专利名称：制冷剂分配设备及方法
技术领域：
本发明涉及一种制冷剂分配设备及方法，用于具有压缩机、冷凝器、膨胀设备以及蒸发器的制冷系统中。
背景技术：
在典型的空调系统中，来自冷凝器的高压液体制冷剂进入膨胀设备，在其中压力得以降低。膨胀设备的出口处的制冷剂是由低压制冷液体和蒸气的混合物组成。该混合物进入蒸发器，在其中更多的液体变成蒸气，而制冷剂在冷却空调空间里的空气时从热交换器吸收能量。在蒸发器中热交换器被构造成多个平行的热传递管，进入的制冷剂液-气混合物一般进入普通的歧管，其同时供给多个管。
由于重力及冲力效应，液体制冷剂与蒸气制冷剂分离，并停留在管的底部。液体制冷剂前进到歧管的末端，且在歧管的末端比邻近歧管的进口管的管供给更多的液体制冷剂。这导致热交换器的热传递管内的制冷剂的不均衡供给，从而造成达不到蒸发器热交换器的优化利用的结果。
当液体制冷剂吸收热量时，其沸腾或者蒸发。如果一些管具有较少的液体制冷剂流经它们以沸腾，而所有的液体制冷剂在流出热传递管之前都充分沸腾，那么热交换器的一部分将会利用不足。
当制冷剂蒸发器传送冷气体时，所期望的是使出现的气体的温度分布相对均匀。该目标由于很多制冷通道可能会传送不均匀的冷气体而复杂化。
已知的是其它的也可等同适用，气相在制冷通道内沿水平导向的制冷剂分布管道的上部空间流动。液相通常在制冷剂通道内沿制冷剂分布管道的下部容积流动。以这种方式，制冷剂的流动传统地是分离的。这一现象使得制冷剂流体在制冷剂分布系统的几个制冷剂通道内以及沿所述制冷通道均匀分布的任务复杂化。
另一种复杂因素在于制冷剂离包括几个制冷剂蒸发通道的系统的进口侧越远，液体制冷剂就越难以均匀流动。相反地，制冷剂离进口侧越近，液体制冷剂越难流动。因而，分配在靠近进口侧的制冷剂蒸发通道的气体与分配在远端的制冷剂蒸发通道的气体的冷却特性是不同的。因此，分配在进口侧的制冷剂蒸发通道的气体与远端制冷剂蒸发通道周围的气体的温度不同。这一现象往往造成出现的冷气体的温度分布的不均衡。
现有技术的搜索揭示了以下参考美国专利申请6,449,979；美国专利申请5,651,268；美国专利申请5,448,899；英国专利申请2366359，这些参考的公开内容在此引入以作参考。
美国专利申请6,449,979专利主要是关于汽车蒸发器中制冷剂分布。其想法是通过使用一系列逐渐变小的孔来控制制冷剂向歧管的流动，例如参照图1和图2所示。
美国专利申请5,651,268公开了一种装置，用于改进汽车蒸发器中的制冷剂分布。其基本概念是在蒸发器进口处将制冷剂液体和气体相混合，并通过位于进口管附近的小孔来控制管的分布。例如参照图9及图12所示。
美国专利申请5,448,899公开了一种系统，在蒸发器进口处通过重力将制冷剂液体和气体分离。气体被引导至蒸发器出口，且仅允许液体制冷剂继续通过热交换器。这种方法的一个局限性是热交换器的取向是使得重力能够分离液体和气体。此外，这种方法最适合于板式蒸发器，在其它类型的蒸发器中可能不能有效地运作。
英国专利申请2366359教导了四个热交换器部分的一种布置，其控制制冷剂流动从而平衡制冷剂热传递。然而，在每个部分都存在不均一的制冷剂分布，其阻止了热交换器的有效利用。
发明内容
本发明的一个目的是提供均匀的液体和气体制冷剂的混合物给热交换器的热传递管，而该混合物提供制冷剂的均一供给。其结果是蒸发器热交换器的均一利用。
本发明包括制冷剂分配设备，位于制冷系统的多管热交换器的进口集管内。传统地，系统具有膨胀设备，传送两相制冷液体到进口集管。多管热交换器还具有出口集管，其传送基本上处于气态的制冷剂液体。多个管在进口和出口集管之间液体流通。
在优选的实施例中，制冷分配设备包括进口通道，进口通道基本沿进口集管延伸且在进口集管内延伸。进口通道与蒸发器相连。如果系统具有膨胀设备装置，则在进口通道内的两相制冷剂流体具有制冷剂液-气界面，在液-气界面以下流体主要为液相，在液-气界面以上流体主要为气相。
一个和更多在喷嘴终结的小直径导管(取决于流动速率和热交换器的尺寸，可以达到直径为5mm，优选为达到直径1.5mm)，位于进口集管内。导管与进口通道流体流通。
每个小直径导管具有一个位于制冷剂液-气界面之下的液体进口端口。流入进口管的制冷剂流、以及进口管和出口集管之间的压力差推进液体流经小直径管。小直径导管的第一立管部分从制冷剂液-气界面之下向上延伸到位于进口通道外、但在进口集管内的一个位置。导管和进口通道的外表面之间密封接合。导管从进口通道和进口集管之间的环形空间中延伸出进口通道。导管终结的喷嘴位于进口通道的外部。流出的流体是液体和气体制冷剂的均匀混合物，其被相对均匀地通过热交换器管道传送，以有效分配制冷剂流体。
本发明还包括一种方法，用于使用公开的制冷剂分配设备，将液体和气体制冷剂的均匀混合物分布到热交换器管道中。
图1为制冷系统的主要部件的示意性说明，其示出了本发明所处的环境；以及图2为多管热交换器及容纳本发明的进口集管的剖面图；图3为沿图2中的B-B线截取的进口集管的剖面图；图4为多管热交换器及容纳本发明的进口集管的可选实施例的剖面图；图5为沿图4中的A-A线截取的剖面图；图6为多管热交换器及容纳本发明的可选实施例的进口集管的剖面图；图7为沿图6中的A-A线截取的剖面图。
优选实施例详述首先转到图1，其中描述了制冷系统的主要部件。该图有助于说明与传统部件相比的本发明的配置。应了解术语“制冷周期”是一般术语，描述可用于空调和低温制冷系统中的气体压缩周期。
在图1中，压缩器用过压缩制冷剂到高压来给制冷剂增加能量。制冷剂作为高压气体沿通道(1)进入冷凝器。典型地冷凝器将能量排斥给吸热设备-通常是周围空气。作为高压过冷液体(2)从冷凝器中出来时，制冷剂流经膨胀(节流)设备。膨胀设备降低了制冷剂的压力。当离开膨胀设备时，制冷剂在通道(3)中以两相存在主要为液相(约80％)；还有一些气相(约20％)。然后两相制冷剂之后进入蒸发器。在那里，吸收能量并提供冷却效果。在大多数情况下，当流体蒸发器继续吸收能量时，制冷剂蒸发或者沸腾。系统设计成彻底蒸发所有的制冷剂，提供低压过热气体回到压缩机(4)。在图1中，这里所公开的发明位于蒸发器进口。
通常，所冷却的流体为空气。然而，待冷却的流体液可能是液体-例如水。
现在转到图1到3，描述了制冷系统20的多管热交换器14的进口集管12中的制冷剂分配设备10。可选地，系统可具有膨胀设备22(图1)，其传送两相制冷剂流体24(图2至3)到进口集管12的进口端口25。图2描述了本发明的一个实施例，其中进口集管12的进口端口25，优选地，位于进口集管12的中间部分，以适于进入的制冷剂沿进口集管12横向或者轴向更均一分布。尽管在图2至图3中描述了一个进口端口25，但是应了解可以有多个进口端口25将进入的制冷剂输送到进口通道32。典型地，多管热交换器还具有出口集管26(图2)，其传送基本处于气态的冷却的制冷剂流体28经过出口端口。尽管在图3和图5中所描述的是具有环形截面的集管，但是集管中的任何一个或者两个都可具有椭圆的或者卵形的截面，可以关于赤道面(equatorial plane)对称或者不对称。如已知的，多个管道30处于进口集管12与出口集管26之间的流体连通状态。
(在示出的实施例中)制冷剂分配设备10包括基本沿进口集管12延伸且在进口集管12内延伸的进口通道32(图2，3)。可选地，进口通道32与膨胀设备装置22相连，膨胀设备装置22例如可以为阀门。一个或更多小直径导管34位于进口集管12内，与进口通道32流体相连。
进口通道32内的两相制冷剂流体具有制冷剂液-气界面38(图3和图5)。在液-气界面38以下，流体主要为液相。在液-气界面38以上，流体主要为气相。如果系统没有膨胀设备装置22，则进口通道32内的两相制冷剂流体主要为液相。
一个或更多小直径导管34具有位于制冷剂液-气界面38之下的进口端口40。导管34包括立管35，其从进口端口40引出并经过进口通道32的壁延伸。立管35与进口通道32的壁之间设有密封接合。当制冷剂进入进口端口40并从进口通道32向外流经立管35时，制冷剂进入区域37。在该实施例中描述的区域37为螺旋式。区域37围绕进口通道32的外部延伸。在另一个实施例(在图6至7中描述的，稍后将做描述)，区域37轴向或者纵向延伸。在旋转式的实施例中，区域37经过几次旋转后终止在喷嘴42，由于流体动水压力，制冷剂通过喷嘴42分散。随后制冷剂在以相对均一的压力和流速被传送进入管30之前，渗入进口歧管12与进口通道32之间的环形空间。
流入进口通道32的制冷剂施加压力，且进口通道32与出口集管26之间的压力差促使制冷剂流经小直径导管34，气体流通过一个或更多小直径喷嘴42流出。以这种方式，产生了液体和蒸气制冷剂的均匀混合物，其通过进口集管12经连到出口集管26的管30相对均一地传送，以适于制冷剂流体的有效分布。
在图2中示出的实施例中，有多对小直径导管34以及关联区域37。相邻的导管对具有喷嘴42，其定位在进口通道32的相对的侧上，以提供制冷剂的均匀传送。
本发明还包括一种方法，用于相对均匀地传送液体和蒸气制冷剂的均匀混合物流经热交换器14的多个管道与进口集管12。该方法包括以下步骤在进口集管内配置进口通道32，所述进口通道32与膨胀设备相连；在进口集管12内布置一个或更多小直径导管34，所述小直径导管34与进口通道32相连；传送制冷剂流体道进口通道，从而在其中产生制冷剂液-气界面38，在制冷剂液-气界面38以下流体主要为液相，制冷剂液-气界面38以上流体主要为气相。
将导管的一个和更多毛细流体进口端口置于水下，从而使其位于制冷剂液-气界面之下；以及对流入进口通道的制冷剂增压，从而通过毛细导管促使液体流动，从而在从位于进口通道外部的喷嘴处流出时，形成液体和蒸气制冷剂的均匀混合物，其经过出口集管的多个管道相对均匀地传送，以适于制冷剂流体的有效分布。
在图3中，如果在系统中有膨胀设备22，则制冷剂液-气界面38位于一个易于远离进口通道32的进口端口25上升的高度。应了解传统的制冷剂进口端口25可朝向进口集管12的任一端定位或者定位在两端之间。取决于其在热交换器进口集管12中的位置，一些热交换器管道30可以容纳所有的流体，一些为气体，还有一些为混合物。因此，所公开的发明避免了以别的方式进行的热交换器的低效率使用。
在本公开内容中制冷剂的定义包括任何流体/化学物质，其中流体流经蒸发器时可以为液态或者气态。当制冷剂吸收能量时，其持续沸腾(蒸发)，最后全部的制冷剂都变成蒸气。相的变化以及蒸发的热量正是蒸气压缩制冷系统的特征。
有数百种化学物质可以分类为制冷剂，但是如下的列出的是最常见的HCFC-22(用于大多数空调系统)；HFC-134a(用于汽车空调系统，自动贩卖机以及家用电冰箱)；HFC-404A(用于商业致冷系统)；HFC-410A(用于空调并作为HCFC-22的替代品)。
HCFC是一种氢氯氟碳化合物(hydrochlorofluorocarbon)。制冷剂流体如HCFC-22如今用于大多数空调机中。HCFC-22(R22)由氯二氟甲烷(chlorodifluoromethane)组成。R22是一种具有低臭氧消耗潜能的单组分HCFC制冷剂。其用于许多市场的空调和制冷设备中，包括电器、建筑、食品加工以及超级市场。氟利昂是主要用作制冷剂的一组氟氯碳化合物的商标名称。
HCFC-22在制冷周期的4个状态点的典型温度和压力分别为(图1)1.260psig(磅/平方英寸)，180(华氏度)，过热蒸气2.250psig，100，过冷液体3.81psig，48，液体和气体两相4.75psig，60，过热蒸气不常见的和/或将来的制冷剂为二氧化碳(是许多上述的制冷剂的较长时期的替代品)；氨水(用于较大的冷藏制冷系统)；异丁烷(Iso-butane)和丙烷(propane)(用于欧洲的小型制冷系统)；以及水(也可用作两相制冷剂)。
图4至图5图示了本发明的可选实施例。在该实施例中，进口通道32具有位于进口歧管12外部的终止端口44。
发明人观察了不同导管的直径与其长度的关系。他们得出结论导管长度与内径的平均比在25到1000之间。
在带有螺旋区域32的实施例中，可以了解导管的给定螺旋区域的旋转的圈数(N)可以变化以适应具体应用的需求。对于多数应用，优选为旋转约2到3圈。
应了解在图2至图5中示出的方位表明一般位于水平位置的系统。尽管在更少依赖重力的其它方向上不是最理想的，但是系统也可以发挥作用。
如果制冷系统中存在膨胀设备，在制冷剂在喷嘴42出现之前，沿立管35流经进口40并向外流经区域37时，其物理特性为小液滴和气体的混合物。不希望被任何具体原理限制，在比进口端40更靠近导管34的喷嘴末端42处，主要流体相转变为气体状态。
如果需要，从中出现蒸气的导管34远端的喷嘴可根据不同的几何学定义。包括垂直于导管纵轴的一端，或者收缩或紧缩区域。很明显，收缩不应当反面影响在主要的温度和压力下条件下期望的流动能力。
现在转到图6至图7，其中图示了本发明的可选实施例。在该实施例中，有多个立管35(图7)。进口端口40内有制冷剂，其至少部分地是液体形式。立管在轴向延伸长度46处终止前，经进口通道32的壁向外延伸。长度46终止在封闭端，并设有细孔(未示出)。这些细孔沿轴向延伸长度分布，很像花园中采用的为灌溉目的提供水的分配的渗水管。类似地，细孔允许制冷剂流体从进口通道32流经立管40径向向外分布。
在图6中，位于进口通道32的中心部分的立管终止在T型轴向延伸长度46。在图7中，立管35以类似于罗盘的象限的结构例如，定向到西北、北或者东北，从进口通道32向外延伸。
尽管已经描述和说明了本发明的实施例，然而这些实施例描述和说明并不是本发明的所有可能形式。而是，说明书中采用的词语是说明性的而不是限定性的，应理解可以进行各种变化，且不脱离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种制冷系统的多管热交换器的进口集管中的制冷剂分配设备，所述系统传送制冷流体到至少一个所述进口集管，所述多管热交换器具有一个或多个出口集管及多个管子，所述出口集管传送基本处于气体状态的冷却的制冷剂流体，且所述多个管子与所述进口集管及出口集管之间流体连通；所述制冷剂分配设备包括进口通道，所述进口通道至少部分地位于所述进口集管内；以及一个或多个小直径导管，其处于至少一个所述进口集管内，所述小直径导管与所述进口通道流体连通；每个所述导管具有液体进口端口及喷嘴；进入所述进口通道的制冷剂流推动流体通过所述一个或多个导管，使得自所述喷嘴的流出物包括制冷剂的均匀混合物，所述均匀混合物基本上遍布在所述进口集管的整个长度，从而相对均匀地通过所述多个管子被输送到所述出口集管，以有效地分配所述制冷剂流体。
2.根据权利要求1所述的制冷剂分配设备，其中所述一个或多个导管包括从所述进口通道向外延伸的立管，以及从所述立管延伸的螺旋区域，所述螺旋区域围绕所述进口通道的外表面环绕所述进口通道。
3.根据权利要求2所述的制冷剂分配设备，包括多对导管，其中相邻对导管的喷嘴位于所述进口通道的相对的表面。
4.根据权利要求1所述的制冷剂分配设备，其中所述进口通道基本沿所述进口集管且在所述进口集管内延伸。
5.根据权利要求1所述的制冷剂分配设备，其中所述进口通道包括从所述进口集管向外延伸的部分。
6.根据权利要求2所述的制冷剂分配设备，其中所述螺旋区域具有内径(D)和长度(L)，其中L与D的比值在25和1000之间。
7.一种制冷系统的多管热交换器的进口集管，所述系统具有将两相制冷剂流体传送到所述进口集管的膨胀设备，所述多管热交换器具有传送基本处于气体状态的冷却的制冷剂流体的出口集管，以及在所述进口集管及出口集管之间流体连通的多个管道，所述进口集管具有制冷剂分配设备，所述制冷剂分配设备包括进口通道，其至少部分地位于所述进口集管内；以及一个或多个小直径导管，其处于至少一个所述进口集管内，与所述进口通道流体连通；每个所述导管具有液体进口端口及喷嘴；进入所述进口通道的制冷剂流推动流体通过所述一个或多个导管，使得自所述喷嘴的流出物包括制冷剂的均匀混合物，所述均匀混合物基本上遍布在所述进口集管的整个长度，从而相对均匀地通过所述多个管子被输送到所述出口集管，以有效地分配所述制冷剂流体。
8.一种多管热交换器，其具有制冷剂分配设备，所述制冷剂分配设备处于所述热交换器的进口集管中，所述多管热交换器具有传送基本处于气体状态的冷却的制冷剂流体的出口集管、以及在所述进口集管及出口集管之间流体连通的多个管道，所述制冷剂分配设备包括进口通道，其至少部分地位于所述进口集管内；以及一个或多个小直径导管，其处于至少一个所述进口集管内，与所述进口通道流体连通；每个所述导管具有液体进口端口及喷嘴；进入所述进口通道的制冷剂流推动流体通过所述一个或多个导管，使得自所述喷嘴的流出物包括制冷剂的均匀混合物，所述均匀混合物基本上遍布在所述进口集管的整个长度，从而相对均匀地通过所述多个管子被输送到所述出口集管，以有效地分配所述制冷剂流体。
9.一种用于提供制冷剂的均匀混合物的方法，所述均匀混合物相对均匀地通过热交换器的多个管子而被输送，所述热交换器具有进口集管，所述方法包括以下步骤定位进口通道至少部分地在所述进口集管内；以及在至少一个所述进口集管内安装一个或多个小直径导管，所述小直径导管与所述进口通道流体连通；为每个导管配置液体进口端口及喷嘴；以及冲击进入所述进口通道的制冷剂流，因此推动流体通过所述一个或多个导管，使得自所述喷嘴的流出物包括制冷剂的均匀混合物，所述均匀混合物基本上遍布在所述进口集管的整个长度，从而相对均匀地通过所述多个管子被输送到所述出口集管，以有效地分配所述制冷剂流体。
10.根据权利要求1所述的制冷剂分配设备，其中所述一个或多个导管包括从所述进口通道向外延伸的立管，以及从所述立管纵向延伸的轴向分支，所述轴向分支包括被限定在其中的细孔，制冷剂经所述细孔扩散到所述进口通道与所述进口集管之间的空间内。
全文摘要
制冷剂分配设备10位于制冷系统20的多管热交换器14的进口集管12内。设备10包括进口通道32，其与膨胀设备相连。小直径导管34设置在进口集管12内，且与进口通道32流体连通。进口通道32内的两相制冷流体具有制冷剂液－气界面38。导管34具有进口端口40，其位于制冷剂液－气界面38之下。从喷嘴34出现的气体产生均匀的制冷剂，所产生的制冷剂被均一地传送至多个管道中。本发明还包括一种方法，用于通过热交换器管道传送液体和气体制冷剂的均匀液体混合物的均一分布。
文档编号F28F9/02GK101031762SQ200580033283
公开日2007年9月5日 申请日期2005年9月20日 优先权日2004年10月1日
发明者杨利伯·贝尔, 迈克尔·E·海丹瑞奇, 威廉姆·G·艾伯特 申请人:先进热力传输公司