專利名稱：蒸發(fā)器保護的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用以保護蒸發(fā)器中的部件免受因凍結造成損壞的保護裝置，更具體地涉及用以保護蒸發(fā)器中的管子以免因水凍結成冰而造成損壞的保護裝置。
現有技術的冷卻和/或加熱系統(tǒng)比如空氣冷卻冷凍機可以工作在環(huán)境溫度低于系統(tǒng)中冷卻介質凝固點的情況下。在這種情況下，如果冷卻介質是水而且環(huán)境溫度低于水的冰點(0℃)，那么必須防止水在冷凍機的蒸發(fā)器單元內結冰。這在蒸發(fā)器單元沒有工作，比如當不需要冷凍機進行冷卻或者當冷凍機發(fā)生故障時尤其重要。當冷凍機由于不測事件或緊急情況比如缺電或安全器斷路而停止運轉時，如果此時環(huán)境溫度很低，那么在系統(tǒng)壓縮機剛停止以后，冷凝器立即冷卻到環(huán)境溫度水平。于是冷凝器內的制冷劑壓力也快速下降至對應于周圍大氣溫度的飽和壓力。在冷凍機剛停止之前，蒸發(fā)器中的制冷劑的壓力會大幅度降低，因此，制冷劑在流動到冷凍機系統(tǒng)的最冷點即冷凝器時，將在對應于周圍大氣溫度的溫度水平下沸騰。在蒸發(fā)器中的所有制冷劑蒸發(fā)之前，蒸發(fā)器中的水受到很強的冷卻作用，尤其是在水沒有循環(huán)(比如由于缺電或安全器斷路而使整個冷凍機和/或水泵等停止)的情況下，水將快速凍結成冰。
通常有兩種類型的蒸發(fā)器在冷凍機中使用直接膨脹式蒸發(fā)器，其中制冷劑在多個管子內蒸發(fā)，而水在管子外面循環(huán)；浸沒式蒸發(fā)器，其中水在管子內循環(huán)，而制冷劑包圍管子因而在管子外面沸騰。上述水在冷凍機內凍結的情況對于浸沒式蒸發(fā)器尤其有害。當水凍結成冰時，冰所占的體積比水的體積增大大約10％。這種體積增大使管子內的壓力增大很多，導致管子主體中的高應力，這通常會使管子破裂，于是制冷劑與水混合而損壞冷凍機。
已經提出了克服上述問題的現有技術的解決方案。舉例來說，一種常見的解決方案是提供專用的加熱器，比如電熱器，加熱器將熱量輸送至蒸發(fā)器，尤其是在冷凍機或蒸發(fā)器沒有工作時。加熱器提高蒸發(fā)器溫度，從而將蒸發(fā)器中水(或諸如所采用的冷卻劑)的溫度提高到超過其凝固點的溫度。另一種已知的解決上述問題的方法是防止制冷劑在該單元不工作時從蒸發(fā)器流向冷凝器。這可以通過在蒸發(fā)器與冷凝器之間的通路中設置專用的閥門來實現。
然而，上述解決方法成本很高，而且安裝、操作和維護都很復雜。另外，對于在連接管道中設置閥門的后一種解決方法而言，當正常工作時，會產生制冷劑壓降，從而降低冷凍機的效率。
因此，需要為蒸發(fā)器，尤其是(但不僅僅限于)浸沒式蒸發(fā)器提供保護，此時蒸發(fā)器中的冷卻介質至少部分地凍結，這種保護裝置成本效率高、易于安裝，而且不會過度地影響蒸發(fā)器的效率或性能。
本發(fā)明的一個目的是要提供一種保護蒸發(fā)器免受凍結損壞的裝置和方法。
根據本發(fā)明的第一個方面，提供了一種熱交換裝置，包含用以輸送第一介質的多個管子和插在至少其中一個所述管子中的可壓縮機構，其中，所述介質的膨脹導致所述可壓縮機構的壓縮。
因此，本發(fā)明在熱交換裝置比如用于冷凍機的蒸發(fā)器中提供了可壓縮機構，如果制冷劑比如水在熱交換裝置正常工作，或者當該裝置部分地或全部停止運轉時膨脹，可壓縮機構能夠抵償所發(fā)生的體積變化。這對蒸發(fā)器中用于輸送水的管子浸入制冷劑液槽的冷凍機而言尤其有利。如上所述，當冷凍機的環(huán)境溫度大約為凝固點(0℃)或更低時，管子中的水會凍結，它使管子產生應力，然后可能破裂。不過，根據本發(fā)明，可壓縮材料在介質凍結膨脹時壓縮，因此管子中因介質膨脹而產生的應力可以減到最小或消除。所以，在本發(fā)明的熱交換裝置中，不必提供任何昂貴和/或復雜的附加機構，來防止介質凍結或防止制冷劑在熱交換裝置中的流動，這是因為如權利要求所述的本發(fā)明能夠克服這些附加機構所要解決的問題。
優(yōu)選的是，所述可壓縮機構包括惰性彈性材料。這種機構優(yōu)選包括閉孔泡沫塑料，比如橡膠。當介質包括水時，這些材料尤其有利，因為它們一般是不吸水的，所以能夠防止水容納在所述機構中，否則，水在凍結時會影響機構的可壓縮性，這些材料可承受與水凍結成冰時所產生體積變化相當的體積變化。例如，可壓縮機構的壓縮體積基本上與水凍結時所增加的體積相同?；蛘?，可壓縮機構的壓縮體積也可以小于或大于水凍結時所增加的體積。如果可壓縮機構的壓縮體積小于水凍結時所增大的體積，那么它必須至少能夠被壓縮到這樣的體積，即，使得管子不會由于介質的膨脹而損壞(即，管子可以承受一定程度的應力而不會被損壞)。在介質包括水的實施例中，由于水凍結成冰時體積通常增大大約10％，因此，要求可壓縮機構在這種情況下，也就是壓力小于或等于水凍結成冰所產生壓力的情況下，至少能夠壓縮10％。
可壓縮機構可以只是位于管子的一部分或某些部分中。舉例來說，可壓縮機構可以由管子中單個位置處的單個機構構成，或者可以包含沿管子長度方向而均勻或不均勻地間隔布置的多個機構。然而，在本發(fā)明熱交換裝置的優(yōu)選實施例中，可壓縮機構的長度基本上與管子的長度相同。這種布置方式十分有利，因為可壓縮機構沿管子的整個長度吸收壓力，而且壓力將在可壓縮機構的長度上均勻施加，因此使可壓縮機構能夠被有效地壓縮。優(yōu)選的是，可壓縮機構的第一端連接在管子的第一端，而可壓縮機構的第二端連接在管子的第二端。更為優(yōu)選的是，可壓縮機構保持在這樣的位置，使其基本上與管子的細長中心軸線同軸。這樣，可壓縮機構與管子中心成一直線，使得冷卻介質能夠流過可壓縮機構的整個外表面。這不僅使可壓縮機構對水流動的影響減到最小，而且還為可壓縮機構的壓縮提供了最大的表面積，從而對于給定可壓縮機構能夠為管子中的壓力提供最為有效的抵償作用。
在本發(fā)明一個更為優(yōu)選的實施例中，熱交換裝置的管子是大致圓筒形的，可壓縮機構是大致圓柱形的，而且每個管子及其相連的可壓縮機構大致同軸地排列。這種構造方式使熱交換裝置中的介質能夠很好地流經管子，并且由于可壓縮機構的均勻形狀，而能夠提供良好的壓縮抵償作用。
可壓縮機構可以具有適合于該用途的任何所要求的形狀和/或尺寸，而且其尺寸和形狀比如可以根據管子的尺寸和形狀以及流經管子的介質來決定。優(yōu)選的是，可壓縮機構的橫截面是大致圓形的。可壓縮機構的這種形狀有助于增加水的側向紊流，從而提高總傳熱系數。可壓縮機構的材料通常分布在機構的整個橫截面上，但是在某些實施例中，可壓縮機構至少有一部分可以是空心的或者全部是空心的。
在一優(yōu)選實施例中，當未被壓縮時，每個可壓縮機構的截面直徑(外徑)為該裝置中每個管子內徑的大約10％至25％。在這一尺寸范圍內的可壓縮機構是特別優(yōu)選的，因為直徑較大的機構可能會影響熱交換裝置的水的側向壓降(由于水的可循環(huán)區(qū)域減小，從而使管子內的水流速度增大)。
在本發(fā)明的另一可供選擇的實施例中，熱交換裝置中的每個管子以及每個可壓縮機構是細長形的，并具有是大致橢圓形的橫截面。管子及其相連的可壓縮機構大致同軸地排列。由于是橢圓形的，所以管子具有最大內徑和最小內徑，而可壓縮機構當未被壓縮時具有最大外徑和最小外徑。優(yōu)選的是，可壓縮機構的最大外徑為該管子的最大內徑的大約10％至25％，可壓縮機構的最小外徑為管子的最小內徑的大約10％至25％。如上面參考前述實施例所介紹的那樣，這種構造方式是有利的，因為它可以使存在可壓縮機構的影響減到最小，因而使水的側向壓力效應減到最小。
熱交換裝置中的其余部件可以由適用于熱交換器的任何傳統(tǒng)的部件構成。優(yōu)選的是，熱交換裝置還包含與每個管子的第一端可操作地連接的入口以及與每個管子的第二端可操作地連接的出口，所述入口用于將所述介質輸送至管子并輸送至出口。因此，水比如可以通過入口輸送到該系統(tǒng)，并在管子中的可壓縮介質周圍循環(huán)流動，然后通過出口離開系統(tǒng)。這是十分有利的，因為在同樣的環(huán)境溫度下流動的水比靜止的水更不易結冰。優(yōu)選的是，熱交換裝置還包含外殼或殼體，所述多個管子被容納在所述外殼內，而第二介質在外殼中包圍所述管子。優(yōu)選的是，第二介質包括制冷劑或其它適當的冷卻和/或加熱介質。所述入口和/或出口可以是外殼的一部分，或者可以設置單獨的入口和出口歧管。
現在將參考附圖來介紹本發(fā)明各實施例的上述和其它特征，在這些附圖中

圖1示出了用于冷凍機的現有技術的蒸發(fā)器單元的橫截面，其具有多個用以輸送介質的管子；圖2示出了圖1中的其中一個管子在介質冷凍的各階段的橫截面；圖3示出了根據本發(fā)明一實施例的用于冷凍機的蒸發(fā)器單元的橫截面，其具有多個用以輸送介質的管子；圖4示出了圖3中單元的縱向截面；和圖5示出了圖3和圖4中的其中一個管子在介質冷凍各階段的橫截面。
參考圖1，圖中示出了用于冷凍機的現有技術蒸發(fā)器10。蒸發(fā)器包含用以容納液體30的外殼12，液體通常是如本技術領域中所知的一種制冷劑。蒸發(fā)器還包含多個浸入制冷劑30中的管子20，在本實施例中管子20是這樣布置的，即，使得每個管子20被制冷劑完全包圍。管子20連接到供給源上，用以通過管子20提供所要冷卻的介質40(參見圖2)。在空氣冷卻冷凍機中，介質通常是水。當蒸發(fā)器10正常工作時，在流經管子20的水40與包圍管子20的制冷劑30之間進行傳熱，用以使水40冷卻。
然而，如圖2b、2c和2d中所示，當冷凍機所處的環(huán)境溫度低于水的冰點時，尤其是如果水40比如由于供電中斷而沒有在管子20中循環(huán)時，那么水40就開始結冰，于是從管子20的外緣到管子20的中心開始形成冰50。眾所周知，水凍結時體積增大，因此當形成冰50時，會施加壓力在管子20上。在圖2b中，冰層50還很薄，因而由水/冰膨脹施加在管子20上的壓力不足以對管子20造成損壞。然而，在圖2c中，管子20上的內部壓力要大很多，從而使管子主體20受力。當有足夠量的水40結成冰50時，管子內部壓力變得非常高而使管子爆裂或破裂，如圖2d中的破裂處22所示。這顯然是不希望發(fā)生的，因為一旦冰50熔化，水40會與蒸發(fā)器10中的制冷劑30混合，對冷凍機造成損壞，于是起碼要更換管子20。
圖3和圖4示出了用于冷凍機的蒸發(fā)器10，在帶有水40的每個管子20中，具有根據本發(fā)明的可壓縮機構60?？蓧嚎s機構60優(yōu)選是細長形的彈性嵌件，比如一段閉孔橡膠。每個彈性嵌件60連接在管子20的每一端，因此它大致上沿管子20的長度方向而懸在中心，從而在嵌件60的外表面周圍形成用于水40的通暢流徑。在正常條件下，水40通過進水口42進入蒸發(fā)器中，流經管子20，同時與包圍管子20的制冷劑30交換熱量，然后從出水口44流出。當環(huán)境溫度下降到凝固點附近或以下的溫度時，而且尤其是當蒸發(fā)器10停止工作而使包圍管子20的制冷劑30沸騰，從而從管子20和所容納的水40吸取能量時，水40開始在管子20的較外部分凍結，形成環(huán)形的結冰部分50。如圖5a和5b中所示，起初形成的冰50對管子20或彈性嵌件60的影響很小，這是因為冰環(huán)50很小，所以壓力增加得很少。然而，當更大比例的水40結成冰50時，如圖5c中所示，管子20內的壓力增大，而使彈性嵌件60被壓縮。即使所有的水40凍結而使管子20中的體積/壓力最大程度地增加，嵌件60也將進一步壓縮以抵償增加的體積，如圖5d中所示。
雖然上述說明是對空氣冷卻冷凍機系統(tǒng)作出的，但是，本發(fā)明的原理可以應用于任何有水或其它介質流經管道或類似機構而可能引起凍結的系統(tǒng)。所以，應當認識到，上述實施例中的細節(jié)只是為了便于說明而給出的，不能把它們看作是限制了本發(fā)明的范圍，本領域的專業(yè)人員應當知道，在不脫離所附權利要求所限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以對這些示范實施例進行許多修改。
權利要求
1.一種熱交換裝置，包括用以輸送第一介質的多個管子；和可壓縮機構，所述機構可插入其中至少一個所述管子中，其中，所述介質的膨脹導致所述可壓縮機構壓縮。
2.根據權利要求1所述的熱交換裝置，其特征在于，所述介質包括水。
3.根據權利要求1或2所述的熱交換裝置，其特征在于，當所述裝置的環(huán)境溫度低于大約0攝氏度時，所述介質膨脹。
4.根據權利要求1、2或3所述的熱交換裝置，其特征在于，所述可壓縮機構包括惰性彈性材料。
5.根據上述權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，所述可壓縮機構包括橡膠。
6.根據上述權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，所述可壓縮機構包括閉孔泡沫塑料。
7.根據上述權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，所述可壓縮機構的長度與所述熱交換裝置的所述管子的長度基本上相同。
8.根據權利要求7所述的熱交換裝置，其特征在于，所述可壓縮機構的第一端連接在所述管子的第一端，而所述可壓縮機構的第二端連接在所述管子的第二端。
9.根據上述權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于所述管子是大致圓筒形的；且所述可壓縮機構是大致圓柱形的。
10.根據上述權利要求中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，所述管子和所述可壓縮機構的橫截面分別是大致圓形的。
11.根據權利要求10所述的熱交換裝置，其特征在于，當未被壓縮時，所述可壓縮機構的外徑為所述管子內徑的大約10％至25％。
12.根據權利要求1至9中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于所述管子的橫截面是大致橢圓形的；所述可壓縮機構的橫截面是大致橢圓形的；所述管子具有最大內徑和最小內徑；且當未被壓縮時，所述可壓縮機構的最大外徑為所述管子最大內徑的大約10％至25％，所述可壓縮機構的最小外徑為所述管子最小內徑的大約10％至25％。
13.根據權利要求9至12中任一項所述的熱交換裝置，其特征在于，所述管子和所述可壓縮機構大致同軸地排列。
14.根據上述權利要求中任一項所述的熱交換裝置，還包括與所述管子的第一端可操作地連接的入口以及與所述管子的第二端可操作地連接的出口，所述入口用于將所述介質輸送至所述管子并輸送至所述出口。
15.根據上述權利要求中任一項所述的熱交換裝置，還包括外殼，所述多個管子安置在所述外殼內；和在所述外殼中包圍所述管子的第二介質。
16.根據權利要求15所述的熱交換裝置，其特征在于，所述第二介質包括制冷劑。
17.一種用于抵償熱交換裝置的管子中的壓力增大的方法，所述方法包括以下步驟提供多個所述管子；和在每個所述管子內提供可壓縮機構，當介質在所述管子內凍結時，所述可壓縮機構可以由于所述介質的膨脹而被壓縮。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱交換裝置(10)以及用于抵償熱交換裝置(10)的管子(20)中的壓力增大的方法。這種熱交換裝置(10)包含多個用于輸送第一介質(40)的管子(20)以及可插入到至少其中一個管子(20)中的可壓縮機構(60)。所述介質(40)的膨脹導致所述可壓縮機構(60)的壓縮。優(yōu)選的是，這種可壓縮機構(60)包括惰性彈性材料。
文檔編號F28F1/00GK101080604SQ200580042822
公開日2007年11月28日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權日2004年12月14日
發(fā)明者M·格拉邦, M·埃爾巴茲 申請人:開利公司