用于热交换器的管道结构的制作方法
【专利说明】用于热交换器的管道结构技术背景
[0001]本文所公开的主题涉及热交换器。更具体来说，本发明涉及用于热交换器的改进的管道结构。
[0002]—种经简化的典型蒸汽压缩制冷循环包括蒸发器、压缩机、冷凝器以及膨胀装置。制冷剂流就是穿过吸入管线到压缩机的低压制冷剂蒸汽。压缩的制冷剂蒸汽栗送到连接至冷凝器的排放管线。液体管线接收从冷凝器离开的液态制冷剂，并将其引导至膨胀装置。将两相制冷剂返回至蒸发器，由此完成循环。
[0003]蒸汽压缩循环中的主要部件中的两个是蒸发器和冷凝器热交换器。最常使用的热交换器类型是圆管板翅(RTPF)构造类型。过去，在这种热交换器中，管道由铜制成，而翅片则通常由铝制成。热交换器的热性能(即，将热量从一个介质传递至另一介质的能力)与其热阻总和成反比例。对于使用管道内制冷剂和在外部翅片侧上的空气的典型暖通空调以及制冷(HVAC&R)应用，空气侧热阻占50%至70%，，而制冷剂侧热阻为20%至40%，并且金属电阻相对小且仅占6%至10%。由于对将HVAC&R装置制造成更紧凑且更具有成本效益的持续市场压力和规章要求，已付出了大量努力来致力于改进制冷剂侧以及空气侧的热交换器性能。
[0004]RTPF热交换器中使用的内部增强圆管允许通过改进制冷剂侧传热来使热交换器的热性能显著增强。这些管道通常通过挤出或拉制工艺来制造，并且机械地膨胀到翅片组中，以确保管道与翅片之间良好的金属间接触。对于Cu合金而言，内部开槽(IG)管道技术是成熟的，从而允许通过拉制工艺来制造出螺旋形增强部轮廓，并且允许在不显著损坏管道内增强部的情况下膨胀。近年，HVAC&R工业开始从Cu向Al转移，这主要是出于成本原因。Al合金具有固有地不同的机械特性，并且通常通过挤出制造工艺而生产的Al IG管道具有轴向的增强部，所述轴向的增强部不如螺旋配置那样先进，促使管道的整个内周边被液态制冷剂以及处于制冷剂质量流量的扩展范围下的更有效的环形制冷剂流弄湿。因此，用于Al管道的内增强部要求更高的次级至初级传热表面比率以及更紧凑的内部增强带翅片的表面，所述带翅片的表面连同更软Al材料一起对膨胀工艺形成重大挑战。
[0005]发明概述
[0006]在一个实施例中，一种热交换器包括:多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。管道内表面积增强比率乘以所述管道外径与管壁厚度的比率等于或大于约30.0。
[0007]在另一实施例中，一种热交换器包括:多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。限定于管道内表面增强部之间的单位长度的内部自由容积除以所述管道外径的平方值等于或大于0.040。
[0008]在又一实施例中，一种热交换器包括:多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。所述管道外径与所述管道内径的比率小于或等于约1.185。
[0009]在另一实施例中，一种热交换器包括:多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。每个凸脊顶部宽度与所述管道内径的比率乘以所述多个凸脊中的凸脊数量等于或大于约1.60。
[0010]在又一实施例中，一种热交换器包括:多个翅片；以及供流体从中穿过的多根管道，所述多根管道延伸穿过所述多个翅片并且径向膨胀成与所述多个翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外径、内径以及多个凸脊，所述多个凸脊从所述内径向内延伸到所述管道的内部中。凸脊横截面积与内径的平方值的比率等于或大于约
0.0014，并且凸脊高度与内径的比率等于或大于约0.045。
[0011]结合附图，将从以下描述更为清楚这些和其它优点及特征。
[0012]附图简述
[0013]在本说明书结论处的权利要求书中具体指出并明确要求保护被视为是本发明的主题。结合附图，将从以下详细描述清楚本发明的前述和其它特征及优点，在附图中:
[0014]图1是热交换器的实施例的示意图；
[0015]图2是热交换器管道的实施例的局部横截面图；
[0016]图3是热交换器管道的实施例的透视图；以及
[0017]图4是热交换器管道的另一实施例的局部横截面图。
[0018]【具体实施方式】参考附图通过实例来解释本发明的实施例及优点和特征。
【具体实施方式】
[0019]图1中示出了圆管板翅(RTPF)热交换器10的实施例，诸如用作为蒸发器或冷凝器的那种。RTPF热交换器10包括多根管道12以及多个翅片14。所述多根管道12运送流体，例如制冷剂。热能在流体与穿过多个翅片14的空气之间进行交换。在一些实施例中，管道12可以由铝或铝合金通过例如挤出或拉制工艺来形成，而其它实施例中，管道12可由其它材料(例如铜、Cu-N1、钢或塑料)形成。在制造热交换器10时，管道12插入到翅片14中的开口 16中，并且通过例如被插入到管道12内部的一个或多个插塞(bullet)进行机械膨胀。管道12的膨胀确保管道12对翅片14的充分接触用于传热目的，并且还将管道12相对于翅片14固定于热交换器10中的预先确定位置。
[0020]图2示出热交换器10的管道12的局部横截面图。管道12包括延伸到管道12的内部20中的多个增强部或凸脊18。如图3所示，管道12具有外径22和内径24，其中凸脊18 (也称为管道内翅片或增强部)从内径24向内延伸到管道12的内部20中。凸脊18沿管道12的长度26延伸。在一些实施例中，凸脊18大致轴向延伸，而其它实施例中，凸脊18以相对于管道轴线28的螺旋角度30沿管道12成螺旋地延伸。另外，凸脊18具有在凸脊18的基部38处的基部宽度32、在尖端40或者说是凸脊18的最径向向内的部分处的顶部宽度34、以及在相邻凸脊18的基部间隔于相邻凸脊18之间的沟槽宽度36。另外，每个凸脊18从基部38向尖端40延伸，从而限定凸脊高度42，并且每个凸脊18的侧部44可汇聚成凸脊角度46，即所谓的凸脊18顶角。参考图4，应当了解，在一些实施例中，每个凸脊18包括介于尖端40与侧部44之间的顶部圆角52。在这些实施例中，顶部宽度34在本文中限定为沿尖端40到尖端40与侧部44之间的理论相交部分的距离。类似地，在一些实施例中，基部圆角54可以将侧部44与沟槽56连接起来。基部宽度32和沟槽宽度36是使用侧部44与沟槽56之间的理论交点类似地限定的。应当了解，虽然本文中描述了具有内径和外径的圆管，但也可将本发明应用于具有非圆横截面的管道12。
[0021]本文所描述的管道12和凸脊18的具体特征都与管道12的膨胀后状态、或管道12和凸脊18在管道12已膨胀而将管道12固定至翅片14之后的尺寸和特征有关。
[0022]膨胀的管道12的实施例具有内表面积或单位长度的内表面积，其限定为:
[0023](I) A = N* [2h/cos ( a/2)+a+c]
[0024]其中A =单位长度的表面积
[0025]N =管道中的凸脊数量
[0026]h=凸脊高度42
[0027]α =凸脊角度46
[0028]a =凸脊顶部宽度34以及
[0029]C=沟槽宽度36。
[0030]未增强的管道12具有单位长度内表面积A。当A除以ID时，其结果即表面增强比率ζ。在管道12设计的实施例中，ζ与管道壁厚48与外径22的比率有关，其表达为:
[0031](2) ζ 彡 30.0*(Tw/0D)
[0032]其中Tw =壁厚48以及
[0033]OD=外径 22。
[0034]在膨胀后状态下满足这个要求的管道12实现管道12对翅片14的充分干涉，以实现热性能并将管道12固定至翅片14上，同时确保由于管道12的内表面(诸如沟槽36和凸脊18结构)形变而造成的热性能退化最小。
[0035]带凸脊的区域或介于凸脊18之间的单独区域内的液体层分布和容纳与这个区域的大小直接有关，并对管道12内的单相或两相制冷剂流的传热系数或热阻有直接影响。管道12的单位长度的内部自由容积S或者说是限定于凸脊18之间的内部20的部分可表达为:
[0036](3) S = N*h2* (c/h+tan ( α /2))
[0037]针对轴向