具有改进的制冷剂流体分配均匀性的多通道换热器 【技术领域】
本发明总体上涉及一种换热器，更具体而言涉及一种用于蒸发器、冷凝器、气体冷却器或热泵的微通道换热器，其中流体均匀地分布通过换热器的微通道。
背景技术
微通道换热器，也称为扁管或平行流换热器，在本领域内是已知的，特别用于汽车空调系统。这种换热器典型地包括通过多个管与出口集流管流体连通的入口集流管，每个管形成为包括多个微通道。在传统应用中，气流越过换热器的表面且制冷剂流体通过换热器的管和微通道以从气流吸收热量。在此热交换期间，制冷剂流体蒸发，同时外部气流的温度降低到适用于诸如空调单元、冷却器或冷冻器的冷却应用的水平。
运行期间，制冷剂流体流通过入口集流管分配从而每个管接收一部分制冷剂流体流。理想地，流体流应均匀地分配到每个管且进一步均匀地分配到每个管内的微通道，以保证换热器运行中的最佳效率。然而，在平行流换热器设计中，在换热器的入口集流管与所述管和微通道之间通常存在双相制冷剂状态。即，双相流体进入换热器的入口集流管且一些管接收较多的液相制冷剂流而其他管接收较多的气相流体流，从而导致分层的气液流通过换热器。此双相现象导致通过管和微通道的制冷剂的不均匀分配。这又会导致换热器的效率显著降低。此外，一些管可能总体上比另一些管接收更多的制冷剂，这种分配不均也影响了系统的效率。
用于改进制冷剂流体通过微通道换热器的分配均匀性的多种设计已经被提出。例如，美国专利US7143605描述了将分配管定位在入口集流管内，其中分配管包括沿其长度布置且与各个微通道的入口成非面对关系以在效果上将大体等量的制冷剂分配到每个扁管内的多个大体圆形孔口。类似地，WO2008/048251描述了设在入口集流管内以减少入口集流管的内部容积的插入物的应用。所述插入物可以是套管设计，包括分配管，所述分配管具有沿其长度布置的多个圆形开口用以将制冷剂分配到交换器管内。尽管显示了在制冷剂分配均匀性方面的一些提高，但是这些设计仍然不能实现用于微通道换热器的理想的分配均匀性和性能水平。
图1示出了沿通常用在微通道换热器内的标准分配管长度的制冷剂分配的变化。在图1中，直线代表理想的分配状态，其中制冷剂流体被非常均匀地分配，即制冷剂质量流量沿分配管的长度不变化。图1中的曲线代表制冷剂分配的实际状态。如果曲线低于直线，则实际的制冷剂分配低于理想的分配。如果曲线位于直线上面，实际制冷剂分配太高。实际的状态曲线显示位于换热器中心的管接收更大的流体流量，而位于换热器边缘的管接收较少的制冷剂流量。两条线之间的阴影区域显示了制冷剂分配的实际状态和理想状态之间的差别。分配管的分配均匀性可用以下方程表示：
U＝(mtotal-∑|Δm|)/mtotal
其中U代表制冷剂的分配均匀性，mtotal代表制冷剂流的总量；Δm代表制冷剂流的实际量和制冷剂流的理想量之间的差。
考虑到上述情况，存在对增加制冷剂流体分配的均匀性且由此增加微通道换热器性能水平的换热器设计的需要。因此，本发明的总体目地在于提出一种微通道换热器设计，该设计克服了在平行流换热器设计内的与制冷剂流体流有关的问题和缺点，且由此显著地改进流体分配的均匀性和整个运行效率。
【发明内容】
在本发明的一个方面中，一种用在微通道换热器内的分配管包括第一端，所述第一端敞开且适于与制冷剂源连通；第二端，所述第二端封闭且与第一端相对；和多个非圆形开口，所述多个非圆形开口沿分配管的长度设置在第一端和第二端之间。所述分配管特别适于用在具有通过多个大体平行的管与出口集流管流体连通的入口集流管的换热器中。所述分配管特别适于用在微通道换热器中，其中连接在入口集流管和出口集流管之间多个管中的每个管限定了多个大体平行的微通道。
所述非圆形开口优选是沿分配管长度设置的狭槽。所述狭槽可以布置在分配管上以便每个狭槽的长度方向相对于分配管的长度方向成角度布置。优选地，相邻狭槽相对于分配管的长度方向在相反的方向成角度布置。
在本发明的另一方面，一种微通道换热器包括入口集流管和出口集流管，所述出口集流管与所述入口集流管间隔开预定距离，多个管，所述多个管的相对端分别与所述入口集流管和出口集流管相连以便将所述入口集流管和出口集流管流体连通。每个管都包括形成在其内的多个大体平行的微通道。分配管设置在所述入口集流管内且具有第一端和第二端，所述第一端敞开且适于与制冷剂源相连，所述第二端封闭且与第一端相对。所述分配管还包括沿其长度布置的多个非圆形开口。
所述多个非圆形开口可以沿分配管的长度布置成大体线性的排，其中所述开口排定位在入口集流管内从而流出开口的制冷剂流的大体方向相对于流过所述管的大体方向成角度。可选地，所述分配管可以包括沿其长度的两个大体线性排的非圆形开口，其中每一排开口定位在入口集流管内从而流出各个开口的制冷剂流相对于流过所述管的制冷剂流的大体方向成角度设置。
本发明对于多种应用都具有适用性，包括用于蒸发器、冷凝器、气体冷却器和热泵。本发明在用于汽车、住所、和商业应用的空调单元中具有特别的实用性。此外，本发明在冷冻器和用于加热使用的可逆的热泵室外盘管中具有实用性。
本发明的上述和其他特征参考微通道换热器和用于微通道换热器的分配管的优选实施例的附图描述。本发明的特征的所述实施例旨在用于说明本发明，而不是限制本发明。
【附图说明】
图1示出了沿换热器内传统标准分配管的长度的制冷剂分配的变化；
图2是根据本发明实施例的微通道换热器的侧视横截面示意图；
图3示出了开口的总面积和分配管的横截面面积之间的比率与分配管长度(L)之间的关系的优选范围；
图4A-4H示出了用在图2所示微通道换热器中的各种可选分配管设计的侧视图；
图5示出了开口宽度/长度比(d/l)对制冷剂分配均匀性的影响；
图6示出了开口长度(l)对制冷剂分配的均匀性的影响；
图7示出了相连开口之间的距离(L’)对制冷剂分配均匀性的影响；
图8示出了开口的角度方位(β)对制冷剂分配的均匀性的影响；
图9是图2中的微通道换热器沿线9-9的局部剖视图；
图10是根据本发明另一实施例的微通道换热器的局部剖视图；
图11是根据本发明又一实施例的微通道换热器的局部剖视图；
图12是根据本发明再一实施例的微通道换热器的局部剖视图。
【具体实施方式】
图2示出了根据本发明实施例的换热器设计10，换热器设计10提供了改进的制冷剂流体分配的均匀性和一致性及改进的运行效率。如图2所示，换热器10是微通道换热器，且包括入口集流管12，入口集流管12通过多个大体平行的管16与出口集流管14流体连通。管16可以扁管和圆形管，且可以进一步形成为限定多个大体平行的微通道18，如图9更清晰所示。管16的两端分别与入口集流管12和出口集流管14连接。所述连接被密封以便微通道18能够与入口集流管12和出口集流管14的各自内部相连通，且在运行期间没有制冷剂漏出换热器10的危险。多个翅片20置于相邻的管16之间，所述翅片20优选地为之字形，用以协助越过换热器10的气流与通过换热器10的制冷剂流体之间的热交换。
在换热器10运行期间，制冷剂流体通过设在入口集流管12内的分配管22引入到换热器10内。分配管22通常具有第一端24、第二端26、和多个开口28。第一端24敞开且与制冷剂源(未示出)相连并用作制冷剂流体流的入口，第二端26封闭，多个开口28沿分配管22的长度布置且用作制冷剂流体流的出口。制冷剂流体通过开口28从分配管22排出并进入入口集流管12的内部空间30。制冷剂流体在入口集流管12内被混合从而气相制冷剂和液相制冷剂被均匀地混合而不会发生分层现象。如果入口集流管12内没有分配管22，制冷剂流体将分离成液相和气相。混合的制冷剂能够有效地从入口集流管12流入并通过管16而不会发生两相分离。
沿分配管22的长度的开口28的使用有助于入口集流管12内的混合过程，并且帮助将制冷剂流体分配到每个管16。下面将会详细描述有助于将制冷剂流体均匀地分配到每个管16的分配管设计的特征，包括开口28的形状、间距和方位。
当制冷剂流体通过管16时，气流越过管16的表面和翅片20之间。制冷剂流体从气流吸收热量并且蒸发。由此冷却气流。微通道18的使用增加了在外部气流和内部制冷剂流体流之间的热交换的效率。蒸发的制冷剂流到换热器10的出口集流管14，从出口集流管14蒸发的制冷剂可以流到压缩机和通过系统循环。冷却的气流降低于适于如空调单元、冷却器和冷冻器内的所需冷却应用。
分配管22优选为圆形管，如图2和图9所示。可选地，分配管22也可以具有非圆形横截面，如方形和椭圆形。制冷剂流体通过入口32沿箭头A引入到分配管22内。入口32适于连接到制冷剂源(未示出)。如图2所示，分配管22具有长度L，开口28沿着长度L形成在分配管22的表面上。如图所示，开口28沿分配管22的长度L以大体线性布置对齐。然而，可选的实施例包括绕分配管22的圆周表面以各种角度方位布置的开口28。而且，分配管22可以设有一排和多排开口28。例如，图9和图10示出了单排开口28，而图11示出了具有两排开口28a和28b的分配管22。
分配管22，开口28，管16，微通道18，和入口集流管12的内部容积可以合适地确定尺寸以便提供换热器10内的所需的制冷剂流体流量、所需的制冷剂流体分配图案、和所需的混合状态。元件之间的一些关系和比率可以最优选地满足预定的性能标准。例如，开口28的总面积与分配管的表面积之间的比率的优选范围在大约0.01％到大于40％。
此外，试验证明：制冷剂的分配可以通过平衡开口28的总面积和分配管22的横截面面积之间的比率与分配管长度L得到改进。已经发现，开口28的总面积与分配管横截面面积之间的优选比率依据长度L变化。图3示出了此关系的优选范围，其中如果关系设计在上界和下界之间，制冷剂分配的均匀性处于所需的水平。更具体而言，图3示出了对于在大约0.4m到大约3m的范围内的分配管长度L，开口的总面积与分配管横截面面积之间的比率的趋势在大约0.28到大约14.4之间。而且，优选的比值和比率的优选范围随长度增加而增加。
优选地，开口28具有非圆形形状。更优选地，开口28是狭槽和细长的开口，如图2和4A-4B所示。可选地，开口28可以由从一个共同的中心延伸出的多个相交的狭槽构成，包括Y形开口(图4C)，X形开口(4D)，十字形开口(图4E)，和星形开口(图4F-4H)。进一步可选地，开口28可以为三角形，矩形，方形，多边形和其他任何非圆形形状。
更具体参考图2和图4A-4B，开口28具有狭槽和细长开口的形式。更具体地，狭槽是大体矩形形状且具有长度l和宽度d。在本发明的优选实施例中，开口的长度l在大约1毫米到大约15毫米的范围内，且宽度d在大约0.2毫米到大约5毫米的范围内。宽度与长度的比率(即d/l)优选大于大约0.01且小于大约1。已经确认狭槽的使用提供了使用圆形开口和使用相对于相当的圆形开口具有公称尺寸的非圆形开口(即该非圆形开口的尺寸与圆形开口的尺寸相当)无法得到的均匀性水平。图5示出了宽度/长度比(d/l)对制冷剂分配的均匀性的影响。类似地，图6示出了狭槽长度(l)对制冷剂分配的均匀性的影响。
分配均匀性的进一步改进通过沿分配管22的长度将狭槽间隔开最佳的距离实现。如图2所示，相邻狭槽的几何中心间隔开距离L’。优选地，距离L’在大约20毫米到大约250毫米的范围内。此外，制冷剂分配被改进的分配管长度与距离L’的比率的优选范围是大约2到大约150。图7示出了相邻狭槽之间的距离L’对制冷剂分配的均匀性的影响。如果距离L’太小，制冷剂分配不能实质上接近均匀，因为有太多的开口28将制冷剂分配到入口集流管12内。协助混合和分配制冷剂的制冷剂流体流的限制对于所需的换热器运行而言是不足的。相反，如果距离L’太大，对于确保制冷剂分配到每个管16的开口28就太少。通常，靠近开口28的管16比远离开口28的管16获得更多的制冷剂。而且，制冷剂必须从开口28流到管16越远，两相制冷剂越易于分离成液相和气相。这种双相分层进一步以有害的方式影响了均匀性。因此，已经发现制冷剂分配的均匀性能够通过开口沿分配管22的长度L的间隔更容易地控制。
分配均匀性的再进一步的改进通过使狭槽的长度方向相对于分配管22的长度方向成角度实现。如图4B所示，狭槽相对于分配管22的长度方向布置成第一角度β。图8示出了狭槽的角度方位(β)对制冷剂分配均匀性的影响。如图所示，角度β的范围再大约0度到180度的范围内。分配均匀性的又进一步的改进通过沿分配管22的长度将狭槽设置为相邻狭槽相对于分配管22的长度方向成角度在相反的方向上布置实现。如图2所示，狭槽成角度布置，其中第一狭槽相对于分配管22的长度方向倾斜第一角度β1，而第二狭槽相对于分配管22的长度方向倾斜第二角度β2。如图所示，第一角度β1和第二角度β2量值相等从而两个直接相邻的狭槽彼此成镜像关系。然而，相邻狭槽的角度可以在相邻狭槽之间和沿分配管22的长度变化。
参考图10，示出了根据本发明实施例的微通道换热器的局部横截面视图。特别地，分配管22示出为设置在入口集流管12的内部空间30中，从而开口28指向管16的微通道18的入口。在运行中，制冷剂流体从分配管22通过开口28排放到入口集流管12的内部空间30。制冷剂流体典型地在内部空间30内混合且然后分配进入并通过管16的微通道18。由箭头34表示的制冷剂流体流流出开口28的方向与流入和由箭头36表示的通过管16的总制冷剂流体流在大体相同的方向上。通常，流入和通过管16的制冷剂流体的方向是管16的轴向方向。
制冷剂流体流出开口28的方向不必与制冷剂流入和通过管16在相同的大体方向上。实际上，将开口28相对于管16的方向成角度定向可以促进制冷剂在入口集流管12的内部空间30内的混合。参考图9，角度α代表制冷剂流体流出开口28的方向(由箭头34表示)与制冷剂流体流过管16的大体方向(或称为总方向，由箭头36表示)之间的夹角。根据本发明的实施例，对于单排开口28，角度α可以在大于0度且小于或等于360度的范围内。在一些实施例中，开口28可以定向在大于或等于大约90度且小于或等于270度范围内的角度α处。如图9所示，开口28排定向在大约90度。
参考图11，示出了使用具有两排开口28a和28b的分配管的微通道换热器的局部横截面视图。对于两排开口，开口的方向对分配均匀性的影响比单排开口的情况下开口方向对分配均匀性的影响小。第一排开口28a可以通常定位在大于0度且小于或等于180度的范围内的角度Q1处。第二排开口20可以通常定位在大于或等于180度且小于360度的范围内的角度Q2处。优选地角度Q1和Q2量值相等，尽管它们不必这样。如图所示，每排开口28a，28b相对于制冷剂流体通过管16的大体方向(或称为总方向)定向在大约90度角处。
如图12所示，提出了一种可选的换热器110。换热器110包括与图2所示换热器10类似的结构。具体地，换热器110包括第一集流管112，第一集流管112通过多个大体平行的管116与第二集流管114流体连通，每个管116优选包括多个大体平行的微通道(未示出)。多个翅片118置于相邻的管116之间，优选为之字形图案，以协助越过换热器110的气流与通过换热器110的制冷剂流体之间的热交换。
换热器110能够设计成具有多个通过换热器110的流路。这种换热器能够用于要求长时间冷却装置的应用。典型地，当集流管的长度增加，制冷剂分配的均匀性难以实现和保持。在这种情形下先前采用的一个解决方案是在流体平行组件中提供多个换热器，如图美国专利7143605中所述。然而，这种系统增加了必须进行检查以确保系统正确运行的连接的数量。
根据本发明的实施例，通过在第一集流管112和第二集流管114内的一个或两个内设置隔板能够创建通过换热器110的多个流路。所述隔板将集流管分成多个腔室。如图12所示，第一集流管被两个隔板120，122分成三个腔室。第二集流管114使用一个隔板121分成两个腔室。通过这样设计，换热器110包括在第一集流管112和第二集流管11之间迂回的多个流路。
通过换热器110的制冷剂流在图12中通过箭头(虚线和实线分别表示换热器用作蒸发器和冷凝器时制冷剂的流动方向)表示，下面以制冷剂沿实线所示流向流动为例描述换热器110。如图12所示，在一端由第一集流管112的入口限定且在另一端由隔板120限定的第一集流管112的第一腔室124容纳第一分配管126，第一分配管126具有包括用于制冷剂流体流的入口128的敞开的第一端，封闭的第二端，和沿第一分配管126的长度布置且用作制冷剂流体流的出口的多个开口130。这些开口130可以为如上所述与图2和4A-4H所示的狭槽或其他非圆形形状。制冷剂流体通过开口130从第一分配管126排出并进入第一集流管112的内部空间，在所述内部空间内被混合。第一腔室124作为于制冷剂流的第一区域I。制冷剂从第一区域I通过并且进入和通过管116。制冷剂排放到第二集流管114的第一腔室132。
第二集流管114的第一腔室132在一端由第二集流管114的封闭端限定且在另一端由隔板121限定，第一腔室132通常比第一集流管112的第一腔室124长且实质上可分成第二区域II和第三区域III。第二区域II通常与第一区域I对齐且与第一区域I具有相同的尺寸。第二区域II用作出口集流管并接收来自于管116的制冷剂。第三区域III用作入口集流管并接收和分配从第二区域II排放的制冷剂流。具有开口136的第二分配管134可以设置在第三区域III内用于将制冷剂流均匀地分配到管116。然后制冷剂通过管116从第二集流管114流回第一集流管112，在那里制冷剂流排放到第一集流管112的第二腔室138内。
第一集流管112的第二腔室138在长度方向上由隔板120和122限定，且实质上被可分成第四区域IV和第五区域V。第四区域IV通常与第三区域对齐且具有与第三区域III相同的尺寸。第四区域IV用作出口集流管并接收来自于管116的制冷剂流。第五区域V用作入口集流管并接收和分配从第四区域IV排放的制冷剂。具有开口142的第三分配管140可以设置在第五区域V内用于将制冷剂流均匀分配到管116。然后制冷剂从第一集流管112通过管116流回第二集流管114，在那里制冷剂流排放到第二集流管114的第二腔室144。
第二集流管114的第二腔室144在长度方向上由第二集流管114的封闭端和隔板121限定且实质上可分为第六区域VI和第七区域VII。第六区域VI通常与第五区域V对齐且具有相同的尺寸。第六区域VI用作出口集流管且接收来自于管116的制冷剂流。第七区域VII用作入口集流管并接收和分配从第六区域VI排放的制冷剂流。具有开口148的第四分配管146可以设置在第七区域VII内用于将制冷剂均匀分配到管116。然后制冷剂从第二集流管114通过管116流回第一集流管112，在那里制冷剂流排放到第一集流管112的第三腔室150内。
第一集流管112的第三腔室150在长度方向上由在一端的隔板122和在另一端的第一集流管112的出口152限定，且实质上是第八区域VIII。第八区域VIII通常与第七区域VII相同的尺寸。第八区域VIII用作出口集流管并接收来自于管116的制冷剂流并且将制冷剂流从换热器排出。
在换热器110的上述实施例中，随着分配管的尺寸减小，其中的开口的面积通常增加以考虑管116内的降低的制冷剂流量和增加的流动阻力。
已经呈现了本发明的实施例的描述用于说明和描述目的，并不是穷尽的或将本发明限制到公开的形式。考虑到上述公开可以进行显而易见的变型和变化。所描述的实施例被选择用于最好地解释本发明的基本远离和实际应用以使本领域的普通技术人员能在不同的实施例和各种变型中使用本发明。本发明的范围由所附权利要求限定。