多路径平行管热交换器的制作方法

专利名称：多路径平行管热交换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及制冷系统用的热交换器，特别是涉及多路径平行管热交换器。
背景技术：
制冷系统通常采用各种类型的热交换器(例如板至板式、同轴式或壳管式)作为蒸发器或冷凝器。在许多应用中，壳管式热交换器被用作冷凝器。但是，壳管式热交换器存在一些缺陷和局限性。
在某些冷凝器应用中，如果不清洁进液，则可能会阻塞热交换器管材。与板至板式和同轴式热交换器不同的是，壳管式热交换器可以进行清洁，但往往操作比较困难，费时而且脏乱。一般而言，壳管式交换器的清洗需要移开壳管的头部及置于头部与壳体之间的垫圈。这不仅花费时间，而且往往需要专用的工具。此外，当完成清洗操作时，必须重新放入一个替换垫圈并将头部重新附接上。这项操作也可能会比较费时，而且新垫圈的放置不当，头部与壳体的耦接不当或者使用新垫圈的失败都可能使交换器无法工作。
此外，壳管式热交换器在所能提供的相对于管侧流体的壳侧流体的流动型式方面往往有限。常规的壳管式热交换器通常在流体之间提供“交叉流(cross flow)”。常规的壳管式热交换器中只能获得交叉流，这通常限制了这些装置的性能。常规的壳管式交换器往往局限于特定的流动环路配置，或者若对其改动则耗费较高。
常规的壳管式交换器另外一个局限性在于其尺寸。由于常规壳管式交换器通常有很多的管道置于一个甚至更大的壳体之内，所以此等交换器的总尺寸往往很大且其外直径通常远远大于六英寸。此外，由于壳管式交换器的设计特点，所以部件的设计往往局限于一个特定的构造和形状，且还局限于必须水平定向的部件。这种壳管式交换器的较大尺寸及构造要求不仅在空间和定位方面造成了问题，而且还往往要求该壳体(实质上是一个大型压力容器)包含一个卸压阀并符合其它各项标准，例如由美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers，ASME)发布的适用于大型压力容器的压力容器规范。
随着有关控制各种制冷剂的使用的规定的实施，由壳管式交换器造成的尺寸方面的缺陷更加有问题。许多常规的壳管式交换器被构造以利用共沸制冷剂。现在正实施的规定将要求使用诸如R-407C的非共沸制冷剂。一般说来，非共沸制冷剂效果不及共沸制冷剂有效。因此，为实现相同的一般性能，必须将一个被设计以用非共沸制冷剂来运行的壳管式交换器的尺寸定成比一个被设计以用共沸制冷剂的类似壳管式交换器大20％左右。此一尺寸的增大进一步加剧了壳管式交换器所造成的尺寸方面的困难。
当将壳管式交换器用作冷凝器或者当需要进行再冷却(sub-cooling)或过热降温(de-superheating)时，将进一步加剧由这种交换器所造成的尺寸方面的局限性。在某些情况下，当将壳管式交换器用作冷凝器时，外部接收槽可用来储存系统运行所必需的制冷剂。而该外部接收槽需要更多空间。类似的，如果需要进行再冷却或过热降温，则必须进一步使壳管式交换器的尺寸成为超大型，或者必须将一个独立的、占据很大空间的再冷却器或过热降温器耦接到该部件上。
壳管式交换器的局限性和缺点在某些应用中尤其突出，比如在与电子设备的冷却系统相关的应用中。在这些应用中，通常将环境控制部件定位在建筑物的一个小的容纳空间中用来对建筑物进行操作而需要的计算机服务器和其它电子设备集中设置的地方。因为这些房间通常被列为一个组织的主业务的管理费用，因此人们非常希望尽量减小这些房间所占的空间。此外，由于这些房间通常是建立在现有建筑内，所以往往还有空间和尺寸方面的要求。尺寸和配置受到约束的大型壳管式交换器在这些应用中的使用已经得到特别关注。
本揭示的目的是提供克服或减少上述及其它缺点和局限性的解决方案。

发明内容
本发明是针对平行管热交换器的各个方面。在本揭示的某些教示中的热交换器包含复数个壳管，在各壳管内配置有复数个平行管。使第一和第二集管组合(header assembly)耦接到与壳管的末端，从而在配置于壳管内的平行管之间提供液体流径。提供一个或多个喷嘴，以在复数个壳管中形成液体流径。该热交换器还可具有一个或多个入口，用来清洁集管组合内的平行管。还可以在热交换器的壳管内并入减压阀。可在集管组合内安置一个或多个分流板，以界定通过热交换器中的液体流径。
此外，根据本揭示的特定方面的热交换器可利用任何种类的冷却液。该热交换器的多功能性还可允许将其用作冷凝器(在相同热交换器模块内具有独立的再冷却器环路选项)、过热降温器、蒸发器(在相同热交换器模块内具有独立的过热降温器环路选项管路)，或用于液体到液体的冷却、热回收及吸入式蓄压(suction accumulator)热交换器应用中。
该热交换器也可在任何位置和方向中有效运行。而且，本发明可由任何想要的材料(包括标准管)制成。如此，热交换器可被制成不为ASME容器且因此不需要减压阀。此设计还可使本发明更轻巧、成本更低，更易于制造、更易于清洁且更易于改动或重新装配。


图1展示了并入有本揭示的特定方面的平行管热交换器。
图2A-D展示了根据本揭示的特定教示的平行管热交换器的壳管元件中的一个的构造。
图3A-B展示了并入了本揭示的特定方面的平行管热交换器的顶盖构造。
图4A-B展示了并入本揭示的特定方面的平行管热交换器的底盖构造。
图5A-B展示了并入本揭示的各方面的平行管热交换器的构造的各个方面。
图6展示了根据本揭示的特定方面制造的包含一单一制冷剂环路和一再冷却器的平行管热交换器。
图7展示了根据本发明的冷却系统。
具体实施例方式
回到附图，尤其是图1展示了依据本揭示的特定教示而构造的多路径平行管热交换器10。热交换器10由许多壳管20组成。每一壳管包含一外壳，其在该外壳内部界定第一液体外罩。某些壳管20内的第一液体外罩通过喷嘴12在液体流通中进行耦接。复数个更细的管子(图1中未显示)被安置于壳管20中，且穿过该等第一液体外罩。这些更细的管子中的至少一些的内部通过上和下集管30和34在液体流通中进行耦接，从而界定第二液体外罩。可通过使温度不同的液体流经该等第一和第二液体外罩来实现热交换。所图示的热交换器的额外细节如下。
如图2A-2D所示，该等壳管20中的每一个都是由外壳22、两个端盖24和25以及安置于外壳22内的若干平行管26组成的。外壳22通常是一个圆形截面管，其开口由(例如)铜管材、不锈钢、碳钢、铜镍、铝或任何其它适宜的材料制成。尽管所示的实施例包括圆形管，但是也可使用带有其它截面的管道。
在所示的实施例中，平行管26位于外壳22内，且平行管26的末端穿过在端盖24和25中形成的开口或孔。平行管26可由与外壳22相同的材料制成。端盖24与25通过液密连接与外壳22相耦接，以使外壳22的内部形成一个不与平行管26内部进行液体流通的外罩。在外壳22内形成有进口和出口27和28，从而允许到达外壳22内所形成的外罩。在一些实例中，可耦接一观察窗以与外壳22的内部相通，以使使用者能够验证液体在外壳22内流动。
为确保操作正确，可将外壳构造成能承受五倍于制冷剂侧工作压力的压力和大约两倍于水(或液体)侧工作压力的压力。此外，当将第一外罩用以接收制冷剂时，在使用前应于脱水状态下装运和维护外壳。应将平行管构造成能满足或超过任何适用的ASME或U.L.1995压力要求。
举例而言，可通过铜焊或焊接将端盖24和25耦接到外壳22。如果将端盖24和25铜焊到外壳22，则可选用与铜焊材料C-12200 ASTM SB75/389相容的铜焊料。在有些例子中，可能必需扩展平行管26穿过或接近端盖24和25的部分，以提供在平行管26与端盖24和25之间形成水密接合可能所需要的干涉配合。
参照图2D，在所示的实例中，外壳22内安置有五个平行管26。应了解，在不背离本揭示的教示的前提下，可使用更多或更少的平行管26。无论外壳22内所包含的平行管26的数目是多少，都相信在外壳22内均匀地布置平行管26是有利的。
尽管外壳22和平行管26的外直径因应用不同而不同，但是最好是为特定组件保持特定尺寸。例如，最好是使外壳的内直径小于三英寸，以便不需要在适用规范和标准下所要求的减压阀。为适应此要求，可由35/8″或25/8″的管材来构造外壳22。在这种情况下，为适应壳管22与上集管30和下集管40之间的连接，可分别用35/8″管材和31/8″管材来制造该等集管。可将3/4英寸的管材用于平行管26。
为最大化热交换并最小化空间，据信，控制安置于每个应用中外壳内的平行管的数目是有利的。目前所设想的是涉及三至八根管道的应用，但不同的应用要求可能会需要其它数目的管道。
回到图1，可以看出，在所示的实例中，热交换器10是由四个壳管20通过使用喷嘴12、顶部集管30和底部集管40耦接在一起而形成的。每个喷嘴12被耦接到壳管20中的一个的出口，并耦接到另一壳管20的入口。以此方式，图1所示的配置提供了一流径，使液体流入壳管20的入口内(例如最顶端壳管20a的入口27a)，经过由壳管20a的外壳形成的外罩，经过喷12a，进入由壳管20b的外壳形成的外罩等等，直到该液体从壳管20d的出口28d流出。与常规的壳管式热交换器相比，根据本揭示的特定方面构造出的热交换器的一个额外优势在于其可从任一开放的端口注入液体。由此，重新装配这种热交换器比先前技术的那些热交换器更简单。
在图1的实施例中，通过(例如)铜焊或焊接将集管30和40 接到该等壳管20的端盖24和25。在所示的实施例中，集管30和40在壳管20内的平行管26的内部之间建立了液体流通。例示性集管30和40的细节提供于图3及图4中。
参 图3A和3B，提供了例示性顶部集管30的例示性细节。一般说来，顶部集管30包括一个通常为管状的结构31和通过液密 接而 接到该管状结构31的末端的端盖32。管状结构31界定了八个通常为圆形的开口，其中的四个开口32a-32d界定具有第一直径的圆形法兰，且其余四个开口33a-33d界定具有第二直径的圆形法兰，其中该第二直径小于该第一直径。在图3所示的例示性实施例中，每个圆形开口32a-32d的中心与对应的圆形开口33a-33d的中心在同一条直线上，使得大体上笔直的清洁用具(如刷子)无需发生显著的弯曲即可径直穿过给定的第二圆形开口(如32a)及其对应的第一圆形开口(如33a)。
在该例示性的实施例中，除上述八个开口外，管状结构32进一步界定了两个更小的开口34，通过其可通向结构32的内部。在所示的实施例中，以水密方式将阀固定到由开口34所界定的法兰上。这些阀允许从外壳内部释放压力，且可在热交换器的初始填充和运行期间用以去除外壳22内部的气泡。
在所示的结构中，管状结构32内部安置有一分流板35，以将管状结构32分隔成两个独立且液体隔离的部分36a和36b。此分隔可以建立两个独立且不同的流径。
在图3所示的实施例中，适配器元件37被 接到开口33a和33b中的每一个。在所示的实例中的该等适配器开口中的每一个都包括一个带 纹并能够接收 纹塞38(图3中未显示)的开口端部分。图1更详细地展示了 纹塞38在上集管30的适配器元件37内的定位。如下文更详细的描述，使用适配器元件37及 纹塞38提供了一个能够容易且无需垫圈地清洁平行管26内部部分的结构。
图4A和4B展示了例示性底部集管组合40的构造。一般说来，底部集管组合40的构造与上集管组合30相似，因为它是由一个以水密方式 接到端盖42的管状结构41而形成的。
管状结构41界定了七个通常为圆形的开口，其中的四个开口42a-42d界定了具有第一直径的圆形法兰，其余中的两个开口43a和43b界定了具有第二直径的圆形法兰，其中该第二直径小于该第一直径，且第三开口44具有第三圆形直径。在图4的例示性实施例中，每一个圆形开口43a和43b的中心与对应的圆形开口42a和42d的中心在同一条直线上，但是也还展望了替代设计。底部集管组合40包含两个板式分流器45和46，将管状结构41的内部分隔成三个独立且液体隔离的区域47a、47b及47c。
如图1所概括描绘的，整个热交换器是通过将壳管20的末端耦接到顶部及底部集管组合30和40的开口32a-32d及42a-42d上，并通过使用喷嘴12让壳管20的内部相互耦接而构造成的。
在与图1-4B相关的具体例示性热交换器中，在图5A和5B中概括性地反映了为可用于执行热交换作业的两个独立的流径提供连接。
参照图5A，展示了该热交换器用于以下情况中的形式其中要使制冷剂流入及流出该等形成壳管20的外壳22的内部且要使冷却水或液体流入及流出该等平行管26。图5B展示了图5A中的热交换器的横截面剖视图。
在图5A和5B的具体实例中，由于分流板在集管中的安置和喷嘴12的布置而形成了多个独立的热交换路径。
首先，有一条路径使制冷剂进入壳管20b、经过喷嘴12a并从壳管20a出来。由此，在所示的实例中，该第一制冷剂路径将使得制冷剂从左向右流动，经过壳管20b的外壳的内部部分，经过喷嘴12a，并从右向左经过壳管20a的内部部分。此第一制冷剂路径可耦接到(例如)第一压缩机上。
其次，有一条第二制冷剂路径进入壳管20c的外壳内部，经过喷嘴12b并从壳管20d出来。由此，在所示的实例中，该第二流径将使得制冷剂从左向右流动，经过壳管20c的外壳的内部部分，经过喷嘴12b，并从右向左经过壳管20d的内部部分。此第二制冷剂路径可耦接到(例如)第二压缩机上。值得注意的是，在所示的实例中，第一和第二制冷剂路径是彼此完全隔离的。
除上述两个制冷剂路径外，图5A和5B中的热交换器提供了一条流径用来使冷却液(如水)流入及流出热交换器。液体从底部集管(其为图5A和5B中最左边的集管)上的两个位置50和51提供给热交换器。由于分流板在顶部与顶部集管内的安置的方式，冷却液(水)将流入底部集管中，从左到右经过壳管20a和20d内的平行管，经过顶部集管30又从右向左经过壳管20b和20c内的平行管，并流出出口52。值得注意的是，这两条冷却液路径并没有彼此隔离开来，而相反是共享一单一出口52。通过提供两条相互隔离的制冷剂路径，图5A及5B中的热交换器10可由此在一单一热交换器中提供两个冷凝部件。此“二合一”的构造不仅节约空间，而且也很节约成本。
应该注意。在上面结合图5A和5B所讨论的例子中，冷却液的流向与制冷剂的流向相反。因此，当制冷剂沿着一个方向(如从左到右)流经给定壳管的外壳的内部时，冷却液将沿着相反方向(如从右到左)流经同一壳管内的平行管。据信，上述实例中逆流的使用显著提高了系统的整体换热效能。
图5A和5B进一步展示了一种可用于根据本揭示的特定教示而构造成的热交换器的简化的清洁方法。如上文在所示的实例中所讨论的，顶部集管组合30(图5A和5B中最右面的集管组合)包含通常与耦接到壳管上的开口在一条直线上的开口和从这些开口延伸出去的适配器。该等适配器形成有带螺纹并能接收螺纹塞38的开口端。适配器和螺纹塞38的使用可实现容易且无需垫圈地清洁该等壳管内的平行管的内部。在图5A和5B中的实例中，是该等平行管的内部将可能需要清洁，因为这些平行管将接收冷却液，该冷却液与相对干净的制冷剂相比通常是污水。
在所示的实例中，要清洁该等壳管20a-20d内的平行管，只需旋开或移除螺旋塞38，并将清洁刷或其它机械清洁器具伸入所得开口穿过该等平行管中的一个。由于适配器37的开口与平行管开口在一条直线上，所以无需显著地弯曲清洁刷。因为使用了螺旋塞来密封适配器37的末端，因此无需像清洁常规的壳管式热交换器时那样使用垫圈或替换垫圈。
如图1和5A和5B所反映的，本文所揭示的热交换器可有利地定向于各种位置中。例如，热交换器10可安置成水平、竖直或平卧。此外，使用本揭示之教示可构造出具有各种定向的热交换器。例如，如果重新设计该等集管，将可能构造出其中壳管20被布置成一2*2的正方形的热交换器。一般说来，将本文所述的壳管与专门设计的集管和喷嘴结合使用能构造出具有不同定向的热交换器，其可将热交换设备安置在很紧凑的位置中。此外，由于该热交换器是由单独组件的组装而形成的，而且不要求任何组件足够大以容纳其它组件(例如，在常规的壳管式热交换器中，壳体必须足够大以容纳形成该交换器的所有管子)，因此可单独地将单独的组件运到目的地，然后在目的地组装成热交换器，从而潜在地降低了运输费用，并可允许在对于常规的壳管式热交换器而言不适合的目的地构造成热交换器。因此，本文所描述的热交换器具有很强的适应性，且提供有多种形状选项，可获得紧凑的构造。
应当了解，在不背离本揭示的教示的前提下，可以以各种方式对结合前文附图所描述的热交换器进行修改。例如，在所述的热交换器中，有两条独立的制冷剂路径和两条相互连接的冷却液路径。可改变该等集管的构造，且可增加额外的壳管20以提供不同的流径。可以在冷却液侧或制冷剂侧(或两者)上提供多条液体环路的能力可以使得容易地构造出能满足所要的传热及/或降压要求的热交换器。在许多例子中，只要通过控制分流板在集管内的安置便可对冷却液和制冷剂的循环进行调整。
又如另一实例，本揭示的热交换器可用作冷凝器(如图1及图5A和5B所示)或蒸发器。要将本文所揭示的热交换器用作蒸发器，只需在液体侧添加一些内部折流板。
本揭示的又一热交换器可有效而高效地与再冷却器或过热降温器一起使用。为示例说明的目的，只详细讨论再冷却器的应用。所属领域的技术人员根据本揭示的益处将不难理解过热降温器的应用。
图6概略地展示了根据本揭示的特定教示而构造出的另一热交换器。具体言之，图1中的热交换器的热交换器可制造有图6所示的再冷却环路。制冷剂如下流经热交换器的五个壳管61a-61e制冷剂从左到右流经壳体61a、61c和61e内的平行管，再从右到左流经壳体61b和61d内的平行管。
集管62和63内均安置有分流板，以为冷凝器和再冷却液形成两条独立的环路。冷却液从端口64进入热交换器，又从端口65流出，进入再冷却环路。冷却液还从端口64a流入热交换器，并从端口66流出，进入冷凝器环路。
尽管图6的实例仅展示了一条再冷却液环路，但是展望了提供多条冷却液环路且各环路内的冷却液温度各不相同的替代实施例。此外，还展望了其中提供多条制冷剂环路和多条冷却环路以控制热交换器上的的温度梯度的替代实施例。根据本揭示的特定教示的热交换器的构造的一个优势在于实质上有无限的可以将制冷剂和冷却液环路结合起来并在制冷剂侧和冷却液侧均设置多条环路的可能性。
根据本揭示的一些或所有教示而构造出的热交换器可用于构造图7中概略所示的冷却系统。如图所示，平行管热交换器10被安装在外罩70的后面部分。在外罩70内部还包括了压缩机72。在此应用中，热交换器10被构造成一冷凝器。在外罩71内部包括有蒸发器，并将该蒸发器通过各种制冷剂管路73连接回到压缩机72和冷凝器10。鼓风机74由鼓风电动机75驱动，迫使空气通过蒸发器76以进行冷却作业。
所属领域的技术人员将了解可对本发明进行额外的修改和调节，且本发明并不受限于本文所陈述的特定示例性的实施例。本发明意欲包涵上面的权利要求书所包含的所有此等修改形式。
权利要求
1.一种热交换器，其包含复数个壳管；配置于该等壳管内的的复数个平行管；耦接到该等壳管的末端的第一和第二集管组合，以在配置于一第一壳管内的平行管与配置于一第二壳管内的平行管之间提供一液体流径；并且一个或多个喷嘴，提供一穿过复数个壳管的液体流径。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于该等集管组合中的至少一个包含一个或多个入口以对该等平行管进行清洁。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于该等集管组合包含一个或多个减压阀。
4.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于该等集管组合包括进口和出口以使液体在该等平行管内流动。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于该等集管组合中的至少一个包含安置在该等集管组合中的一个或多个分流板，使得界定一条穿过该热交换器的液体流径。
6.根据权利要求5所述的热交换器，其特征在于该一个或多个分流板界定穿过该热交换器的复数个隔离的液体流径。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于该壳管的内直径小于三英寸。
全文摘要
本发明揭示了一种多路径平行管热交换器。该多路径平行管热交换器提供了结构更紧凑、重量更轻、造价更低的热交换器，其可定向于任何方向。由于具有这些特性和其它特性，这种热交换器是在受限区域提供局部冷却系统的理想选择。本发明比先前技术效率更高，且允许进行多样化操作以选择多个流径环路选项且多个液体和传热操作的性能亦得到提高。
文档编号F28F9/26GK1629591SQ20041006906
公开日2005年6月22日 申请日期2004年7月19日 优先权日2003年7月18日
发明者安东尼·莫拉维 申请人:力博特公司