專利名稱：傳熱管、制造該傳熱管的方法及其使用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)總體上涉及一種傳熱管以及形成和使用這種傳熱管的方法。更具體地說(shuō)，本申請(qǐng)涉及一種改進(jìn)的沸騰管和一種制造這種沸騰管的方法以及在改進(jìn)的制冷劑蒸發(fā)器或冷卻器中使用這種沸騰管。
背景技術(shù)：
工業(yè)用空氣調(diào)節(jié)和制冷系統(tǒng)的一個(gè)組成裝置是制冷劑蒸發(fā)器或冷卻器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，冷卻器將熱量從進(jìn)入裝置的冷卻介質(zhì)中去掉，并將再生的冷卻介質(zhì)輸送給空氣調(diào)節(jié)或制冷系統(tǒng)，從而冷卻某一結(jié)構(gòu)、裝置或指定的區(qū)域。冷卻器上的制冷劑蒸發(fā)器利用液體制冷劑或其它工作流體來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)。冷卻器上的制冷劑蒸發(fā)器降低冷卻介質(zhì)的溫度，使其低于周圍環(huán)境的溫度，從而為空氣調(diào)節(jié)或制冷系統(tǒng)所用，上述冷卻介質(zhì)例如是水(或一些其它流體)。
冷卻器的一種類型是滿液式冷卻器。在滿液式冷卻器裝置中，若干個(gè)傳熱管完全浸沒(méi)到兩相沸騰制冷劑的貯藏池中。制冷劑通常是具有特定沸點(diǎn)溫度的氯氟化烴(即氟利昂)。冷卻介質(zhì)通常是水，并被冷卻器處理。冷卻介質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器并被輸送到若干個(gè)管中，這些管浸沒(méi)到沸騰的液體制冷劑中。因此，這種管通常公知為“沸騰管”。流過(guò)若干個(gè)管的冷卻介質(zhì)由于將其熱量釋放給沸騰的制冷劑而被冷卻。來(lái)自沸騰的制冷劑的蒸汽被輸送到壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)用于將蒸汽壓縮成具有較高的壓力和溫度。然后，該高壓高溫蒸汽被管道輸送給冷凝器并在冷凝器中凝結(jié)，并通過(guò)膨脹裝置最終返回到蒸發(fā)器，從而降低了壓力和溫度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，上述過(guò)程與公知的制冷循環(huán)是一致的。
已經(jīng)公知的是，浸沒(méi)到制冷劑中的沸騰管的熱傳遞性能可以這樣得到提高，即，在管的外表面形成翅片。還有一種提高沸騰管傳熱能力的公知方法是改變與冷卻介質(zhì)接觸的管的內(nèi)表面。這種改變管的內(nèi)表面的一個(gè)例子是Wither，Jr.，等人的美國(guó)專利No.3,847,212，在該專利中公開(kāi)的方式是在管的內(nèi)表面形成翅片。
還有一種公知的方式，可以改變翅片來(lái)進(jìn)一步提高熱傳遞能力。例如，一些沸騰管已經(jīng)被稱為泡核沸騰管。泡核沸騰管的外表面被構(gòu)造為形成多個(gè)凹穴或小孔(通常是沸騰或成核區(qū)域)，這些凹穴或小孔提供了允許形成小的制冷劑蒸汽氣泡的開(kāi)口。蒸汽氣泡易于在成核區(qū)域的基部或根部形成，并且其尺寸變大，直到它們從外部管表面破裂。由于破裂的發(fā)生，另外的液體制冷劑占據(jù)了騰出的空間，這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行從而形成其它的蒸汽氣泡。在這種方式中，液體制冷劑在位于金屬管外表面上的若干個(gè)泡核沸騰位置被蒸發(fā)或汽化。
Cunningham等人的美國(guó)專利No.4,660,630中公開(kāi)了如下內(nèi)容，即通過(guò)在管的外表面上的切口翅片或開(kāi)槽翅片形成泡核沸騰凹穴或小孔。切口的形成方向與翅片平面基本垂直。管的內(nèi)表面具有包括螺旋狀翅片。該專利還公開(kāi)了交叉開(kāi)槽方式，該方式能使翅片尖端變形，從而使形成的泡核沸騰凹穴(或通道)具有比表面開(kāi)口更大的寬度。這種結(jié)構(gòu)允許蒸汽氣泡通過(guò)凹穴向外運(yùn)動(dòng)，到達(dá)并通過(guò)較窄的表面開(kāi)口，這會(huì)進(jìn)一步提高熱傳遞能力。根據(jù)Cunningham等人的專利生產(chǎn)的各種管已經(jīng)由Wolverine Tube有限公司所銷售，其商標(biāo)是TURBO-B。在另一種以TURBO-BII為商標(biāo)所銷售的泡核沸騰管中，切口的形成方向與翅片平面成一銳角。
在一些傳熱管中，在形成翅片后，翅片被翻轉(zhuǎn)和/或壓平從而產(chǎn)生窄的空隙，該間隙覆蓋在較大的凹穴或通道上方，這些較大的凹穴或通道由翅片的根部和成對(duì)的翅片相鄰的側(cè)邊所限定。一些例子包括如下美國(guó)專利中的管Cunningham等人的美國(guó)專利No.4,660,630；Zohler的美國(guó)專利No.4,765,058；Zohler的美國(guó)專利No.5,054,548；Nishizawa等人的美國(guó)專利No.5,186,252；Chiang等人的美國(guó)專利No.5,333,682。
對(duì)泡核沸騰小孔的密度和尺寸進(jìn)行控制已經(jīng)屬于現(xiàn)有技術(shù)的范圍。另外，小孔尺寸和制冷劑類型之間的相互關(guān)系也已經(jīng)屬于現(xiàn)有技術(shù)的范圍。例如，Bohler的美國(guó)專利No.5146979聲稱通過(guò)具有泡核沸騰小孔的管來(lái)利用高壓制冷劑，從而提高性能，該泡核沸騰小孔的尺寸范圍從0.000220平方英寸到0.000440平方英寸(槽孔的總面積是整個(gè)外表面面積的14％到28％)。在另一個(gè)例子中，Thors等人的美國(guó)專利No.5,697,430也公開(kāi)了一種傳熱管，該傳熱管具有若干徑向向外延伸的螺旋狀翅片。該管的內(nèi)表面具有若干個(gè)螺旋狀翅片。外表面上的翅片被切口，從而提供具有小孔的泡核沸騰位置。翅片和切口被隔開(kāi)，從而在管的外表面上提供平均面積小于0.00009平方英寸的小孔和每平方英寸至少2000個(gè)的小孔密度。內(nèi)表面上的螺旋狀凸緣具有預(yù)定的凸緣高度和螺距，并且位于預(yù)定的螺旋角上。根據(jù)該專利的發(fā)明內(nèi)容所制造的管已經(jīng)以TURBO BIII為商標(biāo)被提供和銷售。
業(yè)界繼續(xù)探索新的和改進(jìn)的設(shè)計(jì)以提高熱傳遞和冷卻的性能。例如，美國(guó)專利No.5,333,682公開(kāi)了一種傳熱管，該傳熱管具有的外表面被構(gòu)造為能同時(shí)提供增大的管的外表面面積和提供凹陷的空腔，該凹陷的空腔作為成核區(qū)域來(lái)促進(jìn)泡核沸騰。類似地，美國(guó)專利No.6,167,950公開(kāi)了一種用于冷凝器的傳熱管，該傳熱管具有的切口表面和翅片表面，其被構(gòu)造為能促進(jìn)制冷劑從翅片的排放。由現(xiàn)有技術(shù)中的這種發(fā)展可見(jiàn)，在將制造成本和制冷系統(tǒng)運(yùn)行成本保持在最低水平的同時(shí)，提高泡核沸騰管的熱傳遞性能仍然是我們的目標(biāo)。這些目標(biāo)包括設(shè)計(jì)更有效的管和冷卻器，以及制造這種管的方法。與這些目標(biāo)相一致，本發(fā)明的目的是總體上提高傳熱管的性能，更具體地說(shuō)，提高用于滿液式冷卻器或降膜式裝置的傳熱管的性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過(guò)形成和提供改進(jìn)的泡核沸騰凹穴來(lái)增大管的熱交換能力，從而改進(jìn)了現(xiàn)有的熱交換管和制冷劑蒸發(fā)器，進(jìn)而提高了包括有一個(gè)或多個(gè)這種管的冷卻器的性能。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括或包含管，該管具有至少一個(gè)雙凹穴的沸騰凹穴或小孔。雖然在此公開(kāi)的管在用于使用高壓制冷劑的沸騰裝置時(shí)特別有效，但是這種管也可以用于使用低壓制冷劑的場(chǎng)合。
本發(fā)明包括改進(jìn)的傳熱管。本發(fā)明的該改進(jìn)的傳熱管適用于沸騰式或降膜式蒸發(fā)應(yīng)用場(chǎng)合，在這些應(yīng)用場(chǎng)合中，管的外表面與沸騰的液體制冷劑接觸。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在管的外表面上形成若干個(gè)徑向向外延伸的螺旋狀翅片。該翅片被切口，翅片的尖端被向下推壓，然后被彎曲以形成泡核沸騰凹穴。翅片的根部可以被切口以增大泡核沸騰凹穴的容積或尺寸。翅片的尖端被向下推壓。在一些實(shí)施例中，尖端被向下推壓到大約切口的水平面。然后，翅片的上表面可以被彎曲和滾壓以形成副小孔凹穴。這樣形成的結(jié)構(gòu)限定出雙凹穴小孔或通道，以促進(jìn)汽化氣泡的產(chǎn)生。也可以改進(jìn)管的內(nèi)表面，例如通過(guò)沿內(nèi)表面設(shè)置螺旋狀突脊，以便進(jìn)一步有助于流過(guò)該管的冷卻介質(zhì)和有管浸沒(méi)在其中的制冷劑之間的熱傳遞。當(dāng)然，本發(fā)明不限于任何對(duì)內(nèi)表面的特殊改進(jìn)。
本發(fā)明還包括一種形成改進(jìn)的傳熱管的方法。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括如下步驟，在管的外表面上形成若干個(gè)徑向向外延伸的翅片，在管的外表面上彎曲該翅片，對(duì)(切口之間剩余的)剩下的材料進(jìn)行切口切割和彎曲以形成雙凹穴泡核沸騰區(qū)域，從而能提高流過(guò)該管的冷卻介質(zhì)和沸騰的制冷劑之間的熱傳遞，其中管可能浸沒(méi)到該制冷劑中。
本發(fā)明還包括一種改進(jìn)的制冷劑蒸發(fā)器。該改進(jìn)的蒸發(fā)器，或冷卻器，包括至少一個(gè)按照本發(fā)明制造的管，該管適用于沸騰式或降膜式蒸發(fā)應(yīng)用場(chǎng)合。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在管的外部包括若干個(gè)徑向向外延伸的翅片。這些翅片被切口切割。這些翅片被彎曲以增大可能發(fā)生熱傳遞的有效表面積，以及形成成核雙凹穴沸騰區(qū)域，因此能改進(jìn)熱傳遞性能。
通過(guò)參閱本說(shuō)明書和附圖，可以對(duì)本發(fā)明的這些和其它特征及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明和理解。
圖1是根據(jù)本發(fā)明制造的制冷劑蒸發(fā)器的示意圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明制造的傳熱管的放大的、部分截取的軸向截面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明制造的傳熱管優(yōu)選實(shí)施例的放大的、部分截取的軸向截面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明制造的傳熱管的外表面的顯微照片。
圖5是圖4的外表面沿線5-5的截面圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明制造的傳熱管的外表面的顯微照片。
圖7是把本發(fā)明的管和根據(jù)美國(guó)專利No.5,697,430以及美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/964,045制造的傳熱管之間的效率指數(shù)進(jìn)行比較的圖。
圖8是把本發(fā)明的管和根據(jù)美國(guó)專利No.5,697,430以及美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/964,045制造的傳熱管之間的內(nèi)部熱傳遞性能進(jìn)行比較的圖。
圖9是把本發(fā)明的管和根據(jù)美國(guó)專利No.5,697,430以及美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/964,045制造的傳熱管之間的壓降進(jìn)行比較的圖。
圖10是將制冷劑HFC-134a在變化的熱通量Q/Ao時(shí)的全部熱傳遞系數(shù)Uo進(jìn)行比較的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)地參見(jiàn)附圖，在各附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同的部件，圖1中的附圖標(biāo)記10總體上表示根據(jù)本發(fā)明制造的若干個(gè)傳熱管。管10包括在制冷劑蒸發(fā)器14中。普通技術(shù)人員可以想見(jiàn)，各個(gè)管10a、10b和10c只是包括在冷卻器的蒸發(fā)器14中的可能是數(shù)百個(gè)管10中的代表。管10可以以任何合適的方式被固定，從而完成在此所述的本發(fā)明。蒸發(fā)器14包括沸騰的制冷劑15。制冷劑15通過(guò)開(kāi)口20從冷凝器被輸送到蒸發(fā)器14的殼體18內(nèi)。殼體18內(nèi)沸騰的制冷劑15是兩相的，即液體和蒸汽。制冷劑蒸汽通過(guò)蒸汽出口21從蒸發(fā)器殼體18中排出。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，制冷劑蒸汽被輸送給壓縮機(jī)，并被壓縮機(jī)壓縮為較高溫度和壓力的蒸汽，這與公知的制冷循環(huán)是一致的。
在此具體描述的若干個(gè)傳熱管10a-c可以以任何合適的方式被放置和懸置在殼體18內(nèi)。例如，管10a-c可以被擋板或類似物支撐。制冷劑蒸發(fā)器的這種結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)中公知的。冷卻介質(zhì)通過(guò)入口25進(jìn)入蒸發(fā)器14，并進(jìn)入入口容器24，該冷卻介質(zhì)通常是水。以相對(duì)熱的狀態(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器14的冷卻介質(zhì)從容器24輸送到若干個(gè)傳熱管10a-c內(nèi)，在其中冷卻介質(zhì)將其熱量釋放給沸騰的制冷劑15。被冷卻的冷卻介質(zhì)流經(jīng)管10a-c，并從管10a-c進(jìn)入出口容器27。再生的(refreshed)冷卻介質(zhì)通過(guò)出口28排到蒸發(fā)器14外。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，示例性的滿液式蒸發(fā)器14只是制冷劑蒸發(fā)器的一個(gè)例子。多個(gè)不同類型的蒸發(fā)器已經(jīng)被公知并利用在本領(lǐng)域中，包括吸附式制冷機(jī)中的蒸發(fā)器，以及那些使用降膜式裝置的蒸發(fā)器。本領(lǐng)域技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)可以應(yīng)用于冷卻器和蒸發(fā)器，而且本發(fā)明并不受商標(biāo)和類型的限制。
圖2是代表性的管10的放大的、截取的平面圖。圖3是管10放大的截面圖，可以與圖2結(jié)合起來(lái)考慮。首先參考圖2，管10大體上限定出外表面30以及內(nèi)表面35。內(nèi)表面優(yōu)選具有若干個(gè)突脊38。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，管的內(nèi)表面可以是光滑的，或者可以具有突脊和凹槽，或者可以是以其它方式增強(qiáng)傳熱型的。這樣，可以理解的是，被公開(kāi)的該實(shí)施例雖然具有若干個(gè)突脊，但這并不是對(duì)本發(fā)明的限制。
現(xiàn)在說(shuō)明該示例性的實(shí)施例，管的內(nèi)表面35上的突脊38具有間距“p”、寬度“b”和高度“e”，它們都被表示在圖3中。間距“p”表示突脊38之間的距離。高度“e”表示突脊38的頂部39和突脊38的最深處部分之間的距離。寬度“b”是在突脊38的最上部的外側(cè)邊緣并與頂部39接觸之處測(cè)量得到的。螺旋角“θ”從管的軸線測(cè)量得到，這也表示在圖3中。這樣，可以理解的是，(該示例性的實(shí)施例的)管10的內(nèi)表面35具有螺旋狀突脊38，這些突脊具有預(yù)定的突脊高度和間距，并以預(yù)定的螺旋角對(duì)齊排列。這些預(yù)定的量值可以根據(jù)需要變化，這取決于特定的應(yīng)用場(chǎng)合。例如，Wither，Jr.的美國(guó)專利No.3,847,212公開(kāi)了相對(duì)少的數(shù)量的突脊，它們具有相對(duì)大的間距(0.333英寸)和相對(duì)大的螺旋角(51°)。可以優(yōu)選地選擇這些參數(shù)從而提高管的熱傳遞性能。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知這種用內(nèi)表面的構(gòu)造提高管的熱傳遞性能的方式，所以不需要進(jìn)行不同于在此已公開(kāi)內(nèi)容的更詳細(xì)的說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，例如，Wither，Jr.等人的美國(guó)專利No.3,847,212公開(kāi)了一種形成方法，以及通過(guò)內(nèi)表面提高熱傳遞性能的形成方法。
管10的外表面30通常最初是光滑的。這樣，可以理解的是，外表面30隨后發(fā)生形變或被增強(qiáng)從而提供若干個(gè)翅片50，翅片50又提供多個(gè)雙凹穴泡核沸騰區(qū)域55，如在此具體描述的那樣。盡管本發(fā)明詳細(xì)描述了雙凹穴成核小孔55，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明包括的傳熱管10所具有的泡核沸騰區(qū)域55也可以制成具有多于兩個(gè)凹穴。這些區(qū)域55，通常被稱為凹穴或小孔，包括位于管10的結(jié)構(gòu)上的開(kāi)口56，開(kāi)口56大體上位于管的外表面30之上或之下。開(kāi)口56的作用是作為一個(gè)小型循環(huán)系統(tǒng)，可以將液體制冷劑引導(dǎo)到回路或通道中，從而使得制冷劑與成核區(qū)域相接觸。這種類型的開(kāi)口通常是這樣制成的，即，在管上形成翅片，在翅片的尖端形成大體上縱向的凹槽或切口，然后使外表面發(fā)生形變從而在管的表面產(chǎn)生壓平的區(qū)域，但是在翅片根部區(qū)域具有通道。
現(xiàn)在進(jìn)一步詳細(xì)地描述圖2和3，管10的外表面30被形成為具有若干個(gè)翅片50。可以使用傳統(tǒng)的翅片形成機(jī)器來(lái)形成翅片50，例如，可以參考Cunningham等人的美國(guó)專利No.4,729,155中的方式形成翅片50。所采用的刀桿的數(shù)量取決于如管的尺寸、生產(chǎn)速度等這樣的制造因素。這些刀桿繞著管以合適的級(jí)數(shù)遞增被安裝，優(yōu)選地，每個(gè)刀桿優(yōu)選以相對(duì)管軸線成一角度被安裝。
現(xiàn)在進(jìn)行更為詳細(xì)的描述，參照?qǐng)D4，翅片形成盤推壓管的外表面30上的金屬或使管的外表面30上的金屬變形，從而形成翅片50以及相對(duì)深的凹槽或通道52。如圖所示，在翅片50之間形成通道52，二者大體上沿管10的周邊。如圖3所示，翅片50具有一高度，該高度可以是從通道52(或凹槽)的最深處部分57與翅片的最外部表面58之間測(cè)量得到的。另外，翅片50的數(shù)量可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合而改變。翅片高度的優(yōu)選范圍是0.015至0.060英寸，每英寸翅片的數(shù)量?jī)?yōu)選地是40到70，但這并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制?？梢岳斫獾氖?，翅片的形成過(guò)程會(huì)產(chǎn)生若干個(gè)第一通道52。
在翅片形成之后，各個(gè)翅片50的外表面30被切割成具有切口，從而提供若干個(gè)第二通道62?？梢允褂们锌谇懈畋P(例如，可以參考Cunningham的美國(guó)專利No.4,729,155)進(jìn)行這種切口。第二通道62定位成相對(duì)于第一通道52成一角度，并且如圖4所示相互連接在一起。美國(guó)專利No.5,697,430中描述的切口操作是進(jìn)行這種切口的一種合適的方法，從而可以限定第二通道62以及形成若干個(gè)切口64。
在切口之后，通過(guò)壓縮盤(例如，可以參考Cunningham的美國(guó)專利No.4,729,155)將翅片50的外表面30壓平或向下推壓。這個(gè)步驟將翅片壓平或向下推壓。翅片可能被推壓到切口的水平面?？梢岳斫獾氖牵鲜鲞^(guò)程會(huì)在通道52和62的相交部分產(chǎn)生若干個(gè)小孔55。這些小孔55限定出泡核沸騰區(qū)域，每個(gè)小孔都被小孔尺寸所限定。更具體地，現(xiàn)在參考圖3進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，首先的壓平或向下推壓形成主泡核沸騰凹穴72。這一步驟產(chǎn)生的主泡核沸騰凹穴72與前面所述的方法相比在尺寸上具有更好的一致性。
壓平之后，翅片50被滾壓工具再次滾壓或彎曲。該滾壓操作將力施加得穿過(guò)和跨過(guò)翅片50。在最初的壓平或向下推壓之后留下的翅片50的一部分被工具彎曲或滾壓，從而至少部分覆蓋住翅片切口64，并因此在彎曲的翅片50和翅片切口64之間形成副沸騰凹穴74。副凹穴74在主凹穴72上面提供額外的翅片區(qū)域，從而促進(jìn)更多的對(duì)流和泡核沸騰。這樣，在通道52和62之間的相交部分形成小孔55。每個(gè)小孔55具有小孔開(kāi)口56，開(kāi)口56的尺寸就是釋放蒸汽的沸騰或成核區(qū)域的開(kāi)口的尺寸。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例限定了兩個(gè)凹穴，即主凹穴72和副凹穴74，這樣可以提高管的性能。
優(yōu)選地，在翅片之間(“翅片根部區(qū)域”)的第一通道52上對(duì)管10進(jìn)行切口，從而在根部表面上形成根部切口。利用根部切口切割盤來(lái)完成該切口操作?？梢栽诔崞母繀^(qū)域切口形成各種形狀和尺寸的根部切口，優(yōu)選地，可以形成具有大體上梯形形狀的根部切口。盡管可以圍繞每個(gè)凹槽20的圓周形成任何數(shù)量的根部切口，至少是20到100個(gè)，但是建議每個(gè)圓周上的根部切口優(yōu)選為47個(gè)。另外，根部切口26優(yōu)選的根部切口深度在0.0005英寸至0.005英寸之間，更優(yōu)選地為.0028英寸。
管10的外表面30的翅片50的轉(zhuǎn)變示于圖6中。在形成翅片之后，外表面30包括多個(gè)直的翅片76。翅片50的根部可以被切割以產(chǎn)生切口64。翅片50被進(jìn)一步切割以產(chǎn)生帶切口的翅片78。帶切口的翅片78可以被壓平或向下推壓以形成凹穴55和壓平的翅片80。
通過(guò)增大外側(cè)(ho)和內(nèi)側(cè)(hi)的熱傳遞系數(shù)，對(duì)管10的內(nèi)表面35和外表面30的改進(jìn)可以提高管的總效率，從而提高總的熱傳遞系數(shù)(Uo)，并且還可以減小熱量從管的一側(cè)傳遞到另一側(cè)的總熱阻(RT)。通過(guò)增大可能與流體接觸的表面面積以及允許管10內(nèi)的流體在流經(jīng)管10的長(zhǎng)度時(shí)發(fā)生渦流，管10的內(nèi)表面35的參數(shù)可以提高內(nèi)側(cè)熱傳遞系數(shù)(hi)。渦流的流動(dòng)可以使得流體與內(nèi)表面14保持良好的傳熱接觸，并且可以避免過(guò)度的紊流，而過(guò)度的紊流會(huì)使壓降出現(xiàn)不期望的增加。
另外，在管10的外表面30進(jìn)行根部切口并且對(duì)翅片50進(jìn)行壓平或彎曲都有助于在管的外部的熱傳遞，因此會(huì)提高外側(cè)熱傳遞系數(shù)(ho)。根部切口能增大泡核沸騰凹穴的尺寸和表面積以及增加沸騰區(qū)域的數(shù)量，由于表面張力的原因，根部切口還有助于保持表面為濕的狀態(tài)，表面張力有助于在需要的位置促進(jìn)更強(qiáng)的薄膜沸騰。對(duì)翅片的壓平作用使得主凹穴72的形成具有更好的一致性。對(duì)翅片的彎曲作用使得在每個(gè)主凹穴72的上面形成額外的凹穴(例如副凹穴74)，該額外的凹穴可以把額外的熱量傳遞到制冷劑，并且使熱量借助液體-蒸汽中間相的上升的蒸汽氣泡進(jìn)行傳遞，該上升的蒸汽氣泡以對(duì)流和/或泡核沸騰的方式從副凹穴74逃逸出，泡核沸騰取決于熱通量和管的外表面上的液體/蒸汽運(yùn)動(dòng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，外側(cè)沸騰系數(shù)是泡核沸騰條件和對(duì)流分量的函數(shù)。雖然泡核沸騰條件通常對(duì)熱傳遞的貢獻(xiàn)最大，但是對(duì)流條件也很重要，在滿液式制冷劑冷卻器中對(duì)流條件甚至可以是相當(dāng)大的影響因素。
本發(fā)明的管10相對(duì)于美國(guó)專利No.5,697,430中公開(kāi)的管(在后面的圖表中稱作管I或“Turbo-BIII管”)和美國(guó)專利申請(qǐng)No.10/964,045中公開(kāi)的管(在后面的圖表中稱作管II或“Turbo-EDE管”)具有優(yōu)越性，在各種商業(yè)化生產(chǎn)的管中，這些現(xiàn)有技術(shù)在蒸發(fā)性能方面被認(rèn)為是目前具有領(lǐng)先水平的。為了將本發(fā)明的管10(在后面的圖表中稱作“管IIA”或“Turbo-EDEII管”)與Turbo-BIII管和Turbo-EDE管進(jìn)行比較而給出了表1，表1給出了Turbo-EDEII管、Turbo-EDE管和Turbo-BIII管的尺寸特點(diǎn)。
表1具有多頭的內(nèi)部突脊的銅管的尺寸特性
表2將Turbo-EDEII管、Turbo-EDE管和Turbo-BIII管的內(nèi)部性能進(jìn)行了比較。這些管都是在恒定的管側(cè)水流率5GPM和恒定的平均水溫50°F下進(jìn)行比較的。表2進(jìn)行的比較是以額定3/4英寸的外部直徑管為基礎(chǔ)的。
表2具有多頭的內(nèi)部突脊的試驗(yàn)銅管的管側(cè)性能特性
這些數(shù)據(jù)說(shuō)明采用Turbo-EDEII管獲得的壓降減少和熱傳遞效率的提高。從表2和圖9可以看出，對(duì)于5GPM(每分鐘加侖)恒定流率時(shí)光滑小孔管的壓降比(Δpe/Δps)，Turbo-EDEII管比Turbo-BIII管低大約1％、比Turbo-EDE管低大約3％。從表2和圖10也可以看出，Turbo-EDEII管的斯坦頓數(shù)比(Ste/Sts)比Turbo-BIII管高大約8％、比Turbo-EDE管高大約5％。壓降比和斯坦頓數(shù)比可以綜合成熱傳遞到壓降的綜合比，并被定義為“效率指數(shù)”(η)，該效率指數(shù)是與光滑小孔管相比熱傳遞比壓降的綜合量值。在5GPM時(shí)，Turbo-EDEII管的效率指數(shù)是0.82，Turbo-BIII管的效率指數(shù)是0.75，Turbo-EDE管的效率指數(shù)是0.76，因此，在該GPM時(shí)Turbo-EDEII管的效率指數(shù)分別比Turbo-BIII管和Turbo-EDE管提高了9％和8％。在7GPM時(shí)(通常的工作條件)，將會(huì)出現(xiàn)更高百分比的提高。
表3將Turbo-EDEII管、Turbo-EDE管和Turbo-BIII管的外部性能進(jìn)行了比較。這些管的長(zhǎng)度是8英尺，每個(gè)管都單獨(dú)懸置在盛有58.3華氏度制冷劑的容器中。水流率被恒定保持在5.3ft/s，進(jìn)入的水溫度使得所有管的平均熱通量恒定為7000Btu/hr ft2。管由銅材料制成，其額定外部直徑是3/4英寸，并具有相同的壁厚度。所有試驗(yàn)都是在制冷劑中沒(méi)有任何油存在的情況下進(jìn)行的。
表3具有多頭的內(nèi)部突脊的試驗(yàn)銅管的管的外部和整體性能特性
圖10是在使用HFC-134a制冷劑以及變化的熱通量Q/A0的情況下，將Turbo-EDEII管、Turbo-EDE管和Turbo-BIII管的總熱傳遞系數(shù)U0進(jìn)行比較的圖。在熱通量是7,000(Btu/hr ft2)時(shí)，水流率是5GPM的情況下(同樣示于表3)，Turbo-EDEII管比Turbo-EDE管和Turbo-BIII管分別提高27％和11％。
應(yīng)該注意到，本發(fā)明提供了一種具有獨(dú)特形狀的翅片，該翅片能形成泡核沸騰區(qū)域，泡核沸騰區(qū)域具有多個(gè)凹穴，例如是雙凹穴。本發(fā)明提供的這種獨(dú)特形狀的翅片不需要削去任何金屬就能形成小孔，本發(fā)明還提供了改進(jìn)的制造方法，以便用于形成改進(jìn)的傳熱管。另外，在滿液式冷卻器中使用一個(gè)或多個(gè)這種管能夠提高冷卻器的熱傳遞性能。
上面的內(nèi)容用于說(shuō)明、解釋和描述本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行改進(jìn)和修改，但是這些改進(jìn)和修改都在本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)或下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因此，前面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的解釋和說(shuō)明只是示例性的，本發(fā)明提出如下附屬的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種適用于制冷劑蒸發(fā)器的傳熱管，該傳熱管包括外表面，該外表面包括若干個(gè)徑向向外延伸的螺旋狀翅片，該翅片被切割以形成切口；若干個(gè)在相鄰翅片間延伸的通道；在切口和通道之間的相交部分處形成的至少一個(gè)泡核沸騰小孔；其中，翅片被壓平或向下推壓從而在至少一個(gè)泡核沸騰小孔內(nèi)形成主泡核沸騰凹穴；翅片的尖端被進(jìn)一步彎曲或壓平，從而在至少一個(gè)泡核沸騰小孔內(nèi)形成副泡核沸騰凹穴。
2.一種制造傳熱管的方法，該傳熱管與制冷劑接觸，內(nèi)表面與再生的冷卻介質(zhì)接觸，該方法包括(a)在管的外表面上形成若干個(gè)徑向向外延伸的翅片；(b)沿第一方向形成在相鄰翅片之間延伸的若干個(gè)通道；(c)對(duì)翅片進(jìn)行切割從而在第二方向上形成若干個(gè)切口，其中，在通道和切口之間的相交部分處形成至少一個(gè)泡核沸騰小孔；(d)翅片被壓平或向下推壓從而提供主泡核沸騰凹穴；(e)進(jìn)一步彎曲或壓平翅片的尖端，從而形成與主泡核沸騰凹穴連通的副泡核沸騰凹穴。
3.一種改進(jìn)的制冷劑蒸發(fā)器，包括殼體；包括在所述殼體內(nèi)的制冷劑；以及至少一個(gè)傳熱管，該傳熱管包括在所述殼體內(nèi)并浸沒(méi)到所述制冷劑內(nèi)，所述傳熱管包括外表面，所述外表面包括若干個(gè)徑向向外延伸的螺旋狀翅片以及在相鄰翅片之間延伸的通道，所述翅片被切割以形成切口；在切口和通道之間的相交部分處形成的至少一個(gè)泡核沸騰小孔；帶有切口的翅片被壓平或向下推壓，從而使相鄰的翅片形成在相鄰泡核沸騰小孔之間延伸的通道，由此使得所述小孔形成主泡核沸騰凹穴；以及所述翅片的尖端被進(jìn)一步彎曲或壓平，從而形成副泡核沸騰凹穴。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種改進(jìn)的傳熱管，一種改進(jìn)的形成這種傳熱管的方法，以及一種改進(jìn)的對(duì)這種傳熱管的使用。該傳熱管包括外表面，該外表面具有若干個(gè)徑向向外延伸的螺旋狀翅片，該翅片被切割以形成切口，若干個(gè)通道在相鄰翅片之間延伸，在切口和通道之間的相交部分形成至少一個(gè)泡核沸騰小孔。翅片被壓平或向下推壓從而在至少一個(gè)泡核沸騰小孔內(nèi)形成主泡核沸騰凹穴；以及，翅片的尖端被進(jìn)一步彎曲或壓平，從而在至少一個(gè)泡核沸騰小孔內(nèi)形成副泡核沸騰凹穴。本發(fā)明還公開(kāi)了包括至少一個(gè)這種沸騰管的改進(jìn)的制冷劑蒸發(fā)器，以及制造這種沸騰管的方法。
文檔編號(hào)F28D5/00GK1877242SQ20051012913
公開(kāi)日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月10日
發(fā)明者P·托爾斯, T·泰勒 申請(qǐng)人:沃爾弗林管子公司