利用流体膨胀制造热交换器的方法

专利名称：利用流体膨胀制造热交换器的方法
技术领域：
本发明涉及热交换器，更具体说是一种利用流体膨胀制造热交换器的方法。
众所周知，热交换器用来调节流体的热含量。用在加热、通风和空调(HVAC)工业上的典型的热交换器结构主要由几段平行的管段形成为一回路的传导管路和间置于之间呈某种式样的诸传导翅片组成。该回路传送一热流体，该热流体能从横向流过该热交换器的第二流体取得或向该第二流体传送热量。诸翅片增大了暴露于横向流过该热交换器的流体的回路的表面积，从而就增加了在两流体间交换的热量。
在通常的HVAC热交换器中，诸制冷剂回路是取圆形管路(常由铜制成)的直段再将它们在中间处弯曲，使它们含有一“U”形弯曲，类似一发夹。然后，使这些“发夹”的端部垂直通过称为管板的一平金属件上的诸预制孔而设置，该管板作为安装该热交换器用的一固定件。接着，以与管板的相同的方式将诸板翅片放在诸“发夹”上。这些板翅片基本上是平的，并有许多与管板上的孔相对应的孔，但是它们用的材料比管板的簿而轻得多。
当所有的翅片到位后，将一第二管板类似地放在诸“发夹”的端部的附近。利用一钎焊工艺将一“U”形端盖或U形弯头固定在大多数的诸管的诸端部，从而形成经过诸“发夹”的一返回路线制成该流体回路。然后将诸集流管安装在其余的暴露的“发夹”端部，以便于热交换流体流入和流出换热器。
在制造热交换器的过程中，使诸“发夹”膨胀以确保诸翅片(和管板)牢固固定于其上，以及诸翅片整体地与它们连接。如果在一足够大的表面积部分上诸翅片和管子不接触，它们之间交换的热量会大大减少。通常用于膨胀诸管子的方法是使用一心棒沿轴向穿过诸管子。尽管这种“机械的”膨胀能确保诸管子会很精确地膨胀到一所需的直径，还有一些对该工艺的限制。
第一个限制是由于诸心棒不能穿过诸发夹转向处，必须逐个膨胀每个直管段。为了抵消这一限制，现行的机械膨胀机器包含有几排心棒，它们能在同一时刻膨胀在一热交换器上的全部或大部分“发夹”的直管段。由于这些机器的费用，通常将一台机器改装以膨胀许多不同尺寸的管子。不仅保持一足够量的心棒是花钱多的，而且，为了膨胀诸不同尺寸的管子装备一台机器所需的改装时间也是很花钱的，因为需要若干工时才能完成。
机械膨胀的另一个限制是影响热交换器管道的内表面的增量。在HVAC工业中，常是改变热交换器管道的内表面的几何形状，诸如在管道内表面上形成小的槽道或凹槽以便提高管子的对流传导性。在其加工过程中，通过在其内表面上形成所需的形式将这些“表面积增量”加到管道上。但是，机械膨胀实际上是对完成的管道壁向外扩孔，从而在某种程度上永久地压坏了这些表面增量，相应降低了管子的效率。
机械膨胀的再一个限制是该工艺导致材料损失。这种材料损失是由于心棒的轴向力造成的，当心棒在管子内行进时部分地压缩管子。为计及这轴向缩减量，一开始就将超过最终管长的大约(2-4)％以上的长度加到该管子上，在许多热交换器加工中这些附加量占到材料的相当大的一部分。最后的一个限制是仅仅圆形管道才能用于机械膨胀工艺。
克服这些限制的方法是使用流体压力而不是用机械心棒来膨胀管子。这样的一种流体膨胀涉及密封管子和向管子内注射高压流体，直至内部压力超过外管壁的材料屈服强度，在该屈服点，管壁变形并向外沿径向膨胀。在这样的膨胀过程中，管壁会略微变薄以补偿由径向朝外的力引起的增大的直径。
除了克服上述限制外，流体膨胀的另一个优点是在一个热交换器得以膨胀的同时能进行防漏测试。目前，防漏测试包括将一流体以每平方英寸几百磅的压力充入热交换器内，以确保当热交换器使用了加压的热交换流体时能是安全的。但是，流体膨胀要求将管子加压到每平方英寸1000磅或更高的压力，由于流体膨胀的严格性要必需遵守的，这样，就不必进行另外的防漏测试。
曾有过一些在热交换器的成型中使用流体膨胀的试验。例如，Huggins(美国专利号为2,838,830)揭示了这样一个工艺，其中，一单根管件被弯成其横截面是扁平的螺旋形，然后，使其流体膨胀，以使结合其上的诸螺旋形翅片配合于诸管的扁平部分，以与它形成可靠的接触。
尽管Huggins工艺没有讲授一种在一简单的热交换器组装完毕后对其进行流体膨胀用的方法，也没有讲授在目前使用的较复杂的热交换器上如何进行这一工艺。首先，它不能用于在HVAC工业中建立“发夹”式热交换器。其一个原因是它没有讲授U形弯头的使用，该弯头是将诸“发夹”管段互连所必需的。
正如Huggins所要求的，有两个原因使用带U形弯头的发夹”管段而不将一长管段多次弯曲的方法。其中一个原因是对于在现代的HVAC热交换器中使用的大量的管道，多次将一单根这样长度的管道弯曲是行不通的。使用诸“发夹”管段的另一原因是它们能通过诸散热片穿连在一起。但是，不能以容纳诸散热片的方式将一根单段管道来回弯曲。
有关“发夹”式热交换器的Huggins方法的另一个限制是，Huggins要求管道在其横截面上做成扁平的。正如前面提到的，在“发夹”管道中使用表面增加以提高热传递，但这些表面增量由于管道被压成扁平状态而受损。
Huggins的大多数这些相同的限制也适用于汽车热交换器的制造。通过将诸螺旋形翅片置于各矩形管道之间，用诸集流管将诸管段互连，就制作了这些热交换器，其中，诸集流管使热传递流体从一外流体源流入和流出管道回路。还有，不可能将一单根管段，尤其是矩形管道弯曲足够次数以形成这样一管道回路。此外，Huggins未曾讲授过用诸集流管组装一热交换器的方法。
Jansson等人(美国专利号4,970,770)讲授了另一利用液压膨胀制造一热交换器的方法。不象Huggins那样，Jansson等人所叙述的换热交换器使用了与目前的HVAC热交换器相同的U形弯头和散热片。但是，Jansson等人未曾讲授过一种膨胀一组装好的热交换器回路的方法。Jansson等人仅提供了逐根膨胀管段的方法，该方法是在将诸U形弯头钎焊在诸“发夹”管段的诸暴露端上之前如何使诸翅片固定到位。
为了膨胀整个回路，必须在膨胀管道之前将诸U形弯头放在诸“发夹”管段的诸暴露端上。但是，诸U形弯头通常用钎焊固定于该管道，它是使用一高热源以将诸U形弯头与管道结合在一起。还有，如在对该热交换器进行钎焊之前诸翅片尚未得以固定，诸翅片可能受到损害。由于Jansson等人未曾讲授过固定诸翅片而非逐段膨胀用的方法，将导致用此方法在最后组装后不能进行膨胀。所以，不能避免另外的防漏测试步骤。
按照Jansson等人的方法，在制造上述的汽车热交换器时将有同样的限制。
本发明的一个目的在于，提供一种制造一热交换器用的方法，该方法可克服与机械膨胀有关的诸限制。本发明的又一目的在于，提供一种制造一热交换器用的方法，该方法可在热交换器的最后组装后进行膨胀。
本发明提供一种使用流体膨胀制造一热交换器用的方法。该热交换器具有以形成至少传输一第一热传递流体用的一回路的互连诸管段和诸传导翅片，这些传导翅片固连于该回路以增大其表面积并提高该第一流体与一在诸翅片中流动的第二流体之间的热传递。该方法包括以预定方式将诸管段定位和沿着诸管段的长度将诸翅片设置在这些管段上。然后，将诸管段的诸入口和诸出口互连在一起形成流体回路。接着，将诸翅片固定到位，以使在紧接于该固定工作后的对诸互连连接处的密封过程中不致使诸翅片受到损害。最后，封住整个回路的内空间，并在超过管道材料的屈服极限的一压力下向回路内注入一种膨胀流体，以使管壁沿径向向外膨胀，这样，就将整个回路膨胀而固定住了诸翅片。
通过阅读下面的详细描述并参阅诸附图，就会更清晰地了解本发明的其他目的和其优点。其中的诸附图为

图1是用于一HVAC型热交换器中的一“发夹”管的侧视图；图2是沿图1中的“2-2”线的、图1所示的“发夹”管的横截面轴向视图3是沿图1中的“2-2”线的、图1所示的“发夹”管在被流体膨胀后的横截面轴向视图；图4是利用先前的机械膨胀工艺制造热交换器的诸步骤的流程图；图5是利用本发明制造热交换器的诸步骤的流程图；图6是图5的流体膨胀步骤的示意图。
现在参看诸附图，在所有的附图中相同的标号指的是对应的另件。图1是在其上形成一“发夹”弯头12的一热交换器管10的一侧视图。该管10有一输入热交换流体用的入口16和一排出热交换流体用的出口18。图1还表示出诸散热片20，散热片上具有与入口16和出口1 8相对应以将散热片穿连于管子10上用的诸孔。
图2是一沿图1中的“2-2”线的、图1所示的“发夹”管的横截面图。图2表示的是流体膨胀之前的管10和翅片20。管10有一管壁22，在其上形成有内表面增量部分23。管壁22和内表面增量部分23的形成使得能建立一延伸到管子10的长度的内部流体流动通道24。为了图示起见管子10已被放大了，并表示为膨胀前的情况，此时的壁22的厚度和管子10的半径25均为它们原来制造时的数值。另外，图2是一简化的示图，用来仅仅试图说明在流体膨胀过程中这样的管道是如何膨胀的，未心表示出通常的表面增量部分。
图3与图2相同，表示管道经流体膨胀后的情况。在图3中的表面增量部分23’与图2中的表面增量部分23之间的几乎没有差别或无差别。但是，外壁22’的厚度略微小于图2中的壁22的厚度，而相对于图2中的半径25半径25’增大了。这样的径向膨胀使管壁22’与散热片20’之间形成一可靠又热传导的接触。壁22’的减小和半径25’的延长在图3中被夸大以期清楚表示。
图4是表示出利用已有技术的机械膨胀工艺制造一普通的HVAC热交换器的诸步骤的流程图。在其内有或没有在其上形成的表面增量部分的制成的管道首先在步骤26进入该制造工艺。如步骤28所示的，该制成的管道的长而直的部分被弯成“发夹”段。然后，如步骤30所示，将为管道提供附加的表面积并提高它们的热传递用的诸散热片定位(或“穿连”)在带管板的管道上。
到此，一热交换器已就绪可供进行机械膨胀了，这机械膨胀将诸翅片固定于管道上(如步骤32所示)。将几个其直径略比管道大的心棒穿过“发夹”段的入口和出口部分并穿过其全长，就完成了机械膨胀。然后，将诸U形弯头放在回路上以将诸入口和出口互连起来，从而形成一热交换流体用的回路(如步骤34所示)。步骤36表示使用高热源将这些U形弯头钎焊或密封于诸管道。
下一步，将诸集流管设置在未被诸U形弯头覆盖的诸“发夹”段的其余的入口和出口部分上，用以适应热传递流体从一外部流体源通过整个热交换器(如步骤38所示)。接着，该加工的热交换器必须经受总的用步骤40表示的附加的防漏测试。这样，就完成了热交换器的制造(如步骤42所示)。
图5表示出按照本发明的制造工艺。正如图4中所示的已有技术工艺，步骤43表示了事先制造的管道进入热交换器制造工艺。再者，管道内有或没有其上形成的表面增量部分。如机械膨胀一样，诸管段先被弯成诸“发夹”段(如步骤44所示)，然后，将诸散热片和诸管板穿连在诸“发夹”段的直段上(如步骤46所示)。
在此，图5的流体膨胀工艺不同于图4的机械膨胀工艺，在图5的工艺中，在进行膨胀之前组装整个回路(即，将所有的U形弯头放置到位)(见步骤48所示)。诸翅片必须在将诸U形弯头钎焊上(如步骤52所示)之前固定到位(如步骤50所示)。固定诸翅片的理由是，不象用机械膨胀工艺，在钎焊过程中，诸管道还没有膨胀以将诸翅片固定到位。诸翅片可通过固定该热交换器，并从最外侧的诸翅片向里施加压力，从而使诸翅片彼此保持住而防止移动。
在进行钎焊后，诸集流管能放置在未被诸U形弯头覆盖的诸入口和诸出口上(如步骤54所示)。接着可进行流体膨胀和测试(如步骤56所示)。许多种流体可用来进行流体膨胀，其中的一些实例是压缩空气和氮气。由于其他为熟悉该技术领域的普通人员明显所知的其它合适的流体也适于用于本发明，因而这些流体实例并非详尽无遗的。
有两个进行流体膨胀的最佳方法，其第一个方法是在一预定的时间内保持在管子内施加一静压力以使管子膨胀。第二个方法比较复杂而昂贵，但在某些情况下是较为有利的。该方法是利用动压力。此时，用诸位移传感器来监测管子直径，使压力不断增加地施加到管子上，以获得较精确的管子膨胀。无论用哪一方法，与图4所示的机械膨胀工艺的重要区别在于，在这一流体膨胀步骤中能进行防漏测试。在每一种情况，在进行流体膨胀后就完成了制造工艺，该热交换器就可供使用了(如方块58所示)。
图6是本发明的流体膨胀部分的示意图。用一压缩机60将来自一膨胀流体容器62的一膨胀流体经过一高压安全阀64泵送到该热交换器65中。该流体经过一封住管道回路66的入口的接头68进入该热交换器65的管道回路66。该接头68必须是一高压接头，它应能保持密封，而同时能在每平方英寸几千磅的压力下输送一流体。在高压流体送入回路66时，该回路沿径向朝外膨胀以与诸翅片70和诸管板72之间产生可靠的接触。在图6中，图示的一个塞子将回路66的出口封住。如用另外的一个方式，在塞子74的位置也可用一个类似于接头68的接头以可从两个位置送入膨胀流体。送入流体的两种方法均可达到类似的结果。
图6中所示的控制器76用来控制压缩机60施加于管道66的压力大小，并当达到足够的膨胀时令压缩机停止压缩。控制器76能与一以虚线表示的位移感测器78连接。该位移感测器78实际上是测量回路66的管直径的增加，并将膨胀的进程反馈给控制器76。照此，一旦回路管道达到某一直径时控制器76就能停止膨胀，或在膨胀过程中改变膨胀流体的压力。这样的一种动态膨胀使管道的膨胀更精确。控制器76主要以达到这些目的的方式而进行编程的微处理机组成。
权利要求
1.一种制造一热交换器用的方法，该热交换器包括形成至少传输一第一热传递流体用的一回路的互连诸管段和诸传导翅片，这些传导翅片固连于该回路以增大其表面积并提高该第一流体与一在诸翅片中流动的第二流体之间的热传递，该诸管段的每段具有至少一入口和至少一出口；该方法包括下列诸步骤a)将诸所述管段按间隔关系定位，使诸所述翅片可设置在这些管段之间，并使诸所述管段相互基本上平行；b)将诸所述翅片沿着所述管段的长度定位在所述管段之间；c)将诸所述管段的多个所述入口和出口相互连接起来以形成所述回路；d)固定诸所述翅片以防它们移动；e)密封诸所述互连部位，以使所述回路在传输所述第一流体时能达到流体密封要求；以及f)通过封住所述回路的内空间，并在一超过所述回路管道的屈服强度的压力下将一膨胀流体送入回路管道内，使回路的管壁沿径向向外膨胀，这样，就将整个所述回路膨胀并固定住诸所述翅片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，诸所述管段是“发夹”形弯管段。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，诸所述翅片是散热片。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤b)的所述定位是通过穿连经过诸所述散热片的诸所述“发夹”管段，于是形成一基本上垂直的取向而实现的。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤b)前诸所述管段通过一第一管板穿连起来，在b)步骤后诸所述管段通过一第二管板穿连起来，诸所述管板提供所述热交换器的稳定性和安装所述热交换器用的固定构件。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤c)的所述互连接是通过将诸U形弯头放置在诸所述“发夹”管段的预定的诸入口和诸出口上而实现的。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述互连接还可通过在诸所述U形弯头到位后将诸集流管放置在其余暴露的诸入口和出口上而实现，诸集流管具有对应于所述暴露的诸入口和出口的诸开孔，并还具有至少一个流体入口和至少一个流体出口，以用来将所述回路连接于一外部热交换流体源，并便于所述流体流入和流出所述回路。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤d)的固定是通过对诸所述管板施加压力，从而使诸翅片向里压得相互抵靠而实现的。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)的所述密封是用一加热源钎焊诸所述互连部位而实现的。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤f)的所述加封闭是通过将一接头密封地连接于至少一个所述集流管入口，用以送入所述膨胀流体，并用一塞子封住其余的所述集流管入口和出口而进行的。
全文摘要
用流体膨胀制造热交换器的方法。该热交换器具有形成传输第一热传递流体的至少一回路的互连诸管段和诸翅片,诸翅片固连于回路以增其表面积并提高第一流体与在翅片中的第二流体之间的热传递。将诸管段定位并沿它们的长度将诸翅片设在它们上。再将诸管段入口和出口连成回路。再将翅片固定以使在对诸互连处的密封中不损害翅片。最后封住回路并在超过管材屈服极限的压力下向回路注入膨胀流体,以使管壁沿径向膨胀以将回路膨胀而固定翅片。
文档编号F28F9/16GK1186222SQ97109500
公开日1998年7月1日 申请日期1997年12月19日 优先权日1996年12月23日
发明者阿默F·阿里, 肯尼思P·格雷, 丹尼尔P·加法尼 申请人:运载器有限公司