具有分配板的熱交換器的製作方法
2023-04-27 09:52:21 1
專利名稱：具有分配板的熱交換器的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及機動車輛的熱交換器。具體地說，本發明涉及例如蒸發器等熱交換器，其具有用於改善熱交換器流管內的致冷劑流動的分配板。
背景技術：
機動車的空調系統通常具有製冷循環，其使得致冷劑循環以控制機動車車廂內的溫度。在製冷循環中，致冷劑流入壓縮機，導致流體的溫度和壓力均增加。致冷劑以氣態流出壓縮機，然後被凝結器凝結為低溫液態。然後，致冷劑流經使其膨脹為低壓低溫的氣液混合物的膨脹閥。而後，氣液混合物流入蒸發器，並將車廂冷卻到預期溫度。
更具體地說，在致冷劑進入蒸發器後，它流經橫跨細的蒸發器傳熱管束。傳熱管暴露於溫暖的環境空氣來流(其流經管束並在此處吸收熱量，從而使得致冷劑中全部或部分的液態部分蒸發為氣態。已被充分冷卻的來流空氣在之後以預期的溫度進入車廂。
由於液體的固有性質，蒸發液體在增加最終氣體的溫度之前會吸收一定量的熱量。因此，為了最大化空調的製冷效果並從而最大化空調系統的效率，進入蒸發器的致冷劑的液體部分優選地被周邊的空氣完全轉化為氣態。一項用於促進致冷劑相態轉化的已知技術，是通過增加致冷劑暴露在來流空氣中的時間實現的，例如增加致冷劑流經傳熱管束的次數。然而，這種設計增加了在機動車內放置蒸發器所需的空間。
作為上述設計的一種可替換或附加解決方案，蒸發器可以具有相對較小橫截面積的熱交換管。然而，小的傳熱管一般會導致氣液混合物在不同傳熱管內部的分配不均勻。更具體地說，一些傳熱管往往會在其內部含有不合比例的較高百分比的氣態，而其他傳熱管往往具有不合比例的較高百分比的液態流經其中。兩相致冷劑的不均勻分配可能會導致一些或大部分的液態致冷劑未經蒸發就流出傳熱管，因此降低了系統效率。
所以，需要提供一種空調製冷系統，其通過在蒸發器的各熱交換管中均勻地分配液態致冷劑來保持預期的效率。
發明內容
為了克服現有技術的局限和缺點，本發明提供了一種熱交換器，其具有頂部和底部上水管以及在兩個上水管之間延伸的芯部。芯部包括一組流管，其允許液體流經其中。另外，頂部上水管包括沿頂部上水管的縱軸方向延伸的分配板，用來限定第一腔室和第二腔室。分配板包括至少一個開口，用於允許液體在各腔室內預期地進行分配。例如，其中一種預期的分配是使得液體大體上均勻地分配在多個流管的每個流管中。
在一個方面，分配板限定了用於收集液體的收集區。開口限定了收集區的邊界，以使得液體在到達邊界之前基本上被阻止流出開口。因此，分配板被設置成使得液體沿著分配板長度基本上均勻分配。當液體以相對較低的流速(例如1.5磅/分鐘或更小)流動時，其優選地被均勻分配。
根據本發明的另一方面，分配板相對於豎直方向傾斜定位。換種方式描述，分配板在相對於傳熱管的軸線成一角度的平面內延伸，其中該角度大於或等於0度且小於90度。例如，角度在35到85度間，或者更優選地在60和70度之間。
分配板和頂部上水管可以形成單個的整體部件。該部件也可以包括將頂部上水管分隔為一對通道的分隔板。
在更進一步的實施例中，分配板包括多個開口，其中的每個開口都使得第一和第二腔室互相間流動連接。開口以這樣的方式沿分配板安置，以使得彼此相互協同來限定收集區的邊界。
在閱讀了下述說明、參考附圖和附加且構成本說明書一部分的權利要求書後，本發明進一步的目的、特徵和優點對本領域的技術人員將變得顯而易見。
圖1是體現本發明原理的、用於機動車空調迴路中的熱交換器的等角投影視圖，該熱交換器包括頂部和底部上水管(header)和在其間延伸的芯部；圖2是圖1所示、沿圖1中2-2線剖開後的頂部上水管局部的放大等角投影視圖，該頂部上水管包括一個分配板；圖3是大體沿圖2中3-3線剖開後的剖面圖，並包括芯部的流管；圖4是與圖3類似的、本發明另一可選實施例的剖面圖；圖5a-5g是分配板的不同可選設計的俯視圖；圖6是與圖4類似的、本發明又一可選實施例的剖面圖；圖7是體現本發明原理的、熱交換器另一個可選實施例的剖面圖；
圖8是本發明另一可選實施例的底部上水管的剖面圖。
具體實施例方式
現參考附圖，圖1所示是一個用於空調系統的熱交換器，例如蒸發器10。蒸發器10包括頂部和底部上水管12、14和其間延伸且使各個上水管12、14相互流動連接的芯部16。更具體地說，芯部包括多個流管18，該流管18沿軸線20延伸，且被設置得允許在流經流管18的致冷劑和流經芯部16的氣流22之間進行熱交換。流管18優選地由導熱材料製成，例如鋁，並具有相對較薄的管壁，用於促進與氣流22的熱交換。為了進一步促進熱交換，一個或多個翼片24以曲折的方式延伸在成對的相鄰流管18中的每對之間。
圖1所示的頂部上水管12包括一個進口箱體(tank)26和一個出口箱體28，二者沿縱向29相互平行地延伸，並被分隔板30(其大致完全沿頂部上水管12的長度32方向延伸)相互分開。分隔板30構成一個大致不滲透的密封件，其阻止各個箱體26、28之間的直接流動連通。
入口箱體26從進口34(其延伸穿過進口箱體26的一端或側壁)接收致冷劑，以使得允許致冷劑沿由頂部上水管12所限定的第一通道35流動。而後，流體進入流管18的第一管組36，且沿向下的方向38流到底部上水管14。與頂部上水管12相似，底部上水管14沿縱向29延伸，且限定了流體的第二通道40。然而，與頂部上水管12不同的是，圖中所示的底部上水管14不包括將頂部上水管14的各個側部42、44間的流動分開的分隔板(下面將進一步描述)。更具體地說，底部上水管14優選地為一個單個的、在各側部42、44間沒有流動限制的敞開管，或是一個具有限流板(圖中未示)的局部分隔管，其中限流板具有引導液體按預期流動的多個開口。
底部上水管14的第一側42被連接至流管18的第一管組36，且第二側44被連接至流管18的第二管組46。因而，通過沿向上方向46流向頂部上水管12的出口箱體28，流體可以經流管18的第二管組46流出底部上水管14。然後，流體沿第三通道45流經出口箱體28，並通過出口48(其延伸穿過出口箱體28的端部或側壁)流出蒸發器10。
現參考附圖2，分配板50被安置在頂部上水管12內，用於促進致冷劑在多個流管中的均勻分配。更具體地說，進入蒸發器10的致冷劑包括液態部分和氣態部分，且分配板50被配置成用於引導近似相等量的液態部分進入到每個流管18。在本申請中所指的術語「液體」被定義為致冷劑的液態部分加上夾帶在液態部分內的任何氣態部分。
如圖2和圖3所示，分配板50在縱向29上延伸，以將進口箱體26分為第一腔室52和第二腔室54，其中第一腔室52流動連接著進口34，且第二腔室54流動連接著流管18的第一管組36。在第一腔室52內，分配板50限定了沿分配板50的長度延伸並收集致冷劑中液態部分58的收集區56。圖2中的收集區56由分配板50和頂部上水管12所限定。更具體地說，分配板50沿橫向60取向，以相對於流管18的軸20形成角62且與頂部上水管12相協作限定出V形收集區56。從軸20沿順時針或逆時針方向測量，角62優選在0-85度之間。更適合地，角62在45-85度之間；更優選地是，角在60和70度之間。
取決於角62，在流管18和分配板50之間的相對方位可能相對於圖中所示而發生變化。例如，當角62相對較小(例如0度)時，分配板50優選地相對於流管18橫向偏移，以使得僅僅兩個腔室52、54中的其中一個腔室與流管18直接流動連通。
一旦致冷劑的液態部分58在收集區56中收集到足夠多，延伸穿過分配板的多個開口57允許控制量的液態部分58從第一腔室52流入第二腔室54。更具體地說，沿軸20從收集區56的最低點處測量，開口57設置在高度80的位置處，以使得在液態部分58能夠流經開口57之前，該液體部分58的水平面必須至少與高度80相等。因此，開口57協同限定了收集區56的邊界82，並且在到達邊界82之前液態部分58基本上被阻止流經開口57。
圖2中所示邊界82通常為一個不變的高度，以使液態部分58相對均勻地分配到每個流管18中。當致冷劑流速相對較低時，液態部分58可以沿著頂部上水管的長度32非常均勻地被收集。更具體地說，在流速相對低的情況下，例如1.5磅/分鐘或更小，流體的流動相對平滑以避免湍流，而所述湍流會導致液態部分58被不合需要地濺落到分配板50上部。
在經過頂部上水管12的一個典型流動中，兩相致冷劑流經進口34，並進入頂部上水管12的第一腔室52。致冷劑的氣態部分通常上升到第一腔室52的頂部，而液態部分沿著分配板150的全長流入收集區56。一旦收集區56被填滿至邊界82時，液態部分58開始以大致相等的流速分別流經每個開口57。這種均勻分配的流動導致各個流管18分別具有大致相等的液體流經其中，因此減少了流出蒸發器10的未蒸發液體。因為致冷劑的氣態部分可以自由地流經開口57，它自然地與流入流管18的液態部分58混合在一起。
回過來參考圖1-3，現在可以更詳細地討論組裝頂部上水管12的方法。圖1-3中所示的頂部上水管12、分配板50、分隔板30全部構成一整體結構。例如，圖1-3中的頂部上水管12由具有第一端66、第二端68和中間部分70的板材而形成。該板材優選首先軋制和/或剪切成預期的形狀和尺寸。而後，沿著該板材形成的脊部72以及板材的兩端66、68通常被彎曲成相互朝向對方。接著，板材的第一端66被連接到脊部72和上水管12，用來在部件64的各個部分66、12之間提供改進的液封密封。相似地，第二端68被連接到中間部分70上，用來在部件64的各個部分68、70間形成另一個液封密封。另外，兩個中間體部分76、78相互連接形成一個分隔壁30。儘管上述的全部連接優選為釺焊，但是也可以使用任何適合的連接方式。
現參考附圖4，描述一個可選的分配板150的設計。在該設計中的分配板150大體是非平面的，且包括用於收集致冷劑的液態部分58的收集區156。更具體地說，收集區156限定了一個具有通常為弧形86的槽谷部分84。與圖3所示的設計不同，圖4所示的分配板150不與頂部上水管12共同協作來限定收集區156。
在附圖中沒有描述的另一個設計中，分配板可以包括一對槽谷部分，其被限定了開口的分配板高點所分開。在該設計中，開口位於第一腔室52的中央。
圖5a-5g描述了由分配板50所限定的開口57的不同設計。更具體地說，開口57具有不同橫截面面積和不同形狀，用於改善流管18中的液體分配。通過測試具有不同開口參數的分配板，可以確定每個開口57的理想形狀和尺寸。更進一步，開口57可相互間協作來限定如圖2所示的可選邊界82。更具體地說，邊界82可相對於縱向29具有逐漸減小的斜度(圖5e)，或者相對於縱向29具有逐漸增大的斜度(圖5f)，或者該邊界可具有非線性的形狀(圖5g)。邊界的理想形狀和位置可在以下因素的基礎上決定例如實驗流速參數，機動車內蒸發器10的角度，或者影響流體流動的其他因素。
在如圖6所示的一個可選設計中，通過連接分配板250至分開形成的頂部上水管212來組裝頂部上水管212。頂部上水管212的形成方式大體與圖1-3中所述的方式相類似。然而，分配板250是插入頂部上水管212且在其相反側緣連接到上面的分開件。用於分配板250的第一連接點90由形成在頂部上水管212的一部分中的脊部92所限定。第二連接點94由形成在頂部上水管212的另一部分中的槽96所限定，並容納了分配板250的部分98。然而，還可以使用連接各個部件212、250的點的任何適當結構。
現參考附圖7，描述一個蒸發器的可選實施例。圖7所示的蒸發器310包括具有橫向延伸分隔板330的頂部上水管312，該分隔板330將頂部上水管312分隔成進口箱體326和出口箱體328。與圖1所示的設計不同，各個箱體326、328和各組的流管336、346被設置成相互間首尾端相連，而不是一側挨著一側相連。如同前面的每個實施例中一樣，分配板350被設置在進口箱體336中。在這個設計中，致冷劑通過進口334流入進口箱體326，通過分配板350中的開口357，且進入第一組的流管336。而後，致冷劑沿著流動路徑100流入底部上水管314，並向上流入第二組的流管346。最後，致冷劑流入出口箱體328，且通過出口348流出頂部上水管312。
圖7所示的設計可以和圖1所示的設計相結合，以使得頂部上水管被分為三個區段。更進一步，本發明可以有效地被用於任何合適類型的熱交換器，例如冷凝器、散熱器或加熱器芯部。本發明也可以用於任何適當結構的熱交換器，例如側部安裝有上水管的熱交換器，或者被安裝在機動車內且與重力方向成一夾角的熱交換器。
如圖8和9所示，在另一可選設計中，第二分配板91安裝在蒸發器的底部上水管14中，用於控制進入或在底部上水管中的流體流速。例如，在圖8中，第二分配板91用於將底部上水管14大致分隔為兩個腔室42、44。在該設計中，致冷劑的液態部分在到達形成於第二分配板91中的開口93的高度之前，不能從第一腔室42流入第二腔室44。在另一個例子中，第二分配板可以設置在流管和底部上水管腔室之間，用於控制流入底部腔室的流動。第二分配板在底部上水管內可以定位於多個位置處，例如正交於軸20的方向，平行於軸20的方向，或者相對於軸20成其他角度的方向。
作為又一個可選實施例，進口和出口可以被設置在頂部上水管的同一端，而不是如圖所示被設置在頂部上水管12的相反端。同樣，圖中所示的設計導致流體流經芯部16共兩次(也即雙路熱交換器)，但是本發明可以用在具有適當通路數的熱交換器上。在具有奇數(例如1或3)通路數的熱交換器中，進口優選設置在熱交換器頂部，且出口設置在底部。
應該可以理解，前述詳細描述是作為說明而不是限制，且下述的權利要求(包括所有等同物)被理解為用於限定本發明的主旨和範圍。
權利要求
1.一種車輛用的熱交換器，包括第一上水管，其沿縱向延伸以限定了第一通道；第二上水管，其限定了第二通道；芯部，其包括在第一和第二上水管之間延伸的一組流管；分配板，其在第一上水管內沿縱向延伸，以將第一通道分隔為第一和第二腔室；其中，所述分配板限定了用於收集液體的收集區，且限定了開口，該開口使得第一和第二腔室相互流動連接，並以如下方式限定了收集區的邊界，即液體在到達收集區的邊界之前基本上被阻止流經所述開口。
2.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於所述分配板限定了沿所述第一通道延伸的長度，且所述分配板被設置成使得，收集在收集區的液體沿分配板的長度大體均勻地分配。
3.如權利要求2所述的熱交換器，其特徵在於所述分配板被配置成使得，當液體以相對低的流速流動時，收集在收集區的液體沿分配板的長度大體均勻地分配。
4.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於所述分配板限定了多個開口，其中的每個開口都流動連接著第一和第二腔室，且所述多個開口協同限定了收集區的邊界。
5.如權利要求4所述的熱交換器，其特徵在於所述分配板被設置成使得允許液體大體均等地流經所述多個開口中的每個開口。
6.如權利要求5所述的熱交換器，其特徵在於所述多個開口中的至少兩個開口限定了不相等的橫截面面積。
7.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於所述第一上水管的壁與分配板協同一起限定了收集區。
8.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於所述分配板包括限定了收集區的槽谷部分。
9.如權利要求8所述的熱交換器，其特徵在於所述槽谷部分限定了大體弧形的部分。
10.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於所述第一上水管包括分隔板，其將第一上水管分隔為第一通道和第三通道。
11.如權利要求10所述的熱交換器，其特徵在於所述分隔板以這樣的方式沿第一上水管在縱向上延伸，即第一通道和第三通道沿橫向彼此之間偏置。
12.如權利要求11所述的熱交換器，其特徵在於所述第一上水管、分配板和分隔板全部都由單個的整體部件形成。
13.如權利要求11所述的熱交換器，其特徵在於所述分隔板以這樣的方式沿橫向橫跨第一上水管，即第一通道和第三通道彼此首尾相連地進行定位。
14.如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於還包括位於第二上水管內沿縱向的第二分配板，其將第二通道分成第一和第二腔室。
全文摘要
本發明提供了一種機動車輛用的熱交換器，其包括頂部和底部上水管和其間延伸的芯部。頂部上水管包括沿縱軸延伸的分配板，從而將頂部上水管分為第一和第二腔室。分配板包括至少一個開口，用於允許液體在各腔室間有效地分配。其中一種類型的有效分配將使得液體基本均等地在多個流管的每個流管中分配。
文檔編號F25B39/00GK1851362SQ20061006822
公開日2006年10月25日 申請日期2006年3月20日 優先權日2005年4月22日
發明者埃裡克·L·倫德伯格 申請人:威斯通全球技術公司