[发明专利]用于热泵应用的平行流热交换器

说明书

对相关申请的交叉参考

参考申请全文作为参考加入这里的2005年2月2日提出的题目为“PARALLEL FLOW HEAT EXCHANGERS FOR HEAT PUMP APPLICATIONS”的美国临时申请序号No.60/649,382并且本申请要求其优先权。

技术领域

本发明一般地涉及制冷剂热泵系统并且更特定地涉及其平行流热交换器。

背景技术

所谓的平行流热交换器的定义广泛地用于空调和制冷剂工业并且指定具有制冷剂以通常大致垂直于入口和出口歧管内的制冷剂流的方向的朝向在其中分配和流动的多个平行的通路的热交换器。此定义在本技术领域中广泛适用并且将遍及全文使用。平行流热交换器开始在空调装备中得到普及，但是它们在热泵领域的应用由于下面概述的原因非常受限制。

制冷剂热泵系统通常根据热负荷需求和环境状况以冷却或加热模式操作。现有的热泵系统包括压缩机、诸如四路换向阀的流控制设备、室外的热交换器、膨胀设备、和室内的热交换器。在热泵系统分别在冷却或加热模式操作时，四路换向阀将流出压缩机排出口的制冷剂导向到室外的或室内的热交换器以及将制冷剂从这些热交换器的另一个引导回到压缩机吸入口。在冷却操作模式中，制冷剂在压缩机内被压缩，被向下游递送到四路换向阀并且随后被引导到室外的热交换器(在此情况中为冷凝器)。在冷凝器中，在与通过诸如风扇的空气运动设备吹过冷凝器外部表面的诸如空气的第二流体热传递相互作用期间，从制冷剂移除热量。从而，制冷剂减温、冷凝并且通常低温冷却。制冷剂从室外的热交换器流动通过膨胀设备，在那里其被膨胀到更低的压力和温度，并且随后到达室内的热交换器(在此情况中为蒸发器)。在蒸发器中，在热传递相互作用期间，制冷剂冷却通过诸如风扇的空气运动设备递送到调节的空间的空气(或其它第二流体)。虽然蒸发并且过度加热的制冷剂冷却流过室内的热交换器的空气，通常，湿气也被从空气流取出，从而空气也被除湿。再一次，制冷剂从室内的热交换器通过四路换向阀并且返回压缩机。

在加热操作模式中，通过热泵系统的制冷剂流基本上反向。制冷剂从压缩机流动到四路换向阀并且被引导到室内的热交换器。在现在用作冷凝器的室内的热交换器内，热量被释放到通过风扇递送到室内的环境的空气以加热室内的环境。减温、冷凝并且通常低温冷却的制冷剂随后流动通过膨胀设备并且到达下游的室外的热交换器，在那里将热量从相对冷的周围环境传输到蒸发并且通常过度加热的制冷剂。制冷剂随后被导向到四路换向阀并且返回压缩机。

如本领域中的普通技术人员已知的，上面已经描述了基本的热泵系统的简化的操作，并且许多改变和可选的特征能够加入热泵示意图。例如，分开的膨胀设备能够用于加热和冷却操作模式，或者节热器或再热循环能够集成到热泵设计中。此外，通过引入诸如R744的自然制冷剂，高压力侧热交换器能够潜在地在超临界区(高于临界点)操作，并且单相制冷剂而不是诸如在亚临界状况的主要的两相流体将流动通过其热交换管。在此情况中，冷凝器变成单相冷却器型热交换器。

如能够从对热泵操作的简化的描述看出的，根据操作模式，全部热交换器通常起冷凝器和蒸发器的双重用途。此外，通过热泵热交换器的制冷剂流通常在前述操作模式期间反向(除非制造特殊的管道设置)。从而，热交换器和热泵系统设计者面临对于全部冷却和加热操作模式中的性能优化热交换器回路构造的挑战。这是特别困难的任务，因为要遍及热交换器维持制冷剂热传递和压力降低特性之间的充分的平衡。因此，许多热泵热交换设计为对于全部冷却和加热操作模式具有相等的然而不是最佳的数量的直通回路。

总之，流动通过热交换器的两相制冷剂混合物内包含的蒸气越多并且制冷剂流量越高，有效的热交换器操作需要的平行回路的数量越大。从而，有效的冷凝器通常结合会聚的回路并且有效的蒸发器使用直通或发散的回路。换句话说，热交换器回路在沿制冷剂路径的一些中间位置结合或分离以适应制冷剂密度的改变并且分别改进制冷剂流的冷凝或蒸发特性。在现有的板和散热片热交换器中，这样的回路改变与制冷剂流方向反向一起能够通过利用三脚架和中间歧管实现，如产业中已知的。在平行流热交换器中，特别是在热泵应用中，由于设计细节以及歧管设计和制冷剂分配细节，平行回路的数量能够仅在歧管位置处改变，限制热交换器设计灵活性。因此，对于冷却和加热操作模式，沿热交换器的长度实现可变数量的平行回路以及可变长度的回路对热交换器和热泵系统的设计者提出重大的障碍并且在平行流热交换器的技术领域中未知。