具有低壓降分配管的熱泵熱交換器的制造方法
【專利摘要】一種具有低壓降分配管的熱泵熱交換器，包括：第一歧管、與第一歧管隔開的第二歧管、液壓地連接歧管的多根冷卻劑管和配置在第一歧管中的分配管。該分配管包括進口端、相對于進口端的遠端、進口端和遠端之間的多個孔口。分配管也包括直接鄰近遠端的端孔，其中端孔的過流面積比孔口過流面積的任何一個都大。端孔的過流面積足夠大，以在蒸發(fā)模式中，以可接受最小壓降提供均勻的冷卻劑收集，但是端孔的過流面積又足夠小，以防止冷凝器模式中蒸汽溢流至鄰近遠端的歧管的區(qū)域。分配管的長度小于第一歧管長度的3/4。該熱泵熱交換器用以提供更低的出口壓降和貫穿芯體的均勻冷卻劑分配。
【專利說明】具有低壓降分配管的熱泵熱交換器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年11月16日提交的，標題為“HEAT EXCHANGER HAVING A LOWPRESSURE DROP OUTLET COLLECTOR”(具有低壓降出口收集器的熱交換器)的美國臨時申請序列號61/727，173的權益，其公開內(nèi)容在此通過引用以其整體并入。
【技術領域】
[0003]本實用新型涉及一種熱泵熱交換器；更具體地涉及一種具有分配管的熱泵熱交換器。
【背景技術】
[0004]已知家用和商業(yè)空氣調(diào)節(jié)裝置和熱泵系統(tǒng)采用改進自動熱交換器，作為熱泵熱交換器，該自動熱交換器由于具有高熱轉(zhuǎn)換效率、耐用性和相對易于制造性。傳統(tǒng)的自動熱交換器通常包括進口歧管、出口歧管和液壓地連接歧管以使冷卻劑在其間流動的多根冷卻劑管。波狀散熱片使鄰近的冷卻劑管互相連接，以增大可用的熱轉(zhuǎn)換面積，以及提高熱交換器的結(jié)構整體性。該熱交換器的芯體由冷卻劑管和互相連接的波狀散熱片限定。
[0005]熱泵熱交換器，也稱為熱泵盤管，能夠起蒸發(fā)器和冷凝器的作用。熱泵系統(tǒng)通常包括兩個熱泵熱交換器，一個位于室外，另一個位于室內(nèi)。當熱泵系統(tǒng)處于制冷模式時，室內(nèi)熱泵熱交換器就以蒸發(fā)器模式運行，并且室外熱泵交換器以冷凝器模式運行。相反地，當熱泵系統(tǒng)處于制熱模式時，室內(nèi)熱泵熱交換器就以冷凝器模式運行，并且室外熱泵盤管以蒸發(fā)器模式運行。
[0006]為了滿足家用和商業(yè)應用的需求，就必須因此增大熱泵熱交換器芯體的尺寸，這繼而顯著地增大進口和出口歧管的長度。對于以蒸發(fā)器模式運行的熱泵熱交換器而言，歧管長度增大趨向于導致通過冷卻劑管的冷卻劑分配不當。由于液相和氣相之間巨大的質(zhì)量差，動量和重力的影響能夠?qū)е逻M口歧管中的各相分離，并且導致流經(jīng)冷卻劑管的冷卻劑分配不良。冷卻劑的分配不良使蒸發(fā)器性能退化，并且能夠?qū)е滦倔w溫度分布不均勻。
[0007]為了幫助提供通過冷卻管的均勻冷卻劑分配，在進口歧管內(nèi)布置具有多個均勻間隔孔口的進口分配器，以在進口歧管的整個長度上分配兩種相態(tài)的冷卻劑。類似地，在出口歧管內(nèi)布置具有多個均勻間隔孔口的出口收集器，以收集出口歧管整個長度上的蒸汽冷卻齊U。由于冷卻劑處于汽相，所以其體積、蒸汽速度和沿出口歧管或者出口收集器所產(chǎn)生的壓降都比其保持在液相時高得多。
[0008]由于限制冷卻劑流動而引起冷卻劑流量分配不當，和升高芯體進口壓力和溫度兩者，所以出口收集器中的出口壓降降低性能。因此，仍存在對如下一種熱泵熱交換器的需求，其具有改進出口收集器，以提供更低的出口壓降和貫穿芯體的均勻冷卻劑分配。
實用新型內(nèi)容
[0009]本實用新型涉及一種熱泵熱交換器，該熱泵熱交換器具有第一歧管、與第一歧管間隔的第二歧管、液壓地連接歧管的多根冷卻劑管和布置在第一歧管中的分配管。該分配管包括進口端、與進口端相對的遠端、進口端和遠端之間的多個孔口。該分配管也包括直接鄰近該遠端的端孔，其中該端孔的端孔過流面積比任何一個孔口過流面積都大。端孔過流面積足夠大，以在蒸發(fā)模式中以可接受的最小壓降提供均勻的冷卻劑收集；但是端孔過流面積又足夠小，以在冷凝器模式中，防止蒸汽溢流至遠端附近的歧管區(qū)域。分配管的長度小于第一歧管長度的3/4。
[0010]優(yōu)選地，端孔的過流面積與其它孔口的總過流面積的比率等于歧管長度減去分配管長度與分配管長度的比率，以下列等式表不:
[0011 ][端孔的面積/孔口的總面積]=
[0012][[歧管的長度-分配管的長度]/[分配管的長度]]
[0013]其中:
[0014]端孔的面積=端孔的過流面積；
[0015]孔口的總面積=孔口過流面積的總和；
[0016]歧管的長度=歧管的長度；
[0017]分配管的長度=改進分配管的長度。
[0018]當起出口收集器作用時，改進分配管的設計就提供與全長度分配管設計類似的冷卻劑分配，但是通過減少出口歧管壓降，提高了蒸發(fā)器性能高達15%。當熱泵熱交換器以其中改進分配管起進口分配器作用的冷凝器模式運行時，改進分配管具有(如果存在)最小不利影響。
[0019]在下文所述的附圖中描述了優(yōu)選實施例；然而，不脫離本實用新型的精神和范圍，能夠?qū)ζ渥龀龈鞣N其它變型和可替代設計與構造。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]將參考附圖進一步描述本實用新型，其中:
[0021]圖1示出具有本實用新型的分配管的熱泵熱交換器實施例的橫截面圖。
[0022]圖2示出本實用新型的分配管的實施例。
[0023]圖3示出沿線3-3截取的圖2的分配管的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0024]圖1示出本實用新型的示例熱泵熱交換器100，該熱泵熱交換器取決于熱泵系統(tǒng)是否處于制冷或者加熱模式，起蒸發(fā)器和冷凝器的作用。在現(xiàn)有技術中，熱泵熱交換器也被稱為熱泵盤管。熱交換器組合100包括第一歧管102、第二歧管104和液壓地連接歧管102、104的多根冷卻劑管106。冷卻劑管106包括相對的敞開端107，這些敞開端被插入沿歧管102、104布置的相應管狹槽109中，以使冷卻劑在歧管102、104之間流動。在鄰近的冷卻劑管106之間布置多個散熱片108，以促進冷卻劑管106內(nèi)流動的冷卻劑與流經(jīng)冷卻劑管106和散熱片108的外界空氣流之間的熱交換。歧管102、104、冷卻劑管106和散熱片108都由可進行銅焊的導熱材料形成，優(yōu)選鋁合金。組裝這些組件，然后將其銅焊成整體熱泵熱交換器 100。
[0025]如圖所示，第一歧管102相對于重力方向處于第二歧管104之上；因此，第一歧管102也被稱為上歧管102，并且第二歧管104被稱為下歧管104。在蒸發(fā)器模式中，二相冷卻劑從下歧管104流動至上歧管102，隨著冷卻劑膨脹為低壓蒸汽冷卻劑，就從外界空氣流吸收熱。在冷凝器模式中，高壓蒸汽冷卻劑從上歧管102流動至下歧管104，同時隨著蒸汽冷卻劑冷凝成高壓液體冷卻劑，就向外界空氣流散熱。換句話說，當熱泵熱交換器100處于蒸發(fā)器模式時，上歧管102為出口歧管102，并且當熱泵熱交換器100處于冷凝器模式時，上歧管102就為進口歧管。
[0026]由于制熱和制冷負荷需求更高，所以家用和商業(yè)熱交換器需要通常為傳統(tǒng)自動歧管長度3-8倍長的歧管102、104。這顯著地增加了歧管102、104的長度。已知在歧管102、104中的任一或者兩者中使用分配管，以便改進穿過冷卻劑管106的冷卻劑分配。傳統(tǒng)的分配管通常包括圓柱狀空心管，該空心管具有沿其長度間隔的多個孔口，并且基本延伸歧管102、104的全部長度。進口歧管中使用的分配管被稱為進口分配器，并且出口歧管中使用的分配管被稱為出口收集器。
[0027]進口分配器被配置成沿進口歧管的長度均勻地傳送部分膨脹的二相冷卻劑。在實踐中，進口分配器的容量由該進口分配器的橫截面面積產(chǎn)生的壓降限制。理論上，進口分配器產(chǎn)生的總壓降不影響蒸發(fā)器的性能，但是在實踐中，沿進口歧管的壓降通過限制沿該進口歧管向下流動的冷卻劑流量限制性能。同樣地，出口收集器被配置成沿該出口歧管的長度均勻地收集膨脹的氣態(tài)冷卻劑。因為在這個點上，膨脹的冷卻劑主要為蒸汽，所以由于體積增大，速度和所產(chǎn)生的壓降會高得多。增大的出口壓降通過限制冷卻劑流量降低性能，由此引起穿過冷卻劑管的冷卻劑流量分配不當，并且提高了熱交換器進口壓力和溫度。
[0028]傳統(tǒng)的熱泵熱交換器包括全長度分配管，其約與歧管的長度相同，分配管具有獨特孔，也稱為孔口。如上所述，當處于蒸發(fā)器模式時，上歧管就起出口歧管的作用，并且相關的分配管就起出口收集器的作用。意外地發(fā)現(xiàn)，布置在上歧管中的傳統(tǒng)全長度分配管可被替換為改進分配管200，該分配管延伸長度僅為上歧管的一部分長度，約為1/3-1/4。當起出口收集器的作用時，該改進分配管設計提供與全長度分配管設計類似的冷卻劑分配，但是通過降低出口歧管的壓降，提高蒸發(fā)器的性能高達15%。也意外地發(fā)現(xiàn)，當熱泵熱交換器100以其中改進分配管200起進口分配器的作用的冷凝器模式運行時，改進分配管200具有(如果存在)最小不利影響。
[0029]圖2示出用于熱泵熱交換器100的改進分配管200的實施例的仰視圖，當熱交換器以蒸發(fā)器模式運行時，分配管200就起出口收集器的作用，并且當熱交換器以冷凝器模式運行時，分配管200就起進口分配器的作用。分配管200包括進口端214、相對于進口端214的封閉遠端216和兩者之間的多個孔口 206。多個孔口 206可沿分配管200的長度以直線陣列布置，并且朝著冷卻劑管106定向。分配管也包括直接鄰近封閉遠端216的端孔220。端孔220也可由非封閉遠端216限定，在非封閉遠端216中，端孔220垂直于重力方向定向。示出分配管200的長度沿軸線B延伸，軸線B大體與歧管軸線A平行。分配管200的長度可小于出口歧管長度的3/4。
[0030]端孔220的過流面積的尺寸足夠大，以在蒸發(fā)模式中，以可接受的最小壓降提供貫穿歧管的均勻冷卻劑收集；但是又足夠小，以在冷凝器模式中，防止蒸汽溢流至鄰近分配管200遠端216的歧管區(qū)域。
[0031]優(yōu)選地，端孔220的過流面積與其它孔口 206的總過流面積的比等于歧管長度減去分配管長度與分配管長度的比率，以下列等式表示:
[0032][端孔的面積/孔口的總面積]=
[0033][[歧管的長度-分配管的長度]/[分配管的長度]]
[0034]其中:
[0035]端孔的面積=端孔220的過流面積；
[0036]孔口的總面積=孔口 206過流面積的總和；
[0037]歧管的長度=歧管102的長度；
[0038]分配管的長度=改進分配管200的長度。
[0039]圖3示出分配管200的橫截面，其中分配管200的底部222向內(nèi)彎曲，以限定月牙形橫截面。改進分配管200提供了一種在熱交換器中提高冷卻劑分配、傳熱性能和出口空氣溫度分配的裝置，在熱泵應用中，該熱交換器被用作蒸發(fā)器和冷凝器兩者。這種改進提供了這樣一種分配管200設計，其在蒸發(fā)器和冷凝器兩種模式中，都均勻地分配冷卻劑，通過降低冷卻劑壓降改進蒸發(fā)器模式性能，并且降低了材料成本。
[0040]雖然已經(jīng)根據(jù)其優(yōu)選實施例描述了本實用新型，但是無意如此限制本實用新型，而是僅限于以下權利要求中提出的范圍。
【權利要求】
1.一種熱泵熱交換器(100)，包括: 第一歧管(102)； 第二歧管(104)，所述第二歧管(104)與所述第一歧管(102)隔開； 多根冷卻劑管(106)，所述多根冷卻劑管(106)將所述第一歧管(102)液壓地連接至所述第二歧管(104);以及 分配管(200)，所述分配管(200)被配置在所述第一歧管(102)中，其中所述分配管(200)包括進口端(214)、相對于所述進口端(214)的遠端(216)、所述進口端(214)和所述遠端(216)之間的多個孔口(206)和直接鄰近所述遠端(216)的端孔(220)； 其中所述分配管(200)的長度小于所述第一歧管(102)的長度； 其中所述多個孔口(206)的每個都包括孔口過流面積，和 其中所述端孔(220)的過流面積比所述孔口過流面積的任何一個都大。
2.根據(jù)權利要求1所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述端孔(220)在所述多個孔口 (206)和所述遠端(216)之間。
3.根據(jù)權利要求1所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述端孔過流面積足夠大，以在蒸發(fā)模式中，以可接受最小壓降提供均勻的冷卻劑收集，但是所述端孔過流面積又足夠小，以防止冷凝器模式中蒸汽溢流至所述歧管(102)鄰近所述遠端(216)的區(qū)域。
4.根據(jù)權利要求1所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述端孔(220)由所述遠端(216)限定。
5.根據(jù)權利要求1所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，具有:所述端孔的過流面積與所述孔口過流面積總和的比率等于所述歧管(102)長度減去分配管(200)長度與分配管(200)長度的比率，以下列等式表示: [端孔的面積/孔口的總面積]= [[歧管的長度-分配管的長度]/[分配管的長度]] 其中: 端孔的面積=端孔的過流面積； 孔口的總面積=孔口過流面積的總和； 歧管的長度=歧管(102)的長度； 分配管的長度=分配管(200)的長度。
6.根據(jù)權利要求1所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述端孔(220)的端孔過流面積大于所述孔口過流面積的總和。
7.根據(jù)權利要求1所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述分配管(200)的長度小于所述第一歧管(102)長度的3/4。
8.根據(jù)權利要求5所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，關于重力方向，所述第一歧管(102)為上歧管(102),而所述第二歧管(104)為下歧管(104)。
9.根據(jù)權利要求8所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述多個所述孔口(206)沿所述多根冷卻劑管(106)的方向定向。
10.根據(jù)權利要求9所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述端孔(220)沿所述多根冷卻劑管(106)的方向定向。
11.一種熱泵熱交換器(100)包括:第一歧管(102)； 第二歧管(104)，所述第二歧管(104)與所述第一歧管(102)隔開； 多根冷卻劑管(106)，所述多根冷卻劑管(106)將所述第一歧管(102)液壓地連接至所述第二歧管(104);以及 分配管(200)，所述分配管(200)被配置在所述第一歧管(102)中，其中所述分配管(200)包括進口端(214)、相對于所述進口端(214)的遠端(216)、所述進口端(214)和所述遠端(216)之間的至少一個孔口(206)和直接鄰近所述遠端(216)的端孔(220)； 其中所述分配管(200)的長度小于所述第一歧管(102)的長度； 其中所述至少一個孔口(206)的每個都包括孔口過流面積，以及 其中所述端孔(220)包括端孔過流面積；以及 其中所述端孔過流面積與所述孔口過流面積總和的比率等于所述歧管(102)長度減去分配管(200)長度與分配管(200)長度的比率，以下列等式表示: [端孔的面積/孔口的總面積]= [[歧管的長度-分配管的長度]/[分配管的長度]] 其中: 端孔的面積=端孔的過流面積； 孔口的總面積=孔口過流面積的總和； 歧管的長度=歧管(102)的長度； 分配管的長度=分配管(200)的長度。
12.根據(jù)權利要求11所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述分配管(200)的長度小于所述第一歧管(102)長度的3/4。
13.根據(jù)權利要求11所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，關于重力方向，所述第一歧管(102)為上歧管(102),而所述第二歧管(104)為下歧管(104)。
14.根據(jù)權利要求13所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述多個所述孔口(206)沿所述多根冷卻劑管(106)的方向定向。
15.根據(jù)權利要求14所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述端孔(220)沿所述多根冷卻劑管(106)的方向定向。
16.一種熱泵熱交換器(100)包括: 第一歧管(102)； 第二歧管(104)，所述第二歧管(104)與所述第一歧管(102)隔開； 多根冷卻劑管(106)，所述多根冷卻劑管(106)將所述第一歧管(102)液壓地連接至所述第二歧管(104);以及 分配管(200)，所述分配管(200)被配置在所述第一歧管(102)中，其中所述分配管(200)包括進口端(214)、相對于所述進口端(214)的遠端(216)以及所述進口端(214)和所述遠端(216) 之間的至少一個孔口(206)； 其中所述分配管(200)的長度小于所述第一歧管(102)的長度；以及 其中所述遠端(216)限定端孔(220)。
17.根據(jù)權利要求16所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述分配管(200)的長度小于所述第一歧管(102)長度的3/4。
18.根據(jù)權利要求16所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，關于重力方向，所述第一歧管(102)為上歧管(102),而所述第二歧管(104)為下歧管(104)。
19.根據(jù)權利要求16所述的熱泵熱交換器(100)，其特征在于，所述端孔(220)垂直于重力方 向定向。
【文檔編號】F25B39/00GK203785329SQ201320725629
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權日:2012年11月16日
【發(fā)明者】夏燕萍, R·S·約翰遜 申請人:德爾福技術有限公司