專利名稱：具有不同管道間隔的多通路熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)一般涉及多通路熱交換器。更具體地，本申請(qǐng)涉及用于多通路熱 交換器的旋管(coil)間隔構(gòu)造。
背景技術(shù)：
熱交換器廣泛地用于加熱、通風(fēng)、空調(diào)和制冷(HVAC&R)系統(tǒng)。多通 路熱交換器通常包括多通路管道，用于讓制冷劑流過(guò)熱交換器。每個(gè)多通路 管道可具有多個(gè)獨(dú)立的流動(dòng)通路。鰭片位于管道之間，以有助于容納在管道 流動(dòng)通路中的制冷劑與在管道周圍經(jīng)過(guò)的外部空氣之間的熱傳遞。多通路熱 交換器可用在小噸位系統(tǒng)中，如住宅系統(tǒng)，或大噸位系統(tǒng)中，如工業(yè)冷卻系 統(tǒng)。
通常，熱交換器通過(guò)將制冷劑循環(huán)經(jīng)過(guò)蒸發(fā)和冷凝循環(huán)來(lái)傳遞熱。在許 多系統(tǒng)中，制冷劑在流過(guò)熱交換器時(shí)進(jìn)行相變，在該熱交換器中發(fā)生蒸發(fā)和 冷凝。例如，制冷劑可作為液體進(jìn)入蒸發(fā)熱交換器而作為蒸氣離開。類似地， 制冷劑可作為蒸氣進(jìn)入冷凝熱交換器并作為液體離開。這些相變導(dǎo)致流過(guò)熱 交換器流動(dòng)通路的液體和蒸氣制冷劑。具體地說(shuō)，熱交換器的一部分可容納 經(jīng)歷過(guò)熱減溫(de-superheat)的蒸氣制冷劑而熱交換器的另一部分容納經(jīng)歷 過(guò)冷(subcool)的液體。
制冷劑的相會(huì)影響熱交換器的效率，因?yàn)橹评鋭┑牟煌嗑哂胁煌臒醾鬟f性能。例如，蒸氣相的制冷劑會(huì)比液體相的制冷劑以更高的速度流過(guò)流 動(dòng)通路，使得容納蒸氣相制冷劑的管道發(fā)生更少的熱傳遞。在另一例子中， 采用用作冷凝器的熱交換器，蒸氣制冷劑會(huì)需要放出潛熱和顯熱，以變?yōu)橐?br> 態(tài)制冷劑，而液體制冷器〗又;改出顯熱，以經(jīng)歷過(guò)冷。
因此，需要能針對(duì)蒸氣和液態(tài)制冷劑相而允許熱傳遞性能得到改善的熱 交換器設(shè)計(jì)。在一些系統(tǒng)中，需要針對(duì)過(guò)熱減溫過(guò)程和過(guò)冷過(guò)程獨(dú)立地改變 熱傳遞性能。這會(huì)針對(duì)制冷劑的每個(gè)相發(fā)生更多的熱交換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供熱交換器和HVAC&R系統(tǒng)，其具有管道構(gòu)造，所述管道構(gòu) 造設(shè)計(jì)為能滿足這種需要。所述管道構(gòu)造可在許多熱交換器中得到應(yīng)用，但 是具體說(shuō)，能很好地適用于在住宅空調(diào)和熱泵系統(tǒng)中使用的冷凝器。通常， 熱交換器具有兩套多通if各管道并將流體從一套管道循環(huán)流動(dòng)到另 一套。 一套 多通路管道具有以 一種間隔而間隔開的多個(gè)管道，而另 一套多通路管道具有 以不同的間隔而間隔開的多個(gè)管道。
在下述的具體實(shí)施中，熱交換器中的第 一套多通路管道構(gòu)造為使蒸氣制 冷劑經(jīng)歷過(guò)熱減溫。隨著蒸氣制冷劑流過(guò)第一套管道，蒸氣冷凝成液體。第 一套管道以為過(guò)熱減溫過(guò)程定制的一距離而間隔開。 一旦制冷劑冷凝成液 體，則制冷劑流過(guò)第二套多通路管道，該第二套多通路管道構(gòu)造為使液態(tài)制 冷劑過(guò)冷。第二套管道以為過(guò)冷過(guò)程定制的一距離而間隔開。由此，管道構(gòu) 造允許通過(guò)針對(duì)流過(guò)管道的制冷劑相而定制每一套管道，來(lái)改善熱交換器的 效率。


本發(fā)明的這些和其他特點(diǎn)、方面和優(yōu)點(diǎn)在結(jié)合所附附圖來(lái)閱讀以下詳細(xì) 說(shuō)明時(shí)將得到更好的理解，在附圖中，所有圖中相同的標(biāo)記代表相同的部件，
其中:；'—、 。、々、，、、'、-' aV 、'、、、a,…'、'-、
例性住宅空調(diào)或熱泵系統(tǒng)；
圖2為圖1的系統(tǒng)的外部單元的部分分解^L圖，上部組件^皮提升以將某 些系統(tǒng)部件暴露，包括熱交換器；圖3示出了示例性商用或工業(yè)用HVAC&R系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用冷卻器和 空氣處理器來(lái)冷卻建筑物且還可釆用根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)的熱交換器；
圖4為示例性空調(diào)系統(tǒng)的概略視圖，該系統(tǒng)可以采用帶有根據(jù)本發(fā)明一 些方面的旋管間隔構(gòu)造的 一個(gè)或多個(gè)熱交換器；
圖5為示例性熱泵系統(tǒng)的概略視圖，該系統(tǒng)可以釆用帶有根據(jù)本發(fā)明一 些方面的旋管間隔構(gòu)造的 一個(gè)或多個(gè)熱交換器；
圖6為示例性熱交換器的透視圖，該熱交換器具有根據(jù)本發(fā)明的一方面 的旋管間隔構(gòu)造；和'
圖7為圖6的熱交換器的詳細(xì)透視圖，總管的一部分被切除。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)轉(zhuǎn)到附圖，并首先參見圖1-3，其顯示了本發(fā)明一些方面的示例性應(yīng) 用。總的來(lái)"i兌，本發(fā)明可用于大范圍的裝置，可用在HVAC&R領(lǐng)域和該領(lǐng) 域之外的領(lǐng)域。但是，在目前可設(shè)想的應(yīng)用中，本發(fā)明可用在住宅、商用、 輕工業(yè)、重工業(yè)和4壬<可其4也應(yīng)用場(chǎng)合，來(lái)加熱或冷卻一體積物或包圍物，如 住宅、建筑、結(jié)構(gòu)等。而且，本發(fā)明可用在工業(yè)應(yīng)用中，在合適時(shí)，用于各 種流體的基本制冷和加熱。圖1所示的特定應(yīng)用是用于住宅加熱和冷卻。通 常，用字母R表示的住宅配備有室外單元，該單元可操作地聯(lián)接到室內(nèi)單元。 室外單元通常位于住宅的側(cè)面附近，且被殼罩覆蓋以保護(hù)系統(tǒng)部件并防止樹 葉和其他污染物進(jìn)入該單元。室內(nèi)單元可位于雜物間、閣樓、地下室等。室 外單元通過(guò)制冷劑管RC聯(lián)接到室內(nèi)單元，所述制冷劑管沿一個(gè)方向傳送主 要為液體的制冷劑并沿相反的方向傳送主要為蒸氣化的制冷劑。
在運(yùn)行中，當(dāng)圖1所示的系統(tǒng)作為空調(diào)運(yùn)行時(shí)，室外單元中的旋管用作 冷凝器，用于將經(jīng)由其中一個(gè)制冷劑管從室內(nèi)單元IU流到室外單元OU的 蒸氣化制冷劑重新冷凝。在這些應(yīng)用中，以附圖標(biāo)記IC標(biāo)記的室內(nèi)單元的 旋管用作蒸發(fā)旋管。蒸發(fā)旋管接收液態(tài)制冷劑(其可通過(guò)下述的膨脹裝置膨 脹)并使制冷劑在返回到室外單元之前蒸發(fā)。
在運(yùn)行中，室外單元通過(guò)指向單元OU的側(cè)面的箭頭所示的側(cè)面吸入環(huán) 境空氣，通過(guò)風(fēng)扇(未示出)迫使空氣流過(guò)外部單元旋管并按室外單元上方 的箭頭所示將空氣排出。當(dāng)作為空調(diào)運(yùn)行時(shí)，空氣被室外單元中的冷凝旋管 加熱且該空氣以高于其進(jìn)入側(cè)面時(shí)的溫度離開單元的頂部。相反，空氣被吹過(guò)室內(nèi)旋管IC，且隨后通過(guò)管道結(jié)構(gòu)D循環(huán)流過(guò)住宅，如圖l的箭頭所示。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行為保持由自動(dòng)調(diào)溫器T設(shè)定的期望溫度。當(dāng)在住宅內(nèi)感知的溫度高于在自動(dòng)調(diào)溫器上的設(shè)定值(加上一個(gè)小的量)時(shí)，空調(diào)將運(yùn)行為冷卻額外的空氣，用于循環(huán)通過(guò)住宅。當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值(減去一個(gè)小的量)時(shí)，單元將暫時(shí)停止制冷循環(huán)。
當(dāng)圖1的單元作為熱泵運(yùn)行時(shí)，旋管的角色簡(jiǎn)單地顛倒。即，室外單元的旋管將用作蒸發(fā)器，以將制冷劑蒸發(fā)并由此隨著空氣經(jīng)過(guò)室外單元旋管周圍而將進(jìn)入室外單元的空氣冷卻。相反，室內(nèi)旋管IC將接收在其周圍吹過(guò)的空氣流并通過(guò)將制冷劑冷凝來(lái)加熱空氣。
圖2顯示了圖1所示的其中一個(gè)單元的部分分解視圖，在這種情況下該單元是室外單元OU。通常，該單元可被認(rèn)為包括用殼罩、風(fēng)扇組件、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)等構(gòu)成的上部組件UA。在圖2的顯示中，風(fēng)扇和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電機(jī)不可見，因?yàn)樗鼈儽籢圍的殼罩隱藏。室外旋管OC容納在該殼罩中且通常被設(shè)置為圍繞或至少部分地圍繞其他系統(tǒng)部件，如壓縮機(jī)、膨脹裝置、控制電^"等，將在后文更完全地描述。
圖3顯示了用于本發(fā)明的另一示例性應(yīng)用，在該情況下，是用于建立環(huán)境管理的HVAC&R系統(tǒng)。在圖3所示的實(shí)施例中，建筑物BL被包括冷卻器CH的系統(tǒng)冷卻，該冷卻器通常位于建筑物上或附近或者位于控制室或地下室。在圖3所示的實(shí)施例中，冷卻器CH為空氣冷卻裝置，其采用制冷循環(huán)來(lái)冷卻水。水通過(guò)水管WC循環(huán)流動(dòng)到建筑物。水管通向建筑物各層或各部分處的空氣處理器(air handler) AH?？諝馓幚砥鬟€聯(lián)接到管道結(jié)構(gòu)(ductwork) DU,該管道結(jié)構(gòu)適于從外部進(jìn)口 OL吹入空氣。
在運(yùn)行中，冷卻器將循環(huán)流動(dòng)到空氣處理器的水冷卻，該冷卻器包括如上所述的用于使制冷劑蒸發(fā)和冷凝的熱交換器。吹到接收空氣處理器中的水的額外旋管周圍的空氣使水溫度增加且使循環(huán)流動(dòng)的空氣溫度降低。被冷卻的空氣隨后經(jīng)由額外的管道結(jié)構(gòu)發(fā)送至建筑物的各個(gè)位置。最終，空氣的分布發(fā)送至擴(kuò)散器，該擴(kuò)散器將冷卻的空氣輸送到辦公室、公寓、樓道和建筑物內(nèi)的任何其他內(nèi)部空間。在許多應(yīng)用中，自動(dòng)調(diào)溫器或指揮裝置(未在圖3中示出)將用于控制通過(guò)各空氣處理器和管道結(jié)構(gòu)以及來(lái)自各空氣處理器和管道結(jié)構(gòu)的空氣流，以保持結(jié)構(gòu)中各個(gè)位置處的期望溫度。
圖4顯示了空調(diào)系統(tǒng)10，該系統(tǒng)使用多通路管道。制冷劑流過(guò)閉合的制冷環(huán)路12中的系統(tǒng)。制冷劑可以是吸熱和放熱的任何流體。例如，制冷劑
可以是氫氟烴(hydrofluorocarbon: HFC )基的R-410A、 R-407或R-134a，或其可以是二氧化碳(R-744a)或氨(R-717)?？照{(diào)系統(tǒng)10包括控制裝置14，其能使得系統(tǒng)IO將環(huán)境冷卻到規(guī)定的溫度。
系統(tǒng)IO通過(guò)使制冷劑在閉合的制冷環(huán)路12中循環(huán)通過(guò)冷凝器16、壓縮機(jī)18、膨脹裝置20和蒸發(fā)器22而冷卻環(huán)境。制冷劑作為高壓高溫蒸氣進(jìn)入到冷凝器16并流過(guò)冷凝器16的多通路管道。被電機(jī)26驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇24將空氣吸入而跨過(guò)多通路管道。風(fēng)扇24可將空氣抽過(guò)或推過(guò)管道。熱從制冷劑蒸氣傳遞到空氣，形成被加熱的空氣28并使得制冷劑蒸氣冷凝成液體。液態(tài)制冷劑隨后流入到膨脹裝置20，在該處制冷劑膨脹以形成低壓低溫液體。通常，膨脹裝置20是熱膨脹閥(TXV);但是，在其他實(shí)施例中，膨脹裝置可以是孔或毛細(xì)管。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，在制冷劑離開膨脹裝置之后，除了液態(tài)制冷劑還會(huì)存在一些蒸氣制冷劑。
從膨脹裝置20，制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器22并流過(guò)蒸發(fā)器多通路管道。被電機(jī)32驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇30將空氣吸入而跨過(guò)多通路管道。熱從空氣傳遞到制冷劑液體，形成被冷卻的空氣34并使得制冷劑液體沸騰成蒸氣。如本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的，風(fēng)扇可用將流體吸入而跨過(guò)多通路管道的泵替換。
制冷劑隨后作為低溫低壓蒸氣流到壓縮機(jī)18。壓縮機(jī)18減少可用于制冷劑蒸氣的體積，由此增加蒸氣制冷劑的壓力和溫度。壓縮機(jī)可以是任何合適的壓縮機(jī)，如螺旋式壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)、擺桿式壓縮才幾(swing link compressor )、〉、咼S走式壓纟宿才幾(scroll compressor)或；咼輪式壓縮機(jī)。壓縮機(jī)18被電機(jī)36驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)接收來(lái)自變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)或者直接式AC或DC電源的電力。在一個(gè)實(shí)施例中，電機(jī)36接收來(lái)自AC電源的固定線電壓(line voltage)和頻率，但是在一些應(yīng)用中，電機(jī)可以被可變電壓或頻率驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。電才幾可以是開關(guān)》茲阻(switchedreluctance: SR)電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、電子整流7jc磁體電機(jī)(electronically commutated permanentmagnetmotor: ECM),或任何其他合適的電機(jī)類型。制冷劑作為高溫高壓蒸氣離開壓縮機(jī)18，該蒸氣準(zhǔn)備好要進(jìn)入冷凝器并再次開始制冷循環(huán)。
制冷循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)受到控制裝置14的管理，該裝置包括控制電路38、輸入裝置40和溫度傳感器42?？刂齐娐?8聯(lián)接到電機(jī)26、 32、 36，所述電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)冷凝器風(fēng)扇24、蒸發(fā)器風(fēng)扇30和壓縮機(jī)18?？刂齐娐肥褂脧妮斎胙b置40和傳感器42接收的信息，以確定何時(shí)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)的電機(jī)26、32、 36。例如，在住宅空調(diào)系統(tǒng)中，輸入裝置40可以是可編程的24伏特自動(dòng)調(diào)溫器，該自動(dòng)調(diào)溫器向控制電路38提供溫度設(shè)定值。傳感器42確定周圍空氣溫度并將該溫度提供給控制電路38?？刂齐娐?8隨后將從傳感器接收的溫度與從輸入裝置接收的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較。如果溫度高于設(shè)定值，則控制電路會(huì)打開電機(jī)26、 32、 36,以運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)10。此外，控制電路可執(zhí)行硬件或軟件控制算法，以控制空調(diào)系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，控制電路38可包括模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器、微處理器、非易失存儲(chǔ)器和接口板。其他裝置當(dāng)然可包括在該系統(tǒng)中，諸如能對(duì)制冷劑、熱交換器、入口和出口空氣等的溫度和壓力進(jìn)行傳感的額外的壓力和/或溫度換能器或開關(guān)。
圖5顯示了^f吏用多通^各管道的熱泵系統(tǒng)44。因?yàn)闊岜孟到y(tǒng)可用于加熱和冷卻，所以制冷劑流過(guò)可逆制冷/加熱環(huán)路46。制冷劑可以是吸熱和放熱的任何流體。此外，加熱和冷卻操作通過(guò)控制裝置48來(lái)控制。
熱泵系統(tǒng)44包括外部旋管50和內(nèi)部旋管52， 二者都用作熱交換器。如上所述，旋管可用作蒸發(fā)器或冷凝器，這取決于熱泵的運(yùn)行;漠式。例如，當(dāng)熱泵系統(tǒng)44運(yùn)行在冷卻("AC")模式時(shí)，外部旋管50用作冷凝器，向外部空氣放熱；而內(nèi)部旋管52用作蒸發(fā)器，從內(nèi)部空氣吸熱。相反，當(dāng)熱泵系統(tǒng)44運(yùn)行在加熱模式下時(shí)，外部旋管50用作蒸發(fā)器，從外部空氣吸熱，而內(nèi)部旋管52用作冷凝器，向內(nèi)部空氣放熱。換向閥54在旋管之間位于可逆環(huán)路46上，以控制制冷劑流的方向并由此將熱泵在加熱模式和冷卻模式之間切:換。
熱泵系統(tǒng)44還包括兩個(gè)配量裝置(meteringdevice) 56、 58,用于在制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器之前降低制冷劑的壓力和溫度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，配量裝置也用于調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流，以使得進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑的量等于離開蒸發(fā)器的制冷劑的量。取決于熱泵運(yùn)行模式來(lái)使用配量裝置。例如，
當(dāng)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行在冷卻模式時(shí)，制冷劑通過(guò)旁路而流過(guò)(bypass)配量裝置56并在進(jìn)入用作蒸發(fā)器的內(nèi)部旋管52之前流過(guò)配量裝置58。類似地，當(dāng)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行在加熱模式時(shí)，制冷劑通過(guò)旁路而流過(guò)配量裝置58并在進(jìn)入作為蒸發(fā)器的外部旋管50之前流過(guò)配量裝置56。在其他實(shí)施例中，加熱模式和冷卻模式可使用一個(gè)配量裝置。配量裝置56、 58通常為熱膨脹閥(TXV)，但也可以是孔或毛細(xì)管。制冷劑作為低溫低壓液體進(jìn)入蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器在加熱模式下是外部旋
管50而在冷卻模式下是內(nèi)部旋管52。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解， 一些蒸氣制 冷劑也可以作為在配量裝置56、 58中發(fā)生的膨脹過(guò)程的結(jié)果而存在。制冷 劑流過(guò)蒸發(fā)器中的多通路管道并從空氣吸熱，將制冷劑變?yōu)檎魵?。在冷卻模 式下，在多通路管道周圍經(jīng)過(guò)的室內(nèi)空氣還可被除濕。來(lái)自空氣的濕氣在多 通路管道的外表面上冷凝并因此從空氣中去除。
在離開蒸發(fā)器之后，制冷劑流過(guò)換向閥54并進(jìn)入壓縮機(jī)60。壓縮機(jī)60 減少制冷劑蒸氣的體積，因此，增加蒸氣的溫度和壓力。再次，壓縮機(jī)可以 是任何合適的壓縮機(jī)，如螺旋式壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)、擺 桿式壓縮;f;i、渦旋式壓縮^幾或渦4合式壓縮才幾。
從壓縮機(jī)，溫度和壓力增加的蒸氣制冷劑流入冷凝器，該冷凝器的位置 通過(guò)熱泵模式確定。在冷卻模式下，制冷劑流入到外部旋管50(用作冷凝器)。 被電機(jī)64提供動(dòng)力的風(fēng)扇62將空氣吸到容納制冷劑蒸氣的多通路管道周 圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，風(fēng)扇可被泵代替，該泵將流體吸入而跨過(guò)多通 路管道。來(lái)自制冷劑的熱被傳遞到外部空氣，使得制冷劑冷凝成液體。在加 熱模式下，制冷劑流入到作為冷凝器的內(nèi)部旋管52。被電機(jī)68提供動(dòng)力的 風(fēng)扇66將空氣吸到容納制冷劑蒸氣的多通路管道周圍。來(lái)自制冷劑的熱傳 遞到內(nèi)部空氣，使得制冷劑冷凝成液體。 ，
在離開冷凝器之后，制冷劑流過(guò)配量裝置(在加熱^t式下為56而在冷 卻模式下為58)并返回到蒸發(fā)器(在加熱模式下為外部旋管50而在冷卻模 式下為內(nèi)部旋管52),在該處該過(guò)程再次開始。
在加熱模式下和冷卻模式下，電機(jī)70驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)60并將制冷劑循環(huán)流 過(guò)可逆制冷/加熱環(huán)路46。電機(jī)可接收直接來(lái)自AC或DC電源的電力或來(lái) 自變速驅(qū)動(dòng)器(VSD)的電力。如前例，電機(jī)可以是開關(guān)磁阻(SR)電機(jī)、 感應(yīng)電機(jī)、電子整流7Ja茲體電機(jī)(ECM)或任何其他合適的電機(jī)類型。
電機(jī)70的運(yùn)行受到控制電路72的控制?？刂齐娐?2接收來(lái)自輸入裝 置74和傳感器76、 78、 80的信息并使用該信息來(lái)控制熱泵系統(tǒng)44在冷卻 模式和加熱模式下的運(yùn)行。例如，在冷卻模式下，輸入裝置向控制電路72 提供溫度設(shè)定值。傳感器80測(cè)量周圍室內(nèi)空氣溫度并將其提供到控制電路 72?？刂齐娐?2隨后將空氣溫度與溫度設(shè)定值比較，如果空氣溫度高于溫 度設(shè)定值，則該控制電路接合壓縮機(jī)電機(jī)70以及風(fēng)扇電機(jī)64和68,以運(yùn)行冷卻系統(tǒng)。同樣，在加熱模式下，控制電路72將來(lái)自傳感器80的空氣溫度 與來(lái)自輸入裝置74的溫度設(shè)定值比較，如果空氣溫度低于溫度設(shè)定值，則 該控制電路接合電機(jī)64、 68、 70,以運(yùn)行加熱系統(tǒng)。
控制電路72還使用從輸入裝置74接收的信息，以在加熱模式和冷卻模 式之間切換熱泵系統(tǒng)44。例如，如果輸入裝置設(shè)定至冷卻模式，則控制電路 72向螺線管82發(fā)送信號(hào)，以將換向閥54置于空調(diào)位置84。從而，制冷劑 將如下流過(guò)可逆環(huán)路46:制冷劑離開壓縮機(jī)60，在外部旋管50中冷凝，被 配量裝置58膨脹，被內(nèi)部旋管52蒸發(fā)。同樣，如果輸入裝置被設(shè)定至加熱 模式，則控制電路72向螺線管82發(fā)送信號(hào)，以將換向閥54置于熱泵位置 86。從而，制冷劑將如下流過(guò)可逆環(huán)路46:制冷劑離開壓縮機(jī)60,在內(nèi)部 旋管52中冷凝，被配量裝置56膨脹，被外部旋管50蒸發(fā)。
控制電路72可執(zhí)行硬件或軟件控制算法，以控制熱泵系統(tǒng)44。在一些 實(shí)施例中，控制電路可包括，模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器、微處理器、非易 失存儲(chǔ)器和接口板。
控制電路還可在系統(tǒng)44運(yùn)行在加熱模式下時(shí)起動(dòng)除霜循環(huán)。當(dāng)室外溫 度接近冰點(diǎn)(freezing)時(shí)，導(dǎo)向到外部旋管50周圍的外部空氣中的濕氣可 在旋管上冷凝并凍結(jié)。傳感器76測(cè)量外部空氣溫度，且傳感器78測(cè)量外部 旋管50的溫度。這些傳感器將溫度信息提供到控制電路，該控制電路確定 何時(shí)起動(dòng)除霜循環(huán)。例如，如果傳感器76、 78中的任一個(gè)向控制電路提供 了低于冰點(diǎn)的溫度，則系統(tǒng)44可處于除霜模式。在除霜模式下，螺線管82 被致動(dòng)，以將換向閥54置于空調(diào)位置84,且電機(jī)64關(guān)閉以斷開流過(guò)多通路 的空氣流。系統(tǒng)44隨后運(yùn)行在冷卻模式下，直到溫度和壓力增加的流過(guò)外 部旋管的制冷劑使旋管50除霜。 一旦傳感器78檢測(cè)到旋管50已被除霜， 則控制電路72將換向閥54返回到熱泵位置86。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，除 霜循環(huán)可祐:設(shè)置為"^安照多種不同的時(shí)間和溫度組合來(lái)發(fā)生。
圖6為可用在空調(diào)系統(tǒng)10或熱泵系統(tǒng)44中的示例性熱交換器的透視圖。 該示例性熱交換器可以是冷凝器16、蒸發(fā)器22、外部旋管50或內(nèi)部旋管52, 如圖4和5所示。應(yīng)注意，在類似的或其他系統(tǒng)中，該熱交換器可以用作冷 卻器的一部分或用在任何其他交換應(yīng)用中。熱交換器包括總管88、 90,該總 管被多通路管道92連接。盡管30根管道被顯示在圖3中，但是管道的數(shù)量 可以改變?？偣芎凸艿揽梢杂娩X或提供良好熱傳遞的任何其他材料制造。制冷劑從總管88流過(guò)第一管道94到達(dá)總管90。制冷劑隨后通過(guò)第二管道96 返回到總管88。第一管道94可以具有與第二管道相同的構(gòu)造，或第一管道 可以與第二管道在性能上不同，如構(gòu)造材料或形狀。在一些實(shí)施例中，熱交 換器可以旋轉(zhuǎn)大致90度，以使得多通路管道豎直地在頂部總管和底部總管 之間延伸。此外，熱交換器可相對(duì)于豎直方向以一角度傾斜。此外，盡管多 通路管道被描述為具有矩圓形(oblong)形狀，但是管道可以具有任何形狀， 如管道具有矩形、方形、圓形、卵形、橢圓形、三角形、梯形或平行四邊形 形式的橫截面。在一些實(shí)施例中，管道可具有范圍從0.5mm到3mm的直徑。 應(yīng)注意，熱交換器可設(shè)置在一個(gè)平面或板層中，或可具有彎曲部、角部、輪 廓邵(contour)等。
制冷劑通過(guò)入口 98進(jìn)入熱交換器并通過(guò)出口 110離開熱交換器。盡管 圖6顯示了在總管88頂部處的入口和在總管底部處的出口，但是入口和出 口的位置可以互換，以使得流體在底部處進(jìn)入并在頂部處離開。流體還可乂人 位于總管的底表面、側(cè)表面、或頂表面上的多個(gè)入口和出口進(jìn)入和離開總管。 隔板(baffle) 102將總管88的入口 98和出口 100的部分分開。盡管顯示了 兩個(gè)隔板102，但是任何數(shù)量的一個(gè)或多個(gè)隔板可以用于形成入口 98和出口 100分隔。
鰭片104位于多通路管道92之間，以促進(jìn)管道92和環(huán)境之間的熱傳 遞。在一個(gè)實(shí)施例中，鰭片用鋁制造，被釬焊或以其他方式連結(jié)到管道，且 大致垂直于制冷劑流設(shè)置。但是，在其他實(shí)施例中，鰭片可用有助于熱傳遞 的其他材料制造，或者可平行于制冷劑流或相對(duì)于制冷劑流以變化的角度延 伸。此外，鰭片可以是百葉窗狀鰭片、褶皺狀鰭片或任何合適類型的鰭片。 在典型的熱交換器應(yīng)用中，制冷劑可以一種相進(jìn)入總管88并以另一種 相離開總管88。例如，如果熱交換器作為冷凝器運(yùn)行，則制冷劑可作為蒸氣 (或蒸氣和液體的混合物)進(jìn)入入口 98。隨著蒸氣經(jīng)過(guò)第一多通路管道94， 蒸氣向外部環(huán)境放熱，使得蒸氣經(jīng)歷過(guò)熱減溫并冷凝成液體。隨后，隨著液 態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)第二多通路管道96，液體向外部環(huán)境放熱，造成過(guò)冷。對(duì)于制 冷劑的液體相和蒸氣相二者來(lái)說(shuō)，流過(guò)鰭片104且流過(guò)管道周圍的空氣有助 于熱傳遞。在一些實(shí)施例中，流過(guò)第一管道92的制冷劑可具有達(dá)到大約78 。C (172。F)的溫度，且流過(guò)第二管道96的制冷劑可具有大約41。C (106°F)化。
為了改善熱交換器的熱傳遞性能，管道92以不同的距離間隔開。容納 主要處于蒸氣相的制冷劑的第一管道92具有較大的第一間隔A，且容納主 要處于液體相的制冷劑的第二管道96具有較小的第二間隔B。第一間隔A 允許第 一管道94之間具有比第二管道96之間的空氣流112大的空氣流110 。 管道部分之間空氣流的這種差異能改善熱傳遞性能。例如，在一個(gè)實(shí)施例中， 其中，熱交換器用作冷凝器，流過(guò)笫一管道的蒸氣制冷劑可具有比空氣溫度 高得多的溫度。增加的空氣流可以導(dǎo)致更多的熱從制冷劑傳遞到空氣，使得 溫度差異最大化。流過(guò)第二管道的液態(tài)制冷劑可具有略高于空氣溫度的溫 度。因此，需要較小量的空氣流來(lái)將熱從制冷劑傳遞到空氣。
本領(lǐng)域^l支術(shù)人員應(yīng)理解，不同的間隔也會(huì)導(dǎo)致不同的鰭片高度，這種高 度對(duì)改善管道部分之間的熱傳遞有貢獻(xiàn)。例如，第一間隔A比第二間隔B 允許更高的鰭片。第一管道94之間的鰭片可以具有更大的表面面積，使得 在第一管道與外部空氣之間有更多的熱傳遞。第二管道96之間的鰭片可具 有更小的表面面積，使得在第二管道和外部空氣之間有更少的熱傳遞。
在一些實(shí)施例中，第一間隔A可以大于第二間隔B,如圖6所示。4旦是， 在其他實(shí)施例中，第一間隔可以小于第二間隔。此外，第一間隔和第二間隔 之間的差異可以基于熱交換器的性能而變化，這些性能例如是所用的制冷 劑、外部空氣溫度、容量和用于構(gòu)造的材料。例如，在采用了具有鋁管道的 冷凝器的一實(shí)施例中，第一間隔可以是第二間隔的兩倍。此外，第一管道和 第二管道數(shù)量之間的比例可以基于各熱交換器性能而變化。通過(guò)進(jìn)一步的例 子，可以有均等(even)數(shù)量的第一管道和第二管道，或第二管道是第一管 道的三倍。在采用具有鋁管道的冷凝器的一實(shí)施例中，第二管道可以是第一 管道的四倍。而且，在目前所設(shè)想的實(shí)施例中，管道之間的間隔可以是從0.2" 到0.6"的范圍，較大間隔具有比較小間隔大的值，但是應(yīng)理解，所述間隔可 適應(yīng)于為熱交換器設(shè)計(jì)的特定熱性能和傳遞。
圖7顯示了圖6所示的熱交換器的透視圖，總管88的一部分被切掉， 以顯示出總管內(nèi)部。如圖所示，制冷劑通過(guò)包含在第一管道94中的流動(dòng)通 路113離開總管88并通過(guò)包含在第二管道96中的流動(dòng)通路113返回到總管 88。在一些實(shí)施例中，流動(dòng)通路可以彼此平行地布置。此外，管道中可以包 含任何數(shù)量的流動(dòng)通路。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，管道每一個(gè)可包含18個(gè)流動(dòng)通路o
隔板102將總管的第一管道部分與第二管道部分分開。如上所述，總管 的第一管道部分中的制冷劑可以處于與第二管道部分中的制冷劑不同的相。
隔板102被間隔開，以在總管中形成隔絕的體積114。此外，隔絕的管道116 可位于隔板102之間，以在第一管道94和第二管道96之間提供分隔。隔絕 的體積114和隔絕的管道可以在管道部分之間提供絕緣并允許各管道部分的 熱傳遞性能獨(dú)立于彼此而得到改善。例如，在熱交換器用作冷凝器的一實(shí)施 例中，第一管道可容納高溫蒸氣，而第二管道容納低溫液體。隔絕的空間和 隔絕的管道在蒸氣與液體部分之間提供隔熱，因此，防止從蒸氣制冷劑到液 態(tài)制冷劑的熱傳遞。結(jié)果，液態(tài)制冷劑可到達(dá)較低的溫度，因?yàn)槠漭^少地從 蒸氣制冷劑吸熱。
應(yīng)注意，本說(shuō)明書使用術(shù)語(yǔ)"多通路"管道或"多通路熱交換器"來(lái)指 代熱傳遞管道在總管之間包括多個(gè)流動(dòng)路徑的裝置，該總管將流動(dòng)分配給管 道或從管道收集流動(dòng)。許多其他術(shù)語(yǔ)可在本領(lǐng)域中用于類似的裝置。這些替 換術(shù)語(yǔ)可包括"微通路"和"微端口 (microport)"。術(shù)語(yǔ)"微通路"有時(shí)帶 有的含義是具有微米量級(jí)或更小的流體通道的管道。但是，在本說(shuō)明書中， 這些術(shù)語(yǔ)并不是要設(shè)定任何具體的更高或更低的尺寸限度。而是，本文中用 于描述和使得實(shí)施例得到保護(hù)的術(shù)語(yǔ)"多通路"要覆蓋所有這種尺寸。有時(shí) 用在本領(lǐng)域中的其他術(shù)語(yǔ)包括"平行流，，和"釬焊鋁"。但是，所有這些裝 置和結(jié)構(gòu)應(yīng)包括在術(shù)語(yǔ)"多通路，，的范圍內(nèi)。通常，"多通路"管道將包括 沿大致平坦的平面管道的平面或沿寬度方向設(shè)置的流動(dòng)路徑，但是本發(fā)明并 不是要限制任何具體的幾何尺寸，除非在所附權(quán)利要求中另外說(shuō)明。
盡管僅在本文中顯示和描述了本發(fā)明的一些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員 可想到許多修改和改變。因此，應(yīng)理解，所附權(quán)利要求應(yīng)覆蓋落入本發(fā)明真 實(shí)精神范圍內(nèi)的所有這種修改和改變。
權(quán)利要求
1、一種熱交換器，包括第一總管；第二總管；第一多個(gè)多通路管道，與第一總管和第二總管流體連通，該第一多個(gè)多通路管道以第一間隔彼此間隔開；和第二多個(gè)多通路管道，與第一總管和第二總管流體連通，該第二多個(gè)多通路管道以不同于第一間隔的第二間隔彼此間隔開。
2、 如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，第一間隔大于第二間隔。
3、 如權(quán)利要求1所述的熱交換器，包括位于第一總管中的隔板，以迫 使被？I入到第 一總管中的進(jìn)入流經(jīng)過(guò)第 一多個(gè)多通路管道到達(dá)第二總管，并 將進(jìn)入流與排出流分隔開，該排出流從第二多個(gè)多通路管道離開而進(jìn)入第一 辛、營(yíng)
4、 如權(quán)利要求3所述的熱交換器，包括位于第一總管中的一對(duì)隔板， 以使多個(gè)第一多個(gè)多通路管道和第二多個(gè)多通路管道之間的至少一個(gè)多通 路管道被隔絕。
5、 如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，第一多個(gè)多通路管道中的管 道在構(gòu)造上與第二多個(gè)多通^f各管道中的管道相同。
6、 如權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，第一和第二多個(gè)多通路管道 中的每個(gè)管道的橫截面大致是平的，且包括沿其寬度設(shè)置的多個(gè)大致平行的 流動(dòng)路徑。
7、 如權(quán)利要求1所述的熱交換器，包括散熱鰭片，設(shè)置在第一和第二 多個(gè)多通路管道之間。
8、 一種熱交換器，包括 第一總管；第二總管；第一多個(gè)多通路管道，與第一總管和第二總管流體連通，該第一多個(gè)多 通路管道以第 一 間隔;波此間隔開；第二多個(gè)多通路管道，與第一總管和第二總管流體連通，該第二多個(gè)多 通路管道以不同于第 一 間隔的第二間隔彼此間隔開；和位于第 一總管中的隔板，該隔板在第一多個(gè)多通路管道和第二多個(gè)多通 路管道之間，以使循環(huán)流從第一總管的入口側(cè)經(jīng)過(guò)第一多個(gè)多通路管道引導(dǎo) 到第二總管，并從第二總管經(jīng)過(guò)第二多個(gè)多通路管道引導(dǎo)到第 一總管的出口側(cè)。
9、 如權(quán)利要求8所述的熱交換器，其中，第一間隔大于第二間隔。
10、 如權(quán)利要求8所述的熱交換器，其中，第一多通路管道在構(gòu)造上與 第二多通路管道相同。
11、 如權(quán)利要求8所述的熱交換器，其中，第一和第二多通路管道中的 每一個(gè)的橫截面大致是平的且包括沿其寬度設(shè)置的多個(gè)大致平行的流動(dòng)路 徑。
12、 如權(quán)利要求8所述的熱交換器，包括散熱鰭片，設(shè)置在第一和第二 多通路管道之間。
13、 如權(quán)利要求8所述的熱交換器，包括位于第一總管中的一對(duì)隔板， 以使多個(gè)第 一 多通路管道和多個(gè)第二多通路管道之間的至少 一個(gè)多通路管 道被隔絕。
14、 一種方法，用于促進(jìn)將熱量交換給流體或從流體交換出熱量，包括 將流體引入到熱交換器的第 一 總管的入口側(cè)；使流體流過(guò)第 一多個(gè)多通路管道，該第 一多個(gè)多通路管道包括穿過(guò)其延 伸的多個(gè)大致平行的流動(dòng)路徑，該第一多個(gè)多通路管道以第一間隔彼此間隔開；在第二總管中收集流體；和使流體從第二總管經(jīng)過(guò)第二多個(gè)多通路管道流動(dòng)到第 一總管的出口側(cè)， 該第二多個(gè)多通路管道包括穿過(guò)其延伸的多個(gè)大致平行的流動(dòng)路徑，該第二多個(gè)多通路管道以不同于第一間隔的第二間隔;波此間隔開。
15、 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，通過(guò)位于第一總管中的隔板將 流體從第一總管的入口側(cè)引導(dǎo)經(jīng)過(guò)第一多個(gè)多通路管道。
16、 如權(quán)利要求14所述的方法，包括使第一多個(gè)多通路管道中的流體 經(jīng)歷過(guò)熱減溫。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，包括使第二多個(gè)多通路管道中的流體 過(guò)冷。
18、 一種加熱、通風(fēng)、空調(diào)或制冷的系統(tǒng)，包括壓縮機(jī)，構(gòu)造為壓縮氣態(tài)制冷劑； 冷凝器，構(gòu)造為接收被壓縮的制冷劑并使其冷凝； 膨脹裝置，構(gòu)造為降低被冷凝的制冷劑的壓力；和 蒸發(fā)器，構(gòu)造為在將制冷劑返回到壓縮機(jī)之前使制冷劑蒸發(fā)； 其中，冷凝器和蒸發(fā)器中的至少一個(gè)包括熱交換器，該熱交換器具有第 一總管、第二總管、與第一總管和第二總管流體連通的第一多個(gè)多通路管道、 以及與第一總管和第二總管流體連通的第二多個(gè)多通路管道，該第一多個(gè)多 通路管道以第一間隔彼此間隔開，該第二多個(gè)多通路管道以不同于第一間隔 的第二間隔彼此間隔開。
19、 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，第一多個(gè)多通路管道構(gòu)造為使 被蒸氣化的制冷劑經(jīng)歷過(guò)熱減溫，且第二多個(gè)多通路管道構(gòu)造為使液態(tài)制冷 劑過(guò)冷。
20、 如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，還包括換向閥，且其中，熱交換器在 熱泵模式運(yùn)行下用作蒸發(fā)器并在空調(diào)模式運(yùn)行下用作冷凝器。
全文摘要
本發(fā)明提供了加熱、通風(fēng)、空調(diào)和制冷(HVAC&R)系統(tǒng)和熱交換器，其包括不同的管道間隔構(gòu)造。熱交換器包括彼此流體連通的多套多通路管道。一套多通路管道具有以一種間隔間隔開的多個(gè)管道，而另一套多通路管道具有以不同的間隔間隔開的多個(gè)管道。多通路管道之間的不同間隔允許每套管道構(gòu)造為適合管道中流動(dòng)的制冷劑的性能。
文檔編號(hào)F28D1/04GK101600929SQ200780050288
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日
發(fā)明者喬斯·德拉克魯茲, 威廉·L·科普科, 杰弗里·N·尼科爾斯, 馬斯塔法·K·亞尼克 申請(qǐng)人:約翰遜控制技術(shù)公司