專利名稱：蒸發(fā)器冷卻劑分配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明涉及一殼管式熱交換器，更具體地說，涉及一種用于流體冷卻器或類似裝置的蒸發(fā)器的致冷劑分配器。
長期以來，殼管式熱交換一直用于流體冷卻器中，并且其技術(shù)也發(fā)展到了一定的高度。這種熱交換器包括一殼體，其內(nèi)有一管束。
某些殼管式熱交換器適合用作冷卻器系統(tǒng)的蒸發(fā)器。這種蒸發(fā)器通過使用換熱介質(zhì)從一需要冷卻的熱載荷處向致冷劑傳遞熱量。最后，致冷劑將它在蒸發(fā)器中吸收的熱量發(fā)射到一冷源上。有一種殼管式蒸發(fā)器稱為溢流蒸發(fā)器，其中，一管束基本浸沒在流體致冷劑中，而換熱介質(zhì)在管束內(nèi)流動(dòng)。
舉例來說，如

圖1所示，換熱回路22的管路97，其內(nèi)流有換熱流體，如水，包括換熱管20，后者位于蒸發(fā)器28的殼體24內(nèi)。管20與一需要冷卻的空間或熱載荷26流體連通。
同時(shí)，一致冷劑，如工業(yè)上稱為R-11、R-12、R-13或R-134a等，在冷卻器致冷劑回路30內(nèi)流動(dòng)?；芈?0包括蒸發(fā)器殼體24的內(nèi)部，而管20置于后者之中。
在工作過程中，致冷劑從蒸發(fā)器28流至壓縮機(jī)32，然后流過冷凝器34。致冷劑然后流回至蒸發(fā)器28的殼體24內(nèi)而完成回路30。冷凝器是為了使回路30中流動(dòng)的致冷劑與冷源36如空氣和水交換熱量，致冷劑的熱量可以散射到冷源上。從系統(tǒng)角度看，熱傳遞回路22與冷卻器致冷劑回路30合作，從熱載荷26向冷源36傳遞熱量從而冷卻熱載荷。冷卻器是用以完成熱傳遞的工具。
更具體地說，回路22中的換熱流體經(jīng)過直接與熱載荷進(jìn)行熱交換的熱傳遞表面27相接觸而被加熱，并從熱載荷26帶走熱量。被加熱的換熱流體流到蒸發(fā)器28內(nèi)的管20中。管20從傳熱流體向圍繞在蒸發(fā)器殼體24內(nèi)的管20周圍的溫度相對低的致冷劑傳遞熱量。通過這樣的熱傳遞使管20之外的致冷劑蒸發(fā)，從而使管20內(nèi)的換熱流體冷卻。溫度變低的換熱流體然后返回至熱載荷，在這里它被重新用來從熱載荷傳遞另外的熱量。
通過在蒸發(fā)器28內(nèi)發(fā)生的換熱過程產(chǎn)生的致冷劑蒸氣以相對低的壓力從蒸發(fā)器殼體24流到壓縮機(jī)32。通過壓縮機(jī)32中進(jìn)行的壓縮過程，致冷劑蒸氣的濃度增大而溫度大為升高。致冷劑從壓縮機(jī)排到冷凝器34中。
冷凝器34把從壓縮機(jī)32送來的溫度相對高的致冷劑蒸氣向溫度相對低的冷源36如常溫空氣、大地或水源傳遞熱量。流過冷凝器中的致冷劑將熱量傳遞給該冷源而冷卻致冷劑，并使蒸氣冷凝成液態(tài)。致冷劑然后從冷凝器流至膨脹裝置38而進(jìn)一步降低其溫度和壓力。致冷劑然后再流回到蒸發(fā)器28的殼體24中，供循環(huán)使用。
有些冷卻器包括一節(jié)約器40。如果采用一節(jié)約器，它將置于膨脹裝置38的上游但位于一第二或另外膨脹裝置99的下游。在這種系統(tǒng)中，另外的膨脹裝置通常置于連接冷凝器出口42和節(jié)約器殼體的管路98中，而膨脹裝置38將放在蒸發(fā)器28的入口44處。節(jié)約器本身包括一入口46，與膨脹裝置99連接；一流體出口48，與膨脹裝置38連接；和一蒸氣出口52，它聯(lián)接著壓縮機(jī)32的一中間壓力口33。
在包含有節(jié)約器的冷卻器中，壓力和溫度相對高的致冷劑從冷凝器34流至膨脹裝置99使致冷劑的溫度和壓力產(chǎn)生一第一次下降，并使一部分致冷劑“閃蒸”成氣體形式。節(jié)約器40的功能是使致冷劑在流經(jīng)膨脹裝置99時(shí)產(chǎn)生的流體和氣體部分分開。
這種致冷劑的氣體部分，其壓力在壓縮機(jī)吸氣壓力和排氣壓力之間，它被從節(jié)約器40送至壓縮機(jī)33，在將其加入正在其中經(jīng)受壓縮的低壓氣體之中則提高了壓縮過程的效率，因而也就提高了冷卻器系統(tǒng)的效率。致冷劑的流體部分從節(jié)約器送至膨脹裝置38，作為一兩相混合物將致冷劑送至蒸發(fā)器28的內(nèi)部之前在這里其壓力和溫度進(jìn)一步降低。
關(guān)于致冷劑向蒸發(fā)器28內(nèi)部的傳送和管20的換熱表面，需要將致冷劑均勻地分配在蒸發(fā)器管束的寬度長度方向上。因此，將一種致冷劑分配器54通常置于一蒸發(fā)器的下部，從而在蒸發(fā)器殼體內(nèi)接受和分配致冷劑。
人歷史上看，致冷劑分配器的截面積是恒定的，同時(shí)制造相對簡單，但將其焊接和安裝到蒸發(fā)器殼體內(nèi)部很費(fèi)工時(shí)。另外，以前的分配器依靠分配器內(nèi)部和蒸發(fā)器殼體內(nèi)部之間的壓力差相對較大來運(yùn)行。在這種分配器中為了防止致冷劑對蒸發(fā)器的管束分配不均而必需該相對大的壓力差。然而，為了獲得致冷劑分配某種程度的均勻而需要相對大的壓力差，就會(huì)降低致冷劑在冷卻器致冷劑系統(tǒng)中循環(huán)時(shí)的流動(dòng)和控制效率。
在操作過程中，當(dāng)致冷劑沿致冷劑分配器縱向流動(dòng)時(shí)，一部分致冷劑被壓力驅(qū)出位于分配器長度方向上的排孔。在以前的分配器中，質(zhì)量流率和流速沿分配器的長度方向經(jīng)常減小或無規(guī)則地波動(dòng)，即使是在分配器內(nèi)部和蒸發(fā)器殼體內(nèi)部之間的壓力差相對大時(shí)也是如此。進(jìn)而導(dǎo)致沿這種分配器長度及其中的壓力產(chǎn)生變化。內(nèi)部分配器壓力沿現(xiàn)有分配器長度方向上的這種變化通常會(huì)隨時(shí)導(dǎo)致致冷劑通過不同的分配器孔中進(jìn)入蒸發(fā)器殼體內(nèi)部的致冷劑數(shù)量不均。因此在冷卻器中循環(huán)的致冷劑量和蒸發(fā)器殼體內(nèi)可用來進(jìn)行熱交換的表面積給定時(shí)，使用這種分配器的蒸發(fā)器的換熱過程不夠有效。
另外，分配器內(nèi)的致冷劑質(zhì)量流率和流速的這種變化和無規(guī)則性，以及以前分配器內(nèi)部和其內(nèi)安裝有分配器的蒸發(fā)器殼體內(nèi)部之間的壓力差較大時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致不能切實(shí)有效地控制通過冷卻器的致冷劑回路的致冷劑。
最后，許多現(xiàn)有分配器需要在蒸發(fā)器內(nèi)制造/裝配。這種制造工藝依其所涉及的勞動(dòng)和時(shí)間，成本比較昂貴。
因此，需要改進(jìn)冷卻器蒸發(fā)器中使用的致冷劑分配器，以減小在蒸發(fā)器殼體內(nèi)制造和安裝的成本，從而提高對致冷劑在其中流動(dòng)控制及致冷劑在其內(nèi)的分配，并增加這種蒸發(fā)器和冷卻器系統(tǒng)內(nèi)熱交換過程的效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于殼管式熱交換器的致冷劑分配器，其制造和安裝較經(jīng)濟(jì)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是基本消除殼管式熱交換器的蒸發(fā)器所用致冷劑分配器內(nèi)所產(chǎn)生的壓力降。
本發(fā)明的又一目的是使經(jīng)過流體冷卻器的蒸發(fā)器內(nèi)致冷劑分配器的致冷劑質(zhì)量速率基本恒定。
本發(fā)明的再一目的是使沿殼管式蒸發(fā)器內(nèi)管束的長度方向所分配的致冷劑量更加均勻，從而，(1)提高其中的熱傳遞效率；(2)增加使用蒸發(fā)器的冷卻器系統(tǒng)的整個(gè)效率；和(3)提高對蒸發(fā)器和冷卻器系統(tǒng)內(nèi)致冷劑的流動(dòng)控制。
本發(fā)明整體或局部上實(shí)現(xiàn)了所述一個(gè)或多個(gè)目的，它提供了一種致冷劑分配器，它具有一長形流動(dòng)通道，后者截面以基本恒定的比率沿遠(yuǎn)離其入口方向逐漸減小。分配器上的孔最好沿分配器流動(dòng)通道等距離隔開，從而沿著其內(nèi)管束長度方向均勻地將致冷劑壓入蒸發(fā)器內(nèi)部。均勻的致冷劑分配是因?yàn)楫?dāng)其流經(jīng)分配器時(shí)致冷劑的壓力和質(zhì)量速率保持基本恒定。致冷劑的壓力和質(zhì)量速率能保持基本恒定是因?yàn)榉峙淦鞅旧砭哂羞@種結(jié)構(gòu)和幾何形狀。
附圖的簡要說明圖1是一典型的冷卻器系統(tǒng)的流程圖；圖2是如圖1所示冷卻器系統(tǒng)中所采用的冷卻器的側(cè)視圖；圖3是圖2所示冷卻器的前視圖，其中，殼體的一部分被打開，以更清晰地示出蒸發(fā)器管束；圖4是沿圖3中4-4線的局部放大剖視圖；圖5是位于圖3所示蒸發(fā)器中的致冷劑分配器的局部分解透視圖；圖6是沿圖4中的6-6線的剖視圖；圖7是一類似于圖5的透視圖，示出了蒸發(fā)器殼體內(nèi)致冷劑分配器的位置和它與致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器殼體的管路之間典型位置關(guān)系；圖8是沿圖2中7-7線的剖視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳述現(xiàn)在參考附圖，具體地參考圖2和圖3，冷卻器56包括一蒸發(fā)器28；一壓縮機(jī)32；一冷凝器34和一節(jié)約器40。如上所述，節(jié)約器40可用可不用。
另外，參考4、5和6所示，可以看出蒸發(fā)器28包括一殼體24，殼體24內(nèi)有一管束58和一致冷劑分配器54a。管束5b包括多個(gè)管子如管子60、62和64，它們在蒸發(fā)器殼體24內(nèi)沿縱向延伸。致冷劑分配器54a位于殼體24的下部，一般在管束58的下面，并像管束一樣在其內(nèi)縱向延伸，其長度與蒸發(fā)器殼體基本相同。
致冷劑分配器54a包括一入口部分66和一個(gè)或多個(gè)分支68、70，每個(gè)分支都分別延伸至各自遠(yuǎn)端72和74。在優(yōu)選實(shí)施例中，采用了這樣兩個(gè)分支，盡管也可采用帶有一單個(gè)分支的分配器且是本發(fā)明的范圍。分配器54a的入口部分66的尺寸、形狀決定了通過分配器54a及其分支的致冷劑的最大體積流率，和進(jìn)入蒸發(fā)器殼體內(nèi)致冷劑的體積流量。
每個(gè)分配器分支包括一頂部或蓋部76和一底部或槽部78。在優(yōu)選實(shí)施例中，蓋部76包括一唇部或裙部80，它覆蓋在槽部78的側(cè)壁82。
和在優(yōu)選實(shí)施例中相同，兩個(gè)分配器分支68和70的每個(gè)槽部78沿其側(cè)壁82的縱向長度方向上具有間距大致相等且尺寸相同的孔。各個(gè)孔的間距可以不均勻或者經(jīng)過優(yōu)化來提高致冷劑沿殼體24長度方向均勻分配，盡管尺寸和間距相同的孔從設(shè)計(jì)和降低制造成本的觀點(diǎn)來看更好。
最好分配器分支68和70在蒸發(fā)器殼體和其管束以外，可以通過縫焊點(diǎn)焊來制造和安裝。這兩個(gè)分支和入口66一起依次放在并固定于殼體內(nèi)。本發(fā)明的分配器的制造可以脫開主體操作，容易裝到蒸發(fā)器殼體內(nèi)，從而明顯減少分配器和蒸發(fā)器的制造時(shí)間和用工，因此，降低了成本。
每個(gè)分配器分支內(nèi)形成的致冷劑流動(dòng)通道89的截面積沿分支的長度最好以基本恒定的比率變窄。因此，每個(gè)分配器分支68、70的最大截面積位于與入口部分66最近的分支的端部，其截面朝它們各自遠(yuǎn)端72和74延伸時(shí)逐漸減小。
另外再參考圖7和8，致冷劑分配器54a的入口部分66通過蒸發(fā)器入口44與膨脹裝置38的流體連通。在操作過程中，當(dāng)冷卻器56操作時(shí)，兩相、但主要是流體的致冷劑從膨脹裝置38的流出而進(jìn)入蒸發(fā)器入口44。致冷劑從蒸發(fā)器入口44進(jìn)入致冷劑分配器的入口部分66。分配器54a的入口部分66做成將致冷劑流均勻地分配在分配器分支68和70之間。
如上所述，分配器分支68和70內(nèi)通道89的截面積以一預(yù)定的基本恒定的比率沿其長度方向從入口部分66到它們各自的遠(yuǎn)端72、74逐漸減小。致冷劑通道的流動(dòng)截面積通過這種受控制的逐漸減少，可以使致冷劑在分配器中流動(dòng)時(shí)其壓力和質(zhì)量速率保持基本恒定。
在流過分配器時(shí)，致冷劑的壓力和質(zhì)量速率基本恒定反過來可以使致冷劑沿蒸發(fā)器整個(gè)長度均勻地通過分配器排孔分配到其內(nèi)部。因?yàn)橹吕鋭┑膲毫退俾释ㄟ^本發(fā)明的分配器保持為基本恒定，可以改變分配器孔的大小，從而使致冷劑分配器54a和殼體24內(nèi)部之間的壓力差相當(dāng)小(小于2p.s.i)，從而取得致冷劑的均勻分配。
與現(xiàn)有致冷劑分配器獲得足夠(如果不是均勻的話)致冷劑分配所需的壓力差相比較，通過本發(fā)明獲得這樣均勻分配所需的壓力差相當(dāng)小，這樣可以明顯改進(jìn)膨脹裝置38處對致冷劑流動(dòng)的控制。這樣還可以通過選擇膨脹裝置38來優(yōu)化整個(gè)冷卻器系統(tǒng)內(nèi)致冷劑的測量和流動(dòng)。
蒸發(fā)器內(nèi)均勻的致冷劑分配可使蒸發(fā)器更加有效地利用蒸發(fā)器管束的換熱表面。因此，蒸發(fā)器和冷卻器系統(tǒng)內(nèi)整個(gè)換熱效率得以提高。另外，由于分配器54a的本質(zhì)原因，可使制造和安裝更經(jīng)濟(jì)，從而明顯降低制造成本。
已通過優(yōu)選實(shí)施例介紹了本發(fā)明，必須理解的是在不離開權(quán)利要求所規(guī)定的本發(fā)明的精神和范疇前提下可以改變零部件的結(jié)構(gòu)和組合。
權(quán)利要求
1．一種用于流體冷卻器的致冷劑蒸發(fā)器，包括一殼體；多個(gè)管子，它們位于所述殼體內(nèi)且基本沿殼體縱向延伸；和一致冷劑分配器，所述分配器基本置于所述殼體內(nèi)所述管下面并包含一入口，所述分配器至少有一致冷劑流動(dòng)通道與所述入口流體連通，所述通道的截面積基本上沿遠(yuǎn)離所述入口的方向逐漸減小，所述分配器上形成有多個(gè)開孔與所述致冷劑通道和所述殼體內(nèi)部流體連通。
2．如權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述分配器包括一第一和一第二分支，每個(gè)分支形成一致冷劑流動(dòng)通道；所述入口置于所述第一和第二分支之間，每個(gè)所述第一和第二分支內(nèi)的所述致冷劑通道的截面積沿遠(yuǎn)離所述入口方向逐漸減小，每個(gè)所述第一和第二分支形成多個(gè)沿長度方向彼此分開的孔。
3．如權(quán)利要求2所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述孔沿所述分支的長度方向等距離彼此分開；所述入口將冷卻劑流均勻地分配在所述第一和第二分支之間。
4．如權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述孔大小基本一致，且其尺寸做成在冷卻器工作時(shí)使所述分配器的內(nèi)部和所述殼體的內(nèi)部之間的壓力差小于2磅/平方英寸。
5．為權(quán)利要求2所述的蒸發(fā)器，其特征在于，每個(gè)所述分支包括一蓋部和槽部，而且所述入口將冷卻劑流均勻地分開在所述第一和第二分支之間。
6．如權(quán)利要求5所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述孔是沿所述各個(gè)分支的槽部形成等距離隔開的。
7．如權(quán)利要求6所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述孔大小基本均勻，所述孔大小預(yù)先確定為，在所述冷卻器操作時(shí)使所述分配器內(nèi)部和所述殼體內(nèi)部之間形成的壓力差小于2磅/平方英寸。
8．如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述分支所形成的每個(gè)所述通道的截面積沿遠(yuǎn)離出口方向的減少預(yù)先確定為，在所述冷卻器工作時(shí)在貫穿整個(gè)所述通道內(nèi)形成基本恒定的壓力，且使貫穿所述分配器和多個(gè)管的長度方向上的每個(gè)所述孔中流出的致冷劑量基本相同。
9．如權(quán)利要求8所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述截面積沿每個(gè)所述分支以基本恒定的比率減小，且所述入口均勻地將致冷劑流分開在所述每個(gè)分支之間。
10．如權(quán)利要求9所述的蒸發(fā)器，其特征在于，每個(gè)所述第一和第二分支由一蓋部和一槽部構(gòu)成。
11．如權(quán)利要求10所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述孔的大小均勻，且把孔的大小選擇為在所述冷卻器工作時(shí)，在所述分配器內(nèi)部和所述殼體內(nèi)部之間保持一預(yù)定壓力差。
12．如權(quán)利要求11所述的蒸發(fā)器，其特征在于，所述孔是沿所述第一和第二分支的槽部形成，并等距離隔開的；所述孔的大小做成在所述冷卻器工作時(shí)在所述分配器的內(nèi)部和所述殼體的內(nèi)部之間保持一小于2磅/平方英寸的壓力差。
13．一處用于殼管式熱交換器的致冷劑分配器，包括一入口部分，用于接受和所述熱交換器連通的致冷劑；至少一個(gè)分支部分，它和所述入口部分連接，所述分支部分形成一致冷劑流動(dòng)通道與所述入口部分流體連通，所述流動(dòng)通道的截面積沿遠(yuǎn)離所述入口部分的方向減小并沿其長度方向形成有多個(gè)孔。
14．如權(quán)利要求13所述的致冷劑分配器，其特征在于，所述分配器包括至少兩個(gè)分支，每個(gè)分支流體連通著所述分配器的所述入口部分，且形成一致冷劑流動(dòng)通道，流動(dòng)通道沿其長度方向形成有多個(gè)孔且其截面積沿遠(yuǎn)離所述入口方向減小。
15．如權(quán)利要求14所述的致冷劑分配器，其特征在于，每個(gè)所述分支截面積沿遠(yuǎn)離所述入口方向以一基本恒定的比率減小，所述通道的截面積的減小比率預(yù)先確定為，使流經(jīng)此處的致冷劑保持基本恒定的速率和壓力。
16．如權(quán)利要求15所述的致冷劑分配器，其特征在于，孔的大小基本一致，所述孔的大小預(yù)先確定為在所述分配器的內(nèi)部和所述熱交換器的殼體內(nèi)部之間形成一小于2磅/平方英寸的壓力差。
17．如權(quán)利要求16所述的致冷劑分配器，其特征在于，所述入口部分接受流入所述熱交換器的致冷劑并將所述致冷劑流分成基本相等的部分，把各個(gè)相等的部分輸送到所述每個(gè)分支內(nèi)；而且每個(gè)所述至少兩個(gè)分支都是由一槽部和一蓋部構(gòu)成的，所述孔沿所述槽部的長度方向以基本相同的間距隔開。
18．一種用于在殼管式熱交換器殼體內(nèi)的管束長度方向均勻分配致冷劑的方法，包括將致冷劑送至所述熱交換器底部形成的一通道內(nèi)；制成多個(gè)與所述通道和所述殼體內(nèi)部流體連通的孔；通過使流動(dòng)通道的截面積沿致冷劑流動(dòng)方向減小，從而使致冷劑流過所述通道時(shí)保持基本恒定的壓力和速率；沿所述通道和所述管束的長度上通過所述多個(gè)孔從所述通道向所述殼體內(nèi)以基本均勻的量流入致冷劑。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括將所述通道在所述熱交換器內(nèi)分成兩個(gè)分支，并以基本相同的量向每個(gè)分支流入致冷劑；每個(gè)所述分支的截面積沿致冷劑流動(dòng)的下游方向以一基本恒定的比率逐漸減小。
20．如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括使所述通道內(nèi)的壓力保持高于所述殼體內(nèi)的壓力。
21．如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括把所述通道內(nèi)部和所述殼體內(nèi)部之間的壓力差限制為小于2磅/平方英寸。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，限制所述通道內(nèi)部和所述殼體內(nèi)部之間的壓力差這一步還包括選擇所述孔的大小而使之小于2磅/平方英寸。
全文摘要
一種用于殼(24)和管(60,62,64)式蒸發(fā)器(28)的致冷劑分配器(54a),包含一逐漸減小的截面積,在工作中,它將致冷劑均勻地分配在蒸發(fā)器殼體(24)內(nèi)的管束(58)中,并且使分配器(54a)和蒸發(fā)器(28)之間的壓力降小。
文檔編號(hào)F25B39/02GK1225166SQ97196387
公開日1999年8月4日 申請日期1997年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月19日
發(fā)明者史蒂夫·S·丁格爾, 喬恩·P·哈茨菲爾德 申請人:美國標(biāo)準(zhǔn)公司