CN115111953A

CN115111953A - 微通道换热器

Info

Publication number: CN115111953A
Application number: CN202210261186.0A
Authority: CN
Inventors: A·乔达尔; T·H·西内尔
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2022-09-27
Also published as: US12111120B2; US20220299272A1; EP4060275A1

Abstract

本发明涉及微通道换热器，具体而言一种用于在换热器中使用的换热管包括：第一鼻部和第二鼻部，其在沿着换热管的宽度的轴线上对准；端部端口，其与第一鼻部紧邻；其中，端部端口具有非圆形、多边形形状。

Description

微通道换热器

背景技术

本公开涉及换热器的领域。更特别地，本公开涉及微通道换热器。

微通道换热器已作为用于HVAC应用的有效传热设备出现在市场上。微通道换热器中的换热管的重量对总成本造成很大的影响。然而，减少在换热管中使用的材料的量可能对换热器的爆裂压力造成负面影响。

发明内容

根据实施例，一种用于在换热器中使用的换热管包括：第一鼻部和第二鼻部，其在沿着换热管的宽度的轴线上对准；端部端口，其与第一鼻部紧邻；其中，端部端口具有非圆形、多边形形状。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中端部端口是矩形的。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中端部端口的与第一鼻部紧邻的内侧具有零曲率。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中端部端口具有在从0.1至10的范围内变动的、宽度与高度的纵横比。

根据另一个实施例，一种用于在换热器中使用的换热管包括：第一鼻部和第二鼻部，其在沿着换热管的宽度的Y轴线上对准；端部端口，其与第一鼻部紧邻；第一内部端口，其定位于第一鼻部与第二鼻部之间；第二内部端口，其定位于第一鼻部与第二鼻部之间；第一内部端口具有沿着与Y轴线垂直的Z轴线具有第一厚度B2的壁；第二内部端口具有沿着Z轴线具有第二厚度B1的壁；其中，第一厚度大于第二厚度。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中第一内部端口与端部端口紧邻。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括另外的第一内部端口，另外的第一内部端口具有沿着Z轴线具有第一厚度B2的壁。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中第一内部端口和另外的第一内部端口沿着Y轴线定位于第二内部端口的相反侧上。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括另外的第二内部端口，另外的第二内部端口具有沿着Z轴线具有第二厚度B1的壁。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中第一内部端口、第二内部端口、另外的第二内部端口以及另外的第一内部端口沿着Y轴线依次布置。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中B2/B1的比率在从1.01至E/(2B1)的范围内变动，其中，E是换热管的沿着Z轴线的高度。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中B2/B1的比率在从1.1至1.5的范围内变动。

根据另一个实施例，一种用于在换热器中使用的换热管包括：第一鼻部和第二鼻部，其在沿着换热管的宽度的Y轴线上对准；端口，其定位于第一鼻部与第二鼻部之间；端口沿着与Y轴线垂直的Z轴线具有内部端口高度；其中，内部端口高度沿着Y轴线变化，以在端口中限定喉部。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中内部端口高度沿着Y轴线增大和减小。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中端口的内表面是V状的。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中端口的内表面是弯曲的。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中内部端口高度如沿着Y轴线测量的那样在端口的中心处具有最小值。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中内部端口高度如沿着Y轴线测量的那样具有自端口的中心起的最小偏移。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中端口具有沿着Y轴线测量的宽度C，并且，内部端口高度在距端口的侧壁的距离K处具有最小值，其中，K在从0.1xC至0.9xC的范围内变动。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中K在从0.4xC至0.6xC的范围内变动。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中内部端口高度具有D1的最大值和D2的最小值，其中，D2在从0.1xD1至0.98xD1的范围内变动。

除了本文中所描述的特征中的一个或多个之外或作为备选方案，另外的实施例可以包括其中D2在从0.65xD1至0.85xD1的范围内变动。

本公开的实施例的技术效果包括一种换热器，该换热器包括使用减少的材料并且满足爆裂强度要求的换热管。

除非另外明确地指示，否则前文的特征和元件可以无排他性地组合成各种组合。这些特征和元件以及其操作将鉴于以下的描述和附图而变得更明显。然而，应当理解的是，以下的描述和附图旨在本质上为说明性的和解释性的而非限制性的。

附图说明

以下的描述不应当以任何方式被认为是限制性的。参考附图，相似的元件相似地编号：

图1描绘蒸汽压缩循环；

图2描绘示例性实施例中的换热器；

图3是示例性实施例中的换热管和翅片的横截面视图；

图4是示例性实施例中的换热管的横截面视图；

图5是示例性实施例中的换热管的横截面视图；

图6是示例性实施例中的换热管的横截面视图；

图7是示例性实施例中的换热管的横截面视图；

图8是示例性实施例中的换热管的横截面视图；

图9描绘示例性实施例中的端口壁上的力；以及

图10是示例性实施例中的换热管的横截面视图。

具体实施方式

所公开的设备和方法的一个或多个实施例的详细描述在本文中参考附图而通过例示而非限制的方式提出。

现在参考图1，示意性地图示了加热、通风、空气调节以及制冷(HVAC&R)系统的蒸汽压缩制冷循环20。例如，示例性HVAC&R系统包括但不限于住宅HVAC&R系统、分体式HVAC&R系统、整体式HVAC&R系统、冷冻机HVAC&R系统、屋顶HVAC&R系统、超市HVAC&R系统以及运输HVAC&R系统。制冷剂构造成通过蒸汽压缩循环20循环，以致于制冷剂当在低的温度和压力下蒸发时吸收热量，并且当在较高的温度和压力下冷凝时释放热量。

在该蒸汽压缩制冷循环20内，制冷剂沿如箭头所指示的顺时针方向流动。压缩机22从换热器24(例如，吸热换热器或蒸发器)接收制冷剂蒸汽，并且使制冷剂压缩到较高的温度和压力，其中，相对热的蒸汽然后传递到换热器26(例如，排热换热器或气体冷却器/冷凝器)，在换热器26中，制冷剂通过与诸如空气之类的冷却介质(未示出)的换热关系来冷却。制冷剂然后从换热器26传递到膨胀装置28，其中，制冷剂在传递到换热器24之前经历压降和相变。制冷剂然后传递到换热器24，在换热器24中，制冷剂通过与诸如空气之类的加热介质(未示出)的换热关系来增加焓。制冷剂然后返回到压缩机22，在压缩机22中，重复进行该循环。

现在参考图2，示出了示例性换热器30。换热器30可以充当图1的换热器24和/或换热器26。换热器30至少包括：第一歧管或集管32；第二歧管或集管34，其与第一歧管32间隔开；以及多个换热管36，其在第一歧管32与第二歧管34之间以隔开的平行关系延伸，并且使第一歧管32和第二歧管34连接。在所图示的非限制性实施例中，第一集管32和第二集管34大体上沿着第一方向取向，并且，换热管36在两个集管32、34之间大体上沿着第二方向延伸。换热管36在第一歧管32与第二歧管34之间延伸，从而具有沿着第一、纵向轴线X的长度。换热管36的宽度沿着第二、侧向轴线Y测量。换热管36的高度沿着第三轴线Z测量。长度X、Y以及Z彼此垂直。

现在参考图3，图示了换热管36的实施例的横截面视图。换热管36包括具有第一鼻部40、第二鼻部42、第一外表面44以及第二外表面46的扁平微通道换热管。第一鼻部40和第二鼻部42在Y轴线上对准。在图3的示例中，换热管36的第一鼻部40是其相应的第二鼻部42相对于穿过换热器30并且横过换热管36流动的空气流A的上游。换热管36的内部包括多个离散端口48，离散端口48遍及换热管36的长度从入口端部延伸到出口端部，并且建立第一歧管32与第二歧管34之间的流体连通。包括离散端口48的换热管36可以使用包括但不限于挤压或折叠的已知的技术和材料来形成。

多个翅片50位于换热管36之间，并且与管40表面形成冶金结合。在一些实施例中，翅片50由以带状蛇形方式折叠的连续翅片材料条形成，由此提供与换热管36大体上正交地延伸的多个紧密地隔开的翅片50。换热管36内的一种或多种流体与空气流A之间的热能交换通过换热管36的外表面44、46(其共同地形成主换热表面)的外部发生并且还通过与翅片50(其限定副换热表面)的热能交换发生。

图4是示例性实施例中的换热管60的横截面视图。图4的横截面视图在Y-Z平面上描绘换热管60。如图3中所示出的，换热管60包括第一鼻部40、第二鼻部42、第一外表面44以及第二外表面46。换热管60内部的端口包括分别与第一鼻部40和第二鼻部42紧邻的端部端口62。位于端部端口62之间的端口被引用为内部端口64。内部端口64通过腹板66来沿着Y轴线分离。图4标示本文中所使用的各种尺寸参考。

第一鼻部40和/或第二鼻部42可以是诸如半圆形或平坦之类的任何形状。第一鼻部40和第二鼻部42中的一个或两者的鼻部厚度F可以低于、高于或等于腹板66的腹板厚度G。端部端口62中的一个或两者具有大体上非圆形、多边形形状(例如，矩形、正方形)。端部端口62的与相邻的鼻部40/42紧邻的内壁具有零曲率。端部端口62中的一个或两者的非圆形形状帮助当在操作期间受到内部压力时减小换热管60上的峰值应力。

在示例性实施例中，端部端口62中的一个或两者包括具有圆状拐角或不具有圆状拐角的四边多边形。端部端口62的每条边是具有零曲率的直线。端部端口62的一个或多个内部拐角处的半径R2可以小于端口次要尺寸(例如，图4中所示出的沿着Y轴线的端部端口宽度)的20%。

所有端口(端部端口62和内部端口64两者)都具有定义为宽度(沿着Y轴线)除以高度(沿着Z轴线)的纵横比。端部端口62中的一个或两者的纵横比可能小于、等于或大于一个或多个内部端口64的纵横比。在示例性实施例中，端部端口62中的一个或两者的纵横比在从0.1至10的范围内变动。

图5是示例性实施例中的换热管70的横截面视图。图5的横截面视图在Y-Z平面上描绘换热管70。换热管70包括第一鼻部40、第二鼻部42、第一外表面44以及第二外表面46。换热管70内部的端口包括分别与第一鼻部40和第二鼻部42紧邻的端部端口72。位于端部端口72之间的端口包括如第一内部端口74和第二内部端口76。端部端口72、第一内部端口74和第二内部端口76通过腹板66来沿着Y轴线分离。第一内部端口74可以与端部端口72紧邻。图5标示本文中所使用的各种尺寸参考。

在换热管70中，端部端口72中的一个或两者具有分别面向第一鼻部40和第二鼻部42的圆状内壁。第一内部端口74具有与第二内部端口76不同的壁厚(沿着Z轴线测量)。如图5中所示出的，两个第一内部端口74具有与端部端口72和第二内部端口76相比而不同的壁厚B2。在一个实施例中，第一内部端口74的壁厚(B2)大于端部端口72和第二内部端口76的壁厚(B1)。在图5中，从第一内部端口74的内表面到第一外表面44的壁厚(B2)和从第一内部端口74的内表面到第二外表面46的壁厚(B2)两者大于端部端口72和第二内部端口76的壁厚(B1)。理解的是，从第一内部端口74的内表面到第一外表面44的壁厚(B2)和从第一内部端口74的内表面到第二外表面46的壁厚(B2)中的仅一个可能大于端部端口72和第二内部端口76的壁厚(B1)。

参考图5，D2=E-2*B2，并且，D1=E-2*B1，其中，D2是第一内部端口74的沿着Z轴线测量的高度，D1是第二内部端口76的沿着Z轴线测量的高度，E是换热管70的沿着Z轴线的高度，B2是第一内部端口74的壁厚，并且，B1是第二内部端口76的壁厚。在示例性实施例中，D2小于D1，这减小当受到内部工作压力时在换热管70上的最大主应力。

B2/B1的比率可以从1.01至E/(2B1)的上限的范围内变动。在一个示例性实施例中，B2/B1的比率在从1.1至1.5的范围内变动。

第一内部端口74的纵横比(AR)可以不同于第二内部端口76的纵横比。在一个实施例中，第一内部端口74中的一个或两者的纵横比大于端部端口72的纵横比和第二内部端口76的纵横比。而且，端部端口72中的一个或两者的纵横比小于第二内部端口76的纵横比。第一内部端口74的纵横比高于第二内部端口76的纵横比。这可以概括为AR_{端部端口72}<AR_{内部端口76}<AR_{内部端口74}。

图6是示例性实施例中的换热管80的横截面视图。图6的横截面视图在Y-Z平面上描绘换热管80。换热管80类似于图5的换热管70，其中，差异是，更多的内部端口为第一内部端口74。如图6中所示出的，沿着Z轴线具有较大壁厚的第一内部端口74不仅定位成与端部端口72相邻，而且还位于换热管80的内部中。在图6中，第一内部端口74定位于每两个第二内部端口76之后。理解的是，第一内部端口74相对于第二内部端口76的放置可能变化。第一内部端口74后接两个第二内部端口76的该模式进一步减小换热管80上的峰值应力。

图7是示例性实施例中的换热管90的横截面视图。图7的横截面视图在Y-Z平面上描绘换热管90。图7使图4和图6的元件组合。端部端口62如参考图4而描述的那样具有大体上非圆形、多边形形状(例如，矩形，正方形)。换热管90如参考图6而描述的那样包括穿插有第二内部端口76的第一内部端口74。

图4-7的实施例的尺寸可以遵循关于彼此的某些关系，在下文中在表1中呈现。该尺寸关于尺寸E(换热管的沿着Z轴线的高度)而归一化。

表1

图8是示例性实施例中的换热管100的横截面视图。图8的横截面视图在Y-Z平面上描绘换热管100。在换热管100中，如在上文中参考图5而描述的，端部端口72中的一个或两者具有分别面向第一鼻部40和第二鼻部42的圆状内壁。内部端口84具有与图4-7中的端口不同的结构。内部端口84沿着Y轴线定位于端部端口72之间。内部端口84包括具有随着内部端口84的宽度而变化的壁厚的至少一个壁。变化的壁厚B在沿着Y轴线测量的距内部端口84的内壁的距离K处产生狭窄的通路或喉部。内部端口高度(变量D)在从最小值D2至最大值D1的范围内变动。内部端口84高度沿着内部端口84的横向方向(即，沿着Y轴线)从最大值D1变成最小值D2并且变回成最大值D1。在图8中所示出的实施例中，内部端口84的内表面是V状或人字形，以致于如沿着内部端口84的横向方向(即，沿着Y轴线)测量的那样，内部端口84高度线性地减小至最小值D2，并且然后线性地增大至最大值D1。内部端口84的内表面可以遵循诸如弧之类的其它轮廓。

内部端口84可以具有对称喉部或非对称喉部。换而言之，内部端口84的内部中的最小高度D2不需要位于内部端口84的中心(例如，尺寸D2不处于尺寸“C”的中间，即，K≠C/2)。图8的尺寸可以遵循以下的关系。

K=0.1xC至0.9xC(示例性范围是0.4xC至0.6xC)

D2=0.1xD1至0.98xD1，其中，D1=E-2xB(示例性范围是0.65xD1至0.85xD1)

图8的实施例的尺寸可以遵循关于彼此的某些关系，在下文中在表2中呈现。大部分的尺寸关于尺寸E(换热管的沿着Z轴线的高度)而归一化。尺寸D2表示为D1的一小部分，而非通过尺寸E来归一化。尺寸K表示为C的一小部分，而非通过尺寸E来归一化。

表2

图9描绘示例性实施例中的内部端口84的壁上的压力。由于内部端口84的V状内表面的原因，V状壁的任一侧上的分解的压力(即，沿着Y轴线的力)的水平分量彼此抵消。结果，只有内部压力的竖直分量对于在端口壁中生成环向应力为相关的。竖直分量低于初始压力，这导致管中的较低的应力。

图10是示例性实施例中的换热管110的横截面视图。图10的横截面视图在Y-Z平面上描绘换热管110。在换热管110中，如在上文中参考图4而描述的，端部端口62中的一个或两者具有大体上非圆形、多边形形状(例如，矩形、正方形)。内部端口84具有如参考图8而描述的同一结构。图10的实施例的尺寸可以遵循关于彼此的某些关系，在上文中在表2中呈现。

本文中所公开的实施例提供如下的换热管：使用比现有的设计更少的材料，同时仍然将满足爆裂强度要求。

本申请中所使用的尺寸旨在包括所陈述的尺寸和由于制造公差、测量公差等等而导致的正常变化。

本文中所使用的用语仅仅出于描述特定实施例的目的，而不旨在限制本公开。如本文中所使用的，除非上下文清楚地另外规定，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在同样地包括复数形式。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，用语“包括(comprises和/或comprising)”指定所阐明的特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件构件和/或它们的群组的存在或添加。

虽然已参考(多个)示例性实施例而描述本公开，但本领域技术人员将理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以作出各种改变，并且，等同体可以替代其元件。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以作出许多修改，以使特定情形或材料适于本公开的教导。因此，旨在本公开不限于作为为了实施本公开而构思的最佳模式公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims

1.一种用于在换热器中使用的换热管，所述换热管包括：

第一鼻部和第二鼻部，其在沿着所述换热管的宽度的轴线上对准；

端部端口，其与所述第一鼻部紧邻；

其中，所述端部端口具有非圆形、多边形形状。

2.根据权利要求1所述的换热管，其中，所述端部端口是矩形的。

3.根据权利要求1所述的换热管，其中，所述端部端口的与所述第一鼻部紧邻的内侧具有零曲率。

4.根据权利要求1所述的换热管，其中，所述端部端口具有在从0.1至10的范围内变动的、宽度与高度的纵横比。

5.一种用于在换热器中使用的换热管，所述换热管包括：

第一鼻部和第二鼻部，其在沿着所述换热管的宽度的Y轴线上对准；

端部端口，其与所述第一鼻部紧邻；

第一内部端口，其定位于所述第一鼻部与所述第二鼻部之间；

第二内部端口，其定位于所述第一鼻部与所述第二鼻部之间；

所述第一内部端口具有沿着与所述Y轴线垂直的Z轴线具有第一厚度B2的壁；

所述第二内部端口具有沿着所述Z轴线具有第二厚度B1的壁；

其中，所述第一厚度大于所述第二厚度。

6.根据权利要求5所述的换热管，其中，所述第一内部端口与所述端部端口紧邻。

7.根据权利要求5所述的换热管，进一步包括另外的第一内部端口，所述另外的第一内部端口具有沿着所述Z轴线具有所述第一厚度B2的壁。

8.根据权利要求7所述的换热管，其中，所述第一内部端口和所述另外的第一内部端口定位于所述第二内部端口的沿着所述Y轴线的相反侧上。

9.根据权利要求7所述的换热管，进一步包括另外的第二内部端口，所述另外的第二内部端口具有沿着所述Z轴线具有所述第二厚度B1的壁。

10.根据权利要求9所述的换热管，其中，所述第一内部端口、所述第二内部端口、所述另外的第二内部端口以及所述另外的第一内部端口沿着所述Y轴线依次布置。

11.根据权利要求5所述的换热管，其中，B2/B1的比率在从1.01至E/(2B1)的范围内变动，其中，E是所述换热管的沿着所述Z轴线的高度。

12.根据权利要求11所述的换热管，其中，B2/B1的比率在从1.1至1.5的范围内变动。

13.一种用于在换热器中使用的换热管，所述换热管包括：

端口，其定位于所述第一鼻部与所述第二鼻部之间；

所述端口，其具有沿着与所述Y轴线垂直的Z轴线的内部端口高度；

其中，所述内部端口高度沿着所述Y轴线变化，以在所述端口中限定喉部。

14.根据权利要求13所述的换热管，其中，所述内部端口高度沿着所述Y轴线增大和减小。

15.根据权利要求14所述的换热管，其中，所述端口的内表面是V状的。

16.根据权利要求14所述的换热管，其中，所述端口的内表面是弯曲的。

17.根据权利要求13所述的换热管，其中，所述内部端口高度如沿着所述Y轴线测量的那样在所述端口的中心处具有最小值。

18.根据权利要求13所述的换热管，其中，所述内部端口高度如沿着所述Y轴线测量的那样具有自所述端口的中心起的最小偏移。

19.根据权利要求13所述的换热管，其中，所述端口具有沿着所述Y轴线测量的宽度C，并且，所述内部端口高度在距所述端口的侧壁的距离K处具有最小值，其中，K在从0.1xC至0.9xC的范围内变动。

20.根据权利要求19所述的换热管，其中，K在从0.4xC至0.6xC的范围内变动。

21.根据权利要求13所述的换热管，其中，内部端口高度具有D1的最大值和D2的最小值，其中，D2在从0.1xD1至0.98xD1的范围内变动。

22.根据权利要求21所述的换热管，其中，D2在从0.65xD1至0.85xD1的范围内变动。

23.一种换热器，包括根据任一项前述权利要求所述的换热管。