專利名稱：傳熱管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及傳熱管。更具體地說，本發(fā)明涉及一種其制冷劑表面的構(gòu)造在蒸發(fā)和冷凝場合下均適用于空調(diào)和制冷系統(tǒng)的傳熱管及其制造方法。
殼管式換熱器在一殼體內(nèi)含有多根管子。這些管子通常是設(shè)置成為需要進(jìn)行熱交換的兩種流體中的一種流體提供多條平行的流動(dòng)通道。在一種泛濫式蒸發(fā)器中，管子浸在流過換熱器殼體的第二種流體中。許多空調(diào)系統(tǒng)含有殼管式換熱器。在空氣調(diào)節(jié)場合下，通常為水的流體流過管子，制冷劑流過換熱器殼體。在一種蒸發(fā)器場合下，制冷劑利用從流體通過管壁所傳遞的傳導(dǎo)熱來冷卻流體。該傳導(dǎo)熱使與管子外表面接觸的制冷劑蒸發(fā)。在一種冷凝器場合下，制冷劑利用通過管壁傳遞到流體的傳導(dǎo)熱冷卻和冷凝。這種換熱器的傳熱能力很大程度上取決于各管子的傳熱特性。各管子的外部構(gòu)造對(duì)于其總的傳熱特性的建立是非常重要的。
目前有一些基本上公知的用于提高傳熱管的傳熱效率的方法。它們中有一種是增大管子的傳熱面積。用來增大換熱器管的傳熱面積的最普通的方法之一是在管子外表面上設(shè)置翅片。翅片可以單獨(dú)制成并連接到管子的外表面上，或者，可以通過某些工藝對(duì)管壁進(jìn)行加工而在管子外表面上形成翅片。
在一種制冷劑冷凝場合下，除了傳熱面積增大外，還有一個(gè)原因使得制有翅片的管子比外表面光滑的管子具有更高的冷凝傳熱性能。冷凝的制冷劑在光滑管子的外表面上形成一層連續(xù)的液體制冷劑膜。該膜的存在可降低透過管壁的傳熱率。該膜對(duì)熱傳遞的阻礙隨膜厚度的增大而增大。由于表面張力作用，翅片上的膜的厚度通常要小于管表面主要部分上的膜的厚度，因而可減小對(duì)翅片的熱傳遞阻礙。
在一種制冷劑蒸發(fā)場合下，增大管表面的傳熱面積也可提高傳熱管的傳熱性能。此外，可促進(jìn)與沸騰液體相接觸的管子表面上的有核沸騰的表面構(gòu)造能夠提高性能。在有核沸騰過程中，從被加熱表面?zhèn)鬟f的熱量使與該表面接觸的液體蒸發(fā)，蒸氣形成氣泡。來自該表面的熱量過度加熱氣泡中的蒸氣，氣泡的尺寸變大。當(dāng)氣泡的尺寸足夠大時(shí)，表面張力被克服，氣泡脫離管表面。隨氣泡離開表面，液體進(jìn)入氣泡所騰出的空間，殘留于該空間內(nèi)的蒸氣便有了一個(gè)補(bǔ)充液體源，從而能蒸發(fā)而形成又一個(gè)氣泡。連續(xù)地在表面上形成氣泡、氣泡脫離表面和表面的重新變濕以及蒸氣氣泡升起而攪拌液體的對(duì)流作用，可提高傳熱表面的傳熱率。
將傳熱表面構(gòu)造成具有能為蒸氣截留提供位置和促進(jìn)蒸氣氣泡形成的成核點(diǎn)，可以加強(qiáng)有核蒸發(fā)過程。例如，簡單地鑿毛傳熱表面可以提供成核點(diǎn)，使表面的傳熱特性優(yōu)于類似的光滑表面。凹腔型成核點(diǎn)可產(chǎn)生穩(wěn)定的氣泡柱和良好的表面?zhèn)鳠崽匦浴０记恍统珊它c(diǎn)是一種凹穴開口小于表面下凹穴體積的表面凹穴。周圍液體過多地流入可滿溢凹腔型成核點(diǎn)，使它不起作用。通過將傳熱表面構(gòu)造成具有相對(duì)較大的連通的表面下通道，并且它們通到表面的開口相對(duì)較小，可減小或防止蒸氣截留或成核點(diǎn)的滿溢，提高表面的傳熱性能。
在一種降膜式蒸發(fā)器中，液膜在傳熱表面上的蔓延和薄膜的發(fā)展對(duì)于提高傳熱能力是非常重要的。
從后勤學(xué)和制造方面的觀點(diǎn)看，需要有一種外部傳熱表面在泛濫和降膜式蒸發(fā)器的制冷劑冷凝和蒸發(fā)場合下均具有良好傳熱性能的傳熱管，因而在冷凝器和泛濫式蒸發(fā)器中可以都用同一種管子構(gòu)造。
本發(fā)明是一種傳熱管和一種傳熱管的制造方法，該傳熱管的外表面構(gòu)造成可同時(shí)提高在制冷劑冷凝、泛濫蒸發(fā)和膜蒸發(fā)場合下的傳熱性能。
該管在其外表面上形成有一或多圈翅片。槽口以一定間隔斜角穿過翅片圈而繞管子的圓周面延伸。一個(gè)翅片圈在該翅片圈中相鄰槽口之間的部分形成一翅片體。翅片體的末梢劈成兩個(gè)尖端部分。每個(gè)尖端部分從最接近的翅片基部向外朝相鄰翅片圈中的劈口的翅片尖端延伸。
與傳統(tǒng)的翅片管相比，槽口和劈開的尖端可進(jìn)一步增大管子的外表面面積。相鄰翅片圈之間的槽的上面延伸有劈開的翅片尖端，形成可促進(jìn)泛濫式蒸發(fā)器中的制冷劑池沸騰的凹腔。
在一種冷凝和降膜蒸發(fā)場合下，相對(duì)較銳的尖端可促進(jìn)制冷劑從翅片排出和蔓延。在大多數(shù)裝置中，殼管式空調(diào)換熱器中的管子水平地或接近水平地延伸。對(duì)于水平的管子，槽口和劈口翅片的構(gòu)造可促進(jìn)冷凝的制冷劑從翅片排入管表面上部的翅片之間的槽，還可促進(jìn)被冷凝的制冷劑從管表面的下部排出。在膜蒸發(fā)模式中，銳利的尖端和槽口以及較低的制冷劑表面張力有助于液體在管表面上和沿管軸蔓延。這可使水平殼管式降膜蒸發(fā)器具有良好的可濕性。
利用使管壁在內(nèi)部芯桿與外部制翅片盤之間滾軋而在管子的外表面上形成翅片的制翅片機(jī)，在其工具組中增加一或多個(gè)刻槽盤和一或多個(gè)劈口盤，就可方便而經(jīng)濟(jì)地完成帶槽口和劈口尖端的翅片管的制造?？滩劭诠ぞ邩?gòu)造成可在圓的翅片體上施加一個(gè)扭轉(zhuǎn)，以便將該翅片體的尖端劈開。
附圖構(gòu)成本說明書的一部分。在所有這些附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。


圖1表示本發(fā)明的管子。
圖2表示本發(fā)明的管子是如何制造的。
圖3是本發(fā)明的管子的一部分外表面的俯視圖。
圖4是本發(fā)明的管子的單圈翅片中的一部分的俯視圖。
圖5是本發(fā)明的管子的兩相鄰翅片圈的類剖視圖。
圖1示出了傳熱管10。管子10包括管壁11、管內(nèi)表面12和管外表面13。從管壁11的外表面上延伸出來的是翅片體22。管子10具有從管外表面13測量的外徑Do，它不包括翅片體22的高度(Hf)。
本發(fā)明的管子可以很容易地通過一滾軋工藝來制造。圖2示出了這樣一種工藝。在圖2中，制翅片機(jī)60正在對(duì)由諸如銅之類的延展性金屬制成的管子10進(jìn)行加工，從而在管子上產(chǎn)生內(nèi)部肋條和外部翅片。制翅片機(jī)60具有一或多個(gè)工具軸，每根工具軸含有一工具組62，該工具組由一些制翅片盤63、刻槽盤66和劈口盤67組成。延伸到管子中的是芯桿軸65，上面裝有芯桿64。
管壁11隨管子10的旋轉(zhuǎn)而被壓于芯桿64與制翅片機(jī)63之間。在壓力下，金屬塑變進(jìn)入制翅片盤之間的槽中，在管子的外表面上形成肋條或翅片。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，管子10在芯桿64與工具組62之間進(jìn)給(在圖2中從左向右)，因而在管子上形成一些螺旋的翅片圈。圈數(shù)是工具組62中的制翅片盤63數(shù)量和制翅片機(jī)60上所用的工具軸61數(shù)量的函數(shù)。在同一路線上，在工具組62于管子10上形成翅片圈后，刻槽輪66在翅片圈的金屬上壓制斜角的槽口。斜角的槽口形成后，劈口盤67將每個(gè)翅片圈的翅片體劈成兩部分。
芯桿64可以按這樣一種方式來構(gòu)造，如圖2所示，它在經(jīng)過它上面的管壁的內(nèi)表面12上施加某些類型的圖案。典型的圖案是一或多個(gè)螺旋的肋條圈。這種圖案可提高流過管子的流體與管壁之間的傳熱率。
圖3以俯視圖的形式示出了管子的一部分外表面。從管子10的外表面13上延伸出來的是一些翅片圈20。穿過各翅片圈并以一定間距斜角延伸的是槽30圖案。在所形成的翅片圈中的一對(duì)相鄰的槽口之間的是一翅片體22，它具有兩個(gè)尖端23。
圖4是本發(fā)明的管子的單個(gè)翅片圈中的一部分的俯視圖。槽口基部31相對(duì)于管子縱軸線AT的傾斜角為α。翅片22的尖端23相對(duì)于管子縱軸線AT的傾斜角為β。在管子的制造過程中(見圖2)，旋轉(zhuǎn)進(jìn)給管子10和刻槽盤66之間的相互作用可使翅片體22的軸線略微地轉(zhuǎn)離刻槽輪的齒與翅片圈之間的夾角，使尖端軸線角β相對(duì)于角α而傾斜，即β≠α。但是，在特殊情況下，β＝α也是可能的。正是由于翅片體的這種轉(zhuǎn)動(dòng)，才允許劈口盤67可靠地劈開翅片體，因?yàn)榭坛龅某崞w所提供的可供劈口的表面比未刻槽的翅片圈的更寬。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果刻槽輪的角度大于40°，并且刻槽輪上相鄰的齒之間的間隔小于0.0125英寸，則翅片體將會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。翅片體的扭轉(zhuǎn)可使翅片體的劈口能更有效地進(jìn)行。更具體地說，若沒有扭轉(zhuǎn)，翅片尖端的厚度將太小以致無法可靠地劈開翅片體。通過扭轉(zhuǎn)，刻槽后而劈口前的翅片體的形狀基本為平行四邊形。在進(jìn)行劈口后，該平行四邊形被沿其對(duì)角線劈開，形成兩個(gè)三角形。
圖5是本發(fā)明的管子的兩相鄰翅片圈的偽剖視圖。使用術(shù)語“偽”是因?yàn)檠爻崞θ魏尾糠纸氐玫钠室晥D看起來都不大可能象圖5所示的剖視圖。然而，該附圖可用于示出管子的許多特點(diǎn)。翅片圈20A和20B從管壁11向外延伸。翅片圈20A和20B具有近端部分21和翅片體部分22。延伸通過翅片圈20A的是一條槽口基部32。翅片圈20A和20B的總高為Hf。近端部分21的寬度為Wr，翅片體部分22的尺寸最寬處的寬度為Wt。翅片體22的外端具有兩個(gè)尖端23。槽口刻入翅片圈到達(dá)內(nèi)壁表面13上方Hn處。
應(yīng)予理解的是，在制造過程中，刻槽輪66(圖2)不是將槽口從翅片圈中切去，而是通過將材料移出刻槽區(qū)而將槽口壓入翅片圈。來自翅片圈的刻槽部分的多余材料同時(shí)移入相鄰槽口之間的區(qū)域和從翅片圈的側(cè)部向外移，并朝翅片圈側(cè)部的管壁11移。因此，Wt大于Wr。相鄰翅片圈上的相同點(diǎn)之間的距離或稱翅片節(jié)距為Pf。翅片體部分22上的兩個(gè)尖端之間的夾角或稱劈口角為δ。從一個(gè)翅片圈的側(cè)部延伸出來的一個(gè)尖端朝該側(cè)相鄰的翅片圈延伸，兩尖端之間留有間隙g。
當(dāng)管子用于一種冷凝場合下時(shí)，相對(duì)較多數(shù)量的銳利尖端可促進(jìn)管子表面上的冷凝。由于尖端覆蓋相鄰翅片圈之間的體積，因此形成一種凹腔，這樣也就形成了可促進(jìn)蒸發(fā)的管表面。
我們已經(jīng)對(duì)按照本發(fā)明的技術(shù)制造的使用制冷劑R-134a的兩組主要類型的管子進(jìn)行了試驗(yàn)。這兩種主要類型的管子的相關(guān)參數(shù)為主要類型組A—公稱外徑(Do)—1.9厘米(3/4英寸)，翅片節(jié)距(Pf)—0.6毫米(0.024英寸)或每厘米16.5個(gè)翅片(每英寸42個(gè)翅片)，翅片高度(Hf)—.0.79毫米(0.031英寸)，槽口基部高度(Hn)—0.58毫米(0.023英寸)，槽口角(α)—50度、30度、45度，劈口角(δ)—70度、90度、110度，槽口密度，或每個(gè)管周一個(gè)翅片圈中的槽口數(shù)量—80，140。
主要類型組B—公稱外徑(Do)—1.9厘米(3/4英寸)，
翅片節(jié)距(Pf)—0.45毫米(0.018英寸)或每厘米22個(gè)翅片(每英寸56個(gè)翅片)，翅片高度(Hf)—0.58毫米(0.024英寸)，槽口基部高度(Hn)—0.35毫米(0.014英寸)，槽口角(α)—50度，劈口角(δ)—90度，槽口密度，或每個(gè)管周一個(gè)翅片圈中的槽口數(shù)量—140。
我們將這兩種主要類型的管子的性能與一種外表面光滑的管子的性能在熱通量條件的范圍內(nèi)進(jìn)行了比較。在一種蒸發(fā)場合下，主要類型組A的性能平均約為光滑管子的性能的2.5倍，主要類型組B的性能約為光滑管子的性能的3倍。在一種冷凝場合下，主要類型組A的性能平均約為光滑管子的性能的19倍，主要類型組B的性能約為光滑管子的性能的23倍。
從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可推斷出，在公稱外徑為12.5毫米(1/2英寸)到25毫米(1英寸)的管子中可獲得類似的性能，其中a)翅片節(jié)距為0.038到0.76毫米(0.015到0.030英寸)，或0.038mm≤Pf≤0.76mm(0.015英寸≤Pf≤0.030英寸)；b)翅片高度與管外徑之比在0.026到0.067之間，或0.026≤Hf/Do≤0.067；c)槽口密度為60到190；d)槽口軸線與管縱軸線之間的夾角在20度到65度之間，或20°≤α≤65°；e)槽口基部的高度為翅片高度的0.50到0.8之間，或0.50≤Hn/Hf≤0.8；f)一個(gè)翅片體上的兩個(gè)尖端之間的夾角在70度到130度之間，或70°≤δ≤130°。
所試驗(yàn)的主要類型管子具有三個(gè)圈或“頭”。在確定翅片圈或頭的最佳數(shù)量時(shí)，對(duì)制造方便程度的考慮要甚于數(shù)量對(duì)傳熱性能影響的考慮。頭數(shù)越多，使翅片圈形成于管表面上的費(fèi)用也越高。
權(quán)利要求
1.一種在管子的外壁上形成傳熱表面的方法，它包括以下工序?qū)⑺龉鼙谠谝粌?nèi)部芯桿和一組制翅片盤之間滾軋，以形成翅片圈；圍繞所述管子的圓周以一定間隔在所述翅片圈上刻槽，以在所述翅片圈中形成翅片體；以及劈開所述翅片體，以在每個(gè)翅片體上形成兩個(gè)尖端。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由所述刻槽工序形成的槽口具有一槽口基部軸線角，所述尖端具有一尖端軸線角；所述刻槽工序包括扭轉(zhuǎn)所述尖端，使所述尖端軸線角傾斜于所述槽口基部軸線角。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述刻槽工序移動(dòng)材料而形成所述所述尖端，所述移位的材料形成所述翅片體在其末端處的寬度Wr。
4.按權(quán)利要求1所述的方法制成的傳熱表面。
5.一種改進(jìn)的傳熱管(10)，它具有一外表面，其中改進(jìn)包括至少一個(gè)圍繞所述外表面而螺旋設(shè)置的翅片圈(20)；圍繞所述管子的圓周以一定間隔徑向延伸入所述翅片圈的槽口(30)，每個(gè)槽口具有一相對(duì)于所述管子的縱軸線(AT)成一個(gè)角(α)的基部軸線；所述槽口將所述翅片圈分成一近端部分(21)和一具有兩個(gè)尖端(23)的劈口翅片體，所述劈口翅片體位于一對(duì)相鄰的所述槽口之間，其最大寬度(Wt)大于所述近端部分的最大寬度(Wr)。
6.如權(quán)利要求5所述的管子，其特征在于，翅片節(jié)距(Pf)為0.38到0.76毫米(0.015到0.030英寸)之間；所述管子具有一外徑(Do)，所述翅片圈具有一翅片高度(Hf)，所述高度與所述外徑之比(Hf/Do)在0.026到0.067之間；每個(gè)管周的一個(gè)翅片圈中的所述槽口的數(shù)量在60到190之間；所述槽口軸線和所述管子縱軸線之間的夾角在30到65度之間；所述槽口具有一基部(32)，其槽口基部高度(Hn)為所述翅片高度的0.50到0.80之間；所述尖端以一個(gè)劈口角(δ)而彼此向外延伸；以及所述翅片體尖端軸線角(β)在20到65度之間。
7.如權(quán)利要求6所述的傳熱管，其特征在于，所述劈口角(δ)在70到130度之間。
8.如權(quán)利要求6所述的傳熱管，其特征在于，所述翅片節(jié)距為0.42到0.60毫米，所述槽口角為50度，每個(gè)管周的一個(gè)翅片圈中的槽口數(shù)量為110到140，以及所述槽口基部高度為所述翅片高度的0.50到0.80。
全文摘要
一種傳熱管及其制造方法,該管的外表面構(gòu)造成在制冷劑蒸發(fā)和冷凝場合下均能提高傳熱性能,適用于殼管式空調(diào)冷凝器的泛濫式蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器或它們的組合。該管具有至少一個(gè)圍繞其外表面螺旋延伸的翅片圈。一槽口圖案圍繞管周以一定間隔斜角穿過翅片圈而延伸。每對(duì)相鄰的槽口之間有一劈口的翅片體。翅片圈、槽口和劈口的翅片體是通過將管壁在一芯桿與依次排列的一制翅片盤組、一刻槽輪和一劈口輪之間滾軋而形成。
文檔編號(hào)B21C37/20GK1193722SQ98104188
公開日1998年9月23日 申請(qǐng)日期1998年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月17日
發(fā)明者N·S·古普特, S·J·斯潘塞, D·P·加芬尼, 劉新 申請(qǐng)人:運(yùn)載器有限公司