用于间接注入低温运输的紧凑型交换器的制作方法

本发明涉及热敏产品如药物产品和食品的运输和分配的领域。在这一领域，用于维持产品温度所需的制冷主要由两种不同的技术提供：

-闭环机械蒸气压缩制冷单元；或

-采用直接或间接注入低温流体并且特别是液氮的开环低温单元。

本发明更具体地涉及间接注入低温溶液。在这种种类的溶液中，低温流体从冷藏卡车车载低温储存器(通常在卡车下方)供给到位于卡车的一个或多个冷室内的一个或多个热交换器，并设有空气循环装置。这些交换器使能够冷却到存储产品的室内的空气的所需温度。

从空气中提取的热量首先使能够完全蒸发在交换器中循环的低温流体并且然后将其温度升高到接近外壳温度的温度。离开交换器的低温流体然后在已经放出最大的冷却能量之后被排出到外部。

与机械制冷单元相比，间接注入低温单元在噪声、制冷品质、安全性和碳足迹减少、以及减少的细颗粒的排放方面具有优点，这些现在是众所周知的且无可争辩的优点。然而，仍然存在困难，即在载荷空间中采用的交换器技术的选择：其设计及其安装在获得提供良好性能并解决该工业领域的规范的技术方案中是至关重要的。

因此，本发明目的是提出一种旨在用于冷藏运输应用的创新的冷冻剂/空气((氮气、氧气、氩气、氪气、...或其混合物)/空气)交换器设计，与本领域技术人员熟知的现有的机械制冷交换器相比，该交换器设计使能够显著提高紧凑性和易于组装，同时保持显著的性能水平。

记住在本技术领域的现有水平下，在间接注入低温单元中使用的交换器基本上是以下类型：

1-螺旋交换器：交换器由经由分配器和收集器互连(在上游端和在下游端)的多个螺旋形螺旋体组成。只有主表面构成从空气中提取热量所需的交换表面。这体现在大的整体尺寸上。在-20℃下产生10kw制冷所需要的这种种类的交换器的体积通常为约10m²/m³。这迫使交换器的竖直安装，特别是在前室中，在成本、可用空间、重量、组装时间以及难以转换为用机械制冷单元操作的低温溶液卡车方面存在限制。

2-标准管和翅片束交换器：这种技术无疑提供了更大的紧凑性，但是可商购的标准交换器已经被专门设计为用机械单元(r-404a、r410a、r22、r744、…)的制冷剂流体进行操作。这些固有地作为蒸发器运行的交换器通常进料有强两相混合物(含有按重量计20％至40％的蒸气)。在出口处，流体处于过热蒸气状态，但仅几度，之后其被压缩机吸入以继续其制冷循环。这种种类的交换器的设计考虑了这些操作条件。

附图1示出了管和翅片束的一个实例(采用与所谓的“单独翅片”或“翅片管”相反的所谓的连续翅片)。清楚地看到，该束包括单个管道(其中低温流体可以在流体进入交换器的入口与流体离开交换器的出口之间循环)以及平面且平行翅片的系统，管路在交换器内穿过该系统，空气能够在由管道与平行翅片之间的空间限定的通道中在交换器内循环。这里图1示出了交叉流交换器，其中空气在垂直于该图的平面的方向上循环。

这些标准交换器/蒸发器不适合使用低温液体如液氮作为制冷剂流体。它们仅仅不适于提供所需的性能水平，即在给定温度下的制冷功率。

3-热管交换器：它们的工作原理例如在文献wo2013/006217中描述。对于使用这种技术将用机械制冷单元运行的卡车转换为间接注入类型低温溶液仍然存在非常严重的疑问。

因此，本发明提出了一种基于采用管和翅片束技术的基本结构的创新的冷冻剂/空气交换器设计，其考虑到上述评论和保留意见，并且必须进行大的修改以满足该技术领域的规范。

如以下将更详细地显露，本申请人承诺解决以下问题以改进现有的管和翅片束：

-根据将低温储存器连接到交换器的管道系统的保温品质，交换器进料有略微(通常为1％至10％的最大值)双相液体。因此，必须仔细解决流体在交换器(回路)中的分布，特别是考虑到几个百分比的呈蒸气形式的冷冻剂的质量流率的存在导致非常大的体积流率。通过说明，5％的蒸气重量百分比相当于90％的真空。

-也必须关于交换器的“聚缩(pinching)”非常仔细地解决交换器中的冷冻剂回路的这种设计。事实上，为了更好地利用冷冻剂的内部能量和优化交换器的效率，交换器的聚缩必须具有仅几度。

记住，交换器的“聚缩”的概念用以下方式表示：

聚缩＝t内-t流体出口；

其中t内＝室内的温度，并且

t流体出口＝离开交换器的冷蒸气的温度

换句话说，在用冷冻剂进料的交换器的情况下所利用的内部能量以潜热的形式为大约50％并且以显热的形式为50％。这种特定的特征(其不存在于机械制冷交换器/蒸发器中)强加了对交换器内部的冷冻剂回路的最佳选择，以便在交换器中具有足够的冷冻剂停留时间。事实上，交换器中的冷冻剂水头损失必须进行优化(通过提供适当的回路)：过低的水头损失反映在冷冻剂的短停留时间(快速行进)，这使得交换器处于非常低的温度(高聚缩效应)，并且因此导致降低的效率，与高消耗同义，而过高的水头损失延长了交换器中的停留时间，从而降低了生产量并降低了制冷功率。

-在交换器的交换表面上形成冰的问题也是一个必须解决的至关重要的问题：产品的受控温度运输是制冷链中的一个环节，因为这些产品必须被递送到它们的目的地以储存在冷室、冰柜、冰箱等中。递送它们不可避免地需要将货车的门打开来装载或卸载产品，有时每天多次。当门打开时，在冷藏外壳的体积与外部气氛之间存在热量和质量的传递。这反映在卡车的温度升高，并且尤其是通过在冷表面上、特别是交换器的冷表面上沉积冰。打开后，冰层变厚会对空气的冷却产生热阻，并减少交换器中(翅片之间)的空气流动部分，并且结果是可用的最大制冷功率急剧下降。

-还必须解决交换器的紧凑性问题，因为实际上，运载它们的卡车和半挂车的尺寸在世界各地都是标准化的并且取决于它们运输的托盘的数量。因此，在卡车的载荷空间内的交换器的位置的选择是有限的，并且操作者更喜欢将其定位在顶部，以便不影响卡车的有效载荷。这意味着与机械制冷交换器/蒸发器的整体尺寸相比，交换器的设计是紧凑的。

因此，本发明涉及一种交换器，该交换器具有管和翅片束并且包括：

-管道，低温流体可以在进入该交换器中的流体入口与来自该交换器的流体出口之间流动通过该管道；

-平坦、连续且平行的翅片的系统，所述管道在该交换器内部穿过该系统，空气有可能通过穿过由在所述管道与这些平行翅片之间的空间限定的通道而在交换器内循环；

其特征在于，该交换器包括至少两个用于在该交换器内循环该低温流体的独立管道。

本发明此外可以采用下列技术特征中的一个或多个：

-根据本发明的一个有利的实施例，利用了冰的形成基本上发生在交换器的上部部分(从而释放交换器的其余部分)：因此，将空间中的交换器视为具有上部部分、下部部分和侧面的“载荷空间”，利用以下：冷冻剂进入交换器的上部部分并且在朝向交换器的下部部分下降之前行进交换器的上部部分的一定数量的长度。

如对于本领域技术人员将清楚明显的是，在该配置中，上部部分接收处于液体或液体/蒸气状态的冷冻剂，即在最低温度下，并且因此表示更可能积聚冰的区域，这使得可能限制在交换器的其余部分(即专用于显热的部分)中的冰积聚的热和气动力学后果。通过说明，根据本发明，约50％的交换表面位于(载荷空间的)交换器的上半部分。

此外，还可以指出，该设计还具有与交换器除冰所需的时间相关联的另一个优点，因为实际上考虑到使用电阻除冰的实例，例如将三分之二的电加热元件放置在交换器的上部部分中，这使得有可能更快速地使该部分除冰，并且以这种方式转换成液态水的冰将随后通过重力流动到交换器的下部部分中并参与使其除冰。因此，该设计有利于更快地除冰并且参与将冷凝物(已成为液体的冰)排到外部。

-根据本发明的另一个有利的实施例，在交换器的上部部分中，空间中的空气的循环方向是就冷冻剂的循环方向而言的同向流动方向，而在交换器的下部部分中，空气以反向流动方向循环(专用于显热的下部部分在反向流动模式下是最有热效率的)。通过说明，根据本发明，在(载荷空间的)交换器的上半部分中，空气在就该上半部分中的冷冻剂的流动方向而言在同向流动方向上在翅片之间循环，并且在交换器的下半部分中，空气在就该下半部分中的冷冻剂的循环方向而言在反向流动方向上在翅片之间循环。

-根据本发明的一个有利的实施例，翅片的间距在从6至10mm的范围内。

-根据本发明的另一个有利的实施例，使用连续平面管和翅片束设计，其中翅片间距(两个连续翅片之间的距离)在空气的循环方向上变化(如下文结合图4描述的)。因此，在风扇之后操作的第一部分的束的整个长度上存在有利的大的翅片间距，表示例如第二部分中(空气出口侧)的间距的两倍到三倍。这种种类的配置通过例如以下获得：在电池的深度方向上结合在整个深度(完整翅片)上连续的平面翅片，与在半深度(半翅片)上连续的平面翅片交替。因此，通过连续地使用完整翅片接着是半翅片，在空气入口侧获得双间距束并在空气出口侧获得单间距束。通过连续地使用完整翅片接着是两个半翅片，在空气入口侧获得三间距束并且在空气出口侧获得单间距束。

本申请人进行的实验已经表明，这种种类的设计显著地增加了交换器对冰积聚的抵抗力。在温度和相对湿度的极端条件下，这种低温交换器设计在其返回到除冰循环之前在至少一个额外的门打开期间保持其性能。在正常的季节性运行条件下，发生多次额外的门打开，而没有交换器的性能下降，从而显著节省了除冰能量并增加了冷系统的安全性。

本发明的其他特征和优点将在通过非限制性说明和参照附图给出的以下描述中变得更加清楚明显，其中：

-图1是现有技术的管和翅片束的一部分的图解侧视图。

-图2是根据本发明的束的一部分的图解前视图，在底部入口的情况下使用两个独立的管道用于在交换器内循环低温流体(如从前面看到，即在这里看到管道进入和离开交换器的面)。

-图3是根据本发明的另一个束的一部分的示意图，示出了如以上所述的本发明的实施例是优选的，因为它使用顶部入口。

-图4是根据本发明的管和翅片束的一部分的图解视图，示出了其中翅片间距(两个连续翅片之间的距离)在空气的循环方向上变化的实施例。

如上所述，图1是现有技术的管和翅片束的一部分的图解侧视图，该管和翅片束包括平面、连续且平行的翅片的系统(3)，单个管道(4)在交换器内部穿过该系统(冷冻剂入口在1处，冷冻剂出口在2处)，空气通过由在管道与平行翅片之间的空间限定的通道在交换器内循环，并且在这种情况下，空气在这里在垂直于该图的平面的方向上循环(导致所谓的“交叉流”交换器)。

另一方面，图2示出了根据本发明的使用底部入口配置的交换器结构：

-参考号10和11分别表示冷冻剂进入交换器的入口和冷冻剂离开交换器的出口。

-交换器的特征在于两个独立的管道10a和10b的存在，形成交换器内的冷冻剂回路。

-参考号12就其本身而言表示交换器中的空气的行进方向。

-如上所述，图2因此示出了交换器的前面，即管道进入和离开交换器的面。换句话说，在这个视图中，管道朝向图的底部行进，朝向该前面返回，回到底部，诸如此类，这取决于在通过进料器11在该前面上离开之前通过交换器内的回路实现的往返次数。

根据标准的表示规则，实线表示连接两个管或管道部分(在外出部分与重新进入交换器的部分之间)的可见(外部)弯曲，并且虚线表示连接两个管并且位于束的另一侧(通过后面离开并重新进入)的弯曲。

-如所述，图2示出了本发明的一个优选实施例，其中进入和离开交换器的冷冻剂入口-出口被配置成以便能够利用以下：冷冻剂进入交换器的底部部分中并在朝向交换器的顶部上升之前在交换器(b)的下半部分中行进这两个管道的一个或多个长度。

就其本身而言，图3示出了如上所述因为使用顶部入口而优选的本发明的一个实施例，使得冷冻剂进入交换器的顶部部分并且在朝向交换器的底部下降之前在交换器的上半部分(h)中行进这两个管道的一个或多个长度。如所述，这有利于以下：在该配置中，上部部分接收处于液体或液体/蒸气状态的冷冻剂并且因此是最冷部分，并且因此表示更可能积聚冰的区域，这使得可能限制在交换器的其余部分，即在专用于显热的底部部分(b)中的冰积聚的后果。在这种情况下，这里约50％的交换表面位于交换器的上半部分中。

图3还示出了本发明的另一个优选实施例，其中在交换器的上半部分中，空气以相对于冷冻剂在该上半部分中的循环方向的同向流动配置在翅片之间循环，并且在交换器的下半部分(b)中空气以相对于冷冻剂在该下半部分中的循环方向的反向流动配置中在翅片之间循环(在顶部部分中，空气入口和冷冻剂入口处于同向流动配置，而在底部部分中，空气入口和冷冻剂出口处于反向流动配置)。

本申请人进行的实验使得已经可以证明，根据图3的这种种类的交换器的设计已经显著地使得有可能获得与在耐结冰方面同样多的制冷功率的改进的性能：

-保持标称功率，高于未优化的交换器(例如来自图1中的)：如来自图1的交换器无疑能够提供足够的交换表面，但具体来说，它的回路和翅片间距不适用于低温应用。

-每平方米形成的冰的量是非优化交换器(如来自图1的)中形成的一半。

-与仅使用初级交换表面的螺旋式交换器相比，交换器的紧密度已经增加了10倍。

-因此评估图1与图2之间的比较水头损失：100-200毫巴对比500至1000毫巴。

-因此评估图1与图2之间的比较制冷功率：4kw对比10kw。

如从阅读前面的描述清楚的是，通过对标准束进行的修改，并且特别是通过所采用的回路，本发明的目的是增加冷冻剂在交换器中的停留时间以优化热量与空气的交换。

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