专利名称：用于蒸发器的集气分配器的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及一种制冷剂系统的壳管式蒸发器。更具体地说，本发明涉 及一种将两相制冷剂混合物流引导进入蒸发器的分配器。
背景技术：
制冷冷却器的主要部件包括压縮机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。高压制 冷剂气体从压縮机传送到冷凝器，在冷凝器中将冷却剂气体冷却并冷凝成液 态。冷凝的制冷剂从冷凝器穿过，到达并通过膨胀装置。制冷剂穿过膨胀装置 使其压力下降并其进一步冷却。于是，从膨胀装置传送到蒸发器的制冷剂是相 对较冷、饱和的两相混合物。
使传送到蒸发器的两相制冷剂混合物与设置在蒸发器内的管束接触，管束 中有例如水之类的、相对较暖的热传递介质流过。该介质通过与热负荷热交换 接触已被加热，这是制冷冷却器冷却的目的所在。相对冷的制冷剂与流过管束 的相对暖的热交换介质之间的热交换接触使制冷剂蒸发并使热交换介质被冷 却。在连续的过程中，此时已冷却的介质返回到热负荷处以再冷却该负荷，同 时将被加热且此时已蒸发的冷却剂引出蒸发器并抽入压縮机进行压縮并传送 到冷凝器。
可通过用液体制冷剂来湿润蒸发器的整个管束而使从制冷剂到被冷却流 体的热交换率最大。因此，已为此目的设计了各种蒸发器和分配器。美国专利
2,012,183、 2,314,402、 3,240,265、 3,789,617、 5,836,382和6,655,173中披露了 这种系统的实例。
'183专利示出用于收集从圆柱形壳蒸发器的管束排出的液体制冷剂的盘。 泵从该盘抽吸液体制冷剂并将其喷射回到管束的顶部上。据说该盘可使否则会在管束下方出现的未使用的制冷剂的量最少。但是，该泵和悬挂的喷射器会增 加总体系统的成本和复杂度。
'402专利示出在蒸发器管束下方的某类液体制冷剂分配器。由于该分配器 馈送"液体形式"制冷剂，如专利中所述那样二看起来这种分配器可容纳大量 的液体制冷剂，但这些制冷剂会被遮盖在管束下方的效率相对低的热交换器区 域内。
'265专利披露了一种具有水平板的蒸发器，该水平板有助于在部分浸没的 管束下方形成蒸气态制冷剂室。但是，因为垂直管平衡板上方和下方的压力， 所以显然未将板和室用作液体制冷剂的分配器。因此，大体很少或没有穿过板 上孔的流动。而是，该室仅用于将液体制冷剂与周围的环境空气隔离。
'617和'173专利各披露可用作悬挂管束的液体制冷剂分配器的穿孔的水平 板。由于这些板和其各孔的定向，看起来板下方的区域可用液体制冷剂来填充， 因此看起来板并未使液体制冷剂有任何显著减少。
'382专利示出一种设置在蒸发器的管束下方的分配器。然而，由于该分配 器在蒸发器壳的底板上方，所以该分配器可代替不连续量的液体制冷剂，因此 液体制冷剂可收集在该区域内。此外，液体也可收集在沿分配器侧以及分配器 上方和内侧的区域内。
因此，需要使蒸发器内液体制冷剂的量最少并沿壳的整个长度均匀地湿润 蒸发器的整个管束的制冷剂分配器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有分配器的蒸发器，该分配器可使完全湿润蒸 发器内管束所必需的液体制冷剂的量最少。.
本发明的目的还有通过用两相制冷剂的气态制冷剂来代替否则会收集在 管束下方的液体部分而降低蒸发器内制冷剂的充填量。
本发明的另一目的是提供一种具有分配器的蒸发器，该分配器不仅跨越管 束平均分配制冷剂而且可代替管束下方的大量液体制冷剂，由此使蒸发器内所 需要的液体制冷剂的总量最少。某些实施例的目的还有在分配器的四部分之间成比例地分配液体制冷剂 资源，其中四部分沿蒸发器的长度轴向分布。这使蒸发器的管束能够接收到制 冷剂的平均分配，即使蒸发器沿其长度通过轴向分布的挡板或管支承件分开也 是如此。
本发明的目的还有在将一团气态制冷剂捕集在分配器内，由此代替否则会 填充该空间的液体制冷剂。
本发明的目的还有有时在蒸发器内的上部和下部液体/蒸气制冷剂级之间 的高度处捕集一 团气态制冷剂。
本发明的目的还有在高于蒸发器内管束周围的制冷剂的压力下捕集一团 气态制冷剂。
某些实施例的其它目的是提供具有集气室的分配器，该集气室以小于流入 分配器的气态制冷剂的体积流率的体积流率泄漏。
本发明的另一目的是提供一种具有侧壁和顶板的分配器，侧壁和顶板形成 分配器内的集气室，其中侧壁限定用于在分配器底部附近释放液体制冷剂的一 个或多个出口。
某些实施例的又一目的是提供一种具有两个分配器的蒸发器，该两分配器 限定其间的制冷剂通道.。
由通过用两相制冷剂混合物的气态部分来代替混合物的某些液体部分而 减少蒸发器内制冷剂充填量的分配器来提供本发明的这些和/或其它目的中一 个或多个。
图1是包括具有新型分配器的薛发器的制冷剂系统的示意性剖面端视图。 图2是类似于图1、但主要示出蒸发器和分配器的剖视图。 图3是分配器的分解立体图。
图4是分配器的立体图。
图5是沿图2的线5-5截取的剖视图。
图6是蒸发器的剖切俯视图。图7是类似于图2、但示出分配器的替代实施例的剖视图。.
图8是沿图7的线8-8截取的视图。
具体实施例方式
参照图1，参照具有四个主要部件的基本制冷剂系统IO来描述本发明， 四个主要部件包括压縮机12、冷凝器14、膨胀装置16和蒸发器18 (图2)。 然而，应当指出，系统10用作基本模型，且系统10的无数变型都在本发明的 范围内。例如，在某些实施例中，系统10还包括其结构和功能为本领域的普 通技术人员所已知的常规节约装置。
压縮机12可以是任何类型的压縮机，包括但不限于离心式、螺杆式、涡 旋式或往复式压縮机。膨胀装置16是任何适当的限流器，诸如孔、孔板(即 具有多个限流孔的板)、毛细管、直径縮小的管、阀等。蒸发器18较佳的是 壳管式热交换器，该热交换器包括设置在蒸发器壳22内的多个热交换器管20。 尽管R123是目前较佳的制冷剂，但可以想像系统IO也可运用(handle)各种 其它制冷剂。
当两相制冷剂24 (液体制冷剂24a和气态/蒸气态制冷剂24b的混合物) 进入蒸发器18的入口 26时，新型分配器系统28在多个管20中均匀分配制冷 剂的液体部分24a。为了减少蒸发器18内制冷剂的充填总量，分配器28使用 制冷剂24的气态部分24b来代替否则会集中在多个热交换管20下方效率相对 低区域内的某些液体部分24a。
冷却系统的主要部件以串流关系连接以形成用于提供冷却水的常规闭环 制冷剂回路。在基本运行中，压縮机12通过排放管路30排放压縮的气态制冷 剂24c，管路30通往冷凝器14。穿过冷凝器14内的管束32的冷却流体冷却 并冷凝制冷剂。
管路34将冷凝的制冷剂24d从冷凝器14传送穿过膨胀装置16。在穿过 膨胀装置16时，制冷剂在作为液体和气态制冷剂的两相混合物24进入入口 26 和分配器28之前通过膨胀进行冷却。如果制冷剂是R123，从膨胀装置16流 到分配器28的制冷剂混合物24可包括超过90体积％的气态制冷剂24b和超过90重量％的液体制冷剂24a。
分配器28将液体制冷剂24a和气态制冷剂24b的混合物向上引导经过热 交换器管20。向上流过蒸发器18的制冷剂混合物大致是气态制冷剂与所夹带 的液体制冷剂液滴的蒸气雾。液体制冷剂液滴湿润管20的外表面并在冷却流 过管内的吸热流体时蒸发。吸热流体可以是水或某些其它流体，可将吸热流体 泵吸到用于各种冷却目的的远程位置。同时，蒸发器18内蒸发的制冷剂24b 返回到压縮机12的吸入管路36以重复制冷剂循环。
为了使蒸发器18内制冷剂充填量最少，系统10包括形成至少一个集气室 42a的至少一个分配器40，如图2所示。在某些实施例中，将集气室42限定 为分配器40与壳18的底部56之间的空间。当液体和气态制冷剂的混合物24 通过入口 26进入蒸发器18时，制冷剂混合物进入分配器的集气室42a。液体 制冷剂24a自然会沿集气室42a的底部流动，同时气态制冷剂24b会上升到顶 部。这在下部液体/蒸气制冷剂液位44与集气室42a的顶板46之间形成一团捕 集的气体/蒸气24b。由于捕集的气态制冷剂24b代替了液体制冷剂24a，所以 在蒸发器18内需要较少的制冷剂。
液体制冷剂24a通过分配器28底部附近的至少一个出口 48从集气室42a 流出，并向上流过制冷剂通道50以进入容纳各管20的蒸发室52。根据冷却负 荷或其它运行工况，液体制冷剂24可以在蒸发室52内形成液体制冷剂的池38 或不形成该池。如果形成池38，则该池可具有足以部分或完全浸没一排或多排 热交换管20的上部液体/蒸气制冷剂液位54。
无论是否存在池38，制冷剂雾都穿过蒸发室52上升以湿润管20的外表 面。为了阻止将制冷剂雾的液滴吸入压縮机12的吸入管路36，蒸发器18较佳 地包括某些类型的除雾器58或常规气液分离器。
再参照图3-6，为了更广泛地在各管20之间分布液体制冷剂24a，分配器 系统28实际上可包括第一分配器40和第二分配器60，其中第一分配器40限 定第一集气室—A42a和第一集气室-B42b,而第二分配器60限定第二集气室 -A62a和第二集气室-B62b，由此分配器系统28包括分别包含集气室42a、 42b、 62a和62b的四个部分64、 66、 68和70。
11可使用诸如反向通道之类的管道72来使两个分配器40和60的四个部分 彼此流体连通。然而，应当指出，诸如安装在蒸发器壳22内部或外部上的管 子或导管之类的多种其它类型的管道或集管也在本发明的范围内。在图1中未 故意示出管道72以更清楚地示出诸如制冷剂通路50之类的本发明的其它结 构；但是在图2中示出了管道72。参照图3-6可更好地理解分配器系统28的 某些结构细节。
每个分配器部分64、 66、 68和70可由一端焊有端板74加金属板制成。 分配器部分可具有不同的长度，或者它们可全部相同。各分配器部分可具有下 部凸缘76，该下部凸缘76有助于使部分64与部分68对准并将部分66与部分 70对准。各凸缘76上的各槽口 78提供用于将凸缘76焊接到壳22的下表面 80的方便位置。分配器各部分的外边缘82可通过间断焊缝84焊接到壳22。 焊缝84之间的空间可形成气态制冷剂88逸出集气室42的泄漏路径86;然而， 只要该泄漏的体积流率小于气体制冷剂24b从入口 26进入集气室42的体积流 率就没有问题。
为了沿热交换管20的全长均匀分布液体制冷剂24a，每个分配器部分64、 66、 68和70可设有一系列出口48，其中每系列出口可在沿壳22长度的不同 位置处，如图6所示。例如部分68和70可在壳22的中心附近具有其出口系 列48，而部分64和66的出口系列48在壳12的端部附近，或相反。当然，有 无数其它可能的出口48的分配模式。例如，在某些情况下，出口48设置成可 馈送到在可安装在蒸发器壳22内的管支承挡板之间的某些区域。
为了将液体和气态制冷剂传送到不同的分配器部分，可如图3所示形成或 构造管道72并如图4所示将其焊接在位。管道72将制冷剂从入口 26传送到 分配器60。液体或气态制冷剂流过开口 90和.82以分别馈送到集气室62a和 62b。开口 90和92可大小相同或不同以适当地成比例地在集气室62a和62b 之间分配制冷剂。如果例如部分62a比部分62b长，则开口90比开口92大是 有利的。
为了成比例地分配流到集气室42a和42b的制冷剂流量，管道72的上游 端94横跨入口26，如图5所示。管道72的一侧94a将制冷剂24e引导到集气室42a，且管道72的另一侧94b将制冷剂24f引导到集气室42b。管道72内的 中心区域96来给分配器60馈送制冷剂24g。由管道94限定的开口区域96、 98和100和月牙形入口 26的大小可设置成适当地在集气室42a与42b之间成 比例地分配制冷剂，并在分配器40与60之间平衡制冷剂的流量。
在替代实施例中，如图7和8所示，与蒸发器壳I10的底部108相邻的两 层分配器106可提供使壳内液体制冷剂24a的量最少的另一种方式。下层112 由中心面板114、两端板116以及壳110的底部108限定。分隔面板118可将 下层112分成第一部分112a和第二部分U2b。上层120由下层112、壳IIO 的底部108、上部板122和两端板124界定。分隔面板118将上部层120分成 第三部分120a和第四部分120b,因此分配器106包括四个轴向偏移的部分 112a、 112b、 120a禾口 120b。
为了用捕集的气态制冷剂24b代替液体制冷剂24a，各部分112a、 112b、 120a和120b分别包括集气室126、 128、 130和132。在集气室下面，液体制 冷剂24a集中在多个出口 134a、 134b、 134c和134d的紧接着的上游。每组出 口 134a、 134b、 134c和134d将收集的制冷剂传送到管束的不同区域。通过在 四个轴向偏移的部分112a、 112b、 120a和120b中成比例地分配制冷剂，分配 器106可将制冷剂插入管支承件之间并沿蒸发器的管束的全长均匀地分布制冷 剂。
尽管参照较佳实施例对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当 理解，其它变型也在本发明的范围内。例如，示出蒸发器18为具有两个水箱 102的壳管式热交换器；但是当然也可能是单程或多程的其它类型热交换器。 因此，参照以下权利要求书确定本发明的范围
权利要求
1.一种运用液体制冷剂和气态制冷剂的混合物的系统，所述系统包括以串流方式连接的压缩机、冷凝器壳、限流器、以及蒸发器壳，其中所述液体制冷剂和所述气态制冷剂向上流过所述蒸发器壳；多个热交换器管，所述多个热交换器管设置在所述蒸发器壳内；以及第一分配器，所述第一分配器设置在所述多个热交换器管下方，所述第一分配器和所述蒸发器壳限定其间的第一集气室，使得下部液体/蒸气制冷剂液面出现在所述第一集气室内，所述液体制冷剂从所述第一集气室内流出并大致向上流向所述多个热交换器管，所述下部液体/蒸气制冷剂液面有助于暂时将至少一些所述气态制冷剂捕集在所述第一集气室内，由此代替其中的至少一些液体制冷剂。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，上部液体/蒸气制冷剂液位出 现在所述蒸发器壳内高于所述第一分配器内所述下部液体/蒸气液位的高度处， 且所述上部液体/蒸气制冷剂液位足以浸没所述多个热交换器管中的至少一个 管。
3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液体制冷剂和所述气态 制冷剂都向上流过所述多个热交换器管。
4. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分配器和所述蒸发器壳 限定其间的泄漏路径，所述泄漏路径使所述气态制冷剂最终能够地逸出所述集 气室。
5. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第二分配器，所述第二分配器设置在所述多个热交换管下面，所述第二分 配器在所述蒸发器壳内限定第二集气室，所述液体制冷剂大致从所述第二集气 室内向上流动，所述第二分配器暂时将至少一些所述气态制冷剂捕集在其中； 以及管道，所述管道将所述第一分配器与所述第二分配器连接成彼此流体连通。
6. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一集气室包括第一室-A 和第一室-B，而所述第二集气室包括第二室-A和第二室-B，所述液体制冷剂 沿大致相反的方向流过所述第一室-A和所述第一室-B，所述液体制冷剂沿大 致相反的方向流过所述第二室-A和所述第二室-B。
7. 如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述管道设置在所述蒸发器 壳内。
8. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一分配器限定多个出 口 ，所述液体制冷剂通过所述多个出口从所述第一集气室流向所述多个热交换 器管，所述第一分配器包括位于所述第一集气室上方的顶板，所述顶板高于所 述多个出口。
9. 如权利要求l所述的系统，其特征在于，还包括第二分配器，所述第二分配器设置在所述多个热交换管下面，所述第二分 配器在所述蒸发器壳内限定第二集气室，所述液体制冷剂大致从所述第二集气 室内向上流动，所述第二分配器暂时将至少一些所述气态制冷剂捕集在其中， 所述第一分配器和所述第二分配器限定其间的制冷剂通路，从而向上流过所述 制冷剂通路的液体制冷剂在到达所述多个热交换器管时分布得更为广泛；以及管道，所述管道将所述第一分配器与所述第二分配器连接成彼此流体连通。
10. 如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述管道设置在所述蒸发器 壳内。
11. 如权利要求2所述的蒸发器，其特征在于，所述集气室内的所述气态 制冷剂处于比所述上部液体/蒸气制冷剂液面上方的所述气态制冷剂高的压力 下。
12. 如权利要求1所述的蒸发器，其特征在于，在所述液体制冷剂混合物 从所述限流器流到所述蒸发器壳时，所述液体制冷剂混合物有大于90体积％ 的气态制冷剂。
13. 如权利要求12所述的蒸发器，其特征在于，所述分配器内所述液体 制冷剂和气体制冷剂的混合物约有75体积％的气态制冷剂。
14. 一种运用液体制冷剂和气态制冷剂的蒸发器，所述蒸发器包括壳，所述壳包括底部并限定蒸发室，所述壳还限定用于接纳所述液体制冷 剂和所述气态制冷剂的混合物的入口 ；多个热交换器管，所述多个热交换器管设置在所述壳的所述蒸发室内，使 得所述多个热交换器管在所述壳的所述底部上方；以及分配器，所述分配器设置在所述壳内，使得所述分配器在所述壳的所述底 部上方和所述多个热交换器管的下方，所述分配器有助于限定所述分配器的顶 板和所述壳的所述底部之间的集气室，所述分配器限定使所述集气室与所述蒸 发室流体连通的出口，所述集气室与所述壳的所述入口流体连通，使得所述液 体制冷剂可连续地流过所述入口、所述集气室、所述出口并流入所述蒸发室， 而所述气态制冷剂从所述入口流入所述集气室，所述集气室的出口位于顶板之 下，使得所述集气室内的所述气态制冷剂倾向于流过所述出口并流入所述蒸发 室，以形成所述蒸发室内制冷剂的上部液体/蒸气液位，且所述集气室内的所述 气态制冷剂倾向于朝向所述顶板上升以形成所述集气室内制冷剂的下部液体/ 蒸气液位，由此所述蒸发室内制冷剂的所述上部液体/蒸气液位高于所述集气室 内制冷剂的所述下部液体/蒸气液位。
15. 如权利要求14所述的蒸发器，其特征在于，所述多个热交换器管中的至少一个管浸没在所述液体制冷剂内。
16. 如权利要求14所述的蒸发器，其特征在于，所述集气室内的所述气 态制冷剂处于比所述蒸发室内所述气态制冷剂高的压力下。
17. 如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述液体制冷剂和所述气态制冷剂都向上流过所述多个热交换器管。
18. 如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述上部液体/蒸气制冷剂液面横过所述多个热交换器管。
19. 如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述分配器和所述蒸发器 壳限定其间的泄漏路径，所述泄漏路径使气态制冷剂最终能够逸出所述集气室。
20. —种传送液体制冷剂和气态制冷剂通过蒸发器壳的方法，所述蒸发器壳容纳有多个热交换器管，所述方法包括将所述液体制冷剂和所述气态制冷剂传送到所述蒸发器壳的底部内； 至少暂时将所述气态制冷剂捕集在所述蒸发器壳的所述底部与所述多个热交换器管之间的集气室内；以及从所述集气室传送所述液体制冷剂并将所述液体制冷剂向上引导以浸没所述多个热交换器管中的至少一个管。
21. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括从所述蒸发器壳内释放所述蒸气态制冷剂，使得所述蒸气态制冷剂以一定 的体积流率离开所述蒸发器壳；以及使所述集气室内的至少一些所述气态制冷剂能够以一定的体积泄漏率泄 漏出所述集气室，使得从所述集气室泄漏的所述气态制冷剂可与所述多个热交 换器管进行热交换，其中所述蒸气态制冷剂离开所述集气室的所述体积泄漏率 小于所述气态制冷剂离开所述蒸发器壳的所述体积流率。
22. 如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括形成横过所述多个 热交换器管的上部液体/蒸气制冷剂液面。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述集气室内的所述气态 制冷剂处于比所述集气室上方的所述气态制冷剂高的压力下。
24. —种传送液体制冷剂和气态制冷剂的混合物通过蒸发器壳的方法，所 述蒸发器壳容纳有多个热交换器管，所述方法包括将液体制冷剂和气态制冷剂的所述混合物传送到所述蒸发器壳的底部内， 其中所述混合物在进入所述蒸发器壳时有至少90体积。^的气态制冷剂；至少暂时将所述气态制冷剂捕集在所述蒸发器壳的所述底部与所述多个 热交换器管之间的集气室内；以及从所述集气室传送所述液体制冷剂并将所述液体制冷剂向上朝向所述多 个热交换器管引导。
25. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括从所述蒸发器壳内释放所述蒸气态制冷剂，使得所述蒸气态制冷剂以一定 的体积流率离开所述蒸发器壳；以及使所述集气室内的至少一些所述气态制冷剂能够以一定的体积泄漏率泄 漏出所述集气室，使得从所述集气室泄漏的所述气态制冷剂可与所述多个热交 换器管进行热交换，其中所述蒸气态制冷剂离开所述集气室的所述体积泄漏率 小于所述气态制冷剂离开所述蒸发器壳的所述体积流率。
26. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括形成横过所述多个 热交换器管的上部液体/蒸气制冷剂液面。
27. 如权利要求24所述的方法，其特征在于，所述集气室内的所述气态 制冷剂处于比所述集气室上方的所述气态制冷剂高的压力下。
全文摘要
一种制冷剂系统的壳管式蒸发器，包括制冷剂入口分配器，所述分配器捕集一团气态制冷剂来代替所述蒸发器管束下面的液体制冷剂，由此减少蒸发器内制冷剂的总充填量。在某些实施例中，分配器包括通过中心制冷剂馈送管路互连的四个部分，该馈送管路将制冷剂成比例地分配到四个部分。
文档编号F28F27/02GK101600918SQ200780043714
公开日2009年12月9日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年1月4日
发明者B·T·沙利文, H·K·林, K·J·舒尔茨, R·M·蔻斯柏, S·J·匹兹 申请人:特灵国际有限公司