用于汽化液体的传热壁面及其制造方法

专利名称:用于汽化液体的传热壁面及其制造方法
本发明介绍的是一种能够有效地将热量传递到液体中去的传热壁面，以及制造这种传热壁面的方法。通过把液体汽化和沸腾的方法，将液体带到传热面上并与之相接触。
为了有效地将热量从平板或管子的表面传递到液体中，该液体，例如氟里昂，是通过汽化与传热壁面接触的，现有技术采用了一种传热壁面，在该传热壁的表面下，形成许多排细长的微小通道，这些通道平行地伸展着，并且它们彼此相隔很小的距离。每个细小通道借助于许多在壁表面上沿通道方向以规则的小间距安排的小孔与外界相连通。这样一种传热壁面在美国专利中例如在专利号为NO4，060，125中，已发表过了。
近几年来，在应用上述类型传热壁的设备的制造工艺上，已经取得了显著的进步。其结果，使设备达到微型化，并使设备的性能得以改善。因此，到目前为止早已提供了一种具有改善了的传热特性的先进传热壁面。
本发明的目的就是提供一种具有改善的传热特性的传热壁面以及制造这种传热壁面的方法。
能满足上述目的的本发明突出的特征是在传热壁的表面上，形成许多孔，每个孔中都配置有突起，突起从接近包含孔本身的每个孔部分，向横跨孔的方向延伸。因此，能够调节通过孔部分的流体(气流和液流)，从而可以使传热壁面在传导热量方面改善传热效能。
图1为按照本发明的方法制造的部分传热壁的表面示意图;
图2-4为在图1所示的传热壁表面上形成的一个孔部分的平面放大图;
图5为沿图2中Ⅴ-Ⅴ箭头方向的视图;
图6为沿图2中Ⅵ-Ⅵ箭头方向的视图;
图7为沿图2中Ⅶ-Ⅶ箭头方向的视图;
图8是根据本发明所介绍的制造传热壁面的方法的一个实施例中，翅片成形方式的说明图;
图9为沿图8中Ⅸ-Ⅸ箭头方向的视图;
图10和11是表示每个浅沟槽端部的视图;
图12是表示翅片轮廓外形图;
图13-15是说明与传热壁面相接触的液体汽化方式;
图16表示本发明所介绍的传热壁面的一个实施例的传热特性曲线;
图17表示热传导率和ψ之间的关系曲线;
图18表示本发明所介绍的传热壁面的另一实施例的传热特性曲线。
下面介绍本发明的最佳实施例。图1示意出按照本发明所述的方法制造的传热管的壁面部分。如图所示，在传热管的管体1上设置许多平行延伸的微小通道2，这些通道以很小的间距彼此相隔开。在每个通道2的上方，外表面6上，有许多大致呈三角形的孔5，这些孔以一定规则的间隔排列着。每个孔中都有一个代表本发明特征部分的突起4。从平面上看，突起4的尺寸比三角形孔5的尺寸要小，如图2中所示。突起4是从孔5的一个侧边52引伸进到三角形孔5中，孔5的一个侧边52是从另一个与相连的通道2平行的侧边51延伸出去的。突起4相当于是通道2上侧壁3的一个面的扩展部分。另一个侧边53也是从孔5的侧边51伸展出去。并与侧边52相交，从而构成三角形的孔5。这样，突起4是以横跨的方式伸进孔5中，并将孔5的一部分封锁住。突起4可以采用所希望采用的任何形状，可以在突起4的前端部采用裂开的形式，如图3所示，也可在突起4的前端部采用两个舌片的形式，如图4所示。
从空间上看，由三角孔5上的一个侧边52上伸展的突起4是倾斜的，其倾角为5-80度，因此，它在52和53两侧边构成的水平面上，低于51和52构成的平面。突起4可以这样倾斜，即使它的基面大致平行于外表面6，或者垂直于外表面6，而它的前端部则是扭曲形状的。
如同上面所述结构的那种传热壁面，若采取本发明所介绍的制造方法，可很容易地生产出来，下面将详细叙述加工方法。欲制造如图1-7中所表示的传热壁面，其方法包括以下步骤第一工序是在用传热壁面材料作成的基体1的表面上，制作许多浅沟槽7，如图8-12中所示。第二工序是在基体1表面上的不同地区，横穿过浅沟槽7，以铲刮表面的方式而不采用切削表面层的方式进行局部铲刮，从而制作成许多翅片11。第三工序是将每个翅片11侧边的前端部分进行弯曲，以便使其与相邻的翅片11靠紧。接触，以上加工步骤将依次进行。
传热壁面基体或管体1是由导热性材料制成的，导热材料可以采用外径为18毫米，壁厚1.1毫米的铜管材，在形成浅沟槽7的第一工序中，导热材料制成的基体或管体1的外表面是用滚花刀具加工的，如图8和10所示，采用这种加工方法，在管体1壁面的外表面上，形成彼此靠近的、呈螺旋状盘绕的、具有V形横截面的许多浅沟槽7，这些沟槽相对于管体1的轴线成45度角的倾斜。各条浅沟槽最好以0.2-1.0毫米的间距彼此隔开。在本文所述的实施例中，沟槽间距为0.5毫米，沟槽深度为0.1～0.15毫米。
上面谈到的浅沟槽7的横截面形状为字母V形，但是，应该看到，发明并不只限于这一种特殊的形状。浅沟槽7可以是任何一种所需要的、通常的截面形状，如字母U形、梯形或弧形。虽然上述的浅沟槽7是用滚花加工方法加工出来的，但本发明也并不只限于这种专门的加工方式，而利用滚花刀具滚压成形或者用切削刀具进行机加工，对于制造浅沟槽7来说，都是可靠的方法。
在成形浅沟槽7以后的制造翅片11的工序中，用切削刀具10对管体1的外表面进行机加工，加工的方式是横跨浅沟槽7进行铲刮加工外表面，而没有切掉表面层，如图8和12所示。于是在管体1的外壁上就构成许多细小的翅片11。这些翅片彼此以大于切割入管体1表层的深度的间隙14相隔开。而且，在每个翅片的前端部都有大致为V形的切口12，在邻近翅片波谷处有隆起部分13。利用如图8中所示的机加工表面而变形刀具9，再加上切割刀具10，则可以很容易地在每个翅片11的切口12上，在波谷附近加工出隆起部分13来。
翅片11成形之后，位于机加工过的表面8上的浅沟槽，立刻就能显示出，如图10所示，可以清楚地看到每个浅沟槽为V形轮廓外形，这些外形没有任何畸变。翅片11成形后，将如图8所示的那种横截面形状的变形刀具9强制地靠在机加工过的表面8上，以便使每个浅沟槽7在一个方向上产生变形，如图11中7A所示。与迫使变形刀具靠在机加工过的表面8上的同时，将变形刀具9在同一方向上相对于切削刀具10产生移动，以便对表面8进行摩擦。于是，这就迫使V形浅沟槽7附近的机加工过的表面8上的材料，流动到沟槽7中。因此，这就把每个沟槽7都堵塞住了，如图11所示，或者说，把每个浅沟槽7的端部7A的形状改变了，如同在浅沟槽中覆盖堆集了上述的材料一样。在机加工过的表面8产生上述变形之后，管体表面借助于切削刀具10进行了铲刮，成形了翅片11，而没有切掉表面层。这样，构成图12中所示的翅片11，其中在每个翅片的前端部都有由各个浅沟槽7的痕迹构成的V形切口部分12，每个翅片切口12的邻近波谷处都有隆起部分13。由于每个翅片11是在管体上铲刮外表面，而不是切掉管体1的表面层而成形的，所以，以封闭每个浅沟槽7的形式，在机加工过的表面8上变形的沟槽7中的7A那部分，就形变成隆起部分13。各个小翅片11最好以0.2-0.5毫米的间距隔开。
在上面叙述的实施例中，已经用上述方法在铜管1上事先成形了浅沟槽7，然后再在铜管1上加工翅片。加工翅片的规范是切削角为25度，翅片与翅片间的距离为0.5毫米，切削深度为0.35毫米。采用这样的加工规范生产的翅片，其高度达0.90毫米，相对于铜管的中心线大致呈90度的倾斜角，且排列成盘绕的螺旋形状。实施例中，在切削刀具10上有一部分做成得与变形刃具9所起的作用相同，因此，在管体1的表面上进行铲刮而没有切削掉表面层之后，立刻就摩擦加工出了表面8。于是，每个翅片11的切口12邻近波谷处，形成了隆起部分13。
各个翅片在切口12的邻近波谷处构成隆起部分13之后，则进入对每个翅片的前端进行变形加工的阶段，在此工序中，将各翅片的11的前端部弯曲，弯曲的方向是朝向隆起部分13与邻近翅片中间部分接触的那一面。因此，使翅片11彼此相隔开的，由翅片顶部形成的空隙14就变得很小了。如图1所示，在外表面6的下面形成了通过小孔5与外界相连通的细微通道2，小孔5是由翅片11的切口12变形构成的，外表面6是由已变形的翅片11的前端部形成的。邻近翅片11上的切口12波谷处的隆起部分13变形成为在每个小孔5中出现的突起4。
将每个翅片侧边的前端部进行弯曲时，可以采用平滚轮压轧翅片的前端部，或者利用模具压延每个翅片。
在上述的实施例中，当平滚轮与铜管的外圆周保持接触时，每个翅片上都有隆起部分13的铜管1，围绕其中心轴线进行旋转，与此同时，铜管还进行轴向运动。由于在平滚轮上施加了压力，所以使铜管的外径减小到18.30毫米。在这步工序中，每个通道2上方的外表面6上，就形成了大致呈三角形的孔5，它们以规则的间距排列着。具有直径约为0.2毫米的假想内圆的孔5中，带有伸向各个孔5内的突起4，如图2所示。外表面6下边的各个通道2的宽度大约为0.26毫米，其高度大约为0.50毫米。
因为突起4是倾斜的，所以限定在孔5和突起4之间，沿突起4的不均匀形的边缘，在平面上以及在空间里，都提供了一条狭窄的间隙100(图2)。由于不均匀间隙100的存在，把孔5清晰地分成用来使泡状蒸汽流出通道2的部分和用于使液体从那里流进通道2的部分，因之，使有效地控制两股流体流成为可能。不均匀的狭窄间隙100可以采用改变突起4的外形或改变相对于孔5的彼此相互之间的位置达到，或者，也可以采用改变突起4和/或孔5的边缘厚度来达到。在利用这种方法获得狭窄间隙100时，突起4就不需要相对于壁表面6倾斜了。
孔5和突起4，在形状和构型上可以允许有各种不同的组合配置。由通道2中经过带有突起4的小孔5而释放出来的蒸汽流，对于通过小孔而导入通道2内的液流产生一个阻力。这样，就应当确定为释放适宜的蒸汽容积而需要的最合适的蒸汽通路面积。当蒸汽的通路面积是处于最佳值的范围之内时，按照本发明中的传热壁面所提供的热传导表面能达到很高的传热特性，并具备改善的传热效能。
上述结构形状的传热管1的表面被加热时，其温度高于被送进来的、与传热管相接触的、即汽化的液体温度时，就在每个通道2内产生汽泡103，如图13所示。
图13表示，在通道2的整个壁面上都覆盖了一层液体膜105。当通道2处在这种情况下时，本发明中的传热壁导热表面就在非常有利的条件下进行工作，并且也具有很高的汽化传热性能。更具体地说，当传热表面被加热时，热量从通道2的内壁面传递到通道2内的液体中去。在传热表面处在图13中所示的情况时，所有通道2的内壁面都有效地起到了传递热量的作用。这样，在加热传热壁面1时，传热壁面1上的热量首先传递到液体薄膜105上。液体薄膜105的厚度很小，所以液体很快就汽化了。将汽化潜热从通道2的内壁表面排出。一旦通道2的内壁表面上变得没有液体浸润时，液体就立刻通过小孔5输送到通道2中，于是在通道2的整个内壁表面上又重新形成了一层新的液体薄膜层105。这样，贯穿在整个工作期间，随时都有一层均匀的、厚度很小的液体薄膜105覆盖在通道2的整个内壁表面上。
当传热管1尚未有效地进行加热的情况下，通道2内产生的蒸汽容积很小，假设液体是一种处于液态状况下的冷却介质，那么，从通道2内释放到外面的气态冷却介质流对于进入通道2内的液态冷却介质流所施加的阻力将是很小的，这样，液态冷却介质就很容易进入通道2。由于这个原因，在通道2的局部地区充满了液态冷却介质，如图14中的106所示。本发明的微小突起4对通过小孔5流进通道2的液态冷却介质来说起到一种加热作用，因此，通道2上充满液态冷却介质的区域面积，要小于没有突起4存在的情况下，液态冷却介质有可能自由地进入通道2时的区域面积。这样，基于本发明中所提供的、设置的突起4的传热壁，就能够实现高汽化性能。
通道2处在图14所示的状况下时，产生汽化的液体薄膜105的表面积自然就减少了。通道2中充满液态冷却介质的区域上，液态冷却介质被加热时，热量是以产生的显热的方式传递的。热量以显热方式传递时的传热性能比以潜热方式进行传递的传热性能大大降低。在传热管1还没有有效地加热时，可以使突起4相应地增加尺寸，以减少引入到通道2中的液态冷却介质的容积。由于通道2上充满液态冷却介质的区域减少了，所以有助于改善传热性能。
然后，猛烈加热传热管1，通道2内产生的气态冷却介质的容积增加，与此同时，引入到通道2内的液态冷却介质的容积减少。当产生这种情况时，通道2内壁表面上并没有液体薄膜形成，而在通道2上构成直接与气态冷却介质相接触的未经湿润的一部分表面108，如图15中所示。在这种情况下，在未湿润的部分表面108上，热量将以显热的方式传递到气体冷却介质中。因此，传热的性能大大低于有液态汽化膜存在时，以潜热方式进行传递热量的性能。传热管1猛烈加热，可以相对地使突起4尺寸减少，以增加引入到通道2中的液态冷却介质的容积。由于通道2上未经湿润的部分的内壁表面面积减少，所以有助于改善传热性能。
从以上叙述的内容中，可以理解到突起4的尺寸值要有一个最佳的范围，这个范围是根据传热壁被加热的程度来确定的，以便获得较高的传热效能。
在上述本发明的实施例中，于外径为18mm，壁厚1.1mm的铜管外表面下，直接加工成具有最大高度为0.45mm，最小高度为0.3mm，宽度为0.25mm的螺旋盘绕的多个通道。通道之间彼此以0.5mm的间距隔开，通道相对于铜管的中心轴线大约呈90度的倾斜角。每个通道上方的铜管外表面，除安置有大致呈三角形的小孔的地区外，都是光滑的表面。每个三角形小孔的大小等于0.2mm的假想内圆直径的大小。小孔之间以0.8mm的间隔，沿每个通道安排。每个这种结构的小孔中，带有如图2所示的、以边52为基边的，并横跨小孔而延伸的突起。从平面上看，突起的尺寸要比小孔的尺寸小，该突起大约倾斜45度，因此，它在边52和53构成的水平面上，低于51和52构成的平面，如图5所示。
用ψ符号代表突起的面积与小孔面积的比值，如图2中所示，ψ值是在0.2和0.8之间变化。据此，制造出六种传热壁面。表1中表示这六种传热壁面的ψ值。
应用三氯氟甲烷(CFCl3)材料在这六种不同尺寸的传热壁面上，在大气压力下进行了实验。测定它们的大管汽化传热特性。实验的结果在图16中表示，图中线A、B、C、D、E和F分别代表传热壁面NO4、NO6、NO5、NO3、NO1和NO2的传热特性。
在空调系统中，或在致冷设备中，将上述带有传热壁的传热管浸没在液态的冷却介质中，以使冷却介质汽化，从而冷却流过传热管的水，冷却介质可以是氟里昂。在这种条件下，采用的热流速率约为104W/M2。图17表示传热速率与比值ψ之间的关系曲线，ψ为突起4的面积与使热流速率保持在常数104W/M2的条件时小孔5的面积的比值。从图中可看出，以平均值计算，ψ值的范围在0.5-0.7之间时，有可能达到高传热速率，或者说，对于每个传热壁面，应考虑使ψ值在0.4和0.8之间变化。
前面所介绍的情况说明，传热壁是浸没在液态冷却介质中，并使冷却介质在称为大容量沸腾的条件下汽化。然而应该理解，本发明中的传热壁面，并不限于浸没在液态冷却介质中使用，本发明可以应用在以下系统中，即将冷却介质滴入或喷雾至传热壁上，从而在传热壁上提供一层为汽化用的薄薄的冷却介质涂层。图18表示出了对表1中NO1-NO6六种传热壁面进行实验的结果，如同在图16中所表明的实验结果一样，是用来确定传热壁面的大管状薄涂层汽化传热特性的。图中线A′、B′、C′、D′、E′和F′分别表示图16中相应的传热壁面A、B、C、D、E和F。可以看出，传热壁具有优良的沸腾传热特性，同时也具有优良的薄涂层汽化传热特性。并且，为了获得这样的最佳薄层汽化传热特性，ψ的平均值应在0.5-0.7范围内。或者，对于每个传热壁面来说，应考虑使ψ值在0.4和0.8之间变化。
上述所介绍的实施例中，通道为连续的螺旋状盘绕的。但是，本发明的通道不只限于这种特殊的结构形式，它可以是线性的或者圆弧形的。当然，传热壁面也可以是管状的，圆环状的，板形或其它形状的。上面介绍的传热壁面材料为铜，但本发明也不只限于这种特殊材料，根据本发明，它可以由任何称为金属或合金的材料制成。
权利要求
1.制造用于汽化液体的传热壁的方法。其步骤包括在传热壁的表面上形成许多浅沟槽；穿过浅沟槽，对传热壁的表面进行机加工，用切削刀具铲刮表面，而不切掉表面层，从而形成了许多翅片，每个翅片的前端都有一个切口，在切口的倾斜部分或者在波谷部分有一隆起；和将翅片的前端部朝着横跨翅片的方向进行弯曲。以便使翅片与相邻翅片接触。因此构成许多带有很多小孔的细长微小通道，每个通道通过与其相连的那些小孔和外界连通，每个小孔都有位于孔内的、并以横穿过孔的形式而延伸到孔内的突起。
2.按照权利要求
1中所述的制造传热壁面的方法，其特征在于在完成对传热壁表面进行机加工以便铲刮表面而不切掉表面层这道工序以前，已加工过的表面要强制地在一个方向上产生变形，因而使加工过的表面上的浅沟槽端部发生变形。
3.用于汽化液体的传热壁面，包括在所述传热壁外表面下形成了许多细长微小的通道，它与液体接触，并通过外表面与液体相隔离，每个通道都与相邻的通道平行，并以微小的间距与相邻通道隔开;和在把通道与液体相隔开的外表面上成形许多小孔，上述小孔是沿着通道方向有规则地、彼此相隔很小间距地设置着的，使通道通过该小孔与外界保持连通，每个小孔都有一个位于孔内的，以横跨孔的方式从孔的邻边处延伸到孔内的突起，从平面上看，突起的尺寸是这样规定的，即突起的面积与上述小孔面积的比值，要在0.4和0.8范围内。
专利摘要
传热壁面和制造传热壁面的方法。传热壁面中包括许多在与液体接触的壁面的外表面下方的、平行延伸并彼此相隔很小间距的细小通道，以及在通道的上方的传热壁的外表面上形成的许多小孔、这些小孔沿着通道有规则地间隔地安排着，便通道与外界相连通。每个孔都包含位于孔内的突起，突起以横跨孔的形式从孔的邻边延伸到孔中。因此，利用突起部分能够对进到通道内的液流和从通道内流出的气流进行适当的调节，从而使传热壁实现高的传热效能。
文档编号B23P15/26GK85106691SQ85106691
公开日1986年4月10日 申请日期1985年9月5日
发明者桑原平吉, 高桥研二, 柳田武彦, 中山恒, 杉本滋郎, 中山义彦, 大泉清, 佐佐木敏, 吉田博通, 福田重穗 申请人:株式会社日立制作所, 日立电线株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan