带有管线圈的旋转热交换器的制作方法

本主题总体上涉及热交换器。

背景技术：

某些设备使用密封制冷系统来冷却设备的各部分。例如，冰箱设备通常包括限定冷却室的机柜，该冷却室通常用密封制冷系统来冷却。结合了翅片、叶片或板的蒸发器在周围环境和流过密封制冷系统的制冷剂流体之间传导热量。

密封制冷系统的功效和效率可以至少部分地取决于可以在蒸发器处交换的热量的量。然而，许多现有系统难以始终如一地向/从蒸发器交换足够的热量。此外，某些系统(诸如利用多个静态叶片来改进热交换的系统)需要大量的空间以便使其对应的热交换特征有效。在系统使用鼓风机或风扇的情况下，风扇的旋转可能会生成大量非期望的噪音。这些制约因素可能会限制整个设备的可用性。例如，在冰箱设备的情况下，热交换元件所需的空间增大自然会限制设备的其他部分(诸如冷却室)的潜在尺寸。一个或多个风扇所生成的噪音可能会限制用户可能想要安装设备的区域。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践获知。

在第一示例实施例中，一种热交换器包括圆柱形定子。圆柱形转子与所述圆柱形定子间隔一圆柱形间隙。所述圆柱形转子被配置为相对于所述圆柱形定子围绕旋转轴线旋转。扁平管定位在所述圆柱形间隙内并且缠绕在所述圆柱形定子上。所述扁平管与所述圆柱形转子的面对所述圆柱形间隙的表面间隔开。传热流体可流过所述扁平管。当所述圆柱形间隙填充有液体时，在所述扁平管和所述圆柱形转子的所述表面之间限定有剪切液区域。

在第二示例实施例中，一种设备包括限定冷却室的机柜。热交换器定位在所述机柜内。所述热交换器包括圆柱形定子。圆柱形转子与所述圆柱形定子间隔一圆柱形间隙。所述圆柱形转子被配置为相对于所述圆柱形定子围绕旋转轴线旋转。扁平管定位在所述圆柱形间隙内并且缠绕在所述圆柱形定子上。所述扁平管与所述圆柱形转子的面对所述圆柱形间隙的表面间隔开。传热流体可流过所述扁平管。当所述圆柱形间隙填充有液体时，在所述扁平管和所述圆柱形转子的所述表面之间限定有剪切液区域。

参考下面的描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。

附图说明

参考附图，在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整并且能够实现的公开，包括其最佳模式。

图1是根据本公开的示例实施例的冰箱设备的前透视图。

图2是图1的示例冰箱设备的各种部件的示意图。

图3是根据本公开的示例实施例的热交换器的剖视图。

图4和图5是图3的示例热交换器的各种部件的示意图。

图6是根据本公开的另一个示例实施例的热交换器的剖视图。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明的方式提供的，并不是对本发明的限制。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以产生又一个实施例。因此，本发明旨在覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变型。

图1提供了根据本公开的示例实施例的代表性冰箱设备10的前视图。更具体地，出于说明性目的，本公开在具有如下所示和以下进一步描述的构造的冰箱设备10的背景下进行描述。如本文所用，冰箱设备包括诸如冰箱/冷冻机组合，并排、底部安装、紧凑型以及任何其他样式或型号的冰箱设备之类的设备。因此，包括多个和不同样式的隔室的其他配置可以与冰箱设备10一起使用，应当理解，图1所示的配置仅作为示例提供。

冰箱设备10包括新鲜食品储藏室12和冷冻储藏室14。在该实施例中，冷冻室14和新鲜食品室12并排布置在外部壳体16内，并由其中的内部衬里18和20限定。壳体16和衬里18、20之间以及衬里18、20之间的空间可以填充有现场发泡隔热件。外部壳体16通常通过将诸如预涂钢之类的合适材料的片折叠成倒U形以形成壳体16的顶壁和侧壁来形成。壳体16的底壁通常单独形成并附接到壳体侧壁和底部框架，该底部框架为冰箱设备10提供支撑。内部衬里18和20由合适的塑性材料模制以分别形成冷冻室14和新鲜食品室12。另选地，衬里18、20可以通过弯曲和焊接诸如钢之类的合适的金属的片来形成。

隔离条22在壳体前凸缘和衬里18、20的外部前边缘之间延伸。隔离条22由合适的弹性材料(诸如挤出的基于丙烯-丁二烯-苯乙烯的材料(通常称为ABS))形成。衬里18、20之间的空间中的隔热件由另一个合适的弹性材料条覆盖，该条通常也称为竖框24。在一个实施例中，竖框24由挤出的ABS材料形成。隔离条22和竖框24形成前表面，并且完全围绕壳体16的内周边缘并且在衬里18、20之间竖直地延伸。竖框24、隔室之间的隔热件以及分隔隔室的衬里的间隔壁在本文中有时统称为中央竖框壁26。另外，冰箱设备10包括架子28和滑出式储藏抽屉30，有时称为储藏盘，它们通常设置在新鲜食品室12中以支撑储藏在其中的物品。

冰箱设备10可以经由操纵安装的(例如，安装在新鲜食品储藏室12的上部区域中并与控制器11相连的)控制接口32根据编程或用户偏好来由一个或多个控制器11或其他处理装置来进行操作。控制器11可包括一个或多个存储器装置(例如，非可迁性存储器)和一个或多个微处理器，诸如可操作以执行与冰箱设备10的操作相关联的编程指令或微控制代码的通用或专用微处理器。该存储器可以代表诸如DRAM之类的随机存取存储器，或者诸如ROM或FLASH之类的只读存储器。在一个实施例中，处理器执行存储在存储器中的编程指令。存储器可以是与处理器分离的部件，或者可以是包括在处理器内的板载部件。控制器11可以包括被编程、配备或配置为根据各种控制方法来操作冰箱设备的一个或多个比例积分(“PI”)控制器。因此，如本文所用，“控制器”包括单数和复数形式。

控制器11可以定位在整个冰箱设备10中的各种位置。在所示的实施例中，控制器11可以位于例如接口面板32或门42或44的后面。输入/输出(“I/O”)信号可沿线束在冰箱设备10的控制系统和各种操作部件之间按路线发送，该线束可通过例如背面、侧面或竖框26进行布线。通常，通过用户接口面板32，用户可以选择各种操作特征和模式并监测冰箱设备10的操作。在一个实施例中，用户接口面板32可以代表通用I/O(“GPIO”)装置或功能块。在一个实施例中，用户接口面板32可以包括输入部件，诸如包括旋转拨盘、按钮和触摸板的各种电气、机械或机电输入装置中的一个或多个。用户接口面板32可以包括显示部件，诸如被设计为向用户提供操作反馈的数字或模拟显示装置。用户接口面板32可以经由一条或多条信号线或共享的通信总线与控制器11连通。

在一些实施例中，提供一个或多个温度传感器以测量新鲜食品室12中的温度和冷冻室14中的温度。例如，第一温度传感器52可以设置在新鲜食品室12中，并且可以测量新鲜食品室12中的温度。第二温度传感器54可以设置在冷冻室14中，并且可以测量冷冻室14中的温度。可以提供这种温度信息(例如，提供给用于操作冰箱10的控制器11)。这些温度测量可以在设备的操作或控制系统的执行期间间歇地或连续地进行。

可选地，可在冷冻室14中设置架子34和线筐36。附加地或另选地，可以在冷冻室14中设置制冰机38。冷冻门42和新鲜食品门44分别封闭通往冷冻室14和新鲜食品室12的入口。每个门42、44被安装成围绕其外部竖直边缘在如图1所示的打开位置和封闭相关联的储藏室的关闭位置(未示出)之间旋转。在另选的实施例中，门42、44中的一个或两个可以是可滑动的，或者可以以其他方式在打开和关闭位置之间可移动。冷冻门42包括多个储藏架46，而新鲜食品门44包括多个储藏架48。

现在参考图2，冰箱设备10可以包括制冷系统200。通常，制冷系统200充有制冷剂，该制冷剂流过各种部件并有助于冷却新鲜食品室12和冷冻室14。制冷系统200可以充有或填充有任何合适的制冷剂。例如，制冷系统200可以充有易燃制冷剂，诸如R441A、R600a、异丁烯、异丁烷等。

制冷系统200包括用于压缩制冷剂的压缩机202，从而提高制冷剂的温度和压力。压缩机202可以例如是变速压缩机，使得压缩机202的速度可以通过控制器11在百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间变化。制冷系统200可以进一步包括冷凝器204，该冷凝器可以在制冷剂的流动方向上设置在压缩机202的下游。因此，冷凝器204可以从压缩机202接收制冷剂，并且可以通过例如由于与环境空气的热交换而降低流过其中的制冷剂的温度来冷凝制冷剂)。

制冷系统200进一步包括设置在冷凝器204下游的蒸发器210。附加地，可以利用膨胀装置208来膨胀制冷剂——从而进一步降低制冷剂的压力——在流到蒸发器210之前离开冷凝器204。蒸发器210通常将热量从通过蒸发器210的环境空气传递到流过蒸发器210的制冷剂，从而冷却空气并导致制冷剂蒸发。如图所示，蒸发器风扇212可用于迫使空气通过蒸发器210。这样，产生冷却的空气并将其供应到冰箱设备10的冷藏室12、14。在某些实施例中，蒸发器风扇212可以是变速蒸发器风扇，使得风扇212的速度可以被控制或设置在例如百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间的任何地方并且包括它们。蒸发器风扇212的速度可以由控制器11确定并传送到蒸发器风扇212。

现在转到图3至图5，下面更详细地讨论根据本公开的示例实施例的热交换器100。热交换器100可以用在冰箱设备10中，例如用作冷凝器204和/或蒸发器210。因此，下面在冰箱设备10的背景下更详细地描述热交换器100。然而，应当理解，在另选的示例实施例中，热交换器100可以在任何合适的设备中使用或与之一起使用。例如，热交换器100可以用于热泵热水器、热泵干燥器、HVAC单元等中。热交换器100可以限定彼此垂直的轴向方向A和径向方向R。

如图3所示，热交换器100包括圆柱形定子110和圆柱形转子120。圆柱形定子110和圆柱形转子120可共同形成热交换器100的毂102。圆柱形转子120与圆柱形定子110间隔一圆柱形间隙130。因此，例如，圆柱形转子120可以在圆柱形间隙130处不接触圆柱形定子110。圆柱形转子120被配置为相对于圆柱形定子110围绕旋转轴线X旋转。旋转轴线X可以平行于轴向方向A并且垂直于径向方向R。为了旋转圆柱形转子120，热交换器100可以包括马达140。马达140耦合到圆柱形转子120，使得马达140可操作以使圆柱形转子120围绕旋转轴线X旋转。

马达140可以是变速马达。因此，例如，可以通过改变马达140的速度来调节圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度。控制器11可以与马达140操作地连通，并且控制器11可以可操作以调节马达140的速度。马达140的速度可以被控制或设置在例如百分之零(0％)和百分之一百(100％)之间的任何地方并且包括它们。作为特定示例，马达140可以可操作以将圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度调节至不小于每分钟二百五十转(250RPM)且不大于每分钟两千五百转(2500RPM)的任何合适的速度。

在图3中，圆柱形定子110定位在圆柱形转子120内。具体地，圆柱形定子110定位在圆柱形转子120的内部，并且与圆柱形转子120同轴定位。应当理解，在另选的示例实施例中，圆柱形定子110和圆柱形转子120的相对位置可以反过来。因此，在替代的示例实施例中，例如，圆柱形转子120可定位在圆柱形定子110内。

在图3中，马达140也定位在圆柱形定子110内。例如，马达140可以定位在圆柱形定子110的内部体积114内。内部体积114可以沿径向方向R围绕圆柱形定子110与圆柱形间隙130相对地定位。马达140的轴142可以例如沿轴向方向A从内部体积114延伸穿过圆柱形定子110的端壁116。圆柱形转子120耦合到马达140的轴142。因此，马达140可以可操作以使圆柱形转子120从圆柱形定子110内围绕旋转轴线X旋转。O形环118或其他合适的密封件可以在马达140的轴142和圆柱形定子110的端壁116之间延伸。O形环118可以阻止液体经由马达140的轴142和圆柱形定子110的端壁116之间的接口流入内部体积114。在另选的示例实施例中，马达140可以定位在圆柱形定子110的外部，并且圆柱形转子120可以由马达140通过齿轮或皮带/带轮驱动。

扁平管150定位在圆柱形间隙130内，并且扁平管150缠绕在圆柱形定子110上，例如，使得扁平管150盘绕在圆柱形定子110上。因此，在马达140的操作期间，圆柱形转子120可相对于扁平管150旋转。扁平管150还例如沿径向方向R与圆柱形转子120的表面122间隔开。圆柱形转子120的表面122面对圆柱形间隙130。在图3中，圆柱形转子120的表面122是圆柱形转子120的内表面，并且扁平管150卷绕到圆柱形定子110的外表面112上。如图3所示，扁平管150可以按一层或多层卷绕到圆柱形定子110的外表面112上。诸如制冷剂之类的传热流体可流过扁平管150。

圆柱形间隙130可以填充有诸如水、丙二醇等之类的液体，并且该液体可以促进沿径向方向R在圆柱形转子120和扁平管150之间的圆柱形间隙130内的热传递。例如，圆柱形间隙130中的液体可以例如相对于填充有诸如空气之类的气体的圆柱形间隙130促进圆柱形转子120和扁平管150之间的传导热传递。因此，圆柱形间隙130中的液体可以在圆柱形间隙130内接触圆柱形转子120和扁平管150两者，并且液体可以对应于圆柱形间隙130内的圆柱形转子120和扁平管150之间的传热流体。

另外，在扁平管150和圆柱形转子120的表面122之间限定有剪切液区域160。因此，剪切液区域160可以对应于例如沿径向方向R定位在圆柱形转子120的表面122和扁平管150之间的圆柱形间隙130的部分。剪切液区域160内的液体可在圆柱形转子120相对于圆柱形定子110的旋转期间剪切，并且液体的剪切可以促进圆柱形转子120和扁平管150之间经由液体的对流热传递。

通过将扁平管150定位在圆柱形间隙130内，相对于需要复杂流动回路的已知热交换器，热交换器100可以更成本有效的方式来生产。另外，相对于已知的热交换器，可以减小热交换器100的尺寸。例如，热交换器100的尺寸可以约是具有类似的热传递特性并且需要例如风扇、护罩、脊翅片等的已知热交换器的一半。

圆柱形间隙130内的对流热传递随着剪切速率而增加。因此，改变圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度(例如，通过以上述方式改变马达140的速度)可以同样改变沿径向方向R在圆柱形转子120和扁平管150之间的圆柱形间隙130内的对流热传递。特别是，增大圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度可以增加沿径向方向R在圆柱形转子120和扁平管150之间的圆柱形间隙130内的对流热传递。相反，减小圆柱形转子120围绕旋转轴线X的旋转速度可以减少沿径向方向R在圆柱形转子120和扁平管150之间的圆柱形间隙130内的对流热传递。

转到图4，扁平管150可具有平坦或平面的表面152。因此，例如，扁平管150可具有非圆形的横截面。在图4中，扁平管150具有正方形横截面。在另选的示例实施例中，扁平管150可具有体育场形状的横截面、矩形横截面等。作为示例，扁平管150可通过轧制圆形金属管以形成平坦表面152而形成。因此，扁平管150可以是轧制的金属管。

扁平管150的平坦表面152可穿过剪切液区域160面对圆柱形转子120的表面122。因此，例如，扁平管150的平坦表面152可以对应于剪切液区域160的静态剪切表面，并且圆柱形转子120的表面122可以对应于剪切液区域160的动态剪切表面。扁平管150的平坦表面152可穿过剪切液区域160平行于圆柱形转子120的表面122定向。

剪切液区域160的厚度T可以沿径向方向R在扁平管150的平坦表面152和圆柱形转子120的表面122之间限定。在某些示例实施例中，剪切液区域160的厚度T可以不小于约百分之一英寸(0.01英寸)并且不大于约十分之一英寸(0.1英寸)。如本文所用，术语“约”是指在厚度的背景下使用时在所述厚度的百分之十以内。通过利用扁平管150，剪切液区域160的厚度T可以相对于圆形管更一致或更均匀。另外，热交换器100可以通过使用扁平管150而形成为相对于使用圆形管具有减小的剪切液区域160的厚度T的尺寸。

扁平管150可为传热流体提供单个流动路径。然而，在某些示例实施例中，热交换器100包括多个扁平管150。例如，如图4所示，热交换器100可包括第一扁平管152和第二扁平管154。第一扁平管152和第二扁平管154均定位在圆柱形间隙130内并缠绕在圆柱形定子110上。第一扁平管152和第二扁平管154可在制冷系统200内平行地垂下，使得第一扁平管152和第二扁平管154各自限定用于通过热交换器100的传热流体的相应流动路径。

参考图3和图5，热交换器100可以包括风扇170。风扇170可以包括多个间隔开的平面翅片172。间隔开的平面翅片172例如沿径向方向R从圆柱形转子120向外延伸。圆柱形转子120可以由合适的导热材料形成或具有合适的导热材料。例如，圆柱形转子120可以由一种或多种传导性材料(诸如铝、铜或锡以及它们的合金)形成。每个平面翅片172与圆柱形转子120传导热连通。例如，平面翅片172可以直接接触圆柱形转子120。在某些示例实施例中，间隔开的平面翅片172可分离地(例如，与之直接或间接接触)附接到圆柱形转子120(例如，作为离散的可移除盘)。间隔开的平面翅片172也可以由与圆柱形转子120的材料相同或不同的传导性材料形成。例如，间隔开的平面翅片172可以由不锈钢、铝、铜或锡以及它们的合金形成。

间隔开的平面翅片172限定一个或多个轴向进气通道174。轴向进气通道174可延伸穿过间隔开的平面翅片172中的一个或多个平面翅片，例如，平行于旋转轴线X和/或沿轴向方向A。轴向进气通道174中的每个均可定位在距离旋转轴线X共同的径向距离处。

间隔开的平面翅片172被安装到圆柱形转子120，例如，使得间隔开的平面翅片172与圆柱形转子120一起围绕旋转轴线X旋转。当间隔开的平面翅片172旋转时，风扇170以类似于所谓的“特斯拉风扇”的方式操作。转到图5，当间隔开的平面翅片172围绕旋转轴线X旋转时，可以沿轴向方向A将气流(用箭头AF示出)吸入轴向进气通道174。气流AF可以从相对的轴向端部间隔开的平面翅片172流入轴向进气通道174。在间隔开的平面翅片172内，气流AF从轴向进气通道174传递到在相邻间隔开的平面翅片172之间限定的一个或多个排气通道。排气通道可以对应于相邻间隔开的平面翅片172之间的轴向间隙。

气流AF在从热交换器100排出之前，沿径向方向R在间隔开的平面翅片172之间从排气通道向外引导。有利地，热交换器100可促进间隔开的平面翅片172和气流AF之间的热交换，而不会生成与例如轴向鼓风机风扇相关联的噪声。因此，例如，当热交换器100用作冷凝器204时，间隔开的平面翅片172可在热交换器100的操作期间将热量排到气流AF。另选地，例如，当热交换器100用作蒸发器210时，气流AF可以在热交换器100的操作期间将热量排到间隔开的平面翅片172。

当间隔开的平面翅片172旋转时，粘性力将能量添加到间隔开的平面翅片172之间的气流AF。间隔开的平面翅片172上的边界层可以沿径向方向R向外驱动气流AF。相邻的间隔开的平面翅片172之间沿轴向方向A的间隔可以被选择成促进在间隔开的平面翅片172之间沿径向方向R向外驱动气流AF。例如，每个间隔开的平面翅片172可以沿轴向方向A与相邻的间隔开的平面翅片172间隔不超过约二十五微米(25μm)。在某些示例实施例中，这种间隔可以允许风扇170以上述方式操作。

如图6所示，圆柱形定子110可以包括沿径向方向R向外突出的翅片或波纹124。扁平管150可以定位在波纹124的远端上。相邻波纹124之间的空间或间隙可以例如沿轴向方向A在圆柱形定子110和扁平管150之间提供用于液体的流动路径。因此，圆柱形间隙130中的液体可在相邻波纹124之间的空间内流动，并且相对于没有波纹124的圆柱形定子110，相邻波纹124之间的液体可沿径向方向R在圆柱形转子120和扁平管150之间的圆柱形间隙130内增加对流热传递。

圆柱形转子120可包括沿径向方向R向外突出的翅片或波纹119。平面翅片172可安装在波纹119的远端处。进气通道174可以由波纹119和平面翅片172的内边缘之间的空间或间隙形成。相对于图3所示的示例，波纹119可以增大直接暴露于环境空气中的表面积。在波纹119内还可以形成涡流，从而增加热传递。

本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，则它们旨在处于权利要求的范围内。

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