专利名称：蒸发器保护的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用以保护蒸发器中的部件免受因冻结造成损坏的保护装置，更具体地涉及用以保护蒸发器中的管子以免因水冻结成冰而造成损坏的保护装置。
现有技术的冷却和/或加热系统比如空气冷却冷冻机可以工作在环境温度低于系统中冷却介质凝固点的情况下。在这种情况下，如果冷却介质是水而且环境温度低于水的冰点(0℃)，那么必须防止水在冷冻机的蒸发器单元内结冰。这在蒸发器单元没有工作，比如当不需要冷冻机进行冷却或者当冷冻机发生故障时尤其重要。当冷冻机由于不测事件或紧急情况比如缺电或安全器断路而停止运转时，如果此时环境温度很低，那么在系统压缩机刚停止以后，冷凝器立即冷却到环境温度水平。于是冷凝器内的制冷剂压力也快速下降至对应于周围大气温度的饱和压力。在冷冻机刚停止之前，蒸发器中的制冷剂的压力会大幅度降低，因此，制冷剂在流动到冷冻机系统的最冷点即冷凝器时，将在对应于周围大气温度的温度水平下沸腾。在蒸发器中的所有制冷剂蒸发之前，蒸发器中的水受到很强的冷却作用，尤其是在水没有循环(比如由于缺电或安全器断路而使整个冷冻机和/或水泵等停止)的情况下，水将快速冻结成冰。
通常有两种类型的蒸发器在冷冻机中使用直接膨胀式蒸发器，其中制冷剂在多个管子内蒸发，而水在管子外面循环；浸没式蒸发器，其中水在管子内循环，而制冷剂包围管子因而在管子外面沸腾。上述水在冷冻机内冻结的情况对于浸没式蒸发器尤其有害。当水冻结成冰时，冰所占的体积比水的体积增大大约10％。这种体积增大使管子内的压力增大很多，导致管子主体中的高应力，这通常会使管子破裂，于是制冷剂与水混合而损坏冷冻机。
已经提出了克服上述问题的现有技术的解决方案。举例来说，一种常见的解决方案是提供专用的加热器，比如电热器，加热器将热量输送至蒸发器，尤其是在冷冻机或蒸发器没有工作时。加热器提高蒸发器温度，从而将蒸发器中水(或诸如所采用的冷却剂)的温度提高到超过其凝固点的温度。另一种已知的解决上述问题的方法是防止制冷剂在该单元不工作时从蒸发器流向冷凝器。这可以通过在蒸发器与冷凝器之间的通路中设置专用的阀门来实现。
然而，上述解决方法成本很高，而且安装、操作和维护都很复杂。另外，对于在连接管道中设置阀门的后一种解决方法而言，当正常工作时，会产生制冷剂压降，从而降低冷冻机的效率。
因此，需要为蒸发器，尤其是(但不仅仅限于)浸没式蒸发器提供保护，此时蒸发器中的冷却介质至少部分地冻结，这种保护装置成本效率高、易于安装，而且不会过度地影响蒸发器的效率或性能。
本发明的一个目的是要提供一种保护蒸发器免受冻结损坏的装置和方法。
根据本发明的第一个方面，提供了一种热交换装置，包含用以输送第一介质的多个管子和插在至少其中一个所述管子中的可压缩机构，其中，所述介质的膨胀导致所述可压缩机构的压缩。
因此，本发明在热交换装置比如用于冷冻机的蒸发器中提供了可压缩机构，如果制冷剂比如水在热交换装置正常工作，或者当该装置部分地或全部停止运转时膨胀，可压缩机构能够抵偿所发生的体积变化。这对蒸发器中用于输送水的管子浸入制冷剂液槽的冷冻机而言尤其有利。如上所述，当冷冻机的环境温度大约为凝固点(0℃)或更低时，管子中的水会冻结，它使管子产生应力，然后可能破裂。不过，根据本发明，可压缩材料在介质冻结膨胀时压缩，因此管子中因介质膨胀而产生的应力可以减到最小或消除。所以，在本发明的热交换装置中，不必提供任何昂贵和/或复杂的附加机构，来防止介质冻结或防止制冷剂在热交换装置中的流动，这是因为如权利要求所述的本发明能够克服这些附加机构所要解决的问题。
优选的是，所述可压缩机构包括惰性弹性材料。这种机构优选包括闭孔泡沫塑料，比如橡胶。当介质包括水时，这些材料尤其有利，因为它们一般是不吸水的，所以能够防止水容纳在所述机构中，否则，水在冻结时会影响机构的可压缩性，这些材料可承受与水冻结成冰时所产生体积变化相当的体积变化。例如，可压缩机构的压缩体积基本上与水冻结时所增加的体积相同。或者，可压缩机构的压缩体积也可以小于或大于水冻结时所增加的体积。如果可压缩机构的压缩体积小于水冻结时所增大的体积，那么它必须至少能够被压缩到这样的体积，即，使得管子不会由于介质的膨胀而损坏(即，管子可以承受一定程度的应力而不会被损坏)。在介质包括水的实施例中，由于水冻结成冰时体积通常增大大约10％，因此，要求可压缩机构在这种情况下，也就是压力小于或等于水冻结成冰所产生压力的情况下，至少能够压缩10％。
可压缩机构可以只是位于管子的一部分或某些部分中。举例来说，可压缩机构可以由管子中单个位置处的单个机构构成，或者可以包含沿管子长度方向而均匀或不均匀地间隔布置的多个机构。然而，在本发明热交换装置的优选实施例中，可压缩机构的长度基本上与管子的长度相同。这种布置方式十分有利，因为可压缩机构沿管子的整个长度吸收压力，而且压力将在可压缩机构的长度上均匀施加，因此使可压缩机构能够被有效地压缩。优选的是，可压缩机构的第一端连接在管子的第一端，而可压缩机构的第二端连接在管子的第二端。更为优选的是，可压缩机构保持在这样的位置，使其基本上与管子的细长中心轴线同轴。这样，可压缩机构与管子中心成一直线，使得冷却介质能够流过可压缩机构的整个外表面。这不仅使可压缩机构对水流动的影响减到最小，而且还为可压缩机构的压缩提供了最大的表面积，从而对于给定可压缩机构能够为管子中的压力提供最为有效的抵偿作用。
在本发明一个更为优选的实施例中，热交换装置的管子是大致圆筒形的，可压缩机构是大致圆柱形的，而且每个管子及其相连的可压缩机构大致同轴地排列。这种构造方式使热交换装置中的介质能够很好地流经管子，并且由于可压缩机构的均匀形状，而能够提供良好的压缩抵偿作用。
可压缩机构可以具有适合于该用途的任何所要求的形状和/或尺寸，而且其尺寸和形状比如可以根据管子的尺寸和形状以及流经管子的介质来决定。优选的是，可压缩机构的横截面是大致圆形的。可压缩机构的这种形状有助于增加水的侧向紊流，从而提高总传热系数。可压缩机构的材料通常分布在机构的整个横截面上，但是在某些实施例中，可压缩机构至少有一部分可以是空心的或者全部是空心的。
在一优选实施例中，当未被压缩时，每个可压缩机构的截面直径(外径)为该装置中每个管子内径的大约10％至25％。在这一尺寸范围内的可压缩机构是特别优选的，因为直径较大的机构可能会影响热交换装置的水的侧向压降(由于水的可循环区域减小，从而使管子内的水流速度增大)。
在本发明的另一可供选择的实施例中，热交换装置中的每个管子以及每个可压缩机构是细长形的，并具有是大致椭圆形的横截面。管子及其相连的可压缩机构大致同轴地排列。由于是椭圆形的，所以管子具有最大内径和最小内径，而可压缩机构当未被压缩时具有最大外径和最小外径。优选的是，可压缩机构的最大外径为该管子的最大内径的大约10％至25％，可压缩机构的最小外径为管子的最小内径的大约10％至25％。如上面参考前述实施例所介绍的那样，这种构造方式是有利的，因为它可以使存在可压缩机构的影响减到最小，因而使水的侧向压力效应减到最小。
热交换装置中的其余部件可以由适用于热交换器的任何传统的部件构成。优选的是，热交换装置还包含与每个管子的第一端可操作地连接的入口以及与每个管子的第二端可操作地连接的出口，所述入口用于将所述介质输送至管子并输送至出口。因此，水比如可以通过入口输送到该系统，并在管子中的可压缩介质周围循环流动，然后通过出口离开系统。这是十分有利的，因为在同样的环境温度下流动的水比静止的水更不易结冰。优选的是，热交换装置还包含外壳或壳体，所述多个管子被容纳在所述外壳内，而第二介质在外壳中包围所述管子。优选的是，第二介质包括制冷剂或其它适当的冷却和/或加热介质。所述入口和/或出口可以是外壳的一部分，或者可以设置单独的入口和出口歧管。
现在将参考附图来介绍本发明各实施例的上述和其它特征，在这些附图中
图1示出了用于冷冻机的现有技术的蒸发器单元的横截面，其具有多个用以输送介质的管子；图2示出了图1中的其中一个管子在介质冷冻的各阶段的横截面；图3示出了根据本发明一实施例的用于冷冻机的蒸发器单元的横截面，其具有多个用以输送介质的管子；图4示出了图3中单元的纵向截面；和图5示出了图3和图4中的其中一个管子在介质冷冻各阶段的横截面。
参考图1，图中示出了用于冷冻机的现有技术蒸发器10。蒸发器包含用以容纳液体30的外壳12，液体通常是如本技术领域中所知的一种制冷剂。蒸发器还包含多个浸入制冷剂30中的管子20，在本实施例中管子20是这样布置的，即，使得每个管子20被制冷剂完全包围。管子20连接到供给源上，用以通过管子20提供所要冷却的介质40(参见图2)。在空气冷却冷冻机中，介质通常是水。当蒸发器10正常工作时，在流经管子20的水40与包围管子20的制冷剂30之间进行传热，用以使水40冷却。
然而，如图2b、2c和2d中所示，当冷冻机所处的环境温度低于水的冰点时，尤其是如果水40比如由于供电中断而没有在管子20中循环时，那么水40就开始结冰，于是从管子20的外缘到管子20的中心开始形成冰50。众所周知，水冻结时体积增大，因此当形成冰50时，会施加压力在管子20上。在图2b中，冰层50还很薄，因而由水/冰膨胀施加在管子20上的压力不足以对管子20造成损坏。然而，在图2c中，管子20上的内部压力要大很多，从而使管子主体20受力。当有足够量的水40结成冰50时，管子内部压力变得非常高而使管子爆裂或破裂，如图2d中的破裂处22所示。这显然是不希望发生的，因为一旦冰50熔化，水40会与蒸发器10中的制冷剂30混合，对冷冻机造成损坏，于是起码要更换管子20。
图3和图4示出了用于冷冻机的蒸发器10，在带有水40的每个管子20中，具有根据本发明的可压缩机构60。可压缩机构60优选是细长形的弹性嵌件，比如一段闭孔橡胶。每个弹性嵌件60连接在管子20的每一端，因此它大致上沿管子20的长度方向而悬在中心，从而在嵌件60的外表面周围形成用于水40的通畅流径。在正常条件下，水40通过进水口42进入蒸发器中，流经管子20，同时与包围管子20的制冷剂30交换热量，然后从出水口44流出。当环境温度下降到凝固点附近或以下的温度时，而且尤其是当蒸发器10停止工作而使包围管子20的制冷剂30沸腾，从而从管子20和所容纳的水40吸取能量时，水40开始在管子20的较外部分冻结，形成环形的结冰部分50。如图5a和5b中所示，起初形成的冰50对管子20或弹性嵌件60的影响很小，这是因为冰环50很小，所以压力增加得很少。然而，当更大比例的水40结成冰50时，如图5c中所示，管子20内的压力增大，而使弹性嵌件60被压缩。即使所有的水40冻结而使管子20中的体积/压力最大程度地增加，嵌件60也将进一步压缩以抵偿增加的体积，如图5d中所示。
虽然上述说明是对空气冷却冷冻机系统作出的，但是，本发明的原理可以应用于任何有水或其它介质流经管道或类似机构而可能引起冻结的系统。所以，应当认识到，上述实施例中的细节只是为了便于说明而给出的，不能把它们看作是限制了本发明的范围，本领域的专业人员应当知道，在不脱离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下，可以对这些示范实施例进行许多修改。
权利要求
1.一种热交换装置，包括用以输送第一介质的多个管子；和可压缩机构，所述机构可插入其中至少一个所述管子中，其中，所述介质的膨胀导致所述可压缩机构压缩。
2.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述介质包括水。
3.根据权利要求1或2所述的热交换装置，其特征在于，当所述装置的环境温度低于大约0摄氏度时，所述介质膨胀。
4.根据权利要求1、2或3所述的热交换装置，其特征在于，所述可压缩机构包括惰性弹性材料。
5.根据上述权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，所述可压缩机构包括橡胶。
6.根据上述权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，所述可压缩机构包括闭孔泡沫塑料。
7.根据上述权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，所述可压缩机构的长度与所述热交换装置的所述管子的长度基本上相同。
8.根据权利要求7所述的热交换装置，其特征在于，所述可压缩机构的第一端连接在所述管子的第一端，而所述可压缩机构的第二端连接在所述管子的第二端。
9.根据上述权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于所述管子是大致圆筒形的；且所述可压缩机构是大致圆柱形的。
10.根据上述权利要求中任一项所述的热交换装置，其特征在于，所述管子和所述可压缩机构的横截面分别是大致圆形的。
11.根据权利要求10所述的热交换装置，其特征在于，当未被压缩时，所述可压缩机构的外径为所述管子内径的大约10％至25％。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的热交换装置，其特征在于所述管子的横截面是大致椭圆形的；所述可压缩机构的横截面是大致椭圆形的；所述管子具有最大内径和最小内径；且当未被压缩时，所述可压缩机构的最大外径为所述管子最大内径的大约10％至25％，所述可压缩机构的最小外径为所述管子最小内径的大约10％至25％。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的热交换装置，其特征在于，所述管子和所述可压缩机构大致同轴地排列。
14.根据上述权利要求中任一项所述的热交换装置，还包括与所述管子的第一端可操作地连接的入口以及与所述管子的第二端可操作地连接的出口，所述入口用于将所述介质输送至所述管子并输送至所述出口。
15.根据上述权利要求中任一项所述的热交换装置，还包括外壳，所述多个管子安置在所述外壳内；和在所述外壳中包围所述管子的第二介质。
16.根据权利要求15所述的热交换装置，其特征在于，所述第二介质包括制冷剂。
17.一种用于抵偿热交换装置的管子中的压力增大的方法，所述方法包括以下步骤提供多个所述管子；和在每个所述管子内提供可压缩机构，当介质在所述管子内冻结时，所述可压缩机构可以由于所述介质的膨胀而被压缩。
全文摘要
本发明提供了一种热交换装置(10)以及用于抵偿热交换装置(10)的管子(20)中的压力增大的方法。这种热交换装置(10)包含多个用于输送第一介质(40)的管子(20)以及可插入到至少其中一个管子(20)中的可压缩机构(60)。所述介质(40)的膨胀导致所述可压缩机构(60)的压缩。优选的是，这种可压缩机构(60)包括惰性弹性材料。
文档编号F28F1/00GK101080604SQ200580042822
公开日2007年11月28日 申请日期2005年5月27日 优先权日2004年12月14日
发明者M·格拉邦, M·埃尔巴兹 申请人:开利公司