用于熱泵應(yīng)用的平行流熱交換器的制作方法

專利名稱：用于熱泵應(yīng)用的平行流熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及制冷劑熱泵系統(tǒng)并且更特定地涉及其平行流熱 交換器。
背景技術(shù)：
所謂的平行流熱交換器的定義廣泛地用于空調(diào)和制冷劑工業(yè)并且 指定具有制冷劑以通常大致垂直于入口和出口歧管內(nèi)的制冷劑流的方 向的朝向在其中分配和流動的多個(gè)平行的通路的熱交換器。此定義在 本技術(shù)領(lǐng)域中廣泛適用并且將遍及全文使用。平行流熱交換器開始在 空調(diào)裝備中得到普及，但是它們在熱泵領(lǐng)域的應(yīng)用由于下面概述的原 因非常受限制。制冷劑熱泵系統(tǒng)通常根據(jù)熱負(fù)荷需求和環(huán)境狀況以冷卻或加熱模 式操作。現(xiàn)有的熱泵系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、諸如四路換向閥的流控制設(shè)備、 室外的熱交換器、膨脹設(shè)備、和室內(nèi)的熱交換器。在熱泵系統(tǒng)分別在 冷卻或加熱模式操作時(shí)，四路換向閥將流出壓縮機(jī)排出口的制冷劑導(dǎo) 向到室外的或室內(nèi)的熱交換器以及將制冷劑從這些熱交換器的另一個(gè) 引導(dǎo)回到壓縮機(jī)吸入口。在冷卻操作模式中，制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)被壓 縮，被向下游遞送到四路換向閥并且隨后被引導(dǎo)到室外的熱交換器(在 此情況中為冷凝器)。在冷凝器中，在與通過諸如風(fēng)扇的空氣運(yùn)動設(shè) 備吹過冷凝器外部表面的諸如空氣的第二流體熱傳遞相互作用期間， 從制冷劑移除熱量。從而，制冷劑減溫、冷凝并且通常低溫冷卻。制 冷劑從室外的熱交換器流動通過膨脹設(shè)備，在那里其被膨脹到更低的 壓力和溫度，并且隨后到達(dá)室內(nèi)的熱交換器(在此情況中為蒸發(fā)器)。 在蒸發(fā)器中，在熱傳遞相互作用期間，制冷劑冷卻通過諸如風(fēng)扇的空 氣運(yùn)動設(shè)備遞送到調(diào)節(jié)的空間的空氣(或其它第二流體)。雖然蒸發(fā) 并且過度加熱的制冷劑冷卻流過室內(nèi)的熱交換器的空氣，通常，濕氣 也#1從空氣流取出，從而空氣也被除濕。再一次，制冷劑從室內(nèi)的熱 交換器通過四路換向閥并且返回壓縮機(jī)。在加熱操作模式中，通過熱泵系統(tǒng)的制冷劑流基本上反向。制冷劑從壓縮機(jī)流動到四路換向閥并且被引導(dǎo)到室內(nèi)的熱交換器。在現(xiàn)在 用作冷凝器的室內(nèi)的熱交換器內(nèi)，熱量被釋放到通過風(fēng)扇遞送到室內(nèi) 的環(huán)境的空氣以加熱室內(nèi)的環(huán)境。減溫、冷凝并且通常低溫冷卻的制 冷劑隨后流動通過膨脹設(shè)備并且到達(dá)下游的室外的熱交換器，在那里 將熱量從相對冷的周圍環(huán)境傳輸?shù)秸舭l(fā)并且通常過度加熱的制冷劑。 制冷劑隨后被導(dǎo)向到四路換向閥并且返回壓縮機(jī)。如本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員已知的，上面已經(jīng)描述了基本的熱泵系統(tǒng)的筒化的操作，并且許多改變和可選的特征能夠加入熱泵示意 圖。例如，分開的膨脹設(shè)備能夠用于加熱和冷卻操作模式，或者節(jié)熱器或再熱循環(huán)能夠集成到熱泵設(shè)計(jì)中。此外，通過引入諸如R744的 自然制冷劑，高壓力側(cè)熱交換器能夠潛在地在超臨界區(qū)(高于臨界點(diǎn)) 操作，并且單相制冷劑而不是諸如在亞臨界狀況的主要的兩相流體將 流動通過其熱交換管。在此情況中，冷凝器變成單相冷卻器型熱交換 器。如能夠從對熱泵操作的簡化的描述看出的，根據(jù)操作模式，全部 熱交換器通常起冷凝器和蒸發(fā)器的雙重用途。此外，通過熱泵熱交換 器的制冷劑流通常在前述操作模式期間反向(除非制造特殊的管道設(shè) 置)。從而，熱交換器和熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨對于全部冷卻和加熱操 作模式中的性能優(yōu)化熱交換器回路構(gòu)造的挑戰(zhàn)。這是特別困難的任 務(wù)，因?yàn)橐榧盁峤粨Q器維持制冷劑熱傳遞和壓力降低特性之間的充 分的平衡。因此，許多熱泵熱交換設(shè)計(jì)為對于全部冷卻和加熱操作模 式具有相等的然而不是最佳的數(shù)量的直通回路。總之，流動通過熱交換器的兩相制冷劑混合物內(nèi)包含的蒸氣越多 并且制冷劑流量越高，有效的熱交換器操作需要的平行回路的數(shù)量越 大。從而，有效的冷凝器通常結(jié)合會聚的回路并且有效的蒸發(fā)器使用 直通或發(fā)散的回路。換句話說，熱交換器回路在沿制冷劑路徑的一些 中間位置結(jié)合或分離以適應(yīng)制冷劑密度的改變并且分別改進(jìn)制冷劑流 的冷凝或蒸發(fā)特性。在現(xiàn)有的板和散熱片熱交換器中，這樣的回路改 變與制冷劑流方向反向一起能夠通過利用三腳架和中間歧管實(shí)現(xiàn)，如6
產(chǎn)業(yè)中已知的。在平行流熱交換器中，特別是在熱泵應(yīng)用中，由于設(shè) 計(jì)細(xì)節(jié)以及歧管設(shè)計(jì)和制冷劑分配細(xì)節(jié)，平行回路的數(shù)量能夠僅在歧 管位置處改變，限制熱交換器設(shè)計(jì)靈活性。因此，對于冷卻和加熱操 作模式，沿?zé)峤粨Q器的長度實(shí)現(xiàn)可變數(shù)量的平行回路以及可變長度的 回路對熱交換器和熱泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提出重大的障礙并且在平行流熱 交換器的技術(shù)領(lǐng)域中未知。熱交換器設(shè)計(jì)者面臨的另 一個(gè)挑戰(zhàn)為制冷劑分配不均，特別是在 制冷劑系統(tǒng)蒸發(fā)器中顯著的。這在操作狀況的寬范圍內(nèi)導(dǎo)致重大的蒸 發(fā)器和總體系統(tǒng)性能降低。制冷劑分配不均可能由于蒸發(fā)器通道內(nèi)的 流動阻抗內(nèi)的差異、外部熱傳遞表面上的不均勻的氣流分配、不正確 的熱交換器朝向或差的歧管和分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生。由于平行流蒸發(fā)器 對于引導(dǎo)到每個(gè)制冷劑回路的制冷劑的特殊的設(shè)計(jì)，分配不均在平行 流蒸發(fā)器內(nèi)特別顯著。對于消除或減小此現(xiàn)象對平行流蒸發(fā)器的性能 的影響的嘗試非常少或不成功。這樣的失敗的主要的原因通常涉及建 議的技術(shù)的復(fù)雜和無效率或解決方案的高得驚人的成本。近年來，平行流熱交換器，并且特別是釬焊的鋁熱交換器已經(jīng)不僅在汽車領(lǐng)域而且在加熱、通風(fēng)、空調(diào)和制冷劑(HVAC&R)工業(yè)中受 到許多關(guān)注和興趣。使用平行流技術(shù)的主要原因與其出眾的性能、高 度緊湊和對腐蝕的增強(qiáng)的抵抗力有關(guān)。如上面提到的，在熱泵系統(tǒng)中，根據(jù)操作模式，每個(gè)平行流熱交換器用作冷凝器和蒸發(fā)器，并且制冷 劑分配不均為對于在熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)此技術(shù)的其中一個(gè)主要 的關(guān)注點(diǎn)和障礙。平行流熱交換器內(nèi)的制冷劑分配不均由于通道內(nèi)和入口和出口歧 管內(nèi)的不相等的壓力降低，以及差的歧管和分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)生。在歧 管內(nèi)，制冷劑路徑的長度、相分離和重力的差異是造成分配不均的主 要原因。在熱交換器通道內(nèi)部，熱傳遞速率、氣流分配、制造容差、 和重力的改變?yōu)橹饕脑?。此外，最近的熱交換器性能增強(qiáng)的趨勢 促進(jìn)其通道的小型化(稱作小型通道和微型通道)，這又負(fù)面地影響 制冷劑分配。因?yàn)榭刂迫窟@些因素極端困難，之前對于控制制冷劑 分配，特別是在平行流蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑分配的嘗試失敗。在利用平行流熱交換器的制冷劑系統(tǒng)中，入口和出口歧管或集管 (這些術(shù)語將遍及全文可互換地使用)通常具有現(xiàn)有的圓柱形形狀。當(dāng)兩相流進(jìn)入集管時(shí)，氣相通常從液相分開。因?yàn)槿肯嗒?dú)立地流動， 制冷劑分配不均傾向于發(fā)生，可能在一些熱傳遞管的出口處導(dǎo)致兩相 (零點(diǎn)過熱)狀況并且促進(jìn)在壓縮機(jī)吸入處溢流，這可以迅速地轉(zhuǎn)化 為壓縮機(jī)損害。從而，用于熱泵應(yīng)用的平行流熱交換器的設(shè)計(jì)者面臨接下來的挑戰(zhàn)實(shí)現(xiàn)可變長度的發(fā)散和轉(zhuǎn)換回路以改進(jìn)加熱和冷卻操作模式中的 性能特性、處理反向的流并且避免分配不均(以及諸如油停頓的其它 可靠性問題)。因此，需要解決和克服上述挑戰(zhàn)的改進(jìn)的平行流熱交 換器硬件和熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的為提供平行流熱交換器構(gòu)造，該平行流熱交換器構(gòu) 造，特別是在熱泵裝備中，通過使用會聚和/或發(fā)散回路并且從而提 供制冷劑熱傳遞和壓力降低特性的充分的平衡呈現(xiàn)性能優(yōu)勢。本發(fā)明 的另一個(gè)目的為提供平行流熱交換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該平行流熱交換器系 統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合可變長度的回路，包括制冷劑流反向的能力，以增強(qiáng)熱泵 系統(tǒng)性能，同時(shí)在冷卻和加熱模式之間切換并且以冷卻和加熱模式操 作。在一個(gè)實(shí)施例中，熱交換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括當(dāng)作為冷凝器操作時(shí)具 有兩個(gè)制冷劑通路和當(dāng)作為蒸發(fā)器操作時(shí)具有單一制冷劑通路的平行 流熱交換器。在冷凝器操作中，制冷劑被遞送到入口歧管并且分配到 第一路徑內(nèi)的較大的數(shù)量的平行的熱交換管，被收集在中間的歧管內(nèi) 并且隨后通過較小的剩余的數(shù)量的平行的熱交換管遞送到出口歧管， 如將在下文中更加詳細(xì)地描述的。在蒸發(fā)器操作中，通過利用止回閥 系統(tǒng)和引導(dǎo)管道，通過平行流熱交換器的制冷劑流反向并且設(shè)置為單 次通過構(gòu)造，同時(shí)提供單一膨脹設(shè)備以在蒸發(fā)器的上游將制冷劑膨脹 到更低的壓力和溫度。因此，由于在熱交換管內(nèi)部的制冷劑熱傳遞和 壓力降低特性之間的最佳的平衡，在全部冷卻和加熱操作模式中實(shí)現(xiàn) 上述增強(qiáng)的性能和改進(jìn)的可靠性的好處。在另一個(gè)實(shí)施例中，熱交換器系統(tǒng)包括分開的中間的歧管和作為 三次通過冷凝器和單次通過蒸發(fā)器操作的平行流熱交換器。此系統(tǒng)的 操作和獲得的優(yōu)點(diǎn)與前面的實(shí)施例相似。此外，提供多個(gè)膨脹設(shè)備以 避免或消除制冷劑分配不均的效應(yīng)。在再一個(gè)實(shí)施例中，熱交換器系統(tǒng)結(jié)合在冷凝器操作中具有三次 通過同時(shí)在蒸發(fā)器用途中只具有單次通過的平行流熱交換器。同樣， 此實(shí)施例包括能夠改進(jìn)制冷劑分配的單一膨脹設(shè)備和分配器系統(tǒng)。


為了更進(jìn)一步地理解本發(fā)明的目的，將參考結(jié)合附圖閱讀的對本發(fā)明的接下來的詳細(xì)描述，其中圖1A為適用于兩次通過冷凝器應(yīng)用的平行流熱交換器的示意圖。圖IB為適用于兩次通過蒸發(fā)器應(yīng)用的圖1A所示的視圖。圖2A為適用于兩次通過冷凝器應(yīng)用的平行流熱交換器系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示意圖。圖2B為適用于單次通過蒸發(fā)器應(yīng)用的圖2A所示的視圖。圖3A為適用于三次通過冷凝器應(yīng)用的平行流熱交換器系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示意圖。圖3B為適用于單次通過蒸發(fā)器應(yīng)用的圖3A所示的視圖。圖4A為適用于三次通過冷凝器應(yīng)用的本發(fā)明的平行流熱交換器系統(tǒng)的第四實(shí)施例的示意圖。圖4B為適用于單次通過蒸發(fā)器應(yīng)用的圖4A所示的視圖。
具體實(shí)施方式
在現(xiàn)有的平行流熱交換器的操作中，制冷劑流動通過入口開口并 且進(jìn)入入口歧管的內(nèi)部腔。在單次通過構(gòu)造中，制冷劑從入口歧管進(jìn) 入并且通過一系列平行的熱傳遞管到達(dá)出口歧管的內(nèi)部腔。在管的外 部，通過諸如風(fēng)扇的空氣運(yùn)動設(shè)備在熱交換管和相關(guān)的空氣側(cè)散熱片 上方循環(huán)空氣，使得在熱交換管外部流動的空氣和管內(nèi)部的制冷劑之 間發(fā)生熱傳遞相互作用。熱交換管可以為空的或?yàn)榱私Y(jié)構(gòu)剛性和熱傳 遞增進(jìn)具有諸如肋的內(nèi)部增強(qiáng)。這些內(nèi)部增強(qiáng)將每個(gè)熱交換管分為多 個(gè)通道，制冷劑沿這些通道以平行的方式流動。通道通常具有圓形、 矩形、三角形、梯形或任何其它可行的截面。此外，熱傳遞管可以為 任何截面，但是優(yōu)選地為主要為矩形或橢圓形。熱交換器元件通常由 鋁制造并且在爐釬焊操作期間接附到彼此。在多次通過設(shè)置中，熱傳遞管分為管組并且制冷劑以平行的方式 通過與入口和出口歧管相關(guān)的許多中間的歧管或歧管腔室從一個(gè)管組 流動到另一個(gè)。每個(gè)管組內(nèi)的許多熱傳遞管能夠基于性能和可靠性需 求改變。如上面提到的，總之，流動通過熱交換器的兩相制冷劑混合物內(nèi)包含的蒸氣越多并且制冷劑流量越高，有效的熱交換器操作需要的平 行回路的數(shù)量越大。從而，冷凝器通常結(jié)合會聚的回路并且蒸發(fā)器使 用直通或發(fā)散的回路。換句話說，許多平行的熱交換器回路在中間的 歧管位置改變以適應(yīng)制冷劑密度的改變并且改進(jìn)冷凝或蒸發(fā)制冷劑流 的特性(平衡熱傳遞和壓力降低)。如還在上面解釋的，在熱泵操作中，根據(jù)操作模式(冷卻或加熱)， 每個(gè)熱交換器通常起冷凝器和蒸發(fā)器的雙重用途。此外，通過熱泵熱 交換器的制冷劑流通常在前述操作模式期間反向。從而，熱交換器和 熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面臨對于全部冷卻和加熱操作模式中的性能和可靠性 優(yōu)化熱交換器回路構(gòu)造的挑戰(zhàn)。這是特別困難的任務(wù)，因?yàn)橐诟鞣N 操作狀況遍及熱交換器維持制冷劑熱傳遞和壓力降低特性之間的充分 的平衡。因此，許多熱泵熱交換設(shè)計(jì)為對于全部冷卻和加熱操作模式 具有相等的然而不是最佳的數(shù)量的直通回路?，F(xiàn)在參考圖1A和1B，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，平行流熱交換 器10示出為包括入口集管或歧管12，和毗鄰的出口集管或歧管14， 和流體地互連入口歧管和出口歧管與布置在熱交換器10的相反的側(cè) 上的中間的歧管20的多個(gè)平行布置的熱交換管22。通常，入口和出 口歧管12和14的截面為圓形或矩形的，并且熱交換管22為扁平的 或圓形的管(或擠出制品)。如上面提到的，熱交換管22通常具有多 個(gè)內(nèi)部的和外部的熱傳遞增強(qiáng)元件，諸如散熱片。例如，用于增強(qiáng)熱 交換過程和結(jié)構(gòu)剛性的均勻地布置在其間的外部散熱片24通常為爐 釬焊的。熱傳遞管22也可以具有將每個(gè)管分為多個(gè)通道的內(nèi)部熱傳 遞增強(qiáng)和結(jié)構(gòu)元件，制冷劑以平行的方式在這些通道中流動。如已知 的，這些通道可以為矩形、圓形、三角形、梯形或任何其它可行的截 面。在冷凝器操作中，如圖1A所示，制冷劑通過定位在四路換向閥 (沒有示出)的下游的制冷劑管線16遞送到歧管12并且分配到第一 路徑或管組22A內(nèi)的相對大的數(shù)量的平行的熱交換管(管的總數(shù)量的 大致2/3),收集在中間的歧管20內(nèi)并且隨后通過第二路徑或管組22B 內(nèi)的相對小的剩余的數(shù)量的平行的熱交換管(管的總數(shù)量的大致1/3)
遞送到歧管14。制冷劑從歧管14流出到與熱泵系統(tǒng)(沒有示出)的 下游的膨脹設(shè)備連通的冷卻劑管線18。在與通過諸如風(fēng)扇的空氣運(yùn)動 設(shè)備吹過熱交換器10的外部熱傳遞表面的空氣熱傳遞相互作用期間， 制冷劑在第一管組22A內(nèi)減溫并且部分地冷凝并且在第二管組22B內(nèi) 完全地冷凝并且隨后低溫冷卻。第二管組內(nèi)的數(shù)量更小的熱傳遞管反 映流動通過管組的制冷劑的密度更高，并且需要第二管組內(nèi)的數(shù)量更 小的熱傳遞管以維持制冷劑熱傳遞和壓力降低特性之間的適當(dāng)?shù)钠?衡。在此實(shí)施例中，歧管12和14為鄰近的，共享同一個(gè)總的結(jié)構(gòu)構(gòu) 件26并且通過剛性的隔離物28分開。在蒸發(fā)器操作中，通過熱交換管22的制冷劑流反向(看圖1B)。 在圖1B中，平行流熱交換器10具有與圖1A所示的實(shí)施例相同的歧 管構(gòu)造，但是第一通路或管組32A內(nèi)的平行的熱交換管的數(shù)量(管的 總數(shù)量的大致1/3)現(xiàn)在小于第二通路或管組32B內(nèi)的平行的熱交換 管的數(shù)量(管的總數(shù)量的大致2/3)。在蒸發(fā)器操作中，再一次，由于 與吹過熱交換器外部表面的空氣熱傳遞相互作用，制冷劑在第一通路 32A內(nèi)部分地蒸發(fā)并且在第二通路32B內(nèi)完全地蒸發(fā)并且隨后過度加 熱。現(xiàn)在，第二管組內(nèi)的熱交換管的數(shù)量更大(比第一管組)反映流 動通過管組的制冷劑的密度更高，并且希望第二管組內(nèi)的熱交換管的 數(shù)量更大以維持制冷劑熱傳遞和壓力降低特性之間的適當(dāng)?shù)钠胶?。因此，能夠設(shè)計(jì)將許多熱交換管22適當(dāng)?shù)胤譃榈谝缓偷诙?以最佳地增強(qiáng)平行流熱交換器10在熱泵系統(tǒng)的全部冷卻和加熱操作 模式中的性能。必須注意，雖然平行流熱交換器10的朝向示出為水 平的，諸如垂直的或以某一角度的其它的朝向也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 此外，平行流熱交換器10可以為直的，如圖1A和1B所示，或可以 為彎曲的或另外地形成為任何希望的形狀。在圖2A和2B所示的實(shí)施例中，熱交換器系統(tǒng)50包括平行流熱 交換器90和相關(guān)的制冷劑流控制系統(tǒng)。在圖2A所示的冷凝器操作中， 制冷劑通過制冷劑管線58進(jìn)入平行流熱交換器90并且流動通過定位 在制冷劑管線82上的止回閥70,進(jìn)入歧管54，同時(shí)止回閥72防止 制冷劑立即通過制冷劑管線66進(jìn)入中間的歧管60。其后，制冷劑流 動通過包含相對大的數(shù)量的熱交換管(管的總數(shù)量的大致2/3)的第 一通路或管組52A，進(jìn)入中間的歧管60并且被導(dǎo)向到包含相對小的數(shù) 量的熱交換管(管的總數(shù)量的大致1/3)的第二通路或管組52B。作 用在止回閥72的相反的側(cè)上的較高的壓力防止制冷劑流出中間的歧 管60進(jìn)入制冷劑管線66。在任何考慮關(guān)于止回閥72的操作的情況中， 止回閥72總是能夠被電磁閥替代。在離開第二管組52B之后，制冷 劑進(jìn)入與歧管54共享同一個(gè)總的結(jié)構(gòu)84的歧管52，并且通過制冷劑 管線62和止回閥74離開歧管52以被通過制冷劑管線56遞送到膨脹 設(shè)備。在分開的膨脹設(shè)備用于冷卻和加熱操作模式的情況中，定位在 制冷劑管線64上的止回閥76防止制冷劑流動通過膨脹設(shè)備80。在與通過空氣運(yùn)動設(shè)備吹過熱交換器90的外部熱傳遞表面的空 氣熱傳遞相互作用期間，制冷劑在第一管組52A內(nèi)減溫并且部分地冷 凝并且在第二管組52B內(nèi)完全地冷凝并且隨后低溫冷卻。再一次，第 二管組內(nèi)的熱傳遞管的數(shù)量更小反映流動通過管組的制冷劑的密度更 高，并且需要第二管組內(nèi)的熱傳遞管的數(shù)量更小以維持制冷劑熱傳遞 和壓力降低特性之間的適當(dāng)?shù)钠胶?。在此?shí)施例中，歧管52和54也 鄰近，共享同一個(gè)總的結(jié)構(gòu)構(gòu)件84并且通過止回閥78分開。再一次， 作用在止回閥78的相反的側(cè)上的更高的壓力防止制冷劑從歧管52進(jìn) 入歧管54。這里同樣獲得與圖1A所示的實(shí)施例的好處相似的優(yōu)點(diǎn)。在圖2B所示的蒸發(fā)器操作中，制冷劑通過止回閥76和膨脹設(shè)備 80從制冷劑管線56流入制冷劑管線64，同時(shí)止回閥74防止制冷劑 進(jìn)入制冷劑管線62和旁路膨脹設(shè)備80。在能夠?yàn)楣潭ǖ目卓陬愋?例 如，毛細(xì)管、精確器(accurator)或孔口 )或閥類型(例如，恒溫 膨脹閥或電子膨脹閥)的膨脹設(shè)備80中，制冷劑被膨脹到更低的壓 力和溫度并且以平行的方式進(jìn)入歧管52和54，因?yàn)楝F(xiàn)在止回閥78不 防止制冷劑進(jìn)入歧管54。在單次通過設(shè)置中，制冷劑同時(shí)從歧管52 和54流動通過全部熱交換管22，進(jìn)入歧管60并且通過止回閥72和 制冷劑管線66和58離開平行流蒸發(fā)器90以被遞送到四路換向閥并 且返回壓縮機(jī)。安裝在制冷劑管線82內(nèi)的止回閥70防止制冷劑在沒 有通過熱交換管22的情況下立即離開歧管54和平行流熱交換器90。 如在圖1B所示的實(shí)施例中，在蒸發(fā)器操作中，雖然以單次通過，由 于與吹過熱交換器外部表面的空氣熱傳遞相互作用，制冷劑蒸發(fā)并且 隨后過度加熱。因?yàn)樵谠S多情況中，制冷劑回路的數(shù)量更高對于蒸發(fā) 器操作是有利的，在圖2B所示的實(shí)施例中獲得性能增進(jìn)。因此，為
平行流熱交換器系統(tǒng)50提供的可變長度的制冷劑回路確保在熱泵系 統(tǒng)的全部冷卻和加熱操作模式中的最佳的增強(qiáng)的性能。同樣，必須注 意，如果膨脹設(shè)備為電子類型，那么不需要止回閥76。在圖3A和3B所示的實(shí)施例中，熱交換器系統(tǒng)100包括平行流熱 交換器110和相關(guān)的制冷劑流控制系統(tǒng)。在圖3A所示的冷凝器操作 中，制冷劑通過制冷劑管線112進(jìn)入平行流熱交換器110并且流入歧 管114，同時(shí)止回閥118防止制冷劑立即進(jìn)入中間的歧管116。其后， 制冷劑流動通過包含相對大的數(shù)量的熱交換管的第一通路或管組 152A，進(jìn)入中間的歧管120并且被導(dǎo)向到包含較小的數(shù)量的熱交換管 的第二通路或管組152B。作用在止回閥118的相反的側(cè)上的更高的壓 力防止制冷劑流出中間的歧管116重新進(jìn)入歧管114。在離開第二管 組152B之后，制冷劑進(jìn)入包含甚至更小的數(shù)量的熱交換管的第三次 通過或管組152C并且被導(dǎo)向通過制冷劑管線128和止回閥130，以被 通過制冷劑管線136遞送到膨脹設(shè)備。在考慮到膨脹設(shè)備124自身將 不能產(chǎn)生對制冷劑流的足夠高的液壓阻力的情況中，定位在制冷劑管 線132上的止回閥134防止制冷劑流動通過膨脹設(shè)備124。從而，在 一些情況中，可能不需要止回閥134。相似地，通過膨脹設(shè)備124產(chǎn) 生的高液力阻力主要地防止歧管120和126之間的制冷劑流連通。如前所述，在與通過空氣運(yùn)動設(shè)備吹過熱交換器110的外部熱傳 遞表面的空氣熱傳遞相互作用期間，制冷劑在第一管組152A內(nèi)減溫 并且部分地冷凝，在第二管組152B內(nèi)完全地(或幾乎完全地)冷凝 并且隨后在第三管組152C內(nèi)低溫冷卻。再一次，第二和第三管組內(nèi) 的逐漸地更小的數(shù)量的熱交換管反映流動通過管組的制冷劑的密度更 高，并且需要第二和第三管組內(nèi)的逐漸地更小的數(shù)量的熱交換管以維 持制冷劑熱傳遞和壓力降低特性之間的適當(dāng)?shù)钠胶狻Ｏ嗨频?，根?jù)需 要，在冷凝器操作中能夠?qū)嵭懈叩臄?shù)量的制冷劑通過。在圖3B所示的蒸發(fā)器操作中，制冷劑通過止回閥134從制冷劑 管線136流入制冷劑管線132并且進(jìn)入歧管126以在定位在連接管線 122上的膨脹i殳備124之中分配，同時(shí)止回閥130防止制冷劑進(jìn)入制 冷劑管線128并且旁路膨脹設(shè)備124。在通常為固定的孔口類型(例 如，毛細(xì)管、精確器或孔口)的膨脹設(shè)備124中，制冷劑被膨脹到更 低的壓力和溫度并且以平行的方式進(jìn)入歧管120和全部熱交換管22，
因?yàn)橹够亻y118不防止歧管114和116之間的直接的制冷劑流連通。 在單次通過設(shè)置中，制冷劑同時(shí)流動通過全部熱交換管22，進(jìn)入歧管 114和116并且通過制冷劑管線112離開平行流蒸發(fā)器110。如在圖2B 所示的實(shí)施例中，在蒸發(fā)器操作中，由于與吹過熱交換器外部表面的 空氣熱傳遞相互作用，制冷劑在單次通過內(nèi)蒸發(fā)并且隨后過度加熱。 再一次，在許多情況中，對于蒸發(fā)器操作，更高數(shù)量的制冷劑回路是 有利的，并且在圖3B所示的實(shí)施例中獲得性能增進(jìn)。因此，為平行 流熱交換器系統(tǒng)100提供可變長度的制冷劑回路確保在熱泵系統(tǒng)的全 部冷卻和加熱操作模式中的最佳的增強(qiáng)的性能。附加地，連接管線122可以被安裝為穿入中間的歧管120內(nèi)部以 面對熱交換管22的相反的端部，在熱交換管22和連接管線122之間 限定相對窄的間隙。這些窄的間隙改進(jìn)蒸發(fā)器操作中的制冷劑分配并 且可以根據(jù)熱交換器設(shè)計(jì)和應(yīng)用限制對于全部熱交換管22為均勻的 或替代地可以從一個(gè)熱交換管到另 一個(gè)或從一個(gè)熱交換管區(qū)段到另一 個(gè)改變。在圖4A和4B所示的實(shí)施例中，熱交換器系統(tǒng)200包括平行流熱 交換器210和相關(guān)的制冷劑流控制系統(tǒng)。在圖4A所示的冷凝器操作 中，制冷劑通過制冷劑管線212進(jìn)入平行流熱交換器210并且流入歧 管214。止回閥218防止制冷劑立即進(jìn)入中間的歧管216。其后，制 冷劑流動通過包含相對大的數(shù)量的熱交換管的第一通路或管組252A， 進(jìn)入中間的歧管220并且被導(dǎo)向到包含較小的數(shù)量的熱交換管的第二 通路或管組252B。作用在止回閥218的相反的側(cè)上的更高的壓力防止 制冷劑從歧管216重新進(jìn)入歧管214。在離開第二管組252B和歧管216 之后，制冷劑進(jìn)入包含甚至更小的數(shù)量的管的第三次通過或管組252C 并且隨后通過制冷劑管線228和止回閥230以被輸送到制冷劑管線236 和下游的膨脹設(shè)備(在分開的膨脹設(shè)備用于加熱和冷卻操作的情況 中)。與此同時(shí)，止回閥234防止制冷劑流動通過分配設(shè)備(或稱作 分配器)240、分配器管222、制冷劑管線232和膨脹設(shè)備224。如前 所述，如果膨脹設(shè)備224為電子型的，那么可以不需要止回閥234。如前所述，在與通過空氣運(yùn)動設(shè)備吹過熱交換器210的外部熱傳 遞表面的空氣熱傳遞相互作用期間，制冷劑在笫一管組252A內(nèi)減溫 并且部分地冷凝，在第二管組252B內(nèi)完全地(或幾乎完全地)冷凝并且隨后在第三管組252C內(nèi)低溫冷卻。再一次，第二和第三管組內(nèi) 的逐漸地更小的數(shù)量的熱交換管反映流動通過管組的制冷劑的密度更 高，并且需要第二和第三管組內(nèi)的逐漸地更小的數(shù)量的熱交換管以維 持制冷劑熱傳遞和壓力降低特性之間的適當(dāng)?shù)钠胶狻Ｈ缟纤?，根?jù) 需要，在冷凝器操作中能夠?qū)嵭懈叩臄?shù)量的制冷劑通過。在圖4B所示的蒸發(fā)器操作中，制冷劑從制冷劑管線236流動通 過止回閥234和膨脹設(shè)備224、通過制冷劑管線232并且到達(dá)分配器 240。在單次通過設(shè)置中，制冷劑從分配器240同時(shí)在分配器管222 之間分配以被遞送到歧管220并且通過全部熱交換管22。其后，制冷 劑同時(shí)進(jìn)入直接地流體連接到彼此(因?yàn)橹评鋭┈F(xiàn)在以相反的方向流 動通過止回閥218)的歧管214和216并且通過制冷劑管線212離開 平行流蒸發(fā)器210。如在圖3B所示的實(shí)施例中，在蒸發(fā)器操作中，由 于與吹過熱交換器外部表面的空氣熱傳遞相互作用，制冷劑在單次通 過中蒸發(fā)并且隨后過度加熱。如前所述，在許多情況中，對于蒸發(fā)器 操作，更高的數(shù)量的制冷劑回路是有利的，在圖4B所示的實(shí)施例中 獲得性能增進(jìn)。因此，為平行流熱交換器系統(tǒng)200提供的可變長度的 制冷劑回路確保在熱泵系統(tǒng)的全部冷卻和加熱操作模式中的最佳的增 強(qiáng)的性能。附加地，分配器管222優(yōu)選地被安裝為穿入中間的歧管220內(nèi)部 以面對熱交換管22的相反的端部，在熱交換管22和分配器管222之 間限定相對窄的間隙。這些窄的間隙改進(jìn)蒸發(fā)器操作中的制冷劑分配 并且可以根據(jù)熱交換器設(shè)計(jì)和應(yīng)用限制對于全部熱交換管22是均勻 的或替代地可以從一個(gè)熱交換管到另 一個(gè)或從一個(gè)熱交換管區(qū)段到另 一個(gè)改變。在不考慮制冷劑分配不均的情況中，能夠消除整個(gè)分配系 統(tǒng)240 - 222，制冷劑管線232直接延伸到歧管220。應(yīng)該理解，呈現(xiàn)的示意圖是示例性的并且許多設(shè)置和構(gòu)造可能在 對于具有平行流熱交換器的熱泵系統(tǒng)的冷卻和加熱操作模式中實(shí)現(xiàn)可 變長度的回路。此外，不同的多次通過設(shè)置對于歧管或歧管腔室定位 在平行流熱交換器的相同或相反側(cè)上的冷凝器和蒸發(fā)器應(yīng)用是可行 的。雖然本發(fā)明已經(jīng)參考如圖所示的優(yōu)選的模式特定地示出和描述， 本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在不偏離如通過權(quán)利要求書
限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下在其中實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)上的不同的改 變。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器系統(tǒng)，其包括平行流熱交換器，該平行流熱交換器包括以大致平行的關(guān)系對準(zhǔn)并且通過歧管系統(tǒng)流體地連接的多個(gè)熱交換管，并且當(dāng)通過熱交換器的流方向反向時(shí)，所述平行流熱交換器具有可變的回路構(gòu)造。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述歧管系統(tǒng)包括與至 少一個(gè)流方向相關(guān)的多于兩個(gè)歧管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，還包括流控制系統(tǒng)，該 流控制系統(tǒng)包括至少 一 個(gè)流控制設(shè)備，以當(dāng)通過熱交換器的流改變方 向時(shí)改變所述平行流熱交換器的回路構(gòu)造。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)流控制設(shè)備為 膨脹設(shè)備。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)流控制設(shè)備從 包括止回閥和電磁閥的組中選擇。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)通過所述平行流熱交 換器的流方向反向時(shí)，所述流控制系統(tǒng)提供可變回路長度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述膨脹設(shè)備為固定約 束類型。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述膨脹設(shè)備為岡。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述閥為恒溫膨脹閥。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述閥為電子地控制的。
11. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述膨脹設(shè)備為多個(gè)膨 脹設(shè)備。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)膨脹設(shè)備為 固定約束類型。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，多個(gè)膨脹設(shè)備從包括 孔口、毛細(xì)管和精確器的組中選擇。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述歧管系統(tǒng)的至少兩 個(gè)歧管為結(jié)合歧管結(jié)構(gòu)內(nèi)的腔室。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，止回閥分開所述至少 兩個(gè)歧管腔室。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述歧管系統(tǒng)的至少一 個(gè)歧管為分開的歧管。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述平行流熱交換器作 為蒸發(fā)器和作為冷凝器操作。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，用于蒸發(fā)器操作的膨 脹的制冷劑管線穿入歧管腔室內(nèi)部以面對熱交換管，并且形成窄的間 隙，以便提供改進(jìn)的制冷劑分配。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述窄的間隙對于全 部所述熱交換管是均勻的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述窄的間隙為不均 勻的，以更進(jìn)一步地改進(jìn)制冷劑分配。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述平行流熱交換器 作為單次通過蒸發(fā)器和多次通過冷凝器操作。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述冷凝器為兩次通 過冷凝器。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述冷凝器為三次通 過冷凝器。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，冷凝器回路的數(shù)量發(fā)散。
25. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述平行流熱交換器 作為多次通過蒸發(fā)器和多次通過冷凝器操作。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，蒸發(fā)器回路的數(shù)量會聚。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，冷凝器回路的數(shù)量發(fā)散。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述蒸發(fā)器為兩次通 過蒸發(fā)器。
29. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述冷凝器為兩次通 過冷凝器。
30. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中，所述冷凝器為三次通 過冷凝器。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，對于冷凝器操作和蒸發(fā) 器操作，制冷劑以相反的方向流動通過所述平行流熱交換器。
32.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述平行流熱交換器為 熱泵系統(tǒng)內(nèi)的部件。
全文摘要
用于熱泵應(yīng)用的平行流熱交換器系統(tǒng)(10，50，100，200)，其中，經(jīng)由流控制系統(tǒng)建立可變長度的單一和多個(gè)路徑，該流控制系統(tǒng)還允許制冷劑流在平行流熱交換器系統(tǒng)(10，50，100，200)內(nèi)反向，同時(shí)在冷卻和加熱操作模式之間切換。流控制設(shè)備的示例為膨脹設(shè)備(80)和各種止回閥(70，72，74，76)。平行流熱交換器系統(tǒng)可以具有會聚的或發(fā)散的流回路并且可以構(gòu)成單次通過或多次通過蒸發(fā)器和多次通過冷凝器。
文檔編號F25B13/00GK101133372SQ200680003773
公開日2008年2月27日 申請日期2006年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月2日
發(fā)明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申請人:開利公司