專利名稱：用于制冷過程的高效熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請要求美國第60/616,873號臨時申請的利益，該臨時申請于2004年10月7日提交，其全部教導(dǎo)通過引證被并入本文。
背景技術(shù)：
通常，低溫和低溫制冷被用于冷卻低溫間隙中的流體源和冷凝的水蒸汽，以在真空處理中產(chǎn)生低的水蒸汽壓力和冷卻制造過程中的物品，例如，半導(dǎo)體晶片處理過程、成像檢測器器和輻射檢測器的冷卻、工業(yè)熱傳遞和生物制藥學(xué)上的和生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用以及生物醫(yī)學(xué)保藏，和化學(xué)處理過程。一般情況下，制冷循環(huán)壓縮制冷氣體，凝結(jié)與冷卻液進(jìn)行熱交換的氣體，和可以進(jìn)一步與返回的減壓或膨脹的氣體進(jìn)行熱交換，以獲得額外的冷卻。通常，制冷循環(huán)的部分具有兩種狀態(tài)的液體/氣體流動。
典型的制冷循環(huán)可能具有一個或更多的熱交換器。所述熱交換器可以用于冷凝壓縮的氣體，吸收膨脹后的熱，或在壓縮流體和返回的膨脹氣體之間進(jìn)行熱交換。典型的應(yīng)用使用殼和管式，管并管式或繞曲管式的熱交換系統(tǒng)。其他的使用平板式熱交換器。
殼和管式，管并管式或繞曲管式的熱交換器便宜而且表現(xiàn)出低的壓力差，即使在兩種狀態(tài)的流動環(huán)境中。然而，管狀的交換器在交換器的每單位體積或每單位長度上具有小的表面積。為了獲得理想的熱交換表面積，管部的長延伸經(jīng)常被使用。在有限的空間中，熱交換器是被包裹和彎曲的，成本也不斷上漲。
對于體積比率來說，平板式熱交換器具有較好的表面積而且更加緊湊。然而，典型的平板式熱交換器比較昂貴，并且在兩種狀態(tài)的流動環(huán)境下效率不高，通常在通道之間的兩種狀態(tài)中表現(xiàn)出弱分布。弱分布導(dǎo)致降低的穩(wěn)定性，降低的熱交換器效率，降低的熱傳遞系數(shù)，降低的系統(tǒng)效率，增加的壓力差，以及在超低溫和低溫應(yīng)用的情況下可能導(dǎo)致出現(xiàn)凍結(jié)的情況。在另一方面，在平板式的熱交換器中的典型的兩種狀態(tài)的流動分配器具有高的壓力差(大于大約18psi)。
有鑒于此，存在一種對于改進(jìn)的熱交換器的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面體現(xiàn)在一種熱交換器中。熱交換器包括流體輸入歧管，流體輸出歧管，眾多的被配置為與流體輸入歧管和流體輸出歧管連通的熱傳遞通道，以及位于流體輸入歧管之內(nèi)的填料。
更進(jìn)一步，在相關(guān)的實(shí)施方案中，流入流體輸入歧管的流體可能包括至少兩種狀態(tài)，即可能是氣態(tài)和液態(tài)。熱交換器可能是一種平板式的熱交換器，例如，反向流動式熱交換器或短通道平板式熱交換器。填料可能包括填料元件，例如，任意的填料元件或球狀鋼球；或可能選自由球狀元件，橢圓形元件，環(huán)狀元件，圓柱形元件，鞍狀元件，球狀體元件，帶狀元件和絲網(wǎng)狀元件。填料元件可能包括至少兩種大小模式，即至少具有第一大小模式的填料元件的第一組，和具有不同于第一大小模式的第二大小模式的填料元件的第二組。填料元件的尺寸(例如，最短的尺寸)可能大于眾多熱交換通道的其中之一的寬度。熱交換器可能進(jìn)一步包括定位于流體輸入歧管中的結(jié)構(gòu)元件，其可以保護(hù)填料。所述結(jié)構(gòu)元件可能是圓柱形的；或可能是圓錐形的，具有第一末端和第二末端，與第二末端相比，第一末端具有更大的橫截面。第二末端可能在最靠近輸入歧管的無流動端定位，或在最靠近輸入歧管的流動端定位。結(jié)構(gòu)元件可能具有沿其長度部分變換的橫截面積。對于3米/秒的流動速度來說，熱交換器兩端之間的壓力差可能不超過5psi。借助聯(lián)管箱中使用的填充材料的特性，熱交換器的總的熱傳遞系數(shù)可能提高至少2％。
本發(fā)明的其他方面體現(xiàn)在一種熱交換器中。熱交換器包括眾多限定流體通道的第一組和至少流體通道的第二組的平行熱傳遞板，第一流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通，第一流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通，第二流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通，第二流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通，以及定位于至少第一流體輸入端口和第二流體輸入端口的其中之一的填充分配器。在某些可以選擇的配置中，三個或更多的流體源被冷卻。
本發(fā)明的另外方面體現(xiàn)在制冷系統(tǒng)中。制冷系統(tǒng)包括壓縮機(jī)和至少一個與壓縮機(jī)連接的熱交換器。所述的至少一個熱交換器包括聯(lián)管箱，定位于聯(lián)管箱中的填料，以及熱傳遞通道。熱傳遞通道被配置用于接收流經(jīng)聯(lián)管箱和填料的流體。
更進(jìn)一步說，在相關(guān)的實(shí)施方案中，制冷系統(tǒng)可能包括混合制冷劑。聯(lián)管箱可以被配置用于接收兩種狀態(tài)的流體。制冷系統(tǒng)可以被配置達(dá)到的溫度低于200K。所述的至少一個熱交換器可以執(zhí)行以下熱交換器的功能，熱交換器選自由減溫器，冷凝器，在至少兩個制冷劑源之間進(jìn)行熱交換的熱交換器，以及蒸發(fā)器。至少一個熱交換器可能包括制冷部分中的部件。制冷部分可能包括分離器。至少一個熱交換器可能是平板式熱交換器，而且可能被水平或垂直定位；以及可能被熱端向上垂直定位。制冷系統(tǒng)可能包括單一組分的制冷劑。制冷系統(tǒng)也可能是一種溫度很低的制冷系統(tǒng)；而且可能包括混合的制冷劑。制冷系統(tǒng)具有在至少冷模式和備用模式下運(yùn)行的能力；或者至少在冷模式，備用模式和解凍模式下運(yùn)行。
本發(fā)明的方面也體現(xiàn)在用于進(jìn)行熱交換的方法上。所述方法包括使第一流體流經(jīng)熱交換器和使第二流體流經(jīng)熱交換器。熱交換器包括眾多限定流體通道的第一組和至少流體通道的第二組的平行熱傳遞板，第一流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通，第一流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通，第二流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通，第二流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通，以及定位于至少第一流體輸入端口和第二流體輸入端口的其中之一的填充分配器。第一流體流經(jīng)第一流體輸入端口，流體通道的第一組，和第一流體輸出端口。第二流體流經(jīng)流體通道的第二組。熱在第一流體和第二流體之間借助眾多平行的熱傳遞板進(jìn)行交換。
本發(fā)明的其他方面還體現(xiàn)在制冷系統(tǒng)的維護(hù)方法上。該方法包括將填料填充到與制冷系統(tǒng)連接的熱交換器的歧管中。熱交換器包括歧管和熱傳遞通道。熱傳遞通道被配置用于接收流經(jīng)歧管和填料的流體。
本發(fā)明的進(jìn)一步的方面還體現(xiàn)在制冷系統(tǒng)的制造方法上。該方法包括將填料填充到與制冷系統(tǒng)連接的熱交換器的歧管中。熱交換器包括歧管和熱傳遞通道。熱傳遞通道被配置用于接收流經(jīng)歧管和圍繞填料的流體。


根據(jù)以下本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方案的更加詳細(xì)的描述，本發(fā)明的上述和其他的方面，特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，如同舉例說明的那樣，在對應(yīng)的附圖中，相同的參考標(biāo)記指代不同附圖中的相同部分。附圖并沒有嚴(yán)格根據(jù)比例繪制，而將重點(diǎn)放置在解釋說明本發(fā)明的原理上。
附圖1描述了級聯(lián)制冷系統(tǒng)的可效仿的實(shí)施方案。
附圖2舉例說明了自動級聯(lián)制冷循環(huán)的可效仿的實(shí)施方案。
附圖3描述了制冷系統(tǒng)的可效仿的實(shí)施方案。
附圖4描述了制冷部分的可效仿的實(shí)施方案。
附圖5和附圖6描述了熱交換器的可效仿的實(shí)施方案。
附圖7A-7E描述了填料的可效仿的實(shí)施方案。
附圖8A-8F描述了熱交換器歧管的可效仿的實(shí)施方案。
附圖9A-9C描述了熱交換器的可效仿的定位。
附圖10舉例說明了具有填充分配器和沒有填充分配器的熱交換器的性能特征。
具體實(shí)施例方式
以下是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的描述。
在各種應(yīng)用中制冷系統(tǒng)提供冷卻。某些應(yīng)用利用了超低溫度和低的溫度，典型的是低于230K，例如，不超過230K，不超過183K或不超過108K。制冷排列(例如，級聯(lián)排列和自動級聯(lián)循環(huán))可能被用于獲得低的理想溫度。所述制冷系統(tǒng)利用一個或更多的熱交換器來從制冷循環(huán)的一部分中排出熱，并在制冷循環(huán)的另一部分中吸收熱。
附圖1描述的是具有第一制冷循環(huán)116和第二制冷循環(huán)118的可效仿的制冷系統(tǒng)。第一制冷循環(huán)116和第二制冷循環(huán)118被排列在級聯(lián)配置中，其中第一制冷循環(huán)116通過熱交換器或冷凝器108冷卻第二制冷循環(huán)。
第一制冷循環(huán)116中的制冷劑通過壓縮機(jī)102壓縮。壓縮后的制冷劑在熱交換器或冷凝器104中被冷卻以凝結(jié)制冷劑。被凝結(jié)的制冷劑通過膨脹器106進(jìn)行膨脹并在熱交換器108中被加熱，以蒸發(fā)制冷劑。被蒸發(fā)的制冷劑返回到壓縮機(jī)102中。
在第二制冷循環(huán)118中，第二制冷劑通過壓縮機(jī)114壓縮。被壓縮后的第二制冷劑通過減溫器120被冷卻為室溫，然后在熱交換器108中被冷凝。通過充分蒸發(fā)熱交換器108中的第一制冷劑，第二制冷劑被凝結(jié)。被凝結(jié)的第二制冷劑在膨脹器110中膨脹并在熱交換器112中被加熱，并蒸發(fā)第二制冷劑。膨脹器106和110可能是真空管，毛細(xì)管，管狀膨脹器，或者是壓力差板。被蒸發(fā)的第二制冷劑返回到壓縮機(jī)114中。
熱交換器112可以用于過程或物品的冷卻。例如，熱交換器112可以冷卻熱傳遞介質(zhì)，吸熱設(shè)備，或物品。所述物品通過熱傳遞介質(zhì)或吸熱設(shè)備的使用被間接冷卻。在一個可以效仿的實(shí)施方案中，物品可能是半導(dǎo)體晶片。在另一個可以效仿的實(shí)施方案中，熱交換器112可能冷卻氣源，例如，凝結(jié)水蒸汽。在又一個可以效仿的實(shí)施方案中，熱交換器112可以用于冷卻在深冷分離中使用的源。在另一個可以效仿的實(shí)施方案中，熱交換器112可以用于冷卻真空泵系統(tǒng)中的低溫線圈。在又一個可以效仿的實(shí)施方案中，熱交換器112可以用于冷卻生物醫(yī)學(xué)上的制冷器，用于冷卻檢測器，或用于與工業(yè)過程，化學(xué)過程或藥物配劑進(jìn)行熱交換。
熱交換器104，108，112和120可能是，例如，板式熱交換器，管并管式熱交換器，或殼和管式熱交換器。熱交換器可能包括，例如，填料或輸送熱交換器的一個或多個歧管中的填充分配器。
第一制冷劑可能是單一組分或是包括一種或多種組分的混合制冷劑，一種或多種組分選自由含氯氟烴，液態(tài)含氯氟烴，碳氟化合物，液態(tài)碳氟化合物，氟化乙醚，碳?xì)浠衔?，大氣氣體，惰性氣體，低活性組分，低溫氣體及上述組合物所組成的組。類似地，第二制冷劑可能是單一組分或是包括一種或多種組分的混合制冷劑，一種或多種組分選自由含氯氟烴，液態(tài)含氯氟烴，碳氟化合物，液態(tài)碳氟化合物，氟化乙醚，碳?xì)浠衔铮髿鈿怏w，惰性氣體，低活性組分，低溫氣體及上述組合物所組成的組。對于所述混合物來說，兩種狀態(tài)(液態(tài)和氣態(tài))的出現(xiàn)在整個制冷過程中是十分普通的，原因在于混合物包含的組分具有廣泛的間隔沸點(diǎn)(以50K或100K為典型，其不同于最溫暖到最寒冷的沸騰組分)，所述間隔沸點(diǎn)難于完全冷卻或蒸發(fā)。因此，所述混合物將極大受益于包裝歧管。然而，包裝歧管可能有利于含有本文所公開的熱交換器的類型的具有兩種混合狀態(tài)的任何過程。
第一制冷劑的可以效仿的實(shí)施方案可能包括在美國專利第6,502,410號，美國專利第5,337,572號以及PCT專利公布號為WO02/095308 A2中公開的制冷劑，其教導(dǎo)全部并入本文。
附圖1中的第一和第二制冷循環(huán)之一或全部可能是自動級聯(lián)循環(huán)。附圖2描述的具有解凍能力的可以效仿的自動級聯(lián)循環(huán)。制冷劑在壓縮機(jī)202中被壓縮。壓縮后的制冷劑經(jīng)過任選的油分離器224來從壓縮的制冷劑源中除去潤滑劑。通過油分離器224分離的油可以通過傳輸管線230返回到壓縮機(jī)202的抽吸管線222中。油分離器224的使用是任意的，這取決于排放到卸流源中的油的數(shù)量和油在制冷過程中的容許量。在可選擇的排列中，油分離器224與解凍支線228成直進(jìn)定位。
被壓縮的制冷劑通過管線206從油分離器224到達(dá)冷凝器204，壓被縮的制冷劑至少部分被冷凝，形成兩種狀態(tài)液/氣流動。冷卻介質(zhì)可能被用于凝結(jié)被壓縮的制冷劑。在級聯(lián)配置的情況下，第一制冷劑可能被用于冷凝冷凝器204中的第二制冷劑。
從冷凝器204中，冷凝的或部分冷凝的制冷劑通過管線210傳輸?shù)街评溥^程208中。制冷過程208可能包括一個或更多的熱交換器，狀態(tài)分離器和流量計裝置。制冷過程208的冷輸出214直接連接蒸發(fā)器212，其通過從過程或物品中吸收熱來冷卻過程或物品。被加熱的制冷劑通過管線220返回到制冷過程208中。級聯(lián)排列中的蒸發(fā)器212被用于冷卻下一更冷的階段中的制冷劑。在根據(jù)本發(fā)明的可以選擇的實(shí)施方案中，正如本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所熟知的那樣，各種不同的伺服閥(沒有顯示)可能被包括在附圖2的實(shí)施方案中。
在附圖2的可效仿的實(shí)施方案中，制冷過程208顯示為一種自動制冷級聯(lián)系統(tǒng)并包括熱交換器232，狀態(tài)分離器234，熱交換器236，狀態(tài)分離器238，熱交換器240，狀態(tài)分離器242，熱交換器244，流量計裝置(FMD)246，F(xiàn)MD248和FMD250。熱交換器提供從高壓制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐评鋭┑臒?。FMD將高壓制冷劑節(jié)流為低壓制冷劑并產(chǎn)生作為節(jié)流過程的制冷效果。
熱交換器232，236和240和蒸發(fā)器212和冷凝器204可能是，例如，平板式熱交換器，管并管式熱交換器，或殼和管式熱交換器。熱交換器可能包括，例如，填料或輸送熱交換器的一個或多個歧管中的填充分配器。
制冷系統(tǒng)200可以在以下三種模式的其中之一中操作，即冷卻，解凍和備用模式。已描述的制冷劑混合物能夠適用于上述三種模式中的每一種。如果螺線管閥門260和218都處于關(guān)閉位置，系統(tǒng)處于所述的備用模式。沒有制冷劑流入到蒸發(fā)器中。制冷劑僅僅在制冷過程208中通過內(nèi)部的流量計裝置(即，F(xiàn)MD246，F(xiàn)MD248和FMD250)的設(shè)備流動，導(dǎo)致高壓制冷劑被輸送到過程中的低壓一側(cè)。這將允許制冷過程208的繼續(xù)操作。如果使用單一節(jié)流制冷過程，備用模式的操作僅僅是可能，如果導(dǎo)致流動經(jīng)過節(jié)流閥的設(shè)備在備用模式期間是可用的，將引起制冷劑從制冷過程208的高壓一側(cè)流動到低壓一側(cè)。在某些排列中，備用模式可能通過成對的螺線管閥門啟動來控制流向蒸發(fā)器的制冷劑的流動或控制返回到制冷過程。在其他的排列中，附加的節(jié)流閥和螺線管閥門被用于使內(nèi)部流動處于備用模式。
在可以選擇的排列中，熱交換器，可考慮為再冷卻器(例如，如下附圖3中所示的再冷卻器)被包括在制冷過程中。再冷卻器從蒸發(fā)器中轉(zhuǎn)移一部分高壓制冷劑并將其膨脹為低壓，以降低制冷劑的溫度。然后，源被用于對整個流量進(jìn)行預(yù)冷，所述的整個流量輸送蒸發(fā)器和被轉(zhuǎn)移的流量。因此，當(dāng)流動到蒸發(fā)器的流量停止時，內(nèi)部的流動和熱傳遞繼續(xù)允許高壓制冷劑逐漸變冷。這將反過來導(dǎo)致進(jìn)入到再冷卻器中的膨脹制冷劑的溫度較低。
正如附圖3所示，熱交換器312是眾所周知的再冷卻器。某些制冷過程并不需要再冷卻器，因此其屬于任選部件。如果熱交換器312并沒有使用，那么高壓流動將退出熱交換器312直接輸送制冷劑供應(yīng)管線320中。在返回的流動路徑中，制冷劑返回管線348回到熱交換器308。在具有再冷卻器的系統(tǒng)中，退出再冷卻器的低壓制冷劑在節(jié)點(diǎn)H處與制冷劑返回的流量混合，并導(dǎo)致混合流量輸送到熱交換器308中，退出再冷卻器的低壓制冷劑回到熱交換器306中。被狀態(tài)分離器304去除的液體部分通過FMD310被膨脹為低壓。制冷劑從FMD310中流出，然后與從熱交換器308中流入到熱交換器306中的低壓制冷劑進(jìn)行混合。混合的流量回到熱交換器306，依次輸送到熱交換器302，其隨后回到壓縮機(jī)抽吸管線364中。熱交換器在高壓制冷劑和低壓制冷劑之間進(jìn)行熱交換。
回到附圖2，通過打開螺線管閥門218，系統(tǒng)處于冷模式。在所述操作模式下，螺線管閥門260處于閉合位置。來自制冷過程208的溫度很低的制冷劑通過FMD216被膨脹，并流經(jīng)閥門218后流出到蒸發(fā)器212中，然后通過制冷劑返回管線220返回到制冷過程208中。
制冷系統(tǒng)200通過打開螺線管閥門260處于解凍模式。在所述的操作模式下，螺線管閥門218處于閉合位置。解凍模式中來自壓縮機(jī)202的熱氣體提供給蒸發(fā)器212。典型地，解凍被啟動以加熱蒸發(fā)器212的表面。流經(jīng)油分離器224并經(jīng)過解凍管線228到達(dá)螺線管閥門260熱的制冷劑被提供給螺線管閥門218和蒸發(fā)器212之間的節(jié)點(diǎn)，并流動到蒸發(fā)器212中。在解凍的初始階段，蒸發(fā)器212的溫度非常低，并導(dǎo)致熱的制冷劑氣體變冷并完全或部分冷凝。然后，制冷劑通過制冷劑返回管線220返回到制冷劑過程208中。返回的解凍制冷劑在與通常在冷模式中提供的溫度及其相似的非常低的溫度下被啟動。由于解凍過程進(jìn)展蒸發(fā)器212被加熱。最終返回解凍氣體的溫度比在冷模式中提供的溫度要溫暖。這將導(dǎo)致在制冷過程208中大量的熱負(fù)載。這在短暫的時間周期中是被允許的，通常為2-7分鐘，該時間通常足以加熱蒸發(fā)器212的整個表面。溫度傳感器(出于簡潔的目的不進(jìn)行說明)可能與制冷劑返回管線220熱接觸。當(dāng)理想的溫度達(dá)到制冷劑返回管線220時，溫度傳感器引起控制系統(tǒng)(出于簡潔的目的不進(jìn)行說明)結(jié)束解凍，閉合螺線管閥門260并將制冷系統(tǒng)200處于備用模式。在解凍完成之后，備用模式中的短周期，通常是5分鐘，被要求允許制冷過程208在被轉(zhuǎn)為冷模式之前降低溫度。
出于解釋說明本發(fā)明公開的目的，制冷系統(tǒng)200的制冷過程208在附圖2中作為一種自動制冷級聯(lián)循環(huán)的版本來顯示。然而，溫度很低的溫制冷系統(tǒng)200中的制冷過程208是使用混合制冷劑的任何溫度很低的制冷系統(tǒng)。更為普遍的是，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案所涉及的制冷系統(tǒng)提供溫度介于233K和53K(-40C和-220C)之間的溫度。在該范圍內(nèi)的溫度被不同程度地認(rèn)為是低的，超低的和低溫。出于應(yīng)用地目的，術(shù)語“很低”，“很低的溫度”將被用于表示溫度介于于233K和53K(-40C和-220C)之間。更進(jìn)一步說，出于本應(yīng)用的目的，術(shù)語“混合制冷劑”將用于指代包括至少兩種組分的制冷劑混合物，其名義上的沸點(diǎn)在最暖的沸騰組分和最冷的沸騰組分之間變化至少為50C?？紤]到上述定義，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案指代使用混合制冷劑的溫度很低的制冷系統(tǒng)，并指代在所述制冷系統(tǒng)中使用的熱交換器。
更為詳細(xì)的是，制冷過程208可能是具有多個狀態(tài)分離器，單一狀態(tài)分離器或沒有狀態(tài)分離器的系統(tǒng)。
可以在本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的具有多個狀態(tài)分離器的系統(tǒng)的實(shí)施例是Missimer型循環(huán)系統(tǒng)(即，自動制冷級聯(lián)系統(tǒng)，正如Missimer在美國專利第3,768,273號中所描述的那樣)是眾所周知的Polycold低溫冷卻器系統(tǒng)或快速循環(huán)低溫冷卻器系統(tǒng)(即，自動制冷級聯(lián)過程)。Polycold系統(tǒng)及相關(guān)變化的實(shí)施例在Forrest的美國第4,597,267號專利中和Missimer的美國第4,535,597號專利中所描述?？梢赃x擇的是，任何不具有狀態(tài)分離器，具有一個狀態(tài)分離器或具有多于一個狀態(tài)分離器的溫度很低的制冷過程可以被使用。
也可以使用的具有一個狀態(tài)分離器的系統(tǒng)的實(shí)施例首先被Kleemenko描述。
也可以使用的不具有狀態(tài)分離器的系統(tǒng)的實(shí)施例是CryoTiger或PCC系統(tǒng)(由Helix Polycold System Inc.，Petaluma，CA制造)，和同樣也是眾所周知的單階段的沒有狀態(tài)分離器的低溫冷卻器。Longsworth的美國第5,441,658號專利中描述了這樣的裝置。
對于低溫和溫度很低的制冷進(jìn)一步可以參考由美國加熱、制冷和空調(diào)協(xié)會出版的1998 ASHRAE制冷手冊中第39章的內(nèi)容。除了使用的狀態(tài)分離器的數(shù)量之外，還有熱交換器的數(shù)量和使用的內(nèi)部節(jié)流裝置的數(shù)量可以根據(jù)特定的應(yīng)用而在各種不同的排列中增加和減少。所有以上的參考文件的教導(dǎo)作為參考并入本文。
制冷循環(huán)的進(jìn)一步的變化包括用于冷卻或液化氣源。在某些排列中，蒸發(fā)器被用于冷卻或液化氣體。在其他的排列中，氣源通過熱交換器的使用而被預(yù)冷卻，該熱交換器具有至少三條流動路徑，其中返回的低壓制冷劑冷卻高壓制冷劑和至少一個氣源。在某些情況下，蒸發(fā)器的功能和預(yù)冷熱交換器是結(jié)合在一起的。在所述的排列中，高壓制冷劑膨脹，然后直接返回到三個流動熱交換器中。在其他的變化中，多氣源被冷卻或液化。制冷循環(huán)的其他變化可能包括用于冷卻或液化液體源(或多液體源)的制冷過程。
附圖2顯示的制冷過程208的幾種基本的變換是可能的。顯示在附圖2中的制冷系統(tǒng)200與單一的壓縮機(jī)相連。然而，人們將認(rèn)識到這種相同的壓縮效率可以通過并行使用兩個壓縮機(jī)獲得，或者壓縮過程可能通過串連壓縮機(jī)或兩個階段內(nèi)的壓縮機(jī)來被分成若干階段。所有這些可能的變化都被認(rèn)為是在公開的范圍之內(nèi)。由于提供了改進(jìn)的可靠性，所示的實(shí)施方案使用單一壓縮機(jī)。當(dāng)制冷系統(tǒng)位于輕負(fù)載時，并行使用兩個壓縮機(jī)對于降低功率消耗是非常有用的。所述裝置的優(yōu)勢在于額外的部分，控制，要求的地面空間和費(fèi)用以及可靠性的減少。兩個壓縮機(jī)的串連使用提供了一種用于減少壓縮的每一個階段的壓縮率的裝置。其提供由于壓縮的制冷氣體所達(dá)到的降低最大排放溫度的優(yōu)勢。然而，這也要求額外的部分，控制和費(fèi)用以及較低的系統(tǒng)可靠性。所示的實(shí)施方案使用單一的壓縮機(jī)。通過單一的壓縮機(jī)，壓縮的單一階段中的混合制冷劑的壓縮可能被使用，而沒有過多的壓縮率或排放溫度。被設(shè)計為提供多階段壓縮并冷卻壓縮階段之間的制冷劑的利用由于單一的壓縮機(jī)仍被使用而在增加的復(fù)雜性的劣勢被最小化時保持間斷的壓縮階段的利益。
狀態(tài)分離器可能采用各種形式，包括合并式，旋渦式，除霧器，或上述形式的結(jié)合。狀態(tài)分離器可包括合并式過濾器，針織網(wǎng)眼，金屬細(xì)網(wǎng)紗，和結(jié)構(gòu)性材料。這取決于設(shè)計，流動速率和液體成分，狀態(tài)分離器可以在高于30％的效率下操作，可能大于85％或超過99％。
附圖2中的制冷系統(tǒng)200連接單一的蒸發(fā)器。一種普通的變化是對多個蒸發(fā)器提供獨(dú)立的解凍控制和冷卻控制。在所述的排列中，各個蒸發(fā)器是并聯(lián)的，每一個都具有閥門組(例如，閥門260和218)來控制冷的制冷劑和熱的解凍氣體的流動，以及冷凝管線。所述排列使得具有一個或更多的蒸發(fā)器處于冷模式，解凍模式，或備用模式成為可能，例如，其他的蒸發(fā)器可能是單獨(dú)放置在冷模式，解凍模式或備用模式。
制冷系統(tǒng)200進(jìn)一步包括通過狀態(tài)分離器234的第一輸出的分支傳送的任選的螺線管閥門252。螺線管閥門252的輸出傳送到與第二膨脹箱256串連(已顯示)或并聯(lián)(未顯示)連接的任選的膨脹箱254。另外，任選的FMD258的輸出連接到螺線管閥門252和膨脹箱254之間的節(jié)點(diǎn)上。FMD258的輸出在熱交換器236和熱交換器232之間的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)給到制冷劑返回路徑中。系統(tǒng)部件的各種排列可以被使用。這些排列包括無源膨脹箱的系統(tǒng)，在初始階段螺線管閥門打開以將氣體存儲在膨脹箱中的系統(tǒng)，在美國專利第4,763,486號和美國專利第6,644,067中所描述的初始狀態(tài)中運(yùn)行的用于管理系統(tǒng)的旁路閥門。還有的其他排列可以使用，其中的膨脹箱和特定的初始排列都沒有公開在Longsworth的美國專利第5,441,658號中。鑒于此，膨脹箱的使用是任選的。
在初始階段，由于整個系統(tǒng)處于室溫，所以經(jīng)過制冷系統(tǒng)200的大部分制冷劑通常是氣態(tài)的。制冷劑氣體的控制十分重要，以致冷卻時間減少。在初始階段選擇性地從制冷系統(tǒng)200的循環(huán)中去除氣體有利于時間的減少。另外，氣體流回到制冷系統(tǒng)200中的比率同時也影響變冷的比率。
在初始階段，系統(tǒng)控制器(未顯示)暫時打開螺線管閥門252，通常需要10到20秒。螺線管閥門252是，例如，Sporlan式的B6閥門。結(jié)果是，在初始階段，制冷劑氣體從狀態(tài)分離器234中排出并輸送到膨脹箱254和膨脹箱256的串連結(jié)合中。FMD258控制制冷劑氣體的輸入和輸出膨脹箱254和256的流動。用于設(shè)定經(jīng)過FMD258的流動需要考慮以下兩個因素流動必須足夠慢，以致在任意給定的時間和任何打開的條件下返回到制冷系統(tǒng)200的氣體在冷凝器中可以被冷凝，從而確保較快速冷卻。正是在開始階段的液體的初始構(gòu)成使得變冷時間以15分鐘到60分鐘為順序。同時，流經(jīng)FMD 258的速率必須足夠快，以確保足夠的制冷劑在制冷系統(tǒng)200中流動，這樣由于低的抽吸壓力所產(chǎn)生的可能的故障被避免。流向和流出膨脹箱254和256的氣體通過使用附圖2中所示的FMD258被被動控制。另外，與傳感器結(jié)合的控制器可以用于提供活動的流動控制。膨脹箱的排列包括至少一個壓力室和可以具有串連和/或并聯(lián)排列的膨脹箱的結(jié)合和任意數(shù)量的膨脹箱。在可以選擇的排列中，冷凝器中的液體構(gòu)成，無論是在系統(tǒng)變冷期間或是在連續(xù)的操作期間，并不是必須的。在上述情況下，如果不可接收的低抽吸壓力不被發(fā)展，再次導(dǎo)入的氣體的較低的速率是足夠的。
附圖4描述了兩種階段的制冷系統(tǒng)。第一階段是冷卻第二階段或冷階段的暖階段。第二階段反過來冷卻經(jīng)過蒸發(fā)器或熱交換器444的過程或物品。
在第一階段中，壓縮機(jī)402壓縮第一制冷劑。被壓縮的制冷劑通過任選的油分離器404，其中殘留的油可能被去除和返回到壓縮機(jī)中。壓縮的制冷劑被傳輸?shù)嚼淠?06中，在此壓縮的制冷劑凝結(jié)為液態(tài)形式。壓縮的制冷劑輸入到制冷部分408中。
制冷部分408可能包括一個或更多的熱交換器。制冷部分408也可能包括一個或更多的狀態(tài)分離器和流量計裝置(FMD)或膨脹器。在所示的實(shí)施例中，制冷部分408包括三個熱交換器410，414，416，狀態(tài)分離器412，和FMD420。被膨脹的制冷劑被用于從熱交換器430中去除熱，然后返回到制冷部分408，其后經(jīng)過熱交換器410，414，416，從而熱從壓縮的或凝結(jié)的制冷劑變換為返回到壓縮機(jī)402中的低壓制冷劑。狀態(tài)分離器402和FMD420可以用于建立作為壓力差或膨脹的結(jié)果的進(jìn)一步的制冷效果，和不同組分與返回的流量的混合。
FMD418可以用于制冷部分的輸出以控制制冷劑的流動。FMD418可以是閉合的，允許制冷循環(huán)獨(dú)立循環(huán)?？梢赃x擇的是，F(xiàn)MD418可以是打開的，以允許凝結(jié)的制冷劑膨脹到熱交換器430中。在一個可以效仿的實(shí)施方案中，第一制冷劑可能在熱交換器430中蒸發(fā)，而第二制冷劑凝結(jié)。
在第二階段或冷階段，第二制冷劑在壓縮機(jī)422中被壓縮。壓縮的制冷劑可能通過任選的油分離器424以去除殘余的油。壓縮的制冷劑可能經(jīng)過一種后冷卻器426以部分冷卻壓縮的制冷劑。在可以選擇的實(shí)施方案中，后冷卻器426和油分離器的排列可以是相反的。壓縮的制冷劑可能經(jīng)過熱交換器428以進(jìn)一步冷卻被壓縮的制冷劑和部分加熱返回到壓縮機(jī)抽吸管線的低壓制冷劑。壓縮的制冷劑可能經(jīng)過冷凝器或熱交換器430，熱與第一制冷循環(huán)進(jìn)行交換。凝結(jié)的和部分凝結(jié)的制冷劑可能會流入到制冷部分432中以進(jìn)一步冷卻。冷卻的制冷劑通過FMD442膨脹到蒸發(fā)器444中以冷卻過程或物品。
包括熱交換器434，438，440，狀態(tài)分離器436，和FMD446的制冷部分432可以以與制冷部分408相同的方式操作?？梢赃x擇的是，各種配置可以在制冷部分432中使用。
熱交換器406，410，414，416，426，428，430，434，438，440和444可以是，例如，平板式熱交換器，管并管式熱交換器，或殼和管式熱交換器。熱交換器可以包括，例如，填料或輸送熱交換器的一個或多個歧管中的填充分配器。
制冷部分也可以包括對于制冷系統(tǒng)208的討論的任何系統(tǒng)變化。
附圖5描述一種可以效仿的熱交換器500。熱交換器包括用于接收第一流體的輸入歧管或聯(lián)管箱502。輸入歧管502進(jìn)入一個或更多通道504的第一組中。通道504可能通過熱傳遞表面514與輸送第二流體的通道506的第二組間隔開。通道504可能與第一流體連通到輸出歧管或聯(lián)管箱50中。附圖5解釋說明了兩源的熱交換器。然而，本發(fā)明也可以適用于具有多于兩種流動源的熱交換器。
在一個可以效仿的實(shí)施方案中，熱交換器500是平板式熱交換器。在一個可以效仿的實(shí)施方案中，平板式熱交換器可能具有與四個歧管耦合的一組平行的板，以這樣的方式形成兩組通道。在一個實(shí)施方案中，平板式熱交換器可能是短通道平板式熱交換器；例如，一種平板式熱交換器，其中平板式熱交換器的長寬比不超過8.0，或不超過6.0或者是其他類型的短通道平板式熱交換器。為了獲得理想的熱傳遞表面積，不止一個熱交換器可以串連或依次前后操作。更進(jìn)一步說，不止一個熱交換器可以與分布的液體分離器進(jìn)行串連耦合，以形成制冷部分。在又一個可以效仿的實(shí)施方案中，平板式熱交換器可能是反向流動的平板式熱交換器，其中熱交換流體在相反的方向上流動。平板式熱交換器可以效仿的實(shí)施方案包括Swep，Inc.B15和Flat-Plate FP2×8-40平板式熱交換器。在可以選擇的實(shí)施方案中，熱交換器500可以是殼和管式熱交換器或具有多條管道的管并管式熱交換器。
附圖5中的可以效仿的熱交換器包括輸入歧管502中的填料510。填料形成流動分配器。填料510可以是任意的或結(jié)構(gòu)性填料。例如，任意填料可以是當(dāng)位于歧管中時是任意排列的填料。描述的填料包括球形鋼球?？梢赃x擇的是，任意的填料可以包括環(huán)狀，圓柱體，鞍狀，中空球狀體，絲網(wǎng)或網(wǎng)格片或其結(jié)合。不同大小和形狀的填料可以在單一的歧管中合并使用。一般來說，優(yōu)選的是，固定填料以致填料在運(yùn)輸或操作期間不會移動。在特定的實(shí)施方案中，任意填料的大小可能大于通道504的寬度，而且不會超過聯(lián)管箱或與聯(lián)管箱連接的開口的寬度的99％。例如，球形或圓柱形填料元件的直徑可能大于平板式熱交換器通道的寬度。當(dāng)需要較小的填料元件時，保留的結(jié)構(gòu)，例如線網(wǎng)格或篩子可以用于防止填充材料進(jìn)入或滯留在流動通道。
附圖6描述的是一種平板式熱交換器602。平板式熱交換器602包括形成兩組通道的一個或更多的平板604。輸入歧管A和輸出歧管B與其中的一組通道連通。輸入歧管D和輸出歧管C與其中的第二組通道連通。填料可能被放置在一個或更多的輸入歧管A或D以在歧管A或D中形成流動分配器?？梢赃x擇的是，填料也可以在至少一個流動源的輸出中使用。位于輸出中的填料的使用可能減少要求的制冷劑費(fèi)用和將液體制冷劑存儲減到最小或消除。
附圖5是簡化的橫截面視圖，表示通過通道504的僅從A流向B(附圖6中，對應(yīng)于附圖5中的從輸入502流向輸出508)。通過通道506的從D流向C的反向流動應(yīng)該是類似的。提供必需的流動的具有合成外形平板的平板式熱交換器是眾所周知的，而且商業(yè)產(chǎn)品的實(shí)施例已在上文中引用。可以從附圖6示意性的視圖中看出，附圖5中所述的熱交換器實(shí)現(xiàn)反向流動的熱交換器，一股流動從附圖5的通道504中從左邊流向右邊(附圖6中從輸入A流向輸出B)；一股對應(yīng)的流動從通道506的右邊流向左邊(附圖6中從輸入D流向輸出C)。人們將會理解附圖5和附圖6中反向流動的實(shí)施方案并不是限制；而且平行的流動，交叉的流動或其他形式的熱交換可以根據(jù)本發(fā)明使用在實(shí)施方案中。
附圖6中的示例用的熱交換器602可以用作減溫器的交換器，以在壓縮的制冷劑和從制冷部分排出的返回膨脹制冷劑之間進(jìn)行熱交換。熱交換器602也可以用作冷凝器或蒸發(fā)器?？梢赃x擇的是，熱交換器602可以用作一種用于將熱從壓縮的制冷劑轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€制冷循環(huán)中的膨脹的制冷劑的熱交換器。在另一個可以效仿的應(yīng)用中，熱交換器602可以在冷凝的壓縮制冷劑和制冷部分中返回的膨脹制冷劑之間進(jìn)行熱交換的制冷部分中使用。例如，一個或更多的熱交換器602可以作為附圖2中描述的制冷過程208中的熱交換器232，236和240，作為附圖3中描述的制冷過程318中的熱交換器302，306和308，作為附圖4中描述的制冷過程408中的熱交換器410，414和416，或作為附圖4中描述的制冷過程432中的熱交換器434，438和440使用。
在可以效仿的實(shí)施例中，一種由SWEP Inc.制造的4板式PTHX B15/4單一膨脹系統(tǒng)被作為測試。一種使用的多組分混合制冷劑包括CH4/C2H4/C3H8/R142。系統(tǒng)采用了3.6cfm(6m3/h)往復(fù)封閉式壓縮機(jī)。沒有流動分配器的系統(tǒng)達(dá)到最低溫度為190K(QR＝0W)。在填充的流動分配器安裝之后，系統(tǒng)達(dá)到的較低溫度為170K(QR＝0W)和在190K時具有QR＝300W的冷卻能力。在測試中，熱交換器被用作制冷劑對制冷劑的熱交換器，在反向流動排列中操作并接收來自后冷卻器的高壓流動；將高壓制冷劑傳遞到單一膨脹裝置中；從蒸發(fā)器中接收低壓制冷劑；并將低壓制冷劑傳遞到壓縮機(jī)。
附圖7A-7E描述的是在熱交換器的歧管中使用的可以效仿的填料。附圖7A描述的是可以效仿的球形鋼球?？梢赃x擇的是，可以選用橢圓體的任意填料。附圖7B描述的是可以效仿的環(huán)形或圓柱形填料，例如，Raschig環(huán)，超Raschig環(huán)，Cascade迷你環(huán)，或PALL環(huán)。附圖7C描述的是可效仿的鞍狀填料，例如，Berl鞍狀物，Intalox陶瓷鞍狀物，Intalox金屬鞍狀物，或Koch-Glitsch Fleximax。附圖7D描述的是可效仿的空心球狀體填料，例如，VFF Hacketten或VFF Top-Pak。在另一個可以效仿的實(shí)施方案中，附圖7E描述的是絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)?？梢赃x擇的是，可以采用網(wǎng)孔片或穿孔的金屬帶狀物。任意填料可以是固體的或多孔滲水的，以及只要所選的材料能夠與處理流體和溫度相匹配，任意填料可以是金屬，陶瓷，塑料或類似的合適材料。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)性的填料可以使用。結(jié)構(gòu)性的填料可以包括形成通道并可以與網(wǎng)孔或穿孔的金屬片構(gòu)建。在另一個可以效仿的實(shí)施方案中，包括結(jié)構(gòu)性的或任意填料的釋熱元件可以被放置在歧管，聯(lián)管箱或分配器中。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中使用的填料的膨脹特性在于熱交換器的平行板之間分配的流量更加平均。人們希望通過建立更多的均勻流量流經(jīng)聯(lián)管箱區(qū)域來獲得上述特性。在所述的情況下，均勻流量指的是液體和氣體流量的平均分布。在該過程中，機(jī)械裝置的關(guān)鍵在于聯(lián)管箱速度上的增加，在液壓直徑上的減少，和速度流動區(qū)域的干擾。填充材料的物理性質(zhì)減少了可獲得的橫截面的流動區(qū)域。這將增大流動速度。填料材料也減少降低液壓直徑的流動通道。填料材料的性質(zhì)也分配流量和建立彎曲路徑。這將導(dǎo)致液體和蒸汽狀態(tài)的更好混合。由填料所占據(jù)的混合和物理體積同樣減少聯(lián)管箱中的液體狀態(tài)的“池”位。由于在從聯(lián)管箱的輸出(或輸入)經(jīng)過聯(lián)管箱的無流動端，流量減少，因此需要沿著聯(lián)管箱長度方向上的橫截面積以維持足夠的速度來確保充分的液-汽均勻。然而，好的結(jié)果是獲得包括大小相同和沿著聯(lián)管箱的長度的包裝密度相同的鋼球的填料。
優(yōu)選的是，例如，填料可能被確定大小以提供熱交換器上不超過5psi的壓力差，例如，不超過4psi或不超過大約2psi，而且流動速度不超過3m/s。一般來說，熱交換器上的壓力差會與速度一并增加并與液體部分一并增加。在某些設(shè)計中，可以使用更多的黏性強(qiáng)的膠料。在所述情況下，速度增加到20m/s或更多，壓力差增大到50psi或更多的情況都可能發(fā)生。即，這樣高的速度和壓力差不是需要的；然而，人們將會理解速度和壓力差(包括既定的)的更寬的范圍在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。當(dāng)聯(lián)管箱中的壓力差相對于熱交換器中的壓力差變得明顯時，一般會在熱交換器中出現(xiàn)不平衡的流動，原因在于非?？拷斎氲牧鲃优c流經(jīng)板的第一組的流動很相似。出于這一原因，為了在每一板中實(shí)現(xiàn)幾乎相等的分布，聯(lián)管箱中小的壓力差是優(yōu)選的。任意的填料也可以被確定大小，以致有效的大小或直徑是大于或小于通道的寬度或直徑的。
附圖8A-8F描述的是歧管和聯(lián)管箱的可以效仿的實(shí)施方案。附圖8A描述的是填充有任意填料804的歧管802。填料804可能是，例如，其直徑和大小大于由歧管輸送的通道的直徑和大小。結(jié)構(gòu)806可以確保任意填料處于位置上。結(jié)構(gòu)806可以是，例如，填充有網(wǎng)孔，篩子，或穿孔的金屬箔。舉例來說，網(wǎng)孔可以是線或聚合體網(wǎng)孔。金屬箔可以是金屬或塑料金屬箔。所述的結(jié)構(gòu)806可以是穿孔的或能夠滲透足以允許制冷劑液體的流動經(jīng)過結(jié)構(gòu)806。在附圖8A-8F中，流動箭頭807指代的是制冷劑液體流動的一般方向流經(jīng)結(jié)構(gòu)806；輸入到歧管802的流動末端809并流向無流動末端811；和在813，聯(lián)管箱的輸出朝向熱交換器通道。分界線815，817是歧管和聯(lián)管箱的無流動分界線，而結(jié)構(gòu)806和分界線819可能是可滲透流動的。其他各種方向和流動分界線排列的變化也可以采用。舉例來說，附圖8A-8F中解釋說明流入聯(lián)管箱的實(shí)施例，例如，附圖5中的輸入502，其中流動進(jìn)入聯(lián)管箱的頂部并進(jìn)行到右邊進(jìn)入通道504(如箭頭807所示)。然而，在另一個實(shí)施例中，流動可以在熱交換器500的右邊的輸入上(附圖5中沒有顯示)，其中流動可能進(jìn)入到聯(lián)管箱的頂部并進(jìn)行到左邊進(jìn)入通道506。可以選擇的是，例如，對于輸出508，流動可以從聯(lián)管箱的左邊流入而從聯(lián)管箱的頂部流出。結(jié)構(gòu)806和其他可滲透的邊界和無流動的邊界的排列將取決于流經(jīng)歧管或聯(lián)管箱的流動的方向。除了描述的流動方向之外，其他的流動方向也是可能的。盡管附圖8A-8F中的流動方向通常用箭頭表示出來，人們將會理解真實(shí)的流動將會流經(jīng)聯(lián)管箱或歧管的可滲透邊界的大部分或全部。
附圖8B描述的是可以替換的實(shí)施方案，其中聯(lián)管箱或歧管802包括形狀可變的結(jié)構(gòu)806。形狀可變的結(jié)構(gòu)806可以保護(hù)填料804。在附圖8B的特定的實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)806可能具有沿歧管的深度變化的橫截面積。具有形狀可變的目的可能是用于調(diào)整可以獲得的流動面積與沿著聯(lián)管箱長度減少的流動相匹配。一般來說，在輸出(或輸入)流動面積和大量的流動速度是最大的，而且在聯(lián)管箱的末端，流動面積和大量的流動速度是最小的。在一個可以效仿的實(shí)施方案中，歧管806的橫截面積沿著歧管從輸入到無流動端減少，例如一種倒錐體(和，相反的，填料804的總橫截面積沿著歧管從輸入到無流動端增加)。在一個可以效仿的實(shí)施方案中，錐體可以是不對稱的，以致錐體的頂部偏離歧管或聯(lián)管箱的中心線并遠(yuǎn)離通道。在另一個實(shí)施方案中，變化長度和相同長度或變化直徑的流動通道的系列被插入到聯(lián)管箱的內(nèi)部以向聯(lián)管箱部分提供眾多的輸出，而且在所述的實(shí)施方案中，聯(lián)管箱部分可能包括填充材料。在又一個實(shí)施方案中，結(jié)構(gòu)806可以采用圓柱體的形式。在圓柱體部件的情況下，橫截面積不會變化，但其會導(dǎo)致通過聯(lián)管箱的速度較高。結(jié)構(gòu)806可能是穿孔的固體部件，多孔滲水部件，網(wǎng)孔或紡織品。結(jié)構(gòu)可以由金屬或聚合體結(jié)構(gòu)制成。
附圖8C描述的是各種變化，其中具有橫截面積的歧管沿著歧管的長度變化。在這一可以效仿的實(shí)施方案中，總的填料的橫截面積沿著歧管從輸出端到無流動端減少。結(jié)構(gòu)806保護(hù)填料804。如圖所示，結(jié)構(gòu)806是對稱的。然而，在可以選擇的實(shí)施方案中，可以采用不對稱的結(jié)構(gòu)。
附圖8D描述了歧管或聯(lián)管箱802，其中使用大小變化的填料(810，812和814)。填料由結(jié)構(gòu)806保護(hù)。在這一實(shí)施方案中，填料大小的減少向著歧管802的無流動端。然而，不同大小的填料可以平均分布或放置，以致較大的填料靠近歧管802的無流動端。在一個特定的實(shí)施方案中，填料是雙峰分布的，包括填料的第一大小和第二大小。在其他的變化中，采用了多于兩種大小的填料元件，而且在某些變化中兩種，三種或更多的填料形狀可以使用。所述情況中，采用的是不同大小的填料元件，它們可以以漸進(jìn)的方式分布(例如，從較大的到較小的填料元件)或以任意的方式分布。填料元件也可以包括多種不同大小和外形的填料元件。填料元件外形的變化(可以是采用兩種，三種或更多種不同填料元件的外形，其可以離散分布，或連續(xù)分布或在聯(lián)管箱或歧管上任意變化)也可以采用。
附圖8E描述的是又一個可以效仿的實(shí)施方案，其中結(jié)構(gòu)806的橫截面積在向著歧管802的無流動端的方向上增加(和，相反的是，總橫截面積在向著歧管802的無流動端的方向減少)。(人們將會理解附圖8E的排列在向著歧管802的無流動端的方向上不具有減少流動面積的優(yōu)選關(guān)系；但是其是出于解釋說明變化的緣故)。在附圖8E的可以選擇的實(shí)施方案中，附圖8E中顯示的兩側(cè)之間(如空白空間)的面積可能填充固體屏障。在所述情況下，流動經(jīng)過結(jié)構(gòu)806，而經(jīng)過填充材料804的流動的橫截面積因此在向著歧管的無流動端的方向上減少。附圖8F描述的可以效仿的實(shí)施方案，其中釋熱元件816被插入到歧管802中。釋熱元件816可以，例如，包括在或包裹的任意填料?？梢赃x擇的是，釋熱元件816可以由結(jié)構(gòu)性填料制成。
也可以使用除了附圖8A-8F中所示的其他的變化。例如，填料可以包括被其他填充材料圍繞的固體部件或多孔滲水部件。同樣的，填料的形狀或填料中的固體或多孔滲水部件，或填料自身的基礎(chǔ)可以以平滑連續(xù)的方式變化，以波浪的形式變化，或以階梯式變化；而且可以是對稱的或不對稱的。由于結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的橫截面積流動的有效減少可能導(dǎo)致流動區(qū)域線性或非線性的變化。
附圖9A，附圖9B和附圖9C描述的是熱交換器的可以效仿的定位。附圖9A描述了水平的熱交換器。附圖9B描述的是具有熱端朝上的熱交換器。在可效仿的制冷部分，壓縮的制冷劑輸入歧管位于壓縮的制冷劑輸出歧管的上方，而膨脹的制冷劑輸入歧管位于反向流動的熱交換器中的膨脹的制冷劑輸出歧管的下方。附圖9C描述的是可以選擇的實(shí)施方案，其中熱端靠近熱交換器的底部而歧管對應(yīng)放置。
熱交換器可以在不同的定位操作。在一個可以效仿的實(shí)施方案中，試驗(yàn)用的熱交換器被安裝有向上的“熱端”，然后轉(zhuǎn)動180度到“熱端”向下的位置。這種格局表現(xiàn)在表1中，分別對應(yīng)NO.3和NO.4。系統(tǒng)示范了一種好的操作穩(wěn)定性。
表1.沒有或具有來自Swep Inc.的PTHX B15/4流動分配器的系統(tǒng)性能比較

參考表1，使用具有流量分配器(箭頭2，3和4)的熱交換器的制冷循環(huán)與沒有使用流量分配器(箭頭1)的熱交換器的制冷循環(huán)相比，表現(xiàn)為較低的蒸發(fā)器溫度。與具有標(biāo)記“熱端”向下(箭頭4)的熱交換器的制冷循環(huán)相比，具有標(biāo)記“熱端”向上(箭頭3)的熱交換器的制冷循環(huán)在蒸發(fā)器中表現(xiàn)為較低的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的填充流量分配器的效率可以從附圖10中看出，其表現(xiàn)的是對于用碳?xì)浠衔锏幕旌衔锊僮鞯钠桨迨綗峤粨Q器而言的具有或沒有流量分配器的全部的熱傳遞系數(shù)(HTC or k，W/m2-K)。其結(jié)果可以從額外的試驗(yàn)中獲得，所述額外的試驗(yàn)使用單一階段的在190K的制冷溫度下操作的制冷系統(tǒng)。熱交換器的熱負(fù)載的測量基于測定的混合制冷劑的流動速度和在熱交換器的輸入和輸出上的溫度和壓力值。狀態(tài)的Soave因素被用于確定熱交換器的流動的輸出和輸入的熱函數(shù)。平均的溫度差被計算。
以碳?xì)浠衔餅榛A(chǔ)的混合制冷劑碳?xì)浠衔?HC)CH4/C2H4/C3H8和R-142b，組分含量(摩爾％)為41/32/20和7的有效操作四平板式熱交換器進(jìn)一步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別顯示在表2中。表2也包括以Ar和鹵烴(AR/R)R14，R23，R134a，R142b為基礎(chǔ)的混合制冷劑的數(shù)據(jù)。摩爾百分比中組分的測定如下7/41/30/12/10具有1％的精度。數(shù)據(jù)證明具有建議使用不同的混合制冷劑的流動分配器的平板式熱交換器的高效率。表2也顯示在混合包括CH4/C2H4/C3H8/C4H10的制冷劑碳?xì)浠衔?HC)下操作的六平板式熱交換器的測試數(shù)據(jù)，其組分含量分別為34/33/17/15(摩爾％)。結(jié)果表明效率提高了大約20-30％。實(shí)際的性能將會變化。然而，即使由于使用本發(fā)明的熱交換器的效率提高2％或更少將被認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。人們將會理解，雖然特定的制冷劑混合和制冷劑類型在本文中有所提及，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案可能使用全部的兩種狀態(tài)的制冷劑和制冷劑-油的混合物。更進(jìn)一步，由于大部分的制冷系統(tǒng)循環(huán)使用壓縮機(jī)油和制冷劑，人們希望本發(fā)明也具有油和富油液體狀態(tài)的有用性。
表2基于3.6cfm壓縮機(jī)的單一階段系統(tǒng)的性能-4平板式和6平板式熱交換器，包括根據(jù)本發(fā)明的流動分配器

表3顯示的是串連操作的效率。在該測試中，2個平板式熱交換器被串連連接以提供單一熱交換器的功能的等同物。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的一種流動分配器允許有效的平板式熱交換器與輸入的混合制冷劑的兩種狀態(tài)的蒸汽-液體流動一并操作?？梢赃x擇基于3.6cfm壓縮機(jī)的小范圍冷卻器的高Carnot效率(CEF)(大于大約0.10)，在表3中被證明。短通道平板式熱交換器B15/6被插入以在相對高的溫度范圍內(nèi)被操作。
表3具有串連的平板式熱交換器的操作系統(tǒng)的性能

另一系列的測試在兩階段(單一狀態(tài)分離器)自動級聯(lián)的具有24cfm位移壓縮機(jī)的低溫制冷系統(tǒng)上實(shí)施。使用的混合制冷劑包括以下組分Ar/R14/R23/R125/R236fa。由FlatPlate，Inc制造的具有“孔口”式的分配器的SC-12 5”×12”(50板式再冷卻器)平板式熱交換器是開始時選擇的。分配器的壓力差落在高壓流(280-300psig)的輸入上為8-10psi。當(dāng)分配器再次定位于平板式熱交換器的抽吸一例(30-50psig)，熱交換器導(dǎo)致16-18psi的壓力差。
SC-12被類似大小的C4A 5”×12”(44板式冷凝器)平板式熱交換器代替。C4A的輸入聯(lián)管箱不具有制造安裝的聯(lián)管箱。而是，輸入聯(lián)管箱被插入的填料修改，該填料包括

不銹鋼球。形成為盤形穿孔的金屬薄片被放置在聯(lián)管箱的頂部以將鋼球軸承支撐在聯(lián)管箱中。盤形直徑大于連接管的內(nèi)徑，并大于聯(lián)管箱的入口。這將允許連接管保證穿孔的金屬盤被連接管固定。在熱交換器的供應(yīng)一側(cè)測定的總壓力差為2-3psi，和在返回一側(cè)為3-5psi?？偟臒醾鬟f系數(shù)從200W(m^2_K)增加到300W(m^2_K)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的熱交換器可以在制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中使用，所述熱交換器具有定位于一個或更多的輸入歧管上的填充分配器。制造制冷系統(tǒng)的方法可以包括將填充分配器或填料嵌入到與制冷系統(tǒng)連接的熱交換器的歧管中?，F(xiàn)有的制冷系統(tǒng)也可以通過嵌入填充分配器或填料到與制冷系統(tǒng)連接的熱交換器的輸入歧管中而被再刷新，維護(hù)或翻新。所述制冷系統(tǒng)可能是單一部件的或混合制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)也可能是集成的或小巧的單元。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案通過防止液體制冷劑在熱交換器中聯(lián)管箱中的堆積來對在特定模式中的制冷系統(tǒng)在長期操作情況下提供了改進(jìn)的穩(wěn)定性和可靠性的優(yōu)勢。在變化的操作條件下(包括在啟動階段，冷模式，備用模式和解凍模式，變化的熱負(fù)載和其他的情況)，實(shí)施方案也提供了改進(jìn)的穩(wěn)定性。
考慮到上述內(nèi)容，在本領(lǐng)域內(nèi)人們極大地希望能夠提供熱交換器，合并有熱交換器的制冷系統(tǒng)，用于操作制冷系統(tǒng)的方法，用于解決現(xiàn)有的熱交換器的方法和提供需要的性能的相關(guān)技術(shù)。
上述公開的發(fā)明主題應(yīng)該被認(rèn)為是用于解釋說明的，而不是限制性的，而且附上的權(quán)利要求書旨在覆蓋全部這樣的修改，改進(jìn)和其他的實(shí)施方案，其將落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。因此，對于法律所保護(hù)的最大范圍而言，本發(fā)明的范圍將由以下權(quán)利要求及其等同物的可以允許的范圍最大的解釋來確定，而不是限制在上述公開的內(nèi)容之內(nèi)。
本發(fā)明的研發(fā)的目的在于改進(jìn)運(yùn)用于制冷過程中的熱交換器的效率。人們將會理解本發(fā)明在其他的熱交換器的應(yīng)用中的使用是有效的，例如，工業(yè)上的熱傳遞，發(fā)電廠，熱回收單元，太陽能和其他可以替換選擇的能源系統(tǒng)，以及化工石油操作。
鑒于本發(fā)明已經(jīng)作出了特定的公開和根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施方案進(jìn)行了描述，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員都會認(rèn)識到任何形式的變化和細(xì)節(jié)都不會脫離于由附上的權(quán)利要求書所確定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種熱交換器，該熱交換器包括流體輸入歧管；流體輸出歧管；以及眾多的被配置為與流體輸入歧管和流體輸出歧管連通的熱傳遞通道；以及位于流體輸入歧管之內(nèi)的填料。
2.依照權(quán)利要求1的熱交換器，其中進(jìn)入到流體輸入歧管中的流體包括至少兩種狀態(tài)。
3.依照權(quán)利要求1的熱交換器，其中狀態(tài)包括氣態(tài)和液態(tài)。
4.依照權(quán)利要求1的熱交換器，其中熱交換器是平板式熱交換器。
5.依照權(quán)利要求4的熱交換器，其中熱交換器是反向流動的熱交換器。
6.依照權(quán)利要求4的熱交換器，其中平板式熱交換器是短通道的平板式熱交換器。
7.依照權(quán)利要求1的熱交換器，其中填料包括填料元件。
8.依照權(quán)利要求7的熱交換器，其中填料元件包括任意填料元件。
9.依照權(quán)利要求7的熱交換器，其中填料元件包括球形鋼球。
10.依照權(quán)利要求7的熱交換器，其中填料元件選自由球狀元件，橢圓形元件，環(huán)狀元件，圓柱形的元件，鞍狀元件，球狀體元件，帶狀元件和絲網(wǎng)狀元件所組成的組。
11.依照權(quán)利要求7的熱交換器，其中填料元件包括至少兩種大小模式，包括至少具有第一大小模式的填料元件的第一組和具有不同于第一大小模式的第二大小模式的填料元件的第二組。
12.依照權(quán)利要求7的熱交換器，其中填料元件的尺寸大于眾多熱傳遞通道的其中之一的寬度。
13.依照權(quán)利要求1的熱交換器，進(jìn)一步包括定位于流體輸入歧管內(nèi)的結(jié)構(gòu)元件。
14.依照權(quán)利要求13的熱交換器，其中結(jié)構(gòu)元件保護(hù)填料。
15.依照權(quán)利要求13的熱交換器，其中結(jié)構(gòu)元件是圓柱形的。
16.依照權(quán)利要求13的熱交換器，其中結(jié)構(gòu)元件是圓錐形的，具有第一末端和第二末端，與第二末端相比第一末端具有較大的橫截面。
17.依照權(quán)利要求16的熱交換器，其中第二末端最接近輸入歧管的無流動端定位。
18.依照權(quán)利要求13的熱交換器，其中結(jié)構(gòu)元件具有沿著其長度部分變化的橫截面積。
19.依照權(quán)利要求1的熱交換器，其中熱交換器兩端之間的電壓對于3米/秒的流體速度而言不超過5psi。
20.依照權(quán)利要求1的熱交換器，其中熱交換器的全部的熱傳遞系數(shù)通過聯(lián)管箱中使用的填充材料的特性提高至少2％。
21.一種熱交換器，該熱交換器包括眾多限定流體通道的第一組和至少流體通道的第二組的平行的熱傳遞板；第一流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通；第一流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通；第二流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通；第二流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通；以及定位于至少第一流體輸入端口和第二流體輸入端口的其中之一的填充分配器。
22.一種制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)包括壓縮機(jī)；以及至少一個與壓縮機(jī)連接的熱交換器，至少一個熱交換器包括聯(lián)管箱，定位于聯(lián)管箱中的填料，和熱傳遞通道，該熱傳遞通道被配置用于接收流經(jīng)聯(lián)管箱和填料的流體。
23.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，進(jìn)一步包括混合制冷劑。
24.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中聯(lián)管箱被配置用于接收兩種狀態(tài)的流體。
25.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中至少一個熱交換器作為選自由減溫器，冷凝器，在至少兩種制冷劑源之間進(jìn)行熱交換的熱交換器和蒸發(fā)器所組成的組中的熱交換器而運(yùn)行。
26.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中至少一個熱交換器包括制冷部分中的部件。
27.依照權(quán)利要求26的制冷系統(tǒng)，其中制冷部分包括分離器。
28.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中至少一個熱交換器是平板式熱交換器。
29.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中至少一個熱交換器是水平定位的。
30.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中至少一個熱交換器是垂直定位的。
31.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中至少一個熱交換器被熱端向上垂直定位。
32.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中至少一個熱交換器是平板式熱交換器。
33.依照權(quán)利要求22的制冷系統(tǒng)，其中制冷系統(tǒng)是溫度很低的制冷系統(tǒng)。
34.依照權(quán)利要求33的制冷系統(tǒng)，進(jìn)一步包括混合制冷劑。
35.一種用于進(jìn)行熱交換的方法，該方法包括使第一流體流經(jīng)熱交換器，該熱交換器包括眾多限定流體通道的第一組和至少流體通道的第二組的平行熱傳遞板；第一流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通；第一流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第一組連通；第二流體輸入端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通；第二流體輸出端口經(jīng)過配置與流體通道的第二組連通；以及定位于至少第一流體輸入端口和第二流體輸入端口的其中之一的填充分配器，第一流體流經(jīng)第一流體輸入端口，流體通道的第一組，和第一流體輸出端口；以及使第二流體流經(jīng)流體通道的第二組，由此借助眾多平行的熱傳遞板熱在第一流體和第二流體之間進(jìn)行熱交換。
36.依照權(quán)利要求35的方法，其中該方法被用于至少一個過程中，該過程選自由冷卻熱傳遞介質(zhì)，冷卻吸熱設(shè)備，冷卻物品，冷卻氣源，冷卻真空泵系統(tǒng)中的低溫線圈，冷卻生物醫(yī)學(xué)的制冷器，冷卻檢測器，與工業(yè)過程進(jìn)行熱交換，與化學(xué)過程，和藥物配劑進(jìn)行熱交換。
37.依照權(quán)利要求36的方法，其中該方法用于冷卻半導(dǎo)體晶片。
38.依照權(quán)利要求36的方法，進(jìn)一步包括使用熱傳遞介質(zhì)或吸熱設(shè)備間接冷卻物品。
39.依照權(quán)利要求36的方法，進(jìn)一步包括冷卻氣源以冷凝水蒸汽。
40.依照權(quán)利要求36的方法，進(jìn)一步包括冷卻氣源以在低溫分離器中使用。
41.一種用于維護(hù)制冷系統(tǒng)的方法，該方法包括將填料填充到與制冷系統(tǒng)連接的熱交換器的歧管中，熱交換器包括歧管和熱傳遞通道，熱傳遞通道被配置用于接收流經(jīng)歧管和填料的流體。
42.依照權(quán)利要求41的方法，其中填料是任意填料。
43.依照權(quán)利要求41的方法，其中制冷系統(tǒng)是混合制冷劑系統(tǒng)。
44.依照權(quán)利要求41的方法，其中制冷系統(tǒng)是溫度很低的制冷系統(tǒng)。
45.一種用于制造制冷系統(tǒng)的方法，該方法包括將填料填充到與制冷系統(tǒng)連接的熱交換器的歧管中，熱交換器包括歧管和熱傳遞通道，熱傳遞通道被配置用于接收流經(jīng)歧管和圍繞填料的流體。
46.依照權(quán)利要求45的方法，其中填料包括任意填料。
47.依照權(quán)利要求45的方法，其中制冷系統(tǒng)是混合制冷劑系統(tǒng)。
48.依照權(quán)利要求45的方法，其中制冷系統(tǒng)是溫度很低的制冷系統(tǒng)。
全文摘要
熱交換器(500)包括流體輸入歧管(502)，流體輸出歧管(508)，眾多的被配置為與流體輸入歧管(502)和流體輸出歧管(508)連通的熱傳遞通道(504)，以及位于流體輸入歧管(502)之內(nèi)的填料(510)。
文檔編號F25B39/00GK101084409SQ200580041773
公開日2007年12月5日 申請日期2005年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月7日
發(fā)明者米克漢爾·博阿斯基, 奧利·波德特切爾尼夫, 凱文·P·弗林 申請人:布魯克斯自動化有限公司