专利名称：内表面开有高低螺纹齿的传热管的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于内表面开有高低螺纹齿的传热管，特别是指一种改进的内表面开有螺纹齿的适合安装于诸如空调、制冷器等热交换器中的且液流在管内进行物态转换的传热管。
所述内表面开有高低螺纹齿的传热管(以下称为高低齿内螺纹管)是在金属管(如铜管等等)的内表面上开有许多条高低齿为一定差值的螺旋的螺纹，如
图1所示。
此类安装于热交换器中且液流在管内进行物态转换的传热管其工作原理是，以蒸发器为例，管内的制冷剂由于不断进行物态转换即汽化，从而不断地吸收热量，并通过热交换器将由此带来的温度的降低传递出去，其工作关系为Q=U*FΔt(其中，Q为传热量，U为总传热系数，F为传热面积，Δt为有效温差)。为此传热管需要良好的传热性能即总传热系数。影响该总传热系数的主要因素有管壁的传热性能、管内的液流的汽化速度及汽化核心的多少，所述汽化核心是指液体在汽化过程中由于某点的液体温度与环境温度的差异显著而导致液体在该点汽化相对激烈，螺脊的截面形状对汽化核心的形成影响显著，其中尤以螺脊顶角(α)的影响因素最大。三角形的螺脊在液体中会形成最好的汽化核心，而螺脊的截面形状为抛物线形、梯形、圆弧形等形状的相对欠佳。影响汽化速度的因素诸多，如液体的温度、液体温度与环境温度的差异及压力的大小等。此外，液体汽化后形成的气态蒸发物浓度较高的区域所产生的气阻效应亦会影响汽化速度。
现有技术中安装于热交换器中且液流在管内进行物态转换的传热管常用无螺纹管。在已经发明的内表面开有螺纹的此类传热管中，如中国发明专利85103367(CN1012994B)所公开的一种“内表面开有螺纹的传热管”，其内表面开有多条齿高相等的螺旋形螺纹，该类传热管(以下称为等高齿螺纹管)相对于无螺纹管由于形成多个汽化核心及增大了汽化表面积使得传热性能大大得到改善。但是该类传热管仍有以下不足之处，需加以改进1、传热性能有待于改进。
众所周知，制冷剂在蒸发器内随着汽化的不断进行，液面高度不断降低，直至制冷剂被完全汽化。在蒸发器开始部分的传热管内，液面高度高于螺纹齿齿高，此时，液体高于螺纹齿齿高的部分由于管内压力的作用轴向运动速度较快，而低于螺纹齿齿高的部分因环流效应轴向运动速度较慢，所述的环流效应是指流体如制冷剂在流动时，由于螺纹的毛细作用，使液体跑到螺纹的沟槽里，并由液体的速度产生一个离心力使液体趋向于沿沟槽环流，此时，流体所表现出的搅流效应较为明显，即流体被搅动得较剧烈，搅流效应减小了流体内部与流体表面的温差，提高了汽化速度。随着制冷剂在蒸发器内随着汽化的不断进行，液面高度低于等高齿内螺纹管的齿高，此时无搅流效应，汽化速度降低，传热性能受影响。
此外，在蒸发器后半部分的传热管内，随着汽化的不断进行，液面高度逐步降低，当液面高度明显低于等高齿内螺纹管的齿高后，此时汽化核心的数量显著减少。有待于改进。
蒸发器的结构形式决定了传热管全长不可能没有弯曲，由于弯曲现象的存在，管子通径会发生变化，管内物流速度也有相应变化。管内制冷剂流速是非均速的，因而会出现液膜在部分地方有厚薄现象。液膜的厚薄现象对螺纹管管内汽态蒸发物浓度较高区域的分布高度的差异有贡献作用，这种分布高度的差异缓解了气阻效应。但对于等高齿内螺纹管而言欠显著，有待于改进。
我们再从换热器的生产工艺上分析，传热管在制成换热器时，需经过机械胀管工艺过程，胀管时等高齿内螺纹管的三角形齿尖受挤压后变形，由于等高齿内螺纹管的齿高相等，齿尖全部受损伤，即最佳的汽化核心受到破坏。
2、传热性能与管子成本之比低下。
在蒸发器后半部分的传热管内，随着汽化的不断进行，液面高度已大大低于等高齿内螺纹管的齿高，此时，高于液面部分的螺脊虽然由于毛细现象导致汽化面积增大而对汽化有所贡献，但是由于露出液面的螺脊部分一是由于其体积的缘故增大了管内压力的损失，二是增加了单位长度的重量，提高了成本。因而，综合来说，等高齿内螺纹管其效率不充分，特别在蒸发器后半部分传热性能与管子成本之比低下。
本实用新型的目的是提供一种具有高传热性能的改进的内表面开有螺纹齿的传热管。
本实用新型的另一个目的是提供一种传热性能与管子成本之比相对较高的改进的内表面开有螺纹齿的传热管。
本实用新型的发明构思是通过对传热管内表面结构的改进，提高管内液流的汽化速度。
本实用新型基于以下另一个发明构思通过对传热管内表面结构的改进，提供一种管内液流的汽化核心更易于形成的传热管。
本实用新型基于的又一个发明构思是通过对传热管内表面结构的改进，提供一种传热性能与管子制造成本之比相对较高的传热管。
本实用新型的技术解决方案为本实用新型的内表面开有高度不等的螺纹齿。即本实用新型为内表面开有高低螺纹齿的传热管。
本实用新型所述内表面开有高低螺纹齿的传热管其管内内表面螺纹齿齿尖的轴向连线为一条由多段直线按一定规律组成的折线，该折线围绕一条与传热管相平行的中轴线有规律的波动。
由于管内内表面螺纹的齿高不完全一致，本实用新型一、传热性能大大得到提高1．液流在传热管内所表现出的搅流效应更加明显。
附图3所示的为一组放大了的内螺纹管工作时的轴向剖示简图，(为了方便地说明问题，本图选用一组螺旋角(β)较大的等高齿内螺纹管和高低齿内螺纹管做对比分析，其中，高低齿内螺纹管内高齿低齿交错排列，其各低齿高度(Hf2)相等，其各高齿高度(Hf1)亦相等且等于等高齿内螺纹管的齿高)，以之为例，参看图3在蒸发器后部分，液面高度(H)低于低齿高度(Hf2)，此时，两种螺纹管内的液流均为环流，无搅流效应，见图3(a-1)、图3(a-2)。
在蒸发器中间部分，高低齿内螺纹管的液面高度(H)低于高齿高度(Hf1)而高于低齿高度(Hf2)，即(Hf1)＞(H)＞(Hf2)，搅流效应明显，见图3(b-1)；而此时相对应的等高齿内螺纹管内，液面高度(H)低于高齿高度(Hf1)，液流沿齿沟前进，无搅流效应，见图3(b-2)。
在蒸发器的开始部分，等高齿内螺纹管的液面高度(H)高于高齿高度(Hf1)，搅流效应明显，见图3(c-2)；而此时相对应的高低齿螺纹管由于流体的二次搅动效应，搅动更剧烈，见图3(c-1)。
由以上分析可知，相比于等高齿内螺纹管，综合来说，高低齿内螺纹管内液流的搅流效应更加明显。
2．汽化核心更易于形成。
在蒸发器后半部分的传热管内，随着汽化的不断进行，液面高度逐步降低，当液面高度(H)低于等高齿内螺纹管的高齿高度(Hf1)而高于等于低齿高度(Hf2)，即(Hf1)＞(H)≥(Hf2)，此时高低齿内螺纹管由于其液面下低齿齿尖的存在，相对于等高齿螺纹管而言，汽化核心个数显然较多。
此外，由于高低齿内螺纹管产生的汽化核心分布在不同的高度，底层气泡在脱离液体的运动中，可能产生与上层气泡的碰撞而有助于上层气泡的脱离。
3．进一步缓解了气阻效应。
内表面开有高低螺纹齿的传热管由于其齿高分布不在一条直线上，汽化核心分布高度的差异进一步增大，气阻效应被进一步缓解。
4．部分的最佳汽化核心受保护。
内表面开有高低螺纹齿的传热管在机械胀管工艺过程中，低齿的齿尖受保护而免受到损伤。
二、由于管内内表面螺纹齿的齿高不完全一致，本实用新型降低了单位长度的重量，节约了成本。其传热性能与管子制造成本之比相对较高。
三、此外，高低齿内螺纹管由于其管内通径增大，减小了管内压力损失，提高了整机的性能。
综上所述，高低齿内螺纹管比等高齿内螺纹管具有传热性能好、传热性能与管子制造成本之比高等诸多优点。
以下我们将通过对高低齿内螺纹管管内的高齿、低齿及管壁壁厚间的相互关系的分析，研究这些关系对高低齿内螺纹管的综合性能的影响(以管内齿高为二种高度的内螺纹管为例)A．高齿与低齿的排列规律所带来的影响高低螺纹齿交错排列时，如图5-f所示实施例，管内液流的搅流效应最佳。此时齿尖的轴向连线为锯齿线。存在相同高度的螺纹齿相邻排列时，如图5-b所示实施例，这两个相同高度的螺纹齿齿间的液流的搅流效应欠佳，内螺纹管的传热性能欠佳；当管内螺纹齿有多种齿高时，如图5-a所示实施例，这种内螺纹管管内液流的搅流效应亦欠佳，内螺纹管的传热性能欠佳。
B．高齿高度与管壁壁厚的比值所带来的影响高齿高度与管壁壁厚的比值为0.65时最为理想。比值比理想值越大，传热管在机械胀管工艺过程中越易开裂，比值比理想值越小，一是传热性能越差，二是成本提高，经济性能越差。实验证明，可以接受的高齿高度与管壁壁厚的比值其分布区域为0.6～0.8。
C．低齿与高齿的齿高之比值所带来的影响低齿与高齿的齿高之比值为0.8时最为理想。随着该比值接近于1，管内液流的搅流效应越不明显。随着该比值的降低，管内液流的搅流效应同样减弱，同时，管内的有效换热面积亦减弱。实验证明，可以接受的低齿与高齿的齿高之比值其分布区域为0.6～0.9。
D．高齿与低齿的齿数之比所带来的影响高齿(z1)的齿数与低齿(z2)的齿数之比值为1时最为理想。随着比值偏离理想值越大，管内液流的搅流效应越不明显；此外，传热管在制成换热器时，需经过机械胀管工艺过程，胀管时高低齿内螺纹管内的高齿受力挤压，而低齿不受挤压力。高齿与低齿的齿数之比值为1时，胀管时传热管受力最均匀，其机械性能最好，所制成的换热器其传热管与其外侧的散热片接触也最良好。实验证明，可以接受的高齿与低齿的齿数之比值其分布区域为0.5～2.0。
基于以上的分析，最佳的内螺纹管其螺纹齿截面形状为三角形，高齿与低齿的齿数之比值为1，齿尖的轴向连线为锯齿线，其高低螺纹齿交错排列，低齿与高齿的齿高之比为0.8。
对于管内齿高为二种以上高度的内螺纹管，如管内开有高、中、低三种高度螺纹齿的内螺纹管，其各种齿间的关系及与管壁壁厚间的关系对内螺纹管的综合性能的影响机理与上述的相同。在此不做详细分析。
以下我们将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明
图1(a)和
图1(b)分别为本实用新型实施例所示的高低齿内螺纹管的径向剖示图和轴向剖示图。
图2(a)和图2(b)分别为等高齿内螺纹管的径向剖示图和轴向剖示图。
图3为一组放大了的内螺纹管工作过程中的轴向剖示简图，(为了方便地说明问题，本图选用一组螺旋角(β)较大的等高齿内螺纹管和高低齿内螺纹管做对比分析，其中，高低齿内螺纹管内高齿低齿交错排列，其各低齿高度(Hf2)相等，其各高齿高度(Hf1)亦相等且等于等高齿内螺纹管的齿高)，其中，图3(a-1)为液面高度(H)低于低齿高度(Hf2)时高低齿内螺纹管的示意图，图3(a-2)为此时等高齿内螺纹管的示意图；图3(b-1)为液面高度(H)低于高齿高度(Hf1)而高于低齿高度(Hf2)，即(Hf1)＞(H)＞(Hf2)时高低齿内螺纹管的示意图，图3(b-2)为此时等高齿内螺纹管的示意图；图3(c-1)为液面高度(H)高于高齿高度(Hf1)时高低齿内螺纹管的示意图，图3(c-2)为此时等高齿内螺纹管的示意图。
图4为本实用新型实施例所示的高低齿内螺纹管放大了的局部剖面图，并表示各个部分及所用符号。
图5为一组管内内表面开有齿高为二种或二种以上螺纹齿的内螺纹管，其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图。
图6为高低齿内螺纹管与等高齿内螺纹管换热量随管内物流流量变化的对比情况。其中1为高低齿内螺纹管，2为等高齿内螺纹管。
图7为高低齿内螺纹管与等高齿内螺纹管每米管长在单位传热温差下换热能力对比情况。其中1为高低齿内螺纹管，2为等高齿内螺纹管。
参看图4，本实施例为一外径(φD)=7mm、底壁厚(Tf)为0.25mm的传热铜管，在铜管的内表面上开有均匀分布的齿高不等的64条螺纹齿，各螺纹与管轴所成螺旋角(β)均为14°，螺纹齿的截面形状均为顶角(α)=40°的三角形，其中高齿高度(Hf1)为0.18mm，低齿高度(Hf2)为0.15mm。两齿间的横截面积与高齿的高度之比为0.26，高齿与低齿成高低均匀分布。
以下为一组未给出附图的实施例实施例2为一外径(φD)=9.0mm、底壁厚(Tf)为0.25mm的传热铜管，在铜管的内表面上开有均匀分布的齿高不等的68条螺纹齿，各螺纹与管轴所成螺旋角(β)均为7°，螺纹齿的截面形状均为顶角(α)=60°的三角形，其中高齿高度(Hf1)为0.18mm，低齿高度(Hf2)为0.14mm。两齿间的横截面积与高齿的高度之比为0.31，高齿与低齿呈高高低低规律分布。
实施例3为一外径(φD)=9.0mm、底壁厚(Tf)为0.30mm的传热铜管，在铜管的内表面上开有均匀分布的齿高不等的60条螺纹齿，各螺纹与管轴所成螺旋角(β)均为20°，螺纹齿的截面形状均为抛物线形，其中高齿高度(Hf1)为0.16mm，低齿高度(Hf2)为0.11mm。两齿间的横截面积与高齿的高度之比为0.37，高齿与低齿呈高低低规律分布。
实施例4为一外径(φD)=12.7mm、底壁厚(Tf)为0.35mm的传热铜管，在铜管的内表面上开有均匀分布的齿高不等的68条螺纹齿，各螺纹与管轴所成螺旋角(β)均为24°，螺纹齿的截面形状均为顶角(α)36°的三角形，其中高齿高度(Hf1)为0.21mm，低齿高度(Hf2)为0.14mm。两齿间的横截面积与高齿的高度之比为0.51，高齿与低齿呈低高低规律分布。
实施例5为一外径(φD)=10.0mm、底壁厚(Tf)为0.30mm的传热铜管，在铜管的内表面上开有均匀分布的齿高不等的66条螺纹齿，各螺纹与管轴所成螺旋角(β)均为30°，螺纹齿的截面形状均为顶角(α)30°的三角形，其中高齿高度(Hf1)为0.20mm，低齿高度(Hf2)为0.15mm，中齿高度为0.17mm，。两齿间的横截面积与高齿的高度之比为0.40，高齿与低齿呈低高低规律分布。
图5为一组管内内表面开有齿高为二种或二种以上螺纹齿的内螺纹管，其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图。
图5-a为管内开有高、中、低三种齿高的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循低、中、高循环排列。
图5-b为管内开有高、低二种齿高的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循高、低、低、低循环排列。
图5-c为管内开有高、低二种齿高的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循低、高、高、高循环排列。
图5-d为管内开有高、低二种齿高的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循高、低、低循环排列。
图5-e为管内开有高、低二种齿高的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循低、高、高循环排列。
图5-f为管内开有高、低二种齿高的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循高、低、高、低循环排列。
图5-g为管内开有高、低二种齿高的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循高、高、低、低循环排列。
图5-h为管内开有高、中、低的内螺纹管其管内螺纹齿齿尖的轴向连线的示意图，其螺纹齿的排列规律遵循低、中、高循环排列。与图5-a所示内螺纹管的区别在于本图中三种齿的齿高等比，而图5-a中三种齿的齿高非等比。
结合以上一组实施例，我们可以得出本实用新型所述的内表面开有高低螺纹齿的内螺纹管，其管内螺纹齿齿尖的轴向连线为一条由多个直线按一定规律组成的折线，该折线围绕一条与传热管相平行的中轴线波动。
由于图5-f所述的齿尖的轴向连线为锯齿线的实施例，其高低螺纹齿交错排列，无论从其机械性能还是从管内液流的搅流效应看，该实施例均为最佳。
所述的内表面开有高低螺纹齿的螺纹管，其管内的螺纹齿的齿高可以为多种，图5-a、图5-h所述的实施例即为其中的二种。
实际上，从管内液流的工作过程看，理想的内螺纹管其螺纹齿齿高应是逐步变化的，其变化规律是随着管内液面的降低而降低，以确保所有的高齿齿尖同时都是最佳的汽化核心。当然，这种内螺纹管的制造难度较高，制造成本亦较高。本实用新型对此种内螺纹管不作权利要求。
图6是高低齿内螺纹管与等高齿内螺纹管换热量随管内物流流量变化的对比情况。其中1为高低齿内螺纹管，2为等高齿内螺纹管。其测试工况是管内物流为R22，环境温度为30℃，大气压力为965mbar。
图7是高低齿内螺纹管与等高齿内螺纹管每米管长在单位传热温差下换热能力对比情况。其中1为高低齿内螺纹管，2为等高齿内螺纹管。其测试工况是管内物流为R22，环境温度为30℃，大气压力为965mbar。
通过图6及图7中的对比，明显可以看出，高低齿内螺纹管较等高齿内螺纹管换热能力有显著的提高。
权利要求1．一种安装于热交换器中且液流在管内进行物态转换的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其内表面开有多条螺旋形螺纹齿，所述螺纹齿对管轴的螺旋角(β)为7°到30°，螺脊横截面内的顶角(α)为从30°到60°，两齿间的横截面积与高齿的高度之比为0.15到0.55，其特征在于传热管的内表面开有高度不等的螺纹齿，即本实用新型为内表面开有高低螺纹齿的传热管。
2．根据权利要求1所述的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其特征在于管内内表面螺纹齿齿尖的轴向连线为一条由多段直线按一定规律组成的折线，该折线围绕一条与传热管相平行的中轴线波动。
3．根据权利要求1或2任一所述的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其特征在于高齿与低齿的齿数之比值其分布区域为0.5～2.0。
4．根据权利要求1或2任一所述的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其特征在于低齿与高齿的齿高之比值其分布区域为0.6～0.9。
5．根据权利要求1或2任一所述的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其特征在于高齿高度与管壁壁厚的比值其分布区域为0.6～0.8。
6．根据权利要求1或2任一所述的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其特征在于齿尖的轴向连线为锯齿线。
7．根据权利要求1或2任一所述的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其特征在于螺纹齿截面形状为三角形。
8．根据权利要求1所述的内表面开有高低螺纹齿的传热管，其特征在于螺纹齿截面形状为三角形，高齿与低齿的齿数之比值为1，齿尖的轴向连线为锯齿线，其高低螺纹齿交错排列，低齿与高齿的齿高之比为0.8。
专利摘要本实用新型内表面开有高低螺纹齿的传热管涉及一种安装于热交换器中且液流在管内进行物态转换的传热管,其特征在于:传热管的内表面开有齿高高低不等的螺纹齿。由于管内内表面螺纹的齿高不完全一致,液流在传热管内所表现出的搅流效应更加明显、汽化核心也更易于形成、进一步缓解了气阻效应,从而大大提高了传热性能。同时,本实用新型提高了传热性能与管子成本之比,减小了管内压力损失,提高了整机的性能。
文档编号F28F1/10GK2347132SQ9824252
公开日1999年11月3日 申请日期1998年10月27日 优先权日1998年10月27日
发明者李蓄, 周宏明, 陈广义 申请人:泰州凤凰机电设备有限公司