传热管及其制造方法和用途的制作方法

专利名称：传热管及其制造方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及传热管及其制造方法和用途。更具体地说，本发明涉及一种改进的沸腾管及其制造方法，以及该管在改进的制冷剂蒸发器或冷却器中的用途。
背景技术：
工业用空调和制冷系统的一个组成装置是制冷剂蒸发器或冷却器。简单来说，冷却器吸收进入设备的冷却介质的热量，并将再生的冷却介质送入空调或制冷系统，以对设备、装置或给定区域进行冷却。制冷剂蒸发器或冷却器用液态制冷剂或其他工作流体完成该项功能。制冷剂蒸发器或冷却器降低冷却介质例如水(或其他流体)的温度，降到低于周围环境的温度以供空调或制冷系统使用。
一种类型的冷却器是溢流式冷却器。在溢流式冷却器中，多个传热管完全浸入两相沸腾的制冷剂中。制冷剂通常采用有特定沸腾温度的烃的氟氯化合物(即“氟里昂”)。冷却介质，通常是水，由冷却器处理。冷却介质进入蒸发器并被送入浸于沸腾的液态制冷剂内的多个传热管中，由此，这些传热管通常被称为“沸腾管”。通过多个传热管的冷却介质将其热量传给沸腾的制冷剂，其自身得到冷却。从沸腾的制冷剂中出来的蒸汽被送入压缩机，该压缩机将蒸汽压缩至高温高压状态。高温高压的蒸汽接着进入冷凝器被冷凝，随后进入膨胀装置和蒸发器以降低温度和压力。本领域普通技术人员可以想到前述发生就是熟知的制冷循环。
众所周知，浸入制冷剂的沸腾管的换热能力可以通过在传热管外表面形成翅片得以提高。通过改进沸腾管和冷却介质接触的内表面可以提高换热能力也是公知的。改进换热管内表面的一个例子可参见授权给Wither，Jr.等人的美国专利3847212，该专利公开了在换热管内表面形成脊状凸起的方法。
通过改进翅片进一步提高换热能力也是公知的。例如一些沸腾管被制成泡核沸腾管。泡核沸腾管的外表面形成多重空腔或孔隙(通常称为沸腾或泡核区)，用以提供可以形成小的制冷剂汽泡的开口。汽泡总是在泡核区的底部或根部形成并逐渐变大，直至脱离管子外表面。汽泡脱离之后，另外的液态制冷剂填补空缺，这个过程不断重复，形成其他汽泡。这样，液态制冷剂在金属管外表面上的多个泡核沸腾区被沸腾或蒸发。
授权给Cunningham等人的美国专利4660630公开了通过对管子外表面上的翅片切凹槽或开槽以形成泡核沸腾空腔或孔隙。凹槽在和翅片平面基本垂直的方向上形成。管件内表面包括螺旋凸起。该专利也公开了交叉开槽的操作方法，该方法将翅片端部变形，形成比表面开口更宽的泡核沸腾空腔(或通道)。这种结构允许汽泡向外穿过空腔，到达或穿过更窄的表面开口，更加强化了传热。按照Cunningham等人的专利制造出的各种换热管由Wolverine Tube公司经销，其商标为TURBO-B。商标为TURBO-BII的另一种泡核沸腾管，其凹槽和翅片平面成锐角。
在一些传热管中，翅片成形后被滚压和/或碾平以在大的空腔或通道上层叠产生较窄的间隙，这些空腔或通道由翅片根部和相邻的一对翅片的侧面界定。以下美国专利中的管件是上述传热管的示例授权给Cunningham等人的美国专利4660630；授权给Zohler的美国专利4765058；授权给Zohler的美国专利5054548；授权给Nishizawa等人的美国专利5186252；授权给Chiang等人的美国专利5333682。
控制泡核沸腾孔隙的密度和大小已在已有技术中公开。此外，孔隙大小和制冷剂类型之间的相互关系也在已有技术中公开。例如，授权给Bohler的美国专利5146979提出使用的管的泡核沸腾孔隙的大小在0.000220至0.000440平方英寸(孔隙总面积占总外表面积的14％-28％)范围内时，可以提高使用高压制冷剂的性能。再例如，授权给Thors等的美国专利5697430也公开了一种具有多个在径向向外延伸的螺旋翅片的换热管。该管的内表面有许多螺旋脊状凸起。外表面的翅片经开凹槽形成了有孔隙的泡核沸腾区。翅片和凹槽隔开使孔隙平均面积小于0.00009平方英寸，孔隙密度为每平方英寸管件外表面至少2000个。内表面上的螺旋脊状凸起有预定的脊高和间距，并以预定的螺旋角定位。按照上述发明制造的管件已经以TURBO-BIII为商标进行生产和销售。
工业上继续探究新的改进的设计来增强传热和冷却器性能。例如，美国专利5333628公开了一种具有外部表面的传热管，为促进泡核沸腾，不仅增加了管子外表面面积，还提供了泡核区的再入腔。同样的，美国专利6167950公开了一种冷凝器用传热管，有凹槽和翅片的表面促进制冷剂从翅片中溢出。由上述的技术进步可知，提高泡核沸腾传热管的传热性能并将其生产成本和制冷系统操作成本维持在最低水平仍然是一个目标。这些目标包括设计更有效的传热管和冷却器，以及这种传热管的生产方法。基于上述目的，本发明旨在总体上改进换热管的性能，特别是用在溢流式冷却器或降膜式冷却器中的换热管性能。

发明内容
本发明通过形成和提供加强的泡核沸腾空腔来改进现有的传热管和制冷剂蒸发器，这种改进增强了管子换热能力，其结果是提高了使用一根或多根这种管子的冷却器的性能。可以理解，本发明的一个优选实施例包含或包括一个具有至少一个双腔沸腾空腔或孔隙的管子。尽管这里揭示的传热管使用在高压沸腾制冷剂中特别有效，它们同样可用于低压制冷剂。
本发明包括一种改进的传热管。本发明改进的传热管适用于沸腾式或降膜式蒸发应用，该传热管的外表面和沸腾的液态制冷剂接触。在优选实施例中，传热管外表面形成有多个径向向外延伸的螺旋翅片。翅片上开有凹槽，端部弯曲形成泡核沸腾空腔。翅片根部也可开凹槽以增加泡核沸腾空腔的体积和大小。翅片的顶表面弯曲并碾压以形成第二个空腔。这种结构限定出双腔孔隙或通道来增加汽泡的产生。管子内表面也被增强，例如，沿内表面提供螺旋脊状凸起，进一步增强流经传热管的冷却介质和传热管浸入其中的制冷剂之间的传热。当然，本发明不局限于任何特殊的内表面增强措施。
本发明还包括改进的传热管的制造方法。本发明方法的优选实施例包括以下步骤在传热管外表面上形成多个沿径向向外延伸的翅片，弯曲传热管外表面上的翅片，开凹槽并弯曲剩余的(在凹槽之间的)材料形成双腔泡核沸腾区，增强流经传热管的冷却介质和传热管浸入其中的制冷剂之间的传热。
本发明还包括改进的制冷剂蒸发器。改进的蒸发器或冷却器包括至少一个按照本发明制造的传热管，该传热管适用于沸腾式蒸发器或降膜式蒸发器。在优选实施例中，传热管的外部包括许多沿径向向外延伸的翅片。翅片开有凹槽。弯曲翅片以增加进行热交换的可用面积，并形成双腔泡核沸腾区，从而增强传热性能。
本发明的一个目的是提供一种改进的传热管。
本发明的又一目的是提供一种适于溢流式蒸发器和降膜式蒸发器使用的改进的传热管。
本发明的又一目的是提供一种限定了至少一个双腔泡核沸腾区的改进的传热管。
本发明的又一目的是提供一种适于沸腾式蒸发器和降膜式蒸发器使用的传热管的制造方法，在该传热管的外表面具有至少一个双腔泡核沸腾区以增强传热管的传热能力。
本发明的又一目的是提供一种改进的泡核沸腾管，管子外表面上的翅片弯曲，为对流蒸发提供额外的表面积，从而增强传热管换热能力。
本发明的又一目的是提供一种在管外表面上具有表面增强措施的传热管，可由翅片产生装置在其外表面一次加工成形。
本发明的又一目的是提供一种包括对内表面进行表面增强的传热管，促进管内液体流动，增加内表面积，并促进流体和内表面的接触，从而进一步增强传热管的换热能力。
本发明的又一目的是提供一种限定了至少一个双腔泡核沸腾区的改进的传热管的制造方法。
本发明的又一目的是提供一种改进的制冷剂蒸发器。
本发明的又一目的是提供一种具有至少一个带有至少一个双腔泡核沸腾区的传热管的改进的制冷剂蒸发器。
本发明的又一目的是提供一种具有多个传热管的改进的制冷剂蒸发器，每根管上有多个双腔泡核沸腾区。
本发明的又一目的是提供一种具有至少一个有双腔泡核沸腾区的传热管的改进的制冷剂蒸发器。
本发明的又一目的是提供一种通过弯曲翅片限定多腔泡核沸腾区制造传热管的方法。
本发明的这些目的和其他特征及优点将通过阅读具体发明内容包括附图来证明和理解。


图1是按照本发明制造的制冷剂蒸发器示意图。
图2是按照本发明制造的传热管的轴向剖面局部放大图。
图3是按照本发明制造的传热管的一个优选实施例的轴向剖面局部放大图。
图4是图2的传热管进行翅片弯曲后的外表面的显微照相。
图5是图4沿线3-3的剖面图。
图6是图4沿线4-4的剖面图。
图7是按照本发明制造的传热管翅片弯曲之前进行根部和翅片上开凹槽操作之后的外表面的显微照相。
图8是图3传热管外表面的示意图。
图9是本发明的传热管和美国专利5697430公开的传热管效率因子的比较图表。
图10是本发明的传热管和美国专利5697430公开的传热管内部传热性能的比较图表。
图11是本发明的传热管和美国专利5697430公开的传热管的压降的比较图表。
图12是制冷剂为HFC-134a时传热管在不同的热通量Q/Ao下的总传热系数Uo的比较图表。
具体实施例方式
下面详细说明附图，在附图里，相同的数字表示相同的部件。附图1表示按照本发明制造的多个传热管，以10表示。传热管10置于制冷剂蒸发器14内。本领域技术人员可以理解，单根管10a、10b、10c是制冷机的蒸发器14内使用的可能几百个传热管10中有代表性的。传热管10可以以任何合适的方式固定以完成本发明。蒸发器14包括沸腾制冷剂15，制冷剂15从冷凝器经开口20进入蒸发器14的外壳18。外壳18中的沸腾制冷剂15有两相，液相和汽相。制冷剂蒸汽通过蒸汽出口21脱离外壳18。本领域技术人员可以理解，制冷剂蒸汽送入压缩机，被压缩成高温高压蒸汽，以备公知的制冷循环使用。
在此详细描述多个传热管10a-c，它们以任何合适的方式放入并悬置在外壳18内。例如传热管10a-c可以由挡板或类似物支承。制冷剂蒸发器的这种结构公知于现有技术。冷却介质，经常是水，通过入口21进入蒸发器14并进入入口集箱24。以相对较热的状态进入蒸发器的冷却介质从集箱24进入多个传热管10a-c，在此冷却介质将其热量传给沸腾制冷剂15。冷却后的冷却介质流过传热管10a-c并从中流出进入出口集箱27。再生后的冷却介质经出口28流出蒸发器14。本领域技术人员可以理解溢流式蒸发器仅是制冷剂蒸发器的一个例子。该领域中已知的还有几种其他类型的蒸发器，包括吸收式制冷机用蒸发器，以及降膜制冷机中采用的蒸发器。本领域技术人员可以想到本发明可普遍用于冷却器和蒸发器，并且本发明不局限于商标和类型。
图2是典型传热管10的局部平面放大图。与图2相匹配，图3是优选传热管16的剖面放大图。首先看图2，传热管10具有一个外表面30，一个内表面35，内表面上有许多脊状凸起38。本领域技术人员可以想到管内表面可以是光滑的，也可以有脊状凸起或凹槽，或以其他方式增强换热。因此，可以理解为本发明实施例尽管显示的是许多脊状凸起，但这并不限定本发明。
转到典型实施例，在管内表面上的脊状凸起38的间距为“p”，宽度为“b”，高度为“e”，每个值都由图3确定。间距“p”限定脊状凸起38之间的距离，高度“e”限定脊状凸起38的顶端39和脊状凸起38的最内侧之间的距离，宽度“b”由脊状凸起38和顶端39相接触的外侧最上端处测量得出。螺旋角“θ”由管的轴线处测量，也由图3示出。因此，可以理解，传热管10(典型实施例中的)的内表面35具有螺旋脊状凸起38，并且这些脊状凸起有预定的脊高和间距，并按一定螺旋角对齐。这些预定的尺寸可以根据特殊要求而更改。例如授权给Wither，Jr.的美国专利3847212公开了以较大间距(0.333英寸)和较大螺旋角(51°)排列的数量较少的脊状凸起。优化选择这些参数可更好地增强传热管的换热能力。本领域技术人员可以想到这种内表面增强措施，不需在此进行详述。例如，授权给Wither，Jr.等人的美国专利3847212公开了这种内表面增强措施的结构和成型方法。
传热管10的外表面30一般讲开始是光滑的。因此可以理解，随后，对外表面30加工变形或增强来产生多个翅片50，进而如下所述，提供多重双腔泡核沸腾区55。尽管本发明详细描述的是双腔泡核沸腾区，也可以想到本发明包括的传热管具有多于两腔的泡核沸腾区。这些区域55，通常指空腔或孔隙，包括通常置于管外表面30上或其下的管结构上的开口56。开口56作为小循环系统来引导液态制冷剂进入回路或通道，以使制冷剂和泡核区相接触。这种类型的开口一般由在管外装翅片而产生，通常在翅片顶端形成纵向凹槽或缺口，然后加工外表面使之变形，从而在传热管表面上得到平坦的区域，但在翅片根部有通道。
更详细地说明图2和图3，传热管10的外表面30在其上形成有多个翅片50。翅片50可以使用传统的加翅机械以已知的方法制作，例如，可参考授权给Cunningham等人的美国专利4729155。使用的辊轴数量取决于制造因素如管子大小、生产能力等。辊轴按一个合适的增量环绕管子设置，每个辊轴优选地以和管子轴线成一定角度的方向装配。
更详细地说明图7和图8，加翅盘在管子外表面按压或加工变形金属形成翅片50，以及相对较深的凹槽或通道52。可以看出，通道52在翅片50之间形成，并且两者都环绕传热管10。由图3可以看出，翅片50有一定高度，其由通道52(或凹槽)的内侧部分57到翅片的外侧表面58处测量。另外，翅片50的数量可以根据不同的应用而变化。翅片高度的优选范围是0.015到0.060英寸，每英寸翅片数的优选范围是40到70，但这不构成对本发明的限定。由此可以理解，制作翅片的过程生成了多个第一通道52，如图7和图8所示。
翅片成形后，再对每个翅片50的外表面57进行开槽从而得到多个第二通道62。这种开槽可由开槽盘来实现(例如可参见授权给Cunningham的美国专利4729155)。第二通道62位于与第一通道52成一定角度的位置，并与其相互连接，如图7和图8所示。美国专利5697430中公开的开槽操作是完成这种开槽操作的适宜的方法，这样，限定出了第二通道62，并形成了许多凹槽64。
开槽之后，翅片50的外表面57由压缩盘碾平或弯曲(例如可参见授权给Cunningham的美国专利4729155)。这一步骤碾平或弯曲每个翅片的顶端或头部，制造出如图7和图8所示的外形。可以理解，前述的操作在通道52和62的交界处生成多个孔隙70。这些孔隙70限定出泡核沸腾区，每个泡核沸腾区由孔隙的尺寸来限定。更详细地，见图3，第一次碾平或弯曲操作形成了主泡核沸腾空腔72。
碾平之后，翅片50被一个滚压工具再次滚压或弯曲。滚压操作越过碾平的翅片顶端施加作用力。翅片50被用工具弯曲或滚压从而至少部分地覆盖翅片凹槽64，这样就在弯曲的翅片50和翅片凹槽64之间形成了第二泡核沸腾空腔74。第二空腔74在主空腔30上提供额外的翅片面积，以促成更强的对流和泡核沸腾。这样，孔隙70在通道52和62的交界处生成。每个孔隙70有孔隙开口，其决定蒸汽从沸腾或泡核区溢出的开口尺寸。本发明的优选实施例限定了两个空腔，主空腔72和第二空腔74，来增强传热管的性能。
传热管10优选地在翅片(“翅片根部区域”)之间的第一通道52上开凹槽，这样就在根部表面上形成根部凹槽。开凹槽由根部开槽盘来完成。尽管在根部区域可能要开各种形状和大小的根部凹槽，但是根部凹槽通常优选地制成梯形。尽管环绕每个凹槽20一周可以形成任何数量的根部凹槽，但一个圆周根部凹槽的推荐个数是至少20到100个，优选47个。另外，根部凹槽26优选的深度范围是0.0005英寸至0.005英寸，最优值是0.0028英寸。
对传热管10的内表面35和外表面30的增强措施增加了传热管的总效率，这是通过增加外部(ho)和内部(hi)的传热系数来实现，进而增加了总传热系数(Uo)，同时降低了从管子一侧到另一侧的总热阻(RT)。传热管10内表面35的各个参数通过增加流体可能接触的表面积来增加内部传热系数(hi)，并且允许传热管10内的流体在传热管10的整个管长形成涡流。涡流可以使流体和内表面14处于较好的传热接触状态，但是避免了过多的湍流，这些湍流将产生不希望有的压降。
此外，传热管外表面30的根部开槽以及弯曲(和传统的碾平相反)翅片50增加了管外的热交换，也因此增加了外传热系数(ho)。根部凹槽增加了泡核沸腾空腔的大小和表面积以及泡核区的数量，有助于保持表面湿度，这样在需要的位置就会有表面张力，表面张力有助于促进更薄的膜态沸腾。翅片弯曲的结果是在每个主空腔50上形成了更多的空腔(如第二空腔74)，这些空腔用于向制冷剂传导更多的热量，上升的汽泡以对流和/或泡核沸腾的方式脱离第二空腔60，传热穿过液体和蒸汽的中间相，其中泡核沸腾取决于热通量和液体/蒸汽沿传热管外表面的运动。本领域技术人员可以想到，外部沸腾系数是泡核沸腾项和对流分量的函数。尽管泡核沸腾是传热的主要因素，对流项也很重要，而在溢流式蒸发器制冷机中，对流项是更重要的因素。
本发明的传热管10在各方面都胜过美国专利5697430公开的传热管(在后面的表格和图表中称为“T-BIII管”)，在如今普遍商业化应用的传热管中，本发明传热管的蒸发性能是最好的。为了对本发明改进的传热管10(在后面的表格和图表中称为新管)和T-BIII管进行比较，表1列出了新管和T-BIII管的尺寸特征。
表1具有多起点的内部脊状凸起的铜管的尺寸特征

表2比较了新管和T-BIII管的内部性能参数。在管侧水流速度恒为5GPM，平均水温恒为50°F的条件下对两种管进行比较。表2是对标称外径为3/4英寸的传热管进行的比较。
表2具有多起点的内部脊状凸起的试验用铜管的管侧性能特征

上述数据表明了新管压降的减少和传热效率的增加。由表2和图11可以看出，相对于具有光滑内壁的管子，在5GPM的恒定流速下，新管的压降率(Δpe/Δps)比T-BIII管小约5％。由表2和图10还可以看出，新管的斯坦顿数比(Ste/Sts)比T-BIII管高约2％。压降和斯坦顿数比可以综合至传热相对压降的总比率，定义为“效率因子”(η)，和光滑内壁管相比，这是压降与传热的总测量值。流速为5GPM时，新管的效率因子η为0.82，而T-BIII管的为0.78，新管提高了约5％，如图9所示。流速为7GPM(通常的操作条件)时，效率因子将得到更大的提高。
表3比较了新管和T-BIII管的外部性能参数。管子长8英尺，分别悬吊于温度低于58.3华氏温度的制冷剂储槽中。水流速保持在5.3英尺/秒，入口水温使所有管子的平均热通量保持在7000Btu/hr ft2的定值。管子由铜制成，有3/4英寸的标称外径，并有相同的壁厚。所有测试中制冷剂均不含油。
表3具有多起点的内部脊状凸起的试验用铜管的外侧和总的性能特征。

图11是新管和T-BIII管在HFC-134a制冷剂中不同热通量Q/Ao下的总传热系数Uo的比较图表。水流速为5GPM，热通量为7000(Btu/hr ft2)时，新管的总传热系数比T-BIII管提高15％(也见表3)。
前面所述是为了说明、解释和描述本发明的实施例。进一步的修改和改进这些实施例对本领域技术人员是显而易见的，都将被认为是不脱离本发明要旨或下述权利要求的保护范围。另外，本领域普通技术人员能够根据本发明的公开，得到具有独特外形的翅片，其生成了具有多重空腔的泡核沸腾区，例如双腔。本发明提供这种独特外形不需削掉任何金属来生成孔隙，并且提供一种制造改进的传热管的改进的制造方法。然而需要进一步指出的是，在溢流式冷却器中使用一个或更多这种传热管可以提高冷凝却器的传热性能。因此，前述对代表性的优选实施例和本发明的解释和描述将在权利要求书中阐明。
权利要求
1.一种适于制冷剂蒸发器使用的传热管，包括一个外表面，所述外表面包括多个径向向外延伸的螺旋翅片，相邻翅片之间延伸有通道，所述翅片被开槽来限定凹槽；至少一个泡核沸腾孔隙，在凹槽和通道交界处形成；翅片被开槽和弯曲以使相邻翅片形成通道，该通道在相邻泡核沸腾孔隙之间延伸，由此所述孔隙限定一个主泡核沸腾空腔；以及翅片进一步弯曲以便限定第二泡核沸腾空腔。
2.一种制造传热管的方法，该传热管用于与制冷剂接触，其内表面用于与有待再生的冷却介质接触，该方法包括(a)在管子内侧形成多个螺旋脊状凸起；(b)在管子外表面形成多个径向向外延伸的翅片；(c)对所述翅片开凹槽，以便通过在第一方向上形成多个第一凹槽并在第二方向上形成多个第二凹槽来提供一个主泡核沸腾空腔；以及(d)弯曲所述翅片以便提供与所述主泡核沸腾空腔相连通的第二主泡核沸腾空腔，其中，该过程在所述凹槽的交界处限定一个泡核沸腾孔隙，所述孔隙具有一个主空腔和一个第二空腔。
3.一种改进的制冷剂蒸发器，包括一个外壳；包含在所述外壳内的制冷剂；以及包含在所述外壳内并浸入所述制冷剂中的至少一个传热管，所述传热管包括至少一个限定出主空腔和第二空腔的泡核沸腾孔隙。
全文摘要
本发明提供一种改进的传热管及其改进的制造方法和用途。本发明还提供一种制冷剂蒸发器用沸腾管(10)，其上至少具有一个双腔泡核沸腾区(55)。本发明还提供了一种包括至少一个上述沸腾管的制冷剂蒸发器，以及上述沸腾管的制造方法。
文档编号F28F13/18GK1826504SQ03808746
公开日2006年8月30日 申请日期2003年4月21日 优先权日2002年4月19日
发明者佩图尔·托尔斯, 汤米·泰勒 申请人:沃尔弗林管子公司