移至所述收集器。本發(fā)明的另一方面是一種最優(yōu)化熱交換器容量的熱交換器。所述熱交換器具有 第一歧管；第二歧管；以及，管，在所述第一歧管和所述第二歧管之間延伸。所述管寬度與所述第一歧管有效內(nèi)徑的比例為1 1至1 1.18，并且一般小于1 1.6。與所述第一歧管相關聯(lián)的壓降低，從而使所述熱交換器中的制冷劑的不均勻分布效應最小化，進而提高了所述熱交換器的性能。所述管具有延伸貫穿所述管長度的多個開口，并且所述開口在單列中基本均勻地隔開，以及具有一致的尺寸或不一致的尺寸。或者，所述管具有多個開口， 所述開口在單列或多列中非均勻地隔開，并且具有不同的尺寸和/或形狀。該熱交換器還可具有設置在所述第一歧管中的入口以及設置在所述第二歧管中的出口。所述第二歧管具有液體隔板，以形成第一腔和第二腔。開口設置為鄰近于所述液體隔板，且所述開口從所述第一腔延伸至所述第二腔。調(diào)整所述隔板和開口的尺寸，以僅允許制冷劑液體穿過所述開口，由此在所述第二腔中的任何氣體聚集被截留并且最終被冷凝， 并且不允許穿過所述開口。所述隔板允許所述第二歧管用作微型收集器，允許過量的制冷劑連續(xù)地聚集在所述第二歧管中。這樣的制冷劑的聚集為冷凝提供附加的熱傳遞表面，由此熱交換器所附接至的制冷系統(tǒng)在部分負荷條件下得到較高的能效。該隔板還堵塞所述第二歧管的大部分，除了所述第二歧管底部的變窄開口，從而在所述第二歧管中形成兩個腔， 第一腔用作制冷劑收集器，第二腔用作過渡腔以及進出制冷劑連接處的通道?？烧{(diào)整所述隔板開口的尺寸，以引起小的壓降(即，0. 25psig)，最高達高壓降(15psig)，從而抵消外部制冷劑管道系統(tǒng)的任何影響，以確保在所述收集器和蒸發(fā)器中冷凝的殘留氣體用作更好的制冷劑加速和液體/氣體混合的入口孔。從下面結合以示例方式示出本發(fā)明原理的附圖對優(yōu)選實施方案的更詳細描述中， 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將更加明了。


圖1是一個使用本發(fā)明熱交換器的示例性蒸氣壓縮系統(tǒng)的簡圖。圖2是圖1的示例性熱交換器的立體圖。圖3是圖2的示例性熱交換器的歧管的橫截面視圖，所述歧管帶有定位在其中的管。圖4是熱交換器的管的橫截面視圖，示出了延伸貫穿所述管的長度的開口。圖5是歧管的橫截面視圖，示出了設置在其中的液體隔板和開口。
圖6示出了沿圖2的線6-6所取的歧管的橫截面視圖，示出了第一腔和第二腔。圖7是與圖6相似的橫截面視圖，示出了其中管隔板定位在歧管中的一個替代實施方案。
具體實施例方式參考圖1和圖2，示出了蒸氣壓縮系統(tǒng)2，例如制冷系統(tǒng)，其中壓縮的制冷劑蒸氣被傳送至熱交換器8的入口 12，所述熱交換器例如銅焊構造的鋁熱交換器，還稱作氣冷式冷凝器。其他合適的材料也可用于構造熱交換器。入口 12還稱作制冷系統(tǒng)的“熱側(cè)”或“壓力側(cè)”。冷凝器通常使用在位于管14之間的散熱片16之間流動的空氣、和/或流過位于管 14之間的散熱片16的空氣(所述空氣以小于所述制冷劑冷凝溫度的溫度提供)，以將容納在所述管內(nèi)部的制冷劑冷卻且冷凝為液態(tài)。然后，液體被傳送至控制閥18，所述控制閥18 調(diào)節(jié)通向制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器(還稱作“冷側(cè)”或“低壓力側(cè)”)的制冷劑流，由此減小控制閥 18兩端的制冷劑壓力，并且所述制冷劑被傳送至蒸發(fā)器，以提供降低的溫度用于冷卻空氣或流體，還稱作工作流體。在銅焊熱交換器8形式的蒸發(fā)器中，制冷劑主要以液態(tài)進入蒸發(fā)器，并且隨著熱從工作流體傳遞至制冷劑，制冷劑在熱交換器8內(nèi)部蒸發(fā)。蒸氣制冷劑離開蒸發(fā)器，并且被傳送至壓縮器22，然后所述壓縮器22將蒸氣壓縮至待傳送至冷凝器的增大的壓力水平，從而完成制冷循環(huán)。在本公開文本的一個實施方案中，例如圖2-圖6中所示，熱交換器8可具有管 14，有時稱作“微通道”管；以及，歧管或集管M，其連接至所述管14，例如通過銅焊。這種類型的熱交換器8有時被稱作“微通道”熱交換器。在一個示例性實施方案中，如圖4中所示，每一管14可具有在其中形成的多個端口或開口沈，以在相對的歧管或集管對之間傳送流體。如圖4中進一步示出的，開口沈可以在單列中大體均勻地間隔開并且可以具有相同的尺寸，包含這些開口的管14可以是大體扁平的。如圖4中所示，例如，管14可具有約0.020英寸的厚度X約4英寸的寬度的外部橫向尺寸。再次參考圖2-圖6，散熱片16，例如折疊的散熱片(諸如紋波式或百葉窗式)， 可被設置為在所述管14之間延伸。在一個實施方案中，散熱片16可以被整體銅焊在所述管14之間，以及在另一實施方案中，可在管14布置的每一末端處將所述管末端銅焊至歧管或集管24。所述歧管或集管M可被配置為允許制冷劑或流體流入被平行定位在歧管M之間的一個或多個管14。在一個替代實施方案中，隔板或分隔物(未示出)可被定位在至少一個歧管M中，以限定多通路配置，由此進入第一集管Ma的流體可被引導為可選擇地從所述第一集管穿過預定數(shù)目的管14流動至第二集管Mb，再穿過又一預定數(shù)目的管14返回至所述第一集管Ma，所述集管M之間的流動模式重復，直至所述流體被引導穿過所述第一歧管2 和第二歧管24b之間的所有管14，然后離開所述熱交換器8。多通路系統(tǒng)可包括穿過管14布置的任意2、3、4、5、6個或更多個制冷劑/流體通路。例如，在具有30個管 14的組或布置和位于歧管中的分隔物的熱交換器8的一個示例性實施方案中，所述管組的前十個可限定第一流體通路，所述管組的再十個可限定第二通路，以及所述管組的剩余十個可限定第三通路。在另一些實施方案中，開口沈可在一個或多個列中非均勻地間隔開，包括開口的隨機布置，其中開口沈可以是圓形的或者非圓形的，以及開口可沿著管14的長度在尺寸和
8/或形狀上變化。在另一實施方案中，開口沈可在相同的管14中以不同的尺寸和形狀來形成。在又一實施方案中，一個或多個管14和/或開口沈的橫截面面積可沿著管14的長度變化。此外，管14不限于大體扁平構造。最后，開口沈的相對尺寸并不限于圖4中所示， 即，取決于應用和期望壓力、流體流速、工作流體以及其他運行參數(shù)或工況，開口沈的橫截面面積的范圍可從小于具有0. 001英寸直徑的圓形開口的等效橫截面面積變化到大于具有至少0. 090英寸或更大直徑的圓形開口的等效橫截面面積。參考圖1至圖6，熱交換器8被配置用于制冷系統(tǒng)。如所討論的，熱交換器8具有 入口 12 ；上部歧管集管Ma ；管14，例如“微通道管”；散熱片16 ；下部歧管或集管/收集器 24b ；出口四；液體隔板30 ；以及，開口或孔32，其位于液體隔板30和下部歧管或集管/收集器24b之間，由隔板形成。取決于管14中選定的管開口沈的尺寸，熱交換器8可被配置為在制冷劑低壓降或高壓降下適當?shù)剡\行。熱交換器8僅在上部集管2 中造成低壓降。壓降的量可被修改以優(yōu)化性能。可通過選擇具有不同開口沈尺寸和配置的多個微通道管14中的一個來完成壓降選擇。取決于所使用的制冷劑類型以及將制冷劑保持在管端口內(nèi)部的管表面張力，這些管的選擇和選定可考慮所述設備對重力有響應或?qū)χ亓o響應，或由于對毛細管效應有響應。歧管集管M被放大至歧管M與管14尺寸的比例和/或歧管M與管開口沈的橫截面面積的比例，大于現(xiàn)有技術的當前水平，更大的比例表明在歧管和管的組合中產(chǎn)生極低的壓降和壓降效應。當將熱交換器用作冷凝器和/或蒸發(fā)器時，歧管集管24被放大，并且被應用于與集管M的質(zhì)量流量和管14的流量相關的比例，以及歧管或集管M與管壓降的比例，使得歧管或集管M在將制冷劑供應至管14時具有最小或可忽略的分布不均勻的效應，從而改進熱交換器的總體性能。此外，當用作冷凝器或蒸發(fā)器時，管14可被配置為豎直的單通路， 使得制冷劑流受到(或不受)管內(nèi)的重力和/或毛細管效應所影響，如上所述。因而，當用作冷凝器時，冷凝的制冷劑液體可聚集在下部歧管集管Mb中，并且不返回至管14中。不管熱交換器尺寸或配置如何，不存在將制冷劑重新導入多通路的內(nèi)部隔板，從而基本消除或最小化了不可預測性，而不可預測性是現(xiàn)有技術的一個主要問題。上部歧管集管Ma、管14和下部歧管集管24b的限制或效果決定所述設備的可預測性，并且提供控制以及熱力學模擬最終結果的改進能力。此外，基本上不堵塞的歧管以及將所述管定位遠離所述歧管的中心減少了壓縮器的油滯留以及返回至壓縮器的油。當將熱交換器用作冷凝器時，管14大體豎直定向，且上部歧管集管Ma的尺寸被設定為大于現(xiàn)有技術慣例的比例和/或被設定為管14與上部歧管集管Ma的容量比例， 大于現(xiàn)有技術慣例時，通過如下方式可將下部歧管集管24b配置為如同微型收集器一樣工作，即，通過將一個隔板34—一例如具有J形管輪廓(圖7中所示)的管——以特定位置和方法插入下部歧管集管24b中。將下部歧管集管24b用作微型收集器增加了相當大的制冷劑注入容積，并且由于液體出口區(qū)域處的隔板或管34，允許制冷劑注入水平在下部歧管集管24b內(nèi)部波動，從而增大臨界注入的范圍或幅度，由此制冷劑注入水平(在某一范圍內(nèi)過量注入或者少量注入)將實際上對系統(tǒng)性能沒有影響。此外，通過允許過量制冷劑連續(xù)地聚集在下部歧管集管24b中，可獲得附加的熱傳遞表面用于冷凝，制冷系統(tǒng)2在部分負荷狀態(tài)下獲得較高的能量效率。參考圖6，下部歧管24b中的液體隔板30通常鄰近(但非必要)于制冷連接處，使得形成兩個腔36、38，第一腔36用作制冷劑收集器(右側(cè))，以及第二腔38 (左側(cè))用作過渡腔以及進出制冷劑連接處的通道。取決于過渡腔的質(zhì)量流率以及最小壓降效應，液體隔板30通常位于第一豎直管前或該第一管后。液體隔板30的作用是提供下部歧管Mb的幾乎完全堵塞，使得隔板30堵塞除了歧管底部處的狹窄位置以外的大部分歧管Mb。這個狹窄開口被稱作孔32。當將熱交換器用作冷凝器時，液體隔板30起作用，使得已經(jīng)在豎直管14中冷凝的液體制冷劑一旦離開所述管就聚集在歧管24b的收集腔部分36中。由于總體制冷負荷，該收集腔36中的液位將基于制冷劑使用率而波動。當制冷系統(tǒng)負荷小于最大值并且不需要那么多制冷劑時，液位將增大，并且隨著制冷負荷增加，液位將減小。液位還將基于系統(tǒng)的總體制冷劑注入水平而變化。因而，收集腔36用作收集器或貯存槽，用于在不同時間儲存系統(tǒng)2不使用的過量制冷劑。收集腔36中的制冷劑還連續(xù)地流出腔36，穿過孔32，進入第二過渡腔38。由于孔 32的位置位于歧管24b的隔板30的下部部分，所以僅制冷劑液體可穿過孔32，并且收集腔 36中的任何氣體聚集都被截留并且不允許穿過。流體截留用于阻止氣體離開冷凝器，這是不期望的并且可造成系統(tǒng)運行問題?？?2的第二特征是其橫截面面積(孔尺寸)基于系統(tǒng)的最大質(zhì)量流率來確定。 孔尺寸還基于孔32兩端的期望壓降來選定?？壮叽缈杀贿x定為具有可忽略的或小的壓降 (即，0. 25psig)，最高達高壓降(15psig)，以抵消外部制冷劑管道系統(tǒng)的任何影響，并且確保殘留氣體在收集器中冷凝。在蒸發(fā)器中，開口的尺寸可被調(diào)整用作入口孔，用于更好地進行制冷劑聚集和液體/氣體混合。當熱交換器8被用作蒸發(fā)器時，液體/氣體制冷劑混合物經(jīng)由下部連接處和歧管 24b進入熱交換器8，然后進入豎直管14。在一個示例實施方案中，基于適當?shù)目壮叽缫约皦航敌?，液體隔板30和孔32對系統(tǒng)2的運行具有較小的影響或沒有影響。在這樣的實施方案中，熱交換器允許受控制冷劑在兩個方向上流動，使得液體隔板30及其孔32可在熱泵系統(tǒng)所要求的冷凝和蒸發(fā)器模式下工作。在又一實施方案中，通過將液體隔板30或J管34插入在下部歧管24b的出口區(qū)域中，僅允許位于下部集管24b的最低點處附近的制冷劑液體在隔板30下方流動(或者向上進入管34中)，產(chǎn)生連續(xù)的液體密封，從而堵塞原本可能流入系統(tǒng)2的液體返回線路中的任何不想要的氣體。這樣的隔板30和所形成的孔32的組合基本上形成“P”截留的功能，以確保僅有液體流至液體線路，而沒有氣體流至液體線路。隔板/孔30、32的組合還允許下部歧管集管Mb中的制冷劑液位隨著系統(tǒng)運行或制冷劑注入水平而波動、上升和下降。這一特征適應系統(tǒng)運行中質(zhì)量流率的一般變化以及系統(tǒng)中變化的制冷負荷、或制冷劑損失或者制冷劑過度注入。隔板/孔30、32或管M的布置還消除了在制冷管道系統(tǒng)中選擇使用 “P”截留，并且減少或消除了熱交換器8上方或下方的外部收集器罐的使用或需要，或者消除或減小一些系統(tǒng)中可能使用的收集器(制冷劑存儲罐)的尺寸。這樣，隔板30或插入管 34將下部歧管集管24b轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿褪占鳎瑫r允許制冷劑在管14和下部集管Mb內(nèi)在較低壓力和溫度時進行冷凝以及隨后的制冷劑過冷卻。相信所述下部歧管集管24b的多益
10處、多特征方面，結合上部歧管集管Ma的低壓降特性是新穎且獨一無二的。在附圖中，當熱交換器8豎直時，孔32被示出在下部集管Mb的最下部分。在本發(fā)明的另一變體中，當熱交換器8在其他取向下——即，相對于水平平面呈30度角、45度角——運行時，孔32可在歧管Mb內(nèi)部定位和取向；不考慮熱交換器的取向，孔32可被定位在下部歧管24b的周界內(nèi)部的最低豎直點處。如果使用J管34，則管34可以被重新定向或旋轉(zhuǎn)，使得它從下部歧管集管Mb的最低豎直部分吸入或抽入液體制冷劑，以實現(xiàn)如同隔板30的相同效果。在傳統(tǒng)汽車型系統(tǒng)中的行業(yè)慣例具有的管寬度與歧管內(nèi)徑的比例一般為1 1至 1 1.15。這允許所述管插入歧管中，并確保歧管內(nèi)部用作管塞(tube stop)。此外，通常歧管的功能性橫截面面積存在40%至50%的堵塞，從而使得“有效橫截面比例”(管寬度與有效歧管橫截面直徑之比)處于如下的一般范圍，即，管寬度相對于有效歧管直徑的比例為 1. 298 至 1. 82。在本公開文本中，有效橫截面比例小于1 1.20，并且通常在約1 0.90至約 1.18之間，但是可有效地應用在1.18以下的有效橫截面比例，以及有效地應用在1 0.90 以下的有效橫截面比例。(通常，比例越低，積極效果越好。)以另一種對比的方式陳述，本公開文本中的歧管集管的有效橫截面面積在大于通常現(xiàn)有行業(yè)慣例的約1. 66至約3. 05倍之間。這些比例的重要性是不明顯的，除非測試以及模擬HVAC熱交換器的多種熱交換器尺寸和一般應用。取決于歧管集管中的應用和質(zhì)量流率而定，本公開文本的熱交換器在歧管中具有明顯較低的壓降，并且所述管的端口尺寸或端口幾何形狀和壓降對不均勻分布具有較少的影響，從而減小了歧管對熱交換器的總體性能的影響，以及允許更大范圍內(nèi)的管端口直徑和設計。此外，隨著歧管長度增大，它與管的內(nèi)在關系的重要性增大，從而可增大熱交換器的尺寸、效率和容量。根據(jù)歧管的幾何形狀和(光滑的或不光滑的，即，間歇式管的中斷或突起)內(nèi)部， 對于現(xiàn)有技術的冷凝器，歧管中制冷劑氣流的一般范圍是對于處在110華氏冷凝溫度的 R22而言為最大12至22噸每平方英寸橫截面面積(36至661bs每分鐘質(zhì)量流每平方英寸)。對于現(xiàn)有技術的蒸發(fā)器，歧管中的制冷劑流的這個一般范圍是對于處在35華氏蒸發(fā)溫度的R22而言為最大10至15噸每平方英寸橫截面面積(30至451bs每分鐘質(zhì)量流率每平方英寸)。對于高壓制冷劑例如R410a，所述最大質(zhì)量流率范圍會更高；對于涉及低壓運行的低壓制冷劑例如R134a，所述最大質(zhì)量流率范圍會更低，這與任意制冷劑的運行壓力下的氣體密度直接相關。在上述參考的指導下，一般的行業(yè)慣例為，帶50%堵塞的1. 15英寸內(nèi)徑的歧管在作為冷凝器使用R22時將具有6至10噸的最大有效容量，在作為蒸發(fā)器使用R22時將具有5至7. 5噸的最大有效容量。相反，本公開文本的熱交換器在作為冷凝器使用R22時將具有約16至約觀噸之間的最大有效容量，在作為蒸發(fā)器使用R22時將具有約10至約20噸之間的最大有效容量，這取決于歧管長度和運行設計工況。由于壓降關于質(zhì)量流率呈指數(shù)關系，該約1. 66至約2. 0之間的質(zhì)量流率是現(xiàn)有設計的約2. 0倍至約2. 66 倍。取決于內(nèi)部歧管的幾何形狀以及期望的質(zhì)量流率，本公開文本的熱交換器轉(zhuǎn)換為2. 7 倍至7. 1倍較低的歧管壓降。這個較低的壓降將影響隨著制冷劑流過歧管^ 和24b 之間)，管14如何連續(xù)一致地均勻供應制冷劑，并且減小了插入具有較高壓降的管以抵消歧管2 壓降效應的需要。因而，本公開文本的熱交換器的上部歧管壓降，正如與所述管、質(zhì)量流率、運行狀況和設計狀況相關的，為這種類型的熱交換器產(chǎn)生新的性能特點，并且允許更大范圍的HVAC&R應用。盡管其他比例也可被用于限定本公開文本的熱交換器8的新穎性，但是相信選定的上述比例最好地反映了總體機械結構，以及限定了與行業(yè)慣例的差別，而不將如下變量的復雜效果結合起來，所述變量例如，質(zhì)量流率、制冷劑CFM、進入歧管的管突起效應、氣體分布、管內(nèi)的毛細管效應、熱交換器的管取向以及其他系統(tǒng)運行變量。由上部集管2 或多通路配置引起的冷凝器中的制冷劑分布不均勻效應，可能會減小熱交換器容量并且降低總體系統(tǒng)能效。通過減少下部歧管壓降的量、相關的關于管14 的質(zhì)量流率容量的下部壓降比例以及所需要的管14的數(shù)量，本公開文本的熱交換器8使歧管集管M對系統(tǒng)2的影響以及相關的熱交換器8的性能降低最小化。在一種蒸發(fā)器配置中，由此制冷劑進入熱交換器8的下部歧管Mb，流動且向上蒸發(fā)至管14，然后進入上部歧管集管Ma (與冷凝器中的制冷劑的流動方向相反)，由管14和上部歧管Ma所引起的壓降更顯著地引起進入管14的制冷劑的分布不均勻，并且影響管14 中的蒸發(fā)溫度，從而產(chǎn)生更多問題以及導致多種方式的熱交換器容量的損失。系統(tǒng)容量的損失和/或合適的蒸發(fā)器運行溫度是關鍵的設計問題，根據(jù)制冷劑和運行狀況，管14還必須具有相對低的一般為約0. Ipsi至約5psi之間的壓降。由此上部歧管集管2 影響管14 中的分布不均勻和蒸發(fā)溫度，而涉及管和歧管比例方面的本發(fā)明的熱交換器8擴大了蒸發(fā)器的應用范圍。此外，在一種蒸發(fā)器配置中，下部歧管24b對一個管14或多組管14中的制冷劑分布不均勻或過量供給具有甚至更大影響。由于那些管中制冷劑的不完全沸騰以及每一管的有限的熱傳遞容量，一個或多個管中的約1.05至約1. 10之間的過量供給因子可嚴重損失熱交換器容量。由于蒸發(fā)器通常被一個熱膨脹閥控制，該熱膨脹閥基于出口的過熱氣體溫度調(diào)節(jié)通向熱交換器的制冷劑流量，當出現(xiàn)分布不均勻(以及，出現(xiàn)一個或多個管的過量供應)的情況時，熱膨脹閥將測量下部過熱氣體溫度(由于過量供應的制冷劑在上部歧管集管中蒸發(fā)，由此降低離開熱交換器的過熱溫度)。當熱膨脹閥測量到低于設定點的過熱溫度時，控制裝置被配置為閉合所述閥，直至達到過熱溫度。所述閥閉合裝置基本上減小了蒸發(fā)器熱交換器的熱傳遞率(容量)。因而，通向一個或多個管中的制冷劑的分布不均勻(過量供應)將導致所述閥閉合，從而降低熱交換器的性能。下部歧管( 及其比例在減小或消除制冷劑分布不均勻方面可起重要的作用。當被用在熱泵應用中時，由此熱交換器8在冷凝器模式下運行，且其他時間在蒸發(fā)器模式下運行，本發(fā)明適應所有上述問題，除了蒸發(fā)器模式下下部集管中的制冷劑分布不均勻。此外，下部歧管的液體隔板30和收集器特征——該收集器特征在冷凝器模式下起作用——還可在蒸發(fā)器模式下運行。這是一個非常獨特且新穎的特征；即，使得內(nèi)置式收集器能夠逆向循環(huán)而幾乎對系統(tǒng)性能沒有不利影響，同時不需要旁路閥(之前需要圍繞或 “管”環(huán)繞所述收集器)。本文描述以及圖1-圖6中示出的本發(fā)明組合展示了新的以及現(xiàn)有的部件，它們與制冷系統(tǒng)協(xié)同工作，以解決在HVAC&R應用中使用銅焊微通道熱交換器的問題。一個實施方案是空氣(或蒸氣)對制冷劑應用的銅焊熱交換器配置，使得i)制冷劑管可被配置為單通路，基本上豎直取向；ii)制冷劑管可具有各種內(nèi)部端口尺寸；iii)制冷劑歧管集管被放大且不限于獲得低入口壓降以及與管相關的其他特性；iV)所放大的歧管集管提供制冷劑容積；以及，ν)隔板/孔(或管)可位于制冷劑出口附近，以保持充分量的液體制冷劑，從而提供“返回”，阻止氣體進入離開的制冷劑連接管路并引起其他期望的運行特性。在替代實施方案中，可采用特征i)至ν)的不同組合。不考慮具體實施方案，本發(fā)明旨在實現(xiàn)作為制冷冷凝器和/或蒸發(fā)器，和/或熱泵熱交換器的新的結果。期望的是，提供與應用的質(zhì)量流率相關、結合由管引起的標稱壓降、結合液體制冷劑容積、與隔板/孔(或管)組合的低壓降歧管集管，以提供基本上僅流體從冷凝器流出以及冷凝器出口處可選的回壓(back-pressure)。這樣的整體設備特征可被應用于HVAC&R系統(tǒng)中很大范圍的熱交換器應用，例如銅焊的鋁熱交換器，并且可被用在極寬范圍的設計和實踐的運行狀況中，并且能夠使用各種制冷劑，例如先前所涉及的，包括作為冷凝器和/或蒸發(fā)器的應用，以及其中熱交換器運行在冷凝器模式下(用于加熱)并接著運行在蒸發(fā)器模式下(用于冷卻)的熱泵應用?，F(xiàn)有技術關注微型汽車設計，其中歧管中的壓降被容許，并且管壓降由穿過熱交換器的多通路來補償。未發(fā)現(xiàn)這些汽車設計或者這些汽車設計不需要與歧管和管壓降相互作用有較大關系，除非HVAC/R應用需要物理尺寸和制冷劑質(zhì)量流率大2倍至30倍的較大的熱交換器。盡管參考優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進行了描述，但是本領域普通技術人員應理解， 在不偏離本發(fā)明的范圍的前提下，可做出各種改變，并且等同物可用來替代其元件。此外， 在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)范圍的前提下，可做出許多改型來調(diào)整本發(fā)明教導的具體的情況或材料。因而，并不旨在將本發(fā)明限于所公開的用于實施本發(fā)明的最佳模式的具體實施方案， 而是本發(fā)明將包括落入隨附權利要求范圍內(nèi)的所有實施方案。
權利要求
1.一種最優(yōu)化熱交換器性能的方法，該方法包括具有第一歧管、第二歧管以及在第一歧管和第二歧管之間延伸的管的熱交換器，所述管具有至少一個開口，所述至少一個開口延伸穿過所述管在所述第一歧管和所述第二歧管之間的整個長度；通過根據(jù)所用制冷劑的類型及其性質(zhì)來選定所述管的開口尺寸或配置，以控制所述熱交換器中的壓降。
2.如權利要求1所述的方法，其中在每一管中設置多個開口，所述多個開口在單列中基本均勻地間隔開，并且具有相同的尺寸。
3.如權利要求1所述的方法，其中在每一管中設置多個開口，所述多個開口在單列或多列中非均勻地間隔開，并且具有不同的尺寸或形狀。
4.如權利要求1所述的方法，包括在所述第二歧管中設置液體隔板以產(chǎn)生第一腔和第二腔的附加步驟，所述液體隔板具有與其鄰近的、從所述第一腔延伸至所述第二腔的開口。
5.如權利要求4所述的方法，包括最優(yōu)化所述第一歧管和第二歧管的尺寸的附加步驟，使得所述歧管與管尺寸的比例、或歧管與管開口橫截面面積的比例會導致產(chǎn)生低壓降， 并且使所述歧管和管組合中的壓降效應最小化。
6.如權利要求5所述的方法，包括最優(yōu)化所述第一歧管和所述第二歧管的尺寸的附加步驟，使得所述第一歧管和第二歧管的質(zhì)量流量與所述管流量的比例被最優(yōu)化，從而當將制冷劑提供至所述管時，所述第一歧管具有最小或可忽略的分布不均勻效應，由此提高所述熱交換器的總體性能。
7.如權利要求6所述的方法，包括在所述第二歧管中聚集冷凝的制冷劑液體的附加步驟，從而阻止液體制冷劑返回至所述管中。
8.如權利要求1所述的方法，包括在所述第二歧管中設置隔板的附加步驟，以允許所述第二歧管用作微型收集器，從而增加所述熱交換器的制冷劑注入容積，并且允許所述第二歧管內(nèi)部的制冷劑注入水平浮動，由此增大臨界注入的范圍或幅度，使得制冷劑注入水平在預定范圍內(nèi)的增大或減小對所述熱交換器的性能基本上沒有影響。
9.如權利要求1所述的方法，包括在所述第二歧管中設置隔板的附加步驟，以允許所述第二歧管用作微型收集器，并允許過量的制冷劑連續(xù)地聚集在所述第二歧管中，從而提供附加的熱傳遞表面用于冷凝，由此所述熱交換器所附接至的制冷系統(tǒng)在部分負荷狀況下實現(xiàn)了增大的能效。
10.如權利要求4所述的方法，其中所述第二歧管中的液體隔板分隔開所述第二歧管的大部分，除了所述第二歧管底部處的開口，由此在所述第二歧管中產(chǎn)生兩個腔，第一腔用作制冷劑收集器，第二腔用作過渡腔以及進出制冷劑連接處的通道。
11.如權利要求10所述的方法，包括在所述第二腔中聚集冷凝的制冷劑液體的附加步驟，其中所述制冷劑液體在所述管中冷凝，由此由于總體制冷負荷，所述第二腔中的制冷劑液體的液位將基于制冷劑的使用率而波動，以及所述第二腔將用作收集器或貯存槽，用于儲存包括熱交換器的制冷劑系統(tǒng)所不使用的過量的制冷劑。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述隔板和開口被配置且布置為允許僅制冷劑液體穿過所述開口，由此所述第二腔中的任何氣體聚集被截留且且不允許穿過所述開口。
13.如權利要求12所述的方法，包括基于所述開口兩端的期望壓降選擇開口尺寸的附加步驟，由此所述開口尺寸可被選定為具有可忽略的壓降或引起標稱壓降。
14.一種熱交換器，其最優(yōu)化熱交換器容量，所述熱交換器包括第一歧管；第二歧管；管，在所述第一歧管和所述第二歧管之間延伸并流體連通；所述管寬度與所述第一歧管有效內(nèi)徑的比例小于1 1. ;由此與所述第一歧管相關聯(lián)的壓降是低的，從而使所述熱交換器中的制冷劑分布不均勻的效應最小化，由此提高所述熱交換器的性能。
15.如權利要求14所述的熱交換器，其中在每一管中設置多個開口，所述多個開口延伸穿過所述管的長度，并在單列中基本均勻地分隔開，并且具有相同的尺寸。
16.如權利要求14所述的熱交換器，其中在每一管中設置多個開口，所述多個開口延伸穿過所述管的長度，并在單列或多列中不均勻地間隔開，并且具有不同的尺寸或形狀。
17.如權利要求14所述的熱交換器，其中所述熱交換器具有設置在所述第一歧管中的入口以及設置在所述第二歧管中的出口，下部的歧管具有液體隔板以形成第一腔和第二腔以及鄰近該液體隔板、從所述第一腔延伸至所述第二腔的開口。
18.如權利要求17所述的熱交換器，其中所述隔板和開口被配置且布置為允許僅制冷劑液體穿過所述開口，由此所述第二腔中的任何氣體聚集被截留且不允許穿過所述開口。
19.如權利要求14所述的熱交換器，其中在所述第二歧管中設置隔板，所述隔板允許所述第二歧管用作微型收集器，允許過量的制冷劑連續(xù)地聚集在所述第二歧管中，從而提供附加的熱傳遞表面用于冷凝，由此所述熱交換器所附接至的制冷系統(tǒng)在部分負荷狀態(tài)下實現(xiàn)增大的能效。
20.如權利要求19所述的熱交換器，其中所述制冷劑從所述第二歧管最底部的豎直部分被吸至所述管中。
21.如權利要求14所述的熱交換器，其中所述第二歧管中的隔板分隔開所述第二歧管，除了位于所述第二歧管底部處的一個變窄的開口，由此在所述第二歧管中形成兩個腔， 第一腔用作制冷劑收集器，第二腔用作過渡腔以及進出制冷劑連接處的通道。
22.如權利要求14所述的熱交換器，其中所述管在所述第一歧管和所述第二歧管之間以豎直取向延伸，使得所述管內(nèi)的制冷劑流受重力或毛細管效應的影響。
全文摘要
本發(fā)明是一種具有最優(yōu)化性能的熱交換器，以及一種最優(yōu)化熱交換器性能的方法。所述熱交換器具有第一歧管；第二歧管；以及，在第一歧管和第二歧管之間延伸的管。所述管具有至少一個開口，該開口延伸穿過所述管的整個長度。該方法可包括通過根據(jù)所用制冷劑的類型及其性質(zhì)來選定所述管的不同尺寸的開口或配置，來控制所述熱交換器中的壓降；最優(yōu)化所述第一歧管和第二歧管的尺寸，使得歧管與管尺寸的比例、或歧管與管開口橫截面面積的比例會產(chǎn)生低壓降，并且使所述歧管和管組合中的壓降效應最小化；以及，最優(yōu)化所述第一歧管和第二歧管的質(zhì)量流量與所述管流量的比例，使得當將制冷劑提供至所述管時，所述第一歧管具有最小化或可忽略的分布不均勻的效應，從而提高所述熱交換器的總體性能。
文檔編號F25B39/04GK102439380SQ201080008834
公開日2012年5月2日 申請日期2010年1月22日 優(yōu)先權日2009年1月25日
發(fā)明者史蒂文·M·萬德 申請人:美國阿爾科伊爾有限公司