一種強化傳熱管的製作方法

2023-05-25 16:13:36 1

專利名稱：一種強化傳熱管的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種強化傳熱管，用作製冷和空調系統中的蒸發器和冷凝 器的熱交換部件，屬於熱交換部件技術領域。
背景技術：
在製冷、空調、過程工程、石油化工以及能源與動力工程等領域，都要涉 及到液體在管束外表面的沸騰或凝結。尤其是製冷和空調系統中所用的蒸發 器和冷凝器，製冷劑在管外沸騰或凝結時的相變換熱熱阻與管內強制對流換 熱熱阻相當甚至大於管內強制對流換熱熱阻，因此，強化管外的相變換熱對 於提高蒸發器和冷凝器的傳熱性能可以起到顯著的效果。
關於核態沸騰機理的研究表明，液體的沸騰需要有汽化核心的存在。在給 定的加熱表面的過熱度條件下，只有當汽化核心的半徑大於氣泡生長所需的 最小半徑，氣泡才能長大，核態沸騰才能進行。而加熱表面上的凹槽和/或裂 縫所形成的空穴最可能成為汽化核心。在沸騰過程中，當氣泡長大脫離空穴 後，由於液體表面張力的作用，這些空穴所截留的部分蒸汽很難被流入液體 徹底逐出，就成為新的汽化核心，長出新的氣泡，從而使沸騰過程不斷持續。 由此可知，要強化核態沸騰換熱，關鍵在於在加熱表面形成眾多的汽化核心。
因此，始於20世紀70年代的強化沸騰傳熱表面的許多開發工作都是圍繞著 在加熱表面形成眾多結構展開的，而且在眾多的文獻中可以見諸，例如中國 專利ZL95246323.7(授權公告號CN2257376Y)和中國專利ZL03207498.0(授 權公告號CN2662187Y)公開的蒸發器用熱交換管，其外表面為頂部壓成T 形的螺旋翅片，以構成溝槽結構；中國專利ZL95118177.7 (授權公告號 CN1090750C)和中國專利ZL02263461.4(授權公告號CN2557913Y)公開的熱 交換管，其外表面沒有具有沿圓周方向均布著斜齒的螺旋翅片，通過對翅片 施壓使翅片齒頂向兩側延展而構成空穴結構；中國專利申請公開說明書
CN1366170A (申請號02101870.7)公開的熱交換管，其外表面採用機械加工 方法形成翅片，在翅片之間的初級溝槽的槽底形成次級溝槽；中國專利公開 號CN1100517A (申請號94116309.1)公開的熱交換管，其外表面的翅片被壓 成朝向一邊傾倒，通過在翅片肩部再壓凹槽而構成空穴結構；中國專利 ZL02264793.7 (授權公告號CN2572324Y)公開的蒸發器用熱交換管，其外 表面採用機械加工方法形成具有鋸齒結構的螺旋片，並在鋸齒頂部壓出斜槽， 藉(借)以構成空穴結構；中國專利申請公開說明書CN1731066A (申請號 200510041468.6)公幵的熱交換管，其外表面採用機械加工方法形成翅片和橫 刺，形成複式空穴結構。
上述文獻對熱交換管的外壁表面即習慣所稱的外翅片的結構的共同特點 是具有開口略小的溝槽結構或空穴結構，以構造出形成汽化核心的場所或稱 載體，從而達到強化沸騰換熱的效果。
近年來，人們仍在致力於對翅片表面的結構進行探索，期取獲得更多數量 的汽化核心，使相變換熱的換熱係數進一步提高的傳熱管，這種傳熱管即使 對於沒有相變傳熱過程並能確保強化傳熱管在不降低其機械強度的條件下大 大增加換熱面積，增強流體流過換熱面時的擾動，破壞速度邊界層和溫度邊 界層，從而提高換熱性，並使傳熱管的重量有所下降。
然而，在已公幵的文獻中尚未見諸有表現於蒸發器和冷凝器熱交換管管外 的外翅片的結構能體現出具有顯著提高相變換熱係數的技術啟示。 發明內容
本實用新型的任務是要提供一種能使外翅片的表面具有較大換熱面積以 體現理想的傳熱性能的強化傳熱管。
本實用新型的任務是這樣來完成的， 一種強化傳熱管，它包括管體和由所 述的管體上的材料沿管體的半徑方向延展並且在管體的外表面繞管體呈螺旋 狀延伸而成的與管體構成為一體的外翅片，所述的外翅片的至少一個側表面 上構成有微尺度槽道。
本實用新型所述的管體的內壁上構成有內翅片。 本實用新型所述的內翅片呈螺旋狀態地構成於管體的內壁上。 本實用新型所述的微尺度槽道以網狀形態地構成於外翅片的至少一個側 表面上。
本實用新型所述的微尺度槽道的槽寬為0.001—0.5mm，槽深為O.OOl — 0.2mm。
本實用新型所述的微尺度槽道之間的平均間距為0.005—5.0mm。
本實用新型所述的平均間距為相鄰微尺度槽道的中心線所圍的面積除以 這兩條中心線的長度的算術平均值。
本實用新型所述的外翅片的上部構成有凹槽，兩相鄰凹槽之間形成有齒 臺，所述凹槽的深度小於外翅片的高度，而凹槽和齒臺將外翅片構成鋸齒狀， 齒臺所面向凹槽的對應兩側的一對齒臺側表面中的至少一個齒臺側表面上開 設有至少1條從齒臺根部向頂部延伸的弧形微尺度槽道。
本實用新型所述的弧形微尺度槽道的寬度為0.001—0.5mm，深度為0.001 —0.2mm。
本實用新型所述的齒臺的頂部兩側各延伸有齒頂邊緣，並且相鄰外翅片上 的翅頂邊緣相互接應而藉以使兩相鄰外翅片之間的空間構成封閉的空穴結 構。
本實用新型推薦的強化傳熱管與已有技術中的翅片管相比的優點由於在 外翅片的至少一側的側表面上構成有微尺度槽道，因此有助於使外翅片的表 面增大換熱面積以及提高了對流體的擾動，強化了管外強迫對流換熱，使傳 熱係數得到顯著改善；當本實用新型的強化傳熱管用於蒸發器時，微尺度槽 道可大增加汽化核心的數目，使沸騰換熱在低熱流密度的情況下得到強化； 當本實用新型的強化傳熱管用於冷凝器時，微尺度槽道能改善外翅片表面液 膜厚度的分布，使得凝結換熱得到強化。

圖1為本實用新型強化傳熱管的一實施例結構圖。
圖2為本實用新型強化傳熱管的另一實施例結構圖。 圖3為圖1結構的強化傳熱管的製作示意圖。 圖4為圖2結構的強化傳熱管的製作示意圖。 圖5為圖4的A—A剖視放大示意圖。 圖6為微尺度槽道的位置計算示意圖。 圖7為微尺度槽道開槽刀的結構示意圖。 圖8為微尺度槽道開槽刀的另一種實施例結構放大示意圖。 圖9為管體與刀具在不同轉速比時的微尺度槽道的槽道軌跡示意圖。
具體實施方式
實施例l:
請見圖1，在具有內翅片17的管體1的外壁上一次加工成型軋制出外翅 片2，製作出一種強化傳熱管，外翅片2由管體1上的材料沿管體1半徑方向 向外延展形成，並與管體l為一整體結構，它們之間設有接觸熱阻，外翅片2 在管體1外表面繞管體1以螺旋狀延伸；在軋制外翅片2的同時，由刀具在 外翅片2的側表面上加工出密集的微尺度槽道3，這些微尺度槽道3是微尺度 槽道開槽刀9 (圖3、圖4示)在與外翅片2作相對轉動時劃出的一簇密集曲 線，在外翅片2的兩側表面上，這簇曲線形成網格狀的結構，該網格狀結構 的微尺度槽道3具體尺寸參數為槽寬O.lmm，槽深0.02 mm，平均間距0.5 mm。 這種網格狀的微尺度槽道3的結構增加了擾動，破壞了邊界層，並且顯著增 加換熱面積，強化傳熱過程。對於沸騰換熱，相當於在外翅片2的表面增加 了大量汽化半徑極小的汽化核心；對於凝結換熱，可改變液膜的張力分布， 從總體上進一步減薄液膜厚度，提高換熱性能。由於在微尺度槽道3的加工 過程中被擠出的那部分材料還會使外翅片2的高度略有增加，但不會使管體1 的強度降低，因此可以在傳熱性能得到進一步提高的同時降低管體l的重量。
請見圖2，當上述強化傳熱管用於冷凝器的熱交換管時，在軋制出外翅片
2並在外翅片2的側表面上刻劃出微尺度槽道3之後，還要用齒頂開槽刀11 (圖4示)在外翅2上切割出凹槽4，相鄰凹槽4之間形成有齒臺5，凹槽4 的深度小於外翅片2的高度，並且凹槽4與齒臺5將外翅片2構成鋸齒狀； 與此同時，微尺度槽道開槽刀9 (圖3、圖4示)在凹槽4兩側相對的齒臺5 表面上刻劃出至少一條從齒臺5根部向頂部延伸的弧形微尺度槽道6，該弧形 微尺度槽道6是由微尺度槽道開槽刀9在齒臺5側表面作相對轉動時劃出的。 齒臺5側表面上附加的弧形微尺度槽道6能改善齒臺5側表面上液膜的表面 張力分布，有助於提高總體凝結換熱性能。
仍見圖2，當上述強化傳熱管用於蒸發器的熱交換管時，在經過上述的加 工後，在外翅片2的側面上刻出微尺度槽道3以及齒臺5側表面刻出弧形微 尺度槽道6之後，還要使齒臺5頂部的材料向兩側延展構成翅頂邊緣5a，翅 頂邊緣5a與由相鄰外翅片2的齒臺5頂部的材料同樣地向兩側延展構成的翅 頂邊緣5a相互接應，從而使得兩相鄰外翅片2之間的空間呈空穴結構，而外 翅片2側面的微尺度槽道3以及齒臺5側表面的弧形微尺度槽道6則成為空 穴的內部結構，這些微尺度槽道3和弧形微尺度槽道6不僅增加了空穴的內 部換熱面積，更重要的是保證了空穴在較低過熱度時仍然具有小直徑的汽化 核心，使空穴始終處於活化狀態，使熱交換管在低熱流密度時仍然具有較高 的換熱性能。當本實用新型的強化傳熱管用於蒸發器的熱交換管時，也可以 不設齒臺5以及弧形微尺度槽道6。
請見圖3和圖6，配備外翅片開槽刀7、外翅片成型刀8和微尺度槽道開 槽刀9，並且將這組刀具安裝在刀架16 (也可稱刀軸)上，其中，微尺度槽 道開槽刀9的邊緣均勻設有多個刀口 10 (圖6示)，外翅片2是在管體1上通 過擠壓方法一次加工成型的，典型的尺寸是管體1在外翅片2根部的直徑為 20 nim。在管體1與上述刀具的相對轉動過程中，由外翅片開槽刀7和外翅片 成型刀8成型出高度為2 nmi的外翅片2，同時由微尺度槽道開槽刀9上的刀口10 (圖6示)在外翅片2的側面上刻劃出有規則的槽寬為0.08 imn、槽深為0.05 咖、平均槽距為0.5咖的微尺度槽道3。這裡所提到的平均槽距的定義為相 鄰微尺度槽道3的中心線所圍的面積除以這兩條中心線的長度的算術平均值。
請具體見圖6，微尺度槽道3在外翅片2側表面的位置是這樣來計算的， 設微尺度槽道3在外翅片2上最深的位置的半徑為r,刀口 10到微尺度槽道 開槽刀9軸心的距離為R，管體l旋轉的角速度為cop微尺度槽道開槽刀9 旋轉的角速度為"2，時間為t，如果把坐標系設在管體1上，隨著管體l旋 轉，即相當於管體l不動，微尺度槽道開槽刀9除了以"2自轉外還繞管體1 的軸心位置(X， Y) = (O， O)以角速度c^公轉，那麼，刀口10在外翅片 2的側表面刻劃出的軌跡可以用下式計算formula see original document page 8
其中，
e=arctan(Y' /X' )+o^ t X' =r+R—R Cos ( co2 t) Y' =—R Sin ( w2 t)
請見圖9，該圖給出了更多的在外翅片2的側表面刻劃出的微尺度槽道3 的形狀，計算參數為微尺度槽道3在外翅片2上最深的位置的半徑r-8mm， 刀口 10到微尺度槽道開槽刀9軸心的距離R-20咖，相鄰刀口 10之間的間距 S=limn，轉速成比"2/o^分別為0.35、 0.40、 0.47、 0.65和1.20,具體由圖9 中的五幅單列的圖9a、圖9b、圖9c、圖9d和圖9e分別示意了微尺度槽道3 的形狀。
如圖6所示的微尺度槽道3的計算參數為r=16 mm， R=40咖，"2/" 1==r/R=0.4，微尺度槽道開槽刀9上相鄰刀口 10的間距為S=l咖。
請見圖7，微尺度槽道開槽刀9可以這樣製作，由兩邊緣設有齒狀的刀口
10的圓盤形薄刀片12組成，齒的形狀可以是三角形的鋸齒，也可以是矩形齒， 或者其它形狀,本實施例擇三角形的鋸齒。兩片薄刀12片之間夾有凹墊片13， 兩端即背向凹墊片13的一側各有一凸墊片14，凹、凸墊片13、 14的直徑均 小於薄刀片12的直徑，刀具被緊固後，薄刀片12的刀口 IO沿刀具軸向向兩 側略微翹起。由於凹、凸墊片13、 14的直徑小於薄刀片12，因此薄刀片12 具有一定的彈性，不會在外翅片2上形成過於深的切口。對於外翅片2的截 面為梯形的傳熱管建議使用這種薄刀片12。
請見圖8，微尺度槽道開槽刀9還可以這樣製作，將微尺度槽道開槽刀9 構成為邊緣設有齒狀刀口的圓盤狀刀片15，並且使圓盤狀刀片15的齒狀刀口 15a交替向兩個側面偏轉，形成圖示的齒狀刀口 15a，齒的形狀可以是三角形 的鋸齒，也可以是矩形，或者其它形狀，本實施例擇三角形的鋸齒。
請見圖4和圖5並且結合圖2，以製作作為冷凝管使用的並且由圖2示意 的本實用新型的強化傳熱管為例。
具體結構包括管體l、在管體1外壁面上形成的外翅片2，在外翅片2上 切割出有凹槽4，兩相鄰凹槽4之間形成有齒臺5，凹槽4的深度小於外翅片 2的高度，凹槽4和齒臺5將外翅片2構成鋸齒狀，凹槽4兩側相對的齒臺5 表面有1至2條從齒臺5根部向頂中延展的弧形微尺度槽道6 (圖5示)並且 在外翅片2的兩側的側表面上構成有微尺度槽道3，外翅片2高1.2 mm，齒臺 5高0.8 nnn、微尺度槽道3和弧形微尺度槽道6的槽寬各為0.05 mm、槽深各為 0.01咖。
製作時，採用外翅片開槽刀7和外翅片成型刀8組成第一組加工刀具組在 管體1外壁面上形成外翅片2;採用翅頂開槽刀11和微尺度槽道開槽刀9組 成第二組加工刀具，微尺度槽道開槽刀9的邊緣均勻設有多個刀口 10，這組 刀具以特定的轉速成旋轉，轉速比"2/0)1==1.14*1711，翅頂開槽刀ll在外翅 片2上切割出凹槽4，微尺度槽道開槽刀9是一片由圖8所示的邊緣設有齒狀
刀口 15a的圓盤刀片15，圓盤邊緣的鋸齒的齒距為0.5 nm，並且交錯向圓盤 兩側傾斜，鋸齒的齒尖形成齒狀刀口 15a並且在凹槽4與相鄰凹槽4相對的 側面上刻劃出一組從齒臺5根部向頂部延展的弧形微尺度槽道6，這組刀具對 外翅片2的加工方式由圖4所示;採用外翅片成型刀8和微尺度槽道開槽刀9 組成第三組加工刀具，微尺度槽道開槽刀9的邊緣均勻設有多個刀口 10，這 組刀具以轉速比o)2/co,r/R旋轉，由外翅片成型刀8切除在切割凹槽4的過 程中自凹槽4底部向外翅片2兩側延展伸出的多餘部分的材料翅片，微尺度 槽道開槽刀9在外翅片2的側面上刻劃出有規則的密集的微尺度槽道3。
仍請見圖4和圖5並且結合圖2，以製作作為蒸發管使用的並且由圖2示 意的本實用新型的強化傳熱管為例。
這種傳熱管包括管體l、在管體1外壁面上形成的外翅片2，在外翅片2 的側表面上形成有密集的微尺度槽道3，以及在外翅片2上還切割出有凹槽4， 且兩相鄰凹槽4之間形成有齒臺5，凹槽4的深度小於外翅片2的高度，凹槽 4和齒臺5將外翅片2構成鋸齒狀，用平滾輪將齒臺5頂部的材料向兩側延展 構成翅頂邊緣5a，翅頂邊緣5a與由相鄰外翅片2的齒臺5頂部的材料同樣地 向兩側延展構成的翅頂邊緣5a互相接應，從而使得兩相鄰外翅片2之間呈空 穴結構，而外翅片2側面的微尺度槽道3則成為空穴的內部微結構。本實施 例所得到的外翅片2的高度為0.98咖，微尺度槽道3的槽寬0.02咖、槽深0.01咖。 在製作過程中，採用兩把微尺度槽道開槽刀9，微尺度槽道開槽刀9的邊緣的 齒狀的刀口 10的齒距為0.5咖，兩把微尺度槽道開槽刀9的刀口 10錯幵半個 齒距，轉速比co2/"^-r/Rp從而在外翅片2的側表面刻劃出間距為0.25咖
的網格狀分布的微尺度槽道表面結構。
權利要求1.一種強化傳熱管，它包括管體(1)和由所述的管體(1)上的材料沿管體(1)的半徑方向延展並且在管體(1)的外表面繞管體(1)呈螺旋狀延伸而成的與管體(1)構成為一體的外翅片(2)，其特徵在於所述的外翅片(2)的至少一個側表面上構成有微尺度槽道(3)。
2、 根據權利要求1所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的管體(l)的內壁 上構成有內翅片(17)。
3、 根據權利要求2所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的內翅片(17)呈 螺旋狀態地構成於管體(l)的內壁上。
4、 根據權利要求1所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的微尺度槽道(3) 以網狀形態地構成於外翅片(2)的至少一個側表面上。
5、 根據權利要求1或4所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的微尺度槽 道(3)的槽寬為0.001—0.5mm，槽深為0.001—0.2mm。
6、 根據權利要求1或4所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的微尺度槽 道(3)之間的平均間距為0.005—5.0mm。
7、 根據權利要求6所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的平均間距為相鄰微 尺度槽道(3)的中心線所圍的面積除以這兩條中心線的長度的算術平均值。
8、 根據權利要求1或4所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的外翅片(2) 的上部構成有凹槽(4),兩相鄰凹槽(4)之間形成有齒臺(5),所述凹槽(4)的深 度小於外翅片(2)的高度，而凹槽(4)和齒臺(5)將外翅片(2)構成鋸齒狀，齒臺 (5)所面向凹槽(4)的對應兩側的一對齒臺側表面中的至少一個齒臺側表面上 開設有至少1條從齒臺(5)根部向頂部延伸的弧形微尺度槽道(6)。
9、 根據權利要求8所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的弧形微尺度槽 道(6)的寬度為0.001—0.5mm，深度為0.001-0.2mm。
10、 根據權利要求8所述的強化傳熱管，其特徵在於所述的齒臺(5)的頂 部兩側各延伸有齒頂邊緣(5a)，並且相鄰外翅片(2)上的翅頂邊緣(5a)相互接 應而藉以使兩相鄰外翅片(2)之間的空間構成封閉的空穴結構。
專利摘要一種強化傳熱管，屬於熱交換部件技術領域。它包括管體和由所述的管體上的材料沿管體的半徑方向延展並且在管體的外表面繞管體呈螺旋狀延伸而成的與管體構成為一體的外翅片，所述的外翅片的至少一個側表面上構成有微尺度槽道。優點由於在外翅片的至少一側的側表面上構成有微尺度槽道，因此有助於使外翅片的表面增大換熱面積以及提高了對流體的擾動，強化了管外強迫對流換熱，使傳熱係數得到顯著改善；當本實用新型的強化傳熱管用於蒸發器時，微尺度槽道可大增加汽化核心的數目，使沸騰換熱在低熱流密度的情況下得到強化；當本實用新型的強化傳熱管用於冷凝器時，微尺度槽道能改善外翅片表面液膜厚度的分布，使得凝結換熱得到強化。
文檔編號F28F1/10GK201199139SQ20082003289
公開日2009年2月25日 申請日期2008年3月12日 優先權日2008年3月12日
發明者周浩平, 張春明, 行 羅, 陸明華 申請人:江蘇萃隆精密銅管股份有限公司;上海理工大學