振动式热交换装置 【技术领域】
本发明涉及一种热交换装置，更详细地说，涉及适用于利用深夜时的剩余电力生成蓄热流体的流冰，而在电力负荷大的白天利用上述蓄热流体的流冰进行制冷的冰蓄热系统上的合适的振动式热交换装置。
背景技术
一般说来，蒸发器、制冷机、加热器等都包含有在相互分隔的二个流体间进行热交换、致在冷却或加热目标流体的热交换装置。
上述的热交换装置根据其使用目的和容量虽然具有多样化构造，但基本构造是蓄热流体循环系统和从上述蓄热流体吸收热量或者放出热量的制冷剂或热介质循环的系统以导热率高的材料(例如，铜质传热管)为界进行接触。
作为使用此种热交换装置的一系统，开发出了利用深夜时间段的低廉剩余电力生成蓄热流体的流冰并存贮在蓄热槽内，在电力负荷大的时间段内利用蓄热槽内的蓄热流体的流冰进行制冷的冰蓄热系统，所述的冰蓄热系统作为节约能量费用的一种对策受到广泛的关注。
图5是一般的冰蓄热系统的概略图。如图所示，冰蓄热系统100构成包含有冷却塔110、冷却器120、热交换机130、蓄热槽140及空调机150等。深夜时段，由冷却器120冷却的制冷剂流过热交换机130的传热管131，对其外部的蓄热流体冷却形成流冰，而流冰存贮在蓄热槽140内。在白天，利用蓄热流体的流冰，由空调机对建筑物供冷。
但是，从所述的冰蓄热系统反应出的应该解决的问题之一是在热交换机130的传热管131的外部表面一会生成蓄热流体的薄冰层，而该薄冰层是导致传率下降的原因。
图6是改善导热率下降问题的现有热交换机的概略图。如图所示，热交换机200由供制冷剂流过的外侧管211，供蓄热流体流过的内侧管212和刮掉内侧管212的内侧壁面上生成的蓄热流体薄冰层的转动刮板(wiper)213构成。即，制冷剂流过热交换机200的外侧管211吸收蓄热流体的热量而蒸发。于是，被冷却的蓄热流体的一部分冻结在内侧管212的内壁上，此时，使转动刮板213转动，将冻结在内侧管212内壁上的蓄热流体薄冰层刮掉。所述冷却过程中生成的蓄热流体流冰被供给到蓄热槽内，用于制冷。热交换机200由于转动刮板213连续地除去冻结层，因此，能够在一定程度上防止导热率下降。
但是，图6的热交换机200由于难以大容量化，因此，不适合于在冰蓄热系统上使用。
作为克服导热率下降问题的另外一种热交换机，有图7所示的热交换机300，该热交换机300具备沿轨道运动的拍杆。热交换机300的构成包含有供蓄热流体流过的多根(例如从6根至100根以上)传热管310，包围上述多根传热管、为制冷剂提供蒸发空间的蒸发管320，分别设置在上述传热管310内部、借助上段反曲轴(countercrank)330作运动的同时将冻结在上述传热管310内壁上的蓄热流体薄冰层刮掉的多个刮杆340，驱动上述反曲轴330转动的具有多个孔351的驱动板350，偏心连接上述驱动板350的偏心曲轴360以及驱动上述曲轴360的驱动电机370。
对于上述构成，在制冷剂流过蒸发管320并蒸发时，通过传热管310的蓄热流体被冷却，此时，驱动电机370动作，偏心曲轴360转动，驱动板350沿轨道运动，通过驱动板350的孔351和反曲轴330的突出部331的结合的反曲轴330作圆周运动，连接在反曲轴330的偏心位置上的各刮杆340沿规定的轨迹作轨道运动，且刮扫传热管310的内壁，结果冻结在各传热管310内壁上的蓄热流体结冰层从传热管310内壁脱离而流走。
由于图7的这种热交换机300在一根蒸发管320上内装着多根传热管310，因此，具有防止导热率下降且可大容量化的优势。
但是，因为图7的热交换机300使位于各传热管310内的多根刮杆340同时作轨道运动，所以必须具备轨道运动驱动装置，而该驱动装置由驱动电机370、偏心曲轴360、驱动板350、多根反曲轴330及多根刮杆340构成，结构既复杂又要精确，相关部件等的故障会频繁发生。
特别地，刮杆340在插入塑料合成树脂成形体构成的反曲轴330内与其啮合的状态下随着反曲轴330的转动而作轨道运动，驱动板350的驱动力因孔351和反曲轴330的突出部331的结合而传给了反曲轴330使其作圆周运动，因此，存在的问题是由于反曲轴330和驱动板350的破损导致的动作中断会频繁发生。另外，最终生产的蓄热流体的流冰的品质仍不能令人满意。
发明的详细说明
本发明的目的在于提供一种适合用于利用深夜时间段的低廉剩余电力生成蓄热流体的流冰并存贮在蓄热槽内，在电力负荷大的白天内利用蓄热槽内的蓄热流体的流冰进行制冷的冰蓄热系统中的热交换装置。
本发明还有一目的在于提供能够有效地除去传热管内壁上形成的蓄热流体的冻结薄冰的手段无论如何提高了最终形成的蓄热流体的流冰品质的振动式热交换装置。
根据本发明，提供一种通过制冷剂和蓄热流体间的热交换形成上述蓄热流体的流冰。
本发明的热交换装置包含供上述制冷剂流过的制冷剂室，为了使上述制冷剂吸收热量、在由上述制冷剂室包围着的状态下供上述蓄热流体流过的一根以上的传热管，在插入上述各传热管内的状态下振动、使形成在上述传热管内壁上的上述蓄热流体的冻结冰层脱离并破碎的螺旋形振动部件，以及使上述螺旋形振动部件振动的振动装置。
上述振动装置的构成包含振动电机，连接上述振动电机的、传递振动的振动传递杆，把上述振动传递杆的振动传递给上述螺旋形振动部件的振动板，以及防止上述振动板的振动传递到上述螺旋形振动部件以外的部件上的防振部件。
更好地，上述螺旋形振动部件通过连接套连接上述振动板。上述连接套的构成包含可振动地插入上述传热管内、形成上段开口和下段周围贯通口的本体，从上述本体的下段伸长、与上述螺旋形振动部件连接的振动部件结合突起，以及形成在上述本体上段上的、连接上述振动板的振动板结合突起。
上述振动板可以二块板构成，上述连接套置于上述振动板结合突起之间。在上述振动板上形成振动部件装着口和上述蓄热流体通过的蓄热流体通路，其中的振动部件装着口形成在对应上述螺旋形振动部件的位置上，供上述振动板结合突起插入。
把一根增强螺栓插入上述螺旋形振动部件内，并拧紧在上述连接套和装在上述螺旋形振动部件下段上的固定件之间，可防止上述螺旋形振动部件不应有的伸缩。
在上述传热管内壁上涂抹不粘性材料覆膜，可使上述蓄热流体流冰的冻结量最小。
发明的优选实施形式
如图1所示，本发明的热交换装置1由制冷剂室10，多根传热管20，数量与上述传热管20相对应的振动部件30以及使上述振动部件30一起振动的振动装置40构成。
制冷剂室10是供制冷剂流过且发生相变(蒸发)的空间。制冷剂室10具备制冷剂入口11和制冷剂出口12。来自冷凝器的制冷剂从制冷剂入口流入，在制冷剂室10内蒸发(相变)，并吸收周围的热量，通过制冷剂出口12流至压缩机。
传热管20上下贯通地安装在制冷剂室10内部。在制冷剂室10上部形成了使蓄热流体流入传热管20内的上部室2，构成上述振动装置40的一部分要件也设置在其内。制冷剂室下部形成下部室4，该下部室4用于临时收集蓄热流体变成的流冰。
传热管20纵向地装在制冷剂室10内被制冷剂室围着。传热管20是高导热率的材质(如铜管)的蓄热流体通路，在制冷剂室10内的制冷剂的蒸发过程中，传热管20的蓄热流体失去热量被冷却而结成冰。
即，通过传热管20上段而流入的蓄热流体经传热管20流下，在该过程中，失去热量以流冰的状态从传热管20排出。该流冰被输送到蓄热槽内，最终用于制冷。
如前所述，蓄热流体流入传热管20是通过其上部的上部室2，而蓄热流体从传热管20排出是通过其下部的下部室4。
上部室2是使其外壳3水密性地与制冷剂室10的上板13的周边上部结合而形成的。在上述外壳3的一侧形成流入口3a，进行制冷循环返回的高温状态的蓄热流体流入。图面符号3b表示将外壳3水密性地固定到上板13上的螺栓。
下部室4是如通过法兰将外壳5连接到制冷剂室10的下板14上形成的。在外壳5的下侧上形成排出口5a，蓄热流体的流冰从排出口流向蓄热槽。下部室4的底面朝着上述排出口5a的方向倾斜，便于流冰排出。
图1中，为易于说明，图例示出在制冷剂室10上仅设置一根传热管20，但将本发明的热交换装置1用于冰蓄热系统上的情况下，在制冷剂室10内按规定配置数十根(例如，41根)至100根以上(例如，159根)传热管20。
螺旋形振动部件30插入上述各传热管20内。螺旋形振动部件30的长度跨过传热管20整体的长度，而其直径既确保不与传热管20的内壁不紧密接触，但其振动能够击打内壁的程度。
对于本发明，振动部件30称作螺旋形意味着将如一般的螺旋弹簧那样把线材卷绕成螺旋状的螺旋构造，内部是空的，蓄热流体通过螺旋间的空间，并在内部和外部间可自由地流动。即，螺旋形振动部件30的构造虽然与弹簧相似，但由于不提供弹性功能，因此是弹簧的伸缩特性只有一点点或者完全没有的螺旋形构造。根据该理由，也可以使用在一般的钢质弹簧上沿其纵向焊接钢棒除去了伸缩性后的部件作为本发明的螺旋形振动部件30。
螺旋形振动部件30的材料只要满足上述的前提条件不受特别限制。例如，能够使用将不锈钢或高强度塑料合成树脂加工成螺旋形的产品。希望打击传热管20内壁的外侧面具有与传热管20的内壁轮廓相对应的形状。另外，为了增加对传热管20内壁的打击效果，可以在螺旋形振动部件30的外侧面上形成突起。
上述构成的螺旋形振动部件30反复打击冻结在传热管20内壁上的蓄热流体薄冰层，受打击的薄冰层破碎脱离而流下。此时，振动部件30的螺旋构造有助于蓄热流体的流冰流下。
螺旋形振动部件30因振动装置40的振动而振动。本发明适用的振动装置40只要能够振动螺旋形振动部件30并由其反复打击传热管20的内壁，就可以使用。
可使用的振动部件40的构成是将设置在螺旋形振动部件30上侧，即上部室2的上侧上的振动电机41，机械地连接上述振动电机41的、传递振动的振动传递杆42，连接上述振动杆42下段上的、并连接螺旋形振动部件30、将上述振动杆42的振动传递给螺旋形部件30的振动板43，安装在上述振动板43和制冷剂室10的上板13之间的、防止振动传递给上述振动部件30以外的部件上的防振装置44(如：防振弹簧)。
图面符号41a是固定支持振动电机41的、连接振动传递杆42的振动电机座，图面符号45是以伸缩性地支持振动传递杆42的伸缩支持台。
振动板43应以如下方式形成，即在维持其强度的范围内，尽可能地使待流入传热管20内的蓄热流体无阻力均等地分配到传热管20内。
图2所示的振动板43示例性表示安装在41根传热管20上的振动板42。图示的振动板43的圆周直径比上部室2的外壳稍小，与41根传热管20和螺旋形振动部件对应数量的振动部件安装口43a均等地贯通。在振动部件安装口43a和中央部分等的富余空间形成贯通的多条蓄热流体通路43b。
螺旋形振动部件30虽然也可以与上述振动板43直接，但最好通过连接套50连接。连接套52如图1和图3所示，悬空在传热管20和上部室2内地插入传热管20内。连接套50可以是将本体51、振动部件结合突起54及振动板结合突起55一体地形成的部件。
可振动地插入传热管20内的本体51是一个具有与传热管20内部轮廓相对应的外部轮廓的圆筒状，其直径恰好在其围起的传热管20内壁之间形成可供蓄热流体顺利流下的间隙。在本体51的上段形成蓄热流体可流入的开口52，在下段周围形成排出蓄热流体的多个贯通口53(例如3个)。
振动部件结合突起54是为了便于将螺旋形振动部件30吻合在连接套50上的部件，从本体51的下段向下延伸坚固地嵌入螺旋形振动部件30的上段。
振动板结合突起55是把连接套50连接到振动板43上的部件，希望在本体51的上段圆周形成法兰状。连接套50的振动板结合突起和振动板43的结合在由二块振动板43形成振动板43时，把振动板结合突起55在振动部件安装口43a处插入到上述二板43之间，以规定的连结构造固定二板43后实现。
螺旋形的振动部件30虽然制造时要排除弹性，但因为根据其构造特性，也会有产生如弹簧那样的弹性，那么，振动部件30的上下伸缩将可能使螺旋形振动部件30的下段的匝数增加，使螺旋与螺旋之间的间隙变狭，妨碍流冰的排出。
基于上述理由，在螺旋形振动部件30内插入固定增强螺栓31，以期达到彻底消除振动部件30的伸缩。
因此，在上述连接套50的本体51的下侧上形成螺栓孔56，将细长的增强螺栓31插入其内，而在螺旋形振动部件30的下段上安装固定增强螺栓31下段的固定件60。
为了确保上述固定件60对蓄热流体流冰的流动产生的阻力最小，如图4所示，最好使用由最小限度的筋板将中央形成有螺栓孔62的振动部件结合突起61和圆周边缘63而成的结构。
通过如此地增加增强螺栓31，能够完全地消除由螺旋形振动部件30产生的不希望的上下伸缩，因而，对上述蓄热流体流冰的排出影响最小。无论如何，增强螺栓31的直径应该小到能够有效地消除螺旋形振动部件30的上下伸缩的程度。
下面，说明本发明的热交换装置1的作用。
制冷剂流入制冷剂入口，通过制冷剂室10，从制冷剂出口12排出，在此过程中，制冷剂蒸发从传热管20吸收热量。
蓄热流体流入上部室2的流入口3a，通过振动部件安装口43a和开口52流入连接套50内，而通过振动板43周围的间隙43c和形成在振动板43上的蓄热流体通路43b后向下流动，连续地通过连接套50的贯通口53或者通过连接套50和传热管20间的间隙后流入传热管20内。
流入传热管20内的蓄热流体边向下流动，边被逐渐冷却变成流冰，一部分蓄热流体冻结在传热管20的内壁上形成薄冰层。蓄热流体的冻结冰层由振动装置40的振动而产生振动的螺旋形振动部件30持续地击打，从传热管20上脱落下来流走。流冰受振动部件30的螺旋形引导并延缓。从传热管20排出的、流至下部室4的蓄热流体通过排出口5a输送到蓄热槽内，最终用于制冷。
为了使被冷却的蓄热流体冻结在本发明的热交换装置1上使用的传热管20的内壁上的量为最小，可以在内壁上涂抹不粘性材料膜。
为了形成涂膜而可使用的不粘性材料，合适的有以杜邦的商标Teflon大量销售的氟树脂(PTFE，FEP等)。把这些氟树脂涂到传热管20的内壁上后通过烧成具备更好的耐久性。利用本非粘性材料薄膜作用能够使冻结的蓄热流体量最少，且冻结的蓄热流体由在前说明的螺旋形振动部件30连续地除去。
由上所述的本发明的热交换装置1由于形成在传热管20内壁上的蓄热流体的冻结薄冰层在螺旋形振动部件30的振动下被有效地敲脱变细碎，因此，不仅能够使由蓄热流体的冻结层引起的传热管20的传热效率下降最小化，而且最终以块状除去产生的蓄热流体的流冰，提高了流冰的质量。