熱交換器管子的製作方法

2023-05-05 09:27:11

專利名稱：熱交換器管子的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於管內流體和管外流體間進行熱傳遞的熱交換器管子，特別涉及一種具有能提高管子熱傳遞性能的內表面的熱交換器管子。這樣一種管子適合用於空調、致冷(ACR)或類似系統的熱交換器。
熱傳遞管子的設計者長期以來已認識到，具有表面提高結構的管子的熱傳遞性能要優於具有光滑壁的管子。許多種的表面提高結構已應用於內、外管表面，僅舉幾例有筋、散熱片、塗層和鑲嵌件。幾乎所有提高結構設計的共同點是增加管子的熱傳導表面積。大部分設計還試圖加強流經或流過管子的流體中的紊流以便促進流體混合和破壞管子表面處的邊界層。
很大百分比的ACR以及發動機冷卻，其熱交換器都是散熱片和管型式。在這種型式的熱交換器中，管子是用附設在管子外部的散熱片來獲得外部提高的。熱交換器還常常具有以改變管子內表面的形式的內熱傳遞提高結構。
顧名思義，流經冷凝器的流體和流經蒸發器的流體分別經歷從氣體到液體及從液體到氣體的相變。在蒸汽壓縮ACR系統中兩種型式的熱交換器都是需要的。為了簡化進料和儲存以及降低製造成本，最好在一個系統中所有熱交換器都用相同型式的管子。但是在一種應用中擇優考慮的傳熱管常常在應用於另一使用場合時不能獲得同樣好的效果。為了在這些情形下，對一給定系統都獲得最好的性能，就有必要使用兩種型式的管子用於每一種用途。但是至少有一種ACR系統，即一種可逆蒸汽壓縮或熱泵型空調系統，其給定熱交換器必須完成兩種功能。不可能在這樣一個系統中針對一單功能實現一給定熱交換器最優化而熱該交換器必須能夠很好完成兩種功能。
為了簡化製造和降低成本以及獲得改進的熱傳遞性能，所需要的一種熱傳遞管具有一能在冷凝和蒸發兩種應用中都能很好工作的提高熱傳遞內表面。這種熱傳遞內表面必須易於且又能低成本地製造。
在一種典型的散熱片和管型式的ACR熱交換器管子中，在管子總長的相當大比例的長度上，致冷劑是混流的，即致冷劑存在液體和氣體兩種狀態。由於它們的密度不同，液體致冷劑沿著管底流動，而蒸汽致冷劑沿著頂部流動。如果在兩種狀態的流體之間的相互混和獲得改善，例如通過在冷凝應用中從管子的上部區域加快排出液體或在蒸發應用中通過毛細管作用促使流體沿管子內壁上流，則管子的熱傳遞性能就會獲得改善。
本發明的熱交換器管子具有為提高管子熱傳遞性能而構形的內表面。該內部的提高結構是帶有基本平行於管子縱向軸線的筋的一個設筋內表面。這些筋具有在傾斜於管子縱向軸線一定角度上平行刻壓凹口的圖案式樣。這種表面增加了管子的內表面面積，因而提高了管子的熱傳遞性能。此外，帶凹口的筋改善了管內的流動條件從而也促進熱量的傳遞。這種提高結構的構形在冷凝和蒸發兩種應用中都能提到熱傳遞性能的改善。在採用本發明其流體流是混合狀態並具有高蒸汽含量的管子而製成的散熱片及管型式熱交換器的領域內，這種結構形式促進了在管子的內表面處的紊流，從而有助於改進熱傳遞性能。在具有較低蒸汽含量的熱交換器領域內，這種結構既能在冷凝環境中有助冷凝液排出又能在蒸發的環境中促進使液體沿管壁上升的毛細管運動。
本發明的管子可適於由銅帶或銅合金帶製成，在滾壓成形前先在帶材的一個表面上滾軋出提高結構的圖案，然後將帶材接縫焊成管子。這種加工方法能迅速和經濟地生產出內部熱傳遞提高的管子。
下面的附圖構成本說明書的一部分。在這些附圖各處凡是相同標號都是指同樣的結構要素。


圖1是本發明的熱交換器管子的示意圖;
圖2是本發明的熱交換器管子的縱剖視圖;
圖3是本發明的熱交換器管壁一部分的示意圖;
圖4是本發明的熱交換器管壁的部分平面視圖;
圖5是通過圖4中Ⅴ-Ⅴ線所取的本發明的熱交換器管壁的剖視圖;
圖6是沿圖4中Ⅵ-Ⅵ線所取的本發明的熱交換器管壁的剖視圖;
圖7是製造本發明熱交換器管子的一種方法的示意圖;
圖8是表示的本發明的管子與兩種已有技術的管子相比較在蒸發應用時，一相對特性的曲線圖;
圖9是表示本發明的管子與兩種已有技術的管子相比較在冷凝應用時的相對特性曲線圖。
圖1以整體等角軸測視圖方式示出本發明的熱交換器管子。管子50具有在其上形成有內表面提高結構52的管壁51。
圖2以縱剖視圖方式表示熱交換器管50。為清晰起見，在圖2中僅表示表面提高結構52(圖1)的單個筋53，而在本發明的管子中，實際上是有很多相互平行，從管子50的壁51上伸出的筋。筋53以α角度與管子的縱向軸線aT傾斜。管子10具有從在筋之間的管內表面測得的內徑Di。
圖3是表示表面提高結構52細節情況的熱交換器管子50的部分壁51的一個等角軸側視圖。在沿這些筋的一定間距設有一系列的凹口54。正如將在下面所述的，這些凹口54是用滾壓方法在筋53上形成，當這些在凹口成形時，從一個給定筋53的每傾圍繞該筋的每個凹口54向外突出一個由移動的材料所留成的突起55。由於這些突起既增加管子暴露於流經管子的流體的表面積，又促進管子內表面附近流體流的紊流，因此對管子的熱傳遞性能有有益的效果。
圖4是管子50的一部分壁51的平面視圖。該圖示出以筋間距Sr設置在壁上的筋53。凹口54以凹口間距Sn凹進這些筋。凹口和筋之間的傾角為角β。
圖5是通過圖4中Ⅴ-Ⅴ線所致的壁51剖視圖。該圖示出，這些筋53具有高度Hr及筋間距Sr。
圖6是通過圖4中線Ⅵ-Ⅵ所取的壁51剖視圖。該圖表示出這些凹口54的相對表面間具有的角度並且凹陷於筋54至Dn深度。相鄰凹口之間的間距為Sn。
為了得到符合最小流體流動阻力要求的最佳的熱傳遞性能，採用本發明並具有20mm(3/4英寸)或小於20mm公稱外徑的管子應具有如上述所述特點和以下參數的內部提高結構a.這些筋的軸線應基本上平行於管子的縱向軸線，或α＝0°;
b.管子的筋高與內徑之比應在0.02和0.04之間，或0.02≤Hr/Di≤0.04;
c.筋的軸線與凹口軸線之間的傾角應在20°和90°之間，或20°≤β≤90°;
d.筋上凹口間距和管子內徑之比應在0.025和0.07之間，或0.025≤Sn/Di≤0.07;
e.凹口深度應為筋高的百分之四十和百分之百之間，或0.4≤Dn/Hr≤1.0;以及f.凹口相對表面間的角度應小於90°，或γ≤90°;
提高結構52可用任何合適的加工方法在管壁51的內壁上形成。在用現代自動高速加工方法製造接縫焊金屬管中，一種有效的方法是在將管片滾壓成形為圓截面並接縫焊成為管子前，通過在金屬帶的一個表面上滾軋出凹凸紋來得到提高結構式樣。
圖7表示出這種方法是如何實現的。在生產線上分別設置兩個凹凸紋滾軋臺10和20，用於在未加工金屬帶供給源和將金屬帶滾壓成形為管形的那部分生產線之間將金屬片滾壓成形並接縫成管子。每個凹凸紋滾軋臺都分別有一個提高熱傳遞性能圖案的軋輥，11和21，以及分別為12和22的背輥。用合適的裝置(未圖示)對每個臺上的背輥和帶圖案軋輥，共同施加足夠的壓力，使例如在輥11上的圖案表面13壓入金屬帶30一側表面上，由此在金屬片上形成提高結構的式樣。帶圖案表面13是完工管子表面上提高結構的軸向筋部分的鏡面對稱面。輥21上的帶圖案表面23有一系列突起部分壓入由帶圖案表面13成形的筋內，並在完工管子的筋上形成許多凹口。
如果管子是通過滾軋圖案、滾軋成形和接縫焊的方法製成的，則用於這種加工方法本身的性質就會在沿加工好管子的焊接線區域或者缺少管子內周的其餘部分所存在的提高熱傳遞性能圖形，或者有不同的提高結構的形狀。這一不同構形的區域不會對管子的熱流或液流性能產生顯著的不良影響。
本發明的管子無論在蒸發還是在冷凝的熱交換器中都提供了超過已有技術的熱傳遞管子的性能優點。在圖8中的性能曲線A表示本發明的管子在通過管子的致冷劑在一質量流速(G，LB/H-FT2)範圍內與一種具有光滑內表面的管子相比較的相對蒸發性能(H(GR)/H(SMOOTH)。通過對比，曲線B表示對具有縱向筋但沒有凹口的管子的相同的相對性能情況，而C曲線表示對具有螺旋形內筋的一種典型的已有技術的管子的相同的情況。圖8的圖形顯示出，本發明的管子的蒸發性能在一個較寬流速範圍內都優於已有技術的兩種管子。
如圖8中的相同方式，圖9中的曲線A表示在通過管子的致冷劑的一質量流速範圍內本發明管子與一種具有光滑內表面的管子相比較的相對冷凝性能。曲線B表示對具有縱向筋但沒有凹口的管子的相同有關性能情況，而曲線C表示對一種典型的螺旋形設筋的管子的相同情況。圖9的圖形表明在一個較寬流速範圍內，本發明的管子的冷凝性能都優於已有技術的那些管子。
權利要求
1.一種改進的熱交換器管子(50)，它包括有具有一內表面的壁(51)、一個內徑(Di)、一根縱向軸線(aT)以及在所述內表面上形成的許多筋(53)，每個所述的筋具有兩相對側面和一高度(Hr)並基本上平行於所述縱向軸線延伸，其特徵在於，一種排列方式的平行凹口(54)凹進所述筋至少百分之四十筋高的深度(Dn)並與所述縱向軸線傾斜一角度(β)；所述的筋高與所述管子內徑之比在0.02和0.04之間；以及筋凹口間距與管子內徑之比在0.025和0.07之間。
2.如權利要求1所述的熱交換器管子，其特徵在於，所述凹口的相對表面(56)間的角度(γ)小於90°。
3.如權利要求1所述的熱交換器管子，其特徵在於，所述凹口排列與所述筋的相交角度(β)在20°和90°之間。
4.如權利要求3所述的熱交換器管子，其特徵在於，所述的相交角度(β)為45°。
5.如權利要求1所述的熱交換器管子，其特徵在於，在所述筋上形成凹口時，由從筋上移出的材料組成突起，在所述筋的每個凹口附近從所述筋的相對兩側朝外延伸。
6.如權利要求1所述的熱交換器管子，其特徵在於，所述的筋繞著所述熱交換器管子內表面以基本相等的間距設置。
全文摘要
一種具有能提高管子熱傳遞性能的內表面的熱交換器管子，其內表面上設有基本上平行於管子縱向軸線延伸的一些筋。這些筋具有一種以與縱向軸線成一傾斜角度與筋相交且凹進筋的平行凹口圖案形式。這種筋和凹口的布置方式增加了管子的總內表面面積，也改善管內致冷劑的流動狀況從而提高了熱傳遞性能。
文檔編號F28F13/18GK1094157SQ9312044
公開日1994年10月26日 申請日期1993年12月15日 優先權日1992年12月16日
發明者羅伯特·H·L·強, 傑克·L·埃斯福姆斯 申請人:運載器有限公司