專利名稱：傳熱管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及用在熱交換器中用于管內(nèi)流體與管外流體之間進行傳熱的管子。本發(fā)明尤其涉及具有能增強管子傳熱性能的內(nèi)表面的傳熱管，空調(diào)和致冷(AC和R)或類似系統(tǒng)中的熱交換器都含有這樣的管子。
傳熱管的設(shè)計師們早已認(rèn)識到表面增強型管子的傳熱性能優(yōu)于光滑表面的管子。制造廠商已在廣泛應(yīng)用各種內(nèi)外表面有增強結(jié)構(gòu)的管子，這些結(jié)構(gòu)包括各種肋片、翅片、涂層和嵌入件等，不勝枚舉。幾乎所有增強設(shè)計的一個共同點就是試圖增加管子的傳熱面積。大多數(shù)設(shè)計還試圖使在管內(nèi)或管外流動的流體中形成紊流，以便促進流體混合并破壞管子表面的邊界層。
大多數(shù)空調(diào)和致冷系統(tǒng)中以及發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，熱交換器是套片管子型的。在這類熱交換器中，固定在管子外表面上的片子是管外增強結(jié)構(gòu)。傳熱管往往還有在管子內(nèi)壁上的內(nèi)側(cè)傳熱增強結(jié)構(gòu)。
許多已有技術(shù)的金屬傳熱管的內(nèi)表面增強是用某種方法加工管子使其內(nèi)壁上形成肋條。這些肋條大多是以螺旋形式沿管子表面延伸，這是一種廣為采用的結(jié)構(gòu)，因為螺旋肋比其它形式的肋一般相對容易成形。雖然充分混合、紊流和最大可能的內(nèi)傳熱表面面積對提高傳熱效率是合乎需要的。然而，高的肋高度和大的肋螺旋角會引起大的流動阻力，甚至大到使流動壓力損失變得不可接受。過大的壓力損失需要過大的泵送動力，從而造成系統(tǒng)總效率降低。在如何構(gòu)造內(nèi)表面增強結(jié)構(gòu)方面還要考慮管壁的強度和完整性。
顧名思意，流過冷凝器的流體經(jīng)過一個從氣體到液體的相變，而流過蒸發(fā)器的流體是從液相變?yōu)闅庀?。這兩種類型的熱交換器都是蒸氣壓縮空調(diào)和致冷系統(tǒng)中所需要的。為了簡化采購和庫存以及降低制造成本，最好是在一個系統(tǒng)的所有熱交換器中采用同一類型的管材。但是，用在一種場合為最佳的傳熱管材用在另一種場合時都往往不能表現(xiàn)出同樣好的性能。為了在這些情況下在一給定的系統(tǒng)中獲得最好的性能，必須用兩種類型的管材，每一類型針對一種功用。但是至少有這樣一種空調(diào)和致冷系統(tǒng)，其中，一給定的熱交換器必須執(zhí)行兩種功能，即可逆蒸氣壓縮或稱熱泵型空調(diào)系統(tǒng)。在這樣一個系統(tǒng)中，使一給定熱交換器針對單一功能最佳化是不可能的，因而所選的傳熱管必須能很好地執(zhí)行兩種功能。
在典型的套片管子式空調(diào)和致冷熱交換器的管路總長的相當(dāng)大一部分長度內(nèi)，致冷劑流的流動是混合的，即，致冷劑是以液態(tài)和氣態(tài)兩種形式存在。由于密度的不同，液態(tài)致冷劑沿管子底部流動，而氣態(tài)致冷劑沿管子頂部流動。如果能改進兩種狀態(tài)的流體的相互混合，例如，在冷凝應(yīng)用場合中促進液體從管子上部區(qū)域向下滴流或在蒸發(fā)應(yīng)用場合中依靠毛細(xì)管作用使流體沿管子內(nèi)壁向上爬流，就能改善管子的傳熱性能。
為了獲得改善的傳熱性能以及簡化制造和降低成本，需要有這樣的傳熱管它有制造簡便的增強傳熱內(nèi)表面，有至少可以接受的低的流體流動阻力，并能在冷凝和蒸發(fā)兩種應(yīng)用場合下很好地執(zhí)行其功能。內(nèi)傳熱表面必須易于制造且制造成本低。
本發(fā)明的傳熱管有一個構(gòu)造成能增強管子的傳熱性能的內(nèi)表面，內(nèi)壁增強結(jié)構(gòu)是一種由與管子縱向軸線成一角度延伸的許多螺旋肋形成的有肋內(nèi)表面。這些肋有許多壓入其內(nèi)的平行槽口，槽口以一個小角度傾斜于管子的縱向軸線。內(nèi)表面的這種結(jié)構(gòu)增加了其面積，從而增強了管子的傳熱性能。此外，帶有槽口的肋能改進管內(nèi)的流動條件，從而促進傳熱，但又不會使流過管子的流動損失明顯增大。這種增強結(jié)構(gòu)在冷凝和蒸發(fā)應(yīng)用中都能改善傳熱性能。在應(yīng)用本發(fā)明的管子構(gòu)成的套片管子熱交換器的場合，在其中的流體是以混合狀態(tài)流動并且蒸氣含量高的情況下，這種結(jié)構(gòu)能促使管子內(nèi)表面處形成紊流，從而起到提高傳熱性能的作用。在蒸氣含量低的熱交換器中，這種結(jié)構(gòu)既能在冷凝環(huán)境中促進冷凝液向下滴流，又能在蒸發(fā)環(huán)境中促使液體依靠毛細(xì)管作用向管壁上爬流。
盡管本發(fā)明的管子可用多種制造工藝來制造，但它特別適合于用銅或銅合金板條來制造，先在板條的一個表面上滾壓出增強結(jié)構(gòu)，然后卷成管狀并縫焊成管材。用這種制造工藝能迅速而經(jīng)濟地生產(chǎn)出內(nèi)側(cè)增強型的傳熱管材。
各附圖構(gòu)成說明書的一部分，在所有各圖中，同一標(biāo)號代表相同的部分。


圖1是本發(fā)明之傳熱管的立體示意圖；圖2是本發(fā)明之傳熱管的剖視圖；圖3是本發(fā)明之傳熱管的一塊管壁的等角視圖；圖4是本發(fā)明之傳熱管的一塊管壁的平面圖；圖5是通過圖4中的V—V線截取的本發(fā)明之傳熱管壁的剖面圖；圖6是通過圖4中的VI—VI線截取的本發(fā)明之傳熱管壁的剖面圖。
圖1以一完整的等角視圖示出了本發(fā)明的傳熱管。管子50有管壁51以及在其上的內(nèi)表面增強結(jié)構(gòu)52。
圖2以一剖視圖示出了傳熱管50。為清晰起見，圖2中僅示出表面增強結(jié)構(gòu)52(圖1)的一條肋53和一個槽口54，但在本發(fā)明的管子中，有許多條肋53從管子50的壁51突出。肋53以螺旋角α傾斜于管子的縱向軸線aT。槽口軸線aN以θ角傾斜于肋53。管子10有一個從管子內(nèi)表面的兩條肋之間測量的內(nèi)徑D2。
圖3是傳熱管50的一部分壁的等角視圖，其描繪出了表面增強結(jié)構(gòu)52的細(xì)節(jié)。許多根螺旋肋53從壁51向外突出。沿肋條以一定間隔設(shè)有一系列槽口54。下面將描述，槽口54是用滾壓工藝成形在肋53上的。在槽口成形的過程中，被排擠的材料形成了突起55，突起55在肋53的兩側(cè)在該肋上的各槽口54周圍向外突出。由于這些突起既增加了管子的暴露于管內(nèi)流動的流體的內(nèi)表面面積，還能使靠近管子內(nèi)表面流動的流體產(chǎn)生紊流，所以，它們對管子的傳熱性能有良好作用。
圖4是管子50的壁51的一部分的平面圖，其示出了以肋間距Sr設(shè)置在壁上的肋53。槽口54以槽間距Sn壓入成形在肋上。槽口與肋之間的夾角為角θ。
圖5是通過圖4中的線V—V截取的壁51的剖面圖。示出了肋53的高度Hr和間距Sr。
圖6是通過圖4中的線VI—VI截取的壁51的剖面圖。示出了槽口54的兩相對槽面56之間的角度γ和壓進肋54的深度Dn以及相鄰槽的間距Sn。
為了兼得最佳的傳熱性能和最小的流體流動阻力，實施本發(fā)明并且公稱外徑不超過20毫米( 英寸)的管子應(yīng)該有具有上述特點和下列參數(shù)的內(nèi)表面增強結(jié)構(gòu)a.肋螺旋角應(yīng)在5至45度之間，或?qū)懗?°≤α≤45°；b.肋的高度與管子內(nèi)徑之比應(yīng)在0.015至0.03之間，或?qū)懗?.015≤Hr/D2≤0.03；c.每單位長度管子內(nèi)周長的肋數(shù)應(yīng)是每厘米10至24條肋之間(每英寸26至60條之間)；d.槽口軸線與管子縱向軸線之間的夾角應(yīng)小于15度，或?qū)懗搔龋?5°最好是小于8度；e.一條肋上的槽口間距與管子內(nèi)徑之比應(yīng)在0.025至0.1之間，或?qū)懗?.025≤Sn/D2≤0.1；f.一個槽口的兩相對槽面之間的角度應(yīng)小于90度，或?qū)懗搔茫?0°；和g.槽口深度應(yīng)至少是肋高度的40％，或?qū)懗蒁n/Hr≥0.4。
增強結(jié)構(gòu)52可通過任何合適的工藝成形在管子的內(nèi)壁上。在采用現(xiàn)代自動化高速加工工藝制造金屬縫焊管材中，一個有效的方法是，在板條卷成圓環(huán)截面和縫焊成管子之前，在金屬板條的一個表面上滾壓出增強結(jié)構(gòu)。如果是通過滾壓、卷板成形和縫隙焊接制造管子，由于制造工藝的必然結(jié)果，有可能沿成品管子的焊縫存在這樣一個區(qū)域，該區(qū)域沒有管子內(nèi)周的其余部分具有的增強結(jié)構(gòu)或有一種與之不同的增強結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)不同的區(qū)域?qū)⒉粫茏拥膫鳠峄蛄黧w流動性能有任何明顯的不利影響。
權(quán)利要求
1.一種改進的傳熱管(50)，它具有有內(nèi)表面的壁(51)、縱向軸線(aT)和許多成形在所述內(nèi)表面上的螺旋肋(53)，其特征在于，改進包括以對所述肋傾斜不超過15度的傾斜角(θ)壓入所述肋內(nèi)成形的許多平行槽口(54)，所述槽口的兩相對槽面(56)之間的角度小于90度，以及槽口的間距(Sn)在0.5—2.0毫米(0.02—0.08英寸)之間。
2.如權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，相對于所述縱向軸線的所述傾斜角小于8度。
3.如權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，所述肋的高度(HR)與所述管子的內(nèi)徑(D2)之比(HR/D2)在0.015—0.03之間。
4.如權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，肋螺旋角(α)在5—45°之間。
5.如權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，每單位長度管子內(nèi)周長(πD2)的肋數(shù)為10—24條每厘米(26—60條每英寸)。
6.如權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，槽口的深度Dn與肋的高度(Hr)之比(Dn/Hr)至少是0.4。
7.如權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，由在所述肋上成形所述槽口時從該肋排擠開的材料形成的突起(55)在所述肋的每一槽口附近從所述肋的兩相對側(cè)面向外突出。
全文摘要
一種內(nèi)表面有能增強管子的傳熱性能的結(jié)構(gòu)的傳熱管。螺旋肋從管子的內(nèi)表面突出。肋上壓出有與之交叉并以小角度傾斜于管子縱向軸線的許多平行的槽口。肋和槽的這種結(jié)構(gòu)增加了管子內(nèi)表面的總面積，也可改善管內(nèi)致冷劑的流動條件，從而提高傳熱性能。這種管子適用于致冷劑蒸發(fā)器和冷凝器。
文檔編號F28F1/40GK1120658SQ9510901
公開日1996年4月17日 申請日期1995年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月11日
發(fā)明者羅伯特H·L·欽, 杰克L·埃斯福默斯 申請人:運載器有限公司