專利名稱：具有分形的管結構的熱交換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱交換器，特別是一種適合用作制冷器具中的蒸發(fā)器的熱交換 器。具有未分叉的管結構的現(xiàn)有熱交換器通常包括基板，在所述基板上連續(xù)的管蜿蜒地從 輸入連接部延伸到輸出連接部。借助于蜿蜒的精巧延伸路線，可使與熱傳遞流體的供入關 聯(lián)的溫度變化在短的時間內擴展到基板的整個表面。然而，具有的不足是，單個管的大的長 度會使得熱交換器中的熱傳遞流體的壓力出現(xiàn)陡降，從而，需要高的驅動功率循環(huán)熱傳遞 流體。蜿蜒的路線能夠使管的相鄰延伸的上游、下游的管段之間產生熱交換，這降低了熱交 換器的效率。
背景技術：
例如公知于EP1525428B1的具有分叉的管結構的熱交換器具有的優(yōu)點是，在輸入 連接部和輸出連接部之間的彼此平行延伸的熱傳遞流體的多個路徑降低了熱交換器中的 壓降。然而，該熱交換器的不足在于，熱交換功率非均勻地分布在其表面上。輸入連接部 和輸出連接部位于矩形基板的斜對角處。在輸入連接部的附近，新供入的熱傳遞流體與熱 交換器周圍的熱室之間的溫差大，且熱傳遞流體與熱室之間的熱傳遞的功率密度相應大。 溫差向著輸出連接部下降，且熱交換器的功率密度也相應地在那個方向上下降。如果從 EP5254428B1公知的熱交換器被用作制冷器具、特別是使用“冷壁”結構方法的制冷器具中 的蒸發(fā)器，則配備有熱交換器的制冷器具的壁在輸入連接部附近比輸出連接部附近明顯較 冷。在制冷器具的儲存隔間中的最終的非均勻的溫度分布可在多個位置引起過大的、而在 其他位置又引起不足的待制冷的物品的冷卻。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種具有二維分叉的管結構的熱交換器，在用于制冷器具的 情況下，所述熱交換器能夠使冷卻能力相應地在熱交換器的表面上或在配備有熱交換器的 制冷器具的壁上更均勻地分布。上述目的通過一種用于熱傳遞流體的具有二維分叉的管結構的熱交換器實現(xiàn)，所 述熱交換器在輸入連接部與輸出連接部之間包括多個分叉點和匯合點，至少大部分匯合點 設置在管結構的外邊緣區(qū)域中，且經由在邊緣區(qū)域中延伸的收集管被連接起來。從而，新 供入到熱交換器的制冷劑首先冷卻熱交換器的中心區(qū)域，并從那里向外擴展到邊緣區(qū)域。 從而，可能的溫度梯度不會對角地、即在管結構的最大尺寸上延伸，而是產生這樣的溫度分 布，其中，溫度從被最強烈冷卻的中心區(qū)域沿不同的方向向著邊緣區(qū)域增大。因此，最熱的 點和最冷的點之間的距離與具有分叉的管結構的傳統(tǒng)的熱交換器的情況相比明顯較小，且 冷卻能力的最終的非均勻的分布由于最熱和最冷位置之間的距離的減小而對制冷器具的 儲存隔間具有較小的影響。有利地，所有匯合點設置在管結構的外邊緣區(qū)域中。邊緣區(qū)域中的收集管優(yōu)選延伸到輸入連接部，使得輸入連接部可以本身從具有未
3分叉的管結構的熱交換器公知的方式被實施為在輸出連接部內延伸。這簡化了熱交換器在 制冷器具中的安裝，因為與通到制冷劑回路的其他部分的管的連接僅在熱交換器的一個位 置處是必須的。分叉的管結構在輸入連接部與輸出連接部之間限定出多個路徑。如果這些路徑的 最細的位置限定出管結構的邊緣區(qū)域與包括分叉點的中心區(qū)域之間的分界線，則分界線優(yōu) 選形成至少大致封閉的曲線，使得相對較熱的邊緣區(qū)域完全或幾乎完全包圍被更強烈冷卻 的中心區(qū)域。形成分界線的曲線的敞開位置可位于輸入連接部處，特別是如果輸入連接部設置 在二維分叉的管結構的邊緣上。如果輸入連接部設置在管結構的內部中，則分界線還可形成完全封閉的曲線。輸入連接部和輸出連接部之間的不同路徑不必都具有相同的長度。為了防止制冷 劑優(yōu)選經由最短的路徑流動，路徑越短，路徑的最細位置優(yōu)選越細。如果上述輸入連接部包括在輸出連接部內延伸的管，則有利地，路徑的最細位置 越細，最細位置距離輸入連接部就越近。分別連接上游、下游的分叉點的兩個相鄰的管段之間的距離優(yōu)選大于將其中一個 下游的分叉點與更下游的分叉點或匯合點連接起來的兩個相鄰的管段之間的距離大。換言 之，管段之間的距離變得越來越小，管結構越多地分叉。此外，將更上游的分叉點與更下游 的分叉點連接起來的管段的橫截面比從該下游的分叉點引出的管段的橫截面大。上述兩種 措施有助于隨著管結構的分叉的增加而提高熱交換的效率。這些措施的目的是使管結構上 的溫度分布更均勻。盡管在普通的未分叉的管的情況下在管中循環(huán)的熱傳遞流體與管周圍 的熱室之間的溫差在管的長度上按指數(shù)減輕，但可借助于上述措施在路徑的長度上實現(xiàn)更 類似于熱傳遞流體和熱室的溫度的線性平衡的溫度分布，從而，總體上使熱交換功率在管 結構的尺度上更均勻地分布。將輸入連接部與輸出連接部連接起來的每個路徑的最細位置優(yōu)選位于連接分叉 點與匯合點的管段中。因為匯合點均位于收集管上，因此直到熱交換器的邊緣區(qū)域均可保 持高的熱交換功率。


下面，通過參看附圖描述示例性實施例，將顯見本發(fā)明的進一步的特征和優(yōu)點。圖1示出了基于植物葉子的情形的本發(fā)明的熱交換器的基本原理以及蒸發(fā)器的 示意圖；圖2示出了具有矩形基板的本發(fā)明的蒸發(fā)器；圖3示出了圖2的蒸發(fā)器的改型；以及圖4以示意性三維圖示示出了具有中心注入結構的本發(fā)明的蒸發(fā)器。
具體實施例方式在圖1所示的植物葉子1中，在利用最小能量的情況下通過葉脈2的網絡將經由 葉柄供給的水分配到葉子的所有細胞的問題經過數(shù)百萬年的進化已得到解決。葉脈2的系 統(tǒng)包括主軸3，所述主軸沿直線從葉柄延續(xù)，在主軸長度上或在主軸根部上分布的子葉脈4從所述主軸形成。隨著距離主軸3的距離的增大，子葉脈4分叉一次或多次。圖1中示意性示出的熱交換器11采用植物葉子1的分叉的管結構，但與植物葉子 1的根本區(qū)別在于，在輸入連接部12處供入的熱傳遞流體不能像供給葉子1的水那樣蒸發(fā) 掉，而必須經由輸出連接部13再傳送走。然而，植物葉子1的流動促進葉脈結構可移植給 熱交換器11，其中，收集管14作為熱交換器的管結構的外邊緣設置。熱交換器11的管結構可被描述為樹結構，所述樹結構具有要直接連接到輸入連 接部的第一級15的一個分叉點、第一級16的多個管段，所述第一級的多個管段將第一級的 分叉點與第二級17的分叉點連接，第二級18的多個管段又分別從所述第二級17的分叉點 引出。該分叉繼續(xù)，直到最后一級的管段在收集管14中的接合點19處形成。最后一級的 管段在各種情況下可以是第二級18的管段、第四級20的管段或任何其他級的管段。從第η級的分叉點引出的第η級的管段的自由橫截面分別小于通到所述分叉點的 第η-1級的相應管段的自由橫截面，盡管從分叉點引出的第η級的管段的橫截面的總和大 于第η-1級的引入的管段的橫截面，使得在管段中循環(huán)的制冷劑的流速隨著管段的級的增 加而下降。由于以上原因以及由于相同的較低級的相鄰管段之間的間隙按平均計算比較高 級的相應間隙大，從而確保制冷劑與周圍環(huán)境之間的熱交換的強度隨著管段的級的增大而 增加。由于局部上熱交換功率與制冷劑與周圍環(huán)境之間的溫差直接成比例，因此，在具有小 橫截面的管的假定的未分叉的熱交換器的情況下，不考慮對流加熱，制冷劑的溫度在管的 長度上以指數(shù)方式與環(huán)境的溫度均衡，從而，更下游的管段與接近輸入連接部的相同長度 的管段相比對總的交換功率貢獻小很多。在本發(fā)明的熱交換器的情況下，一方面管隨著級 的增大分叉得更多、另一方面總橫截面也隨著級的增大而增大，從而使得在較高級的管段 中制冷劑的流速更低，因此，熱交換功率的分布在熱交換器的尺度上變得均勻。收集管14從與連接部12、13相對的管結構的末端21到輸出連接部13以橫截面 逐漸增大的兩個弓彎部延伸。收集管14的這兩個弓彎部可在末端14處連接，但這不是必 須的。圖2示出了本發(fā)明的熱交換器11的頂視圖，其可用作制冷器具中的蒸發(fā)器。蒸 發(fā)器的管結構以本身公知的方式形成，其中，兩個板，一個平板和一個其中壓印出管結構的 板，彼此平齊地連接。輸入連接部12在此包括毛細管22，所述毛細管22在從輸出連接部13 引出的吸管23內延伸，以便預冷卻經由毛細管22供給的成液體形式的制冷劑，所述毛細管 22與在吸管23中循環(huán)的氣態(tài)制冷劑熱接觸。毛細管22通到大橫截面的第0級24的管段 中，制冷劑在所述管段中蒸發(fā)，從而冷卻。以與圖1中的熱交換器11類似的方式，制冷劑在 從管段24越來越多地分叉的管結構中擴展，所述管結構的管段16、18…隨著它們的級的增 加變得越來越細且彼此越來越接近。從同一分叉點例如15、17引出的管段根據(jù)要經由相應 的管段提供的熱交換表面部分的尺寸可具有不同的橫截面。因此，例如，形成主葉脈的部分 的管段始終比同一級的子葉脈的橫截面粗。在制冷劑可在輸入和輸出連接部12、13之間流 通的每個路徑上，管中最細的位置或最細的管段位于沿著熱交換器的整個邊緣延伸的收集 管14的緊鄰上游。如果不同路徑的最細位置彼此連接，如此獲得的在圖2中以虛線表示的 曲線25形成蒸發(fā)器的中心區(qū)域26與邊緣區(qū)域27之間的分界線，高效的熱交換在所述中心 區(qū)域中進行，所述邊緣區(qū)域的溫度基本上與環(huán)境溫度相符，從而對蒸發(fā)器的總的冷卻功率僅有小的貢獻。圖3示出了熱交換器的一個變型，其中，管結構的幾何形狀與圖2的熱交換器中的 幾何形狀基本相同，但給送液體制冷劑的毛細管22與吸管23分開地設置，且在從上方觀看 的圖2的透視圖中橫過具有壓印的管結構的熱交換器板并進入第0級24的管段中。在此， 中心區(qū)域26與邊緣區(qū)域27之間的分界線25可限定為封閉曲線，即，高效冷卻的中心區(qū)域 26完全被不太高效的邊緣區(qū)域27包圍。該結構原理的進一步的改進以示意性三維視圖示于圖4中。毛細管22居中地從 上方通到第一級15的分叉點，該分叉點形成蒸發(fā)器板的幾何中心點。第一級16的四個管 段從該分叉點15引出，所述四個管段分別提供了由虛線彼此分界的熱交換器的三角形子 表面。較高級的分叉點的、和連接這些分叉點的管段的位置根據(jù)從EP1525428B1公知的算 法確定，其中，當然由于算法應用的表面是三角形而不是現(xiàn)有技術中的矩形，因此最高級的 所有管段不是以傳統(tǒng)方式成對地集合在一起而是通到沿著熱交換器的整個邊緣延伸的收 集管14中。
權利要求
一種用于熱傳遞流體的具有二維分叉的管結構的熱交換器(11)，所述熱交換器在輸入連接部(12)與輸出連接部(13)之間包括多個分叉點和匯合點(15，17，19)，其特征在于，至少大部分匯合點(19)設置在管結構的外邊緣區(qū)域(27)中，且經由在邊緣區(qū)域(27)中延伸的收集管(14)被連接起來。
2.如權利要求1所述的熱交換器，其特征在于，所有匯合點(19)設置在管結構的外邊 緣區(qū)域(27)中。
3.如權利要求1或2所述的熱交換器，其特征在于，輸入連接部(12)包括在輸出連接 部(13，23)內延伸的管(22)。
4.如權利要求1-3中任一所述的熱交換器，其特征在于，管結構在輸入連接部(12)與 輸出連接部(13)之間限定出多個路徑，且這些路徑的最細的位置限定出管結構的邊緣區(qū) 域(27)與中心區(qū)域(26)之間的分界線(25)，所述中心區(qū)域包括分叉點(15，17)，且分界線 (25)形成至少大致封閉的曲線。
5.如權利要求3和4所述的熱交換器，其特征在于，形成分界線的曲線(25)的敞開位 置位于輸入連接部(12)處。
6.如權利要求4所述的熱交換器，其特征在于，分界線形成完全封閉的曲線(25)，且輸 入連接部(12)設置在管結構的內部中。
7.如權利要求4-6中任一所述的熱交換器，其特征在于，路徑的最細位置越細，路徑就 越短。
8.如權利要求3所述的熱交換器，其特征在于，管結構在輸入連接部和輸出連接部之 間限定出多個路徑，且路徑的最細位置越細，最細位置距離輸入連接部(12)就越近。
9.如前面權利要求中任一所述的熱交換器，其特征在于，分別連接上游、下游的分叉點 (15，17)的兩個相鄰的管段(16)之間的距離大于將其中一個下游分叉點(17)與更下游的 分叉點或匯合點(19)連接起來的兩個相鄰的管段(18)之間的距離大。
10.如前面權利要求中任一所述的熱交換器，其特征在于，將上游的分叉點(15)與下 游的分叉點(17)連接起來的管段(16)的橫截面比從該下游的分叉點(17)引出的每個單 獨的管段(18)的橫截面大。
11.如前面權利要求中任一所述的熱交換器，其特征在于，將上游的分叉點(15)與下 游的分叉點(17)連接起來的管段(16)的橫截面比從該下游的分叉點(17)引出的管段 (18)的橫截面的總和小。
12.如權利要求9、10或11所述的熱交換器，其特征在于，將輸入連接部(12)與輸出 連接部(13)連接起來的每個路徑在分叉點與匯合點(19)之間延伸的管段中具有最細的位 置。
13.如權利要求11所述的熱交換器，其特征在于，匯合點(19)均位于收集管(14)上。
全文摘要
公開了一種用于熱傳遞流體的具有二維分叉的管結構的熱交換器(11)。分叉的管結構在輸入連接部(12)與輸出連接部(13)之間包括多個分叉點和匯合點(15，17，19)。所有匯合點(19)均設置在管結構的外邊緣區(qū)域(27)中，且經由在邊緣區(qū)域(27)內延伸的收集管(14)被連接起來。
文檔編號F28F3/12GK101932899SQ200980103515
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月14日 優(yōu)先權日2008年1月29日
發(fā)明者T·拉普琴科 申請人:Bsh博世和西門子家用器具有限公司