专利名称：用减小的管子直径制造管翅式换热器的方法和由此生产出的优化翅片的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及管翅式换热器，具体涉及管翅式换热器的新颖翅片设计。
背景技术：
如图1所示，通常的管翅式换热器(10)包括一叠大体平坦的金属翅片(12)，这些翅片夹在顶端板(14)和底端板(16)之间。用来标示换热器端板的术语“顶”和“底”是基于在垂直发夹式膨胀压机中的膨胀过程中的换热器定向而得出的，并不一定表示在任意特定安装处的换热器定向。翅片(12)具有贯穿形成的多个套环孔(18)，顶端板和底端板(14，16)具有贯穿形成的对应孔00)。当翅片(12)和端板(14，16)叠在一起时，各孔(18，20)轴向对准，用于接纳多个贯穿该叠的U形发夹管0幻。发夹管0 通过将一定长度的管子绕小直径心轴弯曲180度而形成，这些管子通常是铜、铝、钢或钛的。发夹管0 从底端板(16)馈送穿过松散堆叠的翅片组件，以使发夹管的敞开端部06)延伸超过顶端板(14)。顶端板(14) 滑过发夹管0 的敞开端部(26)，发夹管0 从翅片(1 内机械地膨胀以与翅片产生紧配合。最后，回弯配件04)锡焊或铜焊至发夹管0 的敞开端部( )，从而形成穿过成叠翅片(1 的蜿蜒流体回路。有利的是，使用非常小直径的发夹管，从而在给定的换热器尺寸和几何形状下使换热面积最大化。较小的管子增大了在换热器制冷侧的总换热面积和换热系数，这显著提高了系统效率。此外，较小的管子直径减小了换热管之后的气流尾流效应，这减小了由于管子面向进气而产生的压降。在空气侧较低的压降降低了风扇电动机功率要求，增大了翅片面积，从而进一步提高了系统换热效率。此外，管子直径越大，管壁厚度就必须越厚以承受给定的压差。因此，较小的管子直径允许在给定制冷剂压力下的较薄管壁，这降低了材料成本。根据现有技术的目前状态，供暖通风空调(“HVAC”)行业通常使用直径为 7.0mm-9.5mm(3/8英寸)的发夹管来制造管翅式换热器。尽管行业需要制造较小直径的换热器盘管，但是现有技术的制造技术将这种盘管局限于较短的长度，结果小直径盘管的商业成功度有限。问题的根源在于当发夹管变得太小时，穿入过程变得极难，这阻止了任意最短换热器的商业可行制造。例如，长度为六英尺或以上的换热器可用3/8英寸的铜管容易地制成。然而，当使用5mm铜管时，由于大量翅片的“中国手铐”效应，将其穿入长于约36 英寸的换热器还没有商业可行过。因此希望的是，提供一种制造工艺，该制造工艺生产出较硬的换热器翅片，这些翅片生产成使小直径(例如5mm或更小)盘管的穿入过程变得容易。现有技术的管翅式换热器特征在于7mm至3/8英寸的管子，其通常采用翅片宽度为19mm-22mm、横向管子间距为19mm_25. 4mm的翅片。具有这些现有技术翅片尺寸的翅片对于小直径(例如5mm)管子不能发挥优化性能。因此还希望的是，提供一种换热器翅片， 该换热器翅片对于小直径管子具有改进的优化热力学性能，导致换热器系统占据较小的空
发明内容
本发明的主要目的是提供一种用于生产较硬翅片的制造工艺，从而促进将具有 5mm或更小直径的管子穿入大尺寸的管翅式换热器中。本发明的另一目的是提供一种换热器制造工艺，其中，采用具有多个纵向肋的换热器翅片来改进穿入过程。本发明的另一目的是提供一种换热器翅片，该换热器翅片设计和布置成使用5mm 或更小直径的管子以使热力学上的传热最大化。本发明的另一目的是提供一种换热器翅片，该换热器翅片促进来自翅片的冷凝流。以上目的以及本发明的其它特征通过一种制造管翅式换热器的改进方法来实现， 根据一较佳实施例，该方法包括提高换热器翅片的硬度和刚度的工艺。较硬翅片具有使一叠翅片保持适当对准的较好趋势，这帮助用小直径(例如5mm)的管子穿入长叠的翅片。较佳的是，通过在翅片冲压过程中在翅片内形成多个纵向肋，可提高翅片硬度。更佳的是，对于每纵向列的套环孔设置两个肋。本发明的较佳实施例还包括开槽的换热器翅片，当该换热器翅片与小直径管子一起使用时，其尺寸和布置设计成优化热力学性能，因此降低给定换热系统所需的空间。翅片较佳地包括狭缝，狭缝的端部具有相对于气流的30度入射角，这帮助重新引导气流从管子经过套环孔，从而避免管子后方的尾流区域，并在平行的狭缝之间提供更有效的空气混合。倾斜的狭缝端部还在翅片的最远离相邻管子的区域产生紊流，这改进了该区域上的传热。
下文将基于附图所示的实施例来详细描述本发明，在附图中图1是现有技术的典型管翅式换热器的立体分解图；图2是根据本发明第一实施例的设置成用于单纵向列5mm发夹管的换热器翅片的一部分的立体图，示出了较佳的狭缝布型和一对形成在翅片中的纵向肋，该狭缝布型在成对的套环孔之间重复，该纵向肋界围套环孔；图3是图2的单发夹管列换热器翅片的该部分的俯视图；图4是根据本发明第二实施例的设置成用于双纵向列5mm发夹管的换热器翅片的一部分的立体图，示出了较佳的狭缝布型和两对形成在翅片中的纵向肋，该狭缝布型在成对的套环孔之间重复，该纵向肋界围双纵向列的套环孔；图5是图4的换热器翅片的该部分的俯视图；图6是图4的换热器翅片的该部分的仰视图；图7是沿图5的线7-7所剖取的、图4的换热器翅片的放大剖视图，以虚线示出的套环孔以显示凸起狭缝的细节；图8是图4的换热器翅片的该部分的左侧视图(翅片的前部由入射气流来限定)；图9是沿图5的线9-9所剖取的、图4的换热器翅片的该部分的纵向肋的放大剖视图；图10是图4的换热器翅片的一部分的俯视图，示出了凸起狭缝的布型的细节和较佳尺寸，以使采用5mm发夹管的热力学性能优化；以及图11是沿图11的线11-11所剖取的、凸起叶片的放大剖视图。
具体实施例方式图2-12示出了尺寸设计成用于例如5mm或更小外径的小管子的翅片12'，较佳地用于传统空气调节器的冷凝器或蒸发器。图2和3示出了根据本发明第一实施例的换热器翅片12'，其特征在于用在单列盘管组件中的单纵向列的套环孔18'。图4-8示出了根据本发明第二实施例的换热器翅片12'，其包含用在双列盘管组件中的双纵向列的套环孔 18'。然而，根据本发明，翅片12'可以设置成用于三列、四列、五列、六列或更多列盘管。 翅片12'的前缘和后缘较佳地具有波浪边缘。首先参见图2-6，根据本发明的较佳实施例，5mm或更小直径的管翅式换热器的制造过程包括在成形换热器翅片时的新颖且非显而易见的处理步骤。如同现有技术的换热器翅片12那样，翅片12'通过冲压工艺在翅片冲压机中成形，该冲压机诸如是美国密歇根州斯达哲斯市的布尔OAK工具公司所生产的。翅片坯料以金属板片卷的形式传送到冲压机。 可使用各种金属、热处理和厚度，但是铝是普遍的行业选择。翅片坯料从开卷机放出，经过润滑，然后馈送通过冲压机，在该冲压机中，模具曳拉、刻划、冲出套环孔，并将翅片切割至所想要的长度和宽度。冲压通常以若干阶段发生。然而，在较佳的制造过程中，翅片冲压机包括如下模具该模具对于每纵向列的套环孔18'将两个纵向肋100成形在翅片12'中。纵长加强肋100的目的是帮助制造盘管组件。较硬翅片具有使一叠翅片在穿入台上保持适当对准的较好趋势，这帮助用小直径(例如5mm)的管子穿入长叠的翅片。每纵向列的套环孔18'设置在其自身成对的纵向肋100之间。对于单列盘管布置，翅片12'具有两个肋100(图2- ，而对于双列盘管布置，翅片12'具有四个肋100(图 4-6)。因此，在相邻列的纵向套环孔18'之间，有两个纵向肋100。在本发明一较佳实施例中，肋100在翅片12'的表面103上的高度h,(图9)是0.05-0. 25mm。更佳的是，h,是约 0.125mm。在制冷剂蒸发过程中，肋100还有利于去除翅片上形成的冷凝物。肋100用来在多盘管布置的管列之间提供冷凝物跟随的路径。在单列盘管布置中，肋100在翅片的前缘和后缘(相对于翅片上气流)上提供冷凝物流动路径。肋100促进冷凝物从翅片12'的排放，因此使冷凝物滞留的可能性最小化，即，使冷凝物吹离翅片并夹带在横跨翅片12'的气流中的可能性最小化。换热器能力和效率由翅片面积和管子面积来确定。优化的换热器必须合适平衡翅片和管子面积的使用，从而以成本有效的方式产生制冷剂侧和空气侧之间的优化传热。小直径管子(例如5mm或更小)与根据本发明较佳实施例的翅片12的组合，提供优化的传热效率和成本有效性。如图2和4的立体图所最佳示出的那样，在给定的纵向肋内，多个狭缝110间隔地设置在套环孔18'之间。每个狭缝110形成突出的或凸起的带状部段或叶片112，该部段或叶片平行于翅片表面103并以其两个纵向端部113连接至翅片12'的表面103。部段112 在凸起的叶片112和翅片表面103之间限定打开部分114，其分隔进入气流。对狭缝的深度尺寸dv(沿着气流方向)(图8、9)进行优化以减少部段112上的界面层发展，这改进了传热能力。较佳的是，七是0.5-1. 5mm。更佳的是，dv是约1. 0mm。翅片上相邻叶片112之间的间隔深度Cli (图8)也较佳地等于叶片深度dv。参见图10，狭缝110布置成“X”形的布型105，在给定的纵向列内，狭缝110的每个布型105在每对套环孔18'之间重复。在布型105中，根据本发明的较佳实施例，狭缝 110理想地分别分组成五列120、122、124、126、128。两个前列(基于气流方向)120、122以及两个后列1沈、1观各较佳地采用两个狭缝110，为此，连接端113较佳地以15-45度的角度α相对于气流法向形成(假设气流垂直于翅片的纵向)。理想的是，α是30度。中心列1 较佳地采用单个狭缝110，其端部113平行于入射气流而形成。由于管翅式换热器的性质，翅片12'的最远离相邻管子的中心部分具有最低的传热效率。布型105设计成引导气流以产生更多的紊流，这改进该区域上的传热。在第一列120、第二列122、第四列1 和第五列128中的狭缝110的倾斜端部113产生涡流和对应的紊流。参见图5，翅片12'还对于5mm管子提供优化和平衡的管子距离和翅片宽度。 现有技术的管翅式换热器布置成用于7mm至3/8英寸直径的管子，其翅片宽度通常为 19mm-22mm，横向管子间距为19mm_25. 4mm。这些现有技术的翅片12对于小管子尺寸并不发挥优化的性能，这导致与使用根据本发明较佳实施例的翅片12'所需的换热系统空间相比，现有技术的翅片12需要更大的换热系统空间。翅片12'在另一方面具有减小的翅片宽度尺+Pw(即，在单纵向列内两个相邻套环孔18'的中心距)和10-15mm的横向管子间距尺寸Pt(即，两个相邻纵向列的套环孔18'的中心线之间的垂直距离)，从而使用最少的翅片和换热管材料给出优化的传热能力，这导致了高效利用空间的产品。更佳的是，Pw是 16mm, pt 是 13. 86mm。参见图9，从叶片112'的顶面到翅片12'的顶面103之间的高度hv较佳地是 0. 25-0. 75mm。更佳的是，hv 是约 0. 5mm。撰写本说明书的摘要仅仅是为了向美国专利商标局和广大公众提供通过粗略阅读就能快速确定技术方案的性质和要旨的方式，它仅仅表现一较佳实施例，并不表示本发明的整体性质。尽管本发明的一些实施例已经详细示出，但是本发明并不局限于所示的实施例； 本领域技术人员可对以上实施例作出修改和改变。这些修改和改变落入这里所述的本发明的精神和范围之内。
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权利要求
1.一种用于管翅式换热器(10)的翅片(12')，包括 大体平坦的金属板片；第一多个孔(18')，所述第一多个孔贯穿所述板片形成，且限定第一纵向列的孔 (18')；以及形成在所述板片中的第一纵向肋和第二纵向肋(100)，所述第一纵向列的孔(18')设置在所述第一纵向肋和第二纵向肋(100)之间；所述第一纵向肋和第二纵向肋(100)中的每个纵向肋具有突出超过由所述板片限定的上表面(103)的顶面。
2.如权利要求1所述的翅片(12')，其特征在于，还包括第二多个孔(18')，所述第二多个孔贯穿所述板片形成，且限定第二纵向列的孔 (18')；以及形成在所述板片中的第三纵向肋和第四纵向肋(100)，所述第二纵向列的孔(18')设置在所述第三纵向肋和第四纵向肋(100)之间，所述第二纵向肋和第三纵向肋(100)设置在所述第一纵向列的孔和第二纵向列的孔(18')之间。
3.如权利要求1所述的翅片(12')，其特征在于，还包括多个凸起叶片(112)，所述多个凸起叶片在所述板片中、在所述第一多个孔(18')的第一孔和第二孔(18')之间形成大体“X”形布型(105)；所述多个凸起叶片(11 中的每个凸起叶片在所述板片中形成在纵向的第一狭缝和第二狭缝(110)之间，从而开口(114)限定于所述凸起叶片(112)和所述板片的表面(103) 之间。
4.如权利要求3所述的翅片(12')，其特征在于所述多个凸起叶片(11 设置成平行于所述第一纵向肋(100)的第一列、第二列、第三列、第四列和第五列(120，122，124，126，128)。
5.如权利要求3所述的翅片(12')，其特征在于所述多个凸起叶片(112)中的至少一个凸起叶片在第一端(113)附连至所述板片； 所述第一端(113)与垂直于所述第一纵向肋(100)的假想线定向成一角度(α)；以及所述角度(α)是15-45度。
6.如权利要求5所述的翅片(12')，其特征在于所述多个凸起叶片(112)中的所述至少一个凸起叶片在第二端(113)附连至所述板片；所述第一端和第二端(11 与垂直于所述第一纵向肋(100)的假想线定向成所述角度 (α)；以及所述角度(α)是25-35度。
7.如权利要求1所述的翅片(12')，其特征在于，还包括九个凸起叶片(112)，所述九个凸起叶片在所述板片中、在所述第一多个孔(18')的第一孔和第二孔(18')之间形成大体“X”形布型(105)；所述九个凸起叶片(11 中的每个凸起叶片在所述板片中形成在纵向的第一狭缝和第二狭缝(110)之间，从而开口(114)限定于所述凸起叶片(112)和所述板片的表面(103) 之间；其中，所述九个凸起叶片(112)中的第一叶片和第二叶片(112)设置成平行于所述第一肋(100)的第一列(120)叶片(112)，所述九个凸起叶片(112)中的第三叶片和第四叶片(112)设置成平行于所述第一肋(100)的第二列(122)叶片(112)，所述九个凸起叶片 (112)中的第五叶片(112)设置成平行于所述第一肋(100)的第三列(124)叶片(112)，所述第二列(122)叶片(112)设置成邻近于所述第一列(120)叶片(112)和第三列(124)叶片(112)并位于所述第一列(120)叶片(112)和第三列(124)叶片(112)之间，所述九个凸起叶片(112)中的第六叶片和第七叶片(112)设置成平行于所述第一肋(100)的第四列 (126)叶片(112)，所述第三列(124)叶片(112)设置成邻近于所述第二列(122)叶片(112) 和第四列(126)叶片(112)并位于所述第二列(122)叶片(112)和第四列(126)叶片(112) 之间，所述九个凸起叶片(112)中的第八叶片和第九叶片(112)设置成平行于所述第一肋 (100)的第五列(128)叶片(112)，所述第四列(126)叶片(112)设置成邻近于所述第三列 (124)叶片(112)和第五列(128)叶片(112)并位于所述第三列(124)叶片(112)和第五列(128)叶片(112)之间。
8.如权利要求3所述的翅片(12')，其特征在于所述多个凸起叶片(11 中的每个凸起叶片具有从所述第一狭缝(110)到所述第二狭缝(110)的深度尺寸(dv)，所述深度尺寸是0.5-1. 5mm。
9.如权利要求3所述的翅片(12')，其特征在于所述多个凸起叶片(112)中的每个凸起叶片具有从所述板片的所述上表面(103)到所述叶片(112)的所述顶面的高度尺寸(hv)，所述高度尺寸是0.25-0. 75mm。
10.如权利要求1所述的翅片(12')，其特征在于所述肋(100)中的每个肋具有从所述板片的所述上表面(10 到所述肋(100)的顶面的高度尺寸OO，所述高度尺寸是0. 05-0. 25mm。
11.如权利要求1所述的翅片(12')，其特征在于在所述第一纵向列的孔(18')中，所述第一多个孔(18')的相邻两个孔(18')的纵向中心距(Pw)是12-18_。
12.如权利要求2所述的翅片(12')，其特征在于所述第一纵向列的孔(18')的中心和所述第二纵向列的孔(18')的中心之间的垂直距离(Pt)是10-15mm。
13.一种用于管翅式换热器(10)的翅片(12')，包括大体平坦的金属板片；第一多个孔(18')，所述第一多个孔贯穿所述板片形成，且限定第一纵向列的孔 (18')；以及多个凸起叶片(112)，所述多个凸起叶片在所述板片中、在所述第一多个孔(18')的第一孔和第二孔(18')之间形成大体“X”形布型(105)；所述多个凸起叶片(11 中的每个凸起叶片在所述板片中形成在平行的第一狭缝和第二狭缝(110)之间，从而开口(114)限定于所述凸起叶片(112)和所述板片的表面(103) 之间。
14.如权利要求13所述的翅片(12')，其特征在于所述多个凸起叶片(112)中的第一叶片和第二叶片(112)设置成平行于所述第一纵向列的孔(18')的第一列(120)叶片(112)；所述多个凸起叶片(112)中的第三叶片和第四叶片(112)设置成平行于所述第一纵向列的孔(18')的第二列(122)叶片(112)；所述多个凸起叶片(112)中的第五叶片(112)设置成平行于所述第一纵向列的孔 (18')的第三列(124)叶片(112)；所述多个凸起叶片(112)中的第六叶片和第七叶片(112)设置成平行于所述第一纵向列的孔(18')的第四列(126)叶片(112)；所述多个凸起叶片(112)中的第八叶片和第九叶片(112)设置成平行于所述第一纵向列的孔(18')的第五列(128)叶片(112)；所述第二列(122)叶片(112)设置成邻近于所述第一列(120)叶片(112)和第三列 (122)叶片(112)并位于所述第一列(120)叶片(112)和第三列(122)叶片(112)之间； 所述第三列(124)叶片(112)设置成邻近于所述第二列(122)叶片(112)和第四列 (126)叶片(112)并位于所述第二列(122)叶片(112)和第四列(126)叶片(112)之间； 以及所述第四列(126)叶片(112)设置成邻近于所述第三列(124)叶片(112)和第五列 (128)叶片(112)并位于所述第三列(124)叶片(112)和第五列(128)叶片(112)之间。
15.如权利要求14所述的翅片(12')，其特征在于所述多个凸起叶片(11 中的所述第一、第二、第三、第四、第六、第七、第八和第九叶片(11 各具有连接至所述板片的第一远端和第二远端(113)，所述远端(113)中的每个远端与垂直于所述第一纵向列的孔(18')的假想线定向成一角度(a)，所述角度是15-45度。
16.一种管翅式换热器(10)，包括设置成一叠的多个翅片(12')，所述多个翅片(12')中的每个翅片具有大体平坦的金属板片、第一多个孔(18')、以及形成在所述板片中的第一纵向肋和第二纵向肋(100)， 所述第一多个孔贯穿所述板片形成，且限定第一纵向列的孔(18')，所述第一纵向列的孔 (18')设置在所述第一纵向肋和第二纵向肋(100)之间，所述第一纵向肋和第二纵向肋 (100)中的每个纵向肋具有突出超过由所述板片限定的上表面(10 的顶面；以及管子(22)，所述管子被接纳穿过所述叠且与所述多个翅片(12')中的每个翅片实体接触。
17.一种管翅式换热器(10)，包括设置成一叠的多个翅片(12')，所述多个翅片(12')中的每个翅片具有大体平坦的金属板片、第一多个孔(18')、以及多个凸起叶片(112)，所述第一多个孔贯穿所述板片形成，且限定第一纵向列的孔(18')，所述多个凸起叶片在所述板片中、在所述第一多个孔(18')的第一孔和第二孔(18')之间形成大体“X”形布型(105)，所述多个凸起叶片 (112)中的每个凸起叶片在所述板片中形成在平行的第一狭缝和第二狭缝(110)之间，从而开(114)限定于所述凸起叶片(112)和所述板片的表面(103)之间；以及管子(22)，所述管子被接纳穿过所述叠且与所述多个翅片(12')中的每个翅片实体接触。
全文摘要
根据一较佳实施例，一种制造管翅式换热器的改进方法包括提高换热器翅片的硬度和刚度的工艺。较硬翅片具有使一叠翅片保持适当对准的较好趋势，这帮助用小直径(例如5mm)的管子穿入长叠的翅片。较佳的是，通过在翅片冲压过程中在翅片内形成多个纵向肋，可提高翅片硬度。更佳的是，对于每纵向列的套环孔设置两个肋。较佳实施例还包括开槽的换热器翅片，当该换热器翅片与小直径管子一起使用时，其尺寸和布置设计成优化热力学性能，因此减小给定换热系统所需的空间。
文档编号F28D1/04GK102216714SQ200980130898
公开日2011年10月12日 申请日期2009年6月15日 优先权日2008年6月13日
发明者R·萨伯, 陈培培 申请人:古德曼全球股份有限公司