螺旋扁平管式换热器的制作方法

专利名称：螺旋扁平管式换热器的制作方法
螺旋扁平管式换热器
技术领域：
本发明一般涉及换热器。特别地，本发明涉及逆流换热器，其具有配置
成同心螺旋的扁平管。该扁平管可包含内部的樣i管道。背景技术：
适用于气体和液体的逆流换热器是习知的，且通常包括入口和出口以供 两个或两个以上的流体各自通过。在换热器内，流体一般不混合且遵从不同 的流径。逆流换热器中最常见的类型包括平板式，管中管和壳管式换热器。 壳管式换热器通常在较大的压力容器或外壳内有一组小管。热量在流动于小 管内的流体和流动于外壳内的另 一流体之间转移。
在平板式换热器中，热量在沿 一 组平行板间形成的不同流径以相反方向 流动的两个流体之间转移。平板通常是由不锈钢制成并可能含有山形通道以 提高传热效率。平板可能会在其接合处用橡胶垫片或钎焊工艺密封。平板的 大表面面积相比壳管式设计提供了更高的传热效率。
平板式换热器通常比壳管式换热器更轻且结构更紧密。然而，为达到更 高的传热效率，流经平板式换热器的流体必须有足够的时间接触平板，这意 味着平板必须有一定的长度。对于制冷机的应用，(使壁一侧制冷剂蒸发且壁 的另一侧水冷却)平板式换热器必须垂直安装以帮助制冷剂分布于各相邻平 板。这种结构导致高度与底座的比例相对较大。这样的高度与底座比例限制 了平板式换热器的应用。通常用于平板式换热器的不锈钢也相对较重，且具 有相对较高的热阻和较低的传热系数，这些同样也限制了它的性能。
微管道管也为人们所熟知，且已经常应用于汽车的换热器。不过，这一 技术已被主要用于气液式换热器。
因此，需要提供一种换热器，其把微管道扁平管技术运用到液液或液体
5两相制冷剂的换热器，同时通过提供一种结构紧密，灵活且高效的换热器设 计来克服壳管式和平板式换热器固有的局限。

发明内容
在本发明的 一个优选实施例中， 一种螺旋扁平管式换热器包括第 一扁平 管和与所述第一扁平管热耦合的第二扁平管。所述第一扁平管形成第一螺旋 且所述第二扁平管形成第二螺旋，所述第一和第二螺旋基本是同心的。第一 流体按第 一流向流经所述第 一螺旋，第二流体按第二流向流经所述第二螺旋。 所述扁平管最好包含微管道且最好由铝制成。
在本发明的另一个优选实施例中，换热器具有若干单元。每个所述单元 包括至少两个集合器和若干微管道扁平管。所述微管道扁平管垂直设置于所
基本共线。所述若干单元相互围绕形成螺旋构造以致所述若干微管道扁平管 相互热一妄触。
本发明还提供一种制造螺旋扁平管式换热器的方法。所述方法包括提供 第一单元，所述第一单元具有第一入口集合器和通过第一扁平管与所述第一
入口集合器相连的第一出口集合器；及提供第二单元，所述第二单元具有第 二入口集合器和通过第二扁平管与所述第二入口集合器相连的第二出口集合
器。然后将所述第一单元置于所述第二单元附近，其中所述第一入口集合器
靠近所述第二出口集合器且所述第一出口集合器靠近所述第二入口集合器。
再将所述第一出口集合器和第二入口集合器一起按同一方向转动，同时将所 述第 一入口集合器和第二出口集合器保持在一个固定位置以使所述第 一扁平
管和第二扁平管形变形成两个基本同心的螺旋。
因此，本发明提供了一种极为有效的逆流换热器，该换热器在物理尺寸 方面及理想传热性能的控制方面提供更大的灵活性。这些特点将使本发明适 于各种各样的应用。本发明的这些以及其它特点将从下列图示，详细说明和
权利要求中得到认识和理解。

6图1是本发明螺旋扁平管式换热器的顶视图； 图2是图1中所述换热器的一个单元的顶视图； 图3是图2中所述单元的正视图； 图4是图3中所述换热器单元沿IV-IV线的剖视图； 图5是图1至图4中所述换热器的扁平管的剖视图； 图6至图8说明一种制备图1所述换热器的方法。具体实施例
请参考图示，特别是图1，下面将要说明螺旋扁平管式换热器的实施例。
换热器100包括第一管102和第二管104。第一管102热耦合于第二管 102，且管配置形成交互螺旋，螺旋最好大致是同心的。大致同心意^K着由第 一管102形成的第一螺旋106和由第二管104形成的第二螺旋108享有共同 中心区域110。就本公开而言，术语螺旋指围绕于一个固定的中心区域且与 区域的距离不断增加的对象。第一工作流体112流经第一管102且第二工作 流体114流经第二管104。
第一管102和第二管104热接触，从而使热量可在第一工作流体ll2和 第二工作流体114之间转移。在一个优选实施例中，换热器100是一个逆流 换热器，这意味着第一工作流体112的流向与第二工作流体114的流向相反。 一般来说，逆流换热器的传热比横流或平行流换热器更有效率。在图l所示 的实施例中，第一工作流体112通过位于中心区域110的第一入口集合器116 进入换热器100。第一工作流体102接着按顺时针方向流过第一螺旋106，并 通过靠近换热器边缘124的第一出口集合器118离开换热器100。相比之下， 第二工作流体114在靠近边缘124处通过第二入口集合器120进入换热器 100。第二工作流体104接着按逆时针方向流过第二螺旋108，并通过位于中 心区域110的第二出口集合器122离开换热器100。
或者，本发明螺旋式换热器可以是一个平行流换热器，其中两工作流体
7各自按同一方向流动，在不同的螺旋中或顺时针或逆时针。在此实施例中， 工作流体可以在换热器的边缘进入并在换热器的中心离开或者在中心进入并 在边缘离开。
热量通过传导在第一管102的壁和第二管104的壁之间转移。例如，第 一工作流体112可能是比第二工作流体114冷的流体。在这种情况下，热量 将会从第一工作流体112转移到第一管102的壁，然后通过传导转移到第二 管104的壁且最后转移到第二工作流体114。有利的是，换热器100的螺旋 构造为传热提供了一个大的表面面积，提供了更高的传热效率，同时相比先 前的换热器需要的空间更少。此外，换热器100的螺旋构造在换热器内部提 供几乎完全的逆流，因此提高了传热效率。
工作流体112, 114可以是液体，气体或两相介质。更好地，工作流体 112, 114其中一种流体是水，另一种流体是制冷剂，例如，但不仅限于R134a， R404A， R410A, 二氧化碳，丙烷，氨，异丁烯以及其它常用的制冷剂。最 好地，工作流体112， 114是水和乙二醇。
在图l所示的实施例中，第一入口集合器116，第一管102和第一出口 集合器118形成第一单元126,而第二入口集合器U0，第二管l(M和第二出 口集合器122形成第二单元128。
请参看图2至图5,第一单元126的详细情况将在下面加以说明。应该
认识到第二单元128具有类似的结构。为明确起见，第一单元1"显示的是
在未围绕的状态，在与第二单元1"组装成换热器100的螺旋构造之前的状 太
心o
在一个实施例中，第一管102包含若干管。图3所示的实施例具有垂直 排列于第一入口集合器116和第一出口集合器118之间的五根管102。当然， 任何数量的管102都可以使用，包括一单个的大型管。
第一入口集合器116通过扁平管102与第一出口集合器118流体相连。 入口 128与第一入口集合器116流体相连，且出口 130与第一出口集合器118 流体相连。在工作中，第一工作流体112通过入口 1"进入单元126。通过入口 U8进入第一入口集合器116之后，第一工作流体112穿过若干扁平管 102进入第一出口集合器118。最后，流体通过出口 130流出第一出口集合器 118。在制冷剂分布对总传热行为(制冷剂沸腾)有影响的应用中，特有的插 入物可能应用到入口集合器116内以防制冷机在若千并联运行的扁平管102 中分配不均。
第一管102可以是允许热量在相邻管之间转移的任何截面形状。第一管 102最好是扁平管，就是具有充分扁平的壁以帮助传热的管。最好，第一管 102的截面形状是圓矩形，就是通过两条大致平行的线连接两个大致半圆的 端部的形状。第一管102的圆矩形截面在图5中加以说明。第一管102具有 顶部半圆部分132,底部半圆部分134和大致平行的平壁136。第一管102 具有高度，h和宽度w,高度最好大于宽度。当第一单元126和第二单元1" 围绕中心区域110形成换热器100时，平壁136在第一管102和邻近的第二 管104之间提供主要的传热面。第一管102可以采用压铸工艺，焊接工艺， 或其它任何能够生产合适的截面形状的工艺来制造。管102的内部形状可具 体调整以适应不同的流体和运作类型，进而使管102的传热性能最大化。例 如，当分别用于一相冷却，制冷剂沸腾，和冷凝时，管102可能是截然不同 的形状。
在换热器100的传热效率方面，相邻管的平壁l36之间热接触的质量是 一个主要因素。相邻管的平壁136应当尽可能地紧靠在一起。然而，千接触 可能无法提供足够的热接触，因为任何残留在相邻平壁之间的空气将起到绝 缘层的作用，其结果是降低传热效率。为克服这个问题，本发明的优选实施 例采用钎焊在一起的金属管。钎焊工艺消除空气间隙，使得相邻管间的热阻 变小。有利的是，钎焊工艺也相对容易控制。或者，相邻管之间热接触的质 量可以通过采用高导电润滑脂，粘胶剂，或机械粘接工艺来提高。
第一管102在第一出口集合器116和第一入口集合器1W之间垂直设置， 以致各个第一管102的纵轴y与其它第一管102的纵轴共线。
管102最好是微管道扁平管。微管道扁平管是包含小的内部管道的扁平 管。内部微管道的管道宽度通常在10至1， QOO微米之间。这些管道通过产生湍流来提高传热速度和传热效率。微管道扁平管的利用可以优化传热系数
和管内的压力下降。管102具有内部微管道"0,如图5所示。微管道140 可以是任意大小和形状。
有利的是，本发明实现微管道扁平管在液液或液体两相介质换热器的应 用。此前，微管道管主要用于气液式换热器。在现有的微管道换热器中，在 横流的结构中，工作流体流经水平设置的微管道扁平管并把热量转移给流过 管的空气，即空气垂直于工作流体的流动方向流动。在现有技术中，微管道 管通常是连接到若干在扁平管之间水平设置的叶片。相比之下，本发明采用 垂直设置于两集合器间的扁平微管道管102，无叶片。在逆流的结构中，热 量从第 一工作流体转移到第二工作流体。因此本发明采用新的方式将微管道 技术加以应用从而产生一种具有优越的传热效率的液液式换热器。
扁平管102最好是铝质。铝相比用于现有换热器的传统的钢或铜管具有 多种优势。铝相比钢或铜具有较低的热阻，重量较轻且更容易形变，并具有 良好的抗腐蚀性能。要么，扁平管102也可以由其它金属或塑料材料制成。
请参看图6至图8，下面说明的是一种制造如图1所示的螺旋式换热器 IOO的方法。第一单元126设置在第二单元l28的附近，其中第一入口集合 器116靠近第二出口集合器122，且第一出口集合器118靠近第二入口集合 器120。为补偿两螺旋之间相对路径长度差，第二单元128的长度可能大于 第一单元126的长度。第一入口集合器ll6和第二出口集合器1"保持在一 个固定位置，而第一出口集合器118和第二入口集合器120 —并向同一方向 转动以使第一管102和第二管l(M形变并形成两个同心螺旋，106和108。为 实现第一管102和第二管104的转动，收巻机构138可用于对管施加外力。 图6至图8中所示的箭头说明换热器IOO形成过程中收巻机构138和集合器 118， 120运动的方向。第一管102和第二管104可通过收巻机构138的转动 形变。同心螺旋106， 108将享有一个共同的中心区域110，其中第一入口集 合器116和第二出口集合器122被置于中心区域IIO,且第一出口集合器118 和第二入口集合器120被置于靠近螺旋式换热器100的边缘1M。用这种方 法制造的螺旋式换热器IOO显示在图1中。
10虽然图l所示的实施例采用了两个单元，但本发明的螺旋式换热器可以具有任何数量的单元。例如，螺旋式换热器可以有三个单元，包括两个制冷电路和一个水电路，可能用于两个电路冷凝器。另一种可能性是螺旋式换热器有三个或四个单元，其中两个水电路和一个或两个制冷电路，这能为双冷却管束冷凝器提供热回收选择。
在一个优选实施例中，基于工作流体流过管，换热器IOO的第一管102相比相邻的第二管104具有不同的结构。例如，若第一管102承载水且第二管104承载沸腾的制冷剂或冷凝液，管的大小和形状，以及管内微管道的大小、形状和数量可能都各不相同以补偿不同的传热系数及水和制冷剂的压降。
有利的是，无论从物理尺寸方面还是理想性能方面说来，本发明的换热器设计灵活。通过对应于换热器的整体高度选择管的数量，并通过对应于换热器的全径选择集合器之间管的长度，如流体容量和装置内的压降的关键属性能够得到谨慎控制。本发明换热器的螺旋构造因灵活选择高度与底座的比例使得设计非常紧凑。这种灵活性使本发明换热器相比以往的换热器设计适合更多的应用。
任何一个本领域的普通技术人员都应该认识到，在此描述的换热器的优选实施例可用于使用换热器的各种不同的传热系统。传热系统的具体组成部分可由任何一个本领域的普通技术人员来选择以提高系统的热效率。
"第一"，"第二，，等术语在此处用于修饰各种元件。除非特别指出，这些修饰语并不意味被修饰的元件是空间的、顺序的或分等级的。
尽管本发明已经参考一个或多个优选实施例加以描述，但本领域的普通技术人员应当认识到各种变化也属于本发明的范围且取代对应元件的各等同物也没有偏离本发明的范围。此外，按照披露的原则为适合某一特定情况或材料所做的各种修改也应在本发明的范围内。本发明并不仅限于最佳实施例所揭露的特定实施例，本发明还将包括所有落入附加权利要求范围内的实施例。
ii
权利要求
1、一种换热器，其包括第一扁平管；和与所述第一扁平管热耦合的第二扁平管，其中所述第一扁平管形成第一螺旋且所述第二扁平管形成第二螺旋，所述第一螺旋和第二螺旋基本上是同心的，并且其中第一工作流体按第一流向流经所述第一螺旋且第二流体按第二流向流经所述第二螺旋。
2、 如权利要求1所述的换热器，所述第一扁平管和第二扁平管由具有微 管道的扁平管构成。
3、 如权利要求1所述的换热器，所述第一扁平管和第二扁平管各自具有 圓矩形横截面。
4、 如权利要求1所述的换热器，所述第一流体是水且所述第二流体是制 冷剂。
5、 如权利要求1所述的换热器，所述第一流向与所述第二流向相反。
6、 如权利要求1所述的换热器，所述第一流向与所述第二流向基本平行。
7、 如权利要求1所述的换热器，所述换热器还包括若干与所迷第一扁平 管流体相连的第一集合器和若干与所述第二扁平管流体相连的第二集合器。
8、 如权利要求7所述的换热器，至少一个所述若干第一集合器和至少一 个所述若干第二集合器的位置大体上靠近所述第一和第二螺旋的中心区域。
9、 如权利要求8所述的换热器，至少一个所述若干第一集合器和至少一 个所述若干第二集合器设置于所述换热器的边缘。
10、 如权利要求1所述的换热器，所述第一扁平管大体上沿其整个长度与所述第二扁平管接触。
11、 如权利要求1所述的换热器，所述第一扁平管和第二扁平管的材料 选自铝，铜，塑料，及上述任何组合。
12、 如权利要求1所述的换热器，所述第一扁平管和第二扁平管通过钎 焊工艺连接。
13、 如权利要求1所述的换热器，所述第一扁平管和第二扁平管热接触 所采用的工艺选自粘合，采用导电润滑脂，机械粘接，及上述任何组合。
14、 如权利要求1所述的换热器，所述第一扁平管包括若干扁平管。
15、 如权利要求13所述的换热器，所述第二扁平管包括若干扁平管。
16、 一种换热器，其具有若干单元，每个所述单元包括至少两个集合 器；和垂直设置于所述至少两个集合器之间的若干微管道扁平管且每个所述微 管道扁平管具有纵轴，其中所述每个微管道扁平管的纵轴与其它微管道扁平 管的纵轴基本共线。
17、 如权利要求15所述的换热器，其特征在于所述若干微管道扁平管 相互热，接触。
18、 如权利要求15所述的换热器，其特征在于所述若干单元相互围绕 形成螺旋构造。
19、 一种制造螺旋式换热器的方法，其包括提供第一单元，所述第一单元具有第一入口集合器和通过第一扁平管与 所述第一入口集合器相连的第一出口集合器；提供第二单元，所述第二单元具有第二入口集合器和通过第二扁平管与 所述第二入口集合器相连的第二出口集合器；将所述第一单元置于所述第二单元附近，其中所述第一入口集合器靠近所述第二出口集合器且所述第一出口集合器靠近所述第二入口集合器；将所述第一出口集合器和第二入口集合器一起按同一方向转动，同时将 所述第一入口集合器和第二出口集合器保持在一个固定位置，以使所述第一 扁平管和第二扁平管形变，从而形成两个基本同心的螺旋。
20、 如权利要求18所述的方法，其特征在于所述方法还包括钎焊整个 换热器的步骤。
21、 一种参照附图1至图8中任一图示所述的换热器的仪器、系统或方法。
全文摘要
螺旋扁平管式换热器包括第一扁平管和与所述第一扁平管热耦合的第二扁平管，所述第一扁平管和第二扁平管形成基本同心的螺旋。第一流体按第一流向流经第一扁平管，且第二流体按第二流向流经第二扁平管。所述扁平管最好包含微管道以提高传热效率。
文档编号F28D7/14GK101490494SQ200680055382
公开日2009年7月22日 申请日期2006年5月23日 优先权日2006年5月23日
发明者M·格拉邦 申请人:开利公司