专利名称：具有进口分配器和出口收集器的改进的热交换器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有从进口集管延伸至出口集管的多个制冷剂管且采用两相制冷剂的热交换器；更特别地，涉及一种具有位于进口集管内的进口分配器以及位于出口集管内的出口收集器的热交换器，进口分配器和出口收集器用于均勻分布通过热交换器的核心的制冷剂。实用新型的背景由于汽车用热交换器的高换热率，耐久力，并且相对容易制造，因此住宅和商用空调以及热泵系统中使用改进的汽车用热交换器是已知的。汽车用热交换器典型地包括进口集管，出口集管，以及多个用于在进口和出口集管之间提供水力连通的挤压成型的多孔制冷剂管。热交换器的芯部由多个制冷剂管以及位于制冷剂管之间用于改进换热效率并且提高结构强度的波纹状翅片限定。对于热泵装置，在冷却模式下，室内热交换器作为蒸发器工作。在加热模式下，室外热交换器作为蒸发器工作。在蒸发模式运行的过程中，部分膨胀的两相制冷剂从进口集管进入制冷剂管较低的部分，当其在管内上升时膨胀吸收空气的热量并且转化成气相。由液相和气相之间巨大的质量差产生的动量和重力效应能够导致进口集管内相态的分离并且导致贯穿制冷剂管的差的制冷剂分布。差的制冷剂分布降低蒸发器性能并且能导致整个芯部的温度分布不均勻。居住和商用的汽车用热交换器尺寸的增大显著地增加了进口和出口集管的长度， 这会导致增加穿过热交换器的芯部的制冷剂的分布不均。已知的改进的汽车用热交换器使用分配器或者收集器，而不是将两者组合使用。进口分配器和出口收集器的几何结构受到各种因素的限定。这些因素包括，但不局限于，横截面积，小孔尺寸，小孔形状，小孔间隔，小孔倾斜的方向，等等。对于每组给定的操作参数都必须调整这些各种因素以获得期望的均勻的制冷剂分配。换言之，每组不同的操作参数将需要大量的设计以及计算来达到分配管或者收集管所期望的几何结构，这种几何结构可以提供穿过热交换器核心的均勻的制冷剂分配。因此，对于这种热交换器仍然存在一个长期迫切的需求，即提供穿过热交换器芯部的改进的均勻的制冷剂分配。对这种热交换器还有一个长期迫切的需求，即可以在更宽的操作参数的范围内使用而不需要调整上面提到的几何结构因素。
实用新型内容具有通过多个多通道扁平制冷剂管与出口集管水力连通的进口集管的热交换器组件，其中多通道扁平制冷剂管与集管基本垂直。波纹状翅片相互连接制冷剂管。多个制冷剂管与翅片一起限定出热交换器组件的芯部。热交换器组件同时还包括设置在进口集管空腔中的分配管以及设置在出口集管空腔中的收集管，两者具有共同合作的特征以提供穿过芯部的均勻的制冷剂和温度分布。具体地说，根据本实用新型的一个方面，一种热交换器组件包括进口集管，其限定出沿着轴线A1延伸的进口集管空腔；出口集管，其限定出沿着与轴线A1间隔分布且基本平行于轴线A1的轴线A2延伸的出口集管空腔；所述进口集管包括多个集管槽并且所述出口集管包括多个与进口集管的集管槽相对应的集管槽；多个多通道扁平制冷剂管限定流体通道并且穿过所述集管槽延伸，由此提供用于制冷剂流的所述集管之间的水力连通，其中多个多通道扁平制冷剂管基本垂直于所述轴线A1和轴线A2 ；设置在进口集管空腔中的分配管；以及设置在出口集管空腔中的收集管。上述收集管包括限定出多个小孔的向内弯曲的表面，其中向内弯曲的表面定向为朝向多个直的多通道扁平制冷剂管。上述出口集管包括限定出第一形状的内表面；以及收集管包括与向内弯曲的表面相对的外表面，其中收集管的外表面与出口集管的内表面互补，以使得收集管的外表面紧靠出口集管的内表面，由此形成防止制冷剂蒸汽泄漏的装配。较佳地，收集管的多个小孔基本沿着所述收集管均勻地间隔。根据本实用新型的另一个方面，热交换器组件包括上游空气侧和下游空气侧，分配管包括多个小孔，其中这些小孔定向成相对0°方向以45°到135°之间的夹角朝向上游空气侧和/或以225°到315°的夹角朝向下游空气侧，其中0°方向定义为与重力的相反方向成一条直线的方向。较佳地，分配管的小孔定向成相对0°方向以90°角朝向热交换器组件的上游空气侧或分配管的小孔相对0°方向朝向热交换器组件的下游空气侧的夹角为270°，其中0°方向为与重力相反的方向成一条直线的方向。分配管具有1/4英寸到 3/8英寸的外径并且每个小孔的直径可以为0. 7mm到1. 5mm，沿着分配管基本线性布置并且相互之间的间隔为20mm到90mm。对于长度达到57英寸的出口集管，收集管包括多个小孔，每个小孔具有1/8英寸到1/4英寸的直径，并且沿着收集管基本线性布置并且相互之间的间隔大约27mm。对于长度在57英寸到96英寸之间的出口集管，收集管包括多个小孔，每个小孔的直径大约1/8英寸，沿着收集管基本线性布置并且相互之间的间隔大约60mm。同时具有分配管和收集管并且分配管和收集管具有共同合作的特征的改进的汽车用类型热交换器组件具有这样的优点，其较少受用于实现制冷剂均勻分配的标准的影响。设计用于一种特定的装置的分配管和收集管可以用于其它具有不同操作参数的装置而不需要重新设计或优化分配管和收集管。附图的简要说明本实用新型参照附图作进一步的说明，其中
图1示出现有技术的具有进口分配器的热交换器组件的剖面图。图2示出同时具有进口分配器和出口收集器的改进的热交换器组件的一个实施例的剖面图。图3示出图2所示的热交换器组件沿着线3-3的剖面立体图。图4示出图2所示的热交换器组件沿着线4-4的剖面立体图。[0024]图如示出
图1所示的现有技术的热交换器组件在蒸发模式下运行时的热像图，其中出口连接器与进口连接器位于热交换器组件的相同一侧。图恥示出
图1所示的现有技术的热交换器组件在蒸发模式下运行时的热像图， 其中出口连接器与进口连接器位于热交换器组件的相对一侧。图5c示出
图1所示的现有技术的热交换器组件在蒸发模式下运行时的热像图，其中出口集管在任一端都包括有出口连接器。图6示出图2所示的改进的热交换器组件在蒸发模式下运行时其核心的热像图。
具体实施方式
本实用新型将参照附图作进一步的说明，其中所有视图中相同的部分用相同的数
字表不。
图1所示的为现有技术的改进的汽车类型热交换器组件10，其在住宅或商用环境中固定使用。热交换器组件10包括入口集管12，其通过多个挤压成型的多孔制冷剂管16 与出口集管14水力连通。波纹状翅片18相互连接制冷剂管16，用于增强热传导并且提高热交换器组件10的结构的完整性。多个制冷剂管16与翅片18 —起构成热交换器组件10 的芯部30。分配管20位于入口集管12中用于帮助提高入口集管12中制冷剂分配的均勻性，同时通过多个制冷剂管16中的制冷剂的均勻分配来提高传热效率。分配管20大致与入口集管12的长度平行延伸并且包括分配入口 13和多个基本均勻间隔分布的在制冷剂管 16的方向上定向的分配孔22。在出口集管14的一端上设置有用于蒸发后的制冷剂返回空调系统的出口流体连接器15。在蒸发模式中，部分膨胀的两相制冷剂流入分配入口 13，流动通过分配管20，并且通过大致均勻间隔分布的分配孔22穿过入口集管12均衡分布。在制冷剂从入口集管12 流动通过多个制冷剂管16到达出口集管14的过程中，制冷剂从环境空气中吸收热量由此经历液体到气体的相变过程。图如-c为
图1中所示的现有技术的改进的具有长度大于36英寸的出口集管14的汽车类型热交换器组件的热像图。热交换器组件10在蒸发模式中运转，出口连接器15位于出口集管14的多个可选择的位置上，同时进口连接器13固定在相同的位置上。此时令人惊讶地发现，两相制冷剂通过多个管的分配很大程度上受到出口集管14中的压降、出口流体连接器15的位置以及热交换器组件10的总体尺寸的影响。其显著性在热像图中清晰地示出。每个热像图的左侧对应于热交换器组件10的左侧，并且相应地，每个热像图的右侧对应于热交换器组件10的右侧。热像图示出了热交换器组件10的芯部30的温度梯度分布。蓝色区域代表在制冷剂管中具有两相制冷剂的芯部30的区域，同时黄色区域代表在制冷剂管中具有单相过热制冷剂蒸汽的芯部30的区域。可以看到，蓝色区域表示两相制冷剂从底部入口集管12到顶部出口集管14的流通路径并且黄色区域表示制冷剂从较少甚至于无的流通路径。制冷剂进口流体连接器13固定在图fe-c中每一幅的下方左侧。图如所示为热交换器组件10的一幅热像图，热交换器组件10具有的出口流体连接器15位于出口集管14 的左侧，与热像图的上方左侧相对应。图恥所示为热交换器组件10的一幅热像图，热交换器组件10具有的出口流体连接器15位于出口集管14的右侧，与热像图的上方右侧相对应。图5c所示为热交换器组件10的一幅热像图，热交换器组件10具有的出口流体连接器 15位于出口集管14的左右两侧，与热像图的上方左侧和上方右侧相对应。参照图如和恥，热交换器组件10具有长度大于36英寸的出口集管14，可以看出两相制冷剂(由蓝色区域表示)趋向于向最接近出口流体连接器15的制冷剂管16移动并且在芯部30的另一侧(由黄色区域表示)的制冷剂管16中缺乏制冷剂。在图fe中，出口流体连接器15位于上方左侧，两相制冷剂显示为在芯部30的左侧部分的附近集中，同时芯部30的右侧部分缺乏制冷剂。在图恥中，出口流体连接器15位于上方右侧，两相制冷剂显示为在芯部30的右侧部分的附近集中，同时芯部30的左侧部分缺乏制冷剂。图5c示出如果使用两个出口流体连接器15，其中一个在出口集管14的任一侧，两相制冷剂显示为在芯部30的左侧和右侧附近集中，同时芯部的中心部分缺乏制冷剂。换言之，对于较大的热交换器组件，不管分配器入口 13的位置如何，两相制冷剂流会沿着最接近出口连接器15的路径流动。同样还令人惊讶地发现在出口集管的长度小于36英寸的较小的热交换器组件中，由于存在制冷剂离开分配管20的动量引起明显的制冷剂分配的相对效应。对于具有较小长度集管和多个扁平制冷剂管的热交换器，两相制冷剂流会沿着离分配管20的入口 13 最远的路径流动。图2所示的为同时具有分配管120和收集管121的改进的热交换器组件110的一个实施例的剖面图，其中分配和收集管120，121具有协作的特征以提供通过多通道扁平制冷剂管116的制冷剂均勻分配。热交换器组件110包括限定出沿着轴线A1延伸的出口集管空腔115的出口集管 114和限定出沿着轴线A2延伸的进口集管空腔113的进口集管112。每个集管112，114包括限定出多个集管槽126，128的一侧。进口集管112的每个集管槽1 对应于出口集管 114中的集管槽128。多通道扁平制冷剂管116基本沿着垂直于轴线AnA2的方向插入到相应的集管槽126，128中。每个多通道扁平制冷剂管116限定出水力联通进口集管112和出口集管114的流体通道117。多个波纹状热交换翅片118设置在相邻的多通道扁平制冷剂管116之间并且将它们相互连接以提高导热效率。热交换翅片118可以是螺旋型翅片或者其他本领域中公知的热交换翅片。热交换器组件110的芯部130由多个多通道扁平制冷剂管116和位于它们之间的翅片118限定。图2中所示的热交换器组件110具有扁平或“平板”状芯部130，同时本领域普通技术人员可以认识到热交换器组件110可以改进成具有弯曲状或圆形的芯部。图3所示的为图2中的热交换器组件110沿着线3-3的剖视图。收集管121位于出口集管空腔115中并且基本平行于轴线A1，其用于收集以及运送流出出口集管114的气相制冷剂。制冷剂收集管121可以支撑在沿着出口集管的内表面间隔分布的突起1 上。 收集管121的横截面区域Aftftss可以是基本上圆形，半圆形，心形，或者是如图3所示非圆形的D形。如图2所示，收集管121穿过出口集管114的一端延伸过渡进入到出口连接器132 中。参照图2和3，收集管121包括多个在出口集管空腔115中流体连通的小孔124用于收集制冷剂蒸汽。小孔1 定位成朝向制冷剂管116的方向并且基本沿着收集管121的长度方向均勻间隔分布。出口连接器132具有渐缩的过渡部分134，其横截面从图3所示的具有向内弯曲的表面的非圆形D过渡变化到与出口集管114的内直径相一致的完整的圆形。向内弯曲的表面139帮助收集并且引导气态制冷剂流向出口收集器121的小孔124。 出口集管114可以包括限定出第一形状的内表面135，并且收集管114可以包括与向内弯曲的表面139相对的外表面136，其中收集管114的外表面136与出口集管114的内表面135 互补，以使得收集管114的外表面136紧靠出口集管114的内表面135由此形成制冷剂蒸汽密封安装。这些特征最小化了出口收集管和集管的制冷剂压降，从而改善了性能以及空气流出的温差。进口集管112包括用于均勻分配穿过进口集管112并且进入到制冷剂管116中的制冷剂的分配管120。图4所示的为图2中的热交换器组件沿着线4-4的剖视图。分配管 120在进口集管空腔113中基本平行于出口集管轴线A2延伸。分配管120可以包括基本上为圆形的横截面区域Ajg^。分配管120穿过进口集管112的一端延伸并且过渡进入到进口连接器113中。沿着分配管120基本均勻间隔分布有多个小孔122。具有圆形轮廓的小孔122可以沿着分配管120勻称地间隔分布以在与出口收集器121 —起使用时提供期望的制冷剂分布。图6示出改进的热交换器组件110的热像图以及进口分配管120与出口收集管 121同时工作时的相互作用的期望的效果。颜色的变化表示芯部温度的变化。浅蓝-紫色区域表示两相制冷剂流区域，同时浅黄色-橙色区域表示穿过制冷剂管116的单相过热蒸汽区域。热像图显示出，穿过芯部130的温度梯度基本上是均勻的，并且没有局部的热或冷的斑点，由此表明两相制冷剂穿过多个制冷剂管116均勻地分布。典型的改进的热交换器组件具有比车用集管长度长3-8倍的进口和出口集管长度。我们发现好的分配器和收集器设计强烈地取决于制冷剂质量流率和集管的长度。已经计算出，对于外直径为1/4英寸，5/16英寸以及3/8英寸的分配管，进口分配管的小孔的尺寸为0. 7mm-l. 5mm并且小孔之间的间隔为20mm-90mm。依据几何学发现，为各种制冷剂流率和集管长度提供最坚固的设计的是对于外直径为3/8英寸的分配管，小孔直径为1. 3mm同时固定间隔为60mm。小孔可以定向成与0°方向成45°到135°的夹角，其中0°方向定义为与重力的相反方向成一条直线的方向。如图4所示，小孔定向成与竖直多通道扁平制冷剂管朝向热交换器组件的上游空气侧的方向成45°到135°的夹角。同时或者可替换地，小孔可以定向成与竖直多通道扁平制冷剂管朝向热交换器组件的下游空气侧的方向成225°到315° 的夹角。优选地，小孔定位成与0°方向成90°和/或270°夹角，其中0°方向定义为与重力的相反方向成一条直线的方向。出口收集器已经被计算得出具有1/8英寸，3/16英寸，1/4英寸以及5/16英寸的小孔，这些小孔具有若干个固定的以及可变的间隔和分布。依据几何学对于各种制冷剂流率最坚固的设计很小一部分取决于集管的长度。每间隔27mm隔开的1/8英寸的小孔和1/4 英寸的小孔的组合对于长度达到57英寸的集管是可接受的，同时每间隔60mm隔开的1/8 英寸的小孔对于长度在57英寸到96英寸之间的出口集管是可接受的。热交换器组件110的一个附加的优点在于其设计结构可以用于更宽的集管长度范围以及制冷剂流率范围而不需要再重新计算分配管或收集管的最佳的小孔尺寸和位置。例如，对于一个给定的进口分配管直径的相同的小孔尺寸和间隔可以完整地应用于一组 1. 5吨到10. 0吨的室内热交换器以及室外热泵热交换器，其中集管长度的范围从18英寸到 96英寸以及它们相应的芯部管的内部制冷剂流率。本实用新型的一个优点在于可以提供均勻的制冷剂分配，其中制冷剂穿过进口集管，越过制冷剂管，以及出口集管，最终改善了热交换性能并且使出口空气温度分布变得均勻。另一个优点为热交换器组件对于应用和热交换器的尺寸的敏感性较小，由此可以有效地降低将热交换器适用于其他操作参数时的设计工作量。虽然本实用新型已经参照优选的实施例进行了描述，但是并不局限于此，而是限定在接着提出的权利要求的范围内。
权利要求1.一种热交换器组件，包括进口集管，其限定出沿着轴线A1延伸的进口集管空腔；出口集管，其限定出沿着与轴线A1间隔分布且基本平行于轴线A1的轴线A2延伸的出口集管空腔；所述进口集管包括多个集管槽并且所述出口集管包括多个与进口集管的集管槽相对应的集管槽；多个多通道扁平制冷剂管限定流体通道并且穿过所述集管槽延伸，由此提供所述用于制冷剂流的所述集管之间的水力连通，其中所述多个多通道扁平制冷剂管基本垂直于所述轴线A1和轴线A2 ；设置在所述进口集管空腔中的分配管；以及设置在所述出口集管空腔中的收集管。
2.权利要求1的热交换器组件，其特征在于，所述收集管包括限定出多个小孔的向内弯曲的表面，其中所述向内弯曲的表面定向为朝向所述多个直的多通道扁平制冷剂管。
3.权利要求2的热交换器组件，其特征在于，所述出口集管包括限定出第一形状的内表面；以及所述收集管包括与所述向内弯曲的表面相对的外表面，其中所述收集管的外表面与所述出口集管的所述内表面互补，以使得所述收集管的外表面紧靠所述出口集管的内表面， 由此形成防止制冷剂蒸汽泄漏的装配。
4.权利要求3的热交换器组件，其特征在于，所述收集管的多个小孔基本沿着所述收集管均勻地间隔。
5.权利要求4的热交换器组件，其特征在于，所述热交换器组件包括上游空气侧；并且所述分配管限定出多个小孔，其中所述小孔定向成相对0°方向在45°到135°之间朝向所述热交换器组件的所述上游空气侧，其中0°方向为与重力相反的方向成一条直线的方向。
6.权利要求5的热交换器组件，其特征在于，其中所述分配管的所述小孔定向成相对0°方向以90°角朝向所述热交换器组件的所述上游空气侧，其中0°方向为与重力相反的方向成一条直线的方向。
7.权利要求4的热交换器组件，其特征在于，所述热交换器组件包括下游空气侧；并且所述分配管限定出多个小孔，其中所述小孔定向成相对0°方向在225°到315°之间朝向所述热交换器组件的所述下游空气侧，其中0°方向为与重力相反的方向成一条直线的方向。
8.权利要求7的热交换器组件，其特征在于，所述分配管的所述小孔相对0°方向朝向所述热交换器组件的所述下游空气侧的夹角为270°，其中0°方向为与重力相反的方向成一条直线的方向。
9.权利要求2的热交换器组件，其特征在于，其中分配管的外径为1/4英寸到3/8英寸并且限定出直径从0. 7mm到1. 5mm的沿着所述分配管基本线性布置的多个小孔。
10.权利要求9的热交换器组件，其特征在于，其中所述多个小孔相互间隔20mm到 90mmo
11.权利要求10的热交换器，其特征在于， 其中所述出口集管的长度达到57英寸；以及其中所述收集管限定出直径从1/8英寸到1/4英寸、位于所述向内弯曲的表面上且沿着所述收集管基本线性布置的多个小孔。
12.权利要求11的热交换器组件，其特征在于，所述多个小孔相互间隔约27mm。
13.权利要求10的热交换器组件，其特征在于， 其中所述出口集管的长度为57英寸到96英寸；以及所述收集管限定直径为1/8英寸沿着所述分配管基本线性布置的多个小孔。
14.权利要求13的热交换器组件，其特征在于，所述多个小孔相互间隔60mm。
专利摘要本实用新型公开了一种热交换器组件，包括进口集管，其限定出沿着轴线A1延伸的进口集管空腔；出口集管，其限定出沿着与轴线A1间隔分布且基本平行于轴线A1的轴线A2延伸的出口集管空腔；所述进口集管包括多个集管槽并且所述出口集管包括多个与进口集管的集管槽相对应的集管槽；多个多通道扁平制冷剂管限定流体通道并且穿过所述集管槽延伸，由此提供用于制冷剂流的所述集管之间的水力连通，其中多个多通道扁平制冷剂管基本垂直于所述轴线A1和轴线A2；设置在进口集管空腔中的分配管；以及设置在出口集管空腔中的收集管。上述热交换器组件较少受用于实现制冷剂均匀分配的标准的影响。
文档编号F28F9/22GK202182671SQ20112017506
公开日2012年4月4日 申请日期2011年3月30日 优先权日2010年4月1日
发明者D·C·温特斯汀, D·E·萨木尔森, D·R·保特勒, R·S·约翰逊, 夏燕萍 申请人:德尔福技术有限公司