多面體陣列熱傳導管的製作方法
2023-09-21 05:41:55
專利名稱：多面體陣列熱傳導管的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於熱交換器的管，更特別地，本發明涉及具有一內表面的熱交換器管，該內表面能夠提高管的熱傳導性能。
背景技術：
本領域技術人員都知道，具有表面加強件的管的熱傳導性能優於平壁管。表面加強件用於內和外管表面，包括肋、散熱片、塗層和插件等等。所有的加強件設計都試圖增大管的熱傳導面積。多數設計還試圖在流經或流過管的流體中產生渦流，從而促進流體混合，並分解管表面的邊界層。
在很大比例的空調和製冷裝置，以及發動機冷卻裝置中，熱交換器都是散熱片和管型。在這種熱交換器中，通過固定到管外部的散熱片的使用而對管進行外部加強。熱交換器管還經常具有管內表面變形形式的內部熱傳導加強件。
在普通散熱片和管式空調和製冷熱交換器的相當比例全長中，致冷劑以液態和汽態存在。在某些流速之下並由於密度的變化，液態致冷劑沿管的底部流動，汽態致冷劑沿頂部流動。如果在兩個狀態的流體之間的混合增強了，例如通過在冷凝時促進液體從管上部區域排放，或者在汽化時通過毛細作用促進液體在壁中向管上部流動，則管的熱交換性能將提高。
還期望相同類型的管用於系統中的所有熱交換器。因此，熱交換器必須在冷凝和汽化應用中都令人滿意地工作。
為了降低熱交換器的製造成本，還期望在保持性能的同時降低熱交換器的重量。
因此，需要的是一種熱傳導管，該熱傳導管對於冷凝和汽化應用都提供適當的性能，並向最終用戶提供實際的和經濟的特徵。
發明概述本發明的熱交換器管通過提供增強熱交換性能的特徵的管而滿足了上述要求，從而在重量相同時，管的熱傳導性能優於現有技術管，在重量減小時，管的熱傳導性能等於現有技術管，壓降性能優於現有技術管。
本發明的熱交換器管具有構造用於增強管的熱傳導性能的內表面。在一優選實施例中，內增強件具有多個從管的內壁延伸的多面體。在一優選實施例中，多面體設置成基本平行於管縱軸線的列。但該列可從縱軸線最大偏移40度。多面體具有基本平行於多面體軸線設置的第一和第二平面。多面體具有相對於管縱軸線以一角度傾斜設置的第三和第四表面。產生的表面增加了管的內表面積，因而提高了管的熱交換性能。另外，多面體改進了管中的流動條件，這同樣改進了熱傳導。
本發明的管適用於通過在板帶的一個表面上用壓輥軋花加強圖案，將板帶軋製成形和縫焊成管，而用銅或銅合金板帶製造。這種製造工藝能夠快速和經濟地製造複雜的、內部加強的熱傳導管。
附圖簡介
圖1是本發明中熱交換器管的立視圖，示出管的一部分的切口。
圖2是本發明中熱交換器管的壁的一部分的透視圖。
圖3是沿圖1中3-3線所取的本發明中熱交換器管壁的剖視圖。
圖4是一圖表，示出當管用於冷凝應用時，本發明的管相對於現有技術管的相對性能。
圖5是一圖表，示出本發明的管相對於現有技術管在壓降上的相對性能。
優選實施例的描述本說明書中使用術語多面體，它定義為由基本平的表面構成的固體。
首先參照圖1，管10最好由銅、銅合金或其它導熱材料製成。管10最好是具有一外徑、一內徑和相應壁厚的圓柱形。內表面最好制有內表面加強件13。本發明的熱交換器管10最好通過在將一銅或銅合金板帶軋製成形並縫焊成管10之前將在該板帶的一個表面上用壓輥軋花所述加強件圖案13而形成。
轉向圖2，示出用於壁16一部分的表面加強件13。多個多面體19從壁16向外延伸。多面體19最好是沿管10的縱軸線設置，但它們可以以一0至40度的角度從該軸線偏移。當該角度為0度時，一第一平面22和一第二平面25基本平行於管10的縱軸線。一第三平面28和一第四平面31相對於該縱軸線成一角度傾斜地設置。該第三和第四表面28和31與該縱軸線之間的傾角為角β。β可以是5至90度之間的任何角度，但β最好在5至40度範圍內。
多面體19設置在壁16上，相鄰列的中心線之間的距離為d。距離d可在0.011英寸至0.037英寸範圍內，但優選的範圍是0.015英寸至0.027英寸。在第三和第四表面28和31之間測量的多面體19的最大長度是L該長度l可以是0.005至0.025英寸，但優選長度是約0.0145英寸。與多面體19相鄰的一凹陷區域32下降到一深度D。D在-0.001至0.001範圍內，但最好是0.0005英寸(其中負值表示管內壁上方的距離)。
表面28和31形成一頂角l1，該頂角l1在20至50度範圍內，最好是約44度。
轉向圖3，該多面體19具有高度H和一最大寬度W。寬度W在0.004至0.01英寸範圍內，最好是0.0056英寸。該多面體19在相對表面22和25之間有一角度l2。角度l2在10至50度範圍內，最好是約15度。對於管的所有尺寸，每360度弧度中的多面體數量是由上述的節距d確定的。
為了以最小的流動阻力獲得最優的熱傳導，體現本發明的管應具有一內部加強件，該內部加強件具有上述特徵和下列參數多面體的多面體軸線99應相對於管的縱軸線以一0至40度的角度設置；多面體高度H與管的內徑之比應該在0.015至0.04之間。縱軸線與第三和第四表面28和31之間的傾角β應為5度至40度之間。與多面體19相鄰的凹陷區域32應該最好延伸到壁16內表面中-0.001至0.001，最好是0.0005英寸(負值表示在管內壁上方的距離)。相對表面28與31之間的頂角l1應該在20至50度之間，最好是44度。同樣，多面體19之間的空間的截面積S(圖3中所示)與多面體19的高度H之間的比應該在0.1毫米至0.6毫米。假設多面體的高度(H)保持不變，通過增大多面體19之間的截面積，截面積S與高度之間的比增大，管的重量及產生的成本降低。
多面體19(圖2中最佳示出)由兩種圖案在內壁16中被軋花之後保留的材料製成。第一種圖案最好是沿管10的縱軸線製成，並確定了多面體19的長度，但如上所述，它們可以有一最大到40度的偏移。第二種圖案相對於縱軸線傾斜，並確定了多面體19的寬度。第二種圖案最好比第一種圖案更深地伸入管10的內壁16中。產生的表面加強件13應最好在每平方英寸內壁16上形成2400至4400個多面體19。儘管最好是2400至4400，但該數量可以在每平方英寸2000至10000個多面體範圍內。
加強件13可以通過任何適當的工藝形成在管壁16的內部。在使用自動高速工藝製造縫焊金屬管時，一種有效的方法是在將一板帶軋製成形為圓形截面並縫焊成管10之前通過壓輥在該板帶的一個表面上軋花而形成所述加強件圖案13。這可以通過將兩個壓輥軋花工位按順序定位在生產線上，將金屬板帶軋製成形和縫焊成管而完成。這些工位可定位在未加工金屬板帶供應源與生產線上板帶已軋製成形為管狀的部分之間。每個軋花工位分別具有一個圖案加強輥和一支承輥。每個工位中的支承輥和圖案輥由適當的裝置以足夠的力壓在一起(未示出)，使一個輥上的圖案表面印在板帶一側表面上，從而形成多面體的縱向側面。第三和第四表面28和31將由一第二輥成形，該第二輥具有壓入多面體19中的一組突出的凸起。
如果管通過壓輥軋花、軋製成形和縫焊製成，很可能沿已加工管10的焊接線將有一區域，該區域不是由於製造工藝的性質而缺少環繞管10圓周剩餘部分出現的加強結構，就是具有不同的加強結構。具有不同結構的該區域不會以一顯著的方式對管10的熱或流體流動性能產生負面影響。
轉向圖4，h代表熱傳導係數，IE代表具有內部加強件的管，「平滑」表示平管。圖4中的曲線示出與具有平滑內表面的管相比，當流經管的致冷劑R-22在一個質量流量比範圍內時，三種不同的內部加強管的相對冷凝性能(h(IE)/h(平滑))。管A是本發明的一個實施例，其S/H比為0.264毫米，β角為15度，多面體列定向成基本平行於管的縱向軸線。管B表示與美國專利No.4658892中公開的管類似的具有螺旋內部肋的現有技術管。管C是本發明另一實施例，其S/H比為0.506毫米，β角為15度，多面體列定向成基本平行於管的縱向軸線。
圖4中的圖表示出，在一較寬的流速範圍內，管A的性能優於管B，而管C的性能大致等於管B。管A設計成具有與管B相同的重量，管C設計成重量輕於管B。因此，本發明在同等重量情況下提供了更好的性能，在重量減小的情況下提供了同等性能，因而降低了最終用戶的成本。
轉向圖5，該曲線示出當流經管的致冷劑R-22在一個質量流量比範圍內時，上述管A、B和C的壓降的相對性能。圖5中的圖表示出，在致冷劑R-22的流速在一較寬範圍內時，與管B相比，管A的壓降上升相對較小，管C的壓降明顯減小。
因此，本發明的管為最終用戶提供了優越的性能，而不用對它們的製造增加任何明顯的複雜性。
儘管本發明結合某些優選實施例進行了描述，但並不會將本發明的範圍限定為所列出的特殊形式，相反，它將覆蓋包括在由附屬權利要求限定的本發明的精神和範圍內的這些替換、修改和等同物。
權利要求
1．一種熱交換器管，包括一管狀件，該管狀件具有一限定了一內徑的內表面並具有一縱軸線；形成於該內表面上的多個多面體，每個多面體具有四個相對側面和一個高度，這些多面體具有彼此相對的第一和第二表面，這些多面體具有第三和第四表面，該第三和第四表面彼此相對和傾斜並設置成以一角度與該縱軸線傾斜。
2．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，該多面體沿一多面體軸線設置，該多面體軸線設置成與該管狀件的縱軸線成一0至40度的角度。
3．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，該第三和第四表面與該縱軸線相交的角度為5度至40度。
4．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，該內表面與該第三和第四表面相鄰的部分凹陷在該內表面其餘部分的下方。
5．如權利要求4所述的熱交換器管，其特徵在於，該凹陷部分在該內表面上方0.001英寸至該內表面下方0.001英寸範圍內。
6．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，相鄰多面體限定了一個具有一截面積(S)的空間。
7．如權利要求6所述的熱交換器管，其特徵在於，該截面積(S)與多面體高度之比為0.1毫米至0.6毫米。
8．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，相鄰多面體列之間的距離為約0.011至0.037英寸。
9．如權利要求8所述的熱交換器管，其特徵在於，每平方英寸有2000至10000個多面體。
10．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，每平方英寸有約2400至4400個多面體。
11．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，該多面體相鄰的第三和第四表面之間的頂角為20-50度。
12．如權利要求1所述的熱交換器管，其特徵在於，相鄰的第一和第二表面之間的角度為10至50度。
13．一種熱交換器管，包括一管狀件，該管狀件具有一限定了一內徑的內表面並具有一縱軸線；及形成於該內表面上的多個多面體，每個多面體具有四個相對側面和一個高度，這些多面體具有彼此相對的第一和第二表面，這些多面體具有第三和第四表面，該第三和第四表面彼此相對和傾斜並設置成以一角度相對於所述縱軸線傾斜；這些多面體在相鄰多面體之間限定了一具有一截面積(S)的空間，該截面積與多面體高度的比值為0.1-0.6毫米。
14．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，該多面體沿一多面體軸線設置，該多面體軸線設置成與該管狀件的縱軸線成一0至40度的角度。
15．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，該第三和第四表面與該縱軸線相交的角度為5度至40度。
16．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，該內表面與該第三和第四表面相鄰的部分凹陷在該內表面其餘部分的下方。
17．如權利要求16所述的熱交換器管，其特徵在於，該凹陷部分在該內表面上方0.001英寸至該內表面下方0.001英寸範圍內。
18．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，相鄰列多面體之間的距離為約0.011至0.037英寸。
19．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，每平方英寸有2000至10000個多面體。
20．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，每平方英寸有約2400至4400個多面體。
21．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，該多面體相鄰的第三和第四表面之間的頂角為20-50度。
22．如權利要求13所述的熱交換器管，其特徵在於，相鄰的第一和第二表面之間的角度為10至50度。
23．一種熱交換器管，包括一管狀件，該管狀件具有一限定了一內徑的內表面並具有一縱軸線；及形成於該內表面上的多個多面體，每個多面體具有四個相對側面和一個高度，這些多面體設置成基本平行於該縱軸線延伸的列，這些多面體具有彼此相對並基本平行於該縱軸線延伸的第一和第二表面，這些多面體具有第三和第四表面，該第三和第四表面彼此相對和傾斜並設置成以一角度相對於該縱軸線傾斜，這些多面體沿一多面體軸線設置，該多面體軸線相對於該管狀件的軸線以一0至40度的角度設置，第三和第四表面與該縱軸線相交的角度為5至40度，這些多面體在相鄰多面體之間限定了一個具有一截面積的空間，該截面積與該高度的比值為0.1毫米-0.6毫米，這些多面體設置成在每平方英寸管上有2000至10000個多面體。
全文摘要
一種熱交換器管,具有設置用來增強管的熱傳導性能的內表面。該內部加強件具有多個從管的內壁延伸的多面體。這些多面體具有設置成基本平行於多面體軸線的第一和第二平面。這些多面體具有以一角度相對於管的縱軸線傾斜設置的第三和第四表面。產生的表面增加了管的內表面積並改進了表面的渦流特性,因而提高了管的熱傳導性能。
文檔編號F28F1/10GK1325485SQ99812966
公開日2001年12月5日 申請日期1999年11月1日 優先權日1998年11月2日
發明者唐納德·L·貝內特, 唐良猷 申請人:奧託庫姆普銅富蘭克林公司