专利名称:内表面开有螺纹的传热管的制作方法
本发明是关于内表面开有螺纹的传热管，特别是指一种改进的内表面开有螺纹的适合安装于诸如空调、制冷器、锅炉等热交换器中的，在管内进行液流物态转换的传热管。
内表面开有螺纹的传热管(以下称为内表面螺纹管)，是在金属管(如铜管等等)的内表面上开有许多条螺旋形沟纹，如图1所示。
然而，已经发现通过限制螺纹深度、形状和螺旋角等等加以改进的先有技术的内表面螺纹管，不能充分满足用户的要求。其主要原因是由于传热特性与管子制造成本之比很低，也就是说，由于内表面螺纹管的内表面精细而且具有凸凹结构，除非利用滚轧方法，很难提供质量稳定的管子。然而，滚轧方法在生产速度上受电机等等的转动速率的限制，换言之，受到了制造成本限制。另一方面，无螺纹管可以用高速拉延的方法制造，因此，如果根据传热特性与制造成本之比来考虑先有技术的内表面螺纹管时，很难指出从无螺纹管转变到螺纹管的优点。
先有技术中典型的内表面螺纹管的结构或形状如图2(a)和2(b)所示。这先有技术螺纹管的特性与制造成本之比很低，是由于以下两个原因。
(1)众所周知，特性或性能是与螺纹深度(Hf)成正比的。与无螺纹管相比，螺纹管中的压力衰减急剧增加，其极限值出现在0.02到0.03附近，(此值是用螺纹深度(Hf)与管子内径(Di)之比来表示的)，然而先有技术螺纹管的Hf/Di值小于0.018，因此先有技术管的螺纹深度并未达到上述最佳极限值。这也可以归因于在先有技术管中螺纹深度的增加和管子单位长度的重量有关，因而使成本较高。
(2)影响管子特性的因素是在内表面形成的螺纹和螺脊的形状。图2(a)所示先有技术的产品特性不佳，这是由于螺纹部分的横截面积(S)小和螺脊的螺旋角(α)大。虽然图2(b)所示产品的横截面积(S)比图2(a)大，但是由于它的螺脊是梯形的，所以其特性仍不佳。
本发明的一个目的是提供具有高传热率的内表面开有螺纹的传热管。
另一个目的是提供单位长度的重量较小的内表面开有螺纹的传热管。
还有一个目的是提供一种容易生产的内表面开有螺纹的传热管。
简而言之，这种内表面螺纹管包含很多条在其内表面形成的螺旋形沟纹。这些螺纹中的每条螺纹其深度(Hf)与管子内径(Di)之比(Hf/Di)都是在0.02到0.03之间。螺纹与管轴间的螺旋角是从7°到30°。各个开有螺纹部分的横截面积(S)与螺纹深度(Hf)之比(S/Hf)的范围是从0.15到0.40，在位于各螺纹间的螺脊横截面内的顶角(β)范围是从30°到60°。
本发明的特征是在管子的内表面上提供较深的螺纹，其范围是使螺纹管内流体的压力衰减事实上并不增加;通过考虑液膜的厚度和管子内表面面积而限制各个开有螺纹部分的横截面积;通过全面地考虑内表面面积、管子单位长度重量以及管子的可加工性，确定位于各螺纹间的螺脊形状。对于那些熟悉先有技术的人而言，通过阅读根据本发明构成的优先实施例的以下详细说明，并结合附图，就可以明显地看出本发明的其它一些目的、特征及附带的优点。
图1(a)和图1(b)分别为内表面螺纹管的横剖面示意图和纵剖面示意图。
图2(a)，2(b)和2(c)为先有技术产品放大了的横剖面图，每幅图都表示各个部分或其尺寸所用的符号。
图3为按照本发明构成的内表面螺纹管放大了的局部剖面图。
图4为表示螺纹深度与传热率或压力衰减之间关系的图。
图5为表示螺纹螺旋角与传热率之间关系的图。
图6(a)和6(b)分别为管内流体流动的示意图。
图7(a)、7(b)和7(c)为螺纹尺寸与液膜厚度之间关系的横剖面示意图。
图8(a)至图8(d)为横剖面示意图，每幅图都表示螺纹尺寸与螺脊尺寸之间的关系。
图9为表示按照本发明构成的管子其螺纹顶角与传热特性间关系的图。
图10为表示按照本发明构成的管子其螺纹横截面积与传热特性或单位长度重量之间关系的图。
图11为表示按照本发明构成的管子其螺纹的横截面积与传热特性、或单位长度重量以及和先有技术产品相比较的指数之间关系的图。
参看图3，这是按照本发明构成的内表面螺纹管放大了的局部横剖面图。在本实施例中，传热铜管的外径(OD)为9.52mm，有效壁厚为0.30mm。在铜管的内表面上形成螺纹，即在内表面上构成60个间隔均匀并与管轴成18°螺旋角(β)的三角形螺脊。
下面通过与先有技术产品相比较，来说明本发明中所用数字界限的理由。
以下所述全部数据都是以氟里昂R-22作为管内液流而获得的，压力计上的蒸汽压力为4Kg/cm2，平均干燥度为0.6，热流量为10KW/m2，致冷流率为200Kg/m3S，凝缩压力为14.6Kg/cm2S，入口过热温度为50℃，出口过冷温度为5℃，管子的内表面面积根据最小内径来计算。
下面首先说明在传热管内表面上所形成螺纹的深度对管子特性的影响。
采用外径为9.52mm，内径为8.52mm和螺旋角(β)为18°的一般内表面螺纹铜管，图4是以管子的螺纹深度(Hf)与其最小内径(Di)之比为横座标，最佳传热率或螺纹管中流体的压力衰减与无螺纹对照铜管之比为纵座标画出的。如图4所示，传热率之比随螺纹深度(Hf)的增加而增加，但是从0.02～0.03(Hf/Di)附近，增长率开始下降。同样，压力衰减从0.03附近开始上升。也就是说，直到0.03(Hf/Di)附近，螺纹管与无螺纹管的压力衰减没有很大差别，但是从这点开始突然上升。因此，应该在螺纹管的压力衰减与无螺纹管没有很大差别的范围内，尽可能选在效率高的部分，即把Hf/Di选在从0.02到0.03的范围内。
下面说明螺纹相对于内表面螺纹管轴的螺旋角(β)对管子特性的影响。参看图5，采用外径为9.52mm，内径为8.52mm，螺纹深度为0.22mm的内表面螺纹铜管，以相对于管轴的螺旋角(β)为横座标，螺纹管的传热率与无螺纹对照铜管之比为纵座标画出。如图5所示，流体的蒸发传热率之比在螺旋角为7°～20°附近有一个小峰值，而流体的凝结传热率之比随螺旋角(β)的增加而缓慢增加。然而，螺纹螺旋角(β)的增加使制造螺纹管时的可加工性不好，因此对于蒸发和凝结二者作为最佳螺旋角β应优先从7°到30°的范围。在螺旋角的这个范围内，传热特性没有多大差别。
下面考虑螺纹的横截面积(S)对传热特性的影响，包括(1)由于内表面不平而搅动流体的效应，(2)内表面面积增加的效应，以及(3)在不平部分液膜变化的效应。就搅动效应而言，毫无疑问螺纹的深度(Hf)起主要作用，而且螺纹越深，对改进传热特性的作用就越大。然而，这与液膜变化的效应密切相关。也就是说，当流体例如冷冻液在高于额定速度下流动时，由于细螺纹的毛细作用，使流体跑到螺旋沟纹里，并且流体的速度产生一个拉力使流体趋于变成所谓的环流，而浸润管子的整个内园。这种状态示于图6(a)和6(B)图6(a)表示无螺纹管的情况，其中上部的干燥部分对于流体的蒸发不起作用，图6(b)为螺纹管的情况，管子整个内园都起作用，从而增强了液流的蒸发。但是，甚至在这种开有螺纹的管子里，当开有螺纹部分的横截面积互不相同时，如果液体的总量恒定的话，液膜的厚度也是互不相同的，这种状态如图7所示。也就是说，在开有螺纹部分的横截面积大的管(c)中，液膜2太薄，以致螺脊的顶端突出于液膜，因而不产生蒸发作用。另一方面，在开有螺纹部分的截面积小的管(a)中，液膜2太厚，使气流与管壁之间的热阻增加，导致传热特性不好。因此，在开有螺纹部分最佳横截面积的管(b)中，在整个壁表面上覆盖了一层尽可能薄的液膜。在这种情况下，如果被螺纹分开的螺脊形状相同的话，那么管1的内表面面积就反比于螺纹的横截面积。这样，根据内表面面积来考虑传热特性时，管(c)就劣于管(b)，而管(a)则优于管(b)。因此，可以设想综合的最佳横截面积S(确切地是S/Hf)是在图7中的情况(a)和情况(b)之间。
图8表示在开有螺纹的截面积(S)为最佳值并保持不变时，螺脊形状变化的实例。在图8中，截面形状(a)比形状(b)的螺脊顶角(α)大，因此在管子的可加工性方面前者就优于后者。然而前者(a)较后者(b)的螺脊截面积大，因此趋于增加管子的单位长度重量，并减小管子的总内表面面积，使传热特性不好。同样，具有梯形螺脊的截面形状(c)趋于增加管子的单位长度重量并减小管子的总内表面面积。另一方面，具有狭窄螺脊顶角(α)的截面形状(c)趋于增加管子的总内表面面积而不增加管子的单位长度重量。但是对于非常狭窄的螺脊顶角，由于其可加工性不好，将大大增加管子的制造成本。
螺纹和螺脊的形状对传热特性或性能的这些定性的影响都在图9至图11的数据中表示出来了。
图9表示，当采用外径为9.52mm，内径为8.52mm，螺纹深度为0.20mm，螺纹角(β)为18°，螺纹数量为60条的内表面螺纹铜管时，螺脊的形状或顶角(α)，与螺纹管对无螺纹对照铜管的传热率之比，之间的关系。如图9所示，螺脊的顶角越窄，蒸发和凝缩这两种传热特性都越好，而且，在传热特性方面三角形螺脊(B)优于梯形螺脊(A)。但是较窄的顶角(α)使管子的可加工性不好，引起制造成本的增加，因此，实际上最好采用30°-60°的顶角(α)。
图10表示，当采用外径为9.52mm，底壁厚度(TW)为0.30mm，螺纹深度(Hf)为0.20mm，螺纹螺旋角(β)为18°，螺脊顶角(α)为50°的内表面螺纹铜管时，开有螺纹部分的横截面积(S)与螺纹深度(Hf)之比，与传热特性，(螺纹管与无螺纹对照铜管传热率之比)，或螺纹管单位长度重量之间的关系。按照10，蒸发的传热特性随着S/Hf值的增加而缓慢增加，在0.3(S/Hf)附近有一个峰，并从这一点开始就急剧下降。另一方面，凝结的传热特性随着S/Hf的减小而急剧上升，在0.2(S/Hf)附近有一个小峰。
从这些趋势看来，可以断定S/Hf值越小，传热特性就越稳定。另一方面，还应认识到螺纹数量增多所引起管子单位重量的增加是与S/Hf成反比的。也就是说，除决定螺纹的螺脊数量的那些因素外，其它因素不变时，S/Hf减小就意味着螺脊数量的增加，那么管子的单位长度重量就增加，使成本提高。因此，全面考虑这些因素后，就能对螺纹管确定一种最佳规格。
在成本方面考虑总体指数是本发明的目的之一，下面说明以这种考虑者估计的实例。
假定一个室内空调器的叶片螺旋形热交换器，这是一种典型的热交换器，如果包括开口型铝制叶片的管子的外部热阻与所用的先有技术管子的内部热阻之比为75%∶25%。只用按照本发明构成的螺纹管来代替图2(a)所示先有技术的管子。图11表示用这种方法获得的结果。图11(b)表示从传热率增长率换算出来的热通量增长率与S/Hf之间的关系。对管子单位长度重量进行类似的比较后，得到图11-A所示的图。在这种情况下，采用的先有技术铜管的外径为9.52mm，螺纹深度为0.15mm，螺旋角(β)为25°，螺脊顶角为90°，螺纹数量为65条。
现在，如果由于热通过率增大而使管子的长度缩短的话，这种增大将在成本上获得好处，而单位长度重量的减小在成本上所得到的好处接近于前者。
那么对于一个管子的买主而言，A+B的值就是总的指数。实际上，由于力图改善空调的容量和/或效率而减小了这个指数，而且，如果管子的可加工性变坏的话，这个指数还要进一步减小。因此，换算成图11中指数的这种换算，仅是一种度量。但是因为本发明的检验重点在于特性的改善以及管子单位长度重量的减小，所以从图11可以理解，即使在S/Hf较小，因而特性的改善微小的范围内，也能获得满意的指数。
本发明对利用内表面螺纹铜管来实现的一个优选施实例作了说明。如前所述，本发明能减小单位长度重量，通过限制各个开有螺纹部分的横截面积，并限制决定开有螺纹部分的螺脊形状，来改善管子的可加工性和特性，因而有很大的实用价值。
为了完全、明了地公开，虽然本发明是对于一个特定的实施例加以说明的，但是附加的权利要求
并不受此限制，而是包括所有的改进型和代替结构，熟悉本技术的人从这里公开的基本资料中能够想出这些结构。
权利要求
1.内表面开有螺纹，适合于在管内流动的流体进行物态转换，具有在内表面上构成的许多条螺旋形沟纹的一种传热管，其中所述螺纹的深度(Hf)与管子内径(Di)之比(Hf/Di)为0.02到0.03，所述螺纹对管轴的螺旋角(β)为7°到30°，其特征在于包括各个开有螺纹部分的横截面积(S)与所述螺纹深度(Hf)之比(S/Hf)的范围为从0.15到0.40；以及在位于所述各螺纹间的螺脊横截面内的顶角(β)范围为从30°到60°。
2.根据权利要求
1的传热管，其中所述各螺脊截面的形状实际上是三角形的。
3.根据权利要求
1或2的传热管，其中所述螺纹在管子内表面上以近于相等的间隔构成。
4.根据权利要求
1到3的传热管，其中所述各螺脊的截面形状实际上是梯形的。
5.根据权利要求
1至4的传热管，其中所述管子是用铜制作的。
专利摘要
本发明是一种具有螺纹内表面，适合在安装于热交换器内的管中流动的流体进行物态转换的传热管。通过限制各个开有螺纹部分的横截面积，并限制决定开有螺纹部分的螺脊形状，这种管子可以减小单位长度重量，并能改进管子的可加工性和特性。
文档编号F28F1/06GK85103367SQ85103367
公开日1986年12月24日 申请日期1985年5月13日
发明者信原义広, 尾泉清, 伊藤安彦, 屈真言 申请人:日立电线株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan