汽化熱傳導管的製作方法

2023-06-30 15:27:56 1

專利名稱：：汽化熱傳導管的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種安裝在蒸汽壓縮型制冷機械(比如離心式冷凍器、螺杆式冷凍器)的全浸式蒸發器中的汽化熱傳導管，將之浸沒在液態製冷劑(例如，氟利昂，液態氮或類似物)並被用來加熱和使液態製冷劑汽化；特別是涉及一種對於低密度的製冷劑在傳熱性能方面有所改進的汽化熱傳導管。迄今為止，像這種汽化熱傳導管已提出了幾種傳熱面式的型式。例如，像公開在已審查過的日本專利申請特公昭53-25379號和特公平4-78917號那樣，在傳熱管的外表面上形成肋片，在每一個肋片的頂部加工有用來構成小孔的凹槽，並將這些肋片彎折形成用於傳導汽化熱的有效的空腔。此外，例如，像公開在已審查過的日本專利申請特公昭64-2878號和特開平8-219674號那樣，在傳熱管的外表面上以螺旋式結構形成肋片後，通過壓縮使肋片的頂部變形從而沿傳熱管的周邊與傳熱管軸線方向形成空腔並且形成寬度為0.13mm或更小的通道使空腔與外界溝通。還有，例如，像公開在已審查過的日本專利申請特開平4-236097號和特開平7-151485號那樣，為了提高傳熱性能，不僅加速了空腔中的汽化，而且也促進了在傳熱管外表面上的液態製冷劑與已氣化了的製冷劑的擾動。雖然這些傳熱管在使用如下製冷劑，如三氯氟甲烷、氯二氟代甲烷、或1,1二氯-2,2，三氟乙烷時，在其傳熱性能方面得到提高，但存在一個問題，就是當使用低密度的製冷劑時，如使用1,1、2-四氟乙烷時，傳熱性能就會降低，因為傳統的傳熱管有一個很小的開口(通道)，且經由這個開口使空腔與外界相通，這就阻礙了製冷劑流進空腔中，至使空腔中的空間變幹。為了避免這個問題，就可能會考慮到一個增加裝在全浸式蒸發器中的大量製冷劑的方法，但是這會存在製冷劑填充耗費增加的缺點並且對具有較大體積的熱交換器的需求就增加了，而這又使成本進一步提高。為了解決上述問題而作出本發明，因此，本發明的目的是提供一種汽化熱傳導管，它能提高在使用低密度的製冷劑的情況下的傳熱性能。根據本發明製作的汽化熱傳導管包括傳熱管管體，和在管體的外表面上沿著管體的軸線方向以指定的螺距形成的肋片，同時肋片以沿著管體的周邊方向向外伸展方式設置，其中，在每一個肋片上，沿著肋片的長度方向，交替地分布有一些凹槽和凸起，凸起緊接著凹槽或者凹槽緊接著凸起，並且在相鄰肋片上的凸起之間的開口寬度(W)為0.13mm＜W≤0.40mm。在這種汽化熱傳導管中，最好，在一對相鄰肋片之間的空腔的頂端處開口的寬度通過肋片在凹槽或凸起處的相互的向內的伸出而變窄。此外，在垂直於傳熱管軸線的剖面內，每一個凸起的斷面輪廓可以設計為梯形。最好，在垂直於傳熱管軸線的剖面內，在每個凹槽的的相對的兩側表面之間形成的角度(θ)為55度或更小；在垂直於傳熱管軸線的剖面內，凹槽或凸起在周邊方向上的節距(P1)為0.28mm≤P1≤0.55mm；或者在包含有傳熱管軸線的剖面內，空腔的螺距(P2)為0.50mm≤P2≤0.90mm。而且，最好在傳熱管的內表面上以螺旋方式設置有加強肋，其中加強肋相對於傳熱管軸線的升角(α)為41度≤α≤50度，加強肋的高度(h)為0.22mm≤h≤0.45mm，加強肋沿著管體軸線方向的螺距(P3)為2.6mm≤P3≤6.5mm。圖1是表示一個與本發明的實施例相應的汽化熱傳導管的透視2是在該實施例中沿傳熱管軸線的剖面視圖。圖3是在該實施例中沿著與傳熱管軸垂直的方向(圖1中的剖面線A-A)的剖面視圖。圖4是表示該實施例的測試裝置的視圖。圖5是表示傳熱管內的水流速度與整體傳熱係數之間關係的圖表。圖6是表示開口的寬度W與整體傳熱係數之間關係的圖表。圖7是表示在凹槽的兩相對側面之間夾角θ與整體傳熱係數之間關係的圖表。圖8是表示凹槽的節距P1與整體傳熱係數之間關係的圖表。圖9是表示空腔的螺距P2與整體傳熱係數之間關係的圖表。圖10是表示加強肋升角α與整體傳熱係數之間關係的圖表。圖11是表示加強肋高度h與整體傳熱係數之間關係的圖表。圖12是表示加強肋螺距P3與整體傳熱係數之間關係的圖表。下面，將參照附圖，對本發明的一個實施例具體地進行說明。圖1是表示與本發明的一個實施例相應的汽化熱傳導管的透視圖，圖2是沿傳熱管軸線的剖面視圖，圖3是沿著與傳熱管軸線垂直的方向的剖面視圖。在管體1的外表面上以如下方式設置有肋片2，即以每一個肋片在傾斜於管體軸線的方向上延伸的方式。肋片2沿著軸線方向以螺距為P2的螺旋形式延伸(見圖2)。通過用齒輪或類似物間斷性地擠壓，在肋片的長度方向上交替地形成凸起4與凹槽5，凸起緊接著凹槽或者凹槽緊接著凸起。肋片2可以是在垂直於管體的軸線的方向上延伸的那種肋片。如圖2所示，在一對相鄰肋片2之間形成空腔3，並且這對相鄰肋片2上的凸起4的相對的頂端與凹槽5相對的底部在空腔3的開口6處各自在頂端彼此相向伸出，從而使得開口6變窄。在沿軸線的剖面內，凸起4之間的開口6的寬度是W。空腔3的螺距與肋片的螺距相同為P2。另一方面，如圖3所示，在與管體的軸線垂直方向上所作的剖面內，凸起4沿著管體的周邊的方向的節距為P1。凹槽5的相對側表面之間形成的夾角為θ。如圖2所示，在管體1的內表面上，形成有沿著軸線方向以螺旋形狀延伸的加強肋7。加強肋7的螺旋升角為α，加強肋7沿軸線方向的螺距為P3且其高度為h。在具有如此結構的汽化熱傳導管中，由於肋片2的頂部輪廓的凹槽/凸起的結構，在空腔中產生的氣泡從凸起4之間的開口6處排洩出來，必需量的液態製冷劑通過凹槽5之間的開口6流進空腔3內。相鄰的凹槽5的底部在開口6處沿著管體的軸線方向以方向相對的方式在兩者之間伸向空腔3，且對這種伸出在長度上要作出合乎需要的設置以便防止它們彼此接觸。通過兩個凹槽5的底部的這種伸出，當氣泡從開口6釋放出來時，空腔3中的氣泡則受到擾動，由此而加速汽化。即使當凹槽5的底部構成這種伸出時，凸起4的頂端之間的開口6的寬度(W)最好在0.13mm＜W≤0.40mm的範圍內。當開口6的寬度W為0.13mm或更小時，氣泡就很難從空腔3內釋放出來，空腔中的空間就會變幹，結果是傳熱性能降低。另一方面，當開口6的寬度W大於0.40mm，不但空腔內的氣泡就會很容易釋放出來，而且液態製冷劑也容易流進空腔3內，由此傳熱性能也會下降。當凸起4之間的開口6沿著管體的軸線方向增大，當氣泡從空腔3中釋放出來時，在凸起4之間空腔3的內部產生的氣泡就會受到影響當凸起4在垂直於管體軸線的剖面內是梯形輪廓時，在凸起4處，氣泡在梯形輪廓的上端(就是較窄的一端)處特別容易被釋放，同時在凹槽5處，液態製冷劑在底部處(靠近空腔3的較窄的間隙部分)流進空腔3。這樣，即使開口的寬度不窄，氣泡從空腔內釋放的效率和液態製冷劑流進空腔中的效率也會得到提高並由此而加快汽化。此時，當凹槽的相對兩側面之間的夾角(θ)大於55度時，液態製冷劑就容易流進空腔中，這必然伴隨著傳熱性能的下降。在垂直於傳熱管軸線的剖面內，凹槽或凸起在傳熱管周邊方向上的節距(P1)最好在0.28mm≤P1≤0.55mm範圍內。當節距小於0.28mm時，液態製冷劑就會很難流進空腔中，由此，不但空腔內的空間會變幹，而且傳熱性能也會下降。當節距大於0.55mm時，液態製冷劑就容易流進空腔中，結果是傳熱性能也會下降。空腔3沿傳熱管軸線方向上的螺距(P2)最好在0.50mm≤P2≤0.90mm範圍內。當螺距P2小於0.50mm時，空腔3比較狹窄，由此，液態製冷劑就會很難流進空腔3中，這必然伴隨著在傳熱性能方面的下降。當螺距P2大於0.90mm時，在單位長度內的空腔的個數就會比較少，這也必然伴隨著傳熱性能的下降。在管體的內表面上以螺旋形式構成的加強肋7相對於傳熱管軸線方向的螺旋升角(α)最好在41度≤α≤50度範圍內，加強肋的高度(h)在0.22mm≤h≤0.45mm範圍內，加強肋沿著傳熱管軸線方向的螺距(P3)在2.6mm≤P3≤6.5mm範圍內。當加強肋7的相對於傳熱管軸線方向的螺旋升角(α)小於41度時，在傳熱管內表面附近的液體受到的幹擾效應較小。這樣，流到空腔3中的液態製冷劑就很難通過加熱而汽化，因此傳熱性能提高的效果較小。另一方面，當螺旋升角(α)大於50度時，在傳熱管內表面附近的壓力損失就會增加，這樣泵的功率就會增大，這自然伴隨著效率低下。當加強肋的高度低於0.22mm時，在傳熱管內表面附近的液體受到的幹擾效應較小，因而，流進空腔中的液體很難被汽化，因此這伴隨產生的是傳熱性能的提高較小。另一方面，當加強肋的高度高於0.45mm時，空腔中的空間容易變幹，這又不但使傳熱性能下降，而且使壓力損失增大，結果是用於抽冷卻水的泵的功率增大了。當加強肋的螺距P3等於或小於2.6mm時，在傳熱管內表面附近的液體受到的幹擾效應較小，因而，傳熱性能很難得到提高。另一方面，當加強肋的螺距P3大於6.5mm，在傳熱管內表面附近的液體中就會形成流速邊界層和熱邊界層，這會使傳熱性能的增加比較小。雖然傳熱管的組成材質通常為銅或銅合金，但是用銅或銅的合金之外的其他金屬作為傳熱管的材質來實施本發明，也能夠產生相同的效果。實施例於是，就製造了與本發明的實施例相應的汽化熱傳導管並在此對其特性進行了測試。作為汽化熱傳導管的傳熱性能的已測定的測試條件列在下面的表1中。表1下面，將對測試裝置和測試方法予以說明。圖4是表示用於測定傳熱性能的測試裝置。冷凝器20具有一個將一些傳熱管21垂直排列並使傳熱管21的軸線保持水平的構件。將冷卻水從進口22處注入傳熱管21中並將其通過出口23排出。將製冷劑蒸汽從位於傳熱管21上方的進口24處注入到傳熱管21的周邊空間，冷凝後液態製冷劑從出口25處被送往蒸發器30。在全浸式蒸發器30中，待測試的試樣傳熱管31被浸沒在製冷劑36中且使傳熱管的軸線方向保持水平，從位於全浸式蒸發器30的下方的進口32處供給液態製冷劑，經過加熱後產生的來自於試樣傳熱管31的製冷劑蒸汽則從位於全浸式蒸發器30的上方的出口33處排出，之後，製冷劑蒸汽被送進蒸發器20的製冷劑蒸汽進口24。在試樣傳熱管31中，從進口34處注入水並在冷卻後將水通過出口35排出。以這樣的方式構成的測試裝置具有一個通過管道將冷凝器20、外殼和管狀的熱交換器、以及全浸式蒸發器30連接起來的結構，其中全浸式蒸發器30中產生的製冷劑蒸汽通過位於全浸式蒸發器上方的管道中的進口24導入冷凝器20中，製冷劑蒸汽在傳熱管21的外表面上被正在從傳熱管21中流過的冷卻水冷凝，這樣冷凝後的製冷劑通過位於冷凝器下方的管道返回到全浸式蒸發器中。測試方法按照下述情況進行。使水以恆定的流速流進位於全浸式蒸發器30內的試樣傳熱管31中並對水的進口溫度進行調節使之保持恆定。另一方面，通過改變通過冷凝器20中傳熱管的冷卻水的流速來調整蒸發壓力以便設置測試條件。在水的流速、進出口溫度和蒸發壓力在各自指定的條件下建立穩定狀態後，就可以進行測試了。圖5是實施例1～5(1-1～5)與每英寸26個肋片的傳統實施方式的低肋片傳熱管之間在整體傳熱係數方面的對比結果，圖中用傳熱管末端光滑內表面積作出的計算結果的傳熱係數對應於冷卻水的流速。圖6到圖12表示傳熱管末端光滑內表面積的整體傳熱係數與相應的變量開口寬度W、凹槽角度θ、凹槽節距P1、空腔螺距P2、螺旋升角α、加強肋高度h和加強肋螺距P3的關係圖。相關數據列在下面的表2至表10中。在表2至表10中，測試序號1-1～1-34滿足在本發明申請要求的所有權利要求中指定的所有條件，測試序號2-1～2-17則不滿足所有要求中的一個。例如，測試序號2-1～2-3則不滿足W的限制，測試序號2-4～2-5則不滿足θ的限制，測試序號2-6～2-8則不滿足P1的限制，測試序號2-9～2-11則不滿足P2的限制，測試序號2-12～2-13則不滿足α的限制，測試序號2-14～2-15則不滿足h的限制，測試序號2-16～2-17則不滿足P3的限制。正如附圖與表格所示，與測試序號2-1～2-17相比較，測試序號1-1～1-34顯示出較高的整體傳熱係數。表2表3表4表5表6表7表8表9表10如上所述，通過採用本發明所述的汽化熱傳導管，甚至在使用低密度的製冷劑時，能有效的加快汽化熱的傳導並且能獲得具有極好的傳熱性能的汽化熱傳導管。相應地，本發明能夠實現熱交換器的性能的提高，尺寸和重量的下降，使用元件數量的減少，製冷劑充填量的減少，以及製冷器的效率的提高等等。權利要求1.一種汽化熱傳導管，其特徵在於，它包含有傳熱管管體，和在傳熱管管體的外表面上沿著管體的軸線方向以規定的間距形成的肋片，並沿著管體的周邊方向以伸展方式布置，其中沿著肋片的長度方向，每一個肋片上都交替地分布有一些凹槽和凸起，凸起緊接著凹槽或者凹槽緊接著凸起，在凸起之間的開口寬度(W)為0.13mm＜W≤0.40mm。2.根據權利要求1所述的汽化熱傳導管，其特徵在於一對相鄰肋片之間的空腔的頂端處開口的寬度由於肋片在凹槽和/或凸起處的相互的向內的伸出而變窄。3.根據權利要求1或2所述的汽化熱傳導管，其特徵在於在垂直於傳熱管軸線的剖面內，每一個凸起的斷面輪廓設計為梯形。4.根據權利要求1至3中的任何一項權利要求所述的汽化熱傳導管，其特徵在於在垂直於傳熱管軸線的剖面內，在每個凹槽的相對的兩側表面之間形成夾角的角度(θ)為55度或更小。5.根據權利要求1至4中的任何一項權利要求所述的汽化熱傳導管，其特徵在於在垂直於傳熱管軸線的剖面內，凹槽或凸起在周邊方向上的節距(P1)為0.28mm≤P1≤0.55mm。6.根據權利要求1至5中的任何一項權利要求所述的汽化熱傳導管，其特徵在於在包含有傳熱管軸線的剖面內，空腔的間距(P2)為0.50mm≤P2≤0.90mm。7.根據權利要求1至6中的任何一項權利要求所述的汽化熱傳導管，其特徵在於在傳熱管的內表面上以螺旋形式設置有加強肋。8.根據權利要求7所述的汽化熱傳導管，其特徵在於加強肋相對於傳熱管軸線的升角(α)在41度≤α≤50度範圍內，加強肋的高度(h)在0.22mm≤h≤0.45mm範圍內，加強肋沿著管體軸線方向的螺距(P3)在2.6mm≤P3≤6.5mm範圍內。全文摘要一種汽化熱傳導管，管體有肋片，肋片形成凸起與凹槽。凸起輪廓外形為梯形，開口寬度(W)為0.13mm〈W≤0.40mm，凹槽角度(θ)為55度或更小，凹槽或凸起節距(P1)為0.28mm≤P1≤0.55mm，空腔螺距(P2)為0.50mm≤P2≤0.90mm。加強肋的升角(α)為41度≤α≤50度，加強肋的高度(h)為0.22mm≤h≤0.45mm，加強肋螺距(P3)為2.6mm≤P3≤6.5mm。文檔編號F28F13/18GK1227911SQ9910278公開日1999年9月8日申請日期1999年3月3日優先權日1998年3月4日發明者高橋宏行,佐伯主稅申請人:株式會社神戶制鋼所