具有低压降分配管的热泵热交换器的制造方法
【专利摘要】一种热泵热交换器，包括：第一歧管、与第一歧管隔开的第二歧管、液压地连接歧管的多根冷却剂管和配置在第一歧管中的分配管。该分配管包括进口端、相对于进口端的远端、进口端和远端之间的多个孔口。分配管也包括直接邻近远端的端孔，其中端孔的过流面积比孔口过流面积的任何一个都大。端孔的过流面积足够大，以在蒸发模式中，以可接受最小压降提供均匀的冷却剂收集，但是端孔的过流面积又足够小，以防止冷凝器模式中蒸汽溢流至邻近远端的歧管的区域。分配管的长度小于第一歧管长度的3/4。该热泵热交换器用以提供更低的出口压降和贯穿芯体的均匀冷却剂分配。
【专利说明】具有低压降分配管的热泵热交换器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年11月16日提交的，标题为“HEAT EXCHANGER HAVING A LOWPRESSURE DROP OUTLET COLLECTOR”(具有低压降出口收集器的热交换器)的美国临时申请序列号61/727，173的权益，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种热泵热交换器；更具体地涉及一种具有分配管的热泵热交换器。【背景技术】
[0004]已知家用和商业空气调节装置和热泵系统采用改进自动热交换器，作为热泵热交换器，该自动热交换器由于具有高热转换效率、耐用性和相对易于制造性。传统的自动热交换器通常包括进口歧管、出口歧管和液压地连接歧管以使冷却剂在其间流动的多根冷却剂管。波状散热片使邻近的冷却剂管互相连接，以增大可用的热转换面积，以及提高热交换器的结构整体性。该热交换器的芯体由冷却剂管和互相连接的波状散热片限定。
[0005]热泵热交换器，也称为热泵盘管，能够起蒸发器和冷凝器的作用。热泵系统通常包括两个热泵热交换器，一个位于室外，另一个位于室内。当热泵系统处于制冷模式时，室内热泵热交换器就以蒸发器模式运行，并且室外热泵交换器以冷凝器模式运行。相反地，当热泵系统处于制热模式时，室内热泵热交换器就以冷凝器模式运行，并且室外热泵盘管以蒸发器模式运行。
[0006]为了满足家用和商业应用的需求，就必须因此增大热泵热交换器芯体的尺寸，这继而显著地增大进口和出口歧管的长度。对于以蒸发器模式运行的热泵热交换器而言，歧管长度增大趋向于导致通过冷却剂管的冷却剂分配不当。由于液相和气相之间巨大的质量差，动量和重力的影响能够导致进口歧管中的各相分离，并且导致流经冷却剂管的冷却剂分配不良。冷却剂的分配不良使蒸发器性能退化，并且能够导致芯体温度分布不均匀。
[0007]为了帮助提供通过冷却管的均匀冷却剂分配，在进口歧管内布置具有多个均匀间隔孔口的进口分配器，以在进口歧管的整个长度上分配两种相态的冷却剂。类似地，在出口歧管内布置具有多个均匀间隔孔口的出口收集器，以收集出口歧管整个长度上的蒸汽冷却齐U。由于冷却剂处于汽相，所以其体积、蒸汽速度和沿出口歧管或者出口收集器所产生的压降都比其保持在液相时高得多。
[0008]由于限制冷却剂流动而引起冷却剂流量分配不当，和升高芯体进口压力和温度两者，所以出口收集器中的出口压降降低性能。因此，仍存在对如下一种热泵热交换器的需求，其具有改进出口收集器，以提供更低的出口压降和贯穿芯体的均匀冷却剂分配。
【发明内容】
[0009]本发明涉及一种热泵热交换器，该热泵热交换器具有第一歧管、与第一歧管间隔的第二歧管、液压地连接歧管的多根冷却剂管和布置在第一歧管中的分配管。该分配管包括进口端、与进口端相对的远端、进口端和远端之间的多个孔口。该分配管也包括直接邻近该远端的端孔，其中该端孔的端孔过流面积比任何一个孔口过流面积都大。端孔过流面积足够大，以在蒸发模式中以可接受的最小压降提供均匀的冷却剂收集；但是端孔过流面积又足够小，以在冷凝器模式中，防止蒸汽溢流至远端附近的歧管区域。分配管的长度小于第一歧管长度的3/4。
[0010]优选地，端孔的过流面积与其它孔口的总过流面积的比率等于歧管长度减去分配管长度与分配管长度的比率，以下列等式表不:
[0011 ][面积端孔/总面积孔口 ]=
[0012][[长度歧管_长度分配管I/ [长度分配管11
[0013]其中:
[0014]面积端孔=端孔的过流面积；
[0015]总面积孔口 =孔口过流面积的总和；
[0016]长度歧管=歧管的长度；
[0017]长度分改进分配管的长度。
[0018]当起出口收集器作用时，改进分配管的设计就提供与全长度分配管设计类似的冷却剂分配，但是通过减少出口歧管压降，提高了蒸发器性能高达15%。当热泵热交换器以其中改进分配管起进口分配器作用的冷凝器模式运行时，改进分配管具有(如果存在)最小不利影响。
[0019]在下文所述的附图中描述了优选实施例；然而，不脱离本发明的精神和范围，能够对其做出各种其它变型和可替代设计与构造。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]将参考附图进一步描述本发明，其中:
[0021]图1示出具有本发明的分配管的热泵热交换器实施例的横截面图。
[0022]图2示出本发明的分配管的实施例。
[0023]图3示出沿线3-3截取的图2的分配管的横截面图。
【具体实施方式】
[0024]图1示出本发明的示例热泵热交换器100，该热泵热交换器取决于热泵系统是否处于制冷或者加热模式，起蒸发器和冷凝器的作用。在现有技术中，热泵热交换器也被称为热泵盘管。热交换器组合100包括第一歧管102、第二歧管104和液压地连接歧管102、104的多根冷却剂管106。冷却剂管106包括相对的敞开端107，这些敞开端被插入沿歧管102、104布置的相应管狭槽109中，以使冷却剂在歧管102、104之间流动。在邻近的冷却剂管106之间布置多个散热片108，以促进冷却剂管106内流动的冷却剂与流经冷却剂管106和散热片108的外界空气流之间的热交换。歧管102、104、冷却剂管106和散热片108都由可进行铜焊的导热材料形成，优选铝合金。组装这些组件，然后将其铜焊成整体热泵热交换器100。
[0025]如图所示，第一歧管102相对于重力方向处于第二歧管104之上；因此，第一歧管102也被称为上歧管102，并且第二歧管104被称为下歧管104。在蒸发器模式中，二相冷却剂从下歧管104流动至上歧管102，随着冷却剂膨胀为低压蒸汽冷却剂，就从外界空气流吸收热。在冷凝器模式中，高压蒸汽冷却剂从上歧管102流动至下歧管104，同时随着蒸汽冷却剂冷凝成高压液体冷却剂，就向外界空气流散热。换句话说，当热泵热交换器100处于蒸发器模式时，上歧管102为出口歧管102，并且当热泵热交换器100处于冷凝器模式时，上歧管102就为进口歧管。
[0026]由于制热和制冷负荷需求更高，所以家用和商业热交换器需要通常为传统自动歧管长度3-8倍长的歧管102、104。这显著地增加了歧管102、104的长度。已知在歧管102、104中的任一或者两者中使用分配管，以便改进穿过冷却剂管106的冷却剂分配。传统的分配管通常包括圆柱状空心管，该空心管具有沿其长度间隔的多个孔口，并且基本延伸歧管102、104的全部长度。进口歧管中使用的分配管被称为进口分配器，并且出口歧管中使用的分配管被称为出口收集器。
[0027]进口分配器被配置成沿进口歧管的长度均匀地传送部分膨胀的二相冷却剂。在实践中，进口分配器的容量由该进口分配器的横截面面积产生的压降限制。理论上，进口分配器产生的总压降不影响蒸发器的性能，但是在实践中，沿进口歧管的压降通过限制沿该进口歧管向下流动的冷却剂流量限制性能。同样地，出口收集器被配置成沿该出口歧管的长度均匀地收集膨胀的气态冷却剂。因为在这个点上，膨胀的冷却剂主要为蒸汽，所以由于体积增大，速度和所产生的压降会高得多。增大的出口压降通过限制冷却剂流量降低性能，由此引起穿过冷却剂管的冷却剂流量分配不当，并且提高了热交换器进口压力和温度。
[0028]传统的热泵热交换器包括全长度分配管，其约与歧管的长度相同，分配管具有独特孔，也称为孔口。如上所述，当处于蒸发器模式时，上歧管就起出口歧管的作用，并且相关的分配管就起出口收集器的作用。意外地发现，布置在上歧管中的传统全长度分配管可被替换为改进分配管200，该分配管延伸长度仅为上歧管的一部分长度，约为1/3-1/4。当起出口收集器的作用时，该改进分配管设计提供与全长度分配管设计类似的冷却剂分配，但是通过降低出口歧管的压降，提高蒸发器的性能高达15%。也意外地发现，当热泵热交换器100以其中改进分配管200起进口分配器的作用的冷凝器模式运行时，改进分配管200具有(如果存在)最小不利影响。
[0029]图2示出用于热泵热交换器100的改进分配管200的实施例的仰视图，当热交换器以蒸发器模式运行时，分配管200就起出口收集器的作用，并且当热交换器以冷凝器模式运行时，分配管200就起进口分配器的作用。分配管200包括进口端214、相对于进口端214的封闭远端216和两者之间的多个孔口 206。多个孔口 206可沿分配管200的长度以直线阵列布置，并且朝着冷却剂管106定向。分配管也包括直接邻近封闭远端216的端孔220。端孔220也可由非封闭远端216限定，在非封闭远端216中，端孔220垂直于重力方向定向。示出分配管200的长度沿轴线B延伸，轴线B大体与歧管轴线A平行。分配管200的长度可小于出口歧管长度的3/4。
[0030]端孔220的过流面积的尺寸足够大，以在蒸发模式中，以可接受的最小压降提供贯穿歧管的均匀冷却剂收集；但是又足够小，以在冷凝器模式中，防止蒸汽溢流至邻近分配管200远端216的歧管区域。
[0031]优选地，端孔220的过流面积与其它孔口 206的总过流面积的比等于歧管长度减去分配管长度与分配管长度的比率，以下列等式表示:[0032][面积/总面积孔口]=
[0033][[长度歧管_长度分配管I/ [长度分配管11
[0034]其中:
[0035]面积端孔=端孔220的过流面积；
[0036]总面积孔口 =孔口 206过流面积的总和；
[0037]长度歧管=歧管102的长度；
[0038]长度=改进分配管200的长度。
[0039]图3示出分配管200的横截面，其中分配管200的底部222向内弯曲，以限定月牙形横截面。改进分配管200提供了一种在热交换器中提高冷却剂分配、传热性能和出口空气温度分配的装置，在热泵应用中，该热交换器被用作蒸发器和冷凝器两者。这种改进提供了这样一种分配管200设计，其在蒸发器和冷凝器两种模式中，都均匀地分配冷却剂，通过降低冷却剂压降改进蒸发器模式性能，并且降低了材料成本。
[0040]虽然已经根据其优选实施例描述了本发明，但是无意如此限制本发明，而是仅限于以下权利要求中提出的范围。
【权利要求】
1.一种热泵热交换器(100)，包括: 第一歧管(102)； 第二歧管(104)，所述第二歧管(104)与所述第一歧管(102)隔开； 多根冷却剂管(106)，所述多根冷却剂管(106)将所述第一歧管(102)液压地连接至所述第二歧管(104);以及 分配管(200)，所述分配管(200)被配置在所述第一歧管(102)中，其中所述分配管(200 )包括进口端(214 )、相对于所述进口端(214 )的远端(216)、所述进口端(214 )和所述远端(216)之间的多个孔口(206)和直接邻近所述远端(216)的端孔(220)； 其中所述分配管(200)的长度小于所述第一歧管(102)的长度； 其中所述多个孔口(206)的每个都包括孔口过流面积，和 其中所述端孔(220)的过流面积比所述孔口过流面积的任何一个都大。
2.根据权利要求1所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述端孔(220)在所述多个孔口( 206 )和所述远端(216 )之间。
3.根据权利要求1所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述端孔过流面积足够大，以在蒸发模式中，以可接受最小压降提供均匀的冷却剂收集，但是所述端孔过流面积又足够小，以防止冷凝器模式中蒸汽溢流至所述歧管(102)邻近所述远端(216)的区域。
4.根据权利要求1所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述端孔(220)由所述远端(216)限定。
5.根据权利要求1所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，具有:所述端孔的过流面积与所述孔口过流面积总和的比率等于所述歧管(102)长度减去分配管(200)长度与分配管(200)长度的比率，以下列等式表示: [面积端孔/总面积孔口]= [[?歧管_分配管]/ [ ?分配管]] 其中: 面积sa =端孔的过流面积； 总面积^ 口 =孔口过流面积的总和； 长度=歧管(102)的长度； 长度=分配管(200)的长度。
6.根据权利要求1所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述端孔(220)的端孔过流面积大于所述孔口过流面积的总和。
7.根据权利要求1所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述分配管(200)的长度小于所述第一歧管(102)长度的3/4。
8.根据权利要求5所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，关于重力方向，所述第一歧管(102)为上歧管(102)，而所述第二歧管(104)为下歧管(104)。
9.根据权利要求8所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述多个所述孔口(206)沿所述多根冷却剂管(106)的方向定向。
10.根据权利要求9所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述端孔(220)沿所述多根冷却剂管(106)的方向定向。
11.一种热泵热交换器(100 )包括:第一歧管(102)； 第二歧管(104)，所述第二歧管(104)与所述第一歧管(102)隔开； 多根冷却剂管(106)，所述多根冷却剂管(106)将所述第一歧管(102)液压地连接至所述第二歧管(104);以及 分配管(200)，所述分配管(200)被配置在所述第一歧管(102)中，其中所述分配管(200 )包括进口端(214 )、相对于所述进口端(214 )的远端(216)、所述进口端(214 )和所述远端(216)之间的至少一个孔口(206)和直接邻近所述远端(216)的端孔(220)； 其中所述分配管(200)的长度小于所述第一歧管(102)的长度； 其中所述至少一个孔口(206)的每个都包括孔口过流面积，以及 其中所述端孔(220)包括端孔过流面积；以及 其中所述端孔过流面积与所述孔口过流面积总和的比率等于所述歧管(102 )长度减去分配管(200)长度与分配管(200)长度的比率，以下列等式表示: [面积端孔/总面积孔口]= [[?歧管_分配管]/ [ ?分配管]] 其中: 面积sa =端孔的过流面积； 总面积^ 口 =孔口过流面·积的总和； 长度=歧管(102)的长度； 长度=分配管(200)的长度。
12.根据权利要求11所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述分配管(200)的长度小于所述第一歧管(102)长度的3/4。
13.根据权利要求11所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，关于重力方向，所述第一歧管(102)为上歧管(102)，而所述第二歧管(104)为下歧管(104)。
14.根据权利要求13所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述多个所述孔口(206)沿所述多根冷却剂管(106)的方向定向。
15.根据权利要求14所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述端孔(220)沿所述多根冷却剂管(106)的方向定向。
16.一种热泵热交换器(100)包括: 第一歧管(102)； 第二歧管(104)，所述第二歧管(104)与所述第一歧管(102)隔开； 多根冷却剂管(106)，所述多根冷却剂管(106)将所述第一歧管(102)液压地连接至所述第二歧管(104);以及 分配管(200)，所述分配管(200)被配置在所述第一歧管(102)中，其中所述分配管(200)包括进口端(214)、相对于所述进口端(214)的远端(216)以及所述进口端(214)和所述远端(216)之间的至少一个孔口(206)； 其中所述分配管(200)的长度小于所述第一歧管(102)的长度；以及 其中所述远端(216)限定端孔(220)。
17.根据权利要求16所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述分配管(200)的长度小于所述第一歧管(102)长度的3/4。
18.根据权利要求16所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，关于重力方向，所述第一歧管(102)为上歧管(102)，而所述第二歧管(104)为下歧管(104)。
19.根据权 利要求16所述的热泵热交换器(100)，其特征在于，所述端孔(220)垂直于重力方向定向。
【文档编号】F25B39/00GK103822406SQ201310573387
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年11月15日 优先权日:2012年11月16日
【发明者】夏燕萍, R·S·约翰逊 申请人:德尔福技术有限公司