Двухфазный теплообменник с жидкостным охлаждением (варианты)

 

Изобретение касается теплообменников, а именно двухфазного теплообменника с жидкостным охлаждением, в котором носитель претерпевает изменение от состояния пара до жидкого состояния или от жидкого состояния до состояния пара в результате теплообмена с жидкостью. Заявленное изобретение состоит из гладких труб пластинчатой формы, расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии друг от друга, причем с обеих сторон концы гладких труб пластинчатой формы вставлены и герметично заделаны в несущих пластинах, на каждой из несущих пластин герметично закреплены резервуары, один из резервуаров снабжен входным отверстием для жидкости, а другой резервуар снабжен выходным отверстием для жидкости, теплообменник также включает в себя гладкие изогнутые трубы, расположенные параллельно друг другу, каждая из которых между своими концами имеет несколько прямолинейных участков, расположенных параллельно друг другу, предусмотрены также два параллельно расположенных коллектора, в каждый из которых вставлены и герметично заделаны соответствующие концы изогнутых труб, каждая из гладких труб пластинчатой формы вставлена между двумя смежными прямыми участками изогнутых труб так, чтобы между ними осуществлялся обмен теплотой, и все изогнутые трубы размещаются между несущими пластинами. Заявленное изобретение позволяет создать новый улучшенный двухфазный теплообменник, обеспечивающий теплообмен между жидкостью и носителем, меняющим фазовое состояние от жидкости до пара или наоборот. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящее изобретение касается теплообменников, а именно двухфазного теплообменника с жидкостным охлаждением, в котором носитель претерпевает изменение от состояния пара до жидкого состояния или от жидкого состояния до состояния пара в результате теплообмена с жидкостью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Последние несколько десятилетий неуклонно растет интерес к вопросам, связанным с влиянием двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду. Именно двигатели такого рода работают в качестве энергетических установок на подавляющем большинстве транспортных средств всех размеров и форм. Некоторые из этих вопросов связаны со сбережением энергии, другие касаются выбросов загрязняющих веществ.

Некоторые актуальные проблемы и подходы к их решению активно исследуются. Например, повышение эффективности работы потребляющих мощность систем уменьшает расход горючего на транспортном средстве, что в свою очередь ведет к сбережению энергии и к уменьшению вредных выбросов.

Специальная автомобильная система охлаждения, являющаяся очередным шагом в решении указанных выше проблем, описана в изобретении, защищенном патентами Соединенных Штатов № № 5408843 и 5520015, выданными на имя Лукаса и др. соответственно 25 апреля 1995 г. и 28 мая 1996 г. Оба патента принадлежат заявителю настоящей заявки, и все их содержание включается сюда данной ссылкой.

В вышеупомянутых патентах описан конденсатор с жидкостным охлаждением, который использован в автомобильной системе кондиционирования воздуха. В конденсаторе конденсируется хладагент, переходя из парообразного состояния в жидкое, и затем попадает в испаритель, испаряется и обеспечивает охлаждение некоторой части транспортного средства. В патентах Лукаса испаритель имеет воздушное охлаждение, однако в некоторых случаях, особенно, если для уменьшения количества хладагента требуется иметь проводящие пути минимальной длины, или если охлаждаемое место удалено от системы кондиционирования воздуха, может быть более удобным использовать для охлаждения жидкость, которая охлаждается испарителем, размещенным рядом с другими частями системы кондиционирования воздуха.

Настоящее изобретение позволяет создать новый улучшенный двухфазный теплообменник с жидкостным охлаждением для использования в системах того же типа, что и описанные в патентах Лукаса, или где-либо еще, где требуется обеспечить теплообмен между жидкостью и носителем, меняющим фазовое состояние от жидкости до пара или наоборот.

СУЩЕСТВЕННЫЕ ПРИЗНАКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Главным объектом изобретения является способ изготовления нового улучшенного двухфазного теплообменника с жидкостным охлаждением.

Конкретнее, объектом изобретения является способ изготовления нового улучшенного двухфазного теплообменника с жидкостным охлаждением который состоит из гладких труб пластинчатой формы расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии друг от друга. С обеих сторон концы гладких труб пластинчатой формы вставлены и герметично закреплены в несущих пластинах. На несущих пластинах закреплены резервуары, один из которых снабжен входным отверстием для жидкости. Другой резервуар снабжен выходным отверстием для жидкости. Теплообменник также включает в себя гладкие изогнутые трубы, расположенные параллельно друг другу, каждая из которых между своими концами имеет несколько прямолинейных участков, расположенных вообще говоря параллельно друг другу. Предусмотрены также два параллельно расположенных коллектора, в каждый из которых вставлены и герметично заделаны соответствующие концы изогнутых труб. Каждая из гладких труб пластинчатой формы проходит между двумя смежными прямыми участками изогнутых труб так, чтобы осуществлялся обмен теплотой. Все изогнутые трубы размещаются между несущими пластинами.

Таким образом, теплообменник согласно изобретению включает набор гладких труб пластинчатой формы, расположенных на некотором расстоянии параллельно друг другу, имеющих противоположные концы; несущие пластины, расположенные напротив указанных концов, причем каждый из этих последних вставлен и герметично заделан в несущей пластине; резервуары, по крайней мере по одному на каждой из указанных несущих пластин; входное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров; выходное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров; гладкие изогнутые трубы, расположенные бок о бок, каждая из которых имеет концы и несколько прямолинейных участков, параллельных друг другу, размещенных между концами указанных изогнутых труб, и пару коллекторов, параллельных друг другу, в каждый из которых вставлены и герметично заделаны соответствующие концы указанных изогнутых труб; каждая из указанных гладких труб пластинчатой формы вставлена между двумя смежными прямолинейными участками указанных изогнутых труб и предназначена для теплообмена с ними; каждая из указанных изогнутых труб размещается между указанными несущими пластинами.

В наилучшем варианте изобретения упомянутые трубы пластинчатой формы и упомянутые изогнутые трубы сформированы в спрессованный блок.

В еще более предпочтительном варианте изобретения каждая из указанных изогнутых труб имеет скругления, соединяющие смежные прямолинейные участки последовательным образом, причем указанные скругления после формирования упомянутого спрессованного блока приобретают петлеобразную форму.

В одном из вариантов каждая из указанных труб пластинчатой формы имеет несколько внутренних перегородок, разделяющих поток в трубе и создающих несколько протоков. Предпочтительно, чтобы эти протоки были перпендикулярны прямолинейным участкам изогнутых труб. Согласно этому варианту изобретения каждая из труб пластинчатой формы имеет несколько внутренних перегородок, создающих несколько протоков, а упомянутые прямолинейные участки перпендикулярны указанным протокам.

В одном из вариантов параллельные коллекторы имеют кольцевое сечение. Согласно этому варианту коллекторы указанной пары коллекторов имеют кольцевые сечения.

Кроме того, теплообменник может включать набор гладких многопроточных труб пластинчатой формы, расположенных на некотором расстоянии параллельно друг другу, имеющих противоположные концы; несущие пластины, расположенные напротив указанных концов, причем каждый из этих последних вставлен и герметично заделан в несущей пластине; резервуары, по крайней мере по одному на каждой из указанных несущих пластин; входное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров; выходное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров; гладкие изогнутые трубы, расположенные бок о бок, каждая из которых имеет концы и несколько прямолинейных участков, параллельных друг другу, соединенных скруглениями и размещенных между концами указанных изогнутых труб; и пару трубчатых коллекторов, параллельных друг другу, в каждый из которых вставлены и герметично заделаны соответствующие концы указанных изогнутых труб; при этом каждая из указанных гладких труб пластинчатой формы вставлена между двумя смежными прямолинейными участками указанных изогнутых труб и предназначена для теплообмена с ними; каждая из указанных изогнутых труб, размещается между указанными несущими пластинами, причем упомянутые скругления выступают за края указанных гладких труб пластинчатой формы; и боковые пластины, расположенные по обеим сторонам указанных гладких труб пластинчатой формы параллельно этим последним и находящиеся в общем случае между указанными несущими пластинами, причем указанные боковые пластины спрессовывают упомянутые гладкие трубы пластинчатой формы и упомянутые прямолинейные участки в блок, обеспечивая теплообмен между указанными гладкими трубами пластинчатой формы и прямолинейными участками.

Возможен вариант теплообменника, в котором оба указанных коллектора расположены с одной и той же стороны указанного блока.

Также возможен вариант исполнения теплообменника, в котором часть из указанных скруглений выступает за край упомянутого блока с одной стороны, а оставшаяся часть указанных скруглений выступает за противоположный край упомянутого блока, причем указанные скругления принимают петлеобразную форму в результате давления упомянутых боковых пластин.

Данные объекты и усовершенствования станут понятными из следующего описания, сопровождаемого чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - боковой фасад двухфазного теплообменника с жидкостным охлаждением, выполненного в соответствии с изобретением;

фиг.2 - вид сверху данного теплообменника;

фиг.3 - сечение по линии 3-3 на фиг.1;

фиг.4 - вид сбоку данного теплообменника;

фиг.5 - вид изогнутой трубы, выполненной в соответствии с изобретением;

фиг.6 - разрез гладкой трубы пластинчатой формы, выполненной в соответствии с изобретением.

НАИЛУЧШИЕ ВАРИАНТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Иллюстративный вариант двухфазного теплообменника с жидкостным охлаждением, выполненный в соответствии с изобретением, показан на чертежах. Он предназначен для использования в качестве конденсатора или испарителя с жидкостным охлаждением, но может иметь применение и как теплообменник, используемый для других целей.

Показанный на фиг.1 и 2 теплообменник состоит из расположенных на некотором расстоянии напротив друг друга несущих пластин 10, 12. На каждой из несущих пластин 10 и 12 закреплен соответствующий резервуар 14, 16. Резервуар 14 имеет входное отверстие для жидкости 18, а резервуар 16 имеет выходное отверстие для жидкости 20. Отметим, однако, что в некоторых случаях входное отверстие 18 и выходное отверстие 20 могут находиться на одном и том же резервуаре, причем для предотвращения прямого прохода жидкости между этими двумя отверстиями в резервуаре должна быть предусмотрена внутренняя разделительная перегородка (не показана). Таким образом, в то время как иллюстрируемый вариант является теплообменником с однократным проходом жидкости, при необходимости может быть реализован и вариант изобретения с многократным проходом жидкости.

Гладкие трубы пластинчатой формы 22, лучше всего показанные на фиг.3, проходят между несущими пластинами 10 и 12. Как видно на фиг.2, концы 24 труб 22 проходят сквозь пазы (не показаны) в несущих пластинах 10 и 12 и герметично заделаны в них с помощью, например, пайки твердым припоем. Таким образом, оба резервуара 14 и 16 образуют единую систему с трубами 22, по которой циркулирует носитель.

Как видно на фиг.2 и 3, трубы пластинчатой формы 22 в общем параллельны друг другу и располагаются через некоторый промежуток.

В соответствии с изобретением вдоль одной из сторон труб пластинчатой формы 22 проходит пара коллекторов 30, 32, в общем случае располагающихся параллельно друг другу и имеющих цилиндрическую форму. В коллекторах 30, 32 имеются пазы 34, в которые вставлены противоположные концы 36, 38 изогнутых труб 40. Изогнутые трубы 40 обычно представляют собой экструдированные трубы, каждая из которых имеет несколько внутренних проходов относительно малого гидравлического диаметра, не превосходящего приблизительно 0,07 дюйма. Части изогнутых труб 40, вставленные в пазы 34, герметично заделаны в соответствующих коллекторах 30, 32 стандартным способом, таким как, например, пайка твердым припоем.

Каждая изогнутая труба 40 имеет несколько параллельных прямолинейных участков 42. Смежные прямолинейные участки 42 соединены округлениями 44, которые выступают за края гладких труб пластинчатой формы 22.

Как показано на фиг.5, округления 44 обеспечивают поворот на 180 градусов изогнутых труб 40 между прямолинейными участками 42, обеспечивая последовательное прохождение потока.

Как показано на фиг.1, изогнутые трубы 40 размещены в общем случае бок о бок между несущими пластинами 10 и 12. Как показано на фиг.3, гладкие трубы пластинчатой формы 22 вставлены между смежными прямолинейными участками 42 изогнутых труб 40.

Первоначально изогнутые трубы 40 имеют конфигурацию, показанную на фиг.5. Гладкие трубы пластинчатой формы 22 вставляются между прямолинейными участками 42 и прикладываются к крайним прямолинейным участкам 42. Затем к оказавшимся по краям конструкции гладким трубам пластинчатой формы 22 прикладываются боковые пластины 46 и закрепляются посредством любого подходящего крепления. После этого боковые пластины 46 каким-либо образом сдавливаются, в результате чего эти последние, а также гладкие трубы пластинчатой формы 22 и прямолинейные участки 42 изогнутых труб 40 спрессовываются в блок, который на фиг.3 в целом обозначен цифрой 50, и в конечном итоге спаиваются вместе. Этот блок в типичном случае будет иметь прямоугольную форму, а выступающие за его пределы скругления 44 в результате сжатия приобретут форму луковицы, как это иллюстрируется на фиг.3.

Как показано на фиг.6, гладкие трубы пластинчатой формы 22 имеют внутренние перегородки 52, проходящие между их противоположными концами 54, 56 и определяющие несколько отдельных протоков 58 через каждую из гладких труб пластинчатой формы 22. Протоки 58 и прямолинейные участки 42 в общем перпендикулярны друг другу. Такие же перегородки, конечно, размещены и внутри изогнутых труб 40 и служат как для предотвращения сплющивания при спрессовке так и для обеспечения сопротивления давлению при эксплуатации теплообменника.

При функционировании теплообменника жидкий охладитель вливается во входное отверстие 18 и попадает в резервуар 14. Из резервуара 14 жидкий охладитель попадает в гладкие трубы пластинчатой формы 22, протекает по протокам 58, попадает в резервуар 16 и выходит через выходное отверстие 20. Поскольку, как упоминалось выше, компоненты теплообменника спрессованы в блок 50 и спаяны вместе, устанавливается хороший теплообмен между гладкими трубами пластинчатой формы 22 и прямолинейными участками 42 изогнутых труб 40. Хладагент можно подавать в изогнутые трубы 40 через, например, переходник 60 на одном из концов коллектора 30. Отсюда хладагент потечет по каждой из изогнутых труб 40. Проходя по их прямолинейным участкам 42, хладагент вступит в теплообмен с жидкостью в гладких трубах пластинчатой формы 22. В итоге хладагент попадет в коллектор 32 и, через переходник 62, его можно будет возвратить в другие части системы.

Как показано на чертежах, переходник 60 имеет меньший проходной диаметр по сравнению с переходником 62, поэтому, если он служит как входное отверстие хладагента со стороны системы, хладагент в него должен подаваться в жидком состоянии. Тогда через переходник 62 хладагент будет отводиться в парообразном состоянии. В этом случае теплообменник будет функционировать как испаритель и охладит охладитель, проходящий через гладкие трубы пластинчатой формы 22. В противном случае, чтобы теплообменник функционировал как конденсатор, парообразный хладагент подается в имеющее больший проходной диаметр переходник 62 и отводится через переходник 60, имеющий меньший проходной диаметр. Внутри изогнутых труб 40 парообразный хладагент будет охлажден охладителем, текущим через гладкие трубы пластинчатой формы 22, и сконденсируется. В этом случае теплообменник функционирует как конденсатор.

Из вышесказанного видно, что теплообменник, выполненный согласно изобретению, чрезвычайно компактен и, одновременно, обеспечивает плотный контакт между трубами, по которым проходят соответствующие потоки, что в свою очередь обеспечивает превосходный теплообмен. Следовательно, достигается высокое отношение эффективности к объему.

Формула изобретения

1. Теплообменник, включающий набор гладких труб пластинчатой формы, расположенных на некотором расстоянии параллельно друг другу, имеющих противоположные концы, несущие пластины, расположенные напротив указанных концов, причем каждый из этих последних вставлен и герметично заделан в несущей пластине, резервуары, по крайней мере по одному на каждой из указанных несущих пластин, входное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров, выходное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров, гладкие изогнутые трубы, расположенные бок о бок, каждая из которых имеет концы и несколько прямолинейных участков, параллельных друг другу, размещенных между концами указанных изогнутых труб, и пару коллекторов, параллельных друг другу, в каждый из которых вставлены и герметично заделаны соответствующие концы указанных изогнутых труб, каждая из указанных гладких труб пластинчатой формы вставлена между двумя смежными прямолинейными участками указанных изогнутых труб и предназначена для теплообмена с ними, каждая из указанных изогнутых труб размещается между указанными несущими пластинами.

2. Теплообменник по п.1, в котором упомянутые трубы пластинчатой формы и упомянутые изогнутые трубы сформированы в спрессованный блок.

3. Теплообменник по п.2, в котором каждая из указанных изогнутых труб имеет скругления, соединяющие смежные прямолинейные участки последовательным образом, причем указанные скругления после формирования упомянутого спрессованного блока приобретают петлеобразную форму.

4. Теплообменник по п.1, в котором каждая из указанных труб пластинчатой формы имеет несколько внутренних перегородок, создающих несколько протоков.

5. Теплообменник по п.4, в котором упомянутые прямолинейные участки перпендикулярны указанным протокам.

6. Теплообменник по п.1, в котором коллекторы указанной пары коллекторов имеют кольцевые сечения.

7. Теплообменник, включающий набор гладких многопроточных труб пластинчатой формы, расположенных на некотором расстоянии параллельно друг другу, имеющих противоположные концы, несущие пластины, расположенные напротив указанных концов, причем каждый из этих последних вставлен и герметично заделан в несущей пластине, резервуары, по крайней мере по одному на каждой из указанных несущих пластин, входное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров, выходное отверстие для жидкости в одном из указанных резервуаров, гладкие изогнутые трубы, расположенные бок о бок, каждая из которых имеет концы и несколько прямолинейных участков, параллельных друг другу, соединенных скруглениями и размещенных между концами указанных изогнутых труб, и пару трубчатых коллекторов, параллельных друг другу, в каждый из которых вставлены и герметично заделаны соответствующие концы указанных изогнутых труб, при этом каждая из указанных гладких труб пластинчатой формы вставлена между двумя смежными прямолинейными участками указанных изогнутых труб и предназначена для теплообмена с ними, каждая из указанных изогнутых труб размещается между указанными несущими пластинами, причем упомянутые скругления выступают за края указанных гладких труб пластинчатой формы, и боковые пластины, расположенные по обеим сторонам указанных гладких труб пластинчатой формы параллельно этим последним и находящиеся между указанных несущих пластин, причем указанные боковые пластины спрессовывают упомянутые гладкие трубы пластинчатой формы и упомянутые прямолинейные участки в блок, обеспечивая теплообмен между указанными гладкими трубами пластинчатой формы и прямолинейными участками.

8. Теплообменник по п.7, в котором оба указанных коллектора расположены с одной и той же стороны указанного блока.

9. Теплообменник по п.8, в котором часть из указанных скруглений выступает за край упомянутого блока с одной стороны, а оставшаяся часть указанных скруглений выступает за противоположный край упомянутого блока, причем указанные скругления принимают петлеобразную форму в результате давления упомянутых боковых пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6